 《三思科学》电子杂志
2004年第1期
2004年1月15日
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[竹筒夫子]柑橘玉带凤蝶
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[碧声]我的2003：私人科学笔记
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[方舟子]2003年诺贝尔生理学或
医学奖篡改历史？
[柯南]2003诺贝尔物理学奖和化学奖
[碧声]新闻里的炸药奖
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[bird]动物区系
(3)东洋界、(4)旧热带界
[韩雪涛]数学悖论与三次数学危机
[九歌]鸟类漫话——攀禽(三)
[九歌]名词解释：檞寄生
[碧声]氢经济：清洁能源之梦
[陶世龙]走出认识地球的误区(四)
——“超级火山”真相
[逍遥]终极巫术——疯牛病小传(七)
[春上莱茵早]“点燃”阳光
柯南专栏
“冰人”奥兹的故乡
全球健康“路线图”
审判巴特勒
珊瑚帝国兴衰史
在火星漫步
互联网上的小世界
暴力游戏教唆“毁灭”？
体细胞的魔术？
纳米技术遭遇反科学思潮挑战
译述
[R.Dawkins]未来看上去很Bright
[R.Dawkins]不要拒绝科学
[J.Oberg]中国向上跨出的一大步
故事
[碧声]转基因：英国人与英国人的战争
[韩雪涛]孟德尔：现代遗传学的奠基者
[钟爱华]我心飞翔——2003世界航天
事业回顾
[杨鹤林]加拿大水怪巡礼(上)
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[方舟子]智能设计论：一具行走的僵尸
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氢经济：清洁能源之梦
 碧声
１８５４年美国打出了世界上第一口油井，曾在数千年的人类史中闪烁着零星火光的黑色液体，终于点燃了如火如荼的石油工业。仅仅一百年之后，由石油和煤支撑起的现代文明社会，已经清楚地察觉文明之下的危机：地球历经千万年乃至上亿年历史累积而成的宝藏，在这样的消耗速度下将会迅速枯竭，大气污染和酸雨等环境问题也困扰着人们。“能源革命”的呼声从２０世纪６０年代起就日渐高涨，而那正是石油消费量超过煤炭、成为新一代主体能源的时候。
时至今日，世界经济大体上仍然是化石燃料依赖型的，石油、煤和天然气占世界初级能源消费总量的８５％左右，剩下的部分主要是水电和核电，真正的可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以１．５％～２％的年率增长，而地质学家预测说，世界石油产量最早可能在２０１０年、最迟在２０３７年达到顶峰，然后开始下滑。此后，石油和天然气价格将大幅度上升，再也不会回落。如果到时候还没有找到真正能够取代石油的新能源，必将出现大面积的经济恐慌。环境污染的现状与石油枯竭的前景，使各国不得不思考这样一个严重的问题：一个清洁的、可持续发展的未来，应该有着什么样的能源结构？
水力发电和核裂变发电曾是过去几十年来非化石燃料型能源的发展重点。水力发电量已占到世界总发电量的近２０％。在法国等少数国家，核电成为国家电力供应的主要来源。但是，乌克兰切尔诺贝利电站事故使人们对核电的安全产生了很大疑虑，核电站放射性废料的处理问题引起了国际间的纠纷。水电方面，拦河筑坝、建起巨大的水库，在地质、生态、水文等方面有着不利影响，长远来看大力发展水电究竟是否明智，存在不少争议，国际上建造大规模水电设施的风气已经大大减弱。太阳能发电的高昂成本仍未得到有效削减，至今仍主要为卫星等高技术产品垄断，无法大量应用于民生。
近几年，人类在新能源技术方面并没有取得足以改变经济和社会形态的革命性突破，但许多国家正为此不断付出政治和资金上的承诺。美国正在考虑兴建新一代的核聚变反应堆，欧洲则于２００３年提出了由可再生能源支持未来社会的新规划。在众多被期许为未来之星的新能源形式中，最引人注目的，是世界上最简单的元素：氢。
氢原子 | |
