当前，氢能作为清洁能源受到极大关注。为了制造、运输和利用氢能，日本正在进行一系列相关技术开发。
二氧化碳零排放关键技术
2020年12月，日本发布了《绿色增长战略》，提出到2050年实现碳中和目标。明确了实现2050年碳中和的方向之一，就是推进氢能源利用，包括加速运输和产业部门的氢能利用，将成本降到与化石燃料同等水平；在不得不使用化石燃料的情况下，要极力促进二氧化碳的回收和再利用。
日本已经提出了建设“氢能社会”的愿景。氢能最大的特征是作为能源利用而不排放二氧化碳，燃烧氢气获得能量时，只排出水，环境负荷低。
目前，制氢时排放二氧化碳，在氢燃烧时不排放二氧化碳的特征没有被充分利用。例如，使用可再生能源制氢，可以抑制二氧化碳排放；即使采用化石燃料制氢，如果在制造过程使用CCS技术来分离、回收并封存产生的二氧化碳同样可以减少二氧化碳排放。
而且，氢的最大特点是可以将各种资源作为制造原料。不仅有电解水制氢的方法，也可以用石油和天然气等化石燃料、甲醇和乙醇、生物质燃料、下水污泥和废塑料等制氢，另外，也能从钢铁厂和化工厂的副产煤气中获得氢。如果能用好海外未充分利用的能源和丰富的可再生能源，则可以实现利用廉价资源制氢，在获得低成本的同时，实现能源供给的多元化。但是，从全球范围看，目前还没有规范利用氢气替代化石燃料等能源的实例。
现在，被期待作为氢能利用的领域之一是燃料电池汽车（FCV）和燃料电池公交车（FC巴士），向燃料电池供给氢气发电，用作汽车的动力。此外，叉车等工业车辆、家庭用燃料电池“能源农场”也已开始利用氢能。从城市煤气等中提取氢，与空气中的氧进行化学反应发电，同时产生的热量用于热水供应等。
氢气的压缩、储存、输送
氢是低密度气体，因此制
造后在常温、常压状态下保管，需要非常大的空间。因此，为了储存氢气，如何进行压缩很重要。其中，广泛使用的是将气体高压压缩储存的方法。一般情况下，高压容器使用钢铁材料，但氢原子的半径比高压容器材料的铁原子半径小得多，因此，会发生在钢铁材料晶界等氢原子聚集区出现氢脆问题。因此，在高压氢容器中，使用特殊的不锈钢和高分子复合材料等。
氢冷却到-253℃以下会液化，体积为气态的约1/800，放入中空部位抽真空的绝热容器中储存。但是，储存中由于从外部侵入的热液态氢有少量气化，因此需要安全消除气化的技术。
此外，还有可以使用具有吸收、释放氢特性的储氢合金。储氢合金常被用作镍氢电池的负极材料利用。在金属以外，正在研究碳纳米管等吸附储存氢的方法。
作为运输储存氢的手段研究了各种方法。对于高压氢和液态氢，一般用配备特殊设备的专用车和专用船运输。使用如城市煤气那样的氢专用管线需要不菲的安装费用，因此目前仅限于在化工厂内部输送等近距离储运。此外，目前还在开发使制造的氢气与其他物质化学反应变为化合物进行储存、运输，然后用户再将化合物转化为氢的方法。
国际合作的氢供应链
日本为了在世界上率先实现“氢能社会”，政府和企业正在进行相关实证试验。本文将介绍日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的氢能利用实践。
1）全球首艘“液态氢运输船”向日本运输氢气
如果能够使用因低品质等原因未被利用的能源来制氢，就可以稳定地保证获得低成本的氢能源。
日本无二氧化碳氢能源供应链技术研究协会（HySTRA）正在推进“褐煤氢项目”，目标是利用澳大利亚低品质、高挥分的褐煤来制氢，再运送到日本。因褐煤有接触到空气就
会自燃的危险，运输困难，其利用受到限制。如果能够成功实施该项目，则澳大利亚的褐煤储量可以提供相当于日本240年的总发电量。该项目还将分离、回收产生的二氧化碳，并封存在海底深度1000m以上的地层水中。
