燃料电池
注解
在火力发电设备中，燃料燃烧使水变成水蒸气，带动蒸气轮机，再带动发电机，即化学能依次变成热能、机械能，最后变成电能。在能量转化中会有损耗。所以在火力发电中，化学能的利用率只有30～40％。在燃料电池中，燃料的化学能直接转化成电能。正极和负极都用惰性材料（如铁、氧化铁、多孔炭、多孔镍等）制成。负极方面连续送入煤气、发生炉煤气、水煤气、氢气、甲烷和其他碳氢化合物等可燃性物质。正极方面连续送入空气或氧气。电解质可用碱（如氢氧化钾）的水溶液或熔融的碳酸盐或金属氧化物（如碳酸钾、氧化镁，后者在使用时会转化成碳酸盐）。化学能的利用率高，可达70％左右。下面以氢氧燃料电池为例说明。氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，多孔性碳制成正、负极材料，30％的氢氧化钾溶液作为电解质。负极上吸附氢气，正极上吸附氧气。电池工作时，负极上的氢释出电子，发生氧化反应，正极上的氧得到电子，发生还原反应。这跟氢气在氧气中燃烧一样，但没有火焰，也不放出热量，而产生电流。燃料电池消耗燃料，可以节约金属资源（跟其他电池比）。在燃料电池中，电极上的气体分子必须先分解成原子，再在两极上发生氧化还原反应，在上述分解中需要特殊的、价格昂贵的催化剂，所以目前尚不易普及，仅用于人造卫星、太空站等高科技领域。
燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能连续和直接转化为电能的“能量转换机器”。能量转换率很高。可达80％以上，为热机效率的一倍多。燃料电池的高能量转换率可达到节省燃料的目的。其次，燃料在空气中燃烧时要产生大量的烟、雾、尘和有害气体污染大气，危害生态环境，而燃料电池不会产生这些污染问题。所以科学家预言，燃料电池将成为下世纪世界上获得电力的重要途径，是继水力、火电、核能发电之后的第四类发电——化学能发电。
燃料电池以还原剂（如氢气、联氨、甲醇、煤气、天然气等）为负极反应物；以氧化剂（如氧气、空气等）为正极反应物。为了使燃料便于进行电极反应，要求电极材料兼具有催化剂的特性。可用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵金属以及聚四氟乙烯等作电极材料。电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质以及高聚物电解质离子交换膜等数种。表4．5中列举出一些燃料电池的电解质、阳极和阴极材料的名称和工作性能。
