要說(shuō)對(duì)氫燃料電池，再也沒有比日本更加執(zhí)著的。12月15日，豐田即將在國(guó)內(nèi)開售全新氫燃料電池汽車Mirai，本田FCV量產(chǎn)車型也將于明年3月下旬在日本上市。豐田能夠堅(jiān)持20年的研發(fā)，離不開日本舉國(guó)力的支持，歸根結(jié)底，是日本政府對(duì)于真正掌握一項(xiàng)能源技術(shù)、不受制于人的渴求。先來(lái)看看，氫氣是怎么來(lái)的。
如果不是那場(chǎng)海嘯引發(fā)的核泄漏，日本可能不會(huì)放棄純電動(dòng)車的計(jì)劃。日本關(guān)閉全部核電站讓所有車企意識(shí)到原本利用夜間剩余電力充電的夢(mèng)想無(wú)法實(shí)現(xiàn)了。面對(duì)日益高漲的石化燃料價(jià)格以及日本國(guó)內(nèi)越來(lái)越大的能源漏洞，日本開始尋找真正的可替代能源。這項(xiàng)能源或許暫時(shí)是不清潔的，暫時(shí)是高成本的，但一定是要有希望的，能真正掌握的。
不是日本沒有考慮過(guò)天然氣，也不是說(shuō)甲烷燃料電池的劣勢(shì)太多，真正讓日本放棄天然氣的主因之一就在于這項(xiàng)能源的多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都不在日本手里。這意味著未來(lái)如果使用天然氣類能源，仍將向海外支付大筆的專利費(fèi)用。氫氣不存在這種情況，目前日本掌握的相關(guān)氫能源的專利遙遙領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)氫能源規(guī)模在全球或許不是最大的，但實(shí)用率卻是最高的。
做為長(zhǎng)期的規(guī)劃，氫元素因?yàn)樘N(yùn)藏量巨大而受到青睞，但關(guān)鍵在于，自然界中以單質(zhì)氫氣存在相當(dāng)少見，制氫就成為使用氫能源的大問(wèn)題。制氫技術(shù)需要考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等方面，因此目前制氫多采用電解鹽水、冶煉等高碳排放技術(shù)，未來(lái)逐步推廣到可再生能源電解水、生物制氫、太陽(yáng)能等低碳技術(shù)。
副產(chǎn)品氫氣
氫氣在很多行業(yè)以一種副產(chǎn)品的形式存在，這些行業(yè)主要集中在制堿和冶煉等高溫工業(yè)領(lǐng)域。由于氫氣并不是最終的生產(chǎn)目標(biāo)，所以導(dǎo)致副生氫氣在規(guī)模、成本和品質(zhì)方面有一定的差距。
比如電解鹽水工業(yè)應(yīng)用中，雖然氫氣的純度較高但產(chǎn)量較少同時(shí)成本較高。冶鐵制鐵等高溫行業(yè)雖然也會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，但這種氫氣的純度不高，而且多數(shù)工廠生產(chǎn)的氫氣一般自給自足，并不會(huì)外售。冶煉工廠在產(chǎn)量滿足自身需求之后，才會(huì)對(duì)外出售氫氣，但產(chǎn)量不大且供給關(guān)系不穩(wěn)定。
制堿工業(yè)雖然對(duì)氫氣的需求量不大而且多數(shù)會(huì)外售，但制堿工廠需要鹽、水和電。其中電力依然需要自己生產(chǎn)，最后經(jīng)過(guò)制堿工廠最終產(chǎn)生氯氣、氫氣和苛性堿(主要為氫氧化鈉)。氫氣經(jīng)過(guò)壓縮精制后依據(jù)需求制成液化氫或壓縮氫供給民用。
化石燃料反應(yīng)
目前絕大多數(shù)氫氣來(lái)自天然氣和石油燃料反應(yīng)。目前比較主流的是依靠天然氣和水的反應(yīng)，甲烷和水經(jīng)過(guò)高溫產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。常規(guī)理論上，這部分一氧化碳和氫氣通常被用來(lái)還原金屬脫硫等應(yīng)用。不僅天然氣，工業(yè)上也常用無(wú)煙煤或焦炭作為原材料與水蒸氣高溫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水煤氣(一氧化碳和氫氣的混合物)，然后再與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)制得氫氣。通常這種方法制氫成本較低產(chǎn)量較大，設(shè)備較多。
用此種方法制氫需要800℃以上的高溫，化學(xué)公式中甲烷和水的比例是一比一，但在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)比例通常要達(dá)到一比三，過(guò)多的水分參與會(huì)浪費(fèi)絕大多數(shù)熱量。生產(chǎn)出二氧化碳和氫氣之后，可以將氣體壓入水中溶去二氧化碳，最終得到較高純度的氫氣。
電解水
電解水制氫主要分為制堿工業(yè)中的電解鹽水和電解純水兩種方式。就目前而言，電解純水相對(duì)電解鹽水成本更高。這是因?yàn)辂}水中富含大量的正負(fù)離子，在傳導(dǎo)電流方面有著純水不可比擬的優(yōu)勢(shì)。電解鹽水的副產(chǎn)品是苛性堿、氯氣、氫氣、氧氣，而電解純水的產(chǎn)物只有氧氣和氫氣。
兩者制備氫氣的純度相仿，都可以達(dá)到99.99%，但鹽水電解要更具規(guī)模更容易形成產(chǎn)業(yè)化，電解水在速度和能耗兩方面依舊比不上電解鹽水。
