科技发展前沿:日本的氢技术研究现在到什么程度了？

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作者：日本近观察




邢勇平译自《limo&money》


■下一代新能源一一氢

首先，让我们从科学（化学）方面说起，为什么氢作为下一代新能源而备受关注。

在元素周期表中，氢的原子序数是1，元素符号是H，氢分子通常是连接两个原子（H2）的形式，无色、无味，是地球上最轻的气体。

但是在自然界中，它很少单纯以氢分子的状态存在，而是作为与其他元素（如水（H2O））结合的化合物（化石燃料、有机化合物等）存在于地球上。

氢主要用于工业领域，但一般人对此并不一定熟悉。人们印象深刻的大概是福岛第一核电站事故的氢气爆炸（反应堆中的金属和水的反应）吧？当然，氢用于火箭燃料也为人所熟知。

石油、煤炭和天然气等化石燃料是含有碳的有机化合物，燃烧后会排放二氧化碳。 而氢气燃烧没有碳源，因此不会排出二氧化碳，只排出水。 称它为新能源，就是因为它使用后不会排放二氧化碳。

所以，如果二氧化碳排放量高的电力、工业和运输部门能改用氢气，则会为世界脱碳做出贡献。

此外，如果能采用不排放二氧化碳的生产方式制造氢，就会形成完全不排放二氧化碳的零排放能源系统。 这就是二氧化碳排放量“完全为零”所指。

虽然全球温室效应气体（如 Co2）排放的"实际为零"趋势正在加速，但"实际为零"只是意味着人为排放的二氧化碳量与植物通过光合作用吸收的二氧化碳量是均衡的。

只要人类和生物在地球上生存，我们呼吸，排放二氧化碳，并焚烧大量的垃圾。 因此，不可能将二氧化碳排放量降至"完全为零"，但至少现在，应该釆取措施争取将化石燃料燃烧引起的二氧化碳排放量降至"完全为零"。

■氢气的制造、运输和储存

从氢中获得电能的原理在180年前就已经找到了。 然而，开发进展缓慢的原因，是难以方便、廉价地获得氢气，以及运输和储存氢气（气体）。

氢的生产方法有几种，水电解方法、烧碱生产的副产品氢（NaCl电解）也出现在中学和高中化学教科书中。 此外，炼钢厂焦炉的副产品氢、化石燃料（石油的节流器）的水蒸气改性方法、光催化剂的方法等，人工光合成法、我们将在另一篇论文中讨论。

■目前能够大量、廉价地生产氢气的方法是使用化石燃料的石脑油。 由于这种方法会排放二氧化碳，因此需要开发无二氧化碳排的氢生产方式，如上述人工光合成法。

氢的运输和储存也正在开发中。 有高压气体、液化氢、管道和有机氢化物的运输和储存。

这里着重讲解一下使用有机氢化物的方法。

有机氢化物技术是，使用催化剂将制造的氢气转化为液体化合物（从甲苯还原为甲基环己烷），然后进行运输和储存。 需要取出氢气时，则使用催化剂从液体中进行反向化学反应（从甲基环己烷氧化到甲苯）。

这种有机氢化物技术已经在千代田化学建设的工厂中使用，由千代田化学建设和三菱商事、三井物产和NYK四家公司组成的下一代氢能链技术研究联盟（AHEAD）正在商业化。

今后，还考虑将甲基环己烷运到氢气站，并现场脱水，供应给燃料电池汽车。 为此，需要开发技术，使脱氢装置小型化。

此外，氢基础设施对于建设氢社会至关重要。 然而，还有一个问题，即如何停止使用如此高度建造的石油燃料基础设施，并迅速启动建造预算拮据的氢基础设施。

氢站的建设成本确实很高，但截至2020年12月，日本已有137个氢气站在日本各地运营（东京都市区53个，中京地区39个，关西地区16个，九州地区13个，其他地区16个）。

此外，由于氨是由氮和氢制成，因此正在考虑利用氨作为氢的载体。 还开发出一种"储氢合金"，通过吸收合金中的氢气来运输和储存氢气。

■从褐煤中生产氢气，作为液化氢运输

现在，褐煤也引起了人们的关注。 褐煤是含有大量水分和杂质的低质量煤。 由于运输和发电效率较低，如果干燥，可能会自燃起火，因此使用地点有限，例如，即使开采，也只能在附近的火力发电厂使用。

因此，它在国际上没有贸易，是一种廉价的能源。 这种褐煤在澳大利亚非常丰富，在日本和澳大利亚之间正在进行一个项目，该项目将这种褐煤气化，通过水蒸气重制反应生产氢气，然后液化（在-252.6°C下液化），再运往日本。

这是新能源和工业技术开发组织（NEDO）的"褐煤氢项目"，其业务主体是川崎重工业、从事批发电力业务的电力开发、拥有氢气供应技术的岩谷产业、能源由吉石油化工壳牌日本公司（HySTRA）提供的技术研究协会CO2自由氢供应链促进组织（HySTRA）

川崎重工业株式会社的首艘液化氢运输船也已完成，今年将开始从澳大利亚运输液化氢的实验。

■在炼钢中利用氢气

氢也用于意想不到的地方。 钢铁业的二氧化碳排放量占日本总量的14%，这主要归因于钢铁的制造方式。

铁矿石中的铁是氧化铁，如果用焦炭从铁矿石中吸收氧气，可以产生（还原）铁，产生CO2。 因此，钢铁技术的根本变化对于减少二氧化碳排放至关重要。

因此，如果氢代替焦炭，则排放的不是二氧化碳，而是水。 这与汽油车排放二氧化碳和燃料电池汽车排放水相同。 日本钢铁株式会社金津钢铁厂已经进行了这一示范实验。

不久前，三菱重工与奥地利钢铁巨头一起开发世界上最大的示范工厂之一，并将于2021年在欧洲投产。

■此外，氢通过与二氧化碳反应转化为甲烷，流入管道并用作燃料。