據(jù)國外科技網(wǎng)站TechRadar報道，英國巴斯大學的研究人員最近開發(fā)出了一種能夠?qū)⒛蛞恨D化為電能的新型燃料電池。簡單來說，燃料電池中用來發(fā)電的微生物能夠?qū)⒛蛞褐械挠袡C物轉成電能并在電池中存儲。
這聽起來非常有趣。盡管在三年前，英國的布里斯托機器人實驗室就曾研制出世界上第一款用尿液發(fā)電的燃料電池。不過，巴斯大學的研究人員還將燃料電池對環(huán)境的影響納入了考慮范圍之內(nèi)。
作為一種新型的電池技術，燃料電池用途廣泛并擁有諸多優(yōu)勢，為電池技術帶來了一條新的發(fā)展道路。但是，在一些方面，燃料電池仍然存在短板，需要進一步的發(fā)展。
一、燃料電池用途廣泛，有利于推動電池技術發(fā)展
燃料電池，是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。當燃料和空氣分別被送進燃料電池時，電就產(chǎn)生了。從表面上看，燃料電池有著正負極和電解質(zhì)，使之看起來就像蓄電池。但實際上，它并無儲電功能，反而更像一個“發(fā)電廠”。
燃料電池的起源，可以回溯至19世紀30年代。1839年，英國的法官和科學家William Robert Grove爵士做了電解水實驗，分離出氫和氧，這被認為是燃料電池的第一個裝置。Grove由這個實驗聯(lián)想到，如果氫和氧產(chǎn)生反應，就可能使電解水的過程發(fā)生逆轉從而產(chǎn)生電能。
為此，他將兩條白金的帶子分別放入盛有氫和氧的密封瓶中。當兩個瓶子被放入稀釋的硫酸溶液時，電流開始在兩個點之間流動，最終生成了水。為了提高電壓，Grove將同樣的幾個裝置進行串聯(lián)，他把它們稱作“氣體電池”。在1889年，化學家Ludwig Mond和Charles Langer嘗試著用工業(yè)煤氣和空氣制造實用裝置，他們將它命名為“燃料電池”，并獲得了200mA/m²的電流密度。
雖然這種新型技術引起了各方的注意，但是人們很快發(fā)現(xiàn)，想要將燃料電池技術商業(yè)化，需要克服諸多科學技術障礙，于是對于這一技術的熱情逐漸冷卻。
到了1932年，劍橋大學工程師Francis Thomas Bacon博士在之前的基礎上做了多次修改，比如用廉價的鎳網(wǎng)替換白金電極，還有用不易腐蝕電極的硫酸電解質(zhì)替換堿性的氫氧化鉀。Bacon將其稱為Bacon電池，也就是世界上第一個堿性燃料電池。
此外，Allis-Chalmers公司的農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)商Harry Karl Ihrig在同一年中制造出以燃料電池為動力的車輛。將1008塊電池連接在一起，成為了能夠產(chǎn)生15W燃料的電池組，可以為一臺20馬力的拖拉機供電。
這些發(fā)展為如今燃料電池的商業(yè)化奠定了堅實的基礎?，F(xiàn)在，燃料電池擁有著廣泛的用途，在軍事、空間、發(fā)電領域發(fā)揮著重要的作用。早期燃料電池的應用側重于軍事、空間等專業(yè)和千瓦級以上分散式的發(fā)電中，電動車領域也成為燃料電池主要的應用方向。目前，市面上有許多采用燃料電池發(fā)電的電動車。
此外，小型化的技術使得燃料電池被應用于一般的消費型電子產(chǎn)品也成為其應用發(fā)展的方向。隨著科技的進步，小型化的燃料電池將能夠取代現(xiàn)有的鋰電池或鎳氫電池等高價產(chǎn)品。筆記本電腦、手機、相機等便攜式電子產(chǎn)品均可用燃料電池作為電源，為有效地解決電子產(chǎn)品的續(xù)航問題提供了一條新的道路。
