给家安上一块电池

如果世界产油国总是动荡不安，如果出现由于过度开采能源引发的环境灾难，如果油价飙升，或是供电公司的电价太贵，谁来支撑未来家庭的能源供应？这些忧虑使燃料电池成为相对便宜的选择，也是目前最令人满意的解决方案——
【美国《大众科学》月刊3月号文章】题：新高压电力网之梦（作者　查尔斯·沃德尔）
在马萨诸塞州剑桥的努韦拉燃料电池实验室，25岁的化学工程师达里尔·波利卡站在一个5千瓦功率的燃料电池样品前：这相当于一座微型发电厂，可以提供一个4口之家所需的大部分电力。它的金属外壳下是一个边长大约为5英尺的立方体结构，布满了槽罐、真空管和电子元件。固定在这个结构外面的是一个显眼的诺基亚手机。
“那是我们的吉祥物，”波利卡说。“我们希望把它变成这么大。”他张开双臂，仿佛抱住整个组件，然后合拢两手，指向那个小小的手机。
波利卡的老板、努韦拉燃料电池实验室的首席运营官杰夫·本特利已经是搞燃料电池的老手了。25年来，他一直致力于创造体积小、效益高的燃料电池。在这方面，他比较谨慎。“也许吧，”他以一种近乎父亲的兴味看着波利卡说。“但这需要做很多工作。”
“我们是乐观主义者，”波利卡带着自信的笑容回应道。
制造商投入巨额开发经费
按照预想，2001年应该是在家用燃料电池方面值得记忆的一年；但是，它却成了这一行业希望忘掉的一年。90年代末，几家制造商纷纷宣布取得突破，人们以为这些突破到2002年就能把燃料电池的价格下降到5000美元左右。这么便宜的价格会吸引许多私房房主购买燃料电池，以提供家用的大部分或全部电力。这个意义非比寻常：想象一下，千家万户的用电都来自不污染的家用能源——它依赖简单的化学反应，利用氢气提供清洁能源，热水和少量的二氧化碳是仅有的废物，而且不产生噪音。
人们并未如愿以偿。过去4年来，H电力公司（H　Power）、普拉格电力公司（Plug　Power）和电力研究所（Electric　Power　Research　Institute）等多家机构（包括某些最有希望的家用燃料电池制造商和机构）许诺在一些家庭安装燃料电池的样品，向人们证实这项技术是有实用意义的家用能源。只有普拉格电力公司取得了成功。1998年，这家设在纽约州莱瑟姆的燃料电池制造商，在附近的一个家庭安装了一个功率5千瓦的燃料电池样品。仅凭这一点就足以让《纽约时报》宣布燃料电池作为一种经济的能源“即将取得突破”。但是，普拉格电力公司没能把制造费用降到足以吸引消费者的程度。两年后，普拉格悄无声息地放弃了这个项目。
这种失败的开端让人想要把燃料电池与光生伏打电池相比，后者利用放在玻璃或塑料下面、受阳光照射的薄片状硅电池发电。几十年来，人们一直幻想着把光生伏打电池作为一种简单的、有益于环境的发电方案。但是，经过多年研究和开发，这项技术仍然效率太低，成本太高，无法在家庭普及。与太阳能电池相比，燃料电池有自己的优势：除了少数新兴公司以外，几家大公司花在燃料电池研究上的费用加起来每年要超过10亿美元。气体技术研究所负责研究和开发的副所长罗伯特·斯托克斯说：“在光生伏打电池和其他可更新能源上投入的经费根本无法和眼下投在燃料电池开发上的经费相比。”
成本和应用难题
燃料电池制造商对这项技术大加赞扬，说它能帮助美国摆脱对外国石油的依赖（燃料电池从美国生产的天然气中提取氢），还能帮助美国减少火力发电站及核电站。他们宣称，燃料电池是一种省钱的办法。虽然人们还得购买天然气，但燃料电池每发一度电消耗的天然气量却少于当地的公用事业公司。私房房主还可以把燃料电池产生的热水用于暖气装置，从而节省更多的钱。此外，有些叫得最响的乐观主义者还认为，多数私房房主最终将得以把燃料电池产生的多余电力卖给当地的公用事业公司。
但是，在这一切成为现实之前，必须解决费用问题。到目前为止，没有哪个制造商能够把5千瓦功率燃料电池的价格压到3万美元以下，即每千瓦6000美元。多数市场研究都表明，除非某种发电设备的价格下降到接近以汽油为能源的家庭发电机，即每6千瓦功率的费用为1400美元，消费者是不会对它感兴趣的。鉴于天然气的成本效益比汽油高，燃料电池的提取技术也更有效率，专家预言，燃料电池将在降至每千瓦1000美元时产生吸引力———但这恐怕还需要7至10年。即便到那个时候，燃料电池大概也只能在用电非常昂贵的地方为人们省钱，比如纽约或加利福尼亚———这些地区的公用事业公司每度电收9美分甚至10美分以上。
