10條內(nèi)容揭露日本氫能發(fā)展現(xiàn)狀及科研方向
日期：2024-10-16 10:22:54 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：509日前，材料委天津院對眾多日本氫能領(lǐng)域的頂級專家們進(jìn)行了專訪，本文將采訪問題與專家核心觀點(diǎn)歸并，整理出十條關(guān)于日本氫能發(fā)展現(xiàn)狀及科研方向的內(nèi)容，供君品閱。
1、日本新能源汽車現(xiàn)狀
在交通方面，現(xiàn)階段日本的主流車型仍是燃油汽車，電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力、油電混合型汽車的數(shù)量還在不斷增加。雖然豐田公司推出了Mirai燃料電池車、普銳斯油電混合型汽車，但效率還是不如燃油汽車。除此，日本還有一種輕型車，發(fā)動(dòng)機(jī)小、價(jià)格便宜且交稅少。
不管從CO2排放量，還是減少燃料消費(fèi)方面來看，價(jià)格較低且效率高的車輛普及度會(huì)更高。此外，日本首都大學(xué)東京(Tokyo Metropolitan University)首藤登志夫教授指出，若想氫燃料電池汽車大面積推廣普及，要先確保氫源的穩(wěn)定和清潔性。目前日本采用的大多是天然氣制氫，這種方式能量消耗低，搭載在車上可以提高效率。但在制氫過程中會(huì)產(chǎn)生CO2，對環(huán)境有一定影響，相比之下，可再生能源制氫或許是更好的選擇。
2、日本氫能發(fā)展規(guī)劃的可行性
日本即將邁入氫能社會(huì)普及階段。目前日本現(xiàn)有加氫站數(shù)量約100余個(gè)，與國家戰(zhàn)略規(guī)劃在2030年建設(shè)900個(gè)加氫站的目標(biāo)有一段距離，對此，日本氫能源協(xié)會(huì)(HESS)主席西宮伸幸教授解釋，氫燃料電池戰(zhàn)略規(guī)劃圖中的數(shù)字目標(biāo)主要分為國家制定和企業(yè)制定，國家制定的數(shù)字目標(biāo)一般都比較大，難以實(shí)現(xiàn);企業(yè)制定的目標(biāo)一般都會(huì)如期達(dá)成。比如東京奧運(yùn)會(huì)時(shí)，日本要運(yùn)行100輛燃料電池大巴，該項(xiàng)目由豐田公司來做，因此較易達(dá)成。
在日本有一個(gè)HYSUT(氫供給利用技術(shù)協(xié)會(huì))組織。該組織積累了一些關(guān)于加氫站、燃料電池汽車的實(shí)踐技巧，并常與相關(guān)企業(yè)溝通共享信息。所以，HYSUT發(fā)布的一些數(shù)字目標(biāo)大體上都可完成。
3、氫能社會(huì)是指燃料電池還是氫發(fā)動(dòng)機(jī)?
從環(huán)境問題來看，氫燃料電池可以減少汽油的使用量，降低碳排放量;氫發(fā)動(dòng)機(jī)在初始階段存在一氧化氮的問題，所以前者優(yōu)于后者。但若考慮成本問題，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的成本較低，所以更勝一籌。橫濱國立大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究院綠色氫能研究中心會(huì)長太田健一郎教授認(rèn)為，如果綠氫成本降低，氫燃料電池會(huì)是很好的發(fā)展方向。
西宮伸幸教授認(rèn)為，應(yīng)該學(xué)習(xí)豐田Mirai將燃料電池和蓄電池有效結(jié)合，利用燃料電池和發(fā)電機(jī)組的相互配合，從而降低成本，實(shí)現(xiàn)2030年氫氣售價(jià)30日元/Nm3的目標(biāo)。
4、氫能安全性
氫氣不是絕對安全的，但將危險(xiǎn)性降到最低就可以運(yùn)用自如，如同使用汽油一樣。雖然汽油引發(fā)的事故比比皆是，但目前日常生活中使用汽油的地方卻必不可少。西宮伸幸教授指出，只有對氫氣不了解的人就會(huì)拿安全性來做文章。他坦言，在日本確實(shí)存在反對氫能的聲音，比如東京電力就非常反對氫能，因?yàn)闁|京電力主要靠電營生。還有很多人因之前福島核電站爆炸事故反對發(fā)展氫能。
據(jù)西宮伸幸教授介紹，福島核電站事故不是因?yàn)楹穗娬居袉栴}，是沸水堆有問題。在燃料棒外層包裹著鋯，鋯與水蒸氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氣。如果不用沸水，就可以避免鋯與水蒸氣的直接接觸。一部分人將核電站的危險(xiǎn)性和氫氣的危險(xiǎn)性混淆，所以認(rèn)為氫能不安全。
5、氫燃料電池的未來方向
主要在于價(jià)格和性能兩方面。
燃料電池汽車的價(jià)格是普通汽車價(jià)格的兩倍，降低成本才能普及，比如提高性能、縮小體積、加大輸出量、降低鉑金的使用量等;其次燃料電池性能雖有大幅度提高，但是暫時(shí)還不能代替普通發(fā)動(dòng)機(jī)，所以必須提高性能。
6、氫供應(yīng)鏈上的中日合作
一方面，在制氫環(huán)節(jié)，中國對化石燃料的依賴性還是很強(qiáng)。西宮伸幸教授認(rèn)為，若中國大力使用風(fēng)能等可再生能源制氫，那么兩國合作的可能性會(huì)更大。另一方面，從整體考慮，中國和日本擁有各自的發(fā)展優(yōu)勢，太田健一郎教授建議加強(qiáng)企業(yè)和大學(xué)之間的交流與合作。
