铂道

日本环境与能源领域报告：氢氨技术部分

维克·

日本科学技术振兴机构 (JST)最近发布环境与能源领域报告，氢氨技术是报告重点内容。

铂道翻译如下：

摘要

近年来,由于地缘政治紧张局势与经济社会因素(能源价格高涨、物价上涨、COVID-19疫情暴露的供应链脆弱性)的复合作用,可持续社会建设在部分领域出现停滞和倒退。在这种形势下,如何实现能源稳定供应与碳中和的双重目标,再次成为国际社会面临的重要课题。

在能源领域,从技术中立的视角推进多样化技术开发,将各项技术有机结合并推动社会实践应用至关重要。在日本电力供应方面,通过引入高转换效率电池和扩大安装场所的太阳能发电、浮体式风力发电等可再生能源,以及将核电作为基础负荷电源的利用,正在为提高能源自给率做出贡献。

不排放CO2的氢能和氨燃烧火力发电作为具有灵活输出调节特性的技术正在推进研发,被期待发挥支撑整体电源结构稳定性的作用。此外,随着AI技术的迅速发展,数据中心的电力需求不断攀升,需要采取包括确保供电能力、提高需求侧灵活性、增强电网、有效利用废热等在内的综合性应对措施。

在产业和交通运输领域,除了推进电气化之外,还在兼顾成本的前提下,推进氢能、氨、合成燃料、生物燃料的合成与利用技术开发。针对残留的CO2排放,CO2捕集与封存(CCS)以及利用自然力量的负排放技术开发正在进行中。

在环境领域,需要采取多方面且综合性的措施,包括提升观测预测技术水平、创造面向资源循环的创新技术、应对污染物质等。在水、大气、土壤保护方面,针对全氟和多氟烷基物质(PFAS)等新兴污染物,通过AI和物联网技术提升监测水平、环境分析和风险评估正在取得进展。

地球系统观测与AI及综合模型的应用,正在为气候影响评估和适应策略的优化做出贡献。利用自然净化功能和生态系统服务的基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)作为可持续对策备受关注。

在资源循环方面,"资源再创造"的概念日益重要,即将城市矿山、废水中的稀有金属、大气中的CO2、工厂和上下水处理设施的废热等未利用资源和次生能源重新视为可利用资源。

在今后的技术开发和制度设计中,应对转型期的不确定性将成为重要课题。必须明确从新技术创造到社会实践应用的路径,推进灵活的制度设计和系统构建。

环境与能源领域的研发在实现碳中和社会方面发挥着核心作用。为了将可持续社会和健康的地球环境传承给未来世代,需要加速创造创新技术并推动其社会实践应用,以应对各种挑战。

