实现氢能应用的六大要素（2）

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摘   要：氢可以用于平衡爆发性增长的可再生能源的发电不稳定性，代替化石燃料用于各种用途，因此，氢对于碳中和来说不可或缺。在发电领域，可以使用氢取代天然气进行发电。此外，燃料电池是用于扩大氢能利用的最重要技术之一，以分布式发电用途为首，其将广泛应用于运输领域，尤其是无法实现电动化的应用。另外，氢还有助于通过电气化难以实现脱碳的原料利用和热需求等的脱碳化。可以说，氢是实现碳中和的有力手段。本文中将首先介绍为实现氢能应用的六大要素中后三个。

关键字：氢能应用、交通领域、PEFC、固定式燃料电池、SOFC

4重点关注交通领域燃料电池市场

氢能应用场景日渐丰富，氢燃料电池技术可以广泛应用于交通、发电、储能、工业领域。其中，氢能在交通领域的应用发展前景尤为突出。随各国环保要求的不断提高，面向交通工具领域的燃料电池市场发生了急剧的变化——从优先发展乘用车的方案转向了先行推广卡车、客车等商用车，并加紧完善加氢站等FCEV利用环境的方案。

例如，丰田汽车基于自主开发的PEFC相关技术，正在培育市场参与者和相关零部件的供应商，推进应用市场的扩大和生态系统的完备。尤其是与中国企业在商用车领域的合作活跃度显著。此外，以成为交通工具主流电池的PEFC为重点，用于该电池的部件和材料的技术趋势以及部件和材料厂商的动向值得关注。

另外，作为FCEV的开发先例，丰田在2020年12月对“MIRAI”实现了全新换代。考虑到全面普及，丰田致力于提高FC系统的生产效率。与第一代MIRAI相比，单位空间的产能提高至约2.5倍。新型MIRAI的项目规模、生产规模与初代相比增加至约10倍。因此，设备投资理应增加至10倍，但实际上，只以3倍左右的投资就实现了10倍的生产规模。

丰田将与外部企业合作推进PEFC的开发、生产和应用

丰田基于自主开发的PEFC相关技术，正在培育市场参与者和相关零部件的供应商，推进应用市场的扩大和生态系统的完备。尤其是与中国企业在商用车领域的合作活跃度显著。

5关注固定式燃料电池市场

除在交通领域的产业化应用外，燃料电池在固定式应用领域也有广阔前景。近年来，商用、产业用FC系统市场呈现出强势增长趋势，一些过去对SOFC不感兴趣的企业开始与拥有优异技术的企业合作。在固定式FC方面，虽然也有企业使用用于交通工具的主流PEFC，但在海外市场，SOFC的应用也很活跃。因此，关于固定式FC，以SOFC为重点，该领域使用的零件和材料的技术趋势以及零件和材料制造商的动向值得关注。

作为固定式FC开发的先行案例，松下在2021年10月开始出售纯氢燃料电池。比较该纯氢燃料电池与FCEV的耗氢量，假设1年行驶1万km，则FCEV一年的耗氢量约为100kg；与此相对，一台松下的5kW级燃料电池每天工作24小时，一年的耗氢量约为2300kg，是FCEV的23倍。相应地，可以减少火力发电的燃料，因此也有助于削减CO₂排放量。这种5kW级单元可以多台连接，组成MW级系统的话，可以构建成支撑整个地区的发电设施。松下以这种燃料电池为核心，提出用于实现工厂RE100的解决方案，并已开始在公司内部进行验证。

与企业合作开展商用、产业用固定式SOFC的开发、生产、应用

商用、产业用FC系统的市场扩大前景广阔，一些过去对SOFC不感兴趣的企业开始与拥有优异技术的企业合作。橙色部分表示以自家品牌销售FC电堆或FC系统的企业。

6超越产官学框架，打造凝聚智慧的开发平台

各国对燃料电池的开发已经开始齐头并进，呈现出全力竞争的态势。以日本为例，为了集结产官学的智慧进行竞争，日本正在加快开放式创新的举措。其核心是被称为“固体高分子燃料电池（PEFC）评价与分析平台”的项目，旨在提高燃料电池的性能，加快燃料电池的应用开发。以技术研究组合FC-Cubic为中心，集结了日本21个机构，按照职能成立了5个小组，研究活动日益活跃。

在该项目中，以京都大学为中心的研究小组的目标是完成从材料到应用的全过程模拟。对于给定材料，从原子、分子层面进行模拟，计算其作为产品的性能。FC内部的主体是电极催化剂层，其具有用于供给氢气和氧气的气体扩散层，在外侧具有气体流路。可以通过数学公式来表达和计算这些动作、行为，以及劣化等现象（预测发电性能的多尺度模拟）。在单电池中加入冷却等模型，即可形成电堆模型；进一步组合其周围的压缩机、鼓风机等辅助设备，则构成燃料电池系统模型（基于模型的PEFC系统模拟）。通过数值模拟，可以明确部件、材料何处存在瓶颈，还有多大的改善余地，应该改善到什么程度。

燃料电池系统非常复杂，其理解难度成为进入该行业的障碍。另外，开发新材料的企业需要评估燃料电池系统的设备投资，这也是一个障碍。针对于此，提供模型有助于理解，通过提供模拟，仅靠计算就能评价最终产品的性能。评价与分析平台的目的是降低燃料电池行业的进入门槛，让更多的研究人员和企业参与到燃料电池的开发中。

组成模拟小组的7家机构

日本东北大学和东京大学负责的领域为纳米模拟，京都大学负责的领域为宏观模拟。九州大学研究小组负责的领域介于两者之间，被称为中尺度模拟（Mezzo Simulation）。这样将研究小组设定为三组，分别是负责原子、分子的小组；负责肉眼看不见的极其微小结构的小组；以及将氧看作是氧的聚合物而不是氧分子聚集的宏观小组，模拟规模横跨原子水平到实际实验室水平。此外，京都大学加入了另一个主题，即从实验室水平到实际车用水平的模拟。

东京工业大学负责测定催化剂层部分的结构，在催化剂层制作过程的测量中，部分采用了新的特殊测量方法，委托给拥有该技术的产业技术综合研究所。京都大学则将燃料电池单电池以外的输氢泵等整体模拟委托给东京农工大学。

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翻译：肖永红

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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