钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（十）

第Ⅱ部分 钨在新能源电池市场的介绍

第十章 钨在燃料电池中的应用

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，广泛应用于众多领域。

据中钨在线/中钨智造了解，尚普咨询集团的数据显示，2022年全球燃料电池市场规模约为84亿美元，同比增长24.6%；其中，中国燃料电池市场规模约为94亿元，同比增长36.8%。另外，尚普咨询集团预计到2025年，全球燃料电池市场规模将达到144亿美元，复合年增长率为45.27%；预计到2025年，中国燃料电池市场规模将达到343亿元，复合年增长率为90%。

燃料电池的基本组成包括阳极、阴极和电解质。其中，阳极为燃料发生氧化反应的电极，通常由催化剂组成，以促使燃料的氧化反应顺利进行。阴极为燃料电池中发生还原反应的电极，通常由催化剂和吸氧剂组成，用于促使氧化剂的还原反应。电解质在燃料电池中起到离子传递的作用，帮助质子在阳极和阴极之间移动，并阻止电子通过直接流过电路而不是通过外部电路。

此外，燃料电池还有进气系统、排水系统、控制系统等辅助系统。进气系统负责提供燃料和氧化剂，排水系统负责收集和排出反应产生的水，控制系统则负责控制电池的工作状态。

燃料电池工作原理基于电化学反应，通过燃料的氧化和还原反应产生电流。其电极反应是一种电化学反应，其中燃料在阳极上发生氧化反应，而氧化剂在阴极上发生还原反应。例如，在氢燃料电池中，氢气在阳极上被氧化为水，而在阴极上氧气被还原为水。这个过程中释放出的电子通过外部电路传递，产生电流。

一、燃料电池的历史

燃料电池的研究始于19世纪，但直到20世纪50年代才开始有实质性的进展。1966年，美国通用电气公司推出了一款基于碱性电解质的燃料电池，并在阿波罗月球登陆计划中得到应用。20世纪70年代后，随着石油危机的出现，燃料电池因其高效、环保的特性而备受关注。进入21世纪后，随着环保意识的提高和可再生能源的发展，燃料电池的发展和应用得到了更广泛的推广。

二、燃料电池的特点

燃料电池的优点：（1）高效率：燃料电池的效率通常在40-60%之间，相比传统的内燃机（约30%），其能效更高；（2）环境友好：燃料电池只产生水和热，没有直接的废气排放，是一种清洁能源；（3）灵活性：燃料电池可以适应多种燃料来源，包括氢气、甲烷、乙醇等；（4）快速启动：燃料电池可在几秒钟内启动并产生电力；（5）无噪音：燃料电池运行时噪音很小。

燃料电池的缺点：（1）高成本：目前燃料电池所使用的催化剂主要是铂（Pt）和钯（Pd），而它们的成本较高，进而造成整个燃料电池成本较高。（2）基础设施：与内燃机相比，燃料电池需要更复杂的基础设施来供应燃料和排放水。（3）存储和运输：对于氢燃料电池来说，氢气的存储和运输需要高压和低温条件，增加了其难度和成本。（4）催化剂利用率低：燃料电池在工作过程中，催化剂的有效利用率较低，这不仅增加了成本，也使得电池的能量转换效率受到影响。（5）催化剂稳定性差：燃料电池中的催化剂在长时间运行过程中易受到氧化或腐蚀，导致性能下降，寿命较短。这不仅增加了维护成本，也限制了燃料电池的使用寿命。

据中钨在线/中钨智造了解，为了弥补现有催化剂高成本、低稳定性的不足，研究者设计出了众多新型过渡金属化合物载体如二硫化钨纳米片、纳米氧化钨、纳米碳化钨粉末、氧化钼纳米材料、二硒化钼、镍-钼催化剂等。其中，钨化合物作为催化剂载体，可以显著增强燃料电池的性能，如提高电流密度和寿命、降低内阻和生产成本等，这主要是因为钨化合物具有较大的比表面积、良好的导电性和结构稳定性，能促进电化学反应的进行。

三、燃料电池的分类

燃料电池有多种类型，根据使用的燃料类型可分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、乙醇燃料电池等。此外，根据其工作温度和电解质的不同，燃料电池还可以分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）等。

