無響聲超級發電機：燃料電池

崔金泰

逆向思維創造出“燃料電池”

1790年，英國化學家尼科爾森發現，水在電流的作用下，被分解為氧和氫兩種元素，這是水的電解作用首次被發現。英國物理學家W·格羅夫對于尼科爾森發現的水的電解現象很感興趣，也頗受啟迪。他逆向思考，既然水在電解中被分解為氫和氧，那反過來當氫和氧進行化學反應時，是不是會產生電流？

于是，1839年他進行了一個大膽的試驗，將氫和氧直接進行化合，結果測出了產生的電流，這就是最原始的燃料電池。不過，當時實驗中產生的電流很微弱，這個最初發明的燃料電池并未受到人們的重視。然而，格羅夫逆向思維創造了新事物的舉動，卻啟發了后來的科學家。

比火電優越的超級發電機

20世紀30年代，隨著電力應用的擴大，人們發現建發電站既占用土地又污染環境，還需要大量的投資與設備。當時，英國化學家培根就思考：能有比建發電站更簡便的供電辦法嗎？于是，他就想到了格羅夫發明的燃料電池。

培根認為，燃料電池是用氫和氧化合直接變成電流，即將燃料的化學能直接轉化成電能。這個“直接轉化”很重要，也是它的優點。火力發電將燃料的化學能轉化成電能不是直接轉化，其每次轉化都要損失能量，所以發電效率很低，最高僅40%。燃料電池產生的電流雖弱，若將單個電池組合起來電流不就增大了嗎！

1932年，培根設計了一個燃料電池組，每個電池都有兩個電極，電池內盛裝有40%的氫氧化鉀溶液，其在高溫、高壓下向電池輸入氫和氧后，獲得了24伏52瓦的電流。這就是世界上最早誕生的燃料電池。

燃料電池通常由陽極、陰極、電解質和外電路構成，陽極為氫電極，陰極為氧電極，在陽極和陰極上都含有一定量的催化劑（用來加速電極上發生電化學反應），兩極之間是電解質。燃料電池據使用的電解質不同，分為質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。質子交換膜燃料電池因啟動快、溫度低、壽命長等特點，成為應用最廣泛和最先得到應用的燃料電池。20世紀60年代初，美國航空航天局曾7次將它用于雙子座太空飛船。當時，這種燃料電池的使用壽命僅為500小時。

真正實用的燃料電池，于1958年在美國正式問世。它的輸出功率為5千瓦，工作溫度為200℃，產生的電力足以開動風鉆和電車。20世紀60年代，燃料電池因體積小、重量輕、效率高、無污染率先用作美國“阿波羅”太空飛船電源。

20世紀90年代，在美國加州圣拉蒙市出現了一座既不冒煙又無響聲的特殊發電站，它源源不斷地發出1000千瓦的電力，足以供應20戶住宅的用電。

加拿大于21世紀初建成一艘以質子交換膜燃料電池作為電源的潛艇，其功率為300千瓦，巡航速度達8節。

我國早在20世紀70年代初就研制成功潛艇用20千瓦大功率堿性燃料電池。隨后，制成上海牌燃料電池小轎車，發動機功率達55千瓦，最高時速為150千米。2016年，我國上海交通大學研發的質子交換膜燃料電池，在保持高性能的前提下，使用壽命長達6000小時，完全可滿足最新一代“奔馳”燃料電池車設計要求。目前，我國科技人員已攻克燃料電池的重大關鍵技術，躋身于世界發展燃料電池國家的前列。

備受青睞 大有可為

燃料電池備受青昧，還在于它可大可小，能以不同規格適應現代社會需要：

大型燃料電池，主要指發電站用的燃料電池，其功率從幾十千瓦到幾百千瓦，最大可達1萬千瓦以上。目前，全球已有燃料電池發電站百余座，總裝機容量超過5萬千瓦。

小型燃料電池，主要有家庭供電用的燃料電池和供小轎車、公共汽車用的燃料電池。家庭供電用的燃料電池，功率為千瓦級。小汽車尤或公共汽車可釆用由20個燃料電池組合的電池組，總功率達100千瓦至200千瓦?，F在以200千瓦燃料電池驅動的公交車，已在歐洲的巴塞羅那、漢堡、倫敦等地運行。

微型燃料電池，主要供個人電器，如筆記本電腦和智能手機充電，其功率僅為幾瓦至幾十瓦。

隨著經濟的發展、人口流動性越來越大、企業對靈活能源需求的日益旺盛，分布式發電發展前景廣闊。燃料電池能適合這些需要，可供家庭及各種規模的企業選用，將會大有作為。