《科学世界》：新“蒸汽”革命即将到来

新能源汽车

　　文图/毛宗强

　　(清华大学核能与新能源技术研究院研究员)

　　蒸汽机的发明被公认为第一次工业革命的标志，此后的几百年时间里，为了获得更加强劲、持久的动力，人类对新能源的探索从未停止过脚步，时至今日，各种形式产生的电能

成为人类社会的能量支柱。然而，能源也从没有像今天这样多样化，一边是煤炭、石油等不可再生资源的惊人消耗，另一边是太阳能、风能、潮汐能、核能和生物植能等新能源全球范围的研究和开发。或许我们真的需要一场“新科技革命”，让臃肿的工业文明在新能源的支撑下轻快地奔走于信息时代。在众多的研究方向上，燃料电池提供了一种日益成熟的解决之道。

　　新“电池”登场

　　严格地讲，燃料电池算不上电池，而是一台发电机。它将燃料的化学能转化为电能，整个过程中不经过燃烧，只需要不断供给燃料和氧化剂即可。与普通电池相比，燃料电池同样是将化学能转化为电能，但普通电池的化学物质是预先装在电池内部的，所以其容量总是有限，一般用毫安时、安时等单位表示，标称的数目越大，电池的容量就越大，而燃料电池使用的化学物质不受电池的体积限制，可以不断填充使燃料电池持续工作。因此，讨论燃料电池的容量是没有意义的，不同燃料电池的区别在于发出的功率有所不同，通常用瓦、千瓦、兆瓦等单位表示。

　　既然燃料电池不是电池，为什么会被称为“电池”呢？事实上，fuel cell是燃料电池的英文名字。cell在英文中有很多含义，比如细胞、单元、蜂房、单人房间、电池等等，其中“电池”的含义最弱，而英文中电池一般称为battery。当外国人看到fuel cell时，就不会误认为是battery。所以，这种误解仅仅是翻译的原因。

　　由于燃料电池的主要功能是提供电力，其功率变化范围从毫瓦级到兆瓦级，所以其应用范围很宽，无论上天、下海还是在地面，只要用到电的地方都可以应用，既可以用于交通工具，也可以用于发电站。此外，燃料电池在军事上的应用也日益凸现，小到百瓦级的单兵作战系统，大到十万瓦级的移动发电站，甚至更高级别的潜水艇发动机上都能看到它的身影。由于质子交换膜燃料电池工作温度低(80℃)，而且没有噪声，使得红外信号和声纳都难以探测，海军渴望燃料电池入住新一代常规动力潜艇。事实上，这种新一代潜艇已经在德国下水试航。

　　尽管具有很多优点—效率高、无噪音、反应温度低、最终产物无污染等，但是燃料电池至今没有得到太多的应用，主要原因是其本身的技术障碍。比如，燃料电池系统很“娇气”，不仅对燃料纯度要求很高，还要用昂贵的白金作催化剂，而且燃料电池寿命还不够长。去年，欧洲10个城市30辆燃料电池公共汽车结束了两年的实地运行。结果表明，燃料电池的平均工作寿命只有2200小时，离5000小时的商业最低要求差了一半，与人们期望的8000工作小时更是相去甚远。此外，燃料电池的价格居高不下，前不久我国进口的三辆燃料电池大巴就价值540万美元！

　　燃料电池，中国造

　　燃料电池如此之热，中国的研发现状如何，能否赶得上这趟国际列车呢？到目前为止，国内主要的研究集中于质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池三个方向。前者已经具备了国际水平，而后两者和国际水平则有较大差距。现在，我国已经能够生产几瓦到上百千瓦的的质子交换膜燃料电池，而且具备了全部关键材料国产化的能力。

　　1999年12月，由北京富源公司提供5千瓦的燃料电池，由清华大学提供汽车，成功研发了我国第一辆燃料电池汽车。科技部在“十五”期间，为燃料电池汽车专项投入3.8亿元人民币，经过五年努力，我国在燃料电池车辆方面已经取得长足进步。2004年，在北京召开的国际氢能论坛上，德国的燃料电池公共汽车和中国“863”支持的燃料电池公共汽车一起开过天安门广场和人民大会堂，引起了世界各国的广泛关注。

　　清华大学已经成功研制5辆燃料电池大客车，上海同济大学已研制成“超越”系列轿车10余辆，这些车用燃料电池全部是由中科院大连化物所和上海神力公司所提供。我国地方政府和各大公司也表现出很大的积极性：武汉理工大学已经研制出“楚天一号”和“楚天二号”燃料电池轿车；无锡金龙客车、上海神力和上海交大也联合研制出新型燃料电池公共汽车，行驶在苏州和上海之间。其他诸如燃料电池自行车、

　　只有汽车，没有加油站是不行的，没有氢能进行补充，再好的燃料电池也将停止工作。氢气是燃料电池的燃料和粮食，目前氢气主要来源于煤、天然气等化石能源，制氢过程会排放CO2温室气体。现在我们的研究院正在研究太阳能制氢和风能制氢，希望通过可再生能源获得氢燃料，到那时，就可以真正做到无污染的“零排放”。我国第一个350巴高压加氢站已在今年于北京中关村科技园区永丰高新技术产业基地建成，填补了我国高压加氢站的空白。该加氢站15分钟就可以加满一辆燃料电池公共汽车，在2008年将会为奥运会的氢燃料电池汽车车队提供服务。

　　千瓦级氢燃料电池发电站也在研发中。2005年，清华大学核能与新能源技术研究院的5千瓦电站、北京飞驰公司的5千瓦电站都在哈尔滨工业大学示范成功。为

　　迈步，理想与现实之间

　　人类未来的能源归根结底为太阳能，它足够我们用上几十亿年。但是太阳能随时间和地点变化，需要氢作为其能源载体，燃料电池是利用氢的最好的方法。为此，世界各国通力合作，以期早日克服燃料电池难关，将其商业化。1974年，在石油危机之后，一批科学家聚集在美国迈阿密成立了“国际氢能学会”，旨在推动氢能。近30年后，2003年11月，16个国家和地区的代表聚集在美国华盛顿，成立了“氢能经济国际合作伙伴”(IPHE)的政府间组织，旨在推动燃料电池车的发展，希望通过努力，在2020年实现燃料电池车商业化。

　　为了推动燃料电池车的发展，美国政府最近推出一个奖励计划，对燃料电池车给出5000万美元的奖金，比诺贝尔奖金额度要高几十倍。“重赏之下必有勇夫”，美国希望用高额奖金促进燃料电池的快速发展。

　　从1839年英国科学家威廉·格罗夫的燃料电池实验到现在，已经过去160多年了，一代又一代人始终没有放弃燃料电池，不断努力地进行研究。当然，燃料电池已经从当初简陋的实验室走向社会：你可以看见燃料电池小轿车在奔驰，燃料电池公共汽车在许多城市忙碌地输送旅客；燃料电池电站给许多家庭提供电和热水；燃料电池手机、笔记本的样机也早就问世。虽然燃料电池在目前应用起来还不那么完善，但是我们相信，它为人类服务的时刻就要来临。

　　国家在未来15年的中长期科技发展规划纲要中，将发展氢能和燃料电池提到了前所未有的高度。目前，燃料电池的研究仍然处于开拓创新阶段，自然会遇到一定的困难，但是不能因此就灰心失望，甚至要求国家减少对燃料电池的支持。我们要有信心独立开拓一条中国燃料电池的发展道路，要有毅力坚持到胜利。中国人有能力筑三峡大坝、修

　　责任编辑/曹 玲