王宇楠
近年来，能源短缺问题及极端灾害气候频繁发生，人类生存环境不断恶化，全球能源可持续发展受到挑战。氢能源涉及供热、电力等领域，尤其在交通动力上具有明显的优势，是世界公认的清洁能源，在目前全球能源变革中占据关键位置。早在1974年，日本即颁布“新能源发展计划（阳光计划）”，实施氢燃料电池技术国家战略。特别是在2014年日本丰田汽车公司最早量产出氢燃料电池汽车Mirai（“未来”），做到二氧化碳零排放及超长续航，实现了历史性能源变革，改变了汽车产业格局。日本在氢燃料电池汽车领域的优势和决心反映在其先进技术、环保承诺、政府支持、国际合作、产业协同、经济潜力和长期愿景等方面。因此，充分了解日本的氢能源发展战略规划和相关技术产业化的过程和经验，对我国氢能源社会的构建和产业化应用具有重要的现实意义。
一、日本氢能源发展背景
日本一次能源供应94%来自海外，其中80%以上是原油和天然气，且主要依赖中东地区。这使得日本面临着能源供应不稳定、价格波动大、容易受制于人等风险。日本政府为了降低对外部能源的依赖，完成能源政策目标，在氢燃料电池汽车Mirai市场化后的氢能源热潮推动下，由日本国立新能源产业技术综合开发机构（NEDO）主导的氢能源社会开发项目自2014年开始已持续十年，联合氢能源相关企业每年投入近百亿日元研发实现氢能源社会必需的尖端技术和产业化应用。日本计划在2050年实现“去碳化社会”，正在加速推动全面利用氢再生及氢利用，将能源发展的重心放在氢能源上。氢气作为清洁能源，使用后不会排出温室气体，仅产生水蒸气，可以进一步弥补可再生能源无法完全代替化石燃料的空缺。
日本国家战略的选择与地理环境有关。日本四面临海，国土形状为长条形，面积小，自然资源极度匮乏，只有少量矿产资源，很多能源需要依赖进口。如果选择锂电技术路线，意味着需要进口大量的金属锂矿，那么发展的新能源依旧存在对外依赖、无法完全自主化的问题。考虑到日本四面环海这一特点，采用水电解制氢，既环保又方便，而且原材料取之不尽用之不竭，可以降低使用成本。另外，由于日本国土狭长，南北气候差异大。日本海沿岸一线冬季寒冷且暴雪气候常见，锂电在这种低温条件下，续航能力将大打折扣，而氢燃料电池则不会受低温环境的影响。氢能源是日本面对能源危机的唯一解决方案。
日本的氢能源发展贯穿上下游产业，主要在氢的生产、储藏（运输）和应用三个方面。从目前的情况看，日本氢能源主要从天然气、石油、煤炭等化石能源加工过程中的副产品以及电解水制氢获得。氢的运输与高压气态储氢、低温液体储氢和储氢材料储氢三种储氢方式一一对应。氢能到达使用端，需先经过减压、气化或脱氢等步骤，才能得到可供用的氢气。日本制定的氢能源发展主要路径包括三条：（1）从海外化石燃料副产品中实现低成本制氢，如利用碳捕获和储存技术或可再生能源电解水获得氢能源；（2）加强进口和国内运输过程中所需设备的建设；（3）促进氢能源在汽车、家庭用电和工业应用等领域的大量应用。
日本政府的氢能源政策涵盖了发展背景、战略、研究开发、创新推动、基础设施建设、市场化、国际合作、社会认知提高等多个方面，将促使能源多样化、供应稳定、环境保护等战略实现。这种综合方法奠定了日本氢能源发展走在世界前列的基础。
二、日本氢燃料电池汽车的发展动向
