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燃料電池的原理是什麼? 燃料電池也會進入家庭哦!

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Academic year: 2021

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燃料電池也會進入家庭哦!

 

燃料電池的原理是什麼?

  

 至今為止,家庭使用的電幾乎都是從發電站送來的。不過,水力、

火、原子能的大型發電站,大多建在距離人們住所很遠的地方。進行水 力發電的水壩位於山裏,而火力和電子能發電站為了便於運送燃料,大 多建在離海較近的地方。

 無論怎樣都要開墾自然來進行建設是人們煩惱的根源。而且在通過電 線傳送到遙遠城市的過程中,要損耗大約三成的電力,這也是十分浪費 的。或許最好的辦法是能夠在大量使用電力的地方進行發電。

 於是,燃料電池廣受人們的期待。它能夠放置在家庭、工廠和大樓等 場所,不斷地製造出電來。2003 年作為家用燃料電池誕生的年份,可 能會在歷史上留下一筆吧。在這裏,讓我們來看看它的原理吧。

 水這種物質是由氫和氧原子構成的。有電通過時,水就會分解成氫和 氧。

   水+電→氫+氧

 將它反過來看一看。

   氫+氧→水+電

 和剛才的公式相同。也就是說氫和氧結合就會形成水,同時會產生電 來。其實,英國的一位名叫格羅貝的法官在1839 年左右就已經發現這 一原理。在福特電池誕生不久,就已經發現燃料電池的原理,這真是一 件了不起的事啊。

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 不過,氫這種元素非常難以控制。一不小心就可能發生爆炸。雖然明 白了它的原理,但是要加以實用化非常困難,於是就一直拖到了現在。

 

對自然有哪些益處呢?

燃料電池作為非常有益於自然保護的電池,受到人們的期待。比如說,在火力發電中必須燃燒大量的石油和煤炭。這些燃料據說到 一定時候就會耗盡。而燃料電池可以利用氫和氧這種地球上大量存在的材料產生電力。

 由此產生的只有水。如果燃燒煤炭和石油,則無法做到這一點。不管怎麼做,都會產生出對人類有害並會導致地球溫室效應的氣 體。火力發電站雖然很好地安裝上了消除地球溫室效應氣體的裝置,但是通過燃燒汽油行駛的汽車中卻無法安裝大型的裝置,所以 會排放出尾氣來。因此,如果汽車能通過燃料電池的電力行駛,從這一點來看,也應當是有助於環境保護的。

 大家認為無需汽油等燃料、不排放尾氣、只產生水的燃料電池,最初是用在什麼地方呢?對,是宇宙火箭推進器。普通電池和發 電機過於笨重,而太陽能電池又必須伸出很大的翅膀。于1958 年創立的 NASA(美國宇航局)最早開始注意燃料電池,從 1968 年的 阿波羅7 號開始,一直都使用燃料電池。正好還能產生出可飲用的水。

 為了在宇宙中加以使用,燃料電池的開發以極快的速度推進。到了20 世紀 90 年代,嚴格規定全世界汽車排放尾氣標準的法律誕生,

能否將燃料電池用於汽車的研究勢在必行。如果也能在家庭、大樓、工廠使用的話就更好了。汽車公司、電力公司、電器產品生產 廠家等都爭先恐後地進行開發。

 為難的還是如何製造氫。氧在空氣中大量存在,而氫卻做不到這一點。從哪里提取氫最好呢?最好是搬運方便、而且用於提取氫 的材料還要簡單便宜。如果直接使用工廠製造的氫,則很難搬運到家裏。全世界科學家花了許多工夫,想到了從酒精的一種——甲 醇、汽油和家裏一直使用的燃氣等中提取氫的辦法。

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 多虧了這些努力,目前在所有的發電方式中,燃料電池是使用效率最高的。從使用效率高這一點來看,由於不浪費燃料,光這就 可以說是對自然有益的。

用燃料電池可以洗淋浴嗎?

