在过去对电化学的一些定义中，有一个定义称：电化学是关于化学能和电能相互转变的一门科学。目前看来，该定义仅仅涉及到电化学的部分研究范围，并非全面完善。但是，它却正确地反映了这样一个事实，即在将近200年的一段时期内，电化学过程都是所谓小（独立）动力工程的基础。

自1800年伏特电堆创建之时起到十九世纪七十年代，原电池、蓄电池和其他电化学装置实际上是当时人类唯一的电源。直至目前，它们在国民经济的很多部门依然起着重要的作用。例如：众所周知，如果没有蓄电池，就不能使用任何一种以液态有机物质为燃料的机械化运输工具。全世界化学电源的年产量超过10¹⁰个，证明了化学电源在现代生活中具有巨大意义。如果将目前使用的化学电源同时接通，其总功率可能超过全世界所有发电站拥有的总功率。

在生产、交通运输和公用事业各部门的总能量的平衡中，即在所谓的大动力工程中，较之于像火力发电站和水力发电站这些能源来说，化学电源的作用是微不足道的。同时，最近十年来，旨在更广泛得多地利用电化学过程来获取能源的研究项目明显增加，人们对发展能源的新途径的兴趣越来越大，则与多数传统能源价格上涨，以及建造和利用水力发电站和火力发电站时出现的生态矛盾尖锐化有关。

电化学法作为一种新方法被采用，是由于在电化学反应中能量变换率高。电化学反应用于动力的、益处早就人所共知。1894年，著名的德国物理化学家B. 奥斯瓦特就曾断言：“可用来解决一切技术问题中最重要的一个问题，即获得廉价的电能的问题的方法，现在应该通过电化学来实现。”

然而后来，在动力工程中，并不是这种能量变换的电化学方法，而是利用各种各样热机的那种热力学效率较低的方法却得到了发展。类似的趋势也出现于交通运输的发展中，本世纪初，汽车和电动汽车几乎同样风行，但在以后若干年，电动汽车几乎完全被内燃汽车所取代。

该现象产生的原因之一在于：虽然电化学法在动力方面更有利一些，但在经济指标和经营指标方面却不如能量转变的其他方法。完美的电化学能量变换器需要非常昂贵的试剂，有时甚至是进口试剂。举一个这样的例子就够了：在火力发电站，由燃烧煤或天然气生产出来的电能，其成本低于2戈比/瓩时；然而用著名的伽伐尼电池，即使是其中最廉价的一种电池所产生的电能、其成本也约为30卢布/瓩时。

之所以产生上述现象，深究其原因则在于热机的工作原理已被彻底弄清，因而它可以预先计算设计。而且实际热机的各项指数与预先设计的指数很少有出入。但是在电化学装置中所有的过程都在分子水平进行，并且大部分过程尚未彻底弄清，因而不可能控制它们。因此，电化学装置的建立与耐心细致的试验研究密切相关。

目前，各类专家们对广泛利用电化学法以获取能量的可能性的评价众说纷纭——既有拥护者，又有反对者。对问题的全面分析应该既包括技术方面，而主要还应包括经济方面。此外，还必须考虑解决很多与此有关的纯粹的电化学问题的现实性。

当今，世界能源主要以利用化石燃料（煤、石油和天然气）为基础，而地壳中化石燃料的储量却有限。这就意味着现有的动力平衡结构是不稳定的今后应该大大地加以调整。进一步发展能源的过程中，在迅速扩大核能作用的同时还应当解决以下一些全球性问题：显著提高天然燃料的化学能转变成电能的效率；更广泛地利用其他可供选择的能源（例如：太阳能、风能、潮汐能等等）；减少能量在转变、分配和利用时的各种损失。我们认为，电化学过程及其装置原则上可以从多方面促进上述每个问题的解决。

燃料电池的问题

把天然燃料的化学能直接转变成电能的燃料电池，其创建工作是在大动力工程中利用电化学法的初次最重要的尝试。九十年来，人们进行了相应的研制工作，但对燃料电池的研究热情却时起时落，多次反复。最近的一次高潮大约开始于二十年前，当时很多国家从完全不同的方向开展了广泛的研究，结果证明了制造燃料电池并在此基础上创造电化学发电机在原则上是可能的。例如：燃料电池被应用到宇宙飞船上的这一事实证明了使用燃料电池的可靠性。尽管燃料电池的研制工作取得了一些成就，然而到目前为止，对这些燃料电池既不能批量生产，也不能将它们广泛用于国民经济之中。

