半導(dǎo)體等日本曾經(jīng)很強(qiáng)的領(lǐng)域如今面臨激烈的挑戰(zhàn)，但“材料”領(lǐng)域依舊領(lǐng)先。

事實(shí)上，材料領(lǐng)域?qū)τ谀壳懊撎际种匾?。例如，在人工光合作用中，催化劑和膜等材料十分重要，日本的材料技術(shù)在這方面表現(xiàn)出了很高的技術(shù)水平。因此可以說，如果沒有這些材料技術(shù)，脫碳就無法加速。

在脫碳方面，脫碳巨頭正在世界舞臺上進(jìn)行技術(shù)開發(fā)競爭，并表示日本公司的材料對于制氫必不可少，因此提出了合作——9月6日東麗宣布與旗下?lián)碛惺澜缧钥稍偕茉雌髽I(yè)的西門子能源展開合作。

那么，此次兩家公司的合作會對制氫和脫碳帶來什么樣的影響呢？下面將通過以下三個論點(diǎn)進(jìn)行解說。

此次與東麗合作的是總部設(shè)在德國的西門子能源公司。

西門子本身是一家從事信息通信、交通、防衛(wèi)、生產(chǎn)設(shè)備、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域的制造以及系統(tǒng)解決方案業(yè)務(wù)的全球性公司，西門子能源脫胎于其能源部門。

西門子能源旗下有一家名為西門子GAMESA的公司，在脫碳時代和風(fēng)力發(fā)電全球擴(kuò)張的時代，西門子GAMESA是繼丹麥維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團(tuán)之后的全球第二大風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商。

具備這些特點(diǎn)的西門子能源也參與了日本重點(diǎn)關(guān)注的氫能領(lǐng)域。

此次，西門子能源與東麗以利用創(chuàng)新PEM型水電解創(chuàng)造綠色制氫技術(shù)從而為實(shí)現(xiàn)碳中和社會作出貢獻(xiàn)為口號，簽訂了關(guān)于“建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系”的基本協(xié)議書。世界脫碳巨頭將與日本東麗聯(lián)手在氫能領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。

本次合作并不是要奪取日本市場，而是要一同在世界市場競爭。也就是說，將憑借東麗的材料在世界范圍內(nèi)一決勝負(fù)。

根據(jù)報道，兩家公司將利用各自的氫和燃料電池相關(guān)技術(shù)及業(yè)務(wù)以及全球網(wǎng)絡(luò)，為全球各個國家和地區(qū)的客戶提供最優(yōu)解決方案，以占領(lǐng)預(yù)計(jì)未來將大幅擴(kuò)張的全球市場，并將共同推動擴(kuò)大可再生能源綠氫的引入和戰(zhàn)略性全球業(yè)務(wù)的發(fā)展。

現(xiàn)在，綠氫逐漸被世界所關(guān)注。如之前所言，脫碳之后的下一步是氫能，但是西門子能源希望從現(xiàn)在開始建立體制，以擴(kuò)大其市場份額，然而缺乏作為制造核心的技術(shù)，因而選中了日本東麗公司。

根據(jù)報道，西門子能源和東麗將利用可再生能源產(chǎn)生的電力，通過電解水生產(chǎn)綠氫，獲得的綠氫不僅用于大規(guī)模發(fā)電等電力應(yīng)用，還將用于熱能、交通燃料以及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域以推進(jìn)脫碳。

東麗和西門子能源立即參與了NEDO于8月通過的綠色創(chuàng)新基金項(xiàng)目——“利用可再生能源電力的水電解制氫項(xiàng)目”。該項(xiàng)目將共同推進(jìn)日本最大級別10MW級PEM型大型水電解裝置的技術(shù)開發(fā)、建設(shè)和實(shí)證。

