在全球 "碳中和" 目標加速推進的浪潮中，氫能——這一兼具大規(guī)模儲能、高能量密度輸出和全場景零排放的二次能源，正從實驗室走向工業(yè)舞臺的中央，被視為破解 "可再生能源間歇性困局" 的關鍵鑰匙。全球已有48個國家提出碳中和目標，覆蓋 88% 的全球 GDP。然而風光發(fā)電的 "靠天吃飯" 特性，讓電網(wǎng)峰谷調節(jié)、工業(yè)脫碳等場景陷入技術瓶頸——氫能的出現(xiàn)恰好填補了這一空白，站在 2025 年的時間節(jié)點，中國《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》明確 "到 2030 年形成較為完備的氫能產業(yè)體系"。

氫能產業(yè)的 "規(guī)模躍遷" 與 "微觀挑戰(zhàn)"

當前，氫能產業(yè)鏈的技術商業(yè)化進程正在加速中：

1、制氫端

堿性電解槽成本減半，PEM 電解槽壽命突破 1.5 萬小時；可再生能源電解制氫項目裝機規(guī)模超 10GW。

2、應用端

中國燃料電池商用車2024 年月均銷量同比增長 120%；中石化 "萬噸級綠氫示范項目" 實現(xiàn) 7×24 小時連續(xù)運行。

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

1、成本高墻

制氫成本過高，還未突破度電成本的經(jīng)濟性拐點；材料瓶頸過高，PEM 電解槽對于質子交換膜，燃料電池昂貴的催化劑涂層，關鍵材料國產化迫在眉睫。

2、技術深溝

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

當人類對清潔能源的渴望與顯微技術的進步產生共振，蔡司顯微鏡正以179年的光學積淀，為氫能產業(yè)鏈裝上 "工業(yè)顯微鏡"，讓微觀缺陷無所遁形，讓材料性能精準可控。

接下來，我們將深入氫能產業(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。

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

當前制氫電解槽類型分為ALK , PEM , AEM , SOEC 4種類型，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

結構：由螺母結構將很多電解小室堆疊構成，電解小室分為極板、密封墊片、電極、隔膜、陽極、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，還有爆炸風險。

●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

結構

●雙極板：作為電解小室的支撐結構

●氣體擴散層：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

●質子交換膜：用于傳導質子，隔離氫氣和氧氣，為催化劑層提供結構支撐

面臨的挑戰(zhàn)

●采購成本高，主要是采用貴金屬，單體功率、產氫量規(guī)格小等原因

●全氟磺酸酯膜的國產化滯后

●針對ALK和PEM電解槽的關鍵零部件，蔡司工業(yè)顯微鏡可以提供極板、隔膜、電極、質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電，ZEISS LSM 900共聚焦顯微鏡可以進行極板表面結構的觀察及粗糙度檢驗。

隔膜

隔膜在堿性電解槽電解過程中，陽極產生氧氣，陰極產生氫氣，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具備有效隔絕氫氣和氧氣分子、耐腐蝕、機械強度高、孔隙率盡可能高以降低能耗等特性。可以使用ZEISS LSM 900共聚焦顯微鏡對隔膜纖維結構進行觀察。

▲ ZEISS LSM 900 共聚焦顯微鏡

電極

堿性電解槽的電極，是電化學反應發(fā)生的場所，是決定電解槽制氫效率的關鍵。目前國內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掃描電鏡對泡沫鎳電極結構進行觀察檢測

燃料電池的質量管控

燃料電池是通過氫氣與氧氣在燃料電池電堆內發(fā)生化學反應，將化學能轉化成電能的裝置。與傳統(tǒng)內燃機不同，燃料電池的電力來自氫氣與氧氣電化學反應，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。

燃料電池電堆通常是將多個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。

▲燃料電池結構

膜電極

通常膜電極由CCM催化劑涂層膜，空氣擴散層，邊框等組成。催化劑涂層膜CCM由催化劑層和質子交換膜PEM構成多層結構。蔡司場發(fā)射掃描電鏡Sigma 360可以在低電壓對于CCM多層結構進行觀察分析。

▲ ZEISS Sigma360掃描電鏡可以針對膜電極中的空氣擴散層多層結構進行動態(tài)觀察

雙極板

對于雙極板來說，是由兩個單極板焊接而成，連接后的雙極板可以使用蔡司X射線計算機斷層掃描獲得詳細3D信息。

▲ 使用蔡司X射線顯微鏡Xradia Versa 620對極板焊接及結構進行檢測

在國產替代的關鍵窗口期，蔡司技術正助力中國企業(yè)突破壁壘。當氫能產業(yè)的競爭從“規(guī)模比拼”轉向“精度較量”，蔡司顯微鏡正以179年的光學積淀，為中國氫能裝備裝上“微觀導航系統(tǒng)”。從微米級流道的精準成型，到納米級催化劑的動態(tài)觀測，每一次微觀世界的洞察，都在加速“綠氫經(jīng)濟”從夢想照進現(xiàn)實的進程。隨著“風光氫儲”一體化項目的大規(guī)模落地，蔡司將持續(xù)深耕材料表征與過程控制，助力中國在全球氫能產業(yè)鏈中筑牢“精度護城河”，讓“中國精度”成為零碳未來的核心競爭力。