氢是宇宙间含量最丰富的元素。它的原子核就是一个质子，外面环绕着一个电子。两个氢原子与一个氧原子结合，构成生命所必须的水。法国化学家拉瓦锡发现氢元素后给它命名为Hydrogen，在希腊文中的意思就是“水之源”。两个氢原子结合成为氢分子，氢气在氧气中容易燃烧，释放出热量并生成水。由于氢氧结合不会产生二氧化碳、二氧化硫、烟尘等普通化石燃料所产生的污染物，氢气被视作未来的理想清洁能源。而利用氢能源的主要方式，将是燃料电池。
早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到负极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在正极，这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％。
燃料电池工作原理 | |
但是，尽管氢元素在地球上含量非常丰富，却主要以化合物形式形在，以氢气形式存在的很少。以含氢化合物为原料制取氢气，也颇不容易，因此燃料电池一直没有得到很好的发展。１８６６年德国工程师西门子发明了我们熟悉的励磁发电机，实现了电能与机械能的转换，燃料电池技术相形之下显得笨拙昂贵，从此备受冷落。直到二十世纪，由于航天和国防工业需要新型动力，燃料电池才重新得到关注，用于宇宙飞行器和潜艇等。到上世纪末和本世纪初，以燃料电池为动力的“氢经济”，似乎成了人类摆脱石油依赖的希望。有专家认为，在２１世纪上半叶，燃料电池技术带来的冲击，将相当于内燃机对２０世纪造成的冲击。美国《财富》杂志则称，燃料电池将淘汰内燃机，就像当年内燃机淘汰蒸汽机那样。
氢经济的好处显而易见。燃料电池是眼下唯一有望取代汽油发动机的动力来源，也可以成为国家电力的来源。但如果你对于“燃料电池将大规模应用”、“氢经济就在眼前”之类反复出现却仍未兑现的聒躁感到厌烦，这决不是你的过错。因为科学家的确还没有克服燃料电池技术面临的两大根本障碍：氢气的制取和储存。氢气在自然界中并不广泛存在，它本质上是一种二次能源，而非煤、石油和天然气这些可以直接开采的初级能源。即使燃料电池有万般好处，它的燃料——氢气从何而来？固然，理论上多种初级能源如化石燃料都可成为氢气的来源，但目前的氢气制取技术效率低、能耗高，如何大规模、廉价地制取氢气，仍是有待解决的问题。另一方面，氢气密度很小，几乎不溶于水，容易着火、爆炸，液态氢沸点很低（零下２５３摄氏度），非常容易气化，因此氢气的妥善储存和运输，也是制约氢经济发展的瓶颈。这些因素使得目前以燃料电池为动力的产品价格昂贵，“氢车”仍然只是汽车展上风光招摇却缺少实用价值的概念车。
２００３年并没有出现使氢时代加速到来的重大技术进展，但世界许多国家忽然提高了给氢经济唱赞歌的音量，并且以增加研发资金来显示他们的态度是严肃的。这其中既有欧美日这样的发达国家，也有中国这样的发展中国家。欧盟委员会主席普罗迪宣布，将在未来５年内投入２０亿欧元进行氢相关技术的研究。日本通产省希望到２０１０年时有５万辆氢动力汽车行驶在日本的公路上，２０２０年达到２００万辆。美国总统布什则在能源预算中承诺拨出１７亿美元研发资金，希望现在出生的一代美国人长大后购买的第一辆汽车是氢动力车。中国则在全球环境基金和联合国的支持下，启动了耗资数千万美元的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”，推进燃料电池技术用于中国城市公共交通，并将于２００４年在北京举行“第二届国际氢能论坛”。
专业化的燃料电池可能一两年内就会投入市场，用于笔记本电脑和手机等产品。这些电子产品的功能越来越复杂、能耗也越来越高。它们现在使用的电池已经十分昂贵，因此如果一块新型电池能使笔记本电脑持续工作一天而不是２、３小时就耗尽能量，消费者应该不会介意多付一些钱。日本东芝公司已经制造出专供笔记本电脑的小型燃料电池，计划于２００４年推向市场，这种重９００克的电池以甲醇为制备氢的原料，５０毫升甲醇可使电脑连续工作５小时，补充甲醇可以使之运行更久。东芝还开发出了同样以甲醇为原料的手机燃料电池，计划进一步小型化后于２００５年投放市场。日本电气（ＮＥＣ）公司宣布将于２００４年推出笔记本电脑用的燃料电池。日本和韩国的其它大型电子企业也在加紧开发这类技术。它们预期，４、５年后，全世界装备燃料电池的笔记本电脑将突破１００万台。不过，ＩＢＭ、戴尔电脑等美国企业对此并不那么乐观。
