在全球 "碳中和" 目標(biāo)加速推進(jìn)的浪潮中，氫能——這一兼具大規(guī)模儲(chǔ)能、高能量密度輸出和全場(chǎng)景零排放的二次能源，正從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)舞臺(tái)的中央，被視為破解 "可再生能源間歇性困局" 的關(guān)鍵鑰匙。全球已有48個(gè)國(guó)家提出碳中和目標(biāo)，覆蓋 88% 的全球 GDP。然而風(fēng)光發(fā)電的 "靠天吃飯" 特性，讓電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)、工業(yè)脫碳等場(chǎng)景陷入技術(shù)瓶頸——?dú)淠艿某霈F(xiàn)恰好填補(bǔ)了這一空白，站在 2025 年的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，中國(guó)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃》明確 "到 2030 年形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)體系"。

氫能產(chǎn)業(yè)的 "規(guī)模躍遷" 與 "微觀挑戰(zhàn)"

當(dāng)前，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程正在加速中：

1、制氫端

堿性電解槽成本減半，PEM 電解槽壽命突破 1.5 萬(wàn)小時(shí)；可再生能源電解制氫項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模超 10GW。

2、應(yīng)用端

中國(guó)燃料電池商用車(chē)2024 年月均銷(xiāo)量同比增長(zhǎng) 120%；中石化 "萬(wàn)噸級(jí)綠氫示范項(xiàng)目" 實(shí)現(xiàn) 7×24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。

然而，盡管前景璀璨，氫能產(chǎn)業(yè)仍面臨 "成本高墻" 與 "技術(shù)深溝" 的雙重考驗(yàn)。

1、成本高墻

制氫成本過(guò)高，還未突破度電成本的經(jīng)濟(jì)性拐點(diǎn)；材料瓶頸過(guò)高，PEM 電解槽對(duì)于質(zhì)子交換膜，燃料電池昂貴的催化劑涂層，關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。

2、技術(shù)深溝

這些挑戰(zhàn)的破局密碼，正隱藏在微觀世界的精密結(jié)構(gòu)中——從電解槽雙極板的微米級(jí)流道設(shè)計(jì)，到燃料電池催化劑的納米級(jí)顆粒分布，材料表面形貌、界面結(jié)合強(qiáng)度、缺陷分布等微觀特征，直接決定著氫能裝備的性能與壽命。

當(dāng)人類(lèi)對(duì)清潔能源的渴望與顯微技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生共振，蔡司顯微鏡正以179年的光學(xué)積淀，為氫能產(chǎn)業(yè)鏈裝上 "工業(yè)顯微鏡"，讓微觀缺陷無(wú)所遁形，讓材料性能精準(zhǔn)可控。

接下來(lái)，我們將深入氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫及使用環(huán)節(jié)，了解蔡司在電解槽及燃料電池端提供的從微觀到宏觀層面的全面解決方案，解碼蔡司如何助力氫能客戶降本提質(zhì)。

燃料電池解決方案

電解槽解決方案

電解槽部件的微觀解密

當(dāng)前制氫電解槽類(lèi)型分為ALK , PEM , AEM , SOEC 4種類(lèi)型，其中成熟度及商業(yè)化程度最高的是ALK和PEM電解槽。

1、ALK電解槽

結(jié)構(gòu)：由螺母結(jié)構(gòu)將很多電解小室堆疊構(gòu)成，電解小室分為極板、密封墊片、電極、隔膜、陽(yáng)極、陰極。

面臨的挑戰(zhàn)

●隔膜孔徑大，影響電解效率和氣體純度，降低電解效率，還有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

●電極和催化劑決定制氫效率，然而鎳基催化劑活性與成本平衡難題。

2、PEM電解槽

結(jié)構(gòu)

●雙極板：作為電解小室的支撐結(jié)構(gòu)

