楊曉蕾 易曉 北京交通大學(xué)，北京100044

氫能經(jīng)濟(jì)引領(lǐng)社會(huì)新發(fā)展模式

楊曉蕾 易曉 北京交通大學(xué)，北京100044

科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，,社會(huì)發(fā)展也進(jìn)入到歷史新高，然而隨著各國工業(yè)化進(jìn)程的加劇和城市化水平的不斷提高，石油危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的突出矛盾。文章通過分析石油資源短缺和環(huán)境污染等現(xiàn)存問題，探討新能源經(jīng)濟(jì)時(shí)代背景下未來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、教育等方面的發(fā)展模式。

石油危機(jī)；環(huán)境污染；可再生能源

1. 新能源開發(fā)的必要條件

1.1 礦物燃料污染嚴(yán)重

目前世界上大多數(shù)的能源需求方式正在實(shí)現(xiàn)由化石燃料向可再生能源的技術(shù)開發(fā)過渡時(shí)期。政府投入大量的資金已用于創(chuàng)建、研發(fā)和維護(hù)系統(tǒng)。可再生燃料不僅容易獲取，而且便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，新創(chuàng)建的燃料分配系統(tǒng)擁有先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，從而縮短時(shí)間，提高效率，加快制取過程。盡管礦物燃料對我們的社會(huì)提供了很多優(yōu)勢，但它就像一把雙刃劍對環(huán)境也有負(fù)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(dǎo)致間接殺害許多稀有物種。

1.2 石油危機(jī)

在世界各地的大多數(shù)國家，利用礦物質(zhì)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(tǒng)。一旦礦物燃料的供應(yīng)被切斷，整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。然而，汽車燃燒汽油生成有害物質(zhì)通過尾氣排放，將一氧化碳，氮氧化物及未燃盡碳?xì)浠衔镝尫诺酱髿庵兴斐煽諝馕廴居葹閲?yán)重。即便人類研制出安裝在汽車上的催化轉(zhuǎn)換器可以相對控制污染物質(zhì)的排放量，但它們的技術(shù)開發(fā)不能夠治本性，使用效益上不成推廣性和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yīng)危機(jī)形勢指日可待，變成世界政治糾紛、經(jīng)濟(jì)變動(dòng)的主要問題，所以開發(fā)可再生能源，成為社會(huì)政府、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、汽車企業(yè)技術(shù)開發(fā)、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)等經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)面臨的時(shí)代變革問題。

2. 氫能源經(jīng)濟(jì)時(shí)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(fā)電，氫，甲醇，和化石燃料,等生物質(zhì)材料。利用化石燃料制取的氫被看做是一種間接的方法產(chǎn)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(fā)性污染生物量的物理反應(yīng)，包括甲烷市政廢物，污水污泥，林業(yè)剩余物，垃圾填埋場，以及農(nóng)業(yè)和動(dòng)物糞便。

2.2 氫能源具有不可替代性

能源經(jīng)濟(jì)的未來將包括許多可再生能源技術(shù)結(jié)合使用形勢。至于燃料而言，可再生能源，如太陽能電池，風(fēng)能，水能和地?zé)岬仍絹碓蕉嗟乇挥脕砩a(chǎn)電力。氫是最強(qiáng)大的燃料。最明顯的體現(xiàn)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(yōu)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(xué)元素結(jié)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(shù)成為目前人類主要研發(fā)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(xué)能通過電極反應(yīng)直接換成電能的裝置。[1]從本質(zhì)上說是水電解的一個(gè)“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(shí)現(xiàn)了“零污染”稱號(hào)。

2.3 氫能源的儲(chǔ)備方法

為了成功地成為不可替代性的具有社會(huì)基礎(chǔ)的可再生能源，同時(shí)考慮到可再生能源的間歇性問題，必須有一種方法來儲(chǔ)存氫能量，工程技術(shù)開發(fā)人員不斷的技術(shù)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(tài)氫高壓后存放在鋼瓶中，其重量占鋼瓶重1.6%，每45m3儲(chǔ)氫4kg。由于氫氣的冷凝溫度是-253℃，可以將氣態(tài)氫氣經(jīng)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(yùn)載火箭。還有一種是金屬氫化物儲(chǔ)氫，鈦錳合金在20℃時(shí)，每克合金可吸收225cm3的氫，或釋放185cm3的氫，即每1cm3的合金能儲(chǔ)藏1125cm3的氫。由于氫氣本身會(huì)使材料變質(zhì)，如氫損傷、氫腐蝕、氫脆等。而且，儲(chǔ)氧合金在反復(fù)吸收和釋放氫的過程中，會(huì)不斷發(fā)生膨脹和收縮，使合金發(fā)生破壞，因此，良好的儲(chǔ)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(yè)價(jià)值

3.1 氫能源的應(yīng)用范圍廣范

自從20世紀(jì)60年代開始，氫能源能首先被用于火箭和航天飛機(jī)發(fā)射等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)步和對環(huán)境保護(hù)的重視，氫能的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到汽車、飛機(jī)燃料、氫燃料電池等方面。

圖1 氫能源的電解原理和應(yīng)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(fèi)，間接促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，已經(jīng)為商業(yè)宣傳和家用產(chǎn)品的新形勢。例如：便攜式電子產(chǎn)品，如筆記本電腦，照相機(jī)和移動(dòng)電話通過使用氫氣可將帶電量延長10～ 20倍。

