八、燃料电池

除伏打电池外，所有化学能在转变成电能之前，几乎都要经过中间燃烧， 先得到热能，再由热能变成机械能驱动气轮机发电，把机械能再度变成电能， 由于要通过这些中间环节，所以要损失许多能量，转变效率很低。一般的火力发电站，消耗的燃料只有 70％左右能转变成电力。能不能不经过中间燃料等环节，直接让化学能转变成电能呢？能！这就是从 50 年代开始诞生的燃料电池。

不过，追本溯源，产生燃料电池的契机却起源在更早的年代。

燃料电池的想法，是从化学反应的可逆反应规律推理出来的。1790 年， 英国化学家尼科尔森设计了一个伏打电池堆，当他将连接电池堆两端的导线放在水里，通过电流时，他发现，导线的两端有气泡逸出，经过分析，这两端逸出的气泡分别是氧气和氢气。于是他发现水在电流的作用下，被分解为氧和氢两种元素了。这是电解作用的第一次发现，尼科尔森的这个实验，证明了另一位英国化学家卡文迪许提出的，当氧和氢进行化学反应后，就结合成水的发现。水的电解是水的合成的逆过程。

这个实验的结果，从另外一个角度激发了美国又一位名叫格罗夫爵士的设想：既然水能在电解中被分解为氢和氧，那么反过来，当氢和氧进行化学反应时，是不是也会产生电呢？

1842 年，格罗夫设计了一个实验，当氢和氧在起化学作用（燃料）时， 测出它同时也产生电流，证实了自己的推测。不过当时检测的电流是那么微弱，格罗夫的实验证明并没有受到重视。

一晃就是几十年过去了，时代进入 20 世纪，电力在生活中已变得非常重要了，可发电站的建立却需要专门的建设。于是英国剑桥一位年轻的化学家培根，又想起了格罗夫的氢和氧化合时产生电流的逆反应实验。心想，这样产生的电流是不是也可以利用起来呢？一组实验得到的电流微弱，如果将电池组加大，电流不是就可以加大了吗？于是他设计了一个电池组，每个电池都有两个电极，电极是用镍粉压制的多孔平板做成的；电池是在 40％的氢氧

化钾溶液中，在高温和高压下输入氢气和氧气，结果获得了 54 瓦 24 伏的电

流。这股电流是可以用它去推动一把圆锯工作。这个实验是在 1932 年得到成

功的，但培根开始这一发明研究时，却是 27 年前的事了。

燃料电池的结构和原理其实也并不复杂。人们将含有氢的天然气等燃料从一极管道送进电池，将氧或氧化剂从另一根管道送进电池；天然气中的氢在有微孔的燃料电极上，与氢氧化钾等碱性的电解质进行氧化反应，生成带正电的离子和电子，电子通过电路跑到氧化剂那边的微孔电极上，并且在这个电极上与氧化剂、电解质进行还原反应，生成带电负离子。这样，带电正离子和负离子在电解质中结合，生成水蒸汽同时产生电能。因此，只要不断地将有氢的燃料和氧化剂供给电池，并及时把电极在反应中产生的化合物水排走，人们就能通过燃料电池将燃料产生的化学能直接转换成为电能，这叫电化学反应。由干燃料电池在反应过程中唯一的生成物就是水，因此避免了火力发电站产生大量二氧化碳和二氧化硫等有害气体的那种环境污染。也不像原子能发电站那样，必须处理带有放射性的废核燃料。

20 世纪 50 年代，美国最先开始从事燃料电池的研究，到 60 年代首次在太空飞行中使用，美国“阿波罗”登月飞船上的通信设备就实际应用了“美国型”燃料电池提供的电力，该燃料电池使用氢作燃料，纯氧作氧化剂。而飞船上航天员饮用的水，就是燃料电池的生成物——氧和氢在燃料过程中化合生成的纯净的水！

由于燃料电池直接将化学能转变成电能，燃料不经过中间燃烧，所以热能转换效率高，比火力发电的效率高 5～20％。它在化学反应时放出的热能还可能用来再发电，或生产蒸汽和热水，所以总的能量转换效率可达到 80

％。是继火力发电、水力发电、核能发电后的第四型发电装置。