氢燃料电池作为清洁能源，不仅可以为电网供电，还是理想的移动电源。氢燃料电池是日本氢能源产业链的关键环节之一，同时，氢燃料电池汽车也是推广氢燃料电池的重要领域。氢燃料电池汽车有着天然优势, 排气管排出的是纯净水，可以做到二氧化碳零排放。此外，氢燃料电池的能量密度远胜于锂离子电池，在清洁和能量密度方面都有着极强的竞争力。提到日本汽车产业，人们首先会想到日本丰田汽车公司。丰田汽车公司是氢燃料电池发展历程上重要的推动者，是氢能源汽车技术的全球领导者之一。
（一）产品应用
日本的氢能源燃料电池汽车产业研究始于20世纪90年代，最早由几位丰田汽车公司的工程师依据“氢动力”原理提出一个问题：实现二氧化碳零排放，能否用氢气取代燃油，这成为未来汽车发展的动力。1994年，丰田汽车公司内部先成立了一个四人的兴趣小组。后来，这个小组的参与者越来越多，演变成公司的一个专门研究机构。2014年，丰田汽车公司面向汽车市场正式推出了第一代氢能源燃料电池轿车Mirai，并面向全球进行市场推广和应用，其中包括日本、美国、欧洲和一些其他地区。2020年登场的第二代Mirai轿车，按照雷克萨斯高级车的标配，充气3分钟，可实现800公里的行程，而且排放出来的只是清水（如图1所示）。
丰田汽车公司研发的氢能电堆系统，不仅让简单的启动马达取代了复杂的燃油发动机，真正实现了二氧化碳的零排放，而且还引发了日本社会的一场氢能源革命。如今，日本不仅出现了氢能源轿车、大卡车、公交车，还出现了万吨级氢能源货轮。而且氢能源发电系统已经走入普通家庭，只要有自来水，就可以生氢发电。丰田汽车公司的一位氢能源专家透露，丰田已经在研发10年后的氢燃料电池技术，主要涉及降低成本、延长使用寿命及适应更加苛刻的使用环境。这是一项高成本的系统性研究，有的公司已经中途退出，但是，丰田未来在氢燃料电池汽车方面的发展将走一条全方位、战略性的路线，通过技术创新、产品拓展、市场推广、基础设施投资和合作联盟等多个方面的工作，努力推动氢燃料电池汽车在全球范围内的普及和应用。
（二）日本国家政策
2006年，日本《燃料电池汽车发展规划》的发布进一步明确了日本氢燃料电池汽车商业化的发展阶段和目的。2009年日本在《燃料电池汽车和加氢站2015年商业化路线图》中制定了2011—2015年开展燃料电池汽车技术验证和市场论证的计划。2013年日本将氢能提升为国家战略，到2014年确定氢能是与电力、热力并列的二次能源以及建设“氢能社会”的愿景。2017年，日本发布的《氢基本战略》针对交通、氢能供应和氢能应用三个方面提出了具体发展目标，并计划到2050年普及燃料电池汽车。日本2018年发布的《第五个能源基本计划》和《东京宣言》以及2019年修订的《氢能与燃料电池战略路线图》明确了继续大力发展氢能与燃料电池汽车产业的方针。
到目前为止，日本经过政府大力支持、企业投入大量资源研发，已经解决了燃料电池汽车在技术方面的难题，但产业发展仍面临三大难关。一是成本问题，在日本，氢气的成本、加氢站的成本和燃料电池车辆的成本仍然很高，氢燃料电池汽车与传统内燃机汽车的经济性无法相比。二是标准问题，日本对加氢站有着严格的标准，加氢站采用了许多制氢厂的安全措施，虽然在安全上获得了极大保障，但一定程度上限制了加氢站的发展。三是加氢站问题，日本使用燃料电池乘用车作为切入点，就必须配备大量加氢站，这导致推广面临挑战。针对上述三个问题，日本政府出台地方政策，从以下三个方面推动当地氢燃料电池汽车产业发展：