在空間任務中，在為航天飛機提供動力以及飲用水方面，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）已被廣泛應用；在民用燃料電池中，作為中型電源應用并進入了商業(yè)化階段的磷酸燃料電池（PAFC）成為首選；在工業(yè)試驗階段，熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）取得了不錯的成績；起步較晚的固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）則是發(fā)電領域最有應用前景的燃料電池，是未來大規(guī)模清潔發(fā)電站的首選。
一直以來，人們都在尋找一些既能夠高效利用又不污染環(huán)境的能源利用方式。燃料電池可以說是較為理想的技術，它發(fā)電效率高、環(huán)境污染少，有利于推動電池技術的發(fā)展。但是，燃料電池在某些方面依然存在短板，需要進一步的探索。
二、燃料電池擁有諸多優(yōu)勢，但存在短板仍需探索
現(xiàn)在，生活中最常見的是鋰電池。與燃料電池相比，二者有相同亦有不同。
放電原理相同。燃料電池和鋰電池在對外輸出電能時不是熱機過程，而是等溫絕熱的電化學電源過程，因此效率都比較高。
工作方式不同。燃料電池輸入的是化學能，輸出的是電能。鋰電池則是輸入電能，輸出的也是電能。因此，燃料電池是能量轉化裝置，而鋰電池是儲能裝置。
相比之下，燃料電池的優(yōu)勢很多。
從能源結構的角度看，燃料電池占上風。在化石能占絕大部分的背景下，如何提高從化石能到消費終端的效率是電池領域考慮的重點，這其中的關鍵就在于能量轉化裝置的變革。相比之下，儲能裝置更側重于優(yōu)化能量利用的效率。
燃料電池對環(huán)境的污染也比較小，比如前面提到的以尿液為動力的燃料電池。其研究人員表示，這種電池是一種“價格低廉，可再生，可保持碳平衡”的產(chǎn)品。它的浪費程度極低，生產(chǎn)成本低至2英鎊（約合18.5元人民幣）左右。
從運載工具的角度看，燃料電池比鋰電池更加適合汽車業(yè)態(tài)。化學反應需要氧化劑、燃料和反應場所，鋰電池汽車需要這三樣齊全，而燃料電池只需要后兩樣。鋰電池中的氧化劑、還原劑存放的距離極近，即使不在工作狀態(tài)下也會自己放電。而且鋰電池為了達成壽命循環(huán)往往淺充淺放，因此不能保證每個循環(huán)都將油用干或加滿，這就導致真實的里程比理論上的還要減半。
此外，燃料加注的過程是物理過程，速度上不受限制。而鋰電池汽車能量的恢復是充電過程，也就是電解反應，這種過程需要控制，并且加注速度也受到電池技術進展程度的制約。
由此可見，燃料電池的優(yōu)勢的確不在少數(shù)。不過，燃料電池在一些方面仍存在缺陷。
比如在便攜式電子設備的應用上，由于燃料電池的反映特性，系統(tǒng)集成簡化難度遠高于已經(jīng)充分集成的鋰電池及其他種類的電池。
另外，燃料電池的產(chǎn)業(yè)化程度偏低。目前的燃料電池尚未形成產(chǎn)業(yè)鏈，相比之下，鋰電池針對便攜式電子設備的現(xiàn)場電源已經(jīng)形成了批量制造業(yè)。
不過，在汽車方面，燃料電池和鋰電池均未形成產(chǎn)品制造業(yè)，其中最大的難點就在于電化學反應如何適應電機的負載大動態(tài)需求。
綜上所述，燃料電池用途廣泛，又擁有諸多優(yōu)勢，但是在許多方面仍存在短板，尚不能大規(guī)模投入使用。不過，科學家們和研究人員并未停止努力。巴斯大學的研究人員們一直在對尿液燃料電池進行研究，參與了這一項目的斯庫勒博士表示：“這種新技術能改變窮人的生活，他們無需花大價錢就能用上電，這讓我感到成就感十足”。希望在未來的某一天，燃料電池能夠真正進入到我們的生活中，實現(xiàn)真正的高效率無污染發(fā)電。
