我們知道，除伏打電池外，所有化學(xué)能在轉(zhuǎn)變成電能之前，幾乎都要經(jīng)過中間燃燒，先得到熱能，再由熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，把機(jī)械能再轉(zhuǎn)變成電能。由于通過這些中間環(huán)節(jié)，所以要損失許多能量，轉(zhuǎn)變效率很低，一般的火力發(fā)電，消耗的燃料只有10％左右能轉(zhuǎn)變成電力。而20世紀(jì)50年代誕生的燃料電池可以省掉中間燃燒等環(huán)節(jié)，直接讓化學(xué)能變成電能。

簡單地說，燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)是一種將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。

為了更好地了解燃料電池，我們有必要明白“燃料”和“電池”這兩個(gè)概念。

氫能的應(yīng)用前面我們談到過，為了利用煤或石油這樣的燃料來發(fā)電，必須先燃燒煤或石油。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，蒸汽則可以用來使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。也就是說，我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽�然后把熱能轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過程中，許多原來的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而燃料非常便宜，這種浪費(fèi)也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，因而無需昂貴的費(fèi)用，也還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無需先轉(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，電子就會(huì)通過導(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)反過來發(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?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池。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^一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｈ欢�，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花費(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進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能也通過一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔埽�比通常通過兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類提供的電量就大大地增加了。

燃料電池實(shí)質(zhì)上是根據(jù)控制氫彈爆炸的理論設(shè)計(jì)的，太空船的太陽能板所聚集的電磁和太陽能將會(huì)轉(zhuǎn)換成電能，而電能會(huì)用來慢慢地將存放在燃料電池內(nèi)的氫置換成燃料。燃料電池內(nèi)也含了一小部分受控制量的可進(jìn)行核分裂的物質(zhì)，這些物質(zhì)依序用來與氫核進(jìn)行核反應(yīng)。核反應(yīng)在燃料電池內(nèi)進(jìn)行，在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來推進(jìn)太空船。在最后的旅程階段，燃料電池提供了燃料火箭動(dòng)力所需的氫。這整個(gè)過程受控在強(qiáng)大的電磁下，它能提供能量并且避免過量的能量外泄導(dǎo)致反應(yīng)爐核心熔毀。核反應(yīng)的一項(xiàng)副產(chǎn)物——熱能，則被燃料電池的外壁吸收并轉(zhuǎn)換成供給電腦、維生系統(tǒng)和其他必要功用的電能。

燃料電池的結(jié)構(gòu)和制造都比較簡單。人們可以將含有氫的天然氣等燃料從一根管道送進(jìn)電池，將氧或氧化劑從另一根管道送進(jìn)電池；天然氣中的氫在有微孔的燃料電極上與氫氧化鉀等堿性電解質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成帶正電的離子和電子；電子通過電路進(jìn)入氧化劑那邊的微孔電極上，并在這個(gè)電極上與氧化劑及電解質(zhì)進(jìn)行還原反應(yīng)，生成帶負(fù)電的離子。這樣，正負(fù)離子在電解質(zhì)中結(jié)合，生成水蒸氣并產(chǎn)生電能。因此只要不斷將含有氫的燃料和氧化劑供給電池，并及時(shí)把電極在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的化合物(水)排出，就能通過燃料電池將燃料產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，這一過程被稱為電化學(xué)反應(yīng)。

由于這種反應(yīng)過程惟一的生成物是水，從而避免了火力發(fā)電站產(chǎn)生大量二氧化碳和二氧化硫等有害氣體對(duì)環(huán)境的污染。也不像原子能發(fā)電站那樣，必須處理帶有放射性的核廢料。

美國科學(xué)家最近研制出世界上最小的燃料電池，這種電池的直徑只有3毫米，可以產(chǎn)生0.7伏的電壓并能持續(xù)供電30個(gè)小時(shí)，這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發(fā)電，它由4個(gè)部分組成。上一層是儲(chǔ)水池，下層是一個(gè)裝有金屬氫化物的燃料堂，中間以一層薄膜隔開，在金屬氫化物的燃料堂下方，還有一組電極。薄膜上還有許多小孔，使得儲(chǔ)水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進(jìn)入燃料堂，水分子進(jìn)入燃料堂后，與金屬氫化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生氫氣。氫氣隨之會(huì)充滿整個(gè)燃料堂，并向上沖擊薄膜。阻止水流繼續(xù)流入，然后氫氣會(huì)在燃料堂下層的電極處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成電流。