  

 燃料電池不斷地變小,不光能用於家庭,還可以用於飲料等自動販 賣機等設備中。不過,燃料電池的優越性,還不僅僅在產生電這一點 上。

 在宇宙中使用時,用燃料電池製造出水也是其優點之一。如在城市 里加以使用,還可以在災害發生時作為飲用水和沐浴水加以利用。

 另一個與眾不同的優點是,燃 料電池在發電時產生的熱能也能 加以利用。將氫和氧加以結合的 過程,和燃燒氫一樣,會產生出 熱能。火力發電雖然也會產生熱 能,但是對遠離城市的發電站中 產生的熱能加以良好利用是很困 難的。如果家庭中有燃料電池的

話,用其熱量就能將水加熱到60 度左右,因此非常適合淋浴和地板取 暖裝置。

 如果在冬天的寒冷時期也能洗上溫暖的淋浴,恐怕是非常慶幸的事 了。

 在醫院和飯店等需要長時間供應熱水的場所,正開始嘗試良好地運 用這種熱能。當聽到“利用工業廢熱發電”(簡稱廢熱發電)這個詞 時,如果能想到這是活用發電產生的電和熱兩者就很好啦。

 如果要說起有關燃料電池的有趣嘗試,那麼在生活廢水處理廠和工 廠中,正在採用一種不同的提取氫的方法。由於不能將生活廢水、工 廠排水和污泥不經處理就排放到河流中,因此需要暫時加以儲存,利 用細菌等進行分解淨化後再排放到河流中。其分解時會產生出沼氣。

因為這種沼氣中含有大量的氫,所以將它提取並送到燃料電池中,就 可以產生出生活廢水處理廠和工廠中使用的電、水和熱。

 燃料電池真的是以各種形態發揮著作用啊。

手機使用哪些電池呢?

使 用 哪 些

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電 池 呢

  

 大家聽到過“移動裝置”這個詞嗎?它的意思是手機和筆記本電腦等可在移動狀態下使用的便捷工具。這 些移動工具不能從插座上拉出長長的電線,如果是用普通電池,必須要更換好多次。在這種時候,充電電池 變得非常有用。如果採用大而笨重的電池會很麻煩,因此人們追求小巧而輕便的電池。

 鉛等重金屬搬運時過於沉重。在20 世紀初期,愛迪生發明了鎳鐵蓄電池。鎳和鐵要比鉛輕得多,壓成薄板 後能製造出結實的電池來。如果用薄板製成外殼,光是這部分也能變得小巧起來。

 同時期在瑞典發明的鎳鎘電池,至今仍得到廣泛使用。它可以反復多次使用而且充電時間很短。而且也適 合需要大電流的器材。雖然價格比鉛貴,但是因為能長時間使用,所以相對比較便宜。被運用於無繩電動螺 絲刀等工具和袖珍吸塵器(小型的吸塵器)等需要動力的工具中。

 手機和筆記本電腦並不象電動螺絲刀那樣一下子使用很多電力,只要能一點點緩緩地提供電能就可以,而 且重要的是要更輕便小巧。於是就開發出了鎳氫電池。雖然無法輸出大電流,但是1 次充電後可以使用的時 間卻大大延長了。而且,現在還開發出鋰電池這種小巧輕便的電池來,幾乎可以運用於所有的手機、筆記本 電腦、數碼相機等設備當中。

使用哪些電池呢?