首先，根据当地情况增加不同的支持措施。地方政府根据各自财政收入、土地等具体情况，采取的主要支持措施分为两大类型: 一是财政支持，二是用地支持。日本一直通过调整税收和补助金的方式，为新能源汽车打开销售市场。从 2009 年 4 月起，日本政府实施了“绿色税制”，包括纯电动汽车、混合动力车、清洁柴油车、天然气车以及通过检验的低排放且耗能低的车辆，根据不同类型车辆享受不同程度的减税、免税优惠待遇。另外，对氢能装备和加氢站运营给予补贴。其中氢能装备补贴包括对加氢站加氢设备、集中制氢设备、氢气液化设备给予补贴。此外，日本还给予氢气免征燃料税优惠。
其次，采取创新措施刺激市场需求。与传统内燃机汽车、纯电动和混合动力汽车相比，目前氢燃料电池汽车的市场规模仍然较小，消费者对氢燃料电池车的认知度较低。日本各地政府根据当地具体情况，积极创新措施和手段，加强对潜在用户的宣传，同时提高现有消费者氢燃料供应的便利性，提升用户体验。以日本京都市为例，为提高公众对氢燃料电池汽车的了解，使其切身体会到氢燃料电池车的便利之处，2016年8月，京都市开展了氢燃料电池车共享活动，市政府向公众提供 3 台丰田 Mirai燃料电池汽车，可在京都市内免费试乘，同时在各期刊网站上大力宣传这一活动。
最后，加强对青少年宣传教育，培养新一代人才。为氢燃料电池汽车长远发展考虑，满足新技术研发需求，需要不断为研发队伍注入新鲜血液。日本政府非常重视氢燃料电池汽车产业新一代人才的培养，通过氢燃料电池汽车相关科技宣传活动，增强青少年对行业的了解，培养他们对氢燃料电池车的早期兴趣，加强对氢能产业人才的引导和培养。例如，日本福冈县以区域为基础开展普及和启发活动，与位于福冈县的国立九州大学共同设立氢能社会共享教室，举办氢能相关学术交流，为中小学生开展氢能相关知识宣教。
（三）优势特征
目前新能源汽车领域中，主要包括氢燃料电池汽车、锂电池汽车和混动汽车三大类。氢燃料电池汽车系统是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，再由电机驱动车轮，富余的电量会储存在动力电池之中，只是氢燃料电池汽车的储氢罐相当于油箱。相比于传统的燃油汽车以及正在大力推广的锂电池汽车来说，有着较为明显的技术优势。氢燃料电池汽车具有不依赖化石资源，高能量转换效率、可快速启动、超长续航、低热辐射、零碳排放、加氢效率高、运行噪声小和可模块化设计等众多优点。但是，氢燃料电池在技术上还面临一定的挑战。首先，氢燃料电池的成本还较高，其核心催化剂是“铂”金属，其价格昂贵，但每辆车都需要几十克用量。其次，氢气的储存密度较低。两种常规的储存方式下，一种是绝大多数采用的高压储氢的方法，高压高达70Mpa，高压条件对储存罐的材料、技术的要求很高，过程中的能量损耗大约在13%；另一种是采用液化方法，将氢气降温至-253℃会凝结，过程中的能量损耗极大，约为40%。最后，加氢站基础设施建设面临一定挑战，从家用车来看的话，行驶路线不固定，对加氢站的要求相对比较高。氢燃料电池汽车还处在高速发展阶段，当前的氢燃料电池汽车相比于其他新能源汽车的特征，如表1所示。
总结起来，锂电池系统相对简单，燃料电池系统虽然提供了很高的续航里程，但更为复杂且需要高效的加氢保障。不过，两者不存在竞争，而是相互依存的关系。由于两种新能源电池技术有着明显的优缺点，汽车制造商可以基于车辆尺寸和行驶距离的两大主要应用标准对未来的动力系统技术进行选择（锂电池或燃料电池技术）。综上所述，氢燃料电池汽车适用于重型卡车、城市物流、城市客车等工作时间长、运行里程长、定区域运行场景（如图2所示）。
三、氢燃料电池汽车发展前景与面临的挑战