大概，这是因为对燃料电池所进行的研制工作目的方向性不够明确。尽管在研制工作的初期进行了广泛的探索，而达到高度完善的方案只有几种：碱性的氧 - 氢燃料电池和肼燃料电池，以及采用固体聚合物为电解质的氧 - 氢燃料电池。而前两种电池的电极采用多孔的镍为基材，并且几乎在所有的方案中都要使用铂作催化剂。在研制这些方案时尚未充分估计到各种应用上的特殊性。

在大动力工程中对燃料电池的基本要求之一是使其经济指标符合要求。在这方面，不仅因为铂催化剂的使用，而且就连镍电极的使用也可能使能量的成本提高到不能允许的价格。而独立的动力工程对燃料电池的要求则首先是使用方便。显而易见，无论是存贮在钢瓶里的氧气，还是有毒的胼都不能满足这个要求。可见，上述燃料以及相应的燃料电池方案只可能在局部的狭小范围内得到运用。

只是在近几年才有目的地着手开展建立燃料电池新方案的工作，以解决大能源方面的问题。在美国和其他一些国家中正在研制燃料电池的两种方案：一种是中温燃料电池方案，用以氧化在碳氢燃料变换中获得的工业用氢；另一种是高温燃料电池方案，用以氧化煤气化后的产物。在这两种方案中氢都作为一种试剂。在第一种情况下生成少量的一氧化碳，而在第二种情况下生成大量的一氧化碳。温度偏高有助于解决两个大的电化学问题：降低氢电极催化剂因一氧化碳而产生的毒性，提高氧电极的效率。

在纽约，目前正在建造一座功率为5×10⁸瓩的发电站，该发电站利用以磷酸作为电解质的中温燃料电池。电极以含碳材料作基材。碳不仅在酸性环境中比镍更能耐腐蚀，而且价格也便宜得多。当然，在电极中要使用少量的铂催化剂（约1克—4克/瓩时）。经过转化的煤气和石油产品是最初的燃料。该发电站是具有这种功率的第一个电化学能量发生装置。

预计这个发电站的总效率约为38%，相当于现代化火力发电站的水平，这对于电化学发电站的第一个范例来说是不错的。但是，如果考虑到能量转变的电化学法应具的潜力时，这个效率是低的。效率降低的一个原因是必须预先使燃料变换，而这种吸热反应需要烧过多的燃料，因此在燃料变换的过程中要损失部分能量。

可以期待，第二代中温燃料电池必将在电力系统中为覆盖峰值负载而得到一定的应用。在这里，电化学设备最突出地显示出其主要优点——在广泛的负载范围内保持高效率。由于电化学设备的这种应用，就可以大大节省石油产物或天然气。

工作温度为700 ~ 1000℃的高温燃料电池在理论上也是可能的。这时使用碳酸盐的熔融物或者使用由二氧化锆制成的固体物质作为电解质。在这些燃料电池中可用固态煤气化的产物——含大量一氧化碳的煤气来代替天然气和石油产品。此外，高温燃料电池的效率比中温燃料电池的效率高，因为在高温燃料电池中被排放出来的热量同样也可以利用于生产电能。由于高温燃料电池在大动力工程中的应用，发电站的总效率可以提高到45—50%，这样就将大大地超过用煤作燃料的现代化热电站的效率。

当然，在创造工作稳定的高温燃料电池的道路上还有大量的困难，这主要是选择足够稳定的材料的问题。但是从全局来看，这些困难是能够克服的。考虑到在下一个世纪动力应该主要地以利用煤为基础，因此当然应该加强高温燃料电池的研究。

自然，就产生了在燃料电池中能否利用其他形式燃料的问题。在这方面，对碳氢化合物进行直接氧化以生产电能的电化学法曾受到人们的重视。六十年代初期，发现了实现该反应的可能。这在当时成了电化学上有名的事件，并为电催化工作的广泛发展奠定了基础。尽管在这方面取得了大的成就，然而目前距离使碳氢化合物发生电催化氧化这一问题的最终解决还为时甚远。该反应仍然只能采用铂催化剂才能实现，而且反应速度缓慢。能使反应过程猛烈加速的方法眼下尚未找到。考虑到相当廉价的碳氢燃料（天然气和石油）的天然储量有限，因而这个反应在将来未必能具有工业意义。

