化学电源是利用化学反应产生电能的装置。化学电源包括了多种类型，燃料电池是其中最先进、最优秀的代表之一。燃料电池并不需经过燃烧过程，却可将燃料的化学能直接转换为电能。以氢气为燃料的燃料电池的基本反应是：
负极半反应（氧化）：
H2—2e→2H＋
正极半反应（还原）：
电池反应：
这是一个最简单的氢气与氧气化合生成液态水的反应，反应过程放热。若使这个反应在燃料电池中进行，不仅能得到电能，电池反应的产物是纯净水，还可供饮用。这种一举两得的能源真可谓绝无仅有。不但如此，这种电池肯定是无污染、无噪声，而且高效率。因此，燃料电池已被誉为改变未来世界的十大新科技之一。在当今世界石油能源危机、环境污染日益严重的严峻形势下，燃料电池面临着严肃的挑战和良好的机遇。30年来，燃料电池已获得了长足的发展。
其实，燃料电池并不是20世纪的新发明，早在1839年英国科学家威廉·柯罗夫就曾设计了世界上第一个燃料电池，因为这种电池的理论效率是100%，故称之为“无损耗电池”。可惜由于当时科技水平的限制，许多技术障碍无法解决，距离实用路途遥远，所以长期以来燃料电池被看作是19世纪天才发明家的“超时代梦想”。20世纪60年代，因为航天和深海技术的特殊需要，被湮没了100多年的“梦想”终于变成了现实。燃料电池不但搭乘着“双子星座”系列宇宙飞船遨游了太空，更随着“阿波罗11”号飞船登上了月球，它犹如天空中一颗一等亮星，放射着耀眼的光芒。自20世纪70年代初爆发中东“石油危机”以来，欧、美、日等国政府纷纷制定了有关燃料电池的长期发展规划，并开始了激烈的角逐。现今全世界每年用于研制燃料电池的费用至少有8亿美元之多。经过多国科学家20多年的潜心研究，燃料电池在大规模实用化道路上的障碍已被逐一突破，在民用电力、航天、潜海、汽车工业等许多领域的实际应用都崭露头角。
燃料电池构造中最基本的部件与传统电池没什么两样，也是由正负极和电解质构成。负极反应物是燃料，可用氢气或甲醇、天然气等；正极反应物是氧化剂，可用氧气或空气；电极材料多采用多孔金属，如多孔镍（瑞尼镍）、银、铂、钯等或用多孔碳，这样的电极兼有加速电极反应的催化功能；常用的电解质有5种：碱性（KOH）、酸性（H3PO4）、熔融盐（熔融碳酸盐）、固体（ZrO2固体）、高聚物交换膜（质子交换膜）等。
氢－氧燃料电池的发电原理并不复杂：当纯净的H2通过通道进入负极区时，受负极的催化影响H2失去电子，变成H＋，电子由负极通过外电路流向正极，同时，H＋通过电解质（或透过质子交换膜）与获得电子的正极区的O2－结合成水。从理论上讲，只要H2和O2源源不断地分别输送到负极和正极，就会有持续不断的恒稳电流产生。实际上，把燃料电池组装成发电设备，还存在着相当多的困难，这是一个涉及到化学、物理、材料科学、自动控制、机械加工等多学科的复杂的大系统（图8－1）。
燃料电池的实际的能量转换效率高达80%，是内燃机效率的2～3倍，这是因为它没有燃烧过程和传动部件运转的热量与机械损耗。燃料电池在发出1度（1千瓦时）电的同时，生成350克水，生成的水非常纯净，无污染，可以饮用。这正是美国宇航局相中燃料电池的理由之一，在“阿波罗11”号宇宙飞船长达8天的登月飞行中，3位宇航员的生活用水全部是由燃料电池的产物供给。假设从地面上将1千克水送上宇宙飞船，其费用是多少呢？26万美元！恐怕这是世界上最最昂贵的水费了吧！
图8－1 氢－氧燃料电池的原理图
由于燃料电池在登月旅行中的成功展示，使它备受宇航科学家们的青睐。此后，燃料电池又用于美、俄的轨道空间站。美国宇航局的7艘“双子星座”宇宙飞船上分别装配了两组1千瓦的燃料电池，美国的Treadnell公司又为国防部制造了28伏、12千瓦交换膜型的燃料电池，并将其用在军事侦察卫星上。
燃料电池作为牵引动力也可以装备潜艇。加拿大国防部投资370万加元，建造了一艘40千瓦的燃料电池潜艇；德国将100千瓦的碱性燃料电池装备了它的205型潜艇，并投入现役；西门子公司又制造了交换膜型的燃料电池，用于211型潜艇的动力。
日本的燃料电池试运行启动较早，1989年将200千瓦的微型燃料电池安装在冲绳的渡嘉岛上，并于当年10月并入电网发电，至1991年3月运行了6880小时，共发电781兆瓦时，为边远偏僻地区提供了廉价的电力。还有一组燃料电池放在了大阪的Plara旅馆，更是电热两能双丰收的好例证。发电机组在20个月里一共发电1203兆瓦时，排放出的水温达到170℃，用于客房取暖，余热还可全天候供应70℃的热水。富士电机公司以50千瓦和70千瓦的燃料电池发电系统，提供给70多座电站，主要供应日本客户。
最近几年燃料电池技术又瞄准了汽车工业。1993年，加拿大巴拉德电力公司制造出世界上第一辆以交换膜型燃料电池为动力的公共汽车，1994年又研制出第二辆可载客75人、第三辆可行程560千米的公交车；在美国，也有燃料电池公共汽车，在华盛顿、洛杉矶、芝加哥等城市的大街上试运行。然而，燃料电池在汽车工业上应用开发的主攻方向还是轿车。1995年交换膜型燃料电池的发电功率密度一经达到汽车工业认可的小轿车动力标准，汽车工业的“三巨头”立即各显神通。德国奔驰（BENZ）和日本丰田（Toyota）率先分别推出了燃料电池轿车的样车；美国通用汽车公司（Bulck）紧随其后，于1998年也有燃料电池轿车诞生。三家公司都准备以燃料电池轿车的投放市场，作为向21世纪献上的一份厚礼。到了21世纪，“超时代梦想”成真了，终于会有一天，你将驾驶着燃料电池为动力的新型轿车在高速公路上奔驰。
我国的燃料电池研制工作起步于20世纪60年代，只是由于众所周知的原因，在停顿了相当长的时间之后又重整旗鼓急起直追。目前，厦门大学、华南理工大学、长春应用化学研究所和大连化学物理研究所等单位的研究工作都已取得令世人瞩目的成就。21世纪，在由燃料电池推动的国际“能源革命”大潮中，我国的燃料电池技术也必将占有一席之地。
在这本书行将结束之际，我们给大家讲几个小故事，这些故事虽属真实的偶然事件，但是偶然中孕育着必然……
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