氫能經濟引領社會新發展模式

楊曉蕾 易曉 北京交通大學，北京100044

氫能經濟引領社會新發展模式

楊曉蕾 易曉 北京交通大學，北京100044

科學技術發展日新月異，,社會發展也進入到歷史新高，然而隨著各國工業化進程的加劇和城市化水平的不斷提高，石油危機和環境污染已經成為人類社會發展的突出矛盾。文章通過分析石油資源短缺和環境污染等現存問題，探討新能源經濟時代背景下未來社會、經濟、教育等方面的發展模式。

石油危機；環境污染；可再生能源

1. 新能源開發的必要條件

1.1 礦物燃料污染嚴重

目前世界上大多數的能源需求方式正在實現由化石燃料向可再生能源的技術開發過渡時期。政府投入大量的資金已用于創建、研發和維護系統。可再生燃料不僅容易獲取，而且便于儲存和運輸，新創建的燃料分配系統擁有先進的開發技術，從而縮短時間，提高效率，加快制取過程。盡管礦物燃料對我們的社會提供了很多優勢，但它就像一把雙刃劍對環境也有負面影響，其中一些可能尚有待觀察；另一些有害后果包括有害氣體的排放量致使空氣污染酸雨造成，水和土壤污染；由于常被人們忽視的燃料溢漏和泄漏問題，使二氧化碳積聚在大氣中。這些污染物有可能使全球大氣變暖和導致間接殺害許多稀有物種。

1.2 石油危機

在世界各地的大多數國家，利用礦物質燃料維系生存，諸如人們開車上班或在自己家中以及工作場所使用電力系統。一旦礦物燃料的供應被切斷，整個社會經濟系統就會癱瘓。然而，汽車燃燒汽油生成有害物質通過尾氣排放，將一氧化碳，氮氧化物及未燃盡碳氫化合物釋放到大氣中所造成空氣污染尤為嚴重。即便人類研制出安裝在汽車上的催化轉換器可以相對控制污染物質的排放量，但它們的技術開發不能夠治本性，使用效益上不成推廣性和產品設計形式的不夠完美性；加之由于全球人口不斷增加，對能源的需求也不斷增加，有限的化石燃料的供應危機形勢指日可待，變成世界政治糾紛、經濟變動的主要問題，所以開發可再生能源，成為社會政府、經濟領域、汽車企業技術開發、工業產品設計等經濟支柱產業面臨的時代變革問題。

2. 氫能源經濟時代

2.1 氫能源有多種制取源

燃料電池可以通過不同的燃料來發電，氫，甲醇，和化石燃料,等生物質材料。利用化石燃料制取的氫被看做是一種間接的方法產生氫氣，即使用甲烷，甲醇，乙醇制取燃料電池中的氫氣。這些燃料也可以來自許多自發性污染生物量的物理反應，包括甲烷市政廢物，污水污泥，林業剩余物，垃圾填埋場，以及農業和動物糞便。

2.2 氫能源具有不可替代性

能源經濟的未來將包括許多可再生能源技術結合使用形勢。至于燃料而言，可再生能源，如太陽能電池，風能，水能和地熱等越來越多地被用來生產電力。氫是最強大的燃料。最明顯的體現在美國航天局的空間船舶-主要燃料，就是使用的氫。氫能源有很多不可替代的優勢：氫作為宇宙中最豐富的元素，它以不同的形式與其他化學元素結合存在于地球上。其中氫以水的形式貯存在占地球表面積70%的海洋里。因此，從水中制取氫的開采技術成為目前人類主要研發課題。氫通過電解水獲得，氫燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接換成電能的裝置。[1]從本質上說是水電解的一個“逆”裝置。[2]此過程沒有礦物燃料的燃燒過程，生成物只有氫和氧，因此氫這一特性有效地實現了“零污染”稱號。

2.3 氫能源的儲備方法

為了成功地成為不可替代性的具有社會基礎的可再生能源，同時考慮到可再生能源的間歇性問題，必須有一種方法來儲存氫能量，工程技術開發人員不斷的技術革新后研究出三種存貯方式。

一種是低溫高壓縮的存貯.這種存貯方式是將氣態氫高壓后存放在鋼瓶中，其重量占鋼瓶重1.6%，每45m3儲氫4kg。由于氫氣的冷凝溫度是-253℃，可以將氣態氫氣經過20～30MPa高壓液化后存貯，然而這種存貯裝置要求是有多層絕熱夾層的杜瓦瓶。多利用于運載火箭。還有一種是金屬氫化物儲氫，鈦錳合金在20℃時，每克合金可吸收225cm3的氫，或釋放185cm3的氫，即每1cm3的合金能儲藏1125cm3的氫。由于氫氣本身會使材料變質，如氫損傷、氫腐蝕、氫脆等。而且，儲氧合金在反復吸收和釋放氫的過程中，會不斷發生膨脹和收縮，使合金發生破壞，因此，良好的儲氫合金必須具有抵抗上述各種破壞作用的能力。

3.氫能源的商業價值

3.1 氫能源的應用范圍廣范

自從20世紀60年代開始，氫能源能首先被用于火箭和航天飛機發射等領域，隨著技術的進步和對環境保護的重視，氫能的應用領域逐步擴大到汽車、飛機燃料、氫燃料電池等方面。

