中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：去位于英國愛丁堡的赫瑞瓦特大學(xué)找陶善文博士的人，不用像通常那樣一見面就遞給他一張自己的名片，很多人遞上的是一瓶自己的尿。對(duì)此，這位華裔化學(xué)家并不會(huì)覺得反感或者詫異——因?yàn)樗难芯匡@示：尿可以幫助解決世界的能源難題，甚至可以為農(nóng)場或辦公大樓供電。所以，他會(huì)用來訪者提供的尿樣來演示他的這項(xiàng)研究。
缺乏能量密度的尿液，也許不能充當(dāng)火箭燃料，但它卻在數(shù)量上勝出：尿是地球上數(shù)量最大的廢料，全球70億人每天產(chǎn)尿總量約為100億公升。如果再加上牲畜的尿，那么總量更會(huì)翻上幾倍。
在目前情況下，尿作為如此大量的廢物，若任其流入水系統(tǒng)會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，而從廢水中處理它，則需要耗費(fèi)大量的金錢和能源。比如，在美國，污水處理廠所消耗的電量要占全美發(fā)電量的1.5%。所以，如果有一項(xiàng)技術(shù)，讓尿不再是耗能大戶，而在被加以利用后變成了產(chǎn)能大戶，豈不是好事一樁？
原理：尿素動(dòng)力燃料電池
陶善文和他的同事蘭蓉博士就在朝著這個(gè)方向努力。在他們新成立的Youtricity公司里，一種被稱為“尿素動(dòng)力燃料電池”的技術(shù)正在不斷得到完善。
燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)設(shè)備，它的能量產(chǎn)生是通過燃料與氧化劑之間的一系列反應(yīng)達(dá)成的。通常，用于燃料電池的燃料包括氫或甲醇?xì)猓趸瘎﹦t是足夠的氧氣，有時(shí)也會(huì)用氯氣。
傳統(tǒng)的燃料電池一端包含氫或甲烷，另一端有空氣或氧氣，中間用一種特異的離子導(dǎo)電膜分開。從理論上講，燃料電池可以強(qiáng)力產(chǎn)電，但其設(shè)計(jì)常常并不實(shí)用。
氫是高度易燃的，而甲醇有毒，這就對(duì)存儲(chǔ)和運(yùn)輸這些燃料的安全問題提出挑戰(zhàn)。此外，其商業(yè)化的最大障礙還在于，燃料電池所用的質(zhì)子交換膜造價(jià)不菲，再加上常規(guī)的鉑金催化劑，更使其成本非常高昂。
尿素動(dòng)力燃料電池和它的尿素發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢就在于，它使用的是低成本的膜、廉價(jià)的催化劑系統(tǒng)，以及無毒的、以尿液形式存在的不易燃的化學(xué)物質(zhì)。
在尿素動(dòng)力燃料電池內(nèi)部，當(dāng)水和空氣接近1厘米見方的陰極時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氧離子，這些氫氧離子被吸引到陽極，在那里與尿素反應(yīng)形成水、氮和二氧化碳。這個(gè)反應(yīng)也產(chǎn)生電子，電子通過外部電路流回陰極。
陶善文的研究小組希望，將來有一天這種發(fā)電系統(tǒng)形成的電流大到足以為電氣設(shè)備供電。
來源：從尿素到尿
對(duì)于這種尿素動(dòng)力電池而言，要集中獲取大量的尿液似乎有些難度。但幸運(yùn)的是，目前至少在歐洲已經(jīng)有一種提供廉價(jià)尿素的來源。
自從2006年以來，歐盟要求絕大多數(shù)柴油卡車和公共汽車捕捉柴油燃燒時(shí)產(chǎn)生的有毒氮氧化物。這種毒氣與尿素反應(yīng)形成無毒、無害的氮水混合物和二氧化碳?，F(xiàn)在，全歐洲超過6000個(gè)加油站和其他場所都有商標(biāo)名為AdBlue的32.5%的尿素溶液出售。這一系統(tǒng)也在幾個(gè)亞洲國家實(shí)施，而且美國即將很快效仿。
陶善文說：“尿素溶液的這種供應(yīng)為燃料電池提供了基礎(chǔ)，而且這種溶液目前的成本僅每升40便士左右，假如你有一輛用尿素燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車，你只需要到一個(gè)一般的加油站，加上尿素，然后就可以開車走人了。”
雖然尿素驅(qū)動(dòng)的汽車能避免直接使用寶貴的化石燃料，但是目前供應(yīng)的尿素溶液卻是由天然氣制造而來的，所以，其“碳足跡”將可能與汽油驅(qū)動(dòng)的汽車類似。陶善文最終需要努力做到的，就是用生物材料（包括尿液）來制造尿素，這才會(huì)真正帶來顯著的排放減低。
Youtricity公司的研制工作一旦成功，他們的技術(shù)將通過直接去除城市廢水中的尿素和氮，既能產(chǎn)生凈化的水又能發(fā)電。這樣，尿素動(dòng)力燃料電池將容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、無毒，而且可以以固體形式運(yùn)輸。
為了給來訪者現(xiàn)場展示這項(xiàng)技術(shù)，陶善文將尿液放入燃料電池，隨著尿流入電池，屏幕上顯示輸出電壓已經(jīng)上升到0.6伏。這個(gè)電池模型的發(fā)電量太小，還不足以為一個(gè)燈泡供電。目前其電力輸出是一節(jié)AA電池電量的一半。但是，一旦按比例放大這個(gè)電池模型并將數(shù)個(gè)電池連接起來，就應(yīng)該可以產(chǎn)生實(shí)用的電量。