其中，氢燃料电池的氢气生产、存储和运输是目前该行业挑战的难题之一。目前，工业制氢主要有几种方法：一是采用化石燃料制取氢气；二是从化工副产物中提取氢气；三是采用采用来自生物的甲醇甲烷制取氢气，四是利用太阳能、风能等自然能量进行水的电解。

在工业上，氢气的存储方式主要有压缩氢气存储和液态氢气存储两种方式。压缩氢气存储是将氢气压缩到一个高压的气瓶中，通常压缩比很高，达到200:1或更高。由于氢气在高压下容易泄漏和爆炸，因此需要使用高质量的气瓶和安全措施来存储。此外，压缩氢气存储的能量密度较低，需要更多的气瓶和更大的存储空间。

液态氢气存储是将氢气冷却到极低的温度，使其液化，然后存储在一个绝热容器中。液态氢气的能量密度比压缩氢气高，可以存储更多的氢气。但是，液态氢气的存储和运输需要特殊的设备和条件，例如低温储罐和液氢泵。此外，液态氢气容易蒸发和泄漏，因此需要采取额外的安全措施来保护。

除了以上两种方式，还有一些其他的存储方式，例如金属氢化物存储和有机液体氢气存储等。金属氢化物可以吸收大量的氢气，但是释放氢气需要加热或减压等条件；有机液体氢气存储是将氢气与有机液体结合，形成一种可逆的化学反应，但是该技术的成本较高，且有机液体的能量密度较低。

氢气运输方面，氢气的运输方式主要有以下几种：（1）压缩氢气运输：将氢气压缩到一个高压的气瓶中，然后通过车辆或管道将其运输到目的地。压缩氢气运输的能量密度较高，但是需要使用高质量的气瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液态氢气运输：将氢气冷却到极低的温度，使其液化，然后存储在一个绝热容器中运输。液态氢气运输的能量密度更高，但是需要特殊的设备和条件，例如低温储罐和液氢泵，同时需要采取额外的安全措施来保护。（3）管道运输：在工业生产过程中，可以通过管道将氢气从生产地直接输送到目的地。管道运输具有高效、安全和环保等优点，但是需要铺设大量的管道，且建设成本较高。（4）氢气槽车运输：通过氢气槽车将氢气运输到目的地。氢气槽车通常由一个压力容器和一个装载设备组成，可以快速地将氢气装载到槽车内，然后将其运输到目的地。这种运输方式适用于短途运输，但是需要使用特殊的设备和安全措施。

无论是氢气存储还是运输，在过程中都需要采取一系列的安全措施。例如，对于氢气存储，需要定期检修和更换气瓶，以及避免钢瓶在使用过程中受到撞击或压力过大等外界因素的影响。而对于氢气运输，需要在车辆或储运设备上安装安全控制系统，并对其进行定期保养和检查。

甲烷燃料电池方面，甲烷的存储和运输也是目前该行业挑战的问题之一。甲烷的存储主要有压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两种方式。（1）压缩天然气：甲烷在常温下为气体，因此需要压缩到一定压力后存储在气瓶中。压缩天然气的压力通常为20-25大气压，气瓶压力越高，存储的甲烷量越多。为了安全存储，需要使用高质量的气瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液化天然气：为了方便存储和运输，甲烷还可以被冷却到极低的温度（-162℃），使其液化，然后存储在一个绝热容器中。液化天然气的能量密度更高，可以存储更多的甲烷。但是，液化天然气的存储和运输需要特殊的设备和条件，例如低温储罐和液化天然气泵，同时需要采取额外的安全措施来保护。

甲烷的运输方式主要有以下几种：（1）压缩天然气（CNG）运输：通过车辆将压缩天然气运输到目的地。压缩天然气运输的能量密度较高，但是需要使用高质量的气瓶和安全措施，以防止泄漏和爆炸。（2）液化天然气（LNG）运输：通过专门的液化天然气运输船或车辆将液化天然气运输到目的地。液化天然气运输的能量密度更高，但是需要特殊的设备和条件，例如低温储罐和液化天然气泵，同时需要采取额外的安全措施来保护。（3）管道运输：在长期大规模输送的情况下，通常会铺设专门的管道进行天然气输送。这种方式既高效又安全，但建设成本较高且需要定期维护。

