氫能源革命即將爆發

2006-12-15 22:37 如今有一項技術，全世界各大企業每年都要投入總計數十億美元的巨資競相研究和開發，那就是「燃料電池」。

 燃料電池

如今有一項技術，全世界各大企業每年都要投入總計數十億美元的巨資競相研究和開發，那就是「燃料電池」。燃料電池是利用氫和氧生成水的過程來產生電力的一種裝置。所依據的原理，是中學課程中「水的電解」反應的逆反應。

燃料電池一旦得到普遍應用，那麼，我們現在這個使用著終歸會消耗殆盡的化石燃料的社會便將步入一個使用氫能源的新型社會，而這種氫能源，實際上永遠也不會枯竭。可以毫不誇張地說，燃料電池即將引發自工業革命以來的又一次大變革。

燃料電池將極大地改變我們的生活。將來，手機和 筆記本電腦上所使用的電池全都會換成燃料電池。各家各戶都安裝有一套燃料電池，提供全家生活所需要的全部電力。所有的汽車全都配備了燃料電池，再也不必擔心 石油價格暴漲，只需使用可再生的天然 能源所生產的氫氣就可以隨意行駛。世界上一切動力機所使用的電力，大概都可以從燃料電池獲得。

那麼，燃料電池產生電力的原理是什麼？有哪些優點？還有哪些難題需要解決？本文將從多個方面介紹受到世人關注的「燃料電池」的情況。

翻譯/王鳴陽

巨大的燃料電池市場

人類的生活需要消費能源，新型能源裝置的出現，自然會引起人類社會的巨大變革。18世紀的工業革命就是以熱機的登場為其先導。蒸汽機等熱機的出現導致了工業機械化，使得許許多多的物品實現了大批量生產。

在21世紀，人類社會也許就要迎來自工業革命以來的再一次巨大變革。這一次的主角是「燃料電池」。燃料電池是一種利用氫為燃料的新型發電裝置。這種氫燃料，將來可以利用太陽能等可再生能源從取之不盡的海水中提取。到那時，人人都不再使用昂貴的石油作為燃料，而將選擇對環境沒有不利影響的氫氣。屆時的發電裝置，則是燃料電池。

不用等到本世紀結束，以汽油為燃料的汽車大概就會消失，而被燃料電池車所代替。火力發電站和蜘蛛網似的輸電線也許不再需要，家家戶戶都有一套燃料電池，實現了分散供電。燃料電池的出現將推動一切工業部門的新陳代謝，向我們預示人類社會即將發生又一次大變革。

據日本經濟產業省預測，到2020年，日本國內的燃料電池市場有可能達到800億美元的規模(2001年公布的資料)。到本世紀中葉，燃料電池更會開闢出一個巨大的市場。

燃料電池對人類社會的影響如此巨大，但是它的原 理卻並不複雜，依據的不過是中學課程學習過的一種簡單的化學反應。

燃料電池的基本結構是兩塊電極，電極之間則夾持著「電解質」。所謂電解質，是一種其中可以通過離子(帶有電荷的原子或分子)卻不能通過電子的物質。向其中一塊電極(負極)送入作為燃料的氫氣(H2)，負極中所含的鉑發揮催化劑(一種可以加速化學反應速度而自身最後不改變的物質)作用，從氫原子上奪下電子，使之成為氫離子(H+)而順利通過電解質。電子不能通過電解質，則蓄積在負電極上。

與此同時，向另一塊電極(正極)送入氧氣(O2)。在正極，也是在其中所含的鉑的催化作用下，氧原子與從負極通過電解質來到正極的氫離子結合，而形成水(H2O)。然而，這樣一種化學反應還必須要有電子的參與。

如上所述，這時負極上蓄積有電子，而正極又需要電子，於是，若用導線把負極與正極連接起來形成回路，電子就會從負極沿著導線流向正極，也就是說，導線上有電流通過。這就是燃料電池產生電力的原理。

稱為電池，容易使人聯想到「電的貯存池」。例如乾電池，其外殼內預先裝有一定數量的燃料和氧化劑，這兩種物質耗盡，就不能繼續產生電力。然而燃料電池卻不是這樣，它是從外部源源不斷地供給燃料和氧化劑，因而可以持續產生電力。在這種意義上，燃料電池與其說是產生電力的「電池」，還不如說是一種「發電裝置」。

通過串聯組合增大燃料電池的電壓，能夠為行動電話甚至汽車提供動力

「兩塊鉑電極，中間夾著電解質」，這就構成燃料電池的一個單元，叫做「單體電池」。單體電池，其電壓雖然會因所用的燃料和電極的種類不同而有差異，或者高一點，或者低一點，但電壓只有一伏左右，同乾電池的電壓差不多。這樣的電壓當然無法驅動汽車。

要得到比較高的電壓，只需要把許多單體電池串聯組合在一起。多塊單體電池正負極首尾串接起來所形成的這種組合，叫做「電池堆」，也叫做「電池組」。組成電池堆，除了單體電池本身之外，在單體電池和單體電池之間還必須插入隔離板。

行動電話所需要的電壓，只需將數個單體電池組成電池堆就能夠滿足要求。家庭用的電力，也只需要由20幾個單體電池所組成電池堆。但是，用來驅動汽車，則非得要用200個以上的單體電池所組成的大電池堆不可。燃料電池堆所用的單體電池個數增加，使用的鉑電極、電解質和隔離板也要相應增加。然而在目前，這三種部件的價格都十分昂貴，每一件都要值數百美元。顯然，普及燃料電池，前提是必須大幅度降低這些部件的成本。

不僅如此，在汽車上安裝燃料電池堆，還需要設法減小電池堆的體積。為此，就要把鉑電極、電解質和隔離板做薄，改進技術，儘可能達到它們的最薄極限。燃料電池的基本原理儘管十分簡單，但是用來驅動汽車，由於需要的是能夠輸出大功率的電池堆，因而對技術的要求是非常高的。