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奈杰尔·布兰顿:我是英国能源研究大使

奈杰尔布兰顿博士是燃料电池专家、英国帝国理工大学未来能源实验室主任,2007年6月5日,他被英国皇家工程院授予银质奖章,以表彰他为英国能源研究、新能源市场化开拓所作出的卓越贡献。

在此之前一年,布兰顿当选英国工程和物理科学研究理事会(EPSRC)的资深能源研究会员,成为英国能源研究的大使,负责收集国际能源研究的最新情况,在国际国内舞台提升英国能源研究的形象,为政府如何支持能源研究提供战略性建议。

不久前,英国政府科学创新办公室任命布兰顿为“中英科技”计划英方能源问题专家,在“中英科技”计划进入第二阶段尾声之际,《科学时报》记者采访了布兰顿。“作为英国能源研究大使,我还有一个特别任务是帮助发展能源研究的战略性国际关系,其中,中国是英国一个特别重要的合作伙伴。在这方面,很高兴我支持提出了一个包括燃料电池和氢能源在内的英中双方可再生能源合作研究建议,预计支持经费可达到600万英磅。”他说。

从英国石油公司(BP)的实验室起步,到创办劳斯莱斯汽车公司的第一个燃料电池实验室,再到帝国理工大学未来能源实验室主任,布兰顿长久地沉浸在燃料电池的研究中,他说:“这是一个令人着迷的领域,它将不同科学和技术结合在一起,为未来提供一种清洁高效的能源。”

氢是地球上最简单的一种元素,它含有一个质子和一个电子;氢也是地球上最丰富的一种元素,但基本上不能单独存在,而必须以与其他物质结合的形式存在,如与氧结合在一起存在于水中,与碳结合在一起存在于碳氢化合物如石油和煤中。

氢本身不是能源,但它是一种能源的携带者,能携带和传送能量。燃料电池就是一种以氢为燃料,将化学能转化为电能的发电装置,它是水的电解反应的反向过程。燃料电池由阴阳两个电极和充满其中的电解液构成,氢气从电池的阳极进入,氧气(或空气)从阴极进入;氢气在阳极表面被分离成两个氢质子和两个电子,其中质子被氧“吸引”到阳极,而电子则经由外电路形成电流,到达阴极,在阴极表面,氢质子、氧和电子发生反应,生成水分子,因此,水可以说是燃料电池唯一的排放物。

英国物理化学家威廉格罗夫最早发明了燃料电池。1839年,格罗夫在做水的电解实验时观察到一种特别的现象:当他切断实验室的电源时,电路中出现了反方向的电流,这一现象启发他产生了这样的想法:“在水中通过电流,水被分解为氢和氧,那么,让氢和氧结合,也许就会产生电流。”

格罗夫随即进行实验,他将4个已经完成电解水过程的装置串接起来,将它们产生的电流引入另一个电解水的装置,结果水真的发生了分解,这是人类历史上第一次燃料电池实验,格罗夫将实验结果写成论文,发表在1839年2月号的《哲学杂志》上。1889年,路德维格蒙德和查尔斯兰格试图用空气和工业煤气制造第一个实用发电装置,并将这种装置取名为燃料电池。

但人们很快发现,如果要将这一技术商业化,必须克服大量的科学和技术障碍,而且,随着19世纪末内燃机的出现和大规模矿物燃料的使用,基本上没有人想到将这种能量的转化方式用于实际。

布兰顿说,人们花了很长时间才真正弄清楚燃料电池的工作原理,到20世纪60年代,燃料电池技术的迅速进步促成了它在美国阿波罗登月计划中的成功应用,并成为燃料电池民用化的极大动力。

20世纪30年代,英国剑桥大学的工程师弗朗西斯培根开始研究燃料电池的应用,1952年,他成功研制出一种利用碱性氢氧化钾水溶液作为电解质的钾燃料电池,并为这种技术申请了专利,1959年,这种电池的输出功率为5千瓦。

与此同时,美国通用公司也在20世纪50年代研发出一种用高分子材料做电解质的燃料电池,即固体高分子燃料电池,输出功率只有1千瓦,但体积比钾燃料电池小很多。

1965年,美国国家航空航天局(NASA)在双子星座载人宇宙飞船上,首次安装了通用电气公司制造的燃料电池,作为飞船上的通讯设备和计算机电源,副产品水作为宇航员的饮用水,这是燃料电池的第一次实际应用;1969年,安装了燃料电池的阿波罗11号飞船首次将人类送上月球表面;如今,航天飞机上也安装了燃料电池。

然而,燃料电池的实际应用始于性能比成本更为重要的宇宙空间探索计划,如果要将燃料电池扩展到民用,必须要降低它昂贵的价格,如果安装在汽车上,还需要设法减少它的体积、重量,并增加其持久性、可靠性和安全性,这些对技术的要求都非常高。

20世纪后半叶,石油危机、空气污染成为世界面临的巨大挑战,如何寻找一种安全、高效的新能源成为当务之急,以氢为燃料的燃料电池成为新能源的希望。氢无处不在,可以从石油、海水、生物质中提取;燃料电池排出的热能还可用于加热水,电力和热力同时应用的热电联产法可以将能量的利用率提高到80%。

氢能源的前景如此诱人,布莱顿但燃料电池民用化最大的障碍是成本和持久性,政府、大型能源公司和汽车公司相继投巨资进行燃料电池民用化的研究。

1984年,刚获得工程学博士学位的布兰顿成为BP的一位研发人员,参加了一系列与太阳能电池、燃料电池和石油萃取相关的能源研究。创建于1909年的BP是英国最大的公司之一,也是世界最大的石油及石化产品公司,BP的理念是“源于石油、超越石油”。

