科學(xué)百科第89期丨什么是燃料電池？它們?cè)诎l(fā)電上有什么優(yōu)點(diǎn)？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書(shū)是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

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第八十九個(gè)問(wèn)題：

什么是燃料電池？

它們?cè)诎l(fā)電上有什么優(yōu)點(diǎn)？

燃料電池是一種用于發(fā)電的裝置，為了了解它的價(jià)值，讓我們分別研究一下“燃料”和“電池”這兩個(gè)詞。

為了利用煤或者石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電，必須先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說(shuō)，我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽缓蟀褵崮苻D(zhuǎn)換為電能。

在這種雙轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，許多原來(lái)的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，而無(wú)需昂貴的費(fèi)用。

還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無(wú)需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此，我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根稱(chēng)為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大，因此，如果這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來(lái)，電子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。

這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種電流就會(huì)繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。

在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車(chē)?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。

在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。如果你試圖使用足夠的鋅或類(lèi)似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。

燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能也通過(guò)一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔埽韧ǔＭㄟ^(guò)兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類(lèi)提供的電量就大大地增加了。

問(wèn)題在于難以制備一種確實(shí)能以可靠方式進(jìn)行工作的燃料電池。已制備了這樣的電池，其中是靠氫和氧的結(jié)合來(lái)產(chǎn)生電能，但氫仍然是很昂貴的。有人用一氧化碳來(lái)代替氫，這倒是便宜一些。最近還制備了利用污水與氧的結(jié)合在細(xì)菌作用的影響下產(chǎn)生電能的電池。無(wú)疑，把污水轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷南敕ㄊ橇钊斯奈璧模⒖山鉀Q兩個(gè)問(wèn)題：使宜的電力和廢物的處理。

在燃料電池確實(shí)可供實(shí)用之前，還有許多工作要做，但它們代表著一種光明的前景。