氢能源革命即将爆发 清洁环保的燃料电池

燃料电池

　　如今有一项技术，全世界各大企业每年都要投入总计数十亿美元的巨资竞相研究和开发，那就是“燃料电池”。燃料电池是利用氢和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。所依据的原理，是中学课程中“水的电解”反应的逆反应。

　　燃料电池一旦得到普遍应用，那么，我们现在这个使用着终归会消耗殆尽的化石燃料的社会便将步入一个使用氢能源的新型社会，而这种氢能源，实际上永远也不会枯竭。可以毫不夸张地说，燃料电池即将引发自工业革命以来的又一次大变革。

　　燃料电池将极大地改变我们的生活。将来，手机和笔记本电脑上所使用的电池全都会换成燃料电池。各家各户都安装有一套燃料电池，提供全家生活所需要的全部电力。所有的汽车全都配备了燃料电池，再也不必担心石油价格暴涨，只需使用可再生的天然能源所生产的氢气就可以随意行驶。世界上一切动力机所使用的电力，大概都可以从燃料电池获得。

　　那么，燃料电池产生电力的原理是什么？有哪些优点？还有哪些难题需要解决？本文将从多个方面介绍受到世人关注的“燃料电池”的情况。

　　巨大的燃料电池市场

　　人类的生活需要消费能源，新型能源装置的出现，自然会引起人类社会的巨大变革。18世纪的工业革命就是以热机的登场为其先导。蒸汽机等热机的出现导致了工业机械化，使得许许多多的物品实现了大批量生产。

　　在21世纪，人类社会也许就要迎来自工业革命以来的再一次巨大变革。这一次的主角是“燃料电池”。燃料电池是一种利用氢为燃料的新型发电装置。这种氢燃料，将来可以利用太阳能等可再生能源从取之不尽的海水中提取。到那时，人人都不再使用昂贵的石油作为燃料，而将选择对环境没有不利影响的氢气。届时的发电装置，则是燃料电池。

　　不用等到本世纪结束，以汽油为燃料的汽车大概就会消失，而被燃料电池车所代替。火力发电站和蜘蛛网似的输电线也许不再需要，家家户户都有一套燃料电池，实现了分散供电。燃料电池的出现将推动一切工业部门的新陈代谢，向我们预示人类社会即将发生又一次大变革。

　　据日本经济产业省预测，到2020年，日本国内的燃料电池市场有可能达到800亿美元的规模(2001年公布的资料)。到本世纪中叶，燃料电池更会开辟出一个巨大的市场。

　　燃料电池对人类社会的影响如此巨大，但是它的原理却并不复杂，依据的不过是中学课程学习过的一种简单的化学反应。

　　燃料电池的基本结构是两块电极，电极之间则夹持着“电解质”。所谓电解质，是一种其中可以通过离子(带有电荷的原子或分子)却不能通过电子的物质。向其中一块电极(负极)送入作为燃料的氢气(H2)，负极中所含的铂发挥催化剂(一种可以加速化学反应速度而自身最后不改变的物质)作用，从氢原子上夺下电子，使之成为氢离子(H+)而顺利通过电解质。电子不能通过电解质，则蓄积在负电极上。

　　与此同时，向另一块电极(正极)送入氧气(O2)。在正极，也是在其中所含的铂的催化作用下，氧原子与从负极通过电解质来到正极的氢离子结合，而形成水(H2O)。然而，这样一种化学反应还必须要有电子的参与。

　　如上所述，这时负极上蓄积有电子，而正极又需要电子，于是，若用导线把负极与正极连接起来形成回路，电子就会从负极沿着导线流向正极，也就是说，导线上有电流通过。这就是燃料电池产生电力的原理。

　　称为电池，容易使人联想到“电的贮存池”。例如干电池，其外壳内预先装有一定数量的燃料和氧化剂，这两种物质耗尽，就不能继续产生电力。然而燃料电池却不是这样，它是从外部源源不断地供给燃料和氧化剂，因而可以持续产生电力。在这种意义上，燃料电池与其说是产生电力的“电池”，还不如说是一种“发电装置”。

　　通过串联组合增大燃料电池的电压，能够为移动电话甚至汽车提供动力

　　“两块铂电极，中间夹着电解质”，这就构成燃料电池的一个单元，叫做“单体电池”。单体电池，其电压虽然会因所用的燃料和电极的种类不同而有差异，或者高一点，或者低一点，但电压只有一伏左右，同干电池的电压差不多。这样的电压当然无法驱动汽车。

　　要得到比较高的电压，只需要把许多单体电池串联组合在一起。多块单体电池正负极首尾串接起来所形成的这种组合，叫做“电池堆”，也叫做“电池组”。组成电池堆，除了单体电池本身之外，在单体电池和单体电池之间还必须插入隔离板。

　　移动电话所需要的电压，只需将数个单体电池组成电池堆就能够满足要求。家庭用的电力，也只需要由20几个单体电池所组成电池堆。但是，用来驱动汽车，则非得要用200个以上的单体电池所组成的大电池堆不可。燃料电池堆所用的单体电池个数增加，使用的铂电极、电解质和隔离板也要相应增加。然而在目前，这三种部件的价格都十分昂贵，每一件都要值数百美元。显然，普及燃料电池，前提是必须大幅度降低这些部件的成本。

　　不仅如此，在汽车上安装燃料电池堆，还需要设法减小电池堆的体积。为此，就要把铂电极、电解质和隔离板做薄，改进技术，尽可能达到它们的最薄极限。燃料电池的基本原理尽管十分简单，但是用来驱动汽车，由于需要的是能够输出大功率的电池堆，因而对技术的要求是非常高的。