2019年，我國氫能發(fā)展迅猛，國內能源央企紛紛布局氫能產業(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。然而，我國氫能產業(yè)政策依然不完善，氫能產業(yè)基礎相對薄弱，實現我國氫能健康、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，深耕氫能產業(yè)多年，并且已經具備相對完善的政策、及產業(yè)基礎，我們可以透過氫燃料電池發(fā)展技術，透析日本氫能產業(yè)發(fā)展脈絡。
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，現為武漢新能源研究院研究員。
2019年9月18日，為實現《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開發(fā)戰(zhàn)略》。技術開發(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)電相關產業(yè)鏈以及水電解制氫三大領域，共分為十項關鍵技術。
燃料電池技術領域開發(fā)重點
氫燃料電池種類繁多，但日本燃料電池技術開發(fā)重點主要集中在聚合物電解質燃料電池(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、成本是實現燃料電池商業(yè)化的基礎，技術開發(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(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;電解質膜實現高質子導電性、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燃料技術，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(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)適用生物質燃料等多燃料系統(tǒng)的電堆。此外，燃料電池通用技術還包括：開發(fā)燃料電池零部件量產化生產工藝技術;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、輔助設備、儲氫罐及相關技術：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工藝;優(yōu)化包括輔助設備在內的燃料電池系統(tǒng)技術，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)電相關產業(yè)鏈
技術領域開發(fā)重點
氫能源相關產業(yè)鏈包括制備、儲運與發(fā)電三項技術。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。但日本氫制備技術重點主要放在利用澳大利亞褐煤制氫和國內可再生能源水電解制氫技術上;從儲運技術來看，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，重點是要解決穩(wěn)定燃燒技術。總體來說，提高能效，降低成本是氫能源相關產業(yè)鏈形成最為關鍵的要素。
4、大規(guī)模氫制備技術：開發(fā)高效、低成本的褐煤氣化爐設備，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：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，并建立相關技術評價體系;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：關鍵是實現純氫燃燒發(fā)電，重點是開發(fā)防止逆火和燃燒振動的技術。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：設定2025年加氫站建設和運維成本控制目標，建設費由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無人值守加注站以及相關設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據;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;根據運營數據分析實現加注站設備規(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;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。
水電解制氫技術領域開發(fā)重點
水電解制氫主要有堿形電解水技術(ALK)、質子交換膜電解水技術(PEM)、堿性陰離子交換膜電解水技術(AEM)和高溫固體氧化物電解水技術(SOEC)等。技術開發(fā)總體目標是要求探明電解質材料衰減機理，在降低成本的基礎上提高電解水設備的效率和耐久性，并能滿足高負荷運轉、負荷波動快以及快速啟停的需求。
8、水電解制氫技術：(1)在ALK和PEM電解水裝置方面，設定了2030年技術開發(fā)目標。開發(fā)擴大控制電流密度幅度的技術，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備成本，其中堿性電解水設備由目前的12萬日元/kw降至5.2萬日元/kw，PEM電解水設備由目前的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。(4)在電解水基礎技術方面，開發(fā)電解水反應解析及其性能評價等基礎技術;開發(fā)包括輔助設備在內的?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)領域應用技術：重點目標是推廣利用綠氫。具體內容包括：評估綠氫燃料替代的經濟效益和二氧化碳減排效果;研究氫還原煉鐵技術等氫能在鋼鐵冶煉行業(yè)的利用潛力;對氫能產業(yè)鏈進行全生命周期評價;研究利用現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;開發(fā)電能替代困難的高溫加熱領域實行氫替代的技術;擴大氫燃料的應用領域等。
10、創(chuàng)新技術方向：確定了以2050年為目標的中長期技術開發(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;開發(fā)創(chuàng)新型高效氫液化設備;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技術;開發(fā)高效、穩(wěn)定、體積小、成本低的燃料電池創(chuàng)新技術;開發(fā)利用綠氫和二氧化碳合成化學品的技術等。
《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構轉型，實現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)展氫能產業(yè)。2019年度的氫能燃料電池技術研發(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《氫能燃料電池技術開發(fā)戰(zhàn)略》的重磅推出，不僅為日本建設氫能社會圈定了破解關鍵技術瓶頸的重點，還將引領全球氫能與燃料電池技術開發(fā)的新方向。
