在日本，有关氢能的正式研究是在发表日光计划之后开始的，到目前还有很多人在认真地继续在研究。本文将对未来的能源系统中， · 氢所处的地位以及在日光计划中氢能的研究发展现状作一概述。
能量转换和贮藏的重要性和途径
到目前为止的能量系统是以矿物燃料，尤其是石油为中心的，所以把这种燃料转变为电力或由经过简单的加工转换成汽油和城市煤气后分别由输电网络和管线等把需要的能量分配到各工厂、家庭中去。但是，随着今后能量消费中，矿物燃料所占的比例会减少，而原子能和自然能所占的比例会增加，就需要建立各种各样能源的最有效的能量转换、贮藏技术。
作为输送能量的媒质，具有最优良性质的是电能，而作为贮藏媒质，最好的是化学能。这两种能量形式在今后的能量系统中，预料会占到主要地位。
今后，我们必须利用的新能源，主要是以热的形式来提供能量的。另一方面，如果考虑到最后的能量消费的大部分是热的话，则就提出了热能如何有效地从产地分配到消费地点的问题。
热，无论是贮藏还是输送，都是很不方便的，可以说是一种低质能量。为了有效地利用热能，必须把它转换成另一种能量形式。作为一个例子，是热电转换。但电能由于贮藏性能不好，所以必须重新找出一个转换成其他能量加以贮藏起来的过程。把热能转换成贮藏性和输送性好的化学能来利用，则认为是当然的结果。
作为二次能源的氢
化学能转变为热能是利用了自古以来燃烧燃料而得到热的方式。在这方面，今后的课题是发展适应于新燃料（例如氢）的燃烧方法。
在新技术方面的问题应该是从热能转变为化学能的方法问题，即用热能来高效率地制造燃料。要制造燃料，就必然需要某些原料，为此，理想的原料应该是资源丰富的、价格便宜的，而且容易处理为条件的。为能满足这些条件，人们便想到了水。我们如果考虑把水作为原料，那么由此得到的燃料必然是氢了。把丰富的水作为原料，仅仅利用热能使之化学分解从而得到氢的方法，即是通常称为热化学法的改进的制氢法，把这种方法的出现看作是“氢能系统”之观点的基础也不为之过头。1964年J. E. 丰克（Funk）等人进行了热化学法的理论说明，并由世界各国的研究人员广泛地进行了研究。表1是目前正在研究开发的主要热化学循环的例子。在这些循环中，把水加热，分几步进行化学反应，使之分解为氢与氧。在这种情况下，除水以外的所有化学物质都是循环使用的，全部构成封闭循环。
氢燃烧后可产生多达57.8大卡/mal的热，合成为水，如要再使水分解得到氢，就必须采用如表1所示的复杂的多级反应。这些反应，由于有着其水的合成反应和分解反应的可逆性不好的原因，所以如果可能，希望能利用可逆性更好的反应。作为其中的一个例子，提出了称为“EVA—ADAM”的系统方案，这就是
利用（1）式所示的可逆的吸热反应，在近热源处使之进行吸热反应，把反应生成物在常温下由管道输送到需要热的地方。在那里进行反向的放热反应而回收热，反应生成物再次送回到热源处。就这样，反应物质不断循环，在封闭系统中进行输送热能的系统称为热化学输送，这是一个有启发性的可逆性好的反应的应用例子。
但是在这个系统中，与此有关的物质，除水之外都是气体，由于其体积很大，可以不用说是作为热的输送，即使是从贮热这一点来看，也是极不利的。而且从提高贮能密度这一点来看，不采用气体形式也是必要的条件。
合成金属氢化物的反应由于有与其他固态 -气体反应相比，具有可逆性好，反应速度非常快的特点，所以最近已为大家所注意。也就是说，把某种金属或合金在高于平衡分解压的氢压力下使之反应而合成金属氢化物，同时产生相当于生成热的热量。另一方面，将金属氢化物加热后，在相当于平衡氢压的压力下放出氢。前者作为氢的贮藏而受到注意，即是化学能（氢）的向热能转换，后者相当于热能的向化学能转换。在这种情况下，氢具有相当于在这种温度下的平衡压力，所以能够转换成机械能。图1表示了氢化反应所显示的能量转换机理。例如：
