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 一、日本氫能發(fā)展已成必然之勢，重心已由技術(shù)開發(fā)轉(zhuǎn)向應(yīng)用擴大

2020年3月日本東芝集團宣布福島氫能研究領(lǐng)域FH2R項目建成，這座配備20MW光伏發(fā)電系統(tǒng)與10MW電解槽裝置的制氫廠每小時可生產(chǎn)1200標準立方米的氫氣，是目前世界上規(guī)模最大的可再生能源制氫工廠，是氫能源利用的一大里程碑。

日本為了實現(xiàn)能源獨立，保障國家能源安全，將發(fā)展氫能作為國家的重要目標。除核能外，日本工業(yè)和日常生活中使用的能源大量依賴進口。2011年福島核電站事故后，更是加劇了日本對外能源的依賴。氫能作為一種可再生的二次能源，有著清潔、高效、可長期大規(guī)模存儲等優(yōu)勢，因而成為日本緩解能源危機實現(xiàn)能源獨立的重要途徑。

打造氫能社會首先要初步形成相對完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈體系。根據(jù)日本政府發(fā)布的氫能基本戰(zhàn)略，截止到2020年氫能基本戰(zhàn)略中第一階段的目標已經(jīng)基本完成，氫能技術(shù)的研發(fā)重點也開始變?yōu)橐詫崿F(xiàn)低成本商業(yè)化為目標。

二、日本制氫、儲氫、運氫領(lǐng)域均有突破，顛覆性成果有助于商業(yè)化進程的加速

為實現(xiàn)氫氣的制造、輸送、儲存、使用等過程中低成本高效率的目標，需要對創(chuàng)新技術(shù)進行開發(fā)，例如高效率的水電解與人工光合成、高純度氫氣的透過膜等新制氫技術(shù)研究；實現(xiàn)高效率的氫氣液化機、長壽命液氫保持材料；開發(fā)低成本且高效率的能源載體；高效率、高可靠度、低成本的燃料電池技術(shù)開發(fā)；開發(fā)氫氣和二氧化碳的創(chuàng)新化學(xué)合成方法等。

（一）可再生能源成為制氫來源新寵，低碳排放目標逐步實現(xiàn)

日本可行的清潔制氫方式有太陽能制氫、生物制氫和廢料制氫。利用核能制氫作為一種補充方式，也在日本的考慮范圍內(nèi)。太陽能制氫分為兩種方式，光伏制氫采用太陽能發(fā)電與電解水制氫的組合方式，實現(xiàn)了清潔能源生產(chǎn)清潔能源，并可以有效地消納光伏發(fā)電，可以實現(xiàn)兩種重要新能源之間的有效結(jié)合應(yīng)用。對于日本來說，福島氫能研究實驗基地（FH2R）的深層意義是證明氫氣作為電網(wǎng)平衡解決方案和氣源的優(yōu)勢。另外一種利用太陽能制氫的方式是光解水制氫，但低效率是目前這種方式的局限性。生物制氫的優(yōu)勢在于微生物自身的新陳代謝，產(chǎn)氫反應(yīng)在常溫、常壓和接近中性的溫和條件下即可進行，而且可利用工農(nóng)業(yè)廢棄物為制氫原料，既實現(xiàn)了廢棄物資源化，成本低廉。所以生物制氫技術(shù)是一種發(fā)展前景廣闊的環(huán)境友好型制氫新方法。制氫高手“紅鞭毛桿菌”細菌的發(fā)現(xiàn)說明日本在該方面深入了研究和探索。工業(yè)過程中熱化學(xué)制氫也可能成為未來研究重點，截止2019年，日本共有9座核電站在運行中。以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，產(chǎn)生氫氣，是一箭雙雕的高效率節(jié)能方式。

