第1个回答 2022-05-23
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，再由热能变成机械能驱动气轮机发电，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。能不能不经过中间燃烧等环节,直接让化学能变成电能呢?能!这就是20世纪50年代开始诞生的燃料电池。
不过，追本溯源,燃料电池理论在更早的年代就已产生了。燃料电池的设想，是从化学反应的可逆反应规律推理出来的。1790年，英国化学家尼科尔森设计了一个伏打电池堆。当他将连接电池堆两端的导线放在水里通过电流时,他发现导线的两端有气泡逸出,经过分析，这两端逸出的气泡分别是氧气和氢气，他断定氧和氢是水在电流作用下被分解而成的。尼科尔森的这个实验证明了另一位英国化学家卡文迪许提出的结论:当氧和氢进行化学反应后,就结合成水。而水的电解是水的合成的逆过程。
这个实验结果,从另外一个角度激发了美国一位名叫格罗夫爵士的设想:既然水能在电解中被分解为氧和氢,那么反过来,当氢和氧进行化学反应时,是不是可以产生电呢?1842年,格罗夫设计了一种实验方法，让氧和氢起化学反应(缓慢燃烧),结果同时测出了反应过程中产生的电流，证实了自己的设想。不过当时测出的电流非常微弱,以致他的重要实验结果没有受到科学界的足够重视。
进人20世纪20年代后,电力在生活中的地位日益重要,但发电站的建立投资大而进度缓慢,且成本高。1932年,英国剑桥大学的年轻化学家培根又想起格罗夫用氢和氧合成时产生电流的实验。他想，这样产生的电流是不是也可以利用呢?虽然一组电池得到的电流很弱,如果加大电池的容量,电流不就可以加大吗?于是，他设计了一个电池组,每个电池都有两个电极，电极是用镍粉压制的多孔平板做成的。电池是在40%氢氧化钾溶液中在高温和高压下输入氢气和氧气,结果获得了54瓦24伏的电源。用这一电池可以推动一把圆锯工作。
从此,燃料电池开始受到重视。它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,这一过程称为电化学反应。
由于这种反应过程唯一的生成物是水,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。
20世纪50年代,美国最先开始从事有实用价值的燃料电池的研究,60年代首次在太空飞行中使用,美国的“阿波罗”登月飞船上的通信设备实际就应用了美国产的燃料电池提供电力。该燃料电池使用氢作燃料,纯氧作氧化剂。而飞船上航天员饮用的水,就是燃料电池的生成物:氧和氢在燃烧过程中化合生成的纯净水!
由于燃料电池直接将化学能转变成电能燃料不经过中间燃烧,所以热能转换效率高，比火力发电的效率高5%~20%。它在化学反应时放出的热能还可以用来再发电,或生产蒸汽和热水,所以总的能量转换效率可达到80%,是继火力发电、水力发电、核能发电后的第四种类型的发电装置。
1992年,在美国加利福尼亚州圣克拉蒙市,有一座别具一格的发电厂开始发电。这家发电厂既没有熊熊燃烧的锅炉，也没噪音很大隆隆地高速旋转的气轮机，却能源源不断地发出1000千瓦的电力,足以供应20家住宅的用电。原来这是一家以天然气作为原料的试验性燃料电池发电厂。后来在加利福尼亚州圣克拉蒙市，又建了一座2000千瓦的燃料电池发电厂,并于1994年投入使用。
世界上目前在研究燃料电池中投入力量最多的是美国、日本、意大利、荷兰等国，美国和日本处于领先地位，并将燃料电池列为重要的战略能源。美国国家阿贡实验室1987年研究出一种氧化锆固体电解质燃料电池,它以氢气为燃料,工作温度为800~1000 。他们用试验证实,用一台70千克重的燃料电池,可以取代360千克重、73.5千瓦的柴油机。由于动力系统的重量大大减轻，因此,对于 汽车 、火车等交通工具所用的动力，可带来无污染高效能的革命性变化。