甲醇或者类似于甲醇的合成物质（乙二醇等）在燃料电池中的运用实质上更有前途。对电催化方面的研究工作证明大大地加速甲醇的氧化反应是可能的。例如：通过利用被吸附的各种金属原子的方法。同样还证明采用非白金催化剂来氧化甲醇是可能的，例如：通过在碱性溶液中使用高分散镍，即所谓骨架镍或列氏镍（Ник?лб Р?н?я）的方法，可以认为，与建造活性电极以氧化甲醇有关的主要的电化学问题能够得到解决。

可供选择的能源

由于天然有机燃料的储量有限，人们就把更为久远的未来的能源技术一方面与核能，热核能的利用结合起来，另一方面则与各种再生能源的利用结合起来。属于后者的既有直接的太阳辐射、又有太阳能的很多派生能源，例如：风能。由于这些能源的利用，突出地产生了两个新问题：大规模地储积能量以及为能量的运输和分配制造优良的载能体。

就是在目前的电能生产结构中储积电能的问题也十分迫切。动力系统中每昼夜和每周的负载变化可以导致该系统工作效率的明显下降。因此动力系统中为储积电能的任何装置都有助于负载平衡，从而提高动力系统的经济效益。

如果缺乏过渡的储积装置，要使用那些季节性能源（例如：太阳能和风能）一般是不可能的。在这些情况下不仅对于提高电化学设备的效率，而且对于保证电化学设备不断地向消费者提供能量来说，储能装置都是必不可少的。

最著名的是蓄水储能法：依靠水力发出的电能把大量水汲到位于较高处的储水池中，这些水流返回低处的储水池中时被利用于重新获得电能。也还有一些储积能量的方法，如把气体压缩成高压气，把载热体加热到比较高的温度等。但是最有效（对于相应设备的容积和质量来说）的储积电能的方法是把电能转变成化学能，即利用电化学原理的方法。

将普通的蓄电池（如：众所周知的铅酸蓄电池）用于大规模储积电能的各种尝试在文献中已有记述。容积为10⁴瓩时的储能设备大概需要含铅高于2×10⁵千克的酸性电池组，因而这些尝试未必就大有前途。在利用其他种传统的蓄电池时同样也需要大量稀有的有色金属。

有鉴于此，近几年来对那些采用不大稀有的和不大贵重的金属为原料的新型蓄电池所进行的研制工作愈来愈受到人们的重视。下面列举用作蓄电池负极和正极的一些试剂，按能够实现的程度由低到高排列：

（－）Cd，Pb，Li，Zn，Na，Fe，H₂

（＋）Ag₂O，PbO₂，NiOOH，S，Cl₂，O₂

目前，动力用蓄电池的研制工作集中围绕着以下几类蓄电池进行：Cl₂/Zn，FeS/Li，S/Na，O₂/Fe，O₂/H，Cl₂/H₂，其中硫钠蓄电池因其主要成分易得到，故最有意义。

在上面列举的许多系统中要利用钠的熔融物等腐蚀性试剂。鉴于此，就产生了选择足够稳定的结构物质的种种问题，这就大大地拖延了新型蓄电池试验样品的研制工作。根据这个观点，下面所阐述的一些以制取和储积人造载能体为基础的系统则处于更为有利的地位。

日趋缺乏的石油不仅是有效的能源，而且是理想的载能体。这在很大程度上决定了现代能源形势的复杂性。石油可以很方便地被运往任何需要的地点，同样也易于进行计量配料。此外，可以保证动力设备较快地启动。而煤和许多新的、非传统的能源却没有这些属性，因此产生了一个最重要的任务，即依靠各种可以实现的能源（包括利用煤）来合成优良的液态或气态载能体。鉴于此，现代能源形势的特点，与其说是“能源危机”，不如说是“优良载能体危机”，或许更恰如其分一些。

目前人们认为氢是未来最有希望的载能体。因此，关于未来的氢能源和氢经济，好像还有氢文明，人们都进行了很多讨论。必须说明，虽然这种单方面的理解尚未得到证实，然而毫无疑问，氢是未来最有前途的载能体之一。它必将广泛应用于动力和工艺之中。氢在生态方面的无污染性是它作为载能体的一个重要优点。

当前人们主要是通过天然气的变换来获取氢，这种方法的前途有限（对于未来的能源来说应该利用更容易获取的那种原料）。可能的选择方案是以电解水的途径来获取氢。

眼下，工业用的电解槽效率很低。电解槽的工作电压目前为2.0 ~ 2.2伏特，而不是理论值1.23伏特，从而导致电能损失60 ~ 80%。这与用于氧电极的多数已知催化剂的活性低有关，从而在阳极析出氧气的情况下引起氧电极的明显极化。在燃料电池进行还原分子氧的阴极可逆反应时极化作用也很显著。

