坐著氫氣船環(huán)游地球

劉娉婷

可能你很早就聽說過氫動(dòng)力汽車，因?yàn)樗欧懦龅牟皇穷愃破腿紵蟮奈矚?，而是無污染的純水。氫動(dòng)力汽車也一度被科學(xué)家預(yù)言是未來汽車行業(yè)的核心技術(shù)之一，但工業(yè)上還沒有研發(fā)出能夠低成本提取氫氣的方法，目前氫動(dòng)力汽車的氫燃料電池的成本是普通汽油機(jī)的100倍。

而今年5月，50位來自法國(guó)CEA Liten實(shí)驗(yàn)室的工程師，駕駛著一艘名為“Energy Observer”、以氫氣作為燃料的大船，開始了他們?yōu)槠?年的環(huán)球之旅。他們計(jì)劃訪問50個(gè)國(guó)家，中途?？?01次，每年預(yù)計(jì)至少花費(fèi)2999萬元人民幣—如同15世紀(jì)末到16世紀(jì)初哥倫布的4次遠(yuǎn)航，開辟了橫渡大西洋到美洲的航路，這次航行也承載著某種開辟的使命。

船長(zhǎng)Victorien Erussard有豐富的海上航行經(jīng)驗(yàn)?！霸诤Ｉ虾叫袝r(shí)，我們會(huì)擁有大量的風(fēng)能和光能，這些都是過剩的能源，我們不想浪費(fèi)它們，而是會(huì)換種方式將它們繼續(xù)存儲(chǔ)在船上?！彼f。

Energy Observer其實(shí)是耗時(shí)4年、由一艘賽艇改造的。它搭載的核心裝置包括三塊加起來面積達(dá)130平方米的光伏電池板、電解槽、氫燃料電池系統(tǒng)、兩個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)。除此之外，還配備了海水淡化系統(tǒng)、優(yōu)化前進(jìn)路線的海事路由、氫氣壓縮機(jī)、氫能儲(chǔ)存器、可滿足短期能量需求的鋰電池等多個(gè)輔助裝置。

為了傳遞環(huán)保與舒適并不沖突的理念，船內(nèi)的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)約時(shí)尚感。室內(nèi)用白色和綠色這種明亮色彩作為主色調(diào)，家具大部分都有多種用途，比如餐椅下是可以儲(chǔ)物的柜子，整個(gè)空間布局緊湊而巧 妙。

要將氫氣作為Energy Observer的驅(qū)動(dòng)燃料，團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)就是如何利用海上現(xiàn)有的資源來獲取氫氣，達(dá)到“自力更生”的目的。我們平時(shí)使用的氫氣95%是通過化石能源制造出來的。

其實(shí)整個(gè)過程聽上去不是特別復(fù)雜，本質(zhì)上是一個(gè)能量雙向轉(zhuǎn)換的過程。白天Energy Observer依靠太陽(yáng)能和風(fēng)能提供航行的動(dòng)力，晚上則使用氫燃料電池。而氫氣是通過電解海水得到的，電解過程中需要的電來自于船上的太陽(yáng)能和風(fēng)能。沒錯(cuò)，整艘船并不是完全依靠氫燃料，而是采用混合動(dòng)力，但都屬于清潔能源。

在過去，人們認(rèn)為氫只是一種大自然中存量豐富的化學(xué)元素，并沒有將它作為能源來看待。在地球上，氫只存在極少量純凈狀態(tài)下，通常會(huì)與其他元素結(jié)合在一起。例如氫在水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，石油、天然氣、動(dòng)植物體內(nèi)也都含有氫。

自從科學(xué)界研制出氫彈后，氫氣就變成了制造航天燃料和核武器的重要材料。氫氣每單位質(zhì)量燃燒釋放出的能量是天然氣的2.5倍，柴油的3倍。而并且氫的燃燒既不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，也不會(huì)產(chǎn)生顆粒物。