該項(xiàng)目此次采用的氫氣裝置為PEM型。下面將解說什么是PEM型制氫以及為什么材料很重要。

該項(xiàng)目中將使用可再生能源制造零碳綠氫。

一般的制造方法是向水里通電，電解后分離成氫和氧的水電解，其有三種方法。

來源：氫·燃料電池戰(zhàn)略協(xié)議會，零碳?xì)涔ぷ餍〗M“零碳?xì)涔ぷ餍〗M報告書”

第一種是將導(dǎo)電性鉀離子等溶解在水中的堿性水電解法。

與堿性水相接觸有陽極和陰極，電流在其間流動，此時堿性水分解生成氧氣和氫氣，這是傳統(tǒng)方法。

而上圖中最右邊的被稱為高溫水蒸氣電解。通過電解水蒸氣的形式，與電解水相比制氫效率更高。目前，這種高溫水蒸氣電解被認(rèn)為適合與核能發(fā)電的廢熱配套，不過仍處于研發(fā)階段。

與此相對，此次采用的是上圖正中的PEM方式。PEM是Polymer Electrolyte Membrane的縮寫，即固體高分子電解質(zhì)膜。在PEM方式中，氧化反應(yīng)首先發(fā)生在陽極，產(chǎn)生質(zhì)子(H⁺)；當(dāng)質(zhì)子通過PEM移動到陰極時發(fā)生還原反應(yīng)從而變成氫氣。

PEM方式的特點(diǎn)是，與堿性水電解相比，設(shè)備的占地面積小，而且制造的氫純度極高，不需要提純。即便如此，這種更為先進(jìn)的制氫方法才剛剛開始得到應(yīng)用。究竟是堿性水電解好還是PEM方式好，目前還沒有定論。在此情況下，旭化成正在研究堿性水電解。

PEM方式如上所述，質(zhì)子通過膜后經(jīng)過還原反應(yīng)生成氫。也就是說，這個膜非常重要。說到膜便不得不提材料領(lǐng)域，這是日本企業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)。

迄今為止，該電解質(zhì)膜一直使用氟系離子交換膜等，但近年來出現(xiàn)電解效率更高的碳?xì)漕惸ぁ?/span>

此次該項(xiàng)目中所使用的便是東麗公司的碳?xì)漕惸ぁ皩⑼ㄟ^獨(dú)家開發(fā)的低透過性膜實(shí)現(xiàn)高效制氫”。下面將對東麗碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜進(jìn)行介紹。

東麗的碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜始于脫碳之前，于2006年就被開發(fā)出來并投入實(shí)際使用。

據(jù)報道，“2006年11月3日，東麗充分利用其納米級分子結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，成功開發(fā)出適用于以氫為燃料的燃料電池汽車等的碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜?！?/span>

此時，傳統(tǒng)使用的氟系電解質(zhì)膜存在成本高、環(huán)境污染重、化學(xué)耐久性不足等課題，因此東麗公司開始開發(fā)碳?xì)漕惸ぁ?/span>

關(guān)于碳?xì)漕惸さ拈_發(fā)，直到2017年才有部分網(wǎng)絡(luò)媒體報道稱，山梨大學(xué)在NEDO的支持下，成功開發(fā)出高性能的燃料電池用非氟類電解質(zhì)膜，而距離此時東麗的開發(fā)已超過10年。

然而，從開發(fā)到投產(chǎn)需要很長時間。東麗的資料記載如下。

來源：東麗

據(jù)報道，碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜于2019年開始生產(chǎn)。此次實(shí)證中使用了這種于2019年開始生產(chǎn)的膜，但距離2006年開始開發(fā)已經(jīng)過去了10多年。

對于該膜的性能，東麗公司并未進(jìn)行大肆宣揚(yáng)，盡管如此，還是在日本電力中央研究所2021年4月的總結(jié)報告中找到相關(guān)記述：

“在PEMWE的材料方面，東麗株式會社成功開發(fā)出低成本且環(huán)保的碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜，使用該膜的水電解表現(xiàn)出世界最高水平的性能?！?/span>

