氫能源技術(shù)大體可以分為制氫技術(shù)、儲氫、輸氫和氫供給利用技術(shù)。
制氫技術(shù)
氫可以從多種能源和資源中進行制造（表1）。不同的制造技術(shù)從穩(wěn)定性、環(huán)保性、經(jīng)濟性及實用化階段等方面來看各有優(yōu)勢和劣勢。
由于篇幅限制，下文主要對化石燃料改制、水電解及光催化等制氫技術(shù)進行介紹。
化石燃料改質(zhì)
目前大部分的氫是由天然氣和揮發(fā)油等的化石燃料改質(zhì)制造。現(xiàn)在最為主流的是水蒸氣改質(zhì)法，特別是使用天然氣（甲烷）為原料的水蒸氣甲烷改質(zhì)法（SMR：Steam Methane Reforming）。水蒸氣改質(zhì)在工業(yè)中已經(jīng)得到確立，技術(shù)上的問題很少。SMR的改質(zhì)反應如下：
CH4 + H2O → CO + 3H2
產(chǎn)生的一氧化碳與水反應，得到氫和二氧化碳。
CO + H2O → CO2 + H2
水蒸氣改質(zhì)除了用在大型成套設備中的集中制氫外，以城市燃氣（甲烷為主要成分）為原料的就地加氫站也可以運用（圖1）。
水電解
水電解技術(shù)有堿水電解法和固體高分子型（離子交換膜型）水電解法（圖2）。堿水電解法是用氫氧化鉀的強堿溶液進行水電解，作為大規(guī)模制氫，在工業(yè)領域有很多應用。固體高分子型水電解法是應用燃料電池技術(shù)進行水電解。期待未來能用可再生能源（特別是風力發(fā)電）中產(chǎn)生的剩余電力用于水電解技術(shù)，降低制氫成本。
光催化劑的水分解（人工合成光）
光催化劑的水分解就是一種使用氧化物和氮化物等半導體顆粒作催化劑，通過光直接分解水的方法。這是因為在光催化劑的表面照射太陽光，電子被從價帶激發(fā)到導帶，被激發(fā)的電子還原水，產(chǎn)生氫，價帶上產(chǎn)生的空穴將水氧化產(chǎn)生氧氣。但是目前轉(zhuǎn)化效率很低，在0.3%左右，日本的人工光合成技術(shù)目標在2021年，將轉(zhuǎn)化效率提高至10%。
氫的運輸與儲存技術(shù)
氫的單位體積能量密度低（約為天然氣的1/3左右），用怎樣的手段維持其高密度的同時進行運輸和儲存，成為需要解決的課題。
在運輸方面，已經(jīng)實際運用的有高壓氣體運輸、液化氫運輸，在此之外，作為新技術(shù)的有機化合物運輸正在被證實。在儲存技術(shù)中，對于燃料電池汽車那樣有空間限制的應用場合，最理想的是利用體積能量密度高的儲氫合金，但是其目前還處于研究開發(fā)階段，需要把成本降得更低。在將來，日本因氫發(fā)電產(chǎn)業(yè)等的用途，想必會產(chǎn)生大量的氫需求，期待能夠構(gòu)筑使用有機化合物技術(shù)和液化氫技術(shù)的世界范圍性的氫供給鏈條，實現(xiàn)其實用化（圖3）。
氫供給技術(shù)
對于燃料電池汽車的氫供給，通常需要建立加氫站。加氫站的代表性方式可分為在加氫站外制造氫氣，并通過氫氣拖車等運輸?shù)郊託湔緛淼耐夤┘託湔荆╫ff site）和以城市天然氣或LPG等為原料用加氫站所設的制造裝置直接制造并供給的制氫加氫站（on site）。這兩種方式只是向加氫站供給氫能的方法不同，此后一直到給燃料電池汽車進行氫能源補充的流程是相同的。
氫能利用技術(shù)
關于氫能利用技術(shù)的設想如圖4所示，下文對主要的氫能利用技術(shù)進行介紹。
業(yè)務用/產(chǎn)業(yè)用燃料電池
