揭露日本氢能发展现状及科研方向

电动知家 2019-10-27 14:54:06

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日前，材料委天津院对众多日本氢能领域的顶级专家们进行了专访，本文将采访问题与专家核心观点归并，整理出十条关于日本氢能发展现状及科研方向的内容，供君品阅。

日本新能源汽车现状

在交通方面，现阶段日本的主流车型仍是燃油汽车，电动汽车、插电式混合动力、油电混合型汽车的数量还在不断增加。虽然丰田公司推出了Mirai燃料电池车、普锐斯油电混合型汽车，但效率还是不如燃油汽车。除此，日本还有一种轻型车，发动机小、价格便宜且交税少。

不管从CO2排放量，还是减少燃料消费方面来看，价格较低且效率高的车辆普及度会更高。此外，日本首都大学东京（Tokyo Metropolitan University）首藤登志夫教授指出，若想氢燃料电池汽车大面积推广普及，要先确保氢源的稳定和清洁性。目前日本采用的大多是天然气制氢，这种方式能量消耗低，搭载在车上可以提高效率。但在制氢过程中会产生CO2，对环境有一定影响，相比之下，可再生能源制氢或许是更好的选择。

图丨首藤登志夫

日本氢能发展规划的可行性

日本即将迈入氢能社会普及阶段。目前日本现有加氢站数量约100余个，与国家战略规划在2030年建设900个加氢站的目标有一段距离，对此，日本氢能源协会（HESS）主席西宫伸幸教授解释，氢燃料电池战略规划图中的数字目标主要分为国家制定和企业制定，国家制定的数字目标一般都比较大，难以实现；企业制定的目标一般都会如期达成。比如东京奥运会时，日本要运行100辆燃料电池大巴，该项目由丰田公司来做，因此较易达成。

图丨西宫伸幸

在日本有一个HYSUT（氢供给利用技术协会）组织。该组织积累了一些关于加氢站、燃料电池汽车的实践技巧，并常与相关企业沟通共享信息。所以，HYSUT发布的一些数字目标大体上都可完成。

氢能社会是指燃料电池还是氢发动机？

从环境问题来看，氢燃料电池可以减少汽油的使用量，降低碳排放量；氢发动机在初始阶段存在一氧化氮的问题，所以前者优于后者。但若考虑成本问题，氢发动机的成本较低，所以更胜一筹。横滨国立大学大学院工学研究院绿色氢能研究中心会长太田健一郎教授认为，如果绿氢成本降低，氢燃料电池会是很好的发展方向。

图丨太田健一郎

西宫伸幸教授认为，应该学习丰田Mirai将燃料电池和蓄电池有效结合，利用燃料电池和发电机组的相互配合，从而降低成本，实现2030年氢气售价30日元/Nm³的目标。

氢能安全性

氢气不是绝对安全的，但将危险性降到最低就可以运用自如，如同使用汽油一样。虽然汽油引发的事故比比皆是，但目前日常生活中使用汽油的地方却必不可少。西宫伸幸教授指出，只有对氢气不了解的人就会拿安全性来做文章。他坦言，在日本确实存在反对氢能的声音，比如东京电力就非常反对氢能，因为东京电力主要靠电营生。还有很多人因之前福岛核电站爆炸事故反对发展氢能。

据西宫伸幸教授介绍，福岛核电站事故不是因为核电站有问题，是沸水堆有问题。在燃料棒外层包裹着锆，锆与水蒸气产生化学反应生成氢气。如果不用沸水，就可以避免锆与水蒸气的直接接触。一部分人将核电站的危险性和氢气的危险性混淆，所以认为氢能不安全。

氢燃料电池的未来方向

主要在于价格和性能两方面。

燃料电池汽车的价格是普通汽车价格的两倍，降低成本才能普及，比如提高性能、缩小体积、加大输出量、降低铂金的使用量等；其次燃料电池性能虽有大幅度提高，但是暂时还不能代替普通发动机，所以必须提高性能。

氢供应链上的中日合作

一方面，在制氢环节，中国对化石燃料的依赖性还是很强。西宫伸幸教授认为，若中国大力使用风能等可再生能源制氢，那么两国合作的可能性会更大。另一方面，从整体考虑，中国和日本拥有各自的发展优势，太田健一郎教授建议加强企业和大学之间的交流与合作。