在汽車制造業(yè)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(shù)，將此技術(shù)摒棄原有的復(fù)雜變速箱等動(dòng)力傳動(dòng)裝置，4臺(tái)由燃料電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)直接同車輪相連推動(dòng)汽車行走，由于燃料裝置、燃料箱、電機(jī)一并安裝在汽車的底盤中，底盤上方成一平面，只要根據(jù)不同消費(fèi)者的要求設(shè)計(jì)和制造汽車外形與固定的底盤組裝就形成不同風(fēng)格的汽車外形。特殊的結(jié)構(gòu)模式不僅擴(kuò)大了室內(nèi)外空間，開創(chuàng)汽車模塊兒化的批量生產(chǎn)新模式，給消費(fèi)者帶來全新操作體會(huì)而且將引發(fā)一場汽車概念設(shè)計(jì)新浪潮。汽車造型設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的大膽創(chuàng)意思維在保證使用空間前提下真正發(fā)揮藝術(shù)設(shè)計(jì)才能。

圖2 氫能源電動(dòng)車底盤

3.2 氫能源引領(lǐng)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(yīng)一切設(shè)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(fā)電廠。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一步的電力建設(shè)，也正是21世紀(jì)我們從現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)過渡到“氫”經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要挑戰(zhàn)之一。此外，化石燃料危機(jī)只增不減趨勢，不久的將來化石燃料經(jīng)濟(jì)終將被相對低成本的可再生能源所取代，成為新時(shí)代的可再生能源經(jīng)濟(jì)。

我們目前正在努力減少相關(guān)費(fèi)用的氫經(jīng)濟(jì)，還要做出進(jìn)一步改進(jìn)的需要，但是，我們正在迅速地學(xué)習(xí)。“教育要從娃娃抓起”面對經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，我們的教學(xué)形勢趨于多樣性綜合化教學(xué)模式，氫能源電動(dòng)汽車模具可以作為教具以科教實(shí)驗(yàn)演習(xí)方法對青少年進(jìn)行知識(shí)擴(kuò)展。

4. 科教時(shí)代的新要求

4.1 氫能電動(dòng)車教具：開發(fā)學(xué)生智力，帶動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

教具是以傳播科技、教育人為目的的實(shí)物，是完全的科技傳媒，是青少年科技活動(dòng)中不可缺少的器材。[3]科技活動(dòng)中用的教具有實(shí)物教具和復(fù)制品教具。這種教育學(xué)習(xí)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(dòng)力的模型，培養(yǎng)孩子對科學(xué)的興趣，激發(fā)孩子的求知欲，促進(jìn)孩子早日成才，還可以通過相互參與配合培養(yǎng)學(xué)生的集體意識(shí)，體會(huì)人與人之間的互動(dòng)關(guān)系等良好的品格。

4.2 氫能電動(dòng)車教具的特點(diǎn)

（1）直觀性。直觀性在科技活動(dòng)中常用作演示用教具。學(xué)生通過老師的實(shí)驗(yàn)演習(xí)可以使知識(shí)具體化、形象化，提高學(xué)生感知、理解和記憶知識(shí)的能力創(chuàng)造了形式思維模式培養(yǎng)條件。直觀性的形象思維記憶通過大腦轉(zhuǎn)換為抽象的科學(xué)數(shù)據(jù)知識(shí)，得到形象思維和抽象思維綜合培養(yǎng)的科學(xué)教育效果。

（2）實(shí)踐性。氫能電動(dòng)車教具作為實(shí)物媒介是可以讓學(xué)生們在老師的指導(dǎo)下觸摸、使用、安裝、拆卸的，這在培養(yǎng)學(xué)生技能培養(yǎng)和動(dòng)手能力方面有著特殊的意義。

（3）有研究價(jià)值。氫能電動(dòng)車教具所含科技信息是豐富的，有很多內(nèi)容未被人類提取，它本身就是科研對象。對于知識(shí)甚少的學(xué)生，具有研究的價(jià)值，學(xué)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(dòng)馬達(dá)做功使汽車開動(dòng)的物理原理。

（4）典型性。氫能電動(dòng)車教具的典型性，使它符合教學(xué)要求，能有效地形成清晰的表象并引導(dǎo)學(xué)生從展示的現(xiàn)象上去認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)。從感性知識(shí)上升到理性知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生全面深刻地掌握知識(shí)。

（5）需要語言媒介、文字媒介配合。氫能電動(dòng)車教具在教師在操作講解教具時(shí)必須給予相關(guān)化學(xué)原理指導(dǎo)解說、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察，啟發(fā)學(xué)生思考。

5. 結(jié)論

在過去十年中，人們已越來越關(guān)注環(huán)保和更有效的電力生產(chǎn)方式。這種研究替代燃料和動(dòng)力源的興趣迅速擴(kuò)大。依靠燃燒礦物燃料導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣污染，除了有害于我們的生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)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(xù)變得更糟。廣泛對世界石油資源采礦導(dǎo)致嚴(yán)重的不可再生能源的短缺問題越來越嚴(yán)重。為維護(hù)生態(tài)平衡和人類的子孫更好的生存和發(fā)展，世界需要一無污染、可再生、低成本的新能源，氫氣以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。

綠色經(jīng)濟(jì)從“十一五”計(jì)劃開始實(shí)施，氫能源經(jīng)濟(jì)政策在政府的支持下得到良好的發(fā)展，雖然目前我國對氫能源開發(fā)制取技術(shù)不夠成熟，但氫能文化的新時(shí)代理念體現(xiàn)在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、教育、制造業(yè)等各個(gè)流通區(qū)域，這一環(huán)保發(fā)展理念將一步步發(fā)揚(yáng)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(shè)計(jì).北京工業(yè)出版社.2008年5月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.198

楊曉蕾，建筑藝術(shù)系，北京交通大學(xué)碩士，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。