鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（十）

第Ⅱ部分 鎢在新能源電池市場的介紹

第十章 鎢在燃料電池中的應用

燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉換爲電能的裝置，是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之後的第四種發電技術，廣泛應用于衆多領域。

據中鎢在綫/中鎢智造瞭解，尚普諮詢集團的數據顯示，2022年全球燃料電池市場規模約爲84億美元，同比增長24.6%；其中，中國燃料電池市場規模約爲94億元，同比增長36.8%。另外，尚普諮詢集團預計到2025年，全球燃料電池市場規模將達到144億美元，複合年增長率爲45.27%；預計到2025年，中國燃料電池市場規模將達到343億元，複合年增長率爲90%。

燃料電池的基本組成包括陽極、陰極和電解質。其中，陽極爲燃料發生氧化反應的電極，通常由催化劑組成，以促使燃料的氧化反應順利進行。陰極爲燃料電池中發生還原反應的電極，通常由催化劑和吸氧劑組成，用于促使氧化劑的還原反應。電解質在燃料電池中起到離子傳遞的作用，幫助質子在陽極和陰極之間移動，幷阻止電子通過直接流過電路而不是通過外部電路。

此外，燃料電池還有進氣系統、排水系統、控制系統等輔助系統。進氣系統負責提供燃料和氧化劑，排水系統負責收集和排出反應産生的水，控制系統則負責控制電池的工作狀態。

燃料電池工作原理基于電化學反應，通過燃料的氧化和還原反應産生電流。其電極反應是一種電化學反應，其中燃料在陽極上發生氧化反應，而氧化劑在陰極上發生還原反應。例如，在氫燃料電池中，氫氣在陽極上被氧化爲水，而在陰極上氧氣被還原爲水。這個過程中釋放出的電子通過外部電路傳遞，産生電流。

一、燃料電池的歷史

燃料電池的研究始于19世紀，但直到20世紀50年代才開始有實質性的進展。1966年，美國通用電氣公司推出了一款基于鹼性電解質的燃料電池，幷在阿波羅月球登陸計劃中得到應用。20世紀70年代後，隨著石油危機的出現，燃料電池因其高效、環保的特性而備受關注。進入21世紀後，隨著環保意識的提高和可再生能源的發展，燃料電池的發展和應用得到了更廣泛的推廣。

二、燃料電池的特點

燃料電池的優點：（1）高效率：燃料電池的效率通常在40-60%之間，相比傳統的內燃機（約30%），其能效更高；（2）環境友好：燃料電池只産生水和熱，沒有直接的廢氣排放，是一種清潔能源；（3）靈活性：燃料電池可以適應多種燃料來源，包括氫氣、甲烷、乙醇等；（4）快速啓動：燃料電池可在幾秒鐘內啓動幷産生電力；（5）無噪音：燃料電池運行時噪音很小。

燃料電池的缺點：（1）高成本：目前燃料電池所使用的催化劑主要是鉑（Pt）和鈀（Pd），而它們的成本較高，進而造成整個燃料電池成本較高。（2）基礎設施：與內燃機相比，燃料電池需要更複雜的基礎設施來供應燃料和排放水。（3）存儲和運輸：對于氫燃料電池來說，氫氣的存儲和運輸需要高壓和低溫條件，增加了其難度和成本。（4）催化劑利用率低：燃料電池在工作過程中，催化劑的有效利用率較低，這不僅增加了成本，也使得電池的能量轉換效率受到影響。（5）催化劑穩定性差：燃料電池中的催化劑在長時間運行過程中易受到氧化或腐蝕，導致性能下降，壽命較短。這不僅增加了維護成本，也限制了燃料電池的使用壽命。

據中鎢在綫/中鎢智造瞭解，爲了彌補現有催化劑高成本、低穩定性的不足，研究者設計出了衆多新型過渡金屬化合物載體如二硫化鎢納米片、納米氧化鎢、納米碳化鎢粉末、氧化鉬納米材料、二硒化鉬、鎳-鉬催化劑等。其中，鎢化合物作爲催化劑載體，可以顯著增强燃料電池的性能，如提高電流密度和壽命、降低內阻和生産成本等，這主要是因爲鎢化合物具有較大的比表面積、良好的導電性和結構穩定性，能促進電化學反應的進行。

三、燃料電池的分類

燃料電池有多種類型，根據使用的燃料類型可分爲氫燃料電池、甲烷燃料電池、乙醇燃料電池等。此外，根據其工作溫度和電解質的不同，燃料電池還可以分爲質子交換膜燃料電池（PEMFC）、鹼性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等。

