2019年，我國氫能發(fā)展迅猛，國內(nèi)能源央企紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)，氫能在未來我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位正在逐步顯現(xiàn)。然而，我國氫能產(chǎn)業(yè)政策依然不完善，氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，實現(xiàn)我國氫能健康、平穩(wěn)發(fā)展依然面臨諸多挑戰(zhàn)。
日本作為東亞能源消費大國，深耕氫能產(chǎn)業(yè)多年，并且已經(jīng)具備相對完善的政策、及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，我們可以透過氫燃料電池發(fā)展技術(shù)，透析日本氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展脈絡(luò)。
周杰系國際清潔能源論壇(澳門)秘書長，該論壇是“一帶一路”國家戰(zhàn)略中，我國能源央企出海重要對外窗口。他長期從事外交領(lǐng)域工作，對國際清潔能源發(fā)展，特別是日本能源體系有深入觀察和研究，現(xiàn)為武漢新能源研究院研究員。
2019年9月18日，為實現(xiàn)《氫能源基本戰(zhàn)略》和《第5次能源基本計劃》所提出的國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略目標，日本繼今年3月再次修訂了《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》之后，緊鑼密鼓又出臺了重磅的《氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》。技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略重點鎖定在燃料電池、氫制備與儲運及其氫燃料發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈以及水電解制氫三大領(lǐng)域，共分為十項關(guān)鍵技術(shù)。
燃料電池技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點
氫燃料電池種類繁多，但日本燃料電池技術(shù)開發(fā)重點主要集中在聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)和固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)兩大類，前者適合汽車動力需求，后者則主要用于工商業(yè)發(fā)電或儲能電源。高效、耐用、成本是實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的基礎(chǔ)，技術(shù)開發(fā)的重點目標是：盡可能減少鉑金催化劑用量，尋找鉑金替代催化劑，燃料電池發(fā)電效率達到65%以上。
1、動力燃料電池技術(shù)(PEFC)：到2030年續(xù)航里程由目前的700公里增加到800公里;最大功率密度由目前的3.0kW/L增加到6.0kW/L;乘用車和商務車使用年限超過15年;燃料電池系統(tǒng)由2萬日元/kW降至0.2-0.4萬日元/kW;儲氫系統(tǒng)由70萬日元降至10-20萬日元，儲氫量可以達到 5.7wt%(相當于5kg)。具體目標是：降低鉑金催化劑用量(0.1g/kW)，開發(fā)非鉑催化劑或減少自由基生成的催化劑;電解質(zhì)膜實現(xiàn)高質(zhì)子導電性、薄型化、低氣體滲透率以及高耐久性;降低氣體擴散層的電阻率，從目前的5-10mΩ•cm降至1.5-2.5mΩ•cm，提高透氣性能和疏水性能;電池隔板具耐久性、電阻低、排水好以及沖壓成形工藝優(yōu)良;密封材料須防止氣體通過和冷卻液泄露，提高氣體致密性;開發(fā)能維持100-120℃高溫工作性能的催化劑、載體材料及電解質(zhì)膜;開發(fā)極端環(huán)境下維持正常工作性能及具良好耐久性的相關(guān)燃料技術(shù)，如最低啟動溫度由-30℃進一步降至-40℃等。
