日立光譜儀分析氫燃料電池

發(fā)表時(shí)間：2025-01-18 08:39

日立光譜儀分析氫燃料電池

在鋰離子電池（LIB）快速發(fā)展的極大助力下，我們?cè)诮煌ㄟ\(yùn)輸行業(yè)減少碳排放的工作取得了巨大成功。今天，鋰離子電池技術(shù)在筆記本電腦、手機(jī)和割草機(jī)等各種可充電設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并且其應(yīng)用規(guī)模已經(jīng)擴(kuò)展到日常路上可見的幾乎所有類型的電動(dòng)汽車（EV）。隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施日益普及，鋰離子電池已經(jīng)一躍成為目前綠色交通行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)。但隨著時(shí)間推移，鋰離子電池技術(shù)的主導(dǎo)地能發(fā)生改變。

如氫燃料電池（HFC）在工業(yè)和商用運(yùn)輸行業(yè)（例如叉車、公交車和長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車等）中正產(chǎn)生重要影響。但這兩項(xiàng)技術(shù)之間并非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。氫燃料電池和鋰離子電池兩者之間的差異使其在交通行業(yè)減碳方面的作用有所不同。其中，鋰離子電池主要用于乘用車；而運(yùn)輸行業(yè)，需要通過快速補(bǔ)能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航從而擺脫對(duì)化石燃料的依賴，這則是氫燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

氫燃料電池：當(dāng)前進(jìn)展如何？

與鋰離子電池技術(shù)相同，氫燃料電池技術(shù)一直在持續(xù)進(jìn)步，并吸引了來自政府部門和私人部門的大量投資。在交通運(yùn)輸行業(yè)，氫燃料電池車輛（FCEV）的續(xù)航能力遠(yuǎn)大于鋰離子電池車輛，同時(shí)補(bǔ)能時(shí)間也相對(duì)較短。例如在2024年1月，尼古拉公司（Nikola Corporation）在美國(guó)推出了續(xù)航里程為500英里且預(yù)計(jì)補(bǔ)能時(shí)間僅需20分鐘的氫動(dòng)力卡車。

氫燃料電池還大量用于為倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的叉車提供動(dòng)力搬運(yùn)重物。此外，在一些因?qū)嶋H情況或經(jīng)濟(jì)原因無法實(shí)現(xiàn)鐵路電氣化的地區(qū)，氫燃料電池正逐漸開始作為火車的動(dòng)力來源。

預(yù)計(jì)未來增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛

從2024年到2030年，預(yù)計(jì)全球燃料電池市場(chǎng)（包括交通運(yùn)輸、商業(yè)和工業(yè)、住宅、數(shù)據(jù)中心、國(guó)防、公用事業(yè)和政府行業(yè)等）規(guī)模的年復(fù)合增長(zhǎng)率將飆升至27.1%。2023年，僅交通運(yùn)輸行業(yè)的燃料電池市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了35.3億美元。

預(yù)計(jì)，重型卡車和公交車的使用的大幅增加，以及將氫燃料電池用于航空、航運(yùn)行業(yè)等新興商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)是氫燃料電池在交通運(yùn)輸行業(yè)需求量增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。考慮到航運(yùn)及航空行業(yè)要求單次充電或充能后要保證較長(zhǎng)的續(xù)航距離，而鋰離子電池由于無法儲(chǔ)存足夠的電量而難以滿足需求，氫燃料電池技術(shù)將會(huì)是更好的選擇。

盡管氫燃料電池技術(shù)在很多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了很好的前景，但目前仍面臨著許多難題，例如如何在生產(chǎn)過程中保證較高的質(zhì)量，如何建設(shè)可靠的補(bǔ)能基礎(chǔ)設(shè)施等。同時(shí)，氫氣本身腐蝕和易燃的特性也會(huì)產(chǎn)生較高的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要專門的運(yùn)輸和儲(chǔ)存設(shè)施。

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氫燃料電池質(zhì)量控制的難題

用于電動(dòng)汽車的氫燃料電池使用質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜作為電解質(zhì)，這一類電池稱為質(zhì)子交換膜燃料電池，簡(jiǎn)稱為“PEM電池”。與其他電池相同，PEM電池同樣有負(fù)極、正極和電解質(zhì)。其基本反應(yīng)是氫氣在負(fù)極轉(zhuǎn)化為H+離子，氧氣在正極轉(zhuǎn)化為O-離子。氫和氧離子結(jié)合會(huì)產(chǎn)生水。

兩個(gè)電極都需要催化劑來產(chǎn)生離子。催化劑會(huì)涂覆在PEM電池表面，形成很薄的一層薄膜。在負(fù)極側(cè)，通常使用鉑或銥作為催化劑，而在正極側(cè)則使用鎳。涂層的厚度、純度和均勻與否對(duì)燃料電池在其使用壽命內(nèi)能否正常工作非常關(guān)鍵。在燃料電池中，如果存在鐵污染，則鐵會(huì)與過氧化氫發(fā)生反應(yīng)，在芬頓反應(yīng)過程中形成自由基（如下所示）。

芬頓反應(yīng)： Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO· + OH^-