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(xiàng)技術(shù)，全世界各大企業(yè)每年都要投入總計(jì)數(shù)十億美元的巨資競(jìng)相研究和開發(fā)，那就是“燃料電池”。燃料電池是利用氫和氧生成水的過程來產(chǎn)生電力的一種裝置。所依據(jù)的原理，是中學(xué)課程中“水的電解”反應(yīng)的逆反應(yīng)。

　　燃料電池一旦得到普遍應(yīng)用，那么，我們現(xiàn)在這個(gè)使用著終歸會(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(yuǎn)也不會(huì)枯竭?？梢院敛豢鋸埖卣f，燃料電池即將引發(fā)自工業(yè)革命以來的又一次大變革。

　　燃料電池將極大地改變我們的生活。將來，手機(jī)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。所有的汽車全都配備了燃料電池，再也不必?fù)?dān)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(jī)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)

　　人類的生活需要消費(fèi)能源，新型能源裝置的出現(xiàn)，自然會(huì)引起人類社會(huì)的巨大變革。18世紀(jì)的工業(yè)革命就是以熱機(jī)的登場(chǎng)為其先導(dǎo)。蒸汽機(jī)等熱機(jī)的出現(xiàn)導(dǎo)致了工業(yè)機(jī)械化，使得許許多多的物品實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。

　　在21世紀(jì)，人類社會(huì)也許就要迎來自工業(yè)革命以來的再一次巨大變革。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(duì)環(huán)境沒有不利影響的氫氣。屆時(shí)的發(fā)電裝置，則是燃料電池。

　　不用等到本世紀(jì)結(jié)束，以汽油為燃料的汽車大概就會(huì)消失，而被燃料電池車所代替。火力發(fā)電站和蜘蛛網(wǎng)似的輸電線也許不再需要，家家戶戶都有一套燃料電池，實(shí)現(xiàn)了分散供電。燃料電池的出現(xiàn)將推動(dòng)一切工業(yè)部門的新陳代謝，向我們預(yù)示人類社會(huì)即將發(fā)生又一次大變革。

　　據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)測(cè)，到2020年，日本國(guó)內(nèi)的燃料電池市場(chǎng)有可能達(dá)到800億美元的規(guī)模(2001年公布的資料)。到本世紀(jì)中葉，燃料電池更會(huì)開辟出一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

　　燃料電池對(duì)人類社會(huì)的影響如此巨大，但是它的原理卻并不復(fù)雜，依據(jù)的不過是中學(xué)課程學(xué)習(xí)過的一種簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。

　　燃料電池的基本結(jié)構(gòu)是兩塊電極，電極之間則夾持著“電解質(zhì)”。所謂電解質(zhì)，是一種其中可以通過離子(帶有電荷的原子或分子)卻不能通過電子的物質(zhì)。向其中一塊電極(負(fù)極)送入作為燃料的氫氣(H2)，負(fù)極中所含的鉑發(fā)揮催化劑(一種可以加速化學(xué)反應(yīng)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+)而順利通過電解質(zhì)。電子不能通過電解質(zhì)，則蓄積在負(fù)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(fù)極通過電解質(zhì)來到正極的氫離子結(jié)合，而形成水(H2O)。然而，這樣一種化學(xué)反應(yīng)還必須要有電子的參與。

　　如上所述，這時(shí)負(fù)極上蓄積有電子，而正極又需要電子，于是，若用導(dǎo)線把負(fù)極與正極連接起來形成回路，電子就會(huì)從負(fù)極沿著導(dǎo)線流向正極，也就是說，導(dǎo)線上有電流通過。這就是燃料電池產(chǎn)生電力的原理。

　　稱為電池，容易使人聯(lián)想到“電的貯存池”。例如干電池，其外殼內(nèi)預(yù)先裝有一定數(shù)量的燃料和氧化劑，這兩種物質(zhì)耗盡，就不能繼續(xù)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(xù)產(chǎn)生電力。在這種意義上，燃料電池與其說是產(chǎn)生電力的“電池”，還不如說是一種“發(fā)電裝置”。

　　通過串聯(lián)組合增大燃料電池的電壓，能夠?yàn)橐苿?dòng)電話甚至汽車提供動(dòng)力

　　“兩塊鉑電極，中間夾著電解質(zhì)”，這就構(gòu)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(dāng)然無法驅(qū)動(dòng)汽車。

　　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(fù)極首尾串接起來所形成的這種組合，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)電話所需要的電壓，只需將數(shù)個(gè)單體電池組成電池堆就能夠滿足要求。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，用來驅(qū)動(dòng)汽車，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(shù)增加，使用的鉑電極、電解質(zhì)和隔離板也要相應(yīng)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(shù)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，在汽車上安裝燃料電池堆，還需要設(shè)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(dá)到它們的最薄極限。燃料電池的基本原理盡管十分簡(jiǎn)單，但是用來驅(qū)動(dòng)汽車，由于需要的是能夠輸出大功率的電池堆，因而對(duì)技術(shù)的要求是非常高的。