氢能经济引领社会新发展模式

杨晓蕾 易晓 北京交通大学，北京100044

氢能经济引领社会新发展模式

杨晓蕾 易晓 北京交通大学，北京100044

科学技术发展日新月异，,社会发展也进入到历史新高，然而随着各国工业化进程的加剧和城市化水平的不断提高，石油危机和环境污染已经成为人类社会发展的突出矛盾。文章通过分析石油资源短缺和环境污染等现存问题，探讨新能源经济时代背景下未来社会、经济、教育等方面的发展模式。

石油危机；环境污染；可再生能源

1. 新能源开发的必要条件

1.1 矿物燃料污染严重

目前世界上大多数的能源需求方式正在实现由化石燃料向可再生能源的技术开发过渡时期。政府投入大量的资金已用于创建、研发和维护系统。可再生燃料不仅容易获取，而且便于储存和运输，新创建的燃料分配系统拥有先进的开发技术，从而缩短时间，提高效率，加快制取过程。尽管矿物燃料对我们的社会提供了很多优势，但它就像一把双刃剑对环境也有负面影响，其中一些可能尚有待观察；另一些有害后果包括有害气体的排放量致使空气污染酸雨造成，水和土壤污染；由于常被人们忽视的燃料溢漏和泄漏问题，使二氧化碳积聚在大气中。这些污染物有可能使全球大气变暖和导致间接杀害许多稀有物种。

1.2 石油危机

在世界各地的大多数国家，利用矿物质燃料维系生存，诸如人们开车上班或在自己家中以及工作场所使用电力系统。一旦矿物燃料的供应被切断，整个社会经济系统就会瘫痪。然而，汽车燃烧汽油生成有害物质通过尾气排放，将一氧化碳，氮氧化物及未燃尽碳氢化合物释放到大气中所造成空气污染尤为严重。即便人类研制出安装在汽车上的催化转换器可以相对控制污染物质的排放量，但它们的技术开发不能够治本性，使用效益上不成推广性和产品设计形式的不够完美性；加之由于全球人口不断增加，对能源的需求也不断增加，有限的化石燃料的供应危机形势指日可待，变成世界政治纠纷、经济变动的主要问题，所以开发可再生能源，成为社会政府、经济领域、汽车企业技术开发、工业产品设计等经济支柱产业面临的时代变革问题。

2. 氢能源经济时代

2.1 氢能源有多种制取源

燃料电池可以通过不同的燃料来发电，氢，甲醇，和化石燃料,等生物质材料。利用化石燃料制取的氢被看做是一种间接的方法产生氢气，即使用甲烷，甲醇，乙醇制取燃料电池中的氢气。这些燃料也可以来自许多自发性污染生物量的物理反应，包括甲烷市政废物，污水污泥，林业剩余物，垃圾填埋场，以及农业和动物粪便。

2.2 氢能源具有不可替代性

能源经济的未来将包括许多可再生能源技术结合使用形势。至于燃料而言，可再生能源，如太阳能电池，风能，水能和地热等越来越多地被用来生产电力。氢是最强大的燃料。最明显的体现在美国航天局的空间船舶-主要燃料，就是使用的氢。氢能源有很多不可替代的优势：氢作为宇宙中最丰富的元素，它以不同的形式与其他化学元素结合存在于地球上。其中氢以水的形式贮存在占地球表面积70%的海洋里。因此，从水中制取氢的开采技术成为目前人类主要研发课题。氢通过电解水获得，氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接换成电能的装置。[1]从本质上说是水电解的一个“逆”装置。[2]此过程没有矿物燃料的燃烧过程，生成物只有氢和氧，因此氢这一特性有效地实现了“零污染”称号。

2.3 氢能源的储备方法

为了成功地成为不可替代性的具有社会基础的可再生能源，同时考虑到可再生能源的间歇性问题，必须有一种方法来储存氢能量，工程技术开发人员不断的技术革新后研究出三种存贮方式。

一种是低温高压缩的存贮.这种存贮方式是将气态氢高压后存放在钢瓶中，其重量占钢瓶重1.6%，每45m3储氢4kg。由于氢气的冷凝温度是-253℃，可以将气态氢气经过20～30MPa高压液化后存贮，然而这种存贮装置要求是有多层绝热夹层的杜瓦瓶。多利用于运载火箭。还有一种是金属氢化物储氢，钛锰合金在20℃时，每克合金可吸收225cm3的氢，或释放185cm3的氢，即每1cm3的合金能储藏1125cm3的氢。由于氢气本身会使材料变质，如氢损伤、氢腐蚀、氢脆等。而且，储氧合金在反复吸收和释放氢的过程中，会不断发生膨胀和收缩，使合金发生破坏，因此，良好的储氢合金必须具有抵抗上述各种破坏作用的能力。

3.氢能源的商业价值

3.1 氢能源的应用范围广范

自从20世纪60年代开始，氢能源能首先被用于火箭和航天飞机发射等领域，随着技术的进步和对环境保护的重视，氢能的应用领域逐步扩大到汽车、飞机燃料、氢燃料电池等方面。