2、固定式燃料電池技術(shù)(SOFC)：到2025年，低壓燃料電池系統(tǒng)成本為50萬日元/kW，發(fā)電成本25日元/kWh;高壓燃料電池系統(tǒng)成本為30萬日元/kW，發(fā)電成本17日元/kWh。具體目標是：燃料電池電堆系統(tǒng)發(fā)電效率超過65%(LHV);電堆壽命由目前的9萬小時增加至13萬小時以上(約15年)，并大幅縮短啟動時間;提高燃料電池系統(tǒng)的燃料利用率;開發(fā)適用生物質(zhì)燃料等多燃料系統(tǒng)的電堆。此外，燃料電池通用技術(shù)還包括：開發(fā)燃料電池零部件量產(chǎn)化生產(chǎn)工藝技術(shù);開發(fā)燃料電池能源管理系統(tǒng);制定對燃料電池性能和耐久性進行加速劣化測試的標準和試驗模型。
3、輔助設(shè)備、儲氫罐及相關(guān)技術(shù)：開發(fā)減少碳纖維用量的移動式儲氫罐以及其它容器的高效生產(chǎn)工藝;優(yōu)化包括輔助設(shè)備在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)，并降低成本;開發(fā)燃料電池用于乘用車之外的新用途。
氫制備、儲運與發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈
技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點
氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈包括制備、儲運與發(fā)電三項技術(shù)。盡管制氫方式眾多，包括化石燃料重整、分解、光解或水電解等。但日本氫制備技術(shù)重點主要放在利用澳大利亞褐煤制氫和國內(nèi)可再生能源水電解制氫技術(shù)上;從儲運技術(shù)來看，有高壓儲氫、液體儲氫、金屬氫化物儲氫、有機氫化物儲氫以及管道運輸氫等多種，但日本將液氫儲運技術(shù)作為發(fā)展重點;純氫燃料發(fā)電是日本未來火力發(fā)電戰(zhàn)略布局最重要的一項技術(shù)，重點是要解決穩(wěn)定燃燒技術(shù)?？傮w來說，提高能效，降低成本是氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈形成最為關(guān)鍵的要素。
4、大規(guī)模氫制備技術(shù)：開發(fā)高效、低成本的褐煤氣化爐設(shè)備，褐煤氣化制氫成本由目前的幾百日元下降到12日元/Nm³;與此同時開發(fā)高效的大型電解水裝置。
5、儲運技術(shù)：提高氫液化效率，氫液化能耗由13.6kWh/kg下降至6.0kWh/kg;開發(fā)適用低溫氫氣裝運的壓縮機;開發(fā)成本較低的大型輸氫臂;開發(fā)適用于氫燃料發(fā)電的液氫升壓泵;開發(fā)適用于大規(guī)模海上運輸或陸上儲存的儲氫罐絕熱材料和冷卻系統(tǒng);開發(fā)超低溫地區(qū)能夠使用的金屬材料、樹脂材料，并建立相關(guān)技術(shù)評價體系;提高氫氣化或脫氫催化劑的性能，減少甲苯用量，由目前的1.4%降至0.7%;利用余熱實現(xiàn)脫氫工藝低碳化，并降低成本;開發(fā)電解合成等新型催化劑，降低整個系統(tǒng)成本等。
6、氫燃料發(fā)電技術(shù)：關(guān)鍵是實現(xiàn)純氫燃燒發(fā)電，重點是開發(fā)防止逆火和燃燒振動的技術(shù)。具體來說，開發(fā)低氮、高效、與氫燃料發(fā)電特性相匹配的燃燒器;利用發(fā)電余熱高效實現(xiàn)甲基環(huán)已烷(MCH)和氨等氫載體的脫氫反應，并降低成本。
7、氫加注技術(shù)：設(shè)定2025年加氫站建設(shè)和運維成本控制目標，建設(shè)費由3.1億日元降至2.0億日元，每年運維費由0.32億日元降至0.15億日元。具體目標是：對通過遠程控制實現(xiàn)無人值守加注站以及相關(guān)設(shè)備配置進行風險評估;獲取普通金屬材料與氫反應特性的數(shù)據(jù);延長氫蓄壓器壽命，開發(fā)新的檢測方法，成本由0.7億日元降至0.1億日元;進一步提高加注軟管及密封材料的耐久性;開發(fā)新的溫升控制加注協(xié)議;根據(jù)運營數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)加注站設(shè)備規(guī)格統(tǒng)一和操作流程標準化;降低氫壓縮機成本，由0.6億日元降至0.5億日元，與此同時開發(fā)電化學或熱化學壓縮機;開發(fā)液氫泵;開發(fā)燃料電池卡車等新應用場景下的加注和計量技術(shù);開發(fā)容量大、重量輕的儲氫容器，陸地儲氫罐容量由2500m³增加到50000m³，海上運輸儲氫罐容量由目前的1250m³增加到40000m³;開發(fā)容量大，耐久性強的儲氫材料。
