无响声超级发电机：燃料电池

崔金泰

逆向思维创造出“燃料电池”

1790年，英国化学家尼科尔森发现，水在电流的作用下，被分解为氧和氢两种元素，这是水的电解作用首次被发现。英国物理学家W·格罗夫对于尼科尔森发现的水的电解现象很感兴趣，也颇受启迪。他逆向思考，既然水在电解中被分解为氢和氧，那反过来当氢和氧进行化学反应时，是不是会产生电流？

于是，1839年他进行了一个大胆的试验，将氢和氧直接进行化合，结果测出了产生的电流，这就是最原始的燃料电池。不过，当时实验中产生的电流很微弱，这个最初发明的燃料电池并未受到人们的重视。然而，格罗夫逆向思维创造了新事物的举动，却启发了后来的科学家。

比火电优越的超级发电机

20世纪30年代，随着电力应用的扩大，人们发现建发电站既占用土地又污染环境，还需要大量的投资与设备。当时，英国化学家培根就思考：能有比建发电站更简便的供电办法吗？于是，他就想到了格罗夫发明的燃料电池。

培根认为，燃料电池是用氢和氧化合直接变成电流，即将燃料的化学能直接转化成电能。这个“直接转化”很重要，也是它的优点。火力发电将燃料的化学能转化成电能不是直接转化，其每次转化都要损失能量，所以发电效率很低，最高仅40%。燃料电池产生的电流虽弱，若将单个电池组合起来电流不就增大了吗！

1932年，培根设计了一个燃料电池组，每个电池都有两个电极，电池内盛装有40%的氢氧化钾溶液，其在高温、高压下向电池输入氢和氧后，获得了24伏52瓦的电流。这就是世界上最早诞生的燃料电池。

燃料电池通常由阳极、阴极、电解质和外电路构成，阳极为氢电极，阴极为氧电极，在阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（用来加速电极上发生电化学反应），两极之间是电解质。燃料电池据使用的电解质不同，分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池因启动快、温度低、寿命长等特点，成为应用最广泛和最先得到应用的燃料电池。20世纪60年代初，美国航空航天局曾7次将它用于双子座太空飞船。当时，这种燃料电池的使用寿命仅为500小时。

真正实用的燃料电池，于1958年在美国正式问世。它的输出功率为5千瓦，工作温度为200℃，产生的电力足以开动风钻和电车。20世纪60年代，燃料电池因体积小、重量轻、效率高、无污染率先用作美国“阿波罗”太空飞船电源。

20世纪90年代，在美国加州圣拉蒙市出现了一座既不冒烟又无响声的特殊发电站，它源源不断地发出1000千瓦的电力，足以供应20户住宅的用电。

加拿大于21世纪初建成一艘以质子交换膜燃料电池作为电源的潜艇，其功率为300千瓦，巡航速度达8节。

我国早在20世纪70年代初就研制成功潜艇用20千瓦大功率碱性燃料电池。随后，制成上海牌燃料电池小轿车，发动机功率达55千瓦，最高时速为150千米。2016年，我国上海交通大学研发的质子交换膜燃料电池，在保持高性能的前提下，使用寿命长达6000小时，完全可满足最新一代“奔驰”燃料电池车设计要求。目前，我国科技人员已攻克燃料电池的重大关键技术，跻身于世界发展燃料电池国家的前列。

备受青睐 大有可为

燃料电池备受青昧，还在于它可大可小，能以不同规格适应现代社会需要：

大型燃料电池，主要指发电站用的燃料电池，其功率从几十千瓦到几百千瓦，最大可达1万千瓦以上。目前，全球已有燃料电池发电站百余座，总装机容量超过5万千瓦。

小型燃料电池，主要有家庭供电用的燃料电池和供小轿车、公共汽车用的燃料电池。家庭供电用的燃料电池，功率为千瓦级。小汽车尤或公共汽车可釆用由20个燃料电池组合的电池组，总功率达100千瓦至200千瓦。现在以200千瓦燃料电池驱动的公交车，已在欧洲的巴塞罗那、汉堡、伦敦等地运行。

微型燃料电池，主要供个人电器，如笔记本电脑和智能手机充电，其功率仅为几瓦至几十瓦。

随着经济的发展、人口流动性越来越大、企业对灵活能源需求的日益旺盛，分布式发电发展前景广阔。燃料电池能适合这些需要，可供家庭及各种规模的企业选用，将会大有作为。