总体而言，选择合适的甲烷存储与运输方式需要考虑多方面的因素，例如存储与运输量、能量密度、成本和安全性等。在工业应用中，需要根据实际需求和条件进行选择和应用。同时，为了确保甲烷存储与运输的安全性，需要采取严格的安全措施和监管措施，以防止泄漏、爆炸等事故的发生。

四、燃料电池的应用领域

交通运输：燃料电池在交通运输领域有着广泛的应用前景。电动汽车和公交车是当前应用最为广泛的领域，它们可以使用氢气或甲烷等为燃料，拥有较长的续航里程和较快的加油速度。此外，飞机和船舶也是潜在的应用领域。

固定电源：在某些无法接入电网的地区或需要备用电源的场所，燃料电池可以作为一种可靠的电力来源。例如，偏远地区的通讯基站、医院、学校等都可以使用燃料电池作为备用电源。此外，在灾害发生时，燃料电池可以提供稳定的电力供应。

分布式发电：由于燃料电池具有高效、环保的特性，它也可以作为分布式发电系统的一种选择。通过使用氢气或生物质等为燃料，可以为建筑物或社区提供电力和热能。这种发电方式可以降低对传统电网的依赖，提高能源的可靠性。

10.1 氧化钨在燃料电池中的应用

氧化钨（WO3-x）是一种无机化合物，是一种钨的氧化物化学式为，是一种黄色或淡黄色的粉末，通常以蓝色或绿色的晶体形式存在。氧化钨具有较高的理论比容量和较大的比表面积，良好的化学稳定性、电致变色、光致变色、半导体特性、电化学性能等特点，主要用于生产钨制品和硬质合金的原料。此外，氧化钨还可以用来生产钨酸盐、染料、颜料、储能电极材料和催化剂等。

氧化钨在燃料电池中的应用主要体现在其作为电极材料的潜力。具体来说，由于氧化钨具有较高的电导率、化学稳定性和催化活性，它可以作为燃料电池的电极材料，提高燃料电池的性能和稳定性。

首先，氧化钨具有较高的电导率，这意味着电子可以更容易地从WO3-x电极传递到外部电路，从而提高燃料电池的效率和输出功率。同时，由于WO3-x的化学稳定性较好，它可以在较宽的温度和pH范围内保持稳定，不易发生腐蚀或降解，从而提高了燃料电池的寿命和可靠性。

其次，氧化钨具有较好的催化活性，可以促进燃料的氧化反应和氧气的还原反应，从而提高燃料电池的能量转换效率和产电能力。这使得氧化钨成为一种具有潜力的电极材料，可以应用于不同类型的燃料电池，如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

然而，目前氧化钨在燃料电池中的应用还存在一些挑战和限制。例如，在高温下，氧化钨容易与燃料或电解液发生反应，导致性能下降。此外，氧化钨的制备成本较高，且其电导率和催化活性还需要进一步提高。因此，为了更好地应用氧化钨在燃料电池中，需要进一步研究和改进其制备工艺和性能，以提高其稳定性和实用性。

总的来说，氧化钨作为一种具有潜力的电极材料，在燃料电池中具有广泛的应用前景。通过进一步的研究和改进，有望实现其在燃料电池中的更广泛应用，从而推动燃料电池技术的发展和应用。

10.1.1 燃料电池催化剂用纳米三氧化钨

10.1.2 燃料电池屏蔽层用三氧化钨涂层

10.1.3 燃料电池催化剂用氧化钨的挑战

10.2 二硫化钨燃料电池中的应用

二硫化钨（WS2）是一种具有独特物理和化学性质的层状材料，近年来在光电、能源和环境等领域的应用取得了显著成果。作为一种具有潜力的过渡金属硫化物，WS2因其特殊的结构和优异的性能而备受关注。

二硫化钨是一种层状材料，其结构由钨原子层和硫原子层交替组成。这种独特的结构使得WS2具有较高的电子迁移率、良好的导电性和耐腐蚀性等优异性质。同时，WS2的带隙可调，可以通过改变其层数来调控其电子性质，使其在光催化、电催化和能源储存等领域具有广泛的应用前景。