●氣體擴(kuò)散層：確保氣體/水傳輸和電荷傳輸

●催化劑：其配比影響制氫速度和效率

●質(zhì)子交換膜：用于傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，為催化劑層提供結(jié)構(gòu)支撐

面臨的挑戰(zhàn)

●采購(gòu)成本高，主要是采用貴金屬，單體功率、產(chǎn)氫量規(guī)格小等原因

●全氟磺酸酯膜的國(guó)產(chǎn)化滯后

●針對(duì)ALK和PEM電解槽的關(guān)鍵零部件，蔡司工業(yè)顯微鏡可以提供極板、隔膜、電極、質(zhì)子交換膜等的材料及缺陷分析。

極板

極板是堿性電解槽的支持組件，其作用是支撐電極和隔膜以及導(dǎo)電，ZEISS LSM 900共聚焦顯微鏡可以進(jìn)行極板表面結(jié)構(gòu)的觀察及粗糙度檢驗(yàn)。

隔膜

隔膜在堿性電解槽電解過(guò)程中，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣，隔膜的作用是防止氫氣和氧氣的混合。適用于堿性電解槽的隔膜應(yīng)具備有效隔絕氫氣和氧氣分子、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率盡可能高以降低能耗等特性�？梢允褂肸EISS LSM 900共聚焦顯微鏡對(duì)隔膜纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

▲ ZEISS LSM 900 共聚焦顯微鏡

電極

堿性電解槽的電極，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，是決定電解槽制氫效率的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)大型電解槽使用的電極，大多是鎳基，如純鎳網(wǎng)，泡沫鎳或者以此為基底噴涂高活性催化劑。

▲ 使用ZEISS Sigma 360掃描電鏡對(duì)泡沫鎳電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察檢測(cè)

燃料電池的質(zhì)量管控

燃料電池是通過(guò)氫氣與氧氣在燃料電池電堆內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同，燃料電池的電力來(lái)自氫氣與氧氣電化學(xué)反應(yīng)，不涉及燃燒，生成物為水。因此，燃料電池具備零排放、高效率、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。

燃料電池電堆通常是將多個(gè)燃料電池單元以串聯(lián)的方式層疊組合，而燃料電池單元主要以兩大核心部件雙極板和膜電極串聯(lián)疊合組裝而成。

▲燃料電池結(jié)構(gòu)

膜電極

通常膜電極由CCM催化劑涂層膜，空氣擴(kuò)散層，邊框等組成。催化劑涂層膜CCM由催化劑層和質(zhì)子交換膜PEM構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)。蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Sigma 360可以在低電壓對(duì)于CCM多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。

▲ ZEISS Sigma360掃描電鏡可以針對(duì)膜電極中的空氣擴(kuò)散層多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察

雙極板

對(duì)于雙極板來(lái)說(shuō)，是由兩個(gè)單極板焊接而成，連接后的雙極板可以使用蔡司X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描獲得詳細(xì)3D信息。

▲ 使用蔡司X射線顯微鏡Xradia Versa 620對(duì)極板焊接及結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)

在國(guó)產(chǎn)替代的關(guān)鍵窗口期，蔡司技術(shù)正助力中國(guó)企業(yè)突破壁壘。當(dāng)氫能產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)從“規(guī)模比拼”轉(zhuǎn)向“精度較量”，蔡司顯微鏡正以179年的光學(xué)積淀，為中國(guó)氫能裝備裝上“微觀導(dǎo)航系統(tǒng)”。從微米級(jí)流道的精準(zhǔn)成型，到納米級(jí)催化劑的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，每一次微觀世界的洞察，都在加速“綠氫經(jīng)濟(jì)”從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的進(jìn)程。隨著“風(fēng)光氫儲(chǔ)”一體化項(xiàng)目的大規(guī)模落地，蔡司將持續(xù)深耕材料表征與過(guò)程控制，助力中國(guó)在全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈中筑牢“精度護(hù)城河”，讓“中國(guó)精度”成為零碳未來(lái)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。