大自然的恩赐：化学反应发电的创新技术

在日本关西电力公司的一个电厂里，有一套奇特的发电设备。它不像常规的火力发电设备需要把燃料放到锅炉里燃烧，让水变成蒸汽来推动汽轮发电机组运转。它仿佛是长着两张嘴的怪兽，一张嘴不停地吃进燃料，另一张嘴不停地吞下空气，就能直截了当地，而且悄无声响地发出高达69.7151万千瓦时的电来。

这种设备的正式名称叫燃料电池。跟手电筒里的干电池、汽车上的蓄电池一样，都是化学电源家庭的成员，都有把物质的化学能直接转换成电能的本领。燃料电池是由正、负电极和电解喷组成。正、负电极上的活性物质同电解质一起发生化学反应，便有电子从负极经外电路跑到正极，再回到电池内，形成回路，从而为外电路上的电气设备源源不断地供电。不过，无论是干电池还是蓄电池，其参与化学反应的活性物质都是电池本身所固有的。就干电池来说，活性物质消耗完了，电池就不能再用，得换新的了。就蓄电池来说，电能快要用完时得用外接的电源给它充电，重新产生化学能储蓄在电池内，以备继续放电使用。燃料电池的独特之处在于：正负电极上的活性物质可以从电池外面随用随取，这就使其永远不会“饿肚子”。既不担心活性物质消耗完就寿终正寝，也不需麻烦人们适时充电，来恢复原有的活力。只要燃料电池本身的筋骨结实，防腐蚀性能好，就能较长时期地为人类服务。燃料电池的寿命可以长到几千小时，能产生很大的电功率，足以代替常规的火力发电设备供电。当然，燃料电池产生的是直流电，如想把发的电接到电网上去，只要把直流电变换成交流市电就可以了。

燃料电池吃进燃料的那张嘴通到负极，负极上有无数小孔，便于燃料渗透、扩散到电池里去。吃的燃料可以是天然气、甲醇或轻质石油产品。燃料电池的另一张嘴通到正极，吃进的是氧化剂，有时干脆就是空气。从这两张嘴送进来的活性物质同燃料电池肚子里的电解质发生化学反应后，除产生电能送到外电路外，还排泄出副产物，这主要是水和二氧化碳气体。在排泄这些副产物时伴随着排出废热，所以燃料电池在供电的同时还可以供热。

燃料电池并不是什么新的发明物，早在1个多世纪以前就在英国出现了，但由于制造花费的成本太高，长期没有能广泛应用。最近10年，由于世界能源紧张，美、日两国才不惜以巨大的人力和财力来开发我。前面已经说过，燃料电池是把燃料的化学能直接转换为电能的，比起把燃料的化学能先转换成热能再由热能转换成电能的火力发电方式来，能量转换过程中的损失要少，发出同样大的电能所消耗的燃料也就减少了。这对于缓和能源紧张的状况实在是一大福音！目前的发电效率已接近40%，燃料电池下一代的发电效率可望达到50%～60%，而常规发电机的最大发电效率才45%～50%。可见，用燃料电池发电，节约燃料的潜力很大。

燃料电池

燃料电池这一代在地面已投入实用的燃料电池以磷酸为电解质，简称磷酸电池，在环境压力和温度下能产生几百千瓦的功率；如压力和温度较高（温度达到220℃），产生的功率就更大。现在，功率为200千瓦，用作辅助发电手段的磷酸电池，已经由美国和日本商人联合投资的国际燃料电池公司制成商品出售。估计还将另有一批磷酸电池产品上市，先用于宾馆、医院、饭店和其他建筑物，特别是用于需要同时供热的处所，以及供电有困难的海岛上。在日本，功率高达11兆瓦的磷酸电池发电设备正在试验之中。这是当今世界上最大的燃料电池试验计划。(www.xing528.com)

人们窃窃私语，燃料电池太娇贵奢侈了。这个批评合乎事实，因为其用了贵重的白金（铂）做催化剂，来促进化学反应。这使讲究经济效益的生产厂家感到很头痛。为了降低燃科电池的成本，美国人和日本人把20世纪50年代荷兰人首创的“熔融碳酸盐技术”捡了起来加以发展，制成了以熔融碳酸盐为电解质的燃料电池。这是燃料电池家庭的第二代。这些后生工作于650℃的高温，这时所用的电解质——碳酸锂和碳酸钾就成为熔融的液体了。所用燃料有天然气、甲醇、石油产品和煤气。用做催化剂的是价格不太高的镍或银，而不再是贵金属铂，所以成本大大降低。后生们的发电效率也比上一代——这些低温燃料电池的高，最高可以达到60%。日本在1988年研制出了10千瓦的熔融碳酸盐电池之后，又打算做出100千瓦的产品。这种产品的系统设计由日本发电系统技术研究协会按“月光计划”的要求进行。已建成1兆瓦的第二代燃料电池实验发电工厂。

但是，无论是磷酸电池还是熔融碳酸盐电池，都存在电解质泄漏和耗损的缺陷。针对这一点，研究人员又动脑筋研制固体氧化物电池。这是燃料电池家庭的第三代。这一代电池所用的电解质是由三氧化二钇来稳定的固体二氧化锆，它不像液体电解质有腐蚀性、易泄漏和发生损耗。第三代电池所用的燃料跟第二代相同。在1000℃的工作温度下，电池的化学反应进行得很快，所以在电池的单位体积或重量内产生的能量很高。跟第二代类似，这一代的发电效率也很高，达到50%以上。日本打算先做出功率不超过几百瓦的固体氧化物电池来，然后再求发展。

在燃料电池家庭中，除了上面这几代用于地面的以外，还有一种以氢氧化钾为电解质的碱性电池，以纯氢做燃料，工作于室温到100℃的温度范围内，发电效率达到60%。它供特殊场合使用，例如用在航天飞机上。

总的来说，目前燃料电池的价格还比较高。所以，日本在其新能源研究开发计划中，要求把降低燃料电池的价格作为特殊重要的问题来解决。日本人估计，磷酸燃料电池的价格到2010年前后，有可能降到每千瓦1200～2000美元。可以预见，从21世纪初期开始，我们燃料电池将会作为重要能源广泛地被应用起来。