將城市煤氣作為燃料使用，通過改質(zhì)裝置產(chǎn)生氫氣，在燃料電池中氫氣和氧氣（空氣）產(chǎn)生反應來發(fā)電。業(yè)務用的為數(shù)kW到1MW，產(chǎn)業(yè)用的則為數(shù)~數(shù)百MW的發(fā)電容量。通常使用的燃料電池的種類有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。 目前，多種型號和系統(tǒng)的業(yè)務用燃料電池在日本正處于開發(fā)與實證階段（表2）。
便攜式燃料電池
隨著手機、智能手機、one segment電視等移動通信設備的普及與發(fā)展，在停電、災害和緊急狀況等難以保證供電順暢的時段對移動通信設備進行充電和供電的需求正在增加。便攜式燃料電池是一種為了向通信設備等個人設備提供電源而設計的小型燃料電池。它以含氫的液體或固體為燃料。很多情況下，燃料由與水反應生成氫氣的粉末固化而成，燃料盒則設計為能夠長時間儲存的形式。它與內(nèi)燃機發(fā)電機相比更為安靜，排放的氣體也很干凈，適于在室內(nèi)使用。
燃料電池汽車
燃料電池汽車是一種以氫為燃料，通過燃料電池引入空氣中的氧與車載氫發(fā)生反應進行發(fā)電，并將這種電能作為動力而行駛的汽車。燃料電池汽車系統(tǒng)由燃料電池組（輸出功率75~100kW）、高壓儲氫瓶、控制單元、空氣壓縮機等部分組成，為滿足剎車時的能源再生以及加速時的支援，大多是燃料電池與二次電池并用的混合動力系統(tǒng)（圖5）。
已經(jīng)有數(shù)家汽車制造商公布了燃料電池汽車的量產(chǎn)車型和概念車型。豐田汽車于2014年12月5日在日本國內(nèi)發(fā)售了“MIRAI”，2015年夏季開始在歐美銷售。在日本國內(nèi)，其售價為720萬日元，銷售目標為每年400輛。本田技研工業(yè)在2015年夏季開始銷售燃料電池汽車，日產(chǎn)汽車與Daimler、Ford正在共同研發(fā)全世界最早的平價量產(chǎn)型燃料電池汽車，預期最早可在2017年發(fā)售。燃料電池技術(shù)也廣泛試用于公交客車領域。比如AC Transit（美國·圣弗朗西斯科），BC Transit（加拿大·溫哥華）等公交公司正以數(shù)十輛的規(guī)模提供日常路線服務。在歐洲的燃料電池客車試驗計劃CHIC中，Daimler生產(chǎn)的37輛燃料電池客車投入實驗運行。在日本，日野汽車與豐田汽車共同開發(fā)了8輛燃料電池客車“FCHV-BUS2”，到目前為止已用于多種用途。
燃料電池叉車
由于燃料電池叉車不排放廢氣，人們期待可以用它來減少倉庫、工廠作業(yè)中CO2排放量。此外，因為燃料電池叉車不排放環(huán)境污染物，所以能預防封閉空間內(nèi)的大氣污染。在美國，作為次貸危機后的經(jīng)濟刺激政策的一部分，2010年左右正式引入燃料電池叉車，現(xiàn)在約有4000輛投入使用。南卡羅來納州的BMW工廠中，總共使用了275輛燃料電池叉車。
氫能發(fā)電
通過在天然氣火力發(fā)電中加入氫氣進行混燒發(fā)電，可以直接減少CO2排放量。氫與其他燃氣混合發(fā)電的混燒發(fā)電驗證實驗正在推進。另外，由于僅用氫進行發(fā)電的單燃料發(fā)電在全世界少有先例，今后還有待討論，但因為在發(fā)電階段不會排放CO2，因此根據(jù)氫燃料的制造工藝不同，有可能成為一種零排放發(fā)電技術(shù)。
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日本氫能白皮書（第一部分：日本發(fā)展氫能的意義和政策）
本文文章為重塑未來整理
轉(zhuǎn)載自NEDO氫能源白皮書