日本对于氢脆现象的研究

在氢脆问题上，日本一直在探索不易发生氢脆的金属材料。据日本九州大学碳中和能源国际研究所教授兼首席研究员久保田祐信教授介绍，目前他的团队主要在进行四方面的研究：①在氢气中混合其他气体，使其不容易发生氢脆反应；②研究开发不容易发生氢脆反应的金属新材料；③加氢站中输氢管焊接处金属，不易发生氢脆反应的研究；④疲劳限度的研究。金属疲劳是导致机械损坏的重要原因之一，比如飞机坠机、新干线脱轨，因此在加氢站、氢能源汽车等设施中关于抗疲劳的设计是必不可少的。

图丨久保田祐信

久保田祐信教授表示，研究氢脆主要目的是研发不容易发生氢脆的材料。因此，这种材料的安全性和成本都是值得关注的方向。

目前，氢能发电主要依靠SOFC（固体氧化物燃料电池）技术，需要在高温条件下进行。不仅要考虑氢气自身的安全问题，还需要考虑高温条件下易燃易爆炸的问题，这种情况做实验是非常困难的。久保田祐信教授希望通过探索新材料能够解决目前存在的安全问题。

此外，成本问题也不容小觑。倘若某种材料的成本很高，会造成加氢站的成本增高，最终无法实现商业化。因此，必须要降低价格的同时也保证其安全性。这方面，作为日本氢能安全性评价机构的Heterogeneous研究所也在搜集相关实验数据，试图在安全的前提下降低成本。

日本政府在保障安全性方面也制定了很多非常严格的法律规定，比如《高压气体保安法》。为了遵守相应的法律法规，致使加氢站的成本非常高。在日本建设一个加氢站约是5亿日元，而在欧洲建设仅需约2亿日元。

液化氢与磁制冷技术

液氢的临界熔点极低，在运输和保存过程中需要保持同等温度的环境。因此，保存液态氢需要一种双层结构的“真空保温瓶”，内部有真空层，不让外部的热量侵入内部，就像喝热水的保温杯一样。据西宫伸幸教授介绍，他正做研究就是将挥发的氢气进行二次液化，从而长期保证液化氢的液体状态。

早前，日本国立材料研究所（NIMS）研究员沼泽提出一个想法，将磁制冷技术应用于氢能。磁制冷技术是一种基于材料物性（磁热效应）的固态制冷方式，采用水等环保介质作为传热流体，具有零 GWP（global warming potential）、零 ODP（ozone depletion potential）、内禀高效、低噪音与低振动等特点，是极具应用前景的制冷技术之一。

据西宫伸幸教授透露，目前他所在团队对磁制冷技术的研究已倾向于产业化，为液氢的产业化做好了铺垫。现阶段，团队正预测该技术在3、4年后成本下降的程度，未来将探索性能良好的磁性材料和高性能磁铁。

日本催化剂研究进展

现阶段，日本主研究的方向仍是低铂催化剂。除此，太田健一郎教授表示在钛系催化剂取得一些进展，但还没有进入到产业化阶段。有消息称，丰田公司在这方面已经投资开始进行产业化研究。

HCCI发动机

世界有几家知名企业对氢发动机做过研究，比如2008年宝马推出过Hydrogen7，马自达开发了HCCI(均质充量压燃）汽车。据首藤登志夫教授介绍，前者搭载的是液氢发动机，因基础设施不完善、氢的价格较高等等情况下难以普及，故早已停产。后者（马自达HCCI汽车）通过稀薄燃烧的方式，将燃料和空气按比例进行混合，从而提高了效率。但首藤登志夫教授多次强调，“如果比例调和不好，就与普通发动机没什么差别。”

首藤登志夫教授表示，马自达HCCI汽车并不是完全的HCCI。HCCI成功的可能性是有的，但并非那么简单，改善效率非常重要。他认为，油电混合汽车在这方面更有优势，比如丰田的普锐斯等，发动机负荷低，不存在没有力量输出效率不高的问题。来源丨前沿材料