氫能專題
能源新途：用尿發電 幫助解決能源難題
2026-04-11 13:19:46
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quweiyuyingguoaidingbaodeheruiwatedaxuezhaotaoshanwenboshideren，buyongxiangtongchangnayangyijianmianjiudigeitayizhangzijidemingpian，henduorendishangdeshiyipingzijideniao。duici，zheweihuayihuaxuejiabingbuhuijiaodefanganhuozhechayi——因為他的研究顯示：尿可以幫助解決世界的能源難題，甚至可以為農場或辦公大樓供電。所以，他會用來訪者提供的尿樣來演示他的這項研究。
缺乏能量密度的尿液，也許不能充當火箭燃料，但它卻在數量上勝出：尿是地球上數量最大的廢料，全球70億人每天產尿總量約為100億公升。如果再加上牲畜的尿，那麼總量更會翻上幾倍。
在zai目mu前qian情qing況kuang下xia，尿niao作zuo為wei如ru此ci大da量liang的de廢fei物wu，若ruo任ren其qi流liu入ru水shui係xi統tong會hui破po壞huai生sheng態tai環huan境jing，而er從cong廢fei水shui中zhong處chu理li它ta，則ze需xu要yao耗hao費fei大da量liang的de金jin錢qian和he能neng源yuan。比bi如ru，在zai美mei國guo，汙wu水shui處chu理li廠chang所suo消xiao耗hao的de電dian量liang要yao占zhan全quan美mei發fa電dian量liang的de1.5%。所以，如果有一項技術，讓尿不再是耗能大戶，而在被加以利用後變成了產能大戶，豈不是好事一樁？
原理：尿素動力燃料電池
陶善文和他的同事蘭蓉博士就在朝著這個方向努力。在他們新成立的Youtricity公司裏，一種被稱為“尿素動力燃料電池”的技術正在不斷得到完善。
燃ran料liao電dian池chi是shi將jiang化hua學xue能neng轉zhuan變bian為wei電dian能neng的de電dian化hua學xue設she備bei，它ta的de能neng量liang產chan生sheng是shi通tong過guo燃ran料liao與yu氧yang化hua劑ji之zhi間jian的de一yi係xi列lie反fan應ying達da成cheng的de。通tong常chang，用yong於yu燃ran料liao電dian池chi的de燃ran料liao包bao括kuo氫qing或huo甲jia醇chun氣qi，而er氧yang化hua劑ji則ze是shi足zu夠gou的de氧yang氣qi，有you時shi也ye會hui用yong氯lv氣qi。
尿素動力燃料電池和它的尿素發電係統的優勢就在於，它使用的是低成本的膜、廉價的催化劑係統，以及無毒的、以尿液形式存在的不易燃的化學物質。
在尿素動力燃料電池內部，當水和空氣接近1厘米見方的陰極時會產生氫氧離子，這些氫氧離子被吸引到陽極，在那裏與尿素反應形成水、氮和二氧化碳。這個反應也產生電子，電子通過外部電路流回陰極。
陶善文的研究小組希望，將來有一天這種發電係統形成的電流大到足以為電氣設備供電。
來源：從尿素到尿
對於這種尿素動力電池而言，要集中獲取大量的尿液似乎有些難度。但幸運的是，目前至少在歐洲已經有一種提供廉價尿素的來源。
自從2006年以來，歐盟要求絕大多數柴油卡車和公共汽車捕捉柴油燃燒時產生的有毒氮氧化物。這種毒氣與尿素反應形成無毒、無害的氮水混合物和二氧化碳。現在，全歐洲超過6000個加油站和其他場所都有商標名為AdBlue的32.5%的尿素溶液出售。這一係統也在幾個亞洲國家實施，而且美國即將很快效仿。
陶善文說：“尿素溶液的這種供應為燃料電池提供了基礎，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動的汽車，你隻需要到一個一般的加油站，加上尿素，然後就可以開車走人了。”
雖然尿素驅動的汽車能避免直接使用寶貴的化石燃料，但是目前供應的尿素溶液卻是由天然氣製造而來的，所以，其“碳足跡”將可能與汽油驅動的汽車類似。陶善文最終需要努力做到的，就是用生物材料（包括尿液）來製造尿素，這才會真正帶來顯著的排放減低。
