氫與燃料電池是什么關(guān)系？

我們知道，除伏打電池外，所有化學(xué)能在轉變成電能之前，幾乎都要經(jīng)過(guò)中間燃燒，先得到熱能，再由熱能轉換成機械能驅動(dòng)汽輪機發(fā)電，把機械能再轉變成電能。由于通過(guò)這些中間環(huán)節，所以要損失許多能量，轉變效率很低，一般的火力發(fā)電，消耗的燃料只有10％左右能轉變成電力。而20世紀50年代誕生的燃料電池可以省掉中間燃燒等環(huán)節，直接讓化學(xué)能變成電能。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種將儲存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能高效地轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個(gè)“發(fā)電廠(chǎng)”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。

為了更好地了解燃料電池，我們有必要明白“燃料”和“電池”這兩個(gè)概念。

氫能的應用前面我們談到過(guò)，為了利用煤或石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電，必須先燃燒煤或石油。它們燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量可以對水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來(lái)使渦輪發(fā)電機在磁場(chǎng)中旋轉。這樣就產(chǎn)生了電流。也就是說(shuō)，我們是把燃料的化學(xué)能轉變?yōu)闊崮�，然后把熱能轉換為電能。在這種雙轉換的過(guò)程中，許多原來(lái)的化學(xué)能浪費掉了。然而燃料非常便宜，這種浪費也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，因而無(wú)需昂貴的費用，也還有可能把化學(xué)能直接轉換為電能，而無(wú)需先轉換為熱能。為此，我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根稱(chēng)為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應，電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢比另一個(gè)電極上的大，因此，如果這兩個(gè)電極用一根導線(xiàn)連接起來(lái)，電子就會(huì )通過(guò)導線(xiàn)從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應，這種電流就會(huì )繼續下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下，當一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內會(huì )反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車(chē)里的蓄電池就是這種可逆電池。在一個(gè)電池里，浪費的化學(xué)能要少得多，因為其中只通過(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉變?yōu)殡娔�。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類(lèi)似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準備電力，那么，一天就要花費數十億美元。

燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應。這些燃料的化學(xué)能也通過(guò)一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔�，比通常通過(guò)兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類(lèi)提供的電量就大大地增加了。

燃料電池實(shí)質(zhì)上是根據控制氫彈爆炸的理論設計的，太空船的太陽(yáng)能板所聚集的電磁和太陽(yáng)能將會(huì )轉換成電能，而電能會(huì )用來(lái)慢慢地將存放在燃料電池內的氫置換成燃料。燃料電池內也含了一小部分受控制量的可進(jìn)行核分裂的物質(zhì)，這些物質(zhì)依序用來(lái)與氫核進(jìn)行核反應。核反應在燃料電池內進(jìn)行，在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來(lái)推進(jìn)太空船。在最后的旅程階段，燃料電池提供了燃料火箭動(dòng)力所需的氫。這整個(gè)過(guò)程受控在強大的電磁下，它能提供能量并且避免過(guò)量的能量外泄導致反應爐核心熔毀。核反應的一項副產(chǎn)物——熱能，則被燃料電池的外壁吸收并轉換成供給電腦、維生系統和其他必要功用的電能。

燃料電池的結構和制造都比較簡(jiǎn)單。人們可以將含有氫的天然氣等燃料從一根管道送進(jìn)電池，將氧或氧化劑從另一根管道送進(jìn)電池；天然氣中的氫在有微孔的燃料電極上與氫氧化鉀等堿性電解質(zhì)進(jìn)行氧化反應，生成帶正電的離子和電子；電子通過(guò)電路進(jìn)入氧化劑那邊的微孔電極上，并在這個(gè)電極上與氧化劑及電解質(zhì)進(jìn)行還原反應，生成帶負電的離子。這樣，正負離子在電解質(zhì)中結合，生成水蒸氣并產(chǎn)生電能。因此只要不斷將含有氫的燃料和氧化劑供給電池，并及時(shí)把電極在反應過(guò)程中產(chǎn)生的化合物(水)排出，就能通過(guò)燃料電池將燃料產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉換成電能，這一過(guò)程被稱(chēng)為電化學(xué)反應。

由于這種反應過(guò)程惟一的生成物是水，從而避免了火力發(fā)電站產(chǎn)生大量二氧化碳和二氧化硫等有害氣體對環(huán)境的污染。也不像原子能發(fā)電站那樣，必須處理帶有放射性的核廢料。

美國科學(xué)家最近研制出世界上最小的燃料電池，這種電池的直徑只有3毫米，可以產(chǎn)生0.7伏的電壓并能持續供電30個(gè)小時(shí)，這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發(fā)電，它由4個(gè)部分組成。上一層是儲水池，下層是一個(gè)裝有金屬氫化物的燃料堂，中間以一層薄膜隔開(kāi)，在金屬氫化物的燃料堂下方，還有一組電極。薄膜上還有許多小孔，使得儲水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進(jìn)入燃料堂，水分子進(jìn)入燃料堂后，與金屬氫化物發(fā)生化學(xué)反應并產(chǎn)生氫氣。氫氣隨之會(huì )充滿(mǎn)整個(gè)燃料堂，并向上沖擊薄膜。阻止水流繼續流入，然后氫氣會(huì )在燃料堂下層的電極處發(fā)生化學(xué)反應，形成電流。