崔金泰

逆向思維創(chuàng)造出“燃料電池”

1790年，英國(guó)化學(xué)家尼科爾森發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)。英國(guó)物理學(xué)家W·格羅夫?qū)τ谀峥茽柹l(fā)現(xiàn)的水的電解現(xiàn)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(dāng)氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，是不是會(huì)產(chǎn)生電流？

于是，1839年他進(jìn)行了一個(gè)大膽的試驗(yàn)，將氫和氧直接進(jìn)行化合，結(jié)果測(cè)出了產(chǎn)生的電流，這就是最原始的燃料電池。不過，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的電流很微弱，這個(gè)最初發(fā)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(chuàng)造了新事物的舉動(dòng)，卻啟發(fā)了后來的科學(xué)家。

比火電優(yōu)越的超級(jí)發(fā)電機(jī)

20世紀(jì)30年代，隨著電力應(yīng)用的擴(kuò)大，人們發(fā)現(xiàn)建發(fā)電站既占用土地又污染環(huán)境，還需要大量的投資與設(shè)備。當(dāng)時(shí)，英國(guó)化學(xué)家培根就思考：能有比建發(fā)電站更簡(jiǎn)便的供電辦法嗎？于是，他就想到了格羅夫發(fā)明的燃料電池。

培根認(rèn)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。這個(gè)“直接轉(zhuǎn)化”很重要，也是它的優(yōu)點(diǎn)?；鹆Πl(fā)電將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能不是直接轉(zhuǎn)化，其每次轉(zhuǎn)化都要損失能量，所以發(fā)電效率很低，最高僅40%。燃料電池產(chǎn)生的電流雖弱，若將單個(gè)電池組合起來電流不就增大了嗎！

1932年，培根設(shè)計(jì)了一個(gè)燃料電池組，每個(gè)電池都有兩個(gè)電極，電池內(nèi)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(zhì)和外電路構(gòu)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)），兩極之間是電解質(zhì)。燃料電池?fù)?jù)使用的電解質(zhì)不同，分為質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池因啟動(dòng)快、溫度低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣泛和最先得到應(yīng)用的燃料電池。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)航空航天局曾7次將它用于雙子座太空飛船。當(dāng)時(shí)，這種燃料電池的使用壽命僅為500小時(shí)。

真正實(shí)用的燃料電池，于1958年在美國(guó)正式問世。它的輸出功率為5千瓦，工作溫度為200℃，產(chǎn)生的電力足以開動(dòng)風(fēng)鉆和電車。20世紀(jì)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(guó)“阿波羅”太空飛船電源。

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

加拿大于21世紀(jì)初建成一艘以質(zhì)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(dá)8節(jié)。

我國(guó)早在20世紀(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)55千瓦，最高時(shí)速為150千米。2016年，我國(guó)上海交通大學(xué)研發(fā)的質(zhì)子交換膜燃料電池，在保持高性能的前提下，使用壽命長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)，完全可滿足最新一代“奔馳”燃料電池車設(shè)計(jì)要求。目前，我國(guó)科技人員已攻克燃料電池的重大關(guān)鍵技術(shù)，躋身于世界發(fā)展燃料電池國(guó)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(guī)格適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)需要：

大型燃料電池，主要指發(fā)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(dá)1萬千瓦以上。目前，全球已有燃料電池發(fā)電站百余座，總裝機(jī)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(jí)。小汽車尤或公共汽車可釆用由20個(gè)燃料電池組合的電池組，總功率達(dá)100千瓦至200千瓦。現(xiàn)在以200千瓦燃料電池驅(qū)動(dòng)的公交車，已在歐洲的巴塞羅那、漢堡、倫敦等地運(yùn)行。

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

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口流動(dòng)性越來越大、企業(yè)對(duì)靈活能源需求的日益旺盛，分布式發(fā)電發(fā)展前景廣闊。燃料電池能適合這些需要，可供家庭及各種規(guī)模的企業(yè)選用，將會(huì)大有作為。