最近几年在很多国家中正在积极进行提高电解槽效率方面的工作，有一些是本国的计划，也有些是国际间的计划（例如，在欧洲经济共同体的国家中）。提高电解槽效率的方法之一是提高工作时的温度（达到200℃），压力和电流密度。在这些工作过程中已经取得一些显著的效果。然而制造高效的可逆氧电极仍然是电催化和电化学的中心任务之一。研制这种电极或许能解决动力部门的许多大课题，尤其是解决制造氢——氧燃料电池以便大规模储积电能的这类问题。

由于核动力的发展，不仅依靠电能，而且依靠部分利用其他形式的能量，尤其是核反应的热能来生产氢的任务变得十分迫切。解决该任务的方法之一是在电解槽中高温（在800°—1000 ℃的情况下）电解水蒸气，这种电解槽采用二氧化锆为固体电解质。文献中记载着实现这种电解槽的一些尝试。当然，多数情况下相应电解槽的工作电压约为1.5 V，而不是理论（在900℃时）值0.9伏特，这是因为所采用的固体电解质具有较高的欧姆电阻。鉴于此，需要制造很薄的，具有较低电阻的电解质层（例如，把电解质涂在电极上）。在某些工作中业已取得有希望的成果。值得指出的是在高温的情况下氧电极实际上根本没有发生极化，因此这种电解槽作为可逆蓄电池能够有效地进行工作。

为了降低生产氢时的电能消耗，部分利用高温核反应产生热量的另一种方法是利用热力电化学循环。几年前就对生产氢的这种循环作了大量论述。目前，一种主要方案就是加入硫酸的循环过程，即著名的西屋（Westing House）方法或者马克 - 11方法，（另一种即马克 - 13法）。

与阴极氢的析出一样，阳极的对SO₂的氧化作用是该过程的电化学阶段。这是一个典型的发生在含碳电极的电催化反应。很有趣的是，如果添加了少量的碘，如同过渡的氧化系统的作用，可以产生强催化效果。在溶液中碘可以氧化二氧化硫，而此时形成的碘离子在阳极被氧化成碘。目前已经证明在通常的电解槽中采用0.2 ~ 0.4 A/cm²的电流密度，和采用0.6—1.0伏特的电压用以代替1.5伏特—2伏特电压来进行这个过程是可能的。

电化学合成方法和其他可能的载能体的，尤其是液体载能体的方法大概今后将得到进一步发展。从这个观点来看，采用电化学法还原二氧化碳以制取甲醇类合成燃料是大有前途的。这是电化学的一个比较新的方向，这些工作眼下还带有探索性质，但是从电催化的观点来看这里有很多有趣的问题。

能量的有效利用问题

在能源方面，一个最重要的问题是，不但要扩大各种能的生产，而且要更经济地利用能源。电化学在这方面的作用非常重要。

在电化学本身的生产部门中，降低能耗的潜力很大。目前全世界仅因氯和铝的生产所消耗的电能就约占所有电能的3.5%。所以对这些过程作任何改进都必定大大节约能量。例如：生产铝时，如果将能量消耗率从17瓩时/千克降至13瓩时/千克，那么可使全世界一年节约电能6×10¹⁰瓩时，即相当于一个功率为10⁷瓩的大型发电站在这段时间内生产的电能。在生产氯时，由于改用不易击坏的钌和钛的混合氧化物（OPTA型系统）制成的阳极，仅在加拿大和美国每年就可节约电能3×10⁹瓩时。此外，因为在生产氯时在阴极形成的氢大部分未被利用，如果在氯的电解过程中用空气阴极代替氢阴极，那么在世界范围内每年大概可以节约电能1.5×10¹⁰瓩时。

用耗费能量较少的电化学生产部门来代替一些耗费能量较多的化学生产部门，这个问题非常重要。采取制造新型的、相当有效的蓄电池的电化学法能够为节省天然燃料作出卓著的贡献，这些蓄电池可以促进电动汽车的普及。很多国家正集中致力于迅速提高现有蓄电池的各项指标，研制新型大容量蓄电池的工作。已有的成就可以告诉我们在不久的将来用电动汽车代替部分辅助的城市自动运输工具是可能的，这在经济方面和生态方面都必将产生显著的效果。

总的来说，最近二十年来理论电化学和应用电化学的研究工作的发展表明其中出现的困难是可以克服的。毫无疑问，在解决人类所遇到的能源问题上，电化学方法的应用必将起着极重要的作用。

[BAHCCCP，1983年第10期]