其中，氫燃料電池的氫氣生産、存儲和運輸是目前該行業挑戰的難題之一。目前，工業制氫主要有幾種方法：一是采用化石燃料制取氫氣；二是從化工副産物中提取氫氣；三是采用采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣，四是利用太陽能、風能等自然能量進行水的電解。

在工業上，氫氣的存儲方式主要有壓縮氫氣存儲和液態氫氣存儲兩種方式。壓縮氫氣存儲是將氫氣壓縮到一個高壓的氣瓶中，通常壓縮比很高，達到200:1或更高。由于氫氣在高壓下容易泄漏和爆炸，因此需要使用高質量的氣瓶和安全措施來存儲。此外，壓縮氫氣存儲的能量密度較低，需要更多的氣瓶和更大的存儲空間。

液態氫氣存儲是將氫氣冷却到極低的溫度，使其液化，然後存儲在一個絕熱容器中。液態氫氣的能量密度比壓縮氫氣高，可以存儲更多的氫氣。但是，液態氫氣的存儲和運輸需要特殊的設備和條件，例如低溫儲罐和液氫泵。此外，液態氫氣容易蒸發和泄漏，因此需要采取額外的安全措施來保護。

除了以上兩種方式，還有一些其他的存儲方式，例如金屬氫化物存儲和有機液體氫氣存儲等。金屬氫化物可以吸收大量的氫氣，但是釋放氫氣需要加熱或减壓等條件；有機液體氫氣存儲是將氫氣與有機液體結合，形成一種可逆的化學反應，但是該技術的成本較高，且有機液體的能量密度較低。

氫氣運輸方面，氫氣的運輸方式主要有以下幾種：（1）壓縮氫氣運輸：將氫氣壓縮到一個高壓的氣瓶中，然後通過車輛或管道將其運輸到目的地。壓縮氫氣運輸的能量密度較高，但是需要使用高質量的氣瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液態氫氣運輸：將氫氣冷却到極低的溫度，使其液化，然後存儲在一個絕熱容器中運輸。液態氫氣運輸的能量密度更高，但是需要特殊的設備和條件，例如低溫儲罐和液氫泵，同時需要采取額外的安全措施來保護。（3）管道運輸：在工業生産過程中，可以通過管道將氫氣從生産地直接輸送到目的地。管道運輸具有高效、安全和環保等優點，但是需要鋪設大量的管道，且建設成本較高。（4）氫氣槽車運輸：通過氫氣槽車將氫氣運輸到目的地。氫氣槽車通常由一個壓力容器和一個裝載設備組成，可以快速地將氫氣裝載到槽車內，然後將其運輸到目的地。這種運輸方式適用于短途運輸，但是需要使用特殊的設備和安全措施。

無論是氫氣存儲還是運輸，在過程中都需要采取一系列的安全措施。例如，對于氫氣存儲，需要定期檢修和更換氣瓶，以及避免鋼瓶在使用過程中受到撞擊或壓力過大等外界因素的影響。而對于氫氣運輸，需要在車輛或儲運設備上安裝安全控制系統，幷對其進行定期保養和檢查。

甲烷燃料電池方面，甲烷的存儲和運輸也是目前該行業挑戰的問題之一。甲烷的存儲主要有壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）兩種方式。（1）壓縮天然氣：甲烷在常溫下爲氣體，因此需要壓縮到一定壓力後存儲在氣瓶中。壓縮天然氣的壓力通常爲20-25大氣壓，氣瓶壓力越高，存儲的甲烷量越多。爲了安全存儲，需要使用高質量的氣瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液化天然氣：爲了方便存儲和運輸，甲烷還可以被冷却到極低的溫度（-162℃），使其液化，然後存儲在一個絕熱容器中。液化天然氣的能量密度更高，可以存儲更多的甲烷。但是，液化天然氣的存儲和運輸需要特殊的設備和條件，例如低溫儲罐和液化天然氣泵，同時需要采取額外的安全措施來保護。