作为一种零碳排放的交通工具，近年来氢燃料电池汽车在全球范围内受到了越来越多的关注。随着全球气候变化加剧和传统化石燃料资源的减少，清洁、可再生能源的开发和推广成为当务之急。在这一背景下，氢燃料电池汽车作为一项具有广阔前景的技术，被视为未来可持续交通体系的重要组成部分。虽然氢燃料电池汽车展示了巨大的潜力和许多优势，但其推广和实施主要面临着以下挑战：一是氢储存和运输的安全问题。氢气的存储需要在极高压力下进行，或者通过液化等方式，这增加了存储和运输的复杂性和成本，同时还必须遵循严格的安全标准，以防止泄漏和意外。二是制氢成本较高。氢气大部分是通过天然气重整或电解水等方式生产，生产过程的资金投入可能相对高昂且能效不高。三是加氢设施的建设。氢能源汽车的加氢设施相对有限，特别是在许多非主要市场地区。建设广泛的加氢站网络需要巨额投资和多方合作。四是技术水平有待提高。虽然氢燃料电池技术已取得了显著进展，但仍存在诸多技术挑战，例如提高效率、降低成本、增加耐久性等。五是车辆制造生产成本较高。目前，氢燃料电池汽车的制造成本相对较高，主要是由于燃料电池组件和高压氢储存系统的高成本问题。六是社会接受度有限。公众对氢能源汽车的理解和接受度可能有限，特别是与安全和便利性有关的问题。七是政府和法规支持有待加强，亟须清晰、明确的政府政策和法规支持，以推动氢能源汽车的商业化进程。综上，氢能源汽车的挑战涉及多个方面，包括技术、经济、社会和政策等。应对这些挑战需要多方面的努力，包括政府、工业企业、科研机构和消费者的共同合作和支持。随着技术的进步和市场的成熟，预计许多现有挑战将会逐渐得到克服。
氢燃料电池汽车的未来发展趋势和战略方向非常关键，不仅涉及环境可持续性问题，还与全球经济和能源安全等重大战略密切相关。氢燃料电池汽车作为未来交通的重要选择，将在全球范围内扮演越来越重要的角色。通过技术创新、基础设施建设、政府政策支持、市场推广以及国际合作等多方面的共同努力，氢燃料电池汽车将有望在未来几十年内实现大规模商业化。同时，氢燃料电池在海洋高压封闭环境、高空稀薄空气环境及陆地复杂环境也表现出强大的技术优势。全球化的视野和战略思维将是实现这一目标的关键。
日本在氢能源技术及燃料电池汽车研发方面处于世界前沿，在建设未来氢能源社会方面也处于领先地位，针对全球氢能源产业发展，如何通过中日合作，把日本氢能源技术优势和中国庞大市场优势相结合，促进中国的氢能源技术和产业化发展，实现合作共赢，是值得探讨的课题。
参考文献：
[1] 魏蔚，陈文晖.日本的氢能发展战略及启示.电力设备管理[J], 2022(1):5.
[2] 李浩东.日本“氢能社会”建设经验及对我国的启示.日本研究[J]，2021(4):10.
[3] 日本经济产业省.2015年燃料电池汽车及加氢站商业化路线图[Z]，2015.
[4] 梁慧.日本氢能源技术发展战略及启示.国际石油经济[J]，2016,24(8):87-95.
[5] 顾阿伦，孟翔宇，刘滨等.氢能在日本能源发展战略中的地位与作用.中国经贸导刊(中)[J]，2019(6):35-37.
[6] 日本内阁官房.氢基本战略[Z]，2017.
[7] 蒋瑜洁，丁钰慧，关昕.日本推动氢燃料电池汽车产业发展的机制研究.现代日本经济[J]，2022,41(01):27-46.
[8] NEDO. 氢·燃料电池战略线路图[Z]，2023.
[9] 日本经济产业省.氢基本战略[Z]，2023.
（作者系中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员）
