东丽 (Toray)：看技术和材料正在如何实现氢能驱动的未来

看技术和材料正在如何实现氢能驱动的未来

东丽 (Toray) 的许多解决方案都着眼于推进碳中和、解决全球环境问题，并保障每个人都能拥有一个安全和卫生的生活环境。

这是有史以来的突破，绿氢正在逐渐有望成为主要能源。无论是在大规模发电、供热、交通运输燃料，还是工业应用方面，这种清洁能源均蕴藏着巨大的潜力。据高盛 (Goldman Sachs) 预测，至2050 年，绿氢最多可以满足世界能源需求的 25%，成为一个总价值 10 万亿美元的潜在市场。普华永道 (PWC) 预计，届时氢能可以取代约 104 亿桶石油当量的能源（约为新冠疫情前全球石油产量的 37%），并可使全球氢气供应链得以创造约 40 万个就业机会。氢能委员会 (Hydrogen Council) 认为，在同样的时间框架内，采用绿氢可以减少目前二氧化碳 (CO2) 年排放量的 18% ，这将大大促进实现一个净零排放的世界。

在各种应用中使用氢能并不是什么新鲜事。这二十多年来，在美国、日本和欧洲的道路上，燃料电池汽车 (FCV) 屡屡可见。然而，采用成本和基础设施开发是阻碍氢能普及道路上的一个壁垒。值得庆幸的是，像东丽这样的公司正在挑战现状。东丽宣扬"东丽材料，拥有改变生活的力量" ，秉持这种信念，该公司不断在开发一系列突破性的材料。从绿氢生产到运输、储存和使用，东丽正在努力帮助世界进行社会转型，过渡到以氢能为主要能源的社会。

推进燃料电池技术

东丽对于 FCV做出了引人瞩目的贡献。该公司为车辆燃料电池提供电极基础材料，并为汽车行驶过程中的储氢高压罐提供了高强度碳纤维和衬里树脂。该公司在德国的子公司 Greenerity 是催化剂涂层膜 (CCM) 和膜电极组件 (MEA) 领域的领先生产商，二者都是氢燃料电池的核心部件。

该公司的开创性电解质膜技术是一项潜力巨大的颠覆性技术，其多项特性适用于氢燃料电池。东丽株式会社 (Toray Industries) 经营企划室的常任顾问出口雄吉先生解释道: "东丽的烃基电解质膜具有很高的质子导电率，特别是在高湿度条件下，约是现有氟系电解质膜的两倍。它的气体渗透率非常低，这提高了氢装置的效率和安全性。它还具有较高的机械强度，并能承受高温。" 这些特质使东丽燃料电池膜的效率高于传统型号。此外，该公司的碳纤维储氢罐降低了FCV 的重量，并提高了其燃料效率。

工业可扩展性

东丽坚信其烃基电解质膜背后的技术可以用于其他大型应用，开始将其用于水电解制氢，并将氢气压缩以便储存和运输。

关于前者，聚合物电解质膜 (PEM) 水电解正迅速成为该领域的主流解决方案。这是因为相对于水电解中使用的其他类型的膜，PEM 兼具通用性和高性能。到目前为止，水电解中最常见的 PEM 是氟系电解质膜。东丽正在进一步提升水电解技术，该公司的烃基电解质膜可实现高于氟系电解质膜两倍的电流密度，与传统解决方案相比，这将使单位膜面积产生的氢气量增加一倍。

"单位膜面积的通过电流翻倍后，将降低所需的设备成本。此外，低膜电阻和低气体渗透率使电解系统更安全、更高效、更迅速，从而可以服务更多的人群和机构"

东丽株式会社 (Toray Industries)
经营企划室常任顾问出口雄吉

东丽相信，这项技术将进一步发展，在各式各样的应用中提升绿氢的潜力，同时降低水电解装置的制造成本。"单位膜面积的通过电流翻倍后，将降低所需的设备成本。此外，低膜电阻和低气体渗透率使电解系统更安全、更高效、更迅速，从而可以服务更多的人群和机构，"出口先生激动地表示，"这些特性预计会在未来有助于大幅降低绿氢的制造成本。"

试验和原型

历史证明，要在大规模发电中实现水电解系统的大型化，以及进行工业水平的供热和燃料运输，这二者都具有挑战性。通常情况下，原因多出在制造工序成本高昂，运作部署不切实际。

为了克服这个问题，东丽与西门子能源 (Siemens Energy) 合作，将东丽的烃基电解质膜和西门子能源 (Siemens Energy) 的 PEM 水电解堆系统 Elyzer相结合。通过使堆栈系统变得更大、更加模块化，并在此基础上配合使用东丽的烃基电解质膜，这两家公司正在加速开发工业规模的低成本水电解系统。

行业耦合（sector coupling，电力行业和非电力行业的能源供应和能源终端使用的无缝整合）有望进一步带来收益，从而提高能源系统的效率并减少碳排放。绿氢可用于大规模发电，可在氢能的使用场所转换为电力，也可用于供热、提供运输燃料，或用于多种工业应用。日本中部的山梨县就有这样一个应用实例。在这里，东丽正在与公办机构和民间组织的合作伙伴们共同开发一个利用烃基电解质膜的大规模水电解系统。在未来的四年内，这种电转气 (P2G，Power-to-gas) 系统将安装在工厂等大型场所，旨在通过使用氢气锅炉实现供热脱碳。

作为P2G 项目的一部分，东丽还与卡吉精密技术 (Kaji Technology) 合作开发了日本首个针对FCV 和其他应用领域的示范性加氢站，使用电化学压缩机将低压氢通过 PEM 转入高压储氢罐中。该项目由日本新能源产业技术综合开发机构 (New Energy and Industrial Technology Development Organisation/NEDO) 委托进行，采用东丽的 PEM 和堆栈，并使用氧化还原反应来压缩氢，而所使用的电力来源于可再生资源。该创新系统储存着压缩至 19.6 兆帕的氢，现在安装于山梨县甲府市的一个电力储存技术研究基地。

迈向循环经济

东丽怀揣着同样的开拓者精神，正在致力于碳回收的研究。例如，可以将焚烧和火力发电中产生的二氧化碳捕集起来并与氢反应，以生产其他化学品和气体。随着全球第一种具有纳米级连续孔结构的多孔碳纤维的诞生，该公司的议程由此稳步推进。最新版本于 2019 年首次推出，效率是传统无机二氧化碳分离膜组件的五倍，该工艺更快、更具成本效益。

氢在碳循环中发挥着重要作用。例如，氢常用于化学分解和有用物质再利用时的反应中。

东丽株式会社 (Toray Industries)
经营企划室常任顾问出口雄吉

"氢在碳循环中发挥着重要作用。例如，氢常用于化学分解和有用物质再利用时的反应中。更直白地说，它可以与收集的二氧化碳化合，生产出各种化学品，包括甲烷，"出口先生解释说，"实现此类碳回收的化学工艺和生物工艺是对东丽等化工企业多年来积累技术的拓展，我们视之为一个巨大的机会。"

东丽追求技术和材料的极限、精益求精，这让绿氢的生产、运输、储存和使用迅速获得了成本竞争力。该公司的不断突破也使真正的循环经济成为可能。

东丽相信，绿氢在未来十年将大有作为。因为它在生产和产品流通方面，与其他同类企业相比更具竞争力，并且得益于行业耦合和碳回收，它会变得更加高效、环保。所有这些都彰显了该公司对碳中和、解决全球环境问题，以及保障每个人的安全卫生的生活环境所做出的积极贡献。

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