2014年02月26日08:34
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利用氢的举措在全球多个国家开始出现热潮。比如在率先展开行动的欧洲，利用可再生能源的剩余电力生成氢的做法受到关注。而美国则从保障国家安全的角度出发，为降低能源对海外的依赖，开始构筑氢基础设施。
氢的利用与燃料电池的普及大幅相关。全球各地开始探索符合地区特性的氢利用手法（图1）。尤其是在欧洲，氢的利用作为利用可再生能源剩余电力的有效手段受到了瞩目。
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图1：关于氢的世界动向 全球开始围绕氢利用大展身手。 |
在欧洲，可再生能源比例正在快速提高。例如，德国计划2030年把可再生能源在总发电量中所占的比例提高到50％。丹麦提出了2050年之前摆脱化石燃料的目标，可再生能源的比例与德国一样，计划2035年之前提高到50％。
因此，在欧洲，风力发电和光伏发电等输出变动较大的可再生能源的比例越来越高，如何利用剩余电力成为课题。比如在德国，剩余电力就无法定价出售，所以构筑采用剩余电力的新业务模式颇为重要。
于是，欧洲陆续启动了利用剩余电力电解水生成氢，然后以多种形式利用氢的实证试验。
本文邀请撰写氢基础设施调查报告《世界氢基础设施项目总览》的单位——日经BP清洁技术研究所，来介绍一下在氢利用方面采取了先进措施的丹麦、德国和美国的事例。
丹麦，将介绍2007年启动实证试验的洛兰岛氢项目案例。德国，将介绍通过用剩余电力生成的氢和CO2制造甲烷（CH4），旨在实现“零碳”社会的案例。
另外，美国从保障国家安全的角度出发，为降低对化石燃料的依赖，开始构筑氢基础设施。本文将介绍率先致力于普及燃料电池车（FCV）的加利福尼亚州的案例。
丹麦：洛兰岛氢项目利用可再生能源生成氢
丹麦提出了2050年之前摆脱化石燃料的目标，目前，以风力发电和生物质发电为中心，该国的可再生能源在供电中所占的比例已经达到约30％。另外，最近几年还迅速导入了光伏发电。现在，容易受天气影响的风力发电和光伏发电在系统电力中所占的比例提高到了20％左右。
丹麦政府计划确立2035年之前把风力发电等输出变动较大的可再生能源在供电中所占的比例提高到50％。其实，盛行风力发电的洛兰岛已经启动了氢项目验证实验，利用氢作为储藏风力发电剩余电力的介质。具体做法就是，利用风力发电和太阳能发电的剩余电力电解水制造氢，然后将氢储藏在氢气罐中。反之，当电力供应不足时，则利用储藏的氢让燃料电池发电，使用电力和废热。
已推进到第三阶段
洛兰岛氢项目于2007年5月启动，实验基地位于洛兰岛最大的城市纳克斯考以南5km远的Vestenskov地区。在远离居住区的沿海空地上，设置了水电解装置以及压缩该装置生成的氢进行储藏的氢燃料罐（图2）。生成的氢还会导入住宅中，通过住宅内的燃料电池发电，提供电力和热。
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图2：通过电解水制造和储藏氢 丹麦Vestenskov设置了水电解装置以及压缩电解的氢进行储藏的储氢罐。（摄影：日经BP清洁技术研究所） |
不过，由于还没有利用氢的能源系统相关标准，而且居民觉得氢危险的观念根深蒂固，因此该项目是分阶段实施的，现在正向第四阶段迈进。
在2007年刚刚启动的第一阶段，并没有在住宅中设置燃料电池系统。而是先把燃料电池、用于将发电电力转换成交流的逆变器，以及废热回收装置收纳在玻璃柜中，方便市民参观。
在从2008年开始的第二阶段，在普通住宅的5户家庭里设置了冰箱大小的燃料电池系统实际进行使用。采用额定输出功率为1.5kW的固体高分子型燃料电池（PEFC）。
从2011年开始的第三阶段，设置燃料电池系统的住宅数量增加到了35户，其中约一半家庭为改良型燃料电池系统。开发该燃料电池的是丹麦的风险企业IRD Fuel Cells。系统价格目前为10.9万克朗。
IRD Fuel Cells的产品以燃料电池组为主，另外还自行制造MEA（膜电极组件）（图3）。隔膜采用石墨，电解质膜采用碳化氢类高分子。以氢为燃料时的发电效率约为45％，把废热作为70℃的热水使用时的综合热效率达到94％。耐久性“已实际达到2万小时，确立了4万小时稳定工作的眉目”（IRD Fuel Cells）。
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图3：第三阶段利用的燃料电池系统 第三阶段利用的燃料电池系统是IRDFuel Cells公司生产的（a）。从MEA到燃料电池组均由该公司自主制造（b）。（摄影：日经BP清洁技术研究所） |
第三阶段以前一直以与现有区域供热系统的联动为目标，在远离住宅的场所设置电解水装置。从此处利用专用管道把氢输送到住宅中。从2013年底开始启动的第四阶段，将在约1万户住宅中设置内置小型水电解装置的燃料电池系统。以无法利用区域供热系统的住宅为目标，制氢时的废热也以热水的形式储藏在住宅内的罐中。虽然燃料电池系统的价格升高了，但无需从住宅外铺设氢管道，施工费低。
丹麦为摆脱对化石燃料的依赖，将从2015年开始禁用供暖用煤油锅炉。使用电解水生成的氢的燃料电池系统在利用剩余电力的同时，还有望取代煤油锅炉。
据IRD Fuel Cells公司介绍，从电解水生成氢，到利用燃料电池发电的效率为37％。不过，通过回收这一系列过程中产生的废热，综合效率可以提高到85％。另外，第三阶段以前的验证实验使用的氢管道采用钢制造，在保证安全性的前提下，第四阶段预定使用树脂管道。
力争使设置价格降到6万克朗以下
笔者拜访了参加第三阶段验证实验的一户住家。这户人家位于郊外，不在区域供热服务的范围内，此前一直是设置煤油锅炉，用来供应热水和供暖。这家住户满意地表示，“改用燃料电池后，排出的废气清洁了。严冬时节的暖气会供给足量的热水”。
在丹麦，如果住宅内没有电力需求，只需要热水，燃料电池发电的电力可以出售。氢管道一直埋设到住宅地下，在住宅内从天花板连接到燃料电池系统上（图4）。为防备万一出现氢泄露，在邻近天花板的墙壁上设置了换气口，房顶背面安装有氢传感器。
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图4：从天花板设置氢管道 氢管道一直埋设到住宅地下，在住宅内从天花板连接燃料电池系统。（摄影：日经BP清洁技术研究所） |
在该住宅内设置并运行燃料电池系统的，是丹麦大型电力零售商SEAS-NVE公司。如果基于燃料电池的热电联产实现普及，电力销量就会减少，不过“要是家用燃料电池早晚都会普及，那我们就率先开展设备的销售和设置业务”（该公司的项目开发负责人）。
在第三阶段的验证实验中，设置资金由政府全额补助，包括施工费在内，每户约花费13万克朗。该公司认为，如果销售和设置价格能降到6万克朗以下，不依赖补助金也能实现普及。（作者：金子 宪治，日经技术在线！供稿）
