少年科學粉｜被譽為「無響聲超級發電機」的燃料電池是怎麼發明的？
撰文/崔金泰
本文選自《知識就是力量》雜誌
燃料電池，這可是電池家族中的異類，正顛覆著人們對電池的概念。它能把燃料的化學能連續而直接地變為電能，神奇吧？它的發電效率高過火力發電站，還不排放污染環境的廢氣，也沒有惱人的轟鳴噪音，被譽為「無響聲超級發電機」。
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·格羅夫對於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？
於是，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並未受到人們的重視。然而，格羅夫逆向思維創造了新事物的舉動，卻啟發了後來的科學家。
20世紀30年代，隨著電力應用的擴大，人們發現建發電站既佔用土地又污染環境，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？於是，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後，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。
燃料電池工作原理圖
比火電優越的超級發電機
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、鹼性燃料電池、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次將它用於雙子座太空飛船。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，於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鑽和電車。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，在美國加州聖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。
加拿大於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年代初就研製成功潛艇用20千瓦大功率鹼性燃料電池。隨後，製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「賓士」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，躋身於世界發展燃料電池國家的前列。
未來，燃料電池發電將進入工業化規模階段，將成為繼火電、水電、核電後的第四代發電方式，並被譽為21世紀的能源之星。
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