氢-空气燃料电池

《太阳能》1990年第3期，第 24–25 页。署名单位：北京手表二厂。

这一篇他是第二作者，署名次序照原刊。

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正文

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氢作为能量的载体可取代传统的化石燃料。氢直接燃烧，可发电、冶金、供热，可开动汽车、火车、轮船、飞机，可发射运载火箭。几乎一切需用燃料的地方都可以使用氢。氢能量大，清洁，燃烧时对大气基本无污染。随着社会的现代化和对环境保护的要求，氢的用途将会日益扩大。

氢除了直接作燃料用外，还可间接作「燃料」用。把氢导入一种类似于电解水的装置，与进入装置的空气中的氧发生氧化还原反应，这时便产生电力，同时生成水。这种连续消耗氢和空气中的氧，并不断输出电力和水的装置称之为氢——空气（氧）燃料电池。

氢氧燃料电池可大可小，小到可为手电或半导体收音机提供电力，大到可为城镇供应电力。这种电池效率很高，工作时几乎没有声响，只有气体流动的沙沙声。

在美国，早期的燃料电池是专门为双子星座和阿波罗宇宙飞船提供电力而设计制造的。由于飞船在太空中运行，必须同时携带燃料电池所需的氢和氧，因而宇宙飞船上专用的燃料电池又称氢——氧燃料电池，它与氢——空气燃料电池工作原理完全相同，只不过前者用的是纯氧，而后者是空气中的氧。太空燃料电池与电力共生的水是极纯的，无需处理就可为宇航员饮用。太空燃料电池设计和制造要求十分严格，必须保证绝对安全。二是电池电极的钯催化剂价格昂贵〔?〕。自从太空燃料电池应用成功以来，电池的结构设计又取得了很大的发展。在美国通用气体公司的赞助和支持下，1973 年，有 60 座 12.5 千瓦的燃料电池投入大规模的试验，用以达到先进的气体能量转换研究的目标。

燃料电池有两个被电解液分开的电极，电解液由氢氧化钾或钠的碱性溶液组成，也可由酸性溶液如磷酸溶液或各种能以氢氧离子、氢离子形式携带电流的固体和聚合体组成〔?〕。氢——空气燃料电池的结构及原理如图 1 所示。

图 1（氢—空气燃料电池的结构及原理）是一张装置图，录文里没法照搬，
请看本页上方的原文 PDF。

氢和氧分别进入电池的阳极和阴极。氢在阳极发生氧化反应，生成氢离子和电子：

　　H₂(气) → 2H⁺ + 2e⁻

电子通过外电路驱动作功，最终到达阴极和氧与电解液在阴极发生还原反应，生成氢氧离子：

　　H₂O + ½O₂ + 2e⁻ → 2OH⁻

氢离子向阴极迁移，氢氧离子向阳极迁移〔?〕，相遇而生成水：

　　H⁺ + OH⁻ → H₂O

全部反应过程如下：

　　H₂(气) + ½O₂(气) → H₂O(27℃)

在电池中，给出电子的物质化学上叫氧化，接收电子的物质化学上叫还原，两者同时存在。在普通锌——碳二氧化锰电池里，锌被氧化成氧化锌，二氧化锰被还原成氧化锰，同时也生成水。电池放空电后的重量相同。充电电池的情况也如此。燃料电池发生的化学变化虽然与之相同，但其特点是直接进行化学反应，而电池本身并不参予。氢是唯一的消耗品。氢进入燃料电池，在那里「夺取」空气中的氧反应生成水，并喷射入空气作为蒸汽而被带走。氢——空气燃料电池系统失去的是被消耗掉的氢的重量。由于第二种反应剂氧是从空气中「夺取」的，因此，燃料电池就可连续不断地运行和发电〔?〕。

效率高是氢——空气燃料电池的一大特点。氢—空气燃料电池转化电能的效率为 80%。电动机将电力转化成主轴功的效率约为 95%。两种技术结合起来，用于车辆的传动机械约具有 75% 的效率。

在实验室条件下，一台汽化器内燃发动机工作时的效率达 35%，一台柴油发动机的效率可达 45%。在实际操作条件下，汽化器发动机的平均效率为 20%，柴油机的平均效率为 25%。因此，氢——空气燃料电池系统的效率比汽化器发动机高 3.5 倍，比柴油机高 2.8 倍。采用压缩贮氢可减小燃料箱的体积。一辆利用氢燃料电池的车辆与一辆性能相同的直接以氢燃烧动力的标准汽车相比，前者氢燃料箱的容积仅为后者的 1/3。因此，采用燃料电池就可减轻低密度的氢用于内燃发动机的过大的体积问题。标准汽车需用液氢燃料的体积是 300 升，而用燃料电池仅需 100 升，比用汽油的标准汽车的油箱多 20 升。现代先进的贮气瓶是用高强度的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等轻质材料制成的，这使燃料箱的体积减小，重量减轻〔?〕成为现实。

在多风地区，应用风力发电很方便，但是风力随季节气候而改变，因此需要设计一种能在风力强时把风能贮存起来，风力不大或需要时又能把贮存能量释放出来的系统。燃料电池就是一种理想的风能贮存装置。图 2 为燃料电池与风能贮存装置体系原理图。

图 2（燃料电池与风能贮存装置体系原理图）同样请看原文 PDF。

风能通过电解水产生氢和氧，经贮存后，导入氢氧燃料电池中进行化学反应，由此便连续稳定地提供电力。我国幅员辽阔，风力资源丰富，这种设计为风能和氢能的利用开辟了一条新路。

第 25 页是两篇文章穿插排的：那一页的大半属于余世杰《法国·西班牙太阳能
设施考察纪行》，不是他的，没有录进来。他这一篇在第 25 页上只占图 2 一栏
和最右一栏。