侯前進(jìn)

【中圖分類號(hào)】G718.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）8 -0212-01

1799年，意大利物理學(xué)家伏打使用多組不同的金屬片中間夾以濕紙組成的第一個(gè)化學(xué)電源即“伏打堆”。其化學(xué)原理是：由于不同的金屬化學(xué)活動(dòng)性不同，活動(dòng)性強(qiáng)的金屬失去電子被氧化；其失去的電子經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)搅硪换顒?dòng)性弱的金屬，濕紙包含的水溶劑里含有的電解質(zhì)電離生成的陽(yáng)離子獲得電子被還原。這是人類第一次獲得了可供實(shí)用的持續(xù)電流電源，是化學(xué)電源最原始的裝置。

在伏打電池的基礎(chǔ)上，戴維組裝了一個(gè)特別大的電堆用于實(shí)驗(yàn)：他將250對(duì)銅鋅環(huán)交替疊放，銅鋅環(huán)之間用鹽水浸濕的毛氈片隔開，再把所有的銅環(huán)和鋅環(huán)分別用導(dǎo)線連接，然后引出兩根電極。戴維然后利用他的巨大電堆產(chǎn)生的強(qiáng)大電流和直流高壓開展了一系列的研究。1836年，丹尼爾根據(jù)伏打電堆發(fā)明了世界上第一個(gè)實(shí)用電池丹尼爾電池。丹尼爾電池就是將Zn置于ZnSO4溶液中，將Cu置于CuSO4溶液中，并用鹽橋或離子膜等方法將兩電解質(zhì)溶液連接的一種原電池。相比于新生期的化學(xué)電池雛形“伏打堆”， 丹尼爾電池采用雙液加鹽橋設(shè)計(jì)，有效消除了電極極化現(xiàn)象，使得電池能持續(xù)提供電流，且更高效更實(shí)用。丹尼爾電池沒有從根本上改變化學(xué)電池工作的原理，但是，丹尼爾電池卻從實(shí)驗(yàn)室里走出來(lái)，進(jìn)入了更加成熟實(shí)用的新的歷史階段。在直流電機(jī)發(fā)明以前，丹尼爾電池是提供恒穩(wěn)電流最具有實(shí)用價(jià)值的化學(xué)電源。

在這個(gè)歷史時(shí)期，人們通過化學(xué)反應(yīng)，獲得了穩(wěn)定的直流電源。

其后，化學(xué)電源有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1860年，法國(guó)的雷克蘭士（George Leclanche）將處于完全流動(dòng)狀態(tài)的液體電解質(zhì)以粘稠不易流動(dòng)的糨糊替代，發(fā)明了碳鋅電池。相對(duì)于丹尼爾電池中的“濕” 性的電解質(zhì)溶液，這種電池的電解質(zhì)載體含水量低，不易流動(dòng)，不會(huì)溢漏，表現(xiàn)出所謂的“干”性。至此，干電池雛形出現(xiàn)。1859年，法國(guó)科學(xué)家普蘭特（R.L.G.Plante）發(fā)明了第一塊鉛酸蓄電池，使得化學(xué)電池能夠充電放電的反復(fù)多次使用；開創(chuàng)了化學(xué)電源從一次電池成為二次電池的歷史。到目前為止，干電池大約有100多種家族成員，如普通鋅-錳干電池、堿性鋅-錳干電池、鎂-錳干電池、鋅-空氣電池、鋅-氧化汞電池、鋅-氧化銀電池、鋰-錳電池等。

值得一提的化學(xué)電池首先應(yīng)屬鋰電池。鋰電池是目前使用最多鋰鈕扣電池；鋰-二氧化錳電池的反應(yīng)機(jī)理不同于一般電池，其工作原理是：在非水有機(jī)溶劑中，負(fù)極鋰溶解下的鋰離子通過電解質(zhì)遷移進(jìn)入到MnO2的晶格中，生成MnO2 （Li+）。Mn由+4價(jià)還原為+3價(jià)，其晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。鋰電池的放電反應(yīng)為：

負(fù)極反應(yīng)：Li→Li++e-

正極反應(yīng)：Mn+4O2 + Li++e-→Mn+3O2 （Li+）

總放電反應(yīng)：Mn+4O2 +Li→Mn+3O2 （Li+）

1839年，英國(guó)的廉姆·格羅夫（WilliamGrove）把2片白金箔插入稀硫酸溶液中，并向其中一端供給氧氣，另一端供給氫氣；氫氣在白金箔電極（負(fù)極）失去電子，生成H+，電子經(jīng)外線路定向流向正極，氧氣在正極上獲得氫原子失去的電子，生成OH-，在電解質(zhì)為酸性溶液條件下， 負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-==4 H+正極反應(yīng)式為：O2+ 4 H++4e?== 2H2O。反應(yīng)過程中，電子的定向流動(dòng)生成了電流；由于該反應(yīng)的反應(yīng)物、產(chǎn)物與氫氣在氧氣中燃燒的反應(yīng)物、產(chǎn)物相同；上述電池反應(yīng)好像氫氣在氧氣燃燒一樣，所以，這種電池在1889年被Mood和Langer冠以燃料電池之名。

與傳統(tǒng)電池相比，燃料電池優(yōu)點(diǎn)主要有：

能量轉(zhuǎn)化效率高 燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50%。發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱還可回收?；厥盏挠酂峥稍儆糜诎l(fā)電或供暖、供水等，綜合效率能達(dá)到80%。

環(huán)保清潔 燃料電池發(fā)電裝置中機(jī)械部件少、噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物潔凈不會(huì)污染環(huán)境。

燃料粗放 燃料電池中所使用的可以是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴，這樣可拓寬燃料來(lái)源，緩解對(duì)精細(xì)能源的需求。

啟動(dòng)迅速 燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。

組裝方便 燃料電池本身為一個(gè)“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時(shí)間。

無(wú)待機(jī)狀態(tài) 與一般化學(xué)電源相比，燃料電池更象一個(gè)發(fā)電裝置：當(dāng)停止向兩極輸入氧化劑與還原劑時(shí)，其電流停止產(chǎn)生，而一般化學(xué)電源中，產(chǎn)生電流的物質(zhì)是預(yù)裝的，只要是閉合回路，電流即刻產(chǎn)生。