氢能与氨能技术

——存储与载体领域的研究与开发趋势（2026）

发布机构日本科学技术振兴机构（JST）
编制单位研究与开发战略中心（CRDS）
报告编号CRDS-FR-E202-202512
发布时间2025 年 12 月

一、研究与开发领域的定义

本领域聚焦于以下技术体系：

氢能生产技术

水电解制氢（碱性、PEM、AEM、SOEC 等）

化石能源重整制氢（含 CCS）

热化学水分解、光催化制氢

氢能储存与运输技术

高压储氢

液氢

有机氢载体（LOHC）

氨作为氢载体

氢与氨的终端利用技术

燃料电池

发电、工业燃烧

炼钢、化工、合成燃料（e-fuels）

氢是一种能源，氨是一种重要的氢载体。二者共同构成未来低碳能源系统的关键基础。

二、该领域的重要性

  1. 氢能的减碳价值

氢在使用阶段不排放二氧化碳

预计在以下领域发挥关键减排作用：

化工

钢铁制造

交通运输

电力系统调峰

  1. 能源系统层面的意义

可再生能源（风、光）具有波动性、不可直接储存

将电能转化为氢能，有助于：

平衡供需

实现跨区域、跨季节能源调配

从能源安全角度看，多元化氢能供应链至关重要

三、研究与开发趋势（概述）

（一）氢气生产技术

  1. 氢气类型与碳排放差异

常见氢气按生产方式分类如下：

灰氢

来源：天然气等化石能源重整

碳排放：≥10 kg-CO₂/kg-H₂

蓝氢

化石能源制氢 + 碳捕集与封存（CCS）

可显著降低排放，但仍依赖化石资源

绿氢

可再生能源电力 + 水电解

欧盟 RED II 要求：

≤3.38 kg-CO₂/kg-H₂（全生命周期）

粉氢

核电制氢

灰氢

甲烷热分解，副产固体碳

白氢（天然氢、金氢）

地下天然存在氢

排放极低，但储量和商业性仍不确定

橙氢

生物质、有机废弃物制氢

适用于分布式能源系统

  1. 水电解技术路线

主要水电解方式

碱性水电解（AWE）

技术成熟、成本低

对电力波动敏感

质子交换膜水电解（PEM）

响应快、系统紧凑

依赖铱等贵金属

阴离子交换膜水电解（AEM）

有望摆脱贵金属

耐久性与性能仍在研发中

高温蒸汽电解（SOEC）

效率高

耐久性与规模化存在挑战

水电解副产高纯氧气，在医疗、工业领域具有附加价值。

  1. 非电解制氢技术

热化学水分解（IS 工艺）

利用约 900°C 高温

可结合：

高温气冷堆

聚光太阳能

工业余热

化石资源制氢 + CCS

在过渡期作为绿氢补充

CCS 完整性和减排效果仍存在争议

四、氢气储存与运输技术（氢载体）

  1. 液氢

液化温度：-253°C

优点：高纯度

挑战：

能耗高

专用运输船需求高

  1. 有机氢载体（LOHC）

代表物质：甲苯 / 甲基环己烷（MCH）

优点：

常温常压液态

可使用现有石化基础设施

挑战：

脱氢为吸热反应

能量损失需降低

  1. 氨（NH₃）

优点：

氢含量高

已有成熟合成与运输体系

技术难点：

低温低压合成催化剂

毒性与气味

燃烧 NOx 控制

五、氢能系统与基础设施

液氢运输船

氢气管道

加氢站

高压储氢容器（Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型）

关键材料问题

氢脆现象

需要研发：

耐氢金属

橡胶密封材料

高可靠压力容器

六、氢与氨的利用技术

  1. 能源利用

燃料电池（固定式 / 移动式）

氢燃料内燃机

氨混烧发电

船舶、燃气轮机、工业炉

  1. 工业利用

炼钢（氢基直接还原铁 DRI）

化工原料

e-fuels、SAF 合成

CO₂ 利用（CCU）

七、面临的主要挑战

氢气成本仍需大幅下降

催化剂对贵金属依赖

储运安全与公众接受度

系统级设计与法规协调

跨学科、跨产业协同不足

八、国家与区域政策动向（摘要）

国际层面

IEA 氢能技术合作计划

IRENA：氢能占未来能源 12–14%

Mission Innovation：清洁氢使命

日本

《基本氢能战略》（2023 修订）

2030 年：300 万吨

2050 年：2000 万吨

欧洲

欧洲氢能战略

IPCEI 氢能项目

REPowerEU：2030 年 2000 万吨

美国

DOE 氢能枢纽（H2Hub）

IRA 清洁氢税收抵免（最高 3 美元/kg）

中国 / 韩国 / 澳大利亚 / 印度

各国均已将氢能纳入国家级能源或产业战略

商用车、工业用氢成为重点方向

九、结论

氢能与氨能并非单一技术问题，而是能源系统、材料科学、化工工程、政策设计的综合挑战。

未来发展关键在于：

绿氢规模化

多路径协同

成本下降

安全与社会接受度提升

碱性水电解技术已引起广泛关注，部分产品已实现商业化（表2）。碱性水电解设备成本低廉，且具有大规模应用的成功经验。

易受可再生能源电力波动的影响，PEM水电解法对电力波动具有较强的抵抗力，且设备可以做得更小，但它需要使用铁等贵金属。

国际氢能和燃料电池合作组织（IH2P）将绿色氢定义为可用于各种应用的燃料。排放量约为二分之一到三分之一或更少（根据欧盟分类法，低于3kg-CO2/kg-H2根据RED分类法，低于3.4kg-CO2/kg-H2）。
已给出碳强度（CI）的详细定义。氢能和燃料电池经济伙伴关系组织（IPHE）指南提供了每种方法的详细信息。表1：根据生产方法等因素对氢气的常用名称。
绿色氢气是指利用可再生能源取的氢气，主要通过可再生能源电力进行水电解生产。利用天然气和其他化石盗源重整制惠，并结合碳就获与封存技术，可实现塞气的生产，
粉红室绿松石氮，是天然气中甲烧热分解产生的固体碳幕产品。利用核电站产生的电力，通过电解水带取氢气。通过传统方法重整天然气等化石资源（不涉及碳捕获与封存制取的氢气
（或金室）从自然界（地下）提取天然存在的塞气
绿色氢能橙色氢能利用生物质行生资源生产的墨气利用可再生能源制取的氢气（绿色氢气）是通过电解水产生的。钾离子水电解和质子交换膜（PEM）水电解处于实际应用和示范阶段，阴高子交换膜（AEM）水电解也处于实际应用和示范阶段。
自前也在进行氮气和水共电解的研究。蛋然高温蒸汽电解（SOEC效率很高，但它在耐久性和大规模生产方面存在问题。资源限制和使用阴离子交换膜（AEM）带来的成本问题是重待解决的。AEM水电解具有不使用费金属的潜力，但其性能仍在开发中。
表2.水电解方法
水电解类型（缩写）移商子隔膜电解质膜电极示例
碱性水电解多孔质隔膜
(AWE)（有机无机复合多孔质膜）催化剂包最的律等，
质子交换膜 (五)质子交换膜 （酬酸基团）阴极：铂/碳 阳极1r02
阴离子交换膜阴高子交换膜
(AEM)(胺)从贵金属到排贵金属的趋势
高温蒸汽电解 (SOEC)02- 或H+金属氧化物 (例如稳定氧化错）阴极：金属陶瓷 阳极金属氧化物
这也有助于抵消部分氢气生产成本。此外，高纯氧是水电解制氢的副产品。医用氧气（人工呼吸机和高浓度氧疗）它可以用于各种用途，例如在火难时期和医疗机构中提供稳定的氧气供应，以及通过出售氧气来创造收入。多气机瓶气技水2/13

