日本與氫能源（一）：氫從哪裏來？

要說對氫燃料電池
，再也沒有比日本更加執著的。12月15日
，豐田即將在國內開售全新氫燃料電池汽車Mirai
，本田FCV量產車型也將於明年3月下旬在日本上市。豐田能夠堅持20年的研發，離不開日本舉國力的支持
，歸根結底
，是日本政府對於真正掌握一項能源技術
、不受製於人的渴求。

從今天開始，車雲菌陸續從製造
、運輸開始，講述日本氫能源
、氫燃料電池車的前世今生，略學者
、知乎範兒。此為本係列第一篇，先來看看
，氫氣是怎麼來的。

ruguobushinachanghaixiaoyinfadehexielou，ribenkenengbuhuifangqichundiandongchedejihua。ribenguanbiquanbuhedianzhanrangsuoyoucheqiyishidaoyuanbenliyongyejianshengyudianlichongdiandemengxiangwufashixianle。mianduiriyigaozhangdeshihuaranliaojiageyijiribenguoneiyuelaiyuedadenengyuanloudong，ribenkaishixunzhaozhenzhengdeketidainengyuan。zhexiangnengyuanhuoxuzanshishibuqingjiede，zanshishigaochengbende，danyidingshiyaoyouxiwangde
，nengzhenzhengzhangwode。

不是日本沒有考慮過天然氣，也不是說甲烷燃料電池的劣勢太多，真正讓日本放棄天然氣的主因之一就在於這項能源的多數標準都不在日本手裏。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)未(wei)來(lai)如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)天(tian)然(ran)氣(qi)類(lei)能(neng)源(yuan)，仍(reng)將(jiang)向(xiang)海(hai)外(wai)支(zhi)付(fu)大(da)筆(bi)的(de)專(zhuan)利(li)費(fei)用(yong)。氫(qing)氣(qi)不(bu)存(cun)在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，目(mu)前(qian)日(ri)本(ben)掌(zhang)握(wo)的(de)相(xiang)關(guan)氫(qing)能(neng)源(yuan)的(de)專(zhuan)利(li)遙(yao)遙(yao)領(ling)先(xian)，國(guo)內(nei)氫(qing)能(neng)源(yuan)規(gui)模(mo)在(zai)全(quan)球(qiu)或(huo)許(xu)不(bu)是(shi)最(zui)大(da)的(de)，但(dan)實(shi)用(yong)率(lv)卻(que)是(shi)最(zui)高(gao)的(de)。

做為長期的規劃，氫元素因為蘊藏量巨大而受到青睞，但關鍵在於
，自然界中以單質氫氣存在相當少見，製氫就成為使用氫能源的大問題。製氫技術需要考慮環境、經濟、實用等方麵，因此目前製氫多采用電解鹽水
、冶煉等高碳排放技術，未來逐步推廣到可再生能源電解水
、生物製氫、太陽能等低碳技術。

副產品氫氣

氫qing氣qi在zai很hen多duo行xing業ye以yi一yi種zhong副fu產chan品pin的de形xing式shi存cun在zai，這zhe些xie行xing業ye主zhu要yao集ji中zhong在zai製zhi堿jian和he冶ye煉lian等deng高gao溫wen工gong業ye領ling域yu。由you於yu氫qing氣qi並bing不bu是shi最zui終zhong的de生sheng產chan目mu標biao，所suo以yi導dao致zhi副fu生sheng氫qing氣qi在zai規gui模mo
、成本和品質方麵有一定的差距。

birudianjieyanshuigongyeyingyongzhong，suiranqingqidechundujiaogaodanchanliangjiaoshaotongshichengbenjiaogao。yetiezhitiedenggaowenxingyesuiranyehuichanshengdaliangdeqingqi
，danzhezhongqingqidechundubugao

，erqieduoshugongchangshengchandeqingqiyibanzigeizizu，bingbuhuiwaishou。yeliangongchangzaichanliangmanzuzishenxuqiuzhihou，caihuiduiwaichushouqingqi，danchanliangbudaqiegonggeiguanxibuwending。

製堿工業雖然對氫氣的需求量不大而且多數會外售，但製堿工廠需要鹽、水和電。其中電力依然需要自己生產
，最後經過製堿工廠最終產生氯氣
、氫氣和苛性堿（主要為氫氧化鈉）。氫氣經過壓縮精製後依據需求製成液化氫或壓縮氫供給民用。

化石燃料反應

目mu前qian絕jue大da多duo數shu氫qing氣qi來lai自zi天tian然ran氣qi和he石shi油you燃ran料liao反fan應ying。目mu前qian比bi較jiao主zhu流liu的de是shi依yi靠kao天tian然ran氣qi和he水shui的de反fan應ying