甲烷的運輸方式主要有以下幾種：（1）壓縮天然氣（CNG）運輸：通過車輛將壓縮天然氣運輸到目的地。壓縮天然氣運輸的能量密度較高，但是需要使用高質量的氣瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液化天然氣（LNG）運輸：通過專門的液化天然氣運輸船或車輛將液化天然氣運輸到目的地。液化天然氣運輸的能量密度更高，但是需要特殊的設備和條件，例如低溫儲罐和液化天然氣泵，同時需要采取額外的安全措施來保護。（3）管道運輸：在長期大規模輸送的情况下，通常會鋪設專門的管道進行天然氣輸送。這種方式既高效又安全，但建設成本較高且需要定期維護。

總體而言，選擇合適的甲烷存儲與運輸方式需要考慮多方面的因素，例如存儲與運輸量、能量密度、成本和安全性等。在工業應用中，需要根據實際需求和條件進行選擇和應用。同時，爲了確保甲烷存儲與運輸的安全性，需要采取嚴格的安全措施和監管措施，以防止泄漏、爆炸等事故的發生。

四、燃料電池的應用領域

交通運輸：燃料電池在交通運輸領域有著廣泛的應用前景。電動汽車和公交車是當前應用最爲廣泛的領域，它們可以使用氫氣或甲烷等爲燃料，擁有較長的續航里程和較快的加油速度。此外，飛機和船舶也是潜在的應用領域。

固定電源：在某些無法接入電網的地區或需要備用電源的場所，燃料電池可以作爲一種可靠的電力來源。例如，偏遠地區的通訊基站、醫院、學校等都可以使用燃料電池作爲備用電源。此外，在灾害發生時，燃料電池可以提供穩定的電力供應。

分布式發電：由于燃料電池具有高效、環保的特性，它也可以作爲分布式發電系統的一種選擇。通過使用氫氣或生物質等爲燃料，可以爲建築物或社區提供電力和熱能。這種發電方式可以降低對傳統電網的依賴，提高能源的可靠性。

10.1 氧化鎢在燃料電池中的應用

氧化鎢（WO3-x）是一種無機化合物，是一種鎢的氧化物化學式爲，是一種黃色或淡黃色的粉末，通常以藍色或綠色的晶體形式存在。氧化鎢具有較高的理論比容量和較大的比表面積，良好的化學穩定性、電致變色、光致變色、半導體特性、電化學性能等特點，主要用于生産鎢製品和硬質合金的原料。此外，氧化鎢還可以用來生産鎢酸鹽、染料、顔料、儲能電極材料和催化劑等。

氧化鎢在燃料電池中的應用主要體現在其作爲電極材料的潜力。具體來說，由于氧化鎢具有較高的電導率、化學穩定性和催化活性，它可以作爲燃料電池的電極材料，提高燃料電池的性能和穩定性。

首先，氧化鎢具有較高的電導率，這意味著電子可以更容易地從WO3-x電極傳遞到外部電路，從而提高燃料電池的效率和輸出功率。同時，由于WO3-x的化學穩定性較好，它可以在較寬的溫度和pH範圍內保持穩定，不易發生腐蝕或降解，從而提高了燃料電池的壽命和可靠性。

其次，氧化鎢具有較好的催化活性，可以促進燃料的氧化反應和氧氣的還原反應，從而提高燃料電池的能量轉換效率和産電能力。這使得氧化鎢成爲一種具有潜力的電極材料，可以應用于不同類型的燃料電池，如質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

然而，目前氧化鎢在燃料電池中的應用還存在一些挑戰和限制。例如，在高溫下，氧化鎢容易與燃料或電解液發生反應，導致性能下降。此外，氧化鎢的製備成本較高，且其電導率和催化活性還需要進一步提高。因此，爲了更好地應用氧化鎢在燃料電池中，需要進一步研究和改進其製備工藝和性能，以提高其穩定性和實用性。

總的來說，氧化鎢作爲一種具有潜力的電極材料，在燃料電池中具有廣泛的應用前景。通過進一步的研究和改進，有望實現其在燃料電池中的更廣泛應用，從而推動燃料電池技術的發展和應用。

10.1.1 燃料電池催化劑用納米三氧化鎢

10.1.2 燃料電池屏蔽層用三氧化鎢塗層

10.1.3 燃料電池催化劑用氧化鎢的挑戰

10.2 二硫化鎢燃料電池中的應用

二硫化鎢（WS2）是一種具有獨特物理和化學性質的層狀材料，近年來在光電、能源和環境等領域的應用取得了顯著成果。作爲一種具有潜力的過渡金屬硫化物，WS2因其特殊的結構和優异的性能而備受關注。