燃料电池的另一个应用前景在于电力市场。从工程上来说，燃料电池结构简单，比传统发电系统更可靠、更易维护，电力供应也就更稳定。电力安全已经成为许多国家共同的问题。今年８月到９月，美国、加拿大、英国、马来西亚、澳大利亚和意大利发生了大停电事件，其中美国和意大利的停电规模均为史无前例，经济损失惨重。在平常的年份，停电导致计算机运行中断，每年给美国商业界造成的损失就达到２９０亿美元。因此这是一个巨大的潜在市场。那些对于电力供应的持续稳定性要求异常高的行业如银行业、硅片等高技术产品制造商，将特别欢迎燃料电池发电。美国内布拉斯加州的第一国民银行已经从１９９９年起使用燃料电池供电，支持它每小时交易量６００万美元的信用卡系统。传统电力网中，信用卡系统每年停机的时间可能长达１小时，而燃料电池供电的设计是每年停机不超过３秒。在另一些事例中，燃料电池发电甚至开始具备价格上的竞争力。英国伦敦南部沃肯区就有一个以天然气为原料的燃料电池发电系统，为当地住宅和一个娱乐中心供电，从２００２年初就开始运行。该系统与公用电网分离，尽管燃料电池发电的成本高，但由于免去了长途输电的需要，总的来说仍有价格优势。这类事例的成功将有助于燃料电池走入主流发电市场。
本田的氢动力车FCX | |
不过，氢经济的终极大奖仍是汽车工业，载着现代经济奔跑的车轮，是世界能源消耗大户——当然，也是污染大户。在全世界范围内，汽车制造商们已经为新型动力的研究付出了约２０亿美元。美国通用、意大利菲亚特和日本本田、丰田等公司，都已经研制出了自己的燃料电池汽车，其中本田的ＦＣＸ氢动力车已经在美国加利福尼亚州获准上市。燃料电池公共汽车也开始在世界不同地区的一些城市里开始试运行。不过，试验归试验，市场归市场，制造商们对商业化生产新型汽车并不热衷。毕竟，在需求不足的情况下把强行把新技术“推”向市场，是相当危险的。如果没有什么现实利益，很难让消费者完全为了环保而去购买比普通车价格高得多的新型车。通用汽车公司花费了３．５亿美元开发的电动车ＥＶ１就是一个失败的典型例子：它充好几个小时的电才能跑１２０公里左右，又昂贵又不方便，终于在２０００年停产。２００２年底公司决定停止出租仅有的６００辆ＥＶ１，彻底结束了这桩赔本赚吆喝的买卖。覆辙在前，汽车企业对待燃料电池车不可不谨慎从事。
通用的氢动力车Hy-wire | |
传统汽车的内燃发动机经历了一个世纪的锤炼，在动力性能、稳定和安全等方面已经相当成熟，固有的优势不可小看。燃料电池汽车的全新动力系统，其设计几乎是从零开始，要想与传统汽车试比高，仍需付出相当的努力。（不过，在传统汽车技术与工业化国家差距较大的发展中国家看来，这倒不失为一个在下一代汽车生产方面缩短差距甚至与工业化国家齐头并进的机会。）除此之外，科研人员还要解决氢独有的问题。其中一个是氢储存技术，如前所述，要把足够多的氢气储存在足够小的燃料箱里，使汽车能安全地行驶相当长的距离，仍然十分困难。另一个问题是配送：如果没有很多“加氢站”使补充燃料很方便，人们就不会大量地买氢动力车；但如果氢车的市场需求没有到一定的规模，发展商肯定不乐意花大笔钱去建设加氢站的网络。这是一个鸡与蛋的悖论。不过逐渐解决的方法仍是有的。比如美国洛基山研究所提出，可以利用现成的传统加油站，先用改造型的天然气来产生氢。燃料电池可以先用在公共汽车和通勤班车等有固定线路的车上，它们白天运营，晚上回到中心调度站去加氢，目前世界各地的燃料电池汽车运行试点大多是这种模式。办公地点和住宅区也可装备一些特别的加氢设备，人们上班或在家、汽车闲置不用时，可以加足氢，用燃料电池发电，产生的电力卖给公用电网，获得收益来抵消汽车运行的成本。
宝马的氢动力车745h | |
目前氢的主要来源是天然气，新技术可能使煤炭和石油也成为氢的重要来源，短时间内人类并不能大幅度摆脱对化石燃料的依赖，只是会改变一下利用它们的形式。完全清洁、可再生的未来，需要把氢变成可再生能源而不是化石燃料的中间储存形式。比如风能、太阳能、潮汐、地热都是清洁能源的理想来源，储量十分丰富，其中风能发电技术已经相对成熟，但以这些能源发电有着不连续、不稳定的弱点。如果这些电力的成本能进一步下降，用来电解水产生氢，配以良好的大规模氢储存和运输技术，就有望使氢成为一种优质、干净、普遍的燃料。虽然所需的科技进展尚未出现，但似乎多数人都同意，无论如何，摆脱石油、走向氢经济，是一种理想的前景。
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