氫能源革命即將爆發(fā) 清潔環(huán)保的燃料電池

燃料電池

　　如今有一項技術(shù)，全世界各大企業(yè)每年都要投入總計數十億美元的巨資競相研究和開(kāi)發(fā)，那就是“燃料電池”。燃料電池是利用氫和氧生成水的過(guò)程來(lái)產(chǎn)生電力的一種裝置。所依據的原理，是中學(xué)課程中“水的電解”反應的逆反應。

　　燃料電池一旦得到普遍應用，那么，我們現在這個(gè)使用著(zhù)終歸會(huì )消耗殆盡的化石燃料的社會(huì )便將步入一個(gè)使用氫能源的新型社會(huì )，而這種氫能源，實(shí)際上永遠也不會(huì )枯竭?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，燃料電池即將引發(fā)自工業(yè)革命以來(lái)的又一次大變革。

　　燃料電池將極大地改變我們的生活。將來(lái)，手機和筆記本電腦上所使用的電池全都會(huì )換成燃料電池。各家各戶(hù)都安裝有一套燃料電池，提供全家生活所需要的全部電力。所有的汽車(chē)全都配備了燃料電池，再也不必擔心石油價(jià)格暴漲，只需使用可再生的天然能源所生產(chǎn)的氫氣就可以隨意行駛。世界上一切動(dòng)力機所使用的電力，大概都可以從燃料電池獲得。

　　那么，燃料電池產(chǎn)生電力的原理是什么？有哪些優(yōu)點(diǎn)？還有哪些難題需要解決？本文將從多個(gè)方面介紹受到世人關(guān)注的“燃料電池”的情況。

　　巨大的燃料電池市場(chǎng)

　　人類(lèi)的生活需要消費能源，新型能源裝置的出現，自然會(huì )引起人類(lèi)社會(huì )的巨大變革。18世紀的工業(yè)革命就是以熱機的登場(chǎng)為其先導。蒸汽機等熱機的出現導致了工業(yè)機械化，使得許許多多的物品實(shí)現了大批量生產(chǎn)。

　　在21世紀，人類(lèi)社會(huì )也許就要迎來(lái)自工業(yè)革命以來(lái)的再一次巨大變革。這一次的主角是“燃料電池”。燃料電池是一種利用氫為燃料的新型發(fā)電裝置。這種氫燃料，將來(lái)可以利用太陽(yáng)能等可再生能源從取之不盡的海水中提取。到那時(shí)，人人都不再使用昂貴的石油作為燃料，而將選擇對環(huán)境沒(méi)有不利影響的氫氣。屆時(shí)的發(fā)電裝置，則是燃料電池。

　　不用等到本世紀結束，以汽油為燃料的汽車(chē)大概就會(huì )消失，而被燃料電池車(chē)所代替?；鹆Πl(fā)電站和蜘蛛網(wǎng)似的輸電線(xiàn)也許不再需要，家家戶(hù)戶(hù)都有一套燃料電池，實(shí)現了分散供電。燃料電池的出現將推動(dòng)一切工業(yè)部門(mén)的新陳代謝，向我們預示人類(lèi)社會(huì )即將發(fā)生又一次大變革。

　　據日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省預測，到2020年，日本國內的燃料電池市場(chǎng)有可能達到800億美元的規模(2001年公布的資料)。到本世紀中葉，燃料電池更會(huì )開(kāi)辟出一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

　　燃料電池對人類(lèi)社會(huì )的影響如此巨大，但是它的原理卻并不復雜，依據的不過(guò)是中學(xué)課程學(xué)習過(guò)的一種簡(jiǎn)單的化學(xué)反應。

　　燃料電池的基本結構是兩塊電極，電極之間則夾持著(zhù)“電解質(zhì)”。所謂電解質(zhì)，是一種其中可以通過(guò)離子(帶有電荷的原子或分子)卻不能通過(guò)電子的物質(zhì)。向其中一塊電極(負極)送入作為燃料的氫氣(H2)，負極中所含的鉑發(fā)揮催化劑(一種可以加速化學(xué)反應速度而自身最后不改變的物質(zhì))作用，從氫原子上奪下電子，使之成為氫離子(H+)而順利通過(guò)電解質(zhì)。電子不能通過(guò)電解質(zhì)，則蓄積在負電極上。

　　與此同時(shí)，向另一塊電極(正極)送入氧氣(O2)。在正極，也是在其中所含的鉑的催化作用下，氧原子與從負極通過(guò)電解質(zhì)來(lái)到正極的氫離子結合，而形成水(H2O)。然而，這樣一種化學(xué)反應還必須要有電子的參與。

　　如上所述，這時(shí)負極上蓄積有電子，而正極又需要電子，于是，若用導線(xiàn)把負極與正極連接起來(lái)形成回路，電子就會(huì )從負極沿著(zhù)導線(xiàn)流向正極，也就是說(shuō)，導線(xiàn)上有電流通過(guò)。這就是燃料電池產(chǎn)生電力的原理。

　　稱(chēng)為電池，容易使人聯(lián)想到“電的貯存池”。例如干電池，其外殼內預先裝有一定數量的燃料和氧化劑，這兩種物質(zhì)耗盡，就不能繼續產(chǎn)生電力。然而燃料電池卻不是這樣，它是從外部源源不斷地供給燃料和氧化劑，因而可以持續產(chǎn)生電力。在這種意義上，燃料電池與其說(shuō)是產(chǎn)生電力的“電池”，還不如說(shuō)是一種“發(fā)電裝置”。

　　通過(guò)串聯(lián)組合增大燃料電池的電壓，能夠為移動(dòng)電話(huà)甚至汽車(chē)提供動(dòng)力

　　“兩塊鉑電極，中間夾著(zhù)電解質(zhì)”，這就構成燃料電池的一個(gè)單元，叫做“單體電池”。單體電池，其電壓雖然會(huì )因所用的燃料和電極的種類(lèi)不同而有差異，或者高一點(diǎn)，或者低一點(diǎn)，但電壓只有一伏左右，同干電池的電壓差不多。這樣的電壓當然無(wú)法驅動(dòng)汽車(chē)。

　　要得到比較高的電壓，只需要把許多單體電池串聯(lián)組合在一起。多塊單體電池正負極首尾串接起來(lái)所形成的這種組合，叫做“電池堆”，也叫做“電池組”。組成電池堆，除了單體電池本身之外，在單體電池和單體電池之間還必須插入隔離板。

　　移動(dòng)電話(huà)所需要的電壓，只需將數個(gè)單體電池組成電池堆就能夠滿(mǎn)足要求。家庭用的電力，也只需要由20幾個(gè)單體電池所組成電池堆。但是，用來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)，則非得要用200個(gè)以上的單體電池所組成的大電池堆不可。燃料電池堆所用的單體電池個(gè)數增加，使用的鉑電極、電解質(zhì)和隔離板也要相應增加。然而在目前，這三種部件的價(jià)格都十分昂貴，每一件都要值數百美元。顯然，普及燃料電池，前提是必須大幅度降低這些部件的成本。

　　不僅如此，在汽車(chē)上安裝燃料電池堆，還需要設法減小電池堆的體積。為此，就要把鉑電極、電解質(zhì)和隔離板做薄，改進(jìn)技術(shù)，盡可能達到它們的最薄極限。燃料電池的基本原理盡管十分簡(jiǎn)單，但是用來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)，由于需要的是能夠輸出大功率的電池堆，因而對技術(shù)的要求是非常高的。