二硫化鎢是一種層狀材料，其結構由鎢原子層和硫原子層交替組成。這種獨特的結構使得WS2具有較高的電子遷移率、良好的導電性和耐腐蝕性等優异性質。同時，WS2的帶隙可調，可以通過改變其層數來調控其電子性質，使其在光催化、電催化和能源儲存等領域具有廣泛的應用前景。

二硫化鎢在催化劑領域的應用：

（1）燃料電池催化劑：鉑是當前燃料電池中最常用的催化劑，但其高成本和資源稀缺問題一直是制約燃料電池商業化的瓶頸。二硫化鎢作爲一種潜在的鉑替代品，具有良好的催化活性和穩定性，可以降低燃料電池的成本幷提高其性能。通過優化製備方法和調控催化劑組分，可以進一步提高WS2的催化性能，實現其在燃料電池中的廣泛應用。

（2）光催化領域：二硫化鎢因其良好的光吸收特性和較高的電子導通性而被廣泛應用于光催化領域。通過調控其帶隙，可以實現高效的光能轉化和光催化反應。在光催化分解水制氫方面，WS2表現出優异的光催化活性，成爲一種具有潜力的光催化劑。此外，WS2還可以用于光催化降解有機污染物，有效降低環境污染。

（3）電催化領域：二硫化鎢在電催化領域也表現出良好的性能。作爲一種電催化劑，WS2可以用于電解水制氫和氧的陰極和陽極反應。通過優化催化劑的製備條件和調控其形貌結構，可以提高其電催化性能和穩定性。此外，WS2還可以用于電催化合成有機化合物，爲化工生産提供新的途徑。

10.2.1 燃料電池催化劑用納米二硫化鎢

二硫化鎢納米片，這種具有獨特二維結構、優异光學性能、高抗腐蝕性、結構穩定性以及抗毒化能力的材料，正逐漸成爲燃料電池領域中備受矚目的催化劑替代品。在陽極氧化的過程中，WS2納米片展現出了超越傳統鉑或鉑合金的催化性能，爲燃料電池技術的發展打開了新的篇章。

二硫化鎢納米片是由鎢原子層和硫原子層交替堆叠形成的層狀材料，這種獨特的二維結構爲其提供了優异的光學性能。在光催化反應中，WS2納米片能够有效地吸收和利用光能，爲催化反應提供充足的能量。

在燃料電池的工作環境中，催化劑需要承受一定的溫度、壓力變化以及化學腐蝕等挑戰。WS2納米片具有出色的抗腐蝕性和結構穩定性，能够在這種嚴苛的環境中保持穩定的催化性能。

傳統鉑催化劑在燃料電池中容易受到一氧化碳等中間産物的毒化，導致催化性能和穩定性下降。相比之下，WS2納米片具有優异的抗毒化能力，能够抵抗這些有害物質的毒害作用，確保長期穩定的催化效果。

作爲一種將燃料的化學能直接轉換爲電能的電池技術，燃料電池技術具有許多獨特的優點：（1）高效率：傳統的能源轉換方式往往涉及多個中間環節，導致能量損失。而燃料電池技術通過直接化學反應將燃料的化學能轉化爲電能，能量轉換效率較高，通常達到50%以上。（2）低排放：燃料電池在發電過程中産生的唯一副産品是水蒸氣，沒有直接的碳排放，是一種綠色、無污染的能源技術。這有助于减少對環境的負面影響，推動可持續發展。（3）靈活性：燃料電池可以使用多種燃料來源，包括氫氣、甲醇、乙醇等。這種靈活性使得燃料電池技術在不同的應用場景中都具有廣泛的發展潜力。

結合二硫化鎢納米片的優勢和燃料電池的特點，我們可以預見WS2納米片在燃料電池中的應用前景是十分廣闊的：

（1）降低成本：傳統燃料電池通常使用鉑或鉑合金作爲催化劑，而這些貴金屬資源稀缺且價格昂貴。通過使用WS2納米片作爲催化劑，可以大幅度降低燃料電池的成本，使其更具有市場競爭力。

（2）提高性能：由于二硫化鎢納米片的高催化效率和穩定性，燃料電池的性能將得到顯著提升。這將有助于提高輸出電壓、電流和能量密度等關鍵參數，爲燃料電池技術的進一步發展奠定基礎。

（3）拓寬應用範圍：由于二硫化鎢納米片對多種燃料來源都具有催化活性，這將有助于拓寬燃料電池的應用範圍。無論是汽車、航空航天還是移動能源等領域，WS2納米片都爲燃料電池技術的發展提供了新的可能性。