在（2）式中表示的，氢化镁的热分解反应中产生的氢，由于可用其他能吸收贮氢的合金来贮藏，所以这种反应作为蓄热反应，其实用的可能性将会增加。使氢在氧中燃烧而得到热，把这时燃烧生成物的水进行分解后得到氢燃料。与这种反应相比，另一种反应，即使镁在氢中燃烧得到的热，对燃烧生成物的氢化物加热，使之回复为燃料的做法容易得多了。有关金属氢化物的研究之所以为人们注意，其原因也就在于此。
以上已叙述了在能量系统方面氢所处的地位，以及确立能量转换、贮藏技术的重要性。由于提出了氢能概念的方案，从而以前的物质合成等广泛应用的化学过程被重新评价为本质上具有能量转换机理的过程而开始被应用。在这个意义上，氢能化学的发展可以认为是对化学能发展的一大贡献。
氢能技术的现状
为能在根本解决日本的能量问题的同时，谋求解决在消耗能量多的社会中越益深刻的环境问题，于1974年发表了日光计划，作为该计划支柱之一的，是氢能技术的研究开发。
为将水分解得到氢和氧，在理想情况下，于25℃、10个大气压下需要56.7大卡/mal的能量。考虑把原子能或太阳能作为未来此种能量的能源。前者，须有待于开发能获得约1000°C的多用途煤气炉，而对于热化学法问题在于与原子反应堆的结合，在实用上，悬而未决的技术问题还有很多，把太阳能作为热源来加以利用的情况下，由于能量密度低，而且是间歇的，所以用作为热过程必须发展特殊的技术。
一、电解水法制氢
把氢氧化水溶液电解取得氢和氧的技术具有悠久的历史。水的电解在理论上虽可在1。23伏下进行，但实际上，氧的生成反应和氢的生成反应需要过电压，因此，导致能量损失，也使成本提高。
关于水的电解制氢技术，主要的是谋求实现能量损耗少的高电流密度和高效率电解法为目标而进行研究开发。
（1）高温电解水法
如果提高电解温度，则不用说理论分解电压，就连由过电压和电阻产生的损失也可减小。而且，通过把电解槽的压力提高到某一水平，使产生的氧和氢的气泡变小，就有可能避免由于气泡而引起的电极的工作面积减小。这是一个优点。总之，用高温电解水法，由于到目前为止通常用的石棉隔膜和安装管道材料的腐蚀增大，同时，会加速镍电极的失去活性，所以不能采用。因而，从根本上重新考虑槽的结构材料是首要的课题。
在日光计划中，把高温高压电解水的制造设备的性能目标值确定如表2那样。为达到这一点，对隔膜材料、电极材料开展了研究。
关于隔膜，已知聚四氟乙烯在氧压下、在热KOH水溶液中显示最大的耐久性。由于是疏水性的，所以发展了在多孔聚四氟乙烯薄膜中填充以钛酸盐，使之固定后成为亲水性的技术。用这种方法制得的隔膜，有1~5微米的小孔，在30%KOH中其电阻在25℃时为0.28欧姆 · 厘米2（0.5毫米厚）或更小，制造大型薄膜也是容易的。在用0.05毫米厚薄膜的电解试验中，在50安培/分米2、110℃下的全部欧姆损耗降低到0.15伏，大致上达到了目标，作为电极性能的改进，发展了把多孔镍作为基材的表面扩大处理法。用这个方法，测定电流密度和电压变化的结果，在邱安培/分米2时，比多孔镇电极的槽电压低150毫伏。
这些基础性的研究成果，已用于昭和电工的川崎工厂的试验装置上，目前还在试运转之中，正积累着扩大规模的必要数据。
（2）水的固体高分子电解质电解法
电解水中是用最先进的技术的固体高分子电解质（SPE）的方法，它作为日光计划的一个环节而正在进行研究。
