说说燃料电池(下)

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燃料电池的工作原理

(接上期)还是要说说燃料电池的化学工作原理，它和电池相似，同样是利用“间接”得失电子的化学反应来提供电能的，如下图，以氢气燃料电池为例，氢气通过电池的负极，在催化剂的作用下，失去电子。变为氢离子(H+)，这些氢离子从负极通过液态电解质“奋力”，地游到正极，而负极上收集的电子们则通过外电路，从负极跑到电池的正极，电流通过外电路的过程是可以做功的，大家看，电子，氢离子，二者一正一负，一起离开负极，正、负抵消，所以负极是显电中性的：而它们一正一负同时来到正极，殊途同归，正负抵消，所以正极也是显电中性的，这就是燃料电池和电池相同的第四点：正、负极都显电中性(大家还记得吗，电容器的两个电极，充满电或者工作的时候，却都是带电的，而且是带电性相反的电荷)，在正极那里，空气中的氧气分子在催化剂的协助下，会捕捉到从负极来的电子，然后和来自负极的氢离子结合，就生成了水――唯一的排放物，大家想想，其实这不就是一个氢气和氧气反应生成水的化学过程吗?但是氢气和氧气，这两个“当事人”是不直接接触的，而是通过燃料电池的负极(含催化剂)、外电路(或电解质)、正极(含催化剂)作为媒介最终完成，这样的反应就叫做电化学反应，电池中的反应和这个过程是相似的，希望同学们对电化学反应有个初步认识，这可以帮助你们自己去设计新的储能或者能量转化装置，

燃料电池中的催化剂

好，了解了氢气燃料电池的工作原理，我们就来说说氢气燃料电池目前所面临的挑战吧，这里，我只说最重要的一点：燃料电池使用昂贵的催化剂，上面提到过，正、负电极上由催化剂来帮助氢气或氧气完成反应，这些催化剂通常都含有一定比例的铂金，以目前的技术，铂金是不可或缺的，这就造成了一个高成本的问题，大家知道铂金的价格极其昂贵，1g铂金，在2011年5月30日纽约交易所的价格是430元人民币，比黄金当日价格高出17％，由于铂金是稀缺资源，用一点少一点，使用铂金的工业品，其价格在长期来说，只会持续走高，普通的工业品，当产量大幅提高的时候，成本会相应地得到降低；而利用铂金作为催化剂的氢气燃料电池则会恰恰相反，大规模的商业化，将会使得铂金的价格越来越高，从而抬高自身产品的价格，失去竞争力，所以必须为氢气燃料电池找到能替代铂金的催化剂材料，

值得欣慰的是，2011年的4月份，美国《科学》杂志上刊登了一篇文章，介绍了使用碳化过的掺杂了金属小颗粒的导电高分子络合材料作为催化剂，可以达到和铂金催化功能相似的效果，这是令人鼓舞的，当然，我们需要清楚的是，其他品种的燃料电池，很多是不需要使用铂金作为催化剂的，所以不存在这个问题，但是不巧的是，这些不用铂金的燃料电池的工作温度较高，通常都高于100℃，所以不适合用在交通工具上，

在电池和燃料电池作为清洁动力驱动汽车的竞赛中，由于锂离子电池科技的持续快速进步，以及其在小型电子设备上的巨大成功，尤其是由于工业界的大举介入，电池电动车开始略占上风，到目前为止，纯电池动力汽车中，尼桑的leaf,经全面上市，比亚迪的e6作为出租车的试运行也是很成功的，正在为全面上市蓄势待发，而到目前为止，纯燃料电池车的商业化依然处在徘徊之中、燃料电池技术依然具有相当的前景和优势，我们期待着这种动力设备能够迎头赶上，使得我们的交通更加洁净、安全和高效，

程哲