目前，该项目正在进行将制造的氢运送到日本的实证试验。为了长距离大量运送-253℃液氢，开发了液氢运输船，2019年，全球首艘液氢运输船下水。2020年完成了运输船“海上输送用液氢罐”的搭载，预计近期从澳大利亚向日本运送液氢。
2）在文莱建设制氢工厂向日本运送
日本新一代氢能链技术研究合作组（AHEAD）进行了“有机化学氢化物法的氢供应链实证项目”，在文莱与日本之间建立了国际间氢供应链。
在该项目中，通过使氢与芳香族化合物发生化学反应，生成易处理的常温下为液体的脂环化合物进行储存和运输，即“有机化学氢化物法”的实证试验。具体而言，就是使气体氢和液体甲苯发生化学反应，生成甲基环己烷（MCH）的液体化合物。MCH的体积是氢气的1/500，在常温常压状态下与汽油等石油制品一样，可以利用现有的基础设施稳定输送。
2019年11月，文莱甲苯制氢工厂投产，制造的MCH输送到日本。从MCH中分离氢的“脱氢工厂”于2020年4月正式投产，创建了全球首个国际间氢供应链。该氢供应链已经储存、输送和供给了约100吨氢气，相当于可以给2万台燃料电池车充电。
钢铁行业的氢能利用
在钢铁行业，氢能利用已经成为推进二氧化碳减排的关键词。日本的产业部门、运输部门等各方面都在致力于减排二氧化碳，钢铁行业也在采取减碳措施。
高炉炼铁时，使用焦炭作为还原剂，因此生产时不可避免地要排放二氧化碳。因此，在碳中和目标约束下，需要采用低碳工艺还原铁矿石。
以铁矿石为原料生产钢铁的路线中，减排二氧化碳的方法有碳捕集与封存（CCS），以及将二氧化碳转换为化学品和燃料再利用的碳捕集与利用（CCU）。其他突破性的方法还有氢替代现在的焦炭和天然气还原铁矿石，最终排放物是水，而非二氧化碳。
但是对于氢能利用，还有诸多需要解决的问题。首先是氢价格，目前日本的氢价格约100日元/Nm3，但据日本铁钢连盟估算，如果氢价格不能降至8日元/Nm3左右，则不能实现与现在使用炼焦煤的钢铁生产同等的经济性。
其次是氢供应量的问题，日本钢铁厂生产600万吨/年生铁时，用氢还原需要约60万吨/年氢气。目前日本生产的氢量只有150万吨/年，也就是说，现在日本的总制氢量只能供给2-3个钢铁厂。
而且，不单是供应量的问题，与碳还原不同，氢还原是吸热反应，因此，还要求进行热补偿等的技术开发。
欧洲已经着手开发氢还原炼铁技术，但预计距离实现还需要很长时间。不过，开始全球钢铁行业已经在围绕利用氢能的零碳钢目标积极布局。
日本铁钢连盟2019年提出的“ 挑战零碳钢” 长期愿景中，涵盖了为到2100年前实现“零碳钢”而开展实用化技术研发的方针，见图1。
以加氢站的普及为目标
日本为了支持氢能的有效利用，在“氢能基本战略”和“氢能/燃料电池战略发展路线图”等文件中，提出了未来愿景和行动计划。其措施之一便是加氢站的建设和普及。日本加氢站的普及正在稳步推进，2020年1月，同时面向FCV和FC巴士的“东京煤气丰洲加氢站”投入使用，将为东京推进普及的FC巴士提供氢气。
此外，在远程监控的加氢站，可以自动充气的自动化设备的研究也在进行中。加氢站中配备了氢气压缩机、蓄积氢气的蓄压器、冷却氢气的预冷器、将氢气充入车内的喷嘴分配器等。日本从作业安全性的角度考虑，充氢作业原则上由操作员进行，但在欧洲等正在普及自动加氢站，日本也在进行“自动化”的安全对策研究。
用于加氢站设备的金属材料与高压氢气直接接触，因此要求使用耐氢脆性和拉伸强度优异的钢材，对此，以奥氏体系不锈钢为主进行了各种钢材的研究。在未来普及的加氢站中，期待新技术和新材料的开发与应用。
日本已经积累了与氢能相关的先进技术，为了实现绿色氢能社会，日本钢铁材料和技术将发挥重要作用。 （ 全荣）