二硫化钨在催化剂领域的应用：

（1）燃料电池催化剂：铂是当前燃料电池中最常用的催化剂，但其高成本和资源稀缺问题一直是制约燃料电池商业化的瓶颈。二硫化钨作为一种潜在的铂替代品，具有良好的催化活性和稳定性，可以降低燃料电池的成本并提高其性能。通过优化制备方法和调控催化剂组分，可以进一步提高WS2的催化性能，实现其在燃料电池中的广泛应用。

（2）光催化领域：二硫化钨因其良好的光吸收特性和较高的电子导通性而被广泛应用于光催化领域。通过调控其带隙，可以实现高效的光能转化和光催化反应。在光催化分解水制氢方面，WS2表现出优异的光催化活性，成为一种具有潜力的光催化剂。此外，WS2还可以用于光催化降解有机污染物，有效降低环境污染。

（3）电催化领域：二硫化钨在电催化领域也表现出良好的性能。作为一种电催化剂，WS2可以用于电解水制氢和氧的阴极和阳极反应。通过优化催化剂的制备条件和调控其形貌结构，可以提高其电催化性能和稳定性。此外，WS2还可以用于电催化合成有机化合物，为化工生产提供新的途径。

10.2.1 燃料电池催化剂用纳米二硫化钨

二硫化钨纳米片，这种具有独特二维结构、优异光学性能、高抗腐蚀性、结构稳定性以及抗毒化能力的材料，正逐渐成为燃料电池领域中备受瞩目的催化剂替代品。在阳极氧化的过程中，WS2纳米片展现出了超越传统铂或铂合金的催化性能，为燃料电池技术的发展打开了新的篇章。

二硫化钨纳米片是由钨原子层和硫原子层交替堆叠形成的层状材料，这种独特的二维结构为其提供了优异的光学性能。在光催化反应中，WS2纳米片能够有效地吸收和利用光能，为催化反应提供充足的能量。

在燃料电池的工作环境中，催化剂需要承受一定的温度、压力变化以及化学腐蚀等挑战。WS2纳米片具有出色的抗腐蚀性和结构稳定性，能够在这种严苛的环境中保持稳定的催化性能。

传统铂催化剂在燃料电池中容易受到一氧化碳等中间产物的毒化，导致催化性能和稳定性下降。相比之下，WS2纳米片具有优异的抗毒化能力，能够抵抗这些有害物质的毒害作用，确保长期稳定的催化效果。

作为一种将燃料的化学能直接转换为电能的电池技术，燃料电池技术具有许多独特的优点：（1）高效率：传统的能源转换方式往往涉及多个中间环节，导致能量损失。而燃料电池技术通过直接化学反应将燃料的化学能转化为电能，能量转换效率较高，通常达到50%以上。（2）低排放：燃料电池在发电过程中产生的唯一副产品是水蒸气，没有直接的碳排放，是一种绿色、无污染的能源技术。这有助于减少对环境的负面影响，推动可持续发展。（3）灵活性：燃料电池可以使用多种燃料来源，包括氢气、甲醇、乙醇等。这种灵活性使得燃料电池技术在不同的应用场景中都具有广泛的发展潜力。

结合二硫化钨纳米片的优势和燃料电池的特点，我们可以预见WS2纳米片在燃料电池中的应用前景是十分广阔的：

（1）降低成本：传统燃料电池通常使用铂或铂合金作为催化剂，而这些贵金属资源稀缺且价格昂贵。通过使用WS2纳米片作为催化剂，可以大幅度降低燃料电池的成本，使其更具有市场竞争力。

（2）提高性能：由于二硫化钨纳米片的高催化效率和稳定性，燃料电池的性能将得到显著提升。这将有助于提高输出电压、电流和能量密度等关键参数，为燃料电池技术的进一步发展奠定基础。

（3）拓宽应用范围：由于二硫化钨纳米片对多种燃料来源都具有催化活性，这将有助于拓宽燃料电池的应用范围。无论是汽车、航空航天还是移动能源等领域，WS2纳米片都为燃料电池技术的发展提供了新的可能性。