降低价格的关键障碍是产生电力的“排气管”和把氢从天然气中分离出来的微型化学工厂——“重整炉”。二者都用铂作催化剂来加速化学反应。铂非常昂贵（去年每盎司的售价为400美元至650美元），此外，美国使用的大部分铂需要从政治动荡的国家进口。过去5年中，制造商已经把燃料电池装置中使用的铂减少了1/8，其主要途径是设计需要较少铂的系统并把铂与较为便宜的金属熔合。但是，为了大幅度降低燃料电池的成本，他们还需要进一步减少铂的用量。所以，制造商们现在把注意力转向减少重整炉内的铂。
波利丁公司（Polydyne）的首席执行官彼得·伯斯说，成本问题似乎艰巨得让人气馁，但这是因为许多人看待它的角度有问题。设在加利福尼亚州帕西菲卡帕利塞兹的波利丁公司是一家专业从事燃料电池经济意义研究的咨询公司。伯斯本人在某种程度上则被看作燃料电池支持者中的激进人物。他说，传统的成本估算在他所谓的制造学习曲线中没有被考虑在内。简单说来，这种学习曲线意味着人们可能需要开展多年研究、投入大量经费才能抓住潜在市场的第一个1%；但是，从这最初的努力之中得到的经验教训却能够引发效益更高的第二轮浪潮。那时，生产大幅增加，价格则急速下降。
在这种理论的指导下，伯斯预言，到2006至2010年间，将有1%的美国家庭用上燃料电池；那时，一台功率为5千瓦的机器大约需要7000美元。伯斯说，此后再过几年，燃料电池的价格会低至1200美元，并走入一半的美国家庭。但是，他最为大胆的预测是在29年以后：“到2031年，美国将有99%的家庭不再需要与输电网连接。”
与成本相比，体积构成的障碍或许没那么大，但也不容忽视。制造商意识到，为了让私房房主能够接受燃料电池，他们必须把功率5千瓦的产品缩小到一台小型冰箱那么大——虽然没有手机那么小，但也相当于其几年前体积的1/6。燃料电池的多余体积大部分在重整炉、泵、水管和电子元件中。也许可以通过更为有效的设计来缩小这些零件。但是，要减少重整炉的体积比较困难。重整炉里面有关键的热交换器，它控制着各种化学反应的温度，其体积不能无限制地缩小。努韦拉燃料电池实验室的本特利说：“想想你汽车里的散热器。你就是把再多的技术用在汽车散热器身上也没办法把它缩小到目前体积的1/10。”
耐久性也是一个问题。除了氢以外，燃料电池的重整炉还会产生微量的一氧化碳。本特利说，由于一氧化碳会像墨水污染棉布一样对铂造成永久的污染，排气管必须每4至5年更换一次，其费用大约为整个系统价格的10%至15%。最好的估计是，家用燃料电池可以通过更好的设计来持续运行10年，其间只更换一次排气管。
一个完美的能源解决方案？
即便产品能用10年，多数私房房主也会觉得不够。因此，燃料电池将让电力公司没生意可做的想法或许有些离谱了。可能的情况是：如果家用燃料电池被广泛接受，其所有者可能是地方电力公司或供能公司。私房房主每月支付使用费，公司则负责设备的养护。
有些电力公司甚至不会把燃料电池安装在家庭，而把它们集中安置在一个变电所。长岛电力局最近在纽约州西巴比伦的某地使用了75台普拉格电力公司的5千瓦燃料电池，以检验这种想法。这些燃料电池为输电网增加的电力可以支持100个中等规模的家庭。
这类成功的例子——加上40年来燃料电池一直为美国航天局的航天器提供电力，数十个医院、废水处理厂和军事基地都把功率为3兆瓦的装置用作备用电源———继续吸引商家开发燃料电池。最近开始这方面研究的大公司包括3M、杜邦、通用汽车和联合技术公司等。
让人们重视燃料电池的最主要原因也许就是世界能源供给的不可预知性。一场使能源价格飞涨的环境灾难或地缘政治危机可能打破整个均衡，使燃料电池不仅成为相对便宜的选择而且是最令人满意的解决方案。本特利说：“问题包括能源供给、能源质量和环境质量，而燃料电池可以解决所有这些问题。没有其他任何办法能做到这一点。”
燃料电池
2001年12月，1660名访问者在《大众科学》杂志网站回答了有关家庭燃料电池的调查。以下是其中一些有趣的数据：
价格因素　49%的人认为5000美元是他们购买燃料电池用于全部家庭电力供应的价格上限；29%的人觉得价格不应超过3000美元；而20%的人则愿意出10000美元去购买。　
可靠性　36%的人表示他们会着重考虑在家里使用燃料电池的可靠性。
首先得到广泛应用的领域　14%的人认为家庭将是第一个燃料电池得到普及的地方；而60%和24%的人则分别看好汽车和消费类电子产品领域。
对传统电力系统的冲击　26%的人相信传统电力系统将在2050年前彻底消失。
燃料电池如何在家庭内工作？
一个功率为5千瓦的燃料电池可以为一个4口之家提供所需的大部分电力。
重整炉从天然气中过滤氢。氢在一氧化碳涤气器中提纯并送入燃料电池的排气管。每个电池里的铂催化剂把氢分离为离子（带正电）和电子（带负电）。氢离子穿过一个薄膜，与空气中的氧结合，以水蒸气的形式释放出去。电子遭到薄膜排斥后被收集起来产生电流。