但氫氣的獲取是一個(gè)消耗能量的萃取過程。目前工業(yè)上提取氫氣主要有兩種方式。一種是用電解水產(chǎn)氫，依靠消耗煤炭的火力發(fā)電，在能量傳遞的過程中會(huì)有一定程度的損耗。還有一種方式是將煤、天然氣或者重油等礦物作為原料來制取。這兩種方式的共同缺點(diǎn)都是提取成本高、轉(zhuǎn)化效率低，也都會(huì)排放出溫室氣體造成大氣污染。而個(gè)人制氫也僅限于在實(shí)驗(yàn)室中用電解水設(shè)備獲取少量的氫氣，無法形成規(guī)模。

氫的儲(chǔ)存也是一大障礙。因?yàn)闅涞姆肿淤|(zhì)量很低，在標(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下會(huì)占據(jù)大量體積。同時(shí)氫分子體積極小，非常容易透出儲(chǔ)藏裝置的外殼逃逸。想要有效儲(chǔ)存和運(yùn)輸，就需要通過裝置壓縮來減小氫氣的體積。

所以，Energy Observer肩負(fù)的責(zé)任是通過使用氫氣環(huán)球航行，向公眾證明氫能夠成為化石燃料的替代物，并且是可以攜帶著移動(dòng)的。

Energy Observer采用的制氫方式也是電解水，不過是電解海水。但海水無法直接進(jìn)入電解槽，因?yàn)楹Ｋ械柠}分會(huì)腐蝕電解槽中的電極導(dǎo)致效率降低，因此海水先要進(jìn)入淡化系統(tǒng)中處理。

電解槽的作用是通過能量耦合，打破水（H2O）的分子結(jié)構(gòu)，將氧氣（O2）釋放到空氣中，將氫氣（H2）輸入壓縮機(jī)中。電解槽的裝置包括電源、陰極和陽(yáng)極兩個(gè)電極。

電解槽的“開關(guān)”其實(shí)就是太陽(yáng)能和風(fēng)能。白天太陽(yáng)能光板吸收陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成電能，風(fēng)力渦輪機(jī)同時(shí)具有發(fā)電的效果，能持續(xù)為電解槽提供電力，這是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程。電解槽中的淡水在陰極得到電子被還原成氧氣，而水在陽(yáng)極失去電子被氧化成氧氣。根據(jù)方程式，2H2O=（通電）2H2↑+O2↑，生成的氫氣大約是氧氣的兩倍。

到了夜晚，氫燃料電池系統(tǒng)就開始發(fā)揮作用。氫燃料電池與普通電池的區(qū)別在于，干電池或者蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置，工作原理是先將電能貯存起來，等到需要時(shí)再釋放出來。而氫燃料電池是一種發(fā)電裝置，就像一座發(fā)電廠，是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。簡(jiǎn)單地說，就是通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，再通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，相比直接燃燒氫氣更加可靠和安全，也不需要經(jīng)過熱能和機(jī)械能的中間轉(zhuǎn)換。

氫燃料電池的基本原理是電解水的逆反應(yīng)。將氫氣和氧氣分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，釋放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。這個(gè)過程中只產(chǎn)生水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污 染。

如今，全球仍有12億人口沒能用上電，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐臈l件無法滿足現(xiàn)在的供電模式。在Erussard的預(yù)設(shè)中，如果這些人能夠?qū)W會(huì)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能自制氫氣，可能會(huì)突破過去供電模式的局限性。

團(tuán)隊(duì)一邊環(huán)游，一邊在官網(wǎng)上更新日記。8月25日他們離開了法國(guó)的第三站圣馬洛。他們利用車載流動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，向?dāng)?shù)鼐用窈驼故玖怂麄兊某晒?/p>

“我們要向全球各地展示可再生能源的潛力，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到旅店、汽車甚至是居民家中。這個(gè)想法應(yīng)該不僅限于通過網(wǎng)絡(luò)來傳播?！盓russard說。他不確定普及過程需要多長(zhǎng)時(shí)間，但就像從馬車進(jìn)化到汽車一樣，這個(gè)突破會(huì)因?yàn)榭稍偕茉丛俅伟l(fā)生。

從自然中汲取能量而又不破壞自然，是科學(xué)家們一直在努力的方向?？瓷先?，Energy Observer并不僅僅是一種交通工具，它更像是一個(gè)傳遞能源可再生方式的平臺(tái)。endprint