氢与燃料电池是什么关系？

我们知道，除伏打电池外，所有化学能在转变成电能之前，几乎都要经过中间燃烧，先得到热能，再由热能转换成机械能驱动汽轮机发电，把机械能再转变成电能。由于通过这些中间环节，所以要损失许多能量，转变效率很低，一般的火力发电，消耗的燃料只有10％左右能转变成电力。而20世纪50年代诞生的燃料电池可以省掉中间燃烧等环节，直接让化学能变成电能。

简单地说，燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将储存在燃料与氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。

为了更好地了解燃料电池，我们有必要明白“燃料”和“电池”这两个概念。

氢能的应用前面我们谈到过，为了利用煤或石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。也就是说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而燃料非常便宜，这种浪费也不妨碍我们生产大量的电力，因而无需昂贵的费用，也还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花费数十亿美元。

燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。

燃料电池实质上是根据控制氢弹爆炸的理论设计的，太空船的太阳能板所聚集的电磁和太阳能将会转换成电能，而电能会用来慢慢地将存放在燃料电池内的氢置换成燃料。燃料电池内也含了一小部分受控制量的可进行核分裂的物质，这些物质依序用来与氢核进行核反应。核反应在燃料电池内进行，在太空旅程中提供高能量并加速离子引擎来推进太空船。在最后的旅程阶段，燃料电池提供了燃料火箭动力所需的氢。这整个过程受控在强大的电磁下，它能提供能量并且避免过量的能量外泄导致反应炉核心熔毁。核反应的一项副产物——热能，则被燃料电池的外壁吸收并转换成供给电脑、维生系统和其他必要功用的电能。

燃料电池的结构和制造都比较简单。人们可以将含有氢的天然气等燃料从一根管道送进电池，将氧或氧化剂从另一根管道送进电池；天然气中的氢在有微孔的燃料电极上与氢氧化钾等碱性电解质进行氧化反应，生成带正电的离子和电子；电子通过电路进入氧化剂那边的微孔电极上，并在这个电极上与氧化剂及电解质进行还原反应，生成带负电的离子。这样，正负离子在电解质中结合，生成水蒸气并产生电能。因此只要不断将含有氢的燃料和氧化剂供给电池，并及时把电极在反应过程中产生的化合物(水)排出，就能通过燃料电池将燃料产生的化学能直接转换成电能，这一过程被称为电化学反应。

由于这种反应过程惟一的生成物是水，从而避免了火力发电站产生大量二氧化碳和二氧化硫等有害气体对环境的污染。也不像原子能发电站那样，必须处理带有放射性的核废料。

美国科学家最近研制出世界上最小的燃料电池，这种电池的直径只有3毫米，可以产生0.7伏的电压并能持续供电30个小时，这种燃料电池可以在不消耗电的情况下发电，它由4个部分组成。上一层是储水池，下层是一个装有金属氢化物的燃料堂，中间以一层薄膜隔开，在金属氢化物的燃料堂下方，还有一组电极。薄膜上还有许多小孔，使得储水池中的水分子可以以水蒸气的形式进入燃料堂，水分子进入燃料堂后，与金属氢化物发生化学反应并产生氢气。氢气随之会充满整个燃料堂，并向上冲击薄膜。阻止水流继续流入，然后氢气会在燃料堂下层的电极处发生化学反应，形成电流。