10條內容揭露日本氫能發展現狀及科研方向
發布時間:2019-10-28 15:58:29

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日前,材料委天津院對眾多日本氫能領域的頂級專家們進行了專訪,本文將采訪問題與專家核心觀點歸并,整理出十條關于日本氫能發展現狀及科研方向的內容,供君品閱。


1、日本新能源汽車現狀


在交通方面,現階段日本的主流車型仍是燃油汽車,電動汽車、插電式混合動力、油電混合型汽車的數量還在不斷增加。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,發動機小、價格便宜且交稅少。


不管從CO2排放量,還是減少燃料消費方面來看,價格較低且效率高的車輛普及度會更高。此外,日本首都大學東京(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。但在制氫過程中會產生CO2,對環境有一定影響,相比之下,可再生能源制氫或許是更好的選擇。


2、日本氫能發展規劃的可行性


日本即將邁入氫能社會普及階段。目前日本現有加氫站數量約100余個,與國家戰略規劃在2030年建設900個加氫站的目標有一段距離,對此,日本氫能源協會(HESS)主席西宮伸幸教授解釋,氫燃料電池戰略規劃圖中的數字目標主要分為國家制定和企業制定,國家制定的數字目標一般都比較大,難以實現;企業制定的目標一般都會如期達成。比如東京奧運會時,日本要運行100輛燃料電池大巴,該項目由豐田公司來做,因此較易達成。


在日本有一個HYSUT(氫供給利用技術協會)組織。該組織積累了一些關于加氫站、燃料電池汽車的實踐技巧,并常與相關企業溝通共享信息。所以,HYSUT發布的一些數字目標大體上都可完成。


3、氫能社會是指燃料電池還是氫發動機?


從環境問題來看,氫燃料電池可以減少汽油的使用量,降低碳排放量;氫發動機在初始階段存在一氧化氮的問題,所以前者優于后者。但若考慮成本問題,氫發動機的成本較低,所以更勝一籌。橫濱國立大學大學院工學研究院綠色氫能研究中心會長太田健一郎教授認為,如果綠氫成本降低,氫燃料電池會是很好的發展方向。


西宮伸幸教授認為,應該學習豐田Mirai將燃料電池和蓄電池有效結合,利用燃料電池和發電機組的相互配合,從而降低成本,實現2030年氫氣售價30日元/Nm3的目標。


4、氫能安全性


氫氣不是絕對安全的,但將危險性降到最低就可以運用自如,如同使用汽油一樣。雖然汽油引發的事故比比皆是,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拿安全性來做文章。他坦言,在日本確實存在反對氫能的聲音,比如東京電力就非常反對氫能,因為東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展氫能。


據西宮伸幸教授介紹,福島核電站事故不是因為核電站有問題,是沸水堆有問題。在燃料棒外層包裹著鋯,鋯與水蒸氣產生化學反應生成氫氣。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性和氫氣的危險性混淆,所以認為氫能不安全。


5、氫燃料電池的未來方向


主要在于價格和性能兩方面。


燃料電池汽車的價格是普通汽車價格的兩倍,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,但是暫時還不能代替普通發動機,所以必須提高性能。


6、氫供應鏈上的中日合作


一方面,在制氫環節,中國對化石燃料的依賴性還是很強。西宮伸幸教授認為,若中國大力使用風能等可再生能源制氫,那么兩國合作的可能性會更大。另一方面,從整體考慮,中國和日本擁有各自的發展優勢,太田健一郎教授建議加強企業和大學之間的交流與合作。


7、日本對于氫脆現象的研究


在氫脆問題上,日本一直在探索不易發生氫脆的金屬材料。據日本九州大學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,目前他的團隊主要在進行四方面的研究:①在氫氣中混合其他氣體,使其不容易發生氫脆反應;②研究開發不容易發生氫脆反應的金屬新材料;③加氫站中輸氫管焊接處金屬,不易發生氫脆反應的研究;④疲勞限度的研究。金屬疲勞是導致機械損壞的重要原因之一,比如飛機墜機、新干線脫軌,因此在加氫站、氫能源汽車等設施中關于抗疲勞的設計是必不可少的。


久保田祐信教授表示,研究氫脆主要目的是研發不容易發生氫脆的材料。因此,這種材料的安全性和成本都是值得關注的方向。


目前,氫能發電主要依靠SOFC(固體氧化物燃料電池)技術,需要在高溫條件下進行。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,這種情況做實驗是非常困難的。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,會造成加氫站的成本增高,最終無法實現商業化。因此,必須要降低價格的同時也保證其安全性。這方面,作為日本氫能安全性評價機構的Heterogeneous研究所也在搜集相關實驗數據,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格的法律規定,比如《高壓氣體保安法》。為了遵守相應的法律法規,致使加氫站的成本非常高。在日本建設一個加氫站約是5億日元,而在歐洲建設僅需約2億日元。


8、液化氫與磁制冷技術


液氫的臨界熔點極低,在運輸和保存過程中需要保持同等溫度的環境。因此,保存液態氫需要一種雙層結構的“真空保溫瓶”,內部有真空層,不讓外部的熱量侵入內部,就像喝熱水的保溫杯一樣。據西宮伸幸教授介紹,他正做研究就是將揮發的氫氣進行二次液化,從而長期保證液化氫的液體狀態。


早前,日本國立材料研究所(NIMS)研究員沼澤提出一個想法,將磁制冷技術應用于氫能。磁制冷技術是一種基于材料物性(磁熱效應)的固態制冷方式, 采用水等環保介質作為傳熱流體, 具有零 GWP(global warming potential)、零 ODP(ozone depletion potential)、內稟高效、低噪音與低振動等特點,是極具應用前景的制冷技術之一。


據西宮伸幸教授透露,目前他所在團隊對磁制冷技術的研究已傾向于產業化,為液氫的產業化做好了鋪墊。現階段,團隊正預測該技術在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、日本催化劑研究進展


現階段,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展,但還沒有進入到產業化階段。有消息稱,豐田公司在這方面已經投資開始進行產業化研究。


10、HCCI發動機


世界有幾家知名企業對氫發動機做過研究,比如2008年寶馬推出過Hydrogen7,馬自達開發了HCCI(均質充量壓燃)汽車。據首藤登志夫教授介紹,前者搭載的是液氫發動機,因基礎設施不完善、氫的價格較高等等情況下難以普及,故早已停產。后者(馬自達HCCI汽車)通過稀薄燃燒的方式,將燃料和空氣按比例進行混合,從而提高了效率。但首藤登志夫教授多次強調,“如果比例調和不好,就與普通發動機沒什么差別。”


首藤登志夫教授表示,馬自達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。他認為,油電混合汽車在這方面更有優勢,比如豐田的普銳斯等,發動機負荷低,不存在沒有力量輸出效率不高的問題。


第四屆動力電池應用國際峰會CBIS2019

稿件來源: 前沿材料
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