世界最高水平。西門子能源的合作或許正因如此。

在該項(xiàng)目中，東麗的世界最高水平“碳?xì)漕愲娊赓|(zhì)膜”將供應(yīng)給西門子能源。兩家公司將共同推進(jìn)西門子能源PEM型大型水電解堆棧·裝置“Elyzer”的安裝、實(shí)證和商業(yè)化，同時也將探討擴(kuò)大在綠氫利用領(lǐng)域的合作。

此外，東麗的材料技術(shù)不限于制氫。最后將介紹一下東麗在脫碳方面的其他先進(jìn)技術(shù)。

氫氣是一種氣體。不僅在制氫方面，東麗在提取氫氣的膜方面也有相當(dāng)建樹。

這就是氫選擇性高滲透高分子分離膜。

東麗致力于反滲透膜開發(fā)長達(dá)半個世紀(jì)，利用進(jìn)一步發(fā)展在此期間積累的精密界面聚合技術(shù)，成功制造出能夠從混合氣體中選擇性提取氫氣且具有高滲透性的世界最高水平的高分子分離膜。

分離膜結(jié)構(gòu)如下圖所示，使用由聚酰胺制成的膜，這也是關(guān)鍵之一。由聚酰胺構(gòu)成氫選擇性高滲透分離的功能層，實(shí)現(xiàn)了氫的高選擇性和滲透性。

來源：東麗

不止東麗，其他公司也有研究甚至推出過鈀膜、沸石、碳膜以及高分子聚酰亞胺膜產(chǎn)品，但聚酰胺膜比其中的任何一種都便宜。

也就是說，不僅是世界最高水平，而且價格便宜。

此外，通過使用高耐熱高分子材料×精密相分離，設(shè)計(jì)了耐熱耐壓多孔支撐膜。實(shí)際上，增加氫氣的滲透性和選擇性會降低耐熱性和耐壓性，兩者兼具也是課題之一。東麗通過將耐熱耐壓膜與聚酰胺層復(fù)合，成功創(chuàng)造出兼具耐熱性、耐壓性和氫高選擇分離性的新型分離膜。

憑借該膜，無論是高溫還是高壓，都能以世界最高水平從含氫混合氣體中提取氫氣。

氫氣如此，那么是否也可以分離CO₂呢？

CO₂分離對于脫碳十分重要，因此，東麗也在開發(fā)創(chuàng)新型CO₂分離膜。

來源：東麗

由于兼具CO₂分離性能和高耐久性，并且具有柔韌性和極薄特性，因此可以像普通纖維一樣連續(xù)生產(chǎn)，并且可以高密度填充，從而實(shí)現(xiàn)模塊小型化。

該膜剛剛開發(fā)成功，尚未在社會實(shí)用，但可以說，如果沒有東麗的膜，則實(shí)現(xiàn)脫碳時代將困難重重。

●詳解質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫

●新型陰離子交換膜開發(fā)成功！實(shí)現(xiàn)高性能、高耐久性、低成本的制氫系統(tǒng)

●可制造超高純度氫氣的低成本高性能碳膜！還可用于其他氣體分離和脫水

●松下：質(zhì)子導(dǎo)電性陶瓷燃料電池的開發(fā)

●具有雙層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的共燒結(jié)支撐膜型質(zhì)子傳導(dǎo)SOFC的開發(fā)

●世界首次成功從低濃度氨水中制造高純氫氣并用于燃料電池發(fā)電

●基于甲酸脫氫反應(yīng)的高壓氫氣高效制取技術(shù)

●日本氫能項(xiàng)目進(jìn)展！三菱重工、川崎重工、巖谷產(chǎn)業(yè)、ENEOS、日揮和旭化成、JERA、關(guān)西電力……

●新技術(shù)讓氨轉(zhuǎn)綠氫更省電！耗能僅為目前水解法制氫的三分之一