隨著全球對可再生能源和綠色技術的日益關注，燃料電池技術作爲一種高效、低排放的能源轉換方式，正逐漸受到科技界和産業界的重視。而WS2納米片作爲一種具有優异性能的催化劑材料，在燃料電池中的應用前景無疑是廣闊的。

10.2.2 燃料電池催化劑用二硫化鎢的挑戰

10.3 磷鎢酸燃料電池中的應用

10.3.1 燃料電池催化劑用磷鎢酸

10.3.2 燃料電池質子交換膜用磷鎢酸

10.3.4 燃料電池用磷鎢酸的挑戰

10.4 燃料電池用氫鉬鎢青銅

氫鉬鎢青銅（Hydrogen Molybdenum Tungsten Bronze，HxMo(W)O3，0<x≤2），是一種新興的催化劑材料，是一種複合氧化物，是一種具有特定晶體結構的無機化合物，具有優异的物理和化學性質，被廣泛應用于多種領域。

一、晶體結構

氫鉬鎢青銅的晶體結構是由Mo、W和O元素按照一定的規律排列而成的。其晶體結構的特點是具有開放性的框架，使得質子可以在其中自由移動，這是其質子嵌脫功能的基礎。這種晶體結構也有利于電子的傳輸，提高了其電化學性能。

二、物理化學性質

氫鉬鎢青銅的物理性質主要包括其晶體結構、形態、密度、硬度、電導率等。由于其晶體結構的特性，氫鉬鎢青銅通常呈現出一種特定的顔色，如藍色或綠色，這與其組成元素的顔色有關。此外，氫鉬鎢青銅還具有良好的熱穩定性和化學穩定性，可以在高溫和酸碱條件下保持穩定的性能。

氫鉬鎢青銅的化學性質主要包括其質子嵌脫功能、氧化還原反應等。在質子嵌入過程中，氫鉬鎢青銅能够吸收質子幷將其轉化爲相應的酸根離子，同時釋放出電子。這種質子接受過程可以清除鉑催化劑上的有機小分子氧化中間體，避免了因中間體毒害而導致的催化活性下降問題。在質子脫出過程中，氫鉬鎢青銅則扮演了質子供體的角色，將吸收的電子釋放出來，同時釋放出質子。這個過程可以提高鉑對氧還原反應的催化活性。此外，氫鉬鎢青銅還具有良好的氧化還原反應能力，可以用于多種有機合成反應。

三、生産方法

目前，氫鉬鎢青銅的生産方法主要包括化學合成法和溶劑熱法等。化學合成法是通過將Mo、W和O的化合物按照一定比例混合，然後在一定溫度和壓力下進行反應，得到氫鉬鎢青銅。溶劑熱法則是在特定的溶劑中，通過調節溫度和壓力條件來合成氫鉬鎢青銅。這些方法都需要精確的控制條件和純度高的原料，以確保得到的氫鉬鎢青銅具有優良的品質和性能。

四、用途

由于氫鉬鎢青銅具有優异的物理化學性質和催化性能，它在許多領域都有廣泛的應用。在燃料電池領域中，氫鉬鎢青銅可以作爲催化劑材料來提高鉑對有機小分子氧化和氧還原反應的催化活性，從而提高燃料電池的效率和性能。此外，氫鉬鎢青銅還可以用作酸性介質中的催化劑載體材料，用于氧化還原反應、酯化反應和烷基化反應等有機合成領域。同時，由于其良好的電導性和化學穩定性，氫鉬鎢青銅還可以應用于電化學傳感器和電化學能量儲存與轉換裝置中。

總之，氫鉬鎢青銅作爲一種具有獨特質子嵌脫功能的催化劑材料，在燃料電池和其他領域中展現出了巨大的應用潜力。通過深入研究其結構、性質和反應機理，以及不斷優化製備技術和複合催化劑的設計方案，我們有理由相信，氫鉬鎢青銅將在未來的能源轉換和利用領域發揮更加重要的作用。

10.4.1 燃料電池催化劑用氫鉬鎢青銅

10.4.2 燃料電池催化劑用氫鉬鎢青銅挑戰

10.5 燃料電池用碳化鎢粉末

10.5.2 燃料電池催化劑用碳化鎢粉末

10.5.3 燃料電池用碳化鎢粉末的挑戰

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《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（十）》

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《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（八）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（七）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（六）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（五）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（四）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（三）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，下）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，中）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，上）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（一）》

 

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