對于優(yōu)先實現(xiàn)商業(yè)化的要求，光伏制氫是日本初建氫能供應(yīng)系統(tǒng)最佳的本土氫氣來源手段，也是率先實現(xiàn)了制氫應(yīng)用商業(yè)化的項目，在2030年前，可再生能源制氫中大部分將依賴光伏制氫。隨著光伏發(fā)電和電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，成本將逐漸降低。生物制氫與光催化分解水制氫目前產(chǎn)氫效率較低，但作為光伏制氫的補充手段，日本還會繼續(xù)研發(fā)。雖然生物制氫研究多年，但是幾乎沒有固定的結(jié)論和標準，這有微生物多樣性方面的原因，也有生物新陳代謝過程復(fù)雜方面的原因，生物制氫技術(shù)目前還處于探索和研究的初級階級。在光催化分解水方面，日本研究重點可能放在光催化分解水過程中必備的催化劑上。一旦轉(zhuǎn)化效率超過4%，將實現(xiàn)可再生能源制氫的顛覆性進步，光催化或能成為未來主要制氫方式。由于日本發(fā)展氫能的目標是最終代替核能和化石能源，因此核能制氫對于日本來說，只是現(xiàn)階段過渡措施或補充措施。當具備可滿足國民需求的以可再生能源為基礎(chǔ)的氫能供電系統(tǒng)后，日本有極大可能舍棄核能。

（二）液氫制備、固態(tài)儲氫技術(shù)實現(xiàn)突破，有機液體儲氫實現(xiàn)應(yīng)用

儲運技術(shù)是氫氣能否得到高效利用的關(guān)鍵，是限制氫能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要瓶頸，因而成為目前全球氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點和難點之一。在氫氣資源尚不足夠的背景下，日本政府需從海外大規(guī)模進口氫燃料，運輸就成為一個難題。日本現(xiàn)有的儲氫方式是高壓氣態(tài)儲氫與低溫液態(tài)儲氫。近期日本的目標是降低液態(tài)儲氫的成本，提升其遠距離能力和安全性，同時嘗試應(yīng)用有機液體儲氫和固態(tài)儲氫方式。

在液態(tài)儲氫方面，日本已有利用磁制冷技術(shù)用于液化氫氣的研究成果，磁制冷的效率是氣體壓縮制冷的5到6倍，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的突破可大幅度降低液氫制備的成本。川崎重工生產(chǎn)的全球首艘液態(tài)氫運輸船“SUISO FRONTIER”號也于2020年下半年投入使用，這將是打破地理資源限制的顛覆性成果。但若要長期使用液態(tài)儲氫的方式，還需要提升保溫效率，克服保溫與儲氫密度之間的矛盾，減少儲氫過程中由于氫氣氣化所造成的1%左右的損失，同時要降低保溫過程所耗費的相當于液氫質(zhì)量能量30%的能量。固態(tài)儲氫方面，盡管階段性成果還處于實驗室階段，但其體積儲氫密度高，且不需要高壓容器，是未來重要的發(fā)展方向。日本在擴大固態(tài)儲氫材料的種類上不斷突破，2018年東京理工大學(xué)宮內(nèi)博宏課題組成功將硼化氫鈉米片（HB）發(fā)展成為一種有效的氫載體。未來若實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，還需要提高質(zhì)量儲氫密度，并降低成本及溫度要求。此外，有機液體儲氫的優(yōu)勢在于成本低，在需要氫氣時再進行脫氫反應(yīng)，安全性高。日本計劃利用基于甲苯與甲基環(huán)己烷可逆反應(yīng)的儲氫技術(shù)，以甲基環(huán)己烷為儲氫載體，從文萊海運至日本川崎。該項目目標為預(yù)計在2020年實現(xiàn)年供給規(guī)模將達到210噸。未來日本或在提高低溫下有機液體儲氫介質(zhì)脫氫速率與效率、催化劑反應(yīng)性能以及改善反應(yīng)條件、降低脫氫成本和操作難度方面進行突破。