，甲jia烷wan和he水shui經jing過guo高gao溫wen產chan生sheng一yi氧yang化hua碳tan和he氫qing氣qi。常chang規gui理li論lun上shang，這zhe部bu分fen一yi氧yang化hua碳tan和he氫qing氣qi通tong常chang被bei用yong來lai還hai原yuan金jin屬shu脫tuo硫liu等deng應ying用yong。不bu僅jin天tian然ran氣qi
，工gong業ye上shang也ye常chang用yong無wu煙yan煤mei或huo焦jiao炭tan作zuo為wei原yuan材cai料liao與yu水shui蒸zheng氣qi高gao溫wen發fa生sheng反fan應ying產chan生sheng水shui煤mei氣qi（一氧化碳和氫氣的混合物），然後再與水蒸氣發生反應製得氫氣。通常這種方法製氫成本較低產量較大，設備較多。

用此種方法製氫需要800℃以(yi)上(shang)的(de)高(gao)溫(wen)
，化(hua)學(xue)公(gong)式(shi)中(zhong)甲(jia)烷(wan)和(he)水(shui)的(de)比(bi)例(li)是(shi)一(yi)比(bi)一(yi)，但(dan)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)這(zhe)個(ge)比(bi)例(li)通(tong)常(chang)要(yao)達(da)到(dao)一(yi)比(bi)三(san)，過(guo)多(duo)的(de)水(shui)分(fen)參(can)與(yu)會(hui)浪(lang)費(fei)絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)熱(re)量(liang)。生(sheng)產(chan)出(chu)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)和(he)氫(qing)氣(qi)之(zhi)後(hou)，可(ke)以(yi)將(jiang)氣(qi)體(ti)壓(ya)入(ru)水(shui)中(zhong)溶(rong)去(qu)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)，最(zui)終(zhong)得(de)到(dao)較(jiao)高(gao)純(chun)度(du)的(de)氫(qing)氣(qi)。

電解水

電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)主(zhu)要(yao)分(fen)為(wei)製(zhi)堿(jian)工(gong)業(ye)中(zhong)的(de)電(dian)解(jie)鹽(yan)水(shui)和(he)電(dian)解(jie)純(chun)水(shui)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)。就(jiu)目(mu)前(qian)而(er)言(yan)，電(dian)解(jie)純(chun)水(shui)相(xiang)對(dui)電(dian)解(jie)鹽(yan)水(shui)成(cheng)本(ben)更(geng)高(gao)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)鹽(yan)水(shui)中(zhong)富(fu)含(han)大(da)量(liang)的(de)正(zheng)負(fu)離(li)子(zi)
，在(zai)傳(chuan)導(dao)電(dian)流(liu)方(fang)麵(mian)有(you)著(zhe)純(chun)水(shui)不(bu)可(ke)比(bi)擬(ni)的(de)優(you)勢(shi)。電(dian)解(jie)鹽(yan)水(shui)的(de)副(fu)產(chan)品(pin)是(shi)苛(ke)性(xing)堿(jian)
、氯氣

、氫氣
、氧氣

，而電解純水的產物隻有氧氣和氫氣。

兩者製備氫氣的純度相仿，都可以達到99.99%，但鹽水電解要更具規模更容易形成產業化，電解水在速度和能耗兩方麵依舊比不上電解鹽水。

雖說電解水在成本上難以控製，但這卻是未來最值得關注的技術。一方麵氫氣可以起到儲存電能的功效
，可以使風力、太(tai)陽(yang)能(neng)以(yi)及(ji)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)統(tong)統(tong)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)電(dian)能(neng)
，然(ran)後(hou)將(jiang)電(dian)能(neng)以(yi)氫(qing)氣(qi)的(de)方(fang)式(shi)儲(chu)存(cun)起(qi)來(lai)。夜(ye)間(jian)富(fu)餘(yu)電(dian)能(neng)過(guo)多(duo)，也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)氫(qing)氣(qi)存(cun)儲(chu)
，最(zui)終(zhong)達(da)到(dao)電(dian)力(li)供(gong)應(ying)削(xue)峰(feng)填(tian)穀(gu)的(de)目(mu)的(de)。

qingqidechucundiannengbidianchichucunchengbengengdi，erqiedianchichucundiannengjinjinduanqiyouxiaoerqiediannengliushijiaoduo，nengliangmidujiaoxiao，chengbenjiaogao，suoyidianjieshuijiangchengweiweilaiyizhongxindechucunnengliangfangshi。

這zhe項xiang技ji術shu已yi經jing開kai始shi在zai家jia用yong熱re電dian聯lian產chan係xi統tong中zhong應ying用yong