作为触煤电极，其阳极是铱，阴极是铂，发现是高活性的，开创了把这些电极接入电解质薄膜中的方法，到目前为止所得到的结果是：在实验室的电解槽中，在90℃下得到50安/分米2时为1.58伏，在100安/分米2时为1.70伏的值，把这些值表示为能量转换率，则分为94%和97%。这个结果与高温高压电解水法相比，显示了固体高分子电解质方法的优越性。用上述的基础性研究所得到的资料作为基础，已建成了氢发生量为1.3米2/小时规模的试验装置。这个装置备有安装了十只3。14分米2（Φ200毫米）的膜—电极接合体的组件，设计了从室温到130℃、1~9公斤/厘米2、100安/分米2以下的条件下能很好地运转的装置。预期根据该装置的试运转，找出有关未来的扩大规模的技术问题所在。
二、热化学法制氢
与水的电解法必须由热能到机械能再到电能的所谓能的转换方法相比，热化学法是用由热能到氢能的一步能量转换达到，所以转换效率高，同时，为确定未来的氢经济，它又是最重要且最新的制氢法，因而受到注意。
自从开始了对热化学法的理论说明，伊斯帕（Ispra）研究所的马克-1号循环发表以来，在各国都进行了研究。迄今为止建议的循环方案虽已超过了一百个，但其中的大多数建议只不过是根据热力学数据提出的化合反应方案而已，随着研究的进展，有的产生出想象不到副反应，有的反应速度缓慢等等。可见，要实现循环是困难的，被淘汰的也很多。表1所示为目前进行研究开发的主要热化学循环。
通过迄今为止的基础研究，对于各个基本反应发现了改进的方法，但是，作为整个循环来看，未必能得以改进，相反会派生出新的问题来，以前也有过几次这样的例子。只在一个地方进行调整，这并不能改进整个循环，这就使我们重新认识到基本反应的选择是何等的重要了。热化学法制氢技术还处于摇篮时期，由这种制氢方法来制氢，到底是否可行，只有在发现了经得起评价的热化学循环后才能下结论。为此，在充分利用以前积累起来的很多经验的同时，不断进行包括探索更好的热化学循环这样的基础研究（包括关键技术和装置材料等问题）。这是非常重要的。
三、氢的输送和贮藏技术
众所周知，现在，氢的输送和贮藏是制成高压气体或液体。从其安全性、贮藏效率和输送效率以及经济性等方面来看，不能说是有效的方法。某种金属或合金系与氢反应，以金属氢化物的形式来吸收氢，在加热之下再把氢释放出来。这种称为氢化的化学反应有很大的稳定性。由于不仅能把氢积聚起来，而且在反应时伴有热量出入，所以，从金属氢化物作为具有能量相互转换机能的材料来看，这方面的研究最近顿时盛行起来了。
由于金属和氢的反应有这种能量转换机能，所以由金属氢化物用于不同的转换场合所决定的特性当然也会发生变化。一般金属氢化物作为实用的贮氢所应具备的条件是：（1）容易活化，吸收贮藏氢的能力大；（2）生成熟小；（3）在接近室温时显示的离解压力为2~3个大气压；（4）吸收、贮藏、释放氢的速度快；（5）反复吸收、贮藏、释放氢时，性能不会降低；（6）合金的价格便宜等。
探索尽可能满足这些条件的合金，往往把以镁、钛、稀土等金属为基材的合金作为探索对象。把到目前为止已开发的各种金属氢化物的特性示于表3中。
为了把金属氢化物用于贮氢，除了考虑合金的贮氢特性外，还有几个问题应予考虑。即如活化、成细粉末、耐久性等等。用金属氢化物贮氢的最重要的特点是不要求高压，而且能得到高密度的氢。不管贮氢的特性有多好，如果在活化时要求高温高压的话，则容器的结构就不能做得很简单，当然也就缺乏实用意义。在这种意义上，在采用MmNi4.5Mn0.5的贮氢实验中，仅在80°C左右进行减压脱气就实现了活化，在7公斤/厘米3的低氢压下，圆满地进行了氢的吸收贮藏，这一事实，由于真实地反映了活化是否容易具有多么重要和关键的意义而受到瞩目。合金的微粉化问题，虽然程度有异，但是是金属氢化物方面的本质问题。此外，其耐久性在提高贮藏设备的经济性方面也是很重要的。为实现实用化的措施，正在从各个角度进行着。