氢能基础设施包括液氧运输船、氢气管道、加氢站和压力储罐。在日本，液氧运输船（例如“水庄前沿”号）的研发工作正在进

行中，大型油轮技术也在开发中4）在日本，氢气管道的使用仅限于工业园区内，但在欧洲和关国已经投入实际应用。高压

3型容器采用磺纤维增强型料（CFRP）加固，而4型容器则发展为采用CFRP加固塑料内耐的结构。不使用内寸的5型容器也正在

研发中。氢气分子极小，能够渗透容器金属并发生泄漏，或破坏材料的品体结构，导致强度下降，这种现象被称为“氢脆”。因

此，研发耐氢胞材料至关重要。目前，氢气的行为仍有很多未知之处，需要进一步的科学研充，从氢气安全角度出发，经济产业省

高炉炼钢法约占二氧化碳排放量的40%.COURSE50项目7）旨在通过引入氢气来减少10%的二氧化碳排放。

目标是额外回收20%的铁。直接还原铁（DRI）无需高炉。将铁矿石转化为高浓度原料后，

输送形态氧气利用过程任务
(-253°C)汽化专用运输阳的研制 运输过程中的蒸发
有机塞化物甲基环己烷 (MCH)甲蓉+3H2氢气提取过程中的能量损失（吸热 反应)
N2+3H2氨合成效率、气和毒性
3.氢能系统和基础设施技术液化NH3直接使用
在进行中。特别是，燃料电池汽车的储氢罐已经从1型（金属容器）发展到2型和3型。利用氢气的储氢技术已在加氢站和燃料电池汽车（FCV）中得到实际应用，用于压力容器和轻型氢气罐的金属材料研发工作正
4.氢能利用技术现象也令人担优，因此需要对相关材料进行研发。（METI）定了氢气安全战略，并在省内设立了氢气安全门户网站，以促进信息共享。5）此外，使用氨燃烧时，炉材料发生氮化
式和移动式车辆燃料电池（FCV）的应用正在推广，而氢气的诺存容量也正在不断增长。氢气和氨具有多种功能，包括能量转换、燃烧热能利用、还原剂和肥料原料。在发电领城，氢气和氨直接用于固定
发也在进行中。6）预计这项技术将用于按季节每秒调整电力供需。此外，采用二氧化碳分高和捕朱技术的蝶气化联合循环（IGCC）整体技术研
烧的条件。氢气和氨气燃烧不排放二氧化碳，但会排放氮氧化物。自前正在考将化石燃料转换为氢气和氨气。由于氢气和氨气的燃烧特性与碳氢燃料不同因此需要设计燃烧器并考虑稳定燃
副产品会带来一些问题，目前正在努力开发减少副产品产生的技术。在碳捕集与利用（参见E2.03二氧化碳利用）中，氢气被用于生产化学品、电燃料（e-fuels）、可持续航空燃料（SAF）等。
目前正在考虑采用电炉等方式实现该产品的商业化.直接还原法包括使用合成气（CO/H2)的Midrex法。因此利用氢气进行二氧化族捕集和经类再合成是重待解决的问题。使用纯塞气进行还原是理想的选择，因为它不排放二氧化碳，但是………
这需要控制碳炭含量和氮化，以及大量的廉价氢气和电力供应。氢气机腻气技术4/13

AEMSOEC光催化制氢储氢液氢燃料电池灰氢蓝氢绿氢PEM电解