Youtricitygongsideyanzhigongzuoyidanchenggong，tamendejishujiangtongguozhijiequchuchengshifeishuizhongdeniaosuhedan，jinengchanshengjinghuadeshuiyounengfadian。zheyang，niaosudongliranliaodianchijiangrongyishixiandaguimoshengchan、無毒，而且可以以固體形式運輸。
為了給來訪者現場展示這項技術，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上升到0.6伏。這個電池模型的發電量太小，還不足以為一個燈泡供電。目前其電力輸出是一節AA電池電量的一半。但是，一旦按比例放大這個電池模型並將數個電池連接起來，就應該可以產生實用的電量。
應用：“尿素能”汽車？
根據計算，一個成年人每年所排出的尿，按其所包含的“尿素能”計，足以驅動一輛轎車行駛2700公裏。
陶善文說：“英ying國guo國guo家jia自zi然ran科ke學xue及ji工gong程cheng基ji金jin的de資zi助zhu，對dui這zhe項xiang研yan究jiu的de啟qi動dong和he研yan發fa非fei常chang重zhong視shi，作zuo為wei未wei來lai具ju有you巨ju大da潛qian力li的de可ke再zai生sheng能neng源yuan，這zhe是shi一yi個ge令ling人ren興xing奮fen的de領ling域yu。”現在，他們已經得到了13萬英鎊的研發資金。
陶tao善shan文wen希xi望wang，如ru果guo能neng找zhao到dao促cu進jin電dian力li輸shu出chu的de正zheng確que的de電dian極ji材cai料liao，即ji便bian是shi小xiao型xing尿niao燃ran料liao電dian池chi也ye將jiang有you一yi天tian能neng變bian得de實shi用yong。比bi如ru，這zhe種zhong電dian池chi可ke以yi在zai偏pian遠yuan地di區qu用yong來lai給gei收shou音yin機ji或huo電dian話hua供gong電dian。他ta說shuo：“你無須攜帶燃料，隻帶上一個為低功耗移動通訊所用的小型燃料電池就可以了。”
此(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)應(ying)該(gai)可(ke)以(yi)推(tui)廣(guang)到(dao)農(nong)場(chang)。因(yin)為(wei)所(suo)有(you)哺(bu)乳(ru)動(dong)物(wu)的(de)尿(niao)中(zhong)都(dou)含(han)有(you)尿(niao)素(su)，假(jia)如(ru)牛(niu)尿(niao)可(ke)以(yi)從(cong)其(qi)他(ta)廢(fei)物(wu)中(zhong)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)的(de)話(hua)，就(jiu)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)發(fa)電(dian)，供(gong)農(nong)場(chang)的(de)設(she)施(shi)運(yun)轉(zhuan)。
尿素發電係統的長期應用潛力還包括在軍事潛艇上，以及在沙漠或島嶼等遙遠、孤立地區的發電。由於這一過程能將尿素或尿液變成水、氮和二氧化碳，也可以用於廢水的再處理，這一過程產生的電則是其副產品之一。
陶善文說：“我wo是shi在zai中zhong國guo的de農nong村cun長chang大da的de，很hen清qing楚chu尿niao素su作zuo為wei農nong業ye廢fei料liao的de作zuo用yong，當dang我wo成cheng為wei一yi名ming化hua學xue家jia的de時shi候hou，我wo看kan到dao燃ran料liao電dian池chi的de發fa展zhan，我wo就jiu想xiang到dao在zai這zhe一yi工gong藝yi中zhong使shi用yong尿niao素su。”
他說：“我wo們men現xian在zai的de技ji術shu還hai處chu在zai雛chu形xing階jie段duan，但dan是shi如ru果guo這zhe種zhong可ke再zai生sheng材cai料liao能neng夠gou在zai商shang業ye上shang具ju有you可ke行xing性xing，並bing成cheng為wei環huan保bao的de能neng源yuan，我wo們men將jiang感gan到dao非fei常chang欣xin慰wei，這zhe會hui讓rang世shi界jie上shang很hen多duo人ren受shou益yi。”