在BP的研究中心,布兰顿从一位电化学家成长为资深电化学家,并对能源研究产生了浓厚的兴趣,他明白了能源研究对国家战略和环境保护的重要性,也发现这是一个充满技术挑战的领域。

1992年,布兰顿加入英国汽车制造公司劳斯莱斯,成为公司战略研究中心能源转化小组的技术专家。劳斯莱斯公司创办于1904年,目标是制造“世界上最好的小汽车”。在加入当年,布兰顿创建了劳斯莱斯第一个燃料电池实验室,成为劳斯莱斯整合平板固体氧化物燃料电池的共同发明人。如今,劳斯莱斯的燃料电池部门正在开发这种固体氧化物燃料电池。

为了有更多的机会决定自己的研究方向,1998年,布兰顿决定从工业界转向学术界,加入英国帝国理工大学,先后成为环境学学院和化学工程和化学技术学院的高级讲师;2004年,他成为帝国理工大学地球科学和工程学院的“壳牌”讨论教授;2005年,出任帝国理工大学未来能源实验室主任。

“帝国理工大学吸引我的地方是它能将学术研究与工业实践结合在一起”,布兰顿说,“我认为,学术研究的目的是为了探索新想法,全面了解事物的作用机理,作为工业应用研究的基础;而工业研究是为了支持基于这些新想法的产品的研制和生产。这两种研究都非常重要。”

布兰顿的兴趣主要集中于氧化物燃料电池的设计、模型和优化集成。在帝国理工大学,他合作发明了一种全新的由金属支持的固体氧化物燃料电池。2001年,这项技术从帝国理工大学剥离,布兰顿带着这项技术创办了谷神能量公司。2004年,公司进入伦敦股票交易市场。

2007年6月,英国皇家工程学院授予布兰顿银质奖章,表彰他取得的卓越的研究成果以及为研究成果市场化方面所作出的杰出贡献。布兰顿说:“我感谢我在工业界和大学里的所有朋友,在这个激动人心的领域和他们合作是一种享受。”

18世纪中叶,英国人瓦特改良蒸汽机,导致手工劳动向动力机器生产的重大转变,促成了工业革命的诞生。在一个多世纪的时间里,工业革命在为人们创造美好生活的同时,也带来了环境污染、气候变暖和能源面临枯竭等种种问题,人们期待一种更清洁、更丰富和更高效的新能源。

这一次,英国人的发明成为21世纪新能源的希望。氢在大自然中取之不竭,它可以通过水的电解来获取,在被燃料电池用于发电后又作为水排出,是一种可再生的能源。如果有一天,我们所需要的主要能源都来源于廉价的氢气,那么一个“氢能社会”就会降临。因此,氢和燃料电池的研究相继成为许多国家的国家级项目。

美国政府最早通过赞助军事和空间技术机构的研发,促进燃料电池技术的发展。随着市场化的趋势,美国国家创新政策开始考虑到成本和可靠性,转而对公共领域和私营领域的研发资金进行杠杆调控。美国能源部从1978年开始就一直是燃料电池研发的重要资金来源,美国能源部在2002年发布的《国家氢能发展路线年实现燃料电池市场化的宏伟目标。

美国总统乔治布什是氢和燃料电池的热情支持者。在2003年的国情咨文演讲中,他宣布政府将投资12亿美元,启动总统氢燃料计划项目。他说:“氢与氧之间发生的一个简单化学反应就能产生能量,这种能源可用于驱动汽车,而副产品只是水,不会排放废气。我们的科学家和工程师们给了国家一个全新的承诺,他们将克服重重障碍,将这些汽车从实验室送到展览室请和我共同加入这一重要的创新计划,让我们的空气更加清洁,让我们的国家更少依赖于外国能源。”

2003年,日本政府投资1.7亿美元,启动一个名为“燃料电池和氢”的国家项目,日本政府不仅希望这种清洁和高效的能源为《京都议定书》目标的实现作出贡献,而且将之视为减少对进口原油依赖的方法,更希望它能在2010年后为日本公司带来创造财富的新机会。

中国燃料电池的研究始于20世纪50年代,并取得一定成果,后因航天计划改变,研究基本被中止,上世纪90年代,全国形成第二次燃料电池研制高潮,目前有数十家机构在研究燃料电池技术。

作为新能源的启蒙之乡,燃料电池更是英国能源研究的重中之重。在过去15年的时间里,布兰顿一直专注从事燃料电池的科学、技术和工程研究,他说:“英国有世界级的燃料电池研究小组,也掌握了部分世界级的燃料电池技术,英国为国际燃料电池界提供了很多丰富的知识,也从中获取了很多,中国是英国能源研究最重要的合作伙伴之一。”

2006年8月,布兰顿当选EPSRC的资深能源研究会员,成为英国能源研究的大使,他参与了中英两国政府共同支持的“中英科技”计划,成为计划中的英方能源问题专家,燃料电池是双方合作研究的一个重点。布兰顿已经和中国科学院大连化学物理研究所研究员孙公权、清华大学BP能源研究和教育中心主任李政教授建立了合作关系。

2007年10月,布兰顿到北京出席了中英电子可持续发展国际学术研讨会,介绍了英国电力与能源可持续发展研究计划,以及英国研究协会能源项目与中国在太阳能发电、风能、燃料电池等领域的合作。

布兰顿在接受《科学时报》采访时说:“作为英国的能源研究大使,我享有这样的机会,能够经常来中国,了解更多的中国能源研究状况和文化。未来,希望这份职责能将我带到印度和南非等更多的国家。”

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