日立光譜儀分析氫燃料電池

日立光譜儀分析氫燃料電池

在鋰離子電池（LIB）快速發展的極大助力下，我們在交通運輸行業減少碳排放的工作取得了巨大成功。今天，鋰離子電池技術在筆記本電腦、手機和割草機等各種可充電設備中已經得到了廣泛應用，并且其應用規模已經擴展到日常路上可見的幾乎所有類型的電動汽車（EV）。隨著充電基礎設施日益普及，鋰離子電池已經一躍成為目前綠色交通行業的領先技術。但隨著時間推移，鋰離子電池技術的主導地能發生改變。

如氫燃料電池（HFC）在工業和商用運輸行業（例如叉車、公交車和長途運輸卡車等）中正產生重要影響。但這兩項技術之間并非競爭關系。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；而運輸行業，需要通過快速補能實現長續航從而擺脫對化石燃料的依賴，這則是氫燃料電池的主要應用領域。

氫燃料電池：當前進展如何？

與鋰離子電池技術相同，氫燃料電池技術一直在持續進步，并吸引了來自政府部門和私人部門的大量投資。在交通運輸行業，氫燃料電池車輛（FCEV）的續航能力遠大于鋰離子電池車輛，同時補能時間也相對較短。例如在2024年1月，尼古拉公司（Nikola Corporation）在美國推出了續航里程為500英里且預計補能時間僅需20分鐘的氫動力卡車。

氫燃料電池還大量用于為倉庫內的叉車提供動力搬運重物。此外，在一些因實際情況或經濟原因無法實現鐵路電氣化的地區，氫燃料電池正逐漸開始作為火車的動力來源。

預計未來增長勢頭迅猛

從2024年到2030年，預計全球燃料電池市場（包括交通運輸、商業和工業、住宅、數據中心、國防、公用事業和政府行業等）規模的年復合增長率將飆升至27.1%。2023年，僅交通運輸行業的燃料電池市場規模就達到了35.3億美元。

預計，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、航運行業等新興商業和工業應用領域，將會是氫燃料電池在交通運輸行業需求量增長的主要驅動力。考慮到航運及航空行業要求單次充電或充能后要保證較長的續航距離，而鋰離子電池由于無法儲存足夠的電量而難以滿足需求，氫燃料電池技術將會是更好的選擇。

盡管氫燃料電池技術在很多應用領域展現出了很好的前景，但目前仍面臨著許多難題，例如如何在生產過程中保證較高的質量，如何建設可靠的補能基礎設施等。同時，氫氣本身腐蝕和易燃的特性也會產生較高的風險，因此需要專門的運輸和儲存設施。

氫燃料電池質量控制的難題

用于電動汽車的氫燃料電池使用質子導電聚合物膜作為電解質，這一類電池稱為質子交換膜燃料電池，簡稱為“PEM電池”。與其他電池相同，PEM電池同樣有負極、正極和電解質。其基本反應是氫氣在負極轉化為H+離子，氧氣在正極轉化為O-離子。氫和氧離子結合會產生水。

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

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

H₂O₂ + HO· → HO₂·+ H₂O

這一反應會損壞燃料電池的離子交換膜，直接導致燃料電池性能退化。

因此，監測鉑和銥涂層的完整性，并檢查膜電極組件（MEA）中是否存在鐵顆粒（和其他金屬污染物）至關重要。

X射線熒光分析確保維持高質量

EA8000A分析儀將X射線透射技術、光學顯微鏡以及X射線熒光（XRF）光譜技術相結合，可有效對膜電極組件中存在的金屬污染物進行定位和表征。

EA8000A易于設置，可快速掃描部件，是電池質量控制方面的革命性產品。其能夠返回電極表面的拓撲圖，并高亮顯示可能存在的金屬顆粒位置及成分，有效幫助用戶預測電池當前性能及使用壽命。

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上海容好儀器設備有限公司

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