世界上其他“用尿發電”的研究
一、先用尿製氫，再生產燃料電池
製(zhi)造(zao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)氫(qing)氣(qi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)裂(lie)解(jie)水(shui)的(de)方(fang)式(shi)，將(jiang)氫(qing)直(zhi)接(jie)釋(shi)放(fang)到(dao)電(dian)池(chi)中(zhong)。但(dan)是(shi)釋(shi)放(fang)氫(qing)和(he)裂(lie)解(jie)水(shui)都(dou)要(yao)耗(hao)費(fei)很(hen)多(duo)能(neng)量(liang)。美(mei)國(guo)俄(e)亥(hai)俄(e)州(zhou)大(da)學(xue)的(de)化(hua)學(xue)工(gong)程(cheng)師(shi)格(ge)拉(la)丁(ding)·波特靈機一動地想到用尿來代替水。
按重量計，尿中含有2%的尿素，一個尿素分子含有4個氫原子，最關鍵的是，尿素中的氫原子不像水中的氫原子那樣結合得很緊密，因此“拆開”這些化學鍵所需的能量會比較少，這樣將使得製氫的效率更高。
去年，波特小組在《化學通訊》雜誌上報道說，他們已能用尿製造氫，所用能量遠遠小於裂解水所需的1.23伏，他們用的是隻有0.37伏(fu)的(de)廉(lian)價(jia)鎳(nie)電(dian)池(chi)，結(jie)果(guo)，他(ta)們(men)在(zai)陰(yin)極(ji)製(zhi)出(chu)了(le)冒(mao)泡(pao)的(de)純(chun)氫(qing)，在(zai)陽(yang)極(ji)則(ze)形(xing)成(cheng)氮(dan)和(he)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)。根(gen)據(ju)波(bo)特(te)的(de)計(ji)算(suan)，若(ruo)使(shi)用(yong)更(geng)高(gao)效(xiao)的(de)電(dian)極(ji)，尿(niao)製(zhi)氫(qing)的(de)價(jia)格(ge)將(jiang)低(di)於(yu)每(mei)公(gong)斤(jin)1美元。她認為在大量人口聚集、可收集足夠尿的地方，使用這一工藝會更有價值。
二、微生物電池
另(ling)一(yi)個(ge)有(you)希(xi)望(wang)的(de)辦(ban)法(fa)是(shi)利(li)用(yong)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)，這(zhe)種(zhong)辦(ban)法(fa)不(bu)僅(jin)適(shi)合(he)於(yu)尿(niao)素(su)和(he)氨(an)，也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)糞(fen)尿(niao)廢(fei)水(shui)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)化(hua)合(he)物(wu)。開(kai)發(fa)微(wei)生(sheng)物(wu)電(dian)池(chi)的(de)是(shi)美(mei)國(guo)賓(bin)夕(xi)法(fa)尼(ni)亞(ya)州(zhou)立(li)大(da)學(xue)的(de)布(bu)魯(lu)斯(si)·洛根。他指出，這種裝置可以分解水中所有的有機物，同時也能淨化水。
他們利用廢水中包含細菌和有機物的事實，當細菌“消耗”這些“食物”時會產生電子，電子通常會與氧結合。但是如果將其放在無氧室中，將電子“投喂”給一個電極，就會形成一個外部回路。與此共同，質子穿過將電池分開的一個膜到達另一個電極——陰極，在那裏，它們與外部電路進入的電子結合，與氧化合形成純水。
實驗性的微生物電池已經產生了每平方米電極表麵6.9瓦的能量密度。洛根說：“6.9瓦可能聽起來不多，但是我們在廢水處理工廠中有很大的反應器，如果你有成千上萬平方米，就將會得到很多的電。”目前，這一技術正在試點工廠的規模上進行測試。
洛根的研究集中在逐級放大微生物電池，和尋找讓電池工作效率更為有效的電極材料。他說：“我們在廢水處理上花費了大量能源，微生物電池技術能夠將一個耗能戶變成淨能生產戶。”
沒有人聲稱尿從此將成為我們能源需求的解決方案，但是，科學家認為，我們的能量來源越多越好，因為人類對能量需求量越來越大。