作为用金属氢化物的贮藏设备，通常考虑移动式和固定式两种。对于移动式是考虑了使用含有5%镍和镁合金的轻量间歇式氢的输送系统。其优点与一般的氧气瓶比较，其体积、重量都只有四分之一不到，单位重量的输氢量为5倍左右。固定式贮氢设备是重新考虑新的内部隔壁结构，已制成贮氢能力为16米3的设备，在用105.8公斤的MmNi4.5Mn0.5的运行试验中，吸收、贮藏、释放速度全都得到大致上满意的结果、证实了实用的可能性。今后打算以探索重量更轻、吸收贮藏量更大的金属氢化物为目标，以及为开发能实用于汽车的贮气罐结构，为开发贮氢系统确立起必要的关键技术等为目标而进行研究。
氢的应用技术
氢的综合利用是发展氢能系统的重要课题，如对此分类的话，可分为两大类：（1）作为能源利用；（2）作为化学及其他所有工业的原料的利用。
氢的燃烧技术的研究大致分为混合燃烧和专门燃烧的研究两类，而后者又分为安全而无公害的燃烧器和触媒燃烧的开发两种。
混合燃烧研究，在有氢—重油系统、氯—碳化氢气体方面，探讨比把每种燃料单独燃烧更有利的混合燃烧。比较各种燃料产生NOx的程度，了解到下面这种产生NOx的顺序，而氢还不能确定在NOx顺序中的一定的位置。氢焰的NOx值如分别把空气预混合取为+C重油＞H2（扩散焰）＞B重油＞A重油＞LPG＞灯油＞甲烷＞城市煤气＞H2（预混合火焰），虽然显示有明显的减少，但容易招致逆火而不切实用。这是在氢专门燃烧方面难以解决的问题。对这一问题的解决，是燃氢研究的主题之一。各种，研讨的结果，用带有引入空气的侧孔的喇叭状的喷嘴的模拟预混合式燃烧室来抑制逆火，在实验室规模的装置上，把NOx的产生，成功地抑制在30 ~ 50 PPm。
氢的触媒燃烧正在被作为既安全又干净的燃烧法进行研究，以实用化为目标正进行具有高触媒活性和耐久性的价廉的触媒的探索和开发触媒（喷嘴）。作为燃烧用的触媒，白金是最好的，但由于价格昂贵，因此需要进行以开发代替白金的触媒材料为目的的更大范围的探索，现已发现了几种过渡金属氧化物可作为燃烧触媒。而且，对于这些氧化物复合化的效果和添加辅助触媒的效果等研讨的结果，到目前为止，已发现的有CO–Mn-Ag、CO-Ni-Ag等。特别是前者，T1/2（氢的50%燃烧率温度）在70°C以下，得到了高活性触媒。因此，对于这些触媒，除了进行以实用化为前提的耐久性试验之外，另一方面，在试制燃烧器、研讨燃烧性能及触媒媒体的形状、与触媒燃烧的燃烧方式（氢和空气的供应条件等），正在进行实用触媒燃烧喷咀的开发工作。
此外，在高温范围的燃烧方面，要谋求NOx低是很困难的，所以重新发展了混合燃烧法（二级燃烧法），由于有希望对NOx的发生进行有效的抑制，使研究进入了实用化阶段。
结束语
以上叙述了在未来的能源系统中，为有效利用—次能源所需的转换和贮藏技术有何等重要，以及氢（化学能）所起的作用。同时，针对日光计划中的氢的制造、运输、贮藏、应用等技术，特别是氢的燃烧的发展状况作了介绍。
对于缺乏石油资源的日本来说，引进氢能系统是最迫切希望的一件事。但是，还没有确实的决定性的制氢方法，甚至有悲观的说法，但是现在应不受旧观念的限制，必须改变想法，攻克技术上的困难。
作为氢的应用也有人研究燃料电池，从1981年度开始，作为日光计划的主题而成为新的计划。
[《化学》（日），1981年11月]