三種儲運方式各有千秋，日本目前為了首先實現(xiàn)氫能供應(yīng)會首選低溫液態(tài)儲氫，盡管該方式不夠經(jīng)濟，但可以短時期緩解日本氫能短缺的現(xiàn)狀。具有高質(zhì)量高體積儲氫密度特點的有機液體儲氫方式與固態(tài)儲氫方式雖然目前還不夠成熟，但應(yīng)該是未來日本為最終實現(xiàn)氫能社采取的最佳手段。

（三）日本與美國歐洲達成合作聯(lián)盟，未來合作將更加緊密

日本最初提出將發(fā)展氫能作為國家戰(zhàn)略后，美國與歐盟也相繼推出了發(fā)展計劃。隨著氫能技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的提速、全球市場規(guī)模的擴大，未來日本與美國、歐洲的合作也將會變得更加緊密。首先政府間利用已經(jīng)形成的合作機制可能會出臺一些合作計劃推進氫能技術(shù)的開發(fā)，合作基礎(chǔ)包括美日歐三方的能源部門宣布的未來氫及燃料電池技術(shù)共同開發(fā)聲明以及日本NEDO和美國能源部在氫能及燃料電池領(lǐng)域共享研發(fā)數(shù)據(jù)等。由于氫能產(chǎn)業(yè)目前剛剛起步，日本單獨的國內(nèi)資源和市場有限，每一項技術(shù)突破均設(shè)立一處試點工程很不現(xiàn)實。通過政府間的合作日本還可以將研發(fā)的技術(shù)雛形在他國進行試點、加速技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，待技術(shù)成熟后再轉(zhuǎn)回日本國內(nèi)繼續(xù)推廣。如之前日美在制氫領(lǐng)域曾展開過合作：豐田提出了從生物和農(nóng)業(yè)廢料中制取氫氣的技術(shù)路線，隨后便在美國長灘港建造了使用該技術(shù)的兆瓦級可再生能源加氫站。此外，歐美日企業(yè)間的合作也會是該領(lǐng)域大概率發(fā)生的動作，而且企業(yè)在氫能領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展目標與目前氫能市場化發(fā)展的趨勢相一致，應(yīng)該是最有可能產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的群體。豐田汽車是最早實現(xiàn)氫燃料電池汽車商業(yè)化的汽車企業(yè)之一，其燃料電池核心技術(shù)為世界頂尖。法國雷諾曾在2019年推出過一款氫燃料電池做為現(xiàn)有電動車增程器的純電動商用車，但雷諾在氫燃料電池方面的技術(shù)有限，若想在該領(lǐng)域取得進一步發(fā)展，習(xí)慣和日企聯(lián)盟的雷諾集團非常有可能會向新的日本伙伴尋求合作。另外，德國和日本的車企曾在華盛頓燃料電池峰會上共同表達過對氫燃料電池汽車取代傳統(tǒng)燃油車的態(tài)度。目前，日本在氫燃料電池汽車領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界前列，而德國作為世界汽車技術(shù)方面長期的領(lǐng)導(dǎo)者之一，同時也有推動氫燃料電池車的計劃，這兩者極有可能強強聯(lián)合開發(fā)燃電池新技術(shù)和新型燃料電池汽車，來引領(lǐng)全球燃料電池汽車的發(fā)展。

三、剖析中日氫能差異，發(fā)展中國特色氫能產(chǎn)業(yè)路線

為了緩解能源的日益枯竭、應(yīng)對氣候變化，我國緊隨日本腳步，在氫能領(lǐng)域展開布局。但由于我國與日本的能源現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和起步時間不同，故在氫能領(lǐng)域的布局及發(fā)展情況有所差異。下文就中日氫能產(chǎn)業(yè)存在的差異進行梳理，并就我國存在不足的方面提出了相應(yīng)的建議。

（一）用氫產(chǎn)業(yè)以交通領(lǐng)域為主，首要發(fā)展燃料電池技術(shù)