  

 大家聽到過“移動裝置”這個詞嗎?它的意思是手機和筆記本電腦等可在移動狀態下使用的便捷工具。這 些移動工具不能從插座上拉出長長的電線,如果是用普通電池,必須要更換好多次。在這種時候,充電電池 變得非常有用。如果採用大而笨重的電池會很麻煩,因此人們追求小巧而輕便的電池。

 鉛等重金屬搬運時過於沉重。在20 世紀初期,愛迪生發明了鎳鐵蓄電池。鎳和鐵要比鉛輕得多,壓成薄板 後能製造出結實的電池來。如果用薄板製成外殼,光是這部分也能變得小巧起來。

 同時期在瑞典發明的鎳鎘電池,至今仍得到廣泛使用。它可以反復多次使用而且充電時間很短。而且也適 合需要大電流的器材。雖然價格比鉛貴,但是因為能長時間使用,所以相對比較便宜。被運用於無繩電動螺 絲刀等工具和袖珍吸塵器(小型的吸塵器)等需要動力的工具中。

 手機和筆記本電腦並不象電動螺絲刀那樣一下子使用很多電力,只要能一點點緩緩地提供電能就可以,而 且重要的是要更輕便小巧。於是就開發出了鎳氫電池。雖然無法輸出大電流,但是1 次充電後可以使用的時 間卻大大延長了。而且,現在還開發出鋰電池這種小巧輕便的電池來,幾乎可以運用於所有的手機、筆記本 電腦、數碼相機等設備當中。

變得更輕、更長效!

    在前一頁中我們也稍微做了一點說明,移動器材中大多採用鋰電池。

 存在於地球上的原子中,鋰僅次於氫和氦,是排名第三的輕元素。由於氫和氦都是氣

體,因此金屬中它是最輕的。

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 使用這種鋰金屬的鋰電池不僅輕巧,而且還具有可儲存許多電的優點。在同樣大小的 情況下做比較,它比鎳鎘電池和鎳氫電池能儲存更多的電。

 要將電池做小需要許多技術。比如說,電池中使用的 2 種金屬絕對不能直接碰觸。若 電子直接流動,即使連接了電線,也無法產生出電來。另外,外側的填充物必須很薄,

而且中間的液體必須保證不會洩漏。要把電池做小也是很麻煩的。

 要延長電池壽命也很困難。蓄電池在反復充電的過程中,金屬會溶解而無法復原。金 屬即使能使用很長時間,分開 2 種金屬的部件會先行破損,很難達到預期效果。

 雖然不斷地追求“輕便小巧”,但是鋰電池具有非常輕的特點,即使做的很大也要比 其他電池輕得多。如果能形成將鋰電池做的很大也能安全使用的技術,那麼或許在家庭 和電動汽車中也能得到應用了。一次積蓄的電力如果能夠使用好幾天,也許家裏的電費 支出就會減少,也不必增加大型的發電站了。

讓我們認真地做好電池回收吧!

  

 如果調查一下至今為止出現的電池,可以發現,要製造優質的電池,使用各種金屬和液 體並找尋最佳的組合是非常重要的。

 不過,無論是自古以來就使用的鉛還是水銀、鎳和鎘等,如攝入人體內會有不良影響。

如果是能使用很長時間的電池,有時會搞不清機器內是否裝入了電池。這樣一來,在丟棄 該機器時就會忘記“必須進行電池回收”。

 如果切實地進行電池回收,就能提取金屬等物質並加以重複使用。如果是鎳鎘電池,鎳 可以再生為不銹鋼鍋等物品,鎘則仍可以作為鎳鎘電池的材料加以使用。

如果能製造出像底片那樣的電池

    說起電池的形狀,大家會聯想到像五號電池那樣在圓筒的頭上有一個在正極的突起。不

過事實上有各種各樣的形狀。汽車的蓄電池是在四方型箱子上突出正、負極金屬件的形

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狀。手機的蓄電池形狀像符合電話形狀的薄板一樣。

 不過,如果能發明出更薄的、像紙張和膠片那樣柔軟並可扭曲的電池,將會怎麼樣呢?