圖1 氫能源的電解原理和應用范圍

如今，燃料電池的使用范圍推廣在一定程度上刺激消費，間接促進經濟增長，已經為商業宣傳和家用產品的新形勢。例如：便攜式電子產品，如筆記本電腦，照相機和移動電話通過使用氫氣可將帶電量延長10～ 20倍。

在汽車制造業方面，世界主要的六大汽車制造商早在90年代開始投入大量資金研制的氫燃料電池技術，將此技術摒棄原有的復雜變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅動的電機直接同車輪相連推動汽車行走，由于燃料裝置、燃料箱、電機一并安裝在汽車的底盤中，底盤上方成一平面，只要根據不同消費者的要求設計和制造汽車外形與固定的底盤組裝就形成不同風格的汽車外形。特殊的結構模式不僅擴大了室內外空間，開創汽車模塊兒化的批量生產新模式，給消費者帶來全新操作體會而且將引發一場汽車概念設計新浪潮。汽車造型設計師根據自己的大膽創意思維在保證使用空間前提下真正發揮藝術設計才能。

圖2 氫能源電動車底盤

3.2 氫能源引領新生活方式

在未來，只要將汽車接入家庭和辦公室等場所的插線板，便可以供應一切設施的用電量。一般而言，家庭房屋的平均用電量為10千瓦/天，而氫燃料電池汽車的能量可以維系40千瓦/天的用電量，新模式下的汽車可以成為住宅和辦公室的發電廠。當然，要實現這一步的電力建設，也正是21世紀我們從現有經濟過渡到“氫”經濟時代的重要挑戰之一。此外，化石燃料危機只增不減趨勢，不久的將來化石燃料經濟終將被相對低成本的可再生能源所取代，成為新時代的可再生能源經濟。

我們目前正在努力減少相關費用的氫經濟，還要做出進一步改進的需要，但是，我們正在迅速地學習。“教育要從娃娃抓起”面對經濟高速發展的今天，我們的教學形勢趨于多樣性綜合化教學模式，氫能源電動汽車模具可以作為教具以科教實驗演習方法對青少年進行知識擴展。

4. 科教時代的新要求

4.1 氫能電動車教具：開發學生智力，帶動學習積極性

教具是以傳播科技、教育人為目的的實物，是完全的科技傳媒，是青少年科技活動中不可缺少的器材。[3]科技活動中用的教具有實物教具和復制品教具。這種教育學習類模具可以利用光、聲、電、太陽能、激光、蒸汽、水力、空氣壓力等為動力的模型，培養孩子對科學的興趣，激發孩子的求知欲，促進孩子早日成才，還可以通過相互參與配合培養學生的集體意識，體會人與人之間的互動關系等良好的品格。

4.2 氫能電動車教具的特點

（1）直觀性。直觀性在科技活動中常用作演示用教具。學生通過老師的實驗演習可以使知識具體化、形象化，提高學生感知、理解和記憶知識的能力創造了形式思維模式培養條件。直觀性的形象思維記憶通過大腦轉換為抽象的科學數據知識，得到形象思維和抽象思維綜合培養的科學教育效果。

（2）實踐性。氫能電動車教具作為實物媒介是可以讓學生們在老師的指導下觸摸、使用、安裝、拆卸的，這在培養學生技能培養和動手能力方面有著特殊的意義。

（3）有研究價值。氫能電動車教具所含科技信息是豐富的，有很多內容未被人類提取，它本身就是科研對象。對于知識甚少的學生，具有研究的價值，學生可以通過觀察到水電解氫的氣泡生成過程以及利用燃料電池帶動馬達做功使汽車開動的物理原理。

（4）典型性。氫能電動車教具的典型性，使它符合教學要求，能有效地形成清晰的表象并引導學生從展示的現象上去認識事物的本質。從感性知識上升到理性知識，促進學生全面深刻地掌握知識。

（5）需要語言媒介、文字媒介配合。氫能電動車教具在教師在操作講解教具時必須給予相關化學原理指導解說、指導學生進行觀察，啟發學生思考。

5. 結論

在過去十年中，人們已越來越關注環保和更有效的電力生產方式。這種研究替代燃料和動力源的興趣迅速擴大。依靠燃燒礦物燃料導致了嚴重的空氣污染，除了有害于我們的生態系統平衡發展，污染也正在改變世界的氣候。這種趨勢是所謂的全球變暖，而且將繼續變得更糟。廣泛對世界石油資源采礦導致嚴重的不可再生能源的短缺問題越來越嚴重。為維護生態平衡和人類的子孫更好的生存和發展，世界需要一無污染、可再生、低成本的新能源，氫氣以其獨特的優勢成為世界關注的焦點。

綠色經濟從“十一五”計劃開始實施，氫能源經濟政策在政府的支持下得到良好的發展，雖然目前我國對氫能源開發制取技術不夠成熟，但氫能文化的新時代理念體現在社會、經濟、教育、制造業等各個流通區域，這一環保發展理念將一步步發揚光大。

[1] Kordesch K V, Oliveria J CT, Fuel Cells[J].Ulmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Edition. Vch. Weinheim,Germany, 1996, A12:55.

[2] James S Cannon. Harnessing Hydrogen The Key to Sustainable Transportation [J].INFORM, Inc. 1995.

[3] 李明宇.玩具設計.北京工業出版社.2008年5月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.198

楊曉蕾，建筑藝術系，北京交通大學碩士，主要研究方向：工業設計。