我國能源結(jié)構(gòu)多樣化，能源分布不均，下游應(yīng)用市場空間復(fù)雜，因此不能同日本一樣一概而論著重發(fā)展氫能。就我國目前能源改革需求和消費情況看，氫能是發(fā)展趨勢，但不是唯一的也并非是最迫切的突破點。今年兩會提出“氫能在交通領(lǐng)域的終端應(yīng)用將整體帶動產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展”，所以我國重點可先放在燃料電池技術(shù)上，將新能源汽車產(chǎn)業(yè)化重點向燃料電池汽車拓展，在運輸需求大以及環(huán)保要求高的區(qū)域優(yōu)先開展氫燃料電池汽車示范應(yīng)用，以點帶面，推動產(chǎn)業(yè)又快又穩(wěn)發(fā)展。雖然我國氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了商業(yè)化初期，但在發(fā)展過程中也暴露出基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還比較薄弱，部分關(guān)鍵材料及核心零部件還依賴進口，如燃料電池的關(guān)鍵材料包括催化劑、質(zhì)子交換膜以及炭紙等材料大都采用進口材料，關(guān)鍵組件制備工藝急需提升，膜電極、雙極板、空壓機、氫循環(huán)泵等和國外存在較大差距。

對于目前存在的問題，我國應(yīng)集中精力攻克核心材料和關(guān)鍵零部組件技術(shù)難關(guān)，突破國外先進水平的技術(shù)壁壘、簡化工藝降低門檻，實現(xiàn)穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)，達到氫燃料電池上游核心材料及部件自給自足的目標。

（二）優(yōu)化煤制氫、副產(chǎn)氫、固態(tài)儲氫技術(shù)路線，加強加氫站的建設(shè)與運營，是發(fā)展氫能供應(yīng)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵

制氫技術(shù)、儲運技術(shù)和加氫站是發(fā)展氫燃料電池汽車的關(guān)鍵保障和重要前提，因此我國要重點關(guān)注以上三方面的發(fā)展，以保障氫能供應(yīng)鏈安全。制氫環(huán)節(jié)中，我國煤資源豐富，氫源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“以煤為主”的特點。同時，我國焦化行業(yè)產(chǎn)能巨大，工業(yè)副產(chǎn)氫也是我國制氫的一大特色。但是煤制氫存在碳排放高、雜質(zhì)多需提純的缺點，工業(yè)副產(chǎn)氫具有提純工藝復(fù)雜、雜質(zhì)多、成本高等劣勢，拖慢了我國制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段日本雖也主要是化石能源制氫，但未來從海外進口的氫氣和可再生能源制得的氫氣純度相對較高。而我國與日本的能源結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀不同，故不能盲目跟風(fēng)，應(yīng)發(fā)展適合我國現(xiàn)狀的制氫路線。未來我國可以把煤制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫放在首位，重點突破二氧化碳捕捉技術(shù)、縮短煤制氫工藝流程、提高氫氣純度、降低工業(yè)副產(chǎn)氫成本等。同時，我國可將核能制氫和太陽能制氫作為氫氣來源的補充手段。核能作為清潔的一次能源，核能制氫具有以水為原料、高效率、大規(guī)模、不產(chǎn)生溫室氣體等優(yōu)點。目前我國自主研發(fā)的第四代先進核能技術(shù)安全性高，已經(jīng)具備了核能制氫的基礎(chǔ)條件，故可以適當發(fā)展核能制氫，為我國擴寬氫氣來源。太陽能制氫不僅可以降低化石能源的消耗，還能降低碳排放，我國也可適當發(fā)展太陽能制氫技術(shù)。此外，由于風(fēng)電制氫有助于提高風(fēng)能利用率，部分地方政府將風(fēng)電制氫提上日程，但是從目前的現(xiàn)狀看風(fēng)電制氫存在成本高、大規(guī)模運氫費用高等問題，所以當下發(fā)展風(fēng)電制氫存在一定的難度。儲氫環(huán)節(jié)，與日本的以液氫形式和以有機液體攜帶的運輸方式不同，我國適合優(yōu)先發(fā)展低壓固態(tài)儲氫技術(shù)。原因之一是儲氫材料是固態(tài)儲氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的核心，稀土儲氫材料中大量使用了鑭鈰元素，而我國鑭鈰稀土積壓嚴重，故我國可利用資源優(yōu)勢發(fā)展稀土系固態(tài)儲氫合金。原因二是我國缺少高強度的碳纖維和高壓的壓縮機，因此采取低壓固態(tài)儲氫技術(shù)路線就可以繞過國外的氫壓縮機以及儲罐的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)自主突破。