图1 氢能源的电解原理和应用范围

如今，燃料电池的使用范围推广在一定程度上刺激消费，间接促进经济增长，已经为商业宣传和家用产品的新形势。例如：便携式电子产品，如笔记本电脑，照相机和移动电话通过使用氢气可将带电量延长10～ 20倍。

在汽车制造业方面，世界主要的六大汽车制造商早在90年代开始投入大量资金研制的氢燃料电池技术，将此技术摒弃原有的复杂变速箱等动力传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走，由于燃料装置、燃料箱、电机一并安装在汽车的底盘中，底盘上方成一平面，只要根据不同消费者的要求设计和制造汽车外形与固定的底盘组装就形成不同风格的汽车外形。特殊的结构模式不仅扩大了室内外空间，开创汽车模块儿化的批量生产新模式，给消费者带来全新操作体会而且将引发一场汽车概念设计新浪潮。汽车造型设计师根据自己的大胆创意思维在保证使用空间前提下真正发挥艺术设计才能。

图2 氢能源电动车底盘

3.2 氢能源引领新生活方式

在未来，只要将汽车接入家庭和办公室等场所的插线板，便可以供应一切设施的用电量。一般而言，家庭房屋的平均用电量为10千瓦/天，而氢燃料电池汽车的能量可以维系40千瓦/天的用电量，新模式下的汽车可以成为住宅和办公室的发电厂。当然，要实现这一步的电力建设，也正是21世纪我们从现有经济过渡到“氢”经济时代的重要挑战之一。此外，化石燃料危机只增不减趋势，不久的将来化石燃料经济终将被相对低成本的可再生能源所取代，成为新时代的可再生能源经济。

我们目前正在努力减少相关费用的氢经济，还要做出进一步改进的需要，但是，我们正在迅速地学习。“教育要从娃娃抓起”面对经济高速发展的今天，我们的教学形势趋于多样性综合化教学模式，氢能源电动汽车模具可以作为教具以科教实验演习方法对青少年进行知识扩展。

4. 科教时代的新要求

4.1 氢能电动车教具：开发学生智力，带动学习积极性

教具是以传播科技、教育人为目的的实物，是完全的科技传媒，是青少年科技活动中不可缺少的器材。[3]科技活动中用的教具有实物教具和复制品教具。这种教育学习类模具可以利用光、声、电、太阳能、激光、蒸汽、水力、空气压力等为动力的模型，培养孩子对科学的兴趣，激发孩子的求知欲，促进孩子早日成才，还可以通过相互参与配合培养学生的集体意识，体会人与人之间的互动关系等良好的品格。

4.2 氢能电动车教具的特点

（1）直观性。直观性在科技活动中常用作演示用教具。学生通过老师的实验演习可以使知识具体化、形象化，提高学生感知、理解和记忆知识的能力创造了形式思维模式培养条件。直观性的形象思维记忆通过大脑转换为抽象的科学数据知识，得到形象思维和抽象思维综合培养的科学教育效果。

（2）实践性。氢能电动车教具作为实物媒介是可以让学生们在老师的指导下触摸、使用、安装、拆卸的，这在培养学生技能培养和动手能力方面有着特殊的意义。

（3）有研究价值。氢能电动车教具所含科技信息是丰富的，有很多内容未被人类提取，它本身就是科研对象。对于知识甚少的学生，具有研究的价值，学生可以通过观察到水电解氢的气泡生成过程以及利用燃料电池带动马达做功使汽车开动的物理原理。

（4）典型性。氢能电动车教具的典型性，使它符合教学要求，能有效地形成清晰的表象并引导学生从展示的现象上去认识事物的本质。从感性知识上升到理性知识，促进学生全面深刻地掌握知识。

（5）需要语言媒介、文字媒介配合。氢能电动车教具在教师在操作讲解教具时必须给予相关化学原理指导解说、指导学生进行观察，启发学生思考。

5. 结论

在过去十年中，人们已越来越关注环保和更有效的电力生产方式。这种研究替代燃料和动力源的兴趣迅速扩大。依靠燃烧矿物燃料导致了严重的空气污染，除了有害于我们的生态系统平衡发展，污染也正在改变世界的气候。这种趋势是所谓的全球变暖，而且将继续变得更糟。广泛对世界石油资源采矿导致严重的不可再生能源的短缺问题越来越严重。为维护生态平衡和人类的子孙更好的生存和发展，世界需要一无污染、可再生、低成本的新能源，氢气以其独特的优势成为世界关注的焦点。

绿色经济从“十一五”计划开始实施，氢能源经济政策在政府的支持下得到良好的发展，虽然目前我国对氢能源开发制取技术不够成熟，但氢能文化的新时代理念体现在社会、经济、教育、制造业等各个流通区域，这一环保发展理念将一步步发扬光大。

[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.玩具设计.北京工业出版社.2008年5月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.198

杨晓蕾，建筑艺术系，北京交通大学硕士，主要研究方向：工业设计。