應(yīng)用：“尿素能”汽車？
根據(jù)計(jì)算，一個(gè)成年人每年所排出的尿，按其所包含的“尿素能”計(jì)，足以驅(qū)動(dòng)一輛轎車行駛2700公里。
陶善文說：“英國國家自然科學(xué)及工程基金的資助，對(duì)這項(xiàng)研究的啟動(dòng)和研發(fā)非常重視，作為未來具有巨大潛力的可再生能源，這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域。”現(xiàn)在，他們已經(jīng)得到了13萬英鎊的研發(fā)資金。
陶善文希望，如果能找到促進(jìn)電力輸出的正確的電極材料，即便是小型尿燃料電池也將有一天能變得實(shí)用。比如，這種電池可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)用來給收音機(jī)或電話供電。他說：“你無須攜帶燃料，只帶上一個(gè)為低功耗移動(dòng)通訊所用的小型燃料電池就可以了。”
此外，這種供電系統(tǒng)應(yīng)該可以推廣到農(nóng)場。因?yàn)樗胁溉閯?dòng)物的尿中都含有尿素，假如牛尿可以從其他廢物中分離出來的話，就可以用來發(fā)電，供農(nóng)場的設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)。
尿素發(fā)電系統(tǒng)的長期應(yīng)用潛力還包括在軍事潛艇上，以及在沙漠或島嶼等遙遠(yuǎn)、孤立地區(qū)的發(fā)電。由于這一過程能將尿素或尿液變成水、氮和二氧化碳，也可以用于廢水的再處理，這一過程產(chǎn)生的電則是其副產(chǎn)品之一。
陶善文說：“我是在中國的農(nóng)村長大的，很清楚尿素作為農(nóng)業(yè)廢料的作用，當(dāng)我成為一名化學(xué)家的時(shí)候，我看到燃料電池的發(fā)展，我就想到在這一工藝中使用尿素。”
他說：“我們現(xiàn)在的技術(shù)還處在雛形階段，但是如果這種可再生材料能夠在商業(yè)上具有可行性，并成為環(huán)保的能源，我們將感到非常欣慰，這會(huì)讓世界上很多人受益。”
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世界上其他“用尿發(fā)電”的研究 一、先用尿制氫，再生產(chǎn)燃料電池
制造燃料電池所需要的氫氣可以通過裂解水的方式，將氫直接釋放到電池中。但是釋放氫和裂解水都要耗費(fèi)很多能量。美國俄亥俄州大學(xué)的化學(xué)工程師格拉丁·波特靈機(jī)一動(dòng)地想到用尿來代替水。
按重量計(jì)，尿中含有2%的尿素，一個(gè)尿素分子含有4個(gè)氫原子，最關(guān)鍵的是，尿素中的氫原子不像水中的氫原子那樣結(jié)合得很緊密，因此“拆開”這些化學(xué)鍵所需的能量會(huì)比較少，這樣將使得制氫的效率更高。
去年，波特小組在《化學(xué)通訊》雜志上報(bào)道說，他們已能用尿制造氫，所用能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂解水所需的1.23伏，他們用的是只有0.37伏的廉價(jià)鎳電池，結(jié)果，他們?cè)陉帢O制出了冒泡的純氫，在陽極則形成氮和二氧化碳。根據(jù)波特的計(jì)算，若使用更高效的電極，尿制氫的價(jià)格將低于每公斤1美元。她認(rèn)為在大量人口聚集、可收集足夠尿的地方，使用這一工藝會(huì)更有價(jià)值。
微生物電池
另一個(gè)有希望的辦法是利用微生物燃料電池發(fā)電，這種辦法不僅適合于尿素和氨，也可以用于糞尿廢水中的所有化合物。開發(fā)微生物電池的是美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的布魯斯·洛根。他指出，這種裝置可以分解水中所有的有機(jī)物，同時(shí)也能凈化水。
他們利用廢水中包含細(xì)菌和有機(jī)物的事實(shí)，當(dāng)細(xì)菌“消耗”這些“食物”時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子，電子通常會(huì)與氧結(jié)合。但是如果將其放在無氧室中，將電子“投喂”給一個(gè)電極，就會(huì)形成一個(gè)外部回路。與此共同，質(zhì)子穿過將電池分開的一個(gè)膜到達(dá)另一個(gè)電極——陰極，在那里，它們與外部電路進(jìn)入的電子結(jié)合，與氧化合形成純水。
實(shí)驗(yàn)性的微生物電池已經(jīng)產(chǎn)生了每平方米電極表面6.9瓦的能量密度。洛根說：“6.9瓦可能聽起來不多，但是我們?cè)趶U水處理工廠中有很大的反應(yīng)器，如果你有成千上萬平方米，就將會(huì)得到很多的電。”目前，這一技術(shù)正在試點(diǎn)工廠的規(guī)模上進(jìn)行測試。
洛根的研究集中在逐級(jí)放大微生物電池，和尋找讓電池工作效率更為有效的電極材料。他說：“我們?cè)趶U水處理上花費(fèi)了大量能源，微生物電池技術(shù)能夠?qū)⒁粋€(gè)耗能戶變成凈能生產(chǎn)戶。”
沒有人聲稱尿從此將成為我們能源需求的解決方案，但是，科學(xué)家認(rèn)為，我們的能量來源越多越好，因?yàn)槿祟悓?duì)能量需求量越來越大。
