燃料电池，这可是电池家族中的异类，正颠覆着人们对电池的概念。它能把燃料的化学能连续而直接地变为电能，神奇吧？它的发电效率高过火力发电站，还不排放污染环境的废气，也没有恼人的轰鸣噪音，被誉为“无响声超级发电机”。
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。
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。
燃料电池工作原理图
比火电优越的超级发电机
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。
未来，燃料电池发电将进入工业化规模阶段，将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式，并被誉为21世纪的能源之星。
撰文/崔金泰
本文选自《知识就是力量》杂志