随着全球对可再生能源和绿色技术的日益关注，燃料电池技术作为一种高效、低排放的能源转换方式，正逐渐受到科技界和产业界的重视。而WS2纳米片作为一种具有优异性能的催化剂材料，在燃料电池中的应用前景无疑是广阔的。

10.2.2 燃料电池催化剂用二硫化钨的挑战

10.3 磷钨酸燃料电池中的应用

10.3.1 燃料电池催化剂用磷钨酸

10.3.2 燃料电池质子交换膜用磷钨酸

10.3.4 燃料电池用磷钨酸的挑战

10.4 燃料电池用氢钼钨青铜

氢钼钨青铜（Hydrogen Molybdenum Tungsten Bronze，HxMo(W)O3，0<x≤2），是一种新兴的催化剂材料，是一种复合氧化物，是一种具有特定晶体结构的无机化合物，具有优异的物理和化学性质，被广泛应用于多种领域。

一、晶体结构

氢钼钨青铜的晶体结构是由Mo、W和O元素按照一定的规律排列而成的。其晶体结构的特点是具有开放性的框架，使得质子可以在其中自由移动，这是其质子嵌脱功能的基础。这种晶体结构也有利于电子的传输，提高了其电化学性能。

二、物理化学性质

氢钼钨青铜的物理性质主要包括其晶体结构、形态、密度、硬度、电导率等。由于其晶体结构的特性，氢钼钨青铜通常呈现出一种特定的颜色，如蓝色或绿色，这与其组成元素的颜色有关。此外，氢钼钨青铜还具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以在高温和酸碱条件下保持稳定的性能。

氢钼钨青铜的化学性质主要包括其质子嵌脱功能、氧化还原反应等。在质子嵌入过程中，氢钼钨青铜能够吸收质子并将其转化为相应的酸根离子，同时释放出电子。这种质子接受过程可以清除铂催化剂上的有机小分子氧化中间体，避免了因中间体毒害而导致的催化活性下降问题。在质子脱出过程中，氢钼钨青铜则扮演了质子供体的角色，将吸收的电子释放出来，同时释放出质子。这个过程可以提高铂对氧还原反应的催化活性。此外，氢钼钨青铜还具有良好的氧化还原反应能力，可以用于多种有机合成反应。

三、生产方法

目前，氢钼钨青铜的生产方法主要包括化学合成法和溶剂热法等。化学合成法是通过将Mo、W和O的化合物按照一定比例混合，然后在一定温度和压力下进行反应，得到氢钼钨青铜。溶剂热法则是在特定的溶剂中，通过调节温度和压力条件来合成氢钼钨青铜。这些方法都需要精确的控制条件和纯度高的原料，以确保得到的氢钼钨青铜具有优良的品质和性能。

四、用途

由于氢钼钨青铜具有优异的物理化学性质和催化性能，它在许多领域都有广泛的应用。在燃料电池领域中，氢钼钨青铜可以作为催化剂材料来提高铂对有机小分子氧化和氧还原反应的催化活性，从而提高燃料电池的效率和性能。此外，氢钼钨青铜还可以用作酸性介质中的催化剂载体材料，用于氧化还原反应、酯化反应和烷基化反应等有机合成领域。同时，由于其良好的电导性和化学稳定性，氢钼钨青铜还可以应用于电化学传感器和电化学能量储存与转换装置中。

总之，氢钼钨青铜作为一种具有独特质子嵌脱功能的催化剂材料，在燃料电池和其他领域中展现出了巨大的应用潜力。通过深入研究其结构、性质和反应机理，以及不断优化制备技术和复合催化剂的设计方案，我们有理由相信，氢钼钨青铜将在未来的能源转换和利用领域发挥更加重要的作用。

10.4.1 燃料电池催化剂用氢钼钨青铜

10.4.2 燃料电池催化剂用氢钼钨青铜挑战

10.5 燃料电池用碳化钨粉末

10.5.2 燃料电池催化剂用碳化钨粉末

10.5.3 燃料电池用碳化钨粉末的挑战

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《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（六）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（五）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（四）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（三）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，下）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，中）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，上）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（一）》

 

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