，也ye就jiu是shi利li用yong氫qing氣qi和he氧yang氣qi之zhi間jian的de放fang熱re反fan應ying不bu僅jin可ke以yi供gong暖nuan還hai可ke以yi供gong電dian。目mu前qian日ri本ben小xiao型xing家jia用yong設she備bei已yi經jing出chu現xian了le固gu體ti高gao分fen子zi燃ran料liao電dian池chiPEFC和固體氧化物燃料電池SOFC兩種類型。這個項目中鬆下和東京燃氣以及東芝和京瓷公司都已經開始投入，目前主要的工作集中在降低PEFC和SOFC的成本。

電解水技術的未來關係到可再生能源
，如果能找到有效的催化劑以及更好的反應方式，可再生能源製氫的前景將十分樂觀。

生物製氫

目前生物製氫尚在初步階段，也不成熟
，主要依靠農作物、木材等碳水化合物材料。我國在生物製氫上也取得了很大的進步
，但焦點主要集中在產氫酶上。

目mu前qian的de研yan究jiu大da多duo集ji中zhong在zai純chun細xi菌jun和he細xi胞bao固gu定ding化hua技ji術shu

，如ru產chan氫qing菌jun種zhong的de篩shai選xuan及ji包bao埋mai劑ji的de選xuan擇ze等deng。在zai上shang述shu生sheng物wu製zhi氫qing方fang法fa中zhong，發fa酵jiao細xi菌jun的de產chan氫qing速su率lv最zui高gao，而er且qie對dui條tiao件jian要yao求qiu最zui低di，具ju有you直zhi接jie應ying用yong前qian景jing；而光合細菌產氫的速率比藻類快，能量利用率比發酵細菌高
，且能將產氫與光能利用
、youjiwudequchuyoujidiouhezaiyiqi，yinerxiangguanyanjiuyezuiduo
，yeshijuyouqianzaiyingyongqianjingdeyizhongfangfa。feiguangheshengwukejiangjiedafenziwuzhichanqing，guanghexijunkeliyongduozhongdifenziyoujiwuguanghechanqing，erlanxijunhelvzaokeguangliejieshuichanqing
，yijushengtaixueguilvjiangzhiyoujijiehedegongchanqingjishuyiyinqirenmendeyanjiuxingqu。

混合培養技術和新生物技術的應用，將使生物製氫技術更具有開發潛力。

太陽能

太陽能製氫主要取決於光，而對光的應用在主要在光、熱、電等幾個方麵。在光參與的絕大多數製氫途徑中均有水的參與
，還是依循水的電解和分解過程。

太陽熱分解水可以直接將水熱分解，隻是需要采用比較大型的集光設備，通過水在3000K（熱力學溫度，約為2727℃）下的不穩定性將水分解成氫氣和氧氣
，分解效率較高，但集光設備費用高昂。當然，現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。

yekeyixianliyongtaiyangnengfadian
，zaidianjieshuizhiqing。zhegefangfacunzaiyigebianzhong，jixianjinxingguanghuaxuefanying
，zaijinxingrehuaxuefanying，zuihouzaijinxingdianhuaxuefanyingjikezaijiaodiwenduxiahuodeqingheyang。zhezhongfangfaweidaguimoliyongtaiyangnengzhiqingtigongleshixiandejichu，qiguanjianshixunqiuguangjiexiaolvgao、性能穩定、價格低廉的光敏催化劑。

此(ci)外(wai)太(tai)陽(yang)能(neng)製(zhi)氫(qing)還(hai)有(you)光(guang)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)製(zhi)氫(qing)，其(qi)主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)特(te)殊(shu)的(de)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)
，另(ling)外(wai)還(hai)有(you)模(mo)擬(ni)植(zhi)物(wu)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)分(fen)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)，該(gai)技(ji)術(shu)尚(shang)處(chu)在(zai)起(qi)步(bu)階(jie)段(duan)。最(zui)後(hou)一(yi)種(zhong)則(ze)是(shi)光(guang)合(he)微(wei)生(sheng)物(wu)製(zhi)氫(qing)
，利(li)用(yong)江(jiang)河(he)湖(hu)海(hai)中(zhong)的(de)某(mou)些(xie)藻(zao)類(lei)製(zhi)氫(qing)。

chuleliyongtaiyangnenghehenengzhiqingwai

，congshengwuzhizhongzhiqingyezhengzaidaliyanjiuzhizhong。muqiancaiyongdefangfashi，liyongshengwuzhiheyoujifeiliaozhongdetansucailiaoyuxiujishuizai250℃下作用
，形成氫溴酸和二氧化碳溶液，然後再將氫溴酸水溶液電解成氫及溴
，溴再循環使用。