7、日本對于氫脆現(xiàn)象的研究
在氫脆問題上，日本一直在探索不易發(fā)生氫脆的金屬材料。據(jù)日本九州大學(xué)碳中和能源國際研究所教授兼首席研究員久保田祐信教授介紹，目前他的團(tuán)隊(duì)主要在進(jìn)行四方面的研究：①在氫氣中混合其他氣體，使其不容易發(fā)生氫脆反應(yīng);②研究開發(fā)不容易發(fā)生氫脆反應(yīng)的金屬新材料;③加氫站中輸氫管焊接處金屬，不易發(fā)生氫脆反應(yīng)的研究;④疲勞限度的研究。金屬疲勞是導(dǎo)致機(jī)械損壞的重要原因之一，比如飛機(jī)墜機(jī)、新干線脫軌，因此在加氫站、氫能源汽車等設(shè)施中關(guān)于抗疲勞的設(shè)計(jì)是必不可少的。
久保田祐信教授表示，研究氫脆主要目的是研發(fā)不容易發(fā)生氫脆的材料。因此，這種材料的安全性和成本都是值得關(guān)注的方向。
目前，氫能發(fā)電主要依靠SOFC(固體氧化物燃料電池)技術(shù)，需要在高溫條件下進(jìn)行。不僅要考慮氫氣自身的安全問題，還需要考慮高溫條件下易燃易爆炸的問題，這種情況做實(shí)驗(yàn)是非常困難的。久保田祐信教授希望通過探索新材料能夠解決目前存在的安全問題。
此外，成本問題也不容小覷。倘若某種材料的成本很高，會(huì)造成加氫站的成本增高，最終無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。因此，必須要降低價(jià)格的同時(shí)也保證其安全性。這方面，作為日本氫能安全性評價(jià)機(jī)構(gòu)的Heterogeneous研究所也在搜集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試圖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嚴(yán)格的法律規(guī)定，比如《高壓氣體保安法》。為了遵守相應(yīng)的法律法規(guī)，致使加氫站的成本非常高。在日本建設(shè)一個(gè)加氫站約是5億日元，而在歐洲建設(shè)僅需約2億日元。
8、液化氫與磁制冷技術(shù)
液氫的臨界熔點(diǎn)極低，在運(yùn)輸和保存過程中需要保持同等溫度的環(huán)境。因此，保存液態(tài)氫需要一種雙層結(jié)構(gòu)的“真空保溫瓶”，內(nèi)部有真空層，不讓外部的熱量侵入內(nèi)部，就像喝熱水的保溫杯一樣。據(jù)西宮伸幸教授介紹，他正做研究就是將揮發(fā)的氫氣進(jìn)行二次液化，從而長期保證液化氫的液體狀態(tài)。
早前，日本國立材料研究所(NIMS)研究員沼澤提出一個(gè)想法，將磁制冷技術(shù)應(yīng)用于氫能。磁制冷技術(shù)是一種基于材料物性(磁熱效應(yīng))的固態(tài)制冷方式， 采用水等環(huán)保介質(zhì)作為傳熱流體， 具有零 GWP(global warming potential)、零 ODP(ozone depletion potential)、內(nèi)稟高效、低噪音與低振動(dòng)等特點(diǎn)，是極具應(yīng)用前景的制冷技術(shù)之一。
據(jù)西宮伸幸教授透露，目前他所在團(tuán)隊(duì)對磁制冷技術(shù)的研究已傾向于產(chǎn)業(yè)化，為液氫的產(chǎn)業(yè)化做好了鋪墊?，F(xiàn)階段，團(tuán)隊(duì)正預(yù)測該技術(shù)在3、4年后成本下降的程度，未來將探索性能良好的磁性材料和高性能磁鐵。
9、日本催化劑研究進(jìn)展
現(xiàn)階段，日本主研究的方向仍是低鉑催化劑。除此，太田健一郎教授表示在鈦系催化劑取得一些進(jìn)展，但還沒有進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化階段。有消息稱，豐田公司在這方面已經(jīng)投資開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究。
10、HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)
世界有幾家知名企業(yè)對氫發(fā)動(dòng)機(jī)做過研究，比如2008年寶馬推出過Hydrogen7，馬自達(dá)開發(fā)了HCCI(均質(zhì)充量壓燃)汽車。據(jù)首藤登志夫教授介紹，前者搭載的是液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，因基礎(chǔ)設(shè)施不完善、氫的價(jià)格較高等等情況下難以普及，故早已停產(chǎn)。后者(馬自達(dá)HCCI汽車)通過稀薄燃燒的方式，將燃料和空氣按比例進(jìn)行混合，從而提高了效率。但首藤登志夫教授多次強(qiáng)調(diào)，“如果比例調(diào)和不好，就與普通發(fā)動(dòng)機(jī)沒什么差別?！?/p>
首藤登志夫教授表示，馬自達(dá)HCCI汽車并不是完全的HCCI。HCCI成功的可能性是有的，但并非那么簡單，改善效率非常重要。他認(rèn)為，油電混合汽車在這方面更有優(yōu)勢，比如豐田的普銳斯等，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低，不存在沒有力量輸出效率不高的問題。