加氫站方面，日本約半數(shù)加氫站為低溫液態(tài)儲氫配套低溫泵加氫站，而我國的加氫站建設(shè)還處于發(fā)展初期，現(xiàn)階段國內(nèi)運營的加氫站均為高壓儲氫加氫站。目前我國加氫站設(shè)備制造的發(fā)展方向主要是產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瑥亩档图託湔镜慕ㄔO(shè)成本，促進氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

（三）政企協(xié)同、企企合作，助力我國加快完善本土產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)層面，日本已經(jīng)形成了封閉且功能完整的本土產(chǎn)業(yè)鏈。以豐田為例，其雙極板的沖壓與改性均由豐田自己完成，雙極板鈦金屬由豐田或神戶制鋼供貨。燃料電池相關(guān)其他核心部件也是由日本企業(yè)如東麗等供貨。然而我國雖涉及關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，但在產(chǎn)品性能方面與日本還存在較大差距，多數(shù)關(guān)鍵材料和部件仍然依賴進口，國內(nèi)難以形成完整產(chǎn)業(yè)鏈。另外，在企業(yè)的協(xié)同發(fā)展方面，日本通過NEDO匯聚政產(chǎn)學(xué)研用力量集中進行技術(shù)攻關(guān)，知識產(chǎn)權(quán)可在內(nèi)部共享，有助于快速實現(xiàn)技術(shù)突破，并避免了分散研發(fā)帶來的資源浪費和惡性競爭。而我國企業(yè)基本上是各自為戰(zhàn)，技術(shù)路線各異、專業(yè)人才稀缺現(xiàn)象突出，拖慢了我國氫能技術(shù)的發(fā)展進程。

針對以上問題，我國應(yīng)借鑒日本的做法，在政府的協(xié)同下，將氫能領(lǐng)域的龍頭企業(yè)和科研院所匯集到一起，集中突破氫能“卡脖子”技術(shù)，并進行信息共享，以加快氫能發(fā)展進程。同時，還可以通過創(chuàng)建氫能企業(yè)聯(lián)盟，促進產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的企業(yè)集中協(xié)同發(fā)展，優(yōu)勢互補，形成配合度和契合度較高的完整產(chǎn)業(yè)鏈條。

（四）完善氫能行業(yè)標準體系，促進產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展

標準對于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了重要支撐作用，日本自發(fā)展氫能以來制定了多個氫能領(lǐng)域的技術(shù)標準，各個技術(shù)標準間相輔相成，合力為日本氫能產(chǎn)業(yè)服務(wù)。而我國在標準方面還存在諸多不足，雖然我國已經(jīng)成立了全國氫能標準化技術(shù)委員會，并圍繞制氫、儲運及應(yīng)用等環(huán)節(jié)發(fā)布了百余項國家標準和行業(yè)標準，但隨著氫能產(chǎn)業(yè)的不斷拓展，部分技術(shù)標準還需要重新修訂。此外，儲氫、加氫等環(huán)節(jié)的安全標準也不夠完善。對此，我國應(yīng)盡快健全氫能法規(guī)標準體系，加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈上的安全標準工作，并鼓勵領(lǐng)軍企業(yè)積極參與行業(yè)標準制定與修訂。

原標題：3大關(guān)鍵技術(shù)取得突破！日本死磕氫能，我國特色氫能產(chǎn)業(yè)路線如何打造？