雖說(shuō)電解水在成本上難以控制，但這卻是未來(lái)最值得關(guān)注的技術(shù)。一方面氫氣可以起到儲(chǔ)存電能的功效，可以使風(fēng)力、太陽(yáng)能以及再生能源統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能，然后將電能以氫氣的方式儲(chǔ)存起來(lái)。夜間富余電能過(guò)多，也可以用氫氣存儲(chǔ)，最終達(dá)到電力供應(yīng)削峰填谷的目的。
氫氣的儲(chǔ)存電能比電池儲(chǔ)存成本更低，而且電池儲(chǔ)存電能僅僅短期有效而且電能流失較多，能量密度較小，成本較高，所以電解水將成為未來(lái)一種新的儲(chǔ)存能量方式。
這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開始在家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用，也就是利用氫氣和氧氣之間的放熱反應(yīng)不僅可以供暖還可以供電。目前日本小型家用設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了固體高分子燃料電池PEFC和固體氧化物燃料電池SOFC兩種類型。這個(gè)項(xiàng)目中松下和東京燃?xì)庖约皷|芝和京瓷公司都已經(jīng)開始投入，目前主要的工作集中在降低PEFC和SOFC的成本。
電解水技術(shù)的未來(lái)關(guān)系到可再生能源，如果能找到有效的催化劑以及更好的反應(yīng)方式，可再生能源制氫的前景將十分樂(lè)觀。
生物制氫
目前生物制氫尚在初步階段，也不成熟，主要依靠農(nóng)作物、木材等碳水化合物材料。我國(guó)在生物制氫上也取得了很大的進(jìn)步，但焦點(diǎn)主要集中在產(chǎn)氫酶上。
目前的研究大多集中在純細(xì)菌和細(xì)胞固定化技術(shù)，如產(chǎn)氫菌種的篩選及包埋劑的選擇等。在上述生物制氫方法中，發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫速率最高，而且對(duì)條件要求最低，具有直接應(yīng)用前景；而光合細(xì)菌產(chǎn)氫的速率比藻類快，能量利用率比發(fā)酵細(xì)菌高，且能將產(chǎn)氫與光能利用、有機(jī)物的去除有機(jī)地耦合在一起，因而相關(guān)研究也最多，也是具有潛在應(yīng)用前景的一種方法。非光合生物可降解大分子物質(zhì)產(chǎn)氫，光合細(xì)菌可利用多種低分子有機(jī)物光合產(chǎn)氫，而藍(lán)細(xì)菌和綠藻可光裂解水產(chǎn)氫，依據(jù)生態(tài)學(xué)規(guī)律將之有機(jī)結(jié)合的共產(chǎn)氫技術(shù)已引起人們的研究興趣。
混合培養(yǎng)技術(shù)和新生物技術(shù)的應(yīng)用，將使生物制氫技術(shù)更具有開發(fā)潛力。
太陽(yáng)能
太陽(yáng)能制氫主要取決于光，而對(duì)光的應(yīng)用在主要在光、熱、電等幾個(gè)方面。在光參與的絕大多數(shù)制氫途徑中均有水的參與，還是依循水的電解和分解過(guò)程。
太陽(yáng)熱分解水可以直接將水熱分解，只是需要采用比較大型的集光設(shè)備，通過(guò)水在3000K(熱力學(xué)溫度，約為2727℃)下的不穩(wěn)定性將水分解成氫氣和氧氣，分解效率較高，但集光設(shè)備費(fèi)用高昂。當(dāng)然，現(xiàn)在可以在水中加入催化劑，使水在1000K(約為727℃)左右就可以完成分解。
也可以先利用太陽(yáng)能發(fā)電，再電解水制氫。這個(gè)方法存在一個(gè)變種，即先進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，再進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，最后再進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)即可在較低溫度下獲得氫和氧。這種方法為大規(guī)模利用太陽(yáng)能制氫提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是尋求光解效率高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的光敏催化劑。
此外太陽(yáng)能制氫還有光電化學(xué)反應(yīng)制氫，其主要依據(jù)特殊的化學(xué)電池，另外還有模擬植物光合作用分解水制氫，該技術(shù)尚處在起步階段。最后一種則是光合微生物制氫，利用江河湖海中的某些藻類制氫。
除了利用太陽(yáng)能和核能制氫外，從生物質(zhì)中制氫也正在大力研究之中。目前采用的方法是，利用生物質(zhì)和有機(jī)廢料中的碳素材料與溴及水在250℃下作用，形成氫溴酸和二氧化碳溶液，然后再將氫溴酸水溶液電解成氫及溴，溴再循環(huán)使用。
小結(jié)：
當(dāng)然除去上面提到的幾種制氫方法還有其余的方式，比如氨制氫等。可以說(shuō)，在整個(gè)制氫技術(shù)中，越遠(yuǎn)離低碳的制氫方式，將越來(lái)越受到青睞，而在前期氫能源的普及過(guò)程中，還是會(huì)大量使用并依賴石化燃料制氫的方式。