了解蔡司工业显微镜解决方案

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在全球 "碳中和" 目标加速推进的浪潮中，氢能——这一兼具大规模储能、高能量密度输出和全场景零排放的二次能源，正从实验室走向工业舞台的中央，被视为破解 "可再生能源间歇性困局" 的关键钥匙。全球已有48个国家提出碳中和目标，覆盖 88% 的全球 GDP。然而风光发电的 "靠天吃饭" 特性，让电网峰谷调节、工业脱碳等场景陷入技术瓶颈——氢能的出现恰好填补了这一空白，站在 2025 年的时间节点，中国《氢能产业发展中长期规划》明确 "到 2030 年形成较为完备的氢能产业体系"。

氢能产业的 "规模跃迁" 与 "微观挑战"

当前，氢能产业链的技术商业化进程正在加速中：

制氢端

碱性电解槽成本减半，PEM 电解槽寿命突破 1.5 万小时；

可再生能源电解制氢项目装机规模超 10GW；

应用端

中国燃料电池商用车2024 年月均销量同比增长 120%；

中石化 "万吨级绿氢示范项目" 实现 7×24 小时连续运行。

然而，尽管前景璀璨，氢能产业仍面临 "成本高墙" 与 "技术深沟" 的双重考验：

成本高墙

制氢成本过高，还未突破度电成本的经济性拐点；

材料瓶颈过高，PEM 电解槽对于质子交换膜，燃料电池昂贵的催化剂涂层，关键材料国产化迫在眉睫；

技术深沟

这些挑战的破局密码，正隐藏在微观世界的精密结构中——从电解槽双极板的微米级流道设计，到燃料电池催化剂的纳米级颗粒分布，材料表面形貌、界面结合强度、缺陷分布等微观特征，直接决定着氢能装备的性能与寿命。

当人类对清洁能源的渴望与显微技术的进步产生共振，蔡司显微镜正以179年的光学积淀，为氢能产业链装上 "工业显微镜"，让微观缺陷无所遁形，让材料性能精准可控。

接下来，我们将深入氢能产业链中制氢及使用环节，了解蔡司在电解槽及燃料电池端提供的从微观到宏观层面的全面解决方案，解码蔡司如何助力氢能客户降本提质。

燃料电池解决方案

电解槽解决方案

电解槽部件的微观解密

当前制氢电解槽类型分为ALK , PEM , AEM , SOEC 4种类型，其中成熟度及商业化程度最高的是ALK和PEM电解槽。

ALK电解槽

结构

由螺母结构将很多电解小室堆叠构成，电解小室分为极板、密封垫片、电极、隔膜、阳极、阴极。

面临的挑战

l 隔膜孔径大，影响电解效率和气体纯度，降低电解效率，还有爆炸风险。

l 电极和催化剂决定制氢效率，然而镍基催化剂活性与成本平衡难题。

PEM电解槽

结构

l 双极板：作为电解小室的支撑结构

l 气体扩散层：确保气体/水传输和电荷传输

l 催化剂：其配比影响制氢速度和效率

l 质子交换膜：用于传导质子，隔离氢气和氧气，为催化剂层提供结构支撑

面临的挑战

l 采购成本高，主要是采用贵金属，单体功率、产氢量规格小等原因

l 全氟磺酸酯膜的国产化滞后

l 针对ALK和PEM电解槽的关键零部件，蔡司工业显微镜可以提供极板、隔膜、电极、质子交换膜等的材料及缺陷分析。

极板

极板是碱性电解槽的支持组件，其作用是支撑电极和隔膜以及导电，ZEISS LSM 900共聚焦显微镜可以进行极板表面结构的观察及粗糙度检验。

隔膜

隔膜在碱性电解槽电解过程中，阳极产生氧气，阴极产生氢气，隔膜的作用是防止氢气和氧气的混合。适用于碱性电解槽的隔膜应具备有效隔绝氢气和氧气分子、耐腐蚀、机械强度高、孔隙率尽可能高以降低能耗等特性。可以使用ZEISS LSM 900共聚焦显微镜对隔膜纤维结构进行观察。

▲ ZEISS LSM 900 共聚焦显微镜

电极

碱性电解槽的电极，是电化学反应发生的场所，是决定电解槽制氢效率的关键。目前国内大型电解槽使用的电极，大多是镍基，如纯镍网，泡沫镍或者以此为基底喷涂高活性催化剂。

▲ 使用ZEISS Sigma 360扫描电镜对泡沫镍电极结构进行观察检测

燃料电池的质量管控

燃料电池是通过氢气与氧气在燃料电池电堆内发生化学反应，将化学能转化成电能的装置。与传统内燃机不同，燃料电池的电力来自氢气与氧气电化学反应，不涉及燃烧，生成物为水。因此，燃料电池具备零排放、高效率、低噪音等优点。

燃料电池电堆通常是将多个燃料电池单元以串联的方式层叠组合，而燃料电池单元主要以两大核心部件双极板和膜电极串联叠合组装而成。

▲燃料电池结构

膜电极

通常膜电极由CCM催化剂涂层膜，空气扩散层，边框等组成。催化剂涂层膜CCM由催化剂层和质子交换膜PEM构成多层结构。蔡司场发射扫描电镜Sigma 360可以在低电压对于CCM多层结构进行观察分析。

▲ ZEISS Sigma360扫描电镜可以针对膜电极中的空气扩散层多层结构进行动态观察

双极板

对于双极板来说，是由两个单极板焊接而成，连接后的双极板可以使用蔡司X射线计算机断层扫描获得详细3D信息。

使用蔡司X射线显微镜Xradia Versa 620对极板焊接及结构进行检测

在国产替代的关键窗口期，蔡司技术正助力中国企业突破壁垒。当氢能产业的竞争从“规模比拼”转向“精度较量”，蔡司显微镜正以179年的光学积淀，为中国氢能装备装上“微观导航系统”。从微米级流道的精准成型，到纳米级催化剂的动态观测，每一次微观世界的洞察，都在加速“绿氢经济”从梦想照进现实的进程。随着“风光氢储”一体化项目的大规模落地，蔡司将持续深耕材料表征与过程控制，助力中国在全球氢能产业链中筑牢“精度护城河”，让“中国精度”成为零碳未来的核心竞争力。

了解蔡司工业显微镜解决方案

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