航天器里的水源和电源—氢氧燃料电池

自从1957年10月4日原苏联发射了第一颗人造地球卫星、人类进入“太空时代”以来，现在已有2000多人乘坐宇宙飞船巡天揽月、遨 0 太空。对此，人们不禁要问：远离地球的飞船内部所用的电能从何而来？宇航员所需用的水又是怎样解决的？如果从地球上带着蓄电池和水上天，自然会加大飞船的重量，这不是上策。为此，科学家们想到了氢氧燃料电池，因为它既可解决电能问题，又可解决宇航员的饮水问题，真是兼而有之，一举两得！所谓燃料电池是电燃料（氢、肼、烃、甲醇、液氨、煤气、天然气等）、氧化剂（氧气、空气、氯、溴等）、电极（多孔烧结镍电极、多孔银电极等）和电解质（氢氧化钾溶液或固体电解质——含有二氧化锆和其他氧化物的陶瓷）组成的。利用燃料和氧化剂之间的氧化—还原反应，可以从化学能直接产生电能，从而大大提高能量的转换率。
     当前广泛应用于航天飞行的是氢氧燃料电池。在这种电池中，阳极碳电极的表面嵌有细微分散的铂或钯粒子作催化剂，氢气通过极上的细微空隙进行扩散；阳极上氧气通过浸有氧化钴、铂或银为催化剂的一个多孔碳电极进行扩散。阳极和阴极用一种电解质（如氢氧化钠或氢氧化钾溶液）分隔开。氢通过阳极扩散，以氢原子的形式被吸附在电极的表面上，它同电解质溶液中的氢氧根离子反应生成水。在阳极产生的电子通过外电路流到阴极。通过阴极扩散的氧气被吸附在电极表面，在这里被还原为氢氧根离子。氢氧根离子从氧电极（阴极）经电解质溶液迁移到氢电极（阳极），从而完成一个循环。 这样，只要对电池系统维持一定的温度、一定的电解质浓度，不断地供给燃料和氧化剂，且不让反应的生成物——水在电池内部滞留，那么就可以从电池中源源不断地得到电能，同时，从电池中排出来的水经过净化后，就可以供宇航员饮用。为了满足宇宙飞船的实际需要，需将几十个这样的单电池串联起来，组成一个电池组。然后，再将几个电池组并联起来，为飞船供电。由于氢氧燃料电池能量转换率高，使用寿命长，只要不断地添加氢气和氧气就可以源源不断地输出电能，所以美、俄等国除了将其用于航天事业外，还着手用于民用发电。
     美国已在曼哈顿地区建成了一座4800千瓦的燃料电池发电站。另外，氢氧燃料电池的一个重要特点是从太阳捕获动力。利用现代的催化方法可以用太阳光将水分解为氢气和氧气，然后将它们应用于燃料电池中产生电能。据预测，到下一个世纪，燃料电池将成为一颗新的熠熠发光的“电星”，造福于人类。