水電解制氫技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點
水電解制氫主要有堿形電解水技術(shù)(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEM)、堿性陰離子交換膜電解水技術(shù)(AEM)和高溫固體氧化物電解水技術(shù)(SOEC)等。技術(shù)開發(fā)總體目標是要求探明電解質(zhì)材料衰減機理，在降低成本的基礎(chǔ)上提高電解水設(shè)備的效率和耐久性，并能滿足高負荷運轉(zhuǎn)、負荷波動快以及快速啟停的需求。
8、水電解制氫技術(shù)：(1)在ALK和PEM電解水裝置方面，設(shè)定了2030年技術(shù)開發(fā)目標。開發(fā)擴大控制電流密度幅度的技術(shù)，電流密度由目前的1.0-2.0A/cm²增加至2.5A/cm²;能耗由目前的5.0kWh/Nm³降低為4.5kWh/Nm³;通過減少電解金屬用量降低設(shè)備成本，其中堿性電解水設(shè)備由目前的12萬日元/kw降至5.2萬日元/kw，PEM電解水設(shè)備由目前的25萬日元/kw降至6.5萬日元/kw;降低運維成本，每年由目前的2.4萬日元/Nm³/h降至0.45萬日元/Nm³/h;衰減率降低到0.12%/1000小時;降低觸媒金屬用量，鉑金由目前的0.2-0.5mg/w降至0.1mg/w，其它貴金屬由目前的0.5-1.5mg/w降至0.4mg/w，電解槽須提高電極等相關(guān)材料部件應對負荷變動的耐用性。(2)在AEM電解水裝置方面，探明電解質(zhì)材料、催化劑材料衰減機理，進一步提高其耐用性;開發(fā)高效、耐用、低成本的電堆。(3)在SOEC電解水裝置方面，提高電堆的耐用性;開發(fā)低成本電堆制造技術(shù)。(4)在電解水基礎(chǔ)技術(shù)方面，開發(fā)電解水反應解析及其性能評價等基礎(chǔ)技術(shù);開發(fā)包括輔助設(shè)備在內(nèi)的?體化系統(tǒng)優(yōu)化算法;開發(fā)高效、耐用、成本低廉的甲烷氣化裝置等。
9、工業(yè)領(lǐng)域應用技術(shù)：重點目標是推廣利用綠氫。具體內(nèi)容包括：評估綠氫燃料替代的經(jīng)濟效益和二氧化碳減排效果;研究氫還原煉鐵技術(shù)等氫能在鋼鐵冶煉行業(yè)的利用潛力;對氫能產(chǎn)業(yè)鏈進行全生命周期評價;研究利用現(xiàn)有天然氣管道輸氫的潛力;研究石化企業(yè)聚集區(qū)的綠氫利用和互相融通技術(shù);開發(fā)電能替代困難的高溫加熱領(lǐng)域?qū)嵭袣涮娲募夹g(shù);擴大氫燃料的應用領(lǐng)域等。
10、創(chuàng)新技術(shù)方向：確定了以2050年為目標的中長期技術(shù)開發(fā)方向。具體目標是：研究高效電解水、?工光合成、膜分離法制備純氫等新技術(shù);開發(fā)創(chuàng)新型高效氫液化設(shè)備;開發(fā)長壽命液化氫儲存材料;開發(fā)低成本、高效、創(chuàng)新型的能源載體及其生產(chǎn)技術(shù);開發(fā)高效、穩(wěn)定、體積小、成本低的燃料電池創(chuàng)新技術(shù);開發(fā)利用綠氫和二氧化碳合成化學品的技術(shù)等。
《巴黎協(xié)定》之后，從低碳化社會邁向脫碳化社會的發(fā)展目標已成為世界潮流。氫能作為清潔能源不僅廣泛應用于交通、建筑、電力、儲能等各行各業(yè)，而且還為鋼鐵、石油、化工等生產(chǎn)制造以及高溫燃燒等難以脫碳的行業(yè)提供了脫碳的有效途徑，成為全面實現(xiàn)脫碳化社會目標的重要抓手。對于日本來說，氫能不僅在促進能源多元化和能源安全保障方面多了一種選項，更重要的是成為推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)脫碳化社會目標的重要戰(zhàn)略資源。因此，日本舉全國之力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。2019年度的氫能燃料電池技術(shù)研發(fā)預算達到5.9億美元，超過了2018年度的4.2億美元，遠高于歐美國家。此次《氫能燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》的重磅推出，不僅為日本建設(shè)氫能社會圈定了破解關(guān)鍵技術(shù)瓶頸的重點，還將引領(lǐng)全球氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)的新方向。
