靠尿液也能發(fā)電？燃料電池腦洞雖大但仍存短板

 英國(guó)巴斯大學(xué)的研究人員最近開發(fā)出了一種能夠?qū)⒛蛞恨D(zhuǎn)化為電能的新型燃料電池。簡(jiǎn)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(jī)物轉(zhuǎn)成電能并在電池中存儲(chǔ)。

這聽起來非常有趣。盡管在三年前，英國(guó)的布里斯托機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(xué)的研究人員還將燃料電池對(duì)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(shù)，燃料電池用途廣泛并擁有諸多優(yōu)勢(shì)，為電池技術(shù)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(jìn)一步的發(fā)展。

一、燃料電池用途廣泛，有利于推動(dòng)電池技術(shù)發(fā)展

燃料電池，是一種主要透過氧或其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的電池。當(dāng)燃料和空氣分別被送進(jìn)燃料電池時(shí)，電就產(chǎn)生了。從表面上看，燃料電池有著正負(fù)極和電解質(zhì)，使之看起來就像蓄電池。但實(shí)際上，它并無儲(chǔ)電功能，反而更像一個(gè)“發(fā)電廠”。

燃料電池的起源，可以回溯至19世紀(jì)30年代。1839年，英國(guó)的法官和科學(xué)家William Robert Grove 爵士做了電解水實(shí)驗(yàn)，分離出氫和氧，這被認(rèn)為是燃料電池的第一個(gè)裝置。Grove由這個(gè)實(shí)驗(yàn)聯(lián)想到，如果氫和氧產(chǎn)生反應(yīng)，就可能使電解水的過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)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(dāng)兩個(gè)瓶子被放入稀釋的硫酸溶液時(shí)，電流開始在兩個(gè)點(diǎn)之間流動(dòng)，最終生成了水。為了提高電壓，Grove將同樣的幾個(gè)裝置進(jìn)行串聯(lián)，他把它們稱作“氣體電池”。在1889年，化學(xué)家Ludwig Mond 和Charles Langer嘗試著用工業(yè)煤氣和空氣制造實(shí)用裝置，他們將它命名為“燃料電池”，并獲得了200mA/m?的電流密度。

雖然這種新型技術(shù)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(shù)商業(yè)化，需要克服諸多科學(xué)技術(shù)障礙，于是對(duì)于這一技術(shù)的熱情逐漸冷卻。

到了1932年，劍橋大學(xué)工程師Francis Thomas Bacon博士在之前的基礎(chǔ)上做了多次修改，比如用廉價(jià)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(gè)堿性燃料電池。

此外，Allis-Chalmers公司的農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)商Harry Karl Ihrig在同一年中制造出以燃料電池為動(dòng)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(tái)20馬力的拖拉機(jī)供電。

這些發(fā)展為如今燃料電池的商業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，燃料電池?fù)碛兄鴱V泛的用途，在軍事、空間、發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。早期燃料電池的應(yīng)用側(cè)重于軍事、空間等專業(yè)和千瓦級(jí)以上分散式的發(fā)電中，電動(dòng)車領(lǐng)域也成為燃料電池主要的應(yīng)用方向。目前，市面上有許多采用燃料電池發(fā)電的電動(dòng)車。

此外，小型化的技術(shù)使得燃料電池被應(yīng)用于一般的消費(fèi)型電子產(chǎn)品也成為其應(yīng)用發(fā)展的方向。隨著科技的進(jìn)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(jià)產(chǎn)品。筆記本電腦、手機(jī)、相機(jī)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(wù)中，在為航天飛機(jī)提供動(dòng)力以及飲用水方面，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)已被廣泛應(yīng)用;在民用燃料電池中，作為中型電源應(yīng)用并進(jìn)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(yàn)階段，熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)取得了不錯(cuò)的成績(jī);起步較晚的固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)則是發(fā)電領(lǐng)域最有應(yīng)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(shù)，它發(fā)電效率高、環(huán)境污染少，有利于推動(dòng)電池技術(shù)的發(fā)展。但是，燃料電池在某些方面依然存在短板，需要進(jìn)一步的探索。

二、燃料電池?fù)碛兄T多優(yōu)勢(shì)，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(duì)外輸出電能時(shí)不是熱機(jī)過程，而是等溫絕熱的電化學(xué)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(xué)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(zhuǎn)化裝置，而鋰電池是儲(chǔ)能裝置。

相比之下，燃料電池的優(yōu)勢(shì)很多。

從能源結(jié)構(gòu)的角度看，燃料電池占上風(fēng)。在化石能占絕大部分的背景下，如何提高從化石能到消費(fèi)終端的效率是電池領(lǐng)域考慮的重點(diǎn)，這其中的關(guān)鍵就在于能量轉(zhuǎn)化裝置的變革。相比之下，儲(chǔ)能裝置更側(cè)重于優(yōu)化能量利用的效率。

燃料電池對(duì)環(huán)境的污染也比較小，比如前面提到的以尿液為動(dòng)力的燃料電池。其研究人員表示，這種電池是一種“價(jià)格低廉，可再生，可保持碳平衡”的產(chǎn)品。它的浪費(fèi)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(yùn)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)?；瘜W(xué)反應(yīng)需要氧化劑、燃料和反應(yīng)場(chǎng)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(huì)自己放電。而且鋰電池為了達(dá)成壽命循環(huán)往往淺充淺放，因此不能保證每個(gè)循環(huán)都將油用干或加滿，這就導(dǎo)致真實(shí)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(fù)是充電過程，也就是電解反應(yīng)，這種過程需要控制，并且加注速度也受到電池技術(shù)進(jìn)展程度的制約。

由此可見，燃料電池的優(yōu)勢(shì)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(shè)備的應(yīng)用上，由于燃料電池的反映特性，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)化難度遠(yuǎn)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(duì)便攜式電子設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)就在于電化學(xué)反應(yīng)如何適應(yīng)電機(jī)的負(fù)載大動(dòng)態(tài)需求。

綜上所述，燃料電池用途廣泛，又擁有諸多優(yōu)勢(shì)，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(xué)家們和研究人員并未停止努力。巴斯大學(xué)的研究人員們一直在對(duì)尿液燃料電池進(jìn)行研究，參與了這一項(xiàng)目的斯庫(kù)勒博士表示：“這種新技術(shù)能改變窮人的生活，他們無需花大價(jià)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(jìn)入到我們的生活中，實(shí)現(xiàn)真正的高效率無污染發(fā)電。