在機器中,只要把電池插入空隙處就可以了,所以機械的設計會變得十分自由。如果有波 形的薄型手機,或許電池也可以按照它的形狀,呈波形插入。物品的形狀也許會和現在看 到的完全不同。

 據說電腦也會變輕、變薄,不久就會象穿衣服那樣可以穿戴在身上了。它叫做“著裝式 電腦”,意思是可以像服裝那樣穿著的電腦。這樣一來,電腦的一部分也許就可以配合人 體胸部的形狀柔軟地彎曲了。電池或許也會變成相同的形狀了。

 無線電遙控飛機等或許也能變得更輕,並能享受全然不同的飛行方式所帶來的樂趣了。

果汁飲料瓶上如果先包上薄片,即使野營時也能一直喝到冰鎮的果汁了。也許正因為電池 的形狀變得自由隨意,所以大家的生活也會為之大變呢。

還有空氣電池、熱電池、海水電池等種類哦!

  

 如果能有吸入空氣、使用其中的氧氣產生電的電池,那就太棒啦。這樣,只需一種金屬 就可以了,而且氧氣如果是從外部攝入,就不會枯竭了。事實上已經有了這種電池。提取 能量可高達鉛電池 20 倍的“空氣鋁電池”等正在被開發。鋁因為是一種非常輕的金屬,

所以看上去很便於使用。

 另外,還有在火藥上點火,利用其熱能進行發電的“熱電池”。雖然它還不能很有效地

利用熱能,只能產生很少的電來,不過如果能發明出利用很小的溫度差,即使電力很微弱

也能長時間產生電能的電池,那將是非常完美的事。比如說,如果電池變成一根細長的棍

子,將一邊浸泡到水中,利用其溫度差就能產生電並能用它來收聽收音機的話,那麼在災

害發生而停電的時候,也許就能起到很大的作用了吧。在野營的時候也大概能夠使用。

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 還有與海水接觸後產生電的“海水電池”。普通電池要在事先灌入液體,即使放著不 用,金屬也會溶解而使性能衰減,而這種電池在灌入海水之前,不管到何時都和全新的一 樣。在災害發生等緊急時刻,由於用海水就能工作,因此能起到很大作用。

 據說它還能用做夜釣時使用的電浮標等工具上。經過改良,在池塘和河水中亦可工作的 電池也正在製造。比如在野營時,如果你需要點燈,可能去外面打一點水就可以了。

 在電池中,好象還蘊涵著我們尚不知曉的未來。

汽車、太空事業上,電池將得到進一步的拓展!

  

 電動汽車給人留下笨重、低效、蓄電池充電困難的印象,不能得到很好的推廣普及。

比起電動汽車來,大型汽車廠家更傾向於發展燃料電池汽車。

 不過,日本也曾經開發出使用鎳鎘電池、最高時速達到 176 公里、一次充電可以行駛 548 公里路程的電力汽車。即使是汽油車,一次加油大多也只能行駛 400 公里左右,這樣 來看電動汽車好像能充分使用。

 1991 年,這部名叫“IZA”的汽車被公開展示。此後,蓄電池得到了很快的發展,所以 出現了更具有劃時代意義的電動汽車,或許人們的常識完全改變了。實際上,以大學為 中心,還有一個以時速 400 公里為目標的電動汽車計畫。

 引領燃料電池開發的宇宙事業,也好像成了電池活躍的舞臺。除了火箭推進器和太空 梭外,今後還能在宇宙空間站生活半年、1 年這麼長時間。這樣一來,為了享受和健 康,恐怕會需要更多的電了。也許還存在用電培育作物的需要。

 也許人類會動各種各樣的腦筋,進行輕型高能電池的開發,研究在月球上建造帶有太 陽能電池的無人發電站,向人類居住的宇宙空間輸送電力的方法吧。

 即使在人體當中,也存在許多奧秘!人們在這裏也期待著夢幻電池。如果能使用身體

中大量存在的物質發電的話,應該可以成為穩定心臟跳動的起搏器或人工心臟等救命的

力量了。

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 因為要放在身體當中,所以必須非常小心,不能讓電池內的物質洩漏或即使搞錯也不

會觸電。因為不能拿進拿出多次,所以希望這樣的電池在 30 年、50 年的時間裏能不間斷

地工作。

參考文獻

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