乙醇重整制氢用于燃料电池

导读：1、燃料电池的其他燃料相比，乙醇具有独特的优点；2、乙醇的可供给性；3、乙醇重整制氢的成本；4、乙醇重整燃料电池在我国具有很大的发展潜力，用46%乙醇水溶液作为汽车燃料即将成为现实。

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燃料电池是错位开发利用氢能的发电装置，可以使用不同的燃料。按燃料的来源，燃料电池可分为3类：第1类是直接式燃料电池，即其燃料直接用氢气或轻醇类；第2类是间接式燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过某种方法(如重整转化)将轻醇、天然气、汽油等化合物转变为氢(或氢的混合物)后再供给燃料电池发电；第3类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电解分解成氢和氧，再将氢和氧输入燃料电池发电。间接式燃料电池用于车载动力源和地面电站，以及直接式醇类燃料电池用于便携用电器是当前燃料电池技术的研究热点。

目前的家用吸氢机（也有叫氢气呼吸机）一般采用质子膜制氢，就是燃料电磁的逆反过程，电解水产生氢气和氧气。

与燃料电池的其他燃料相比，乙醇具有独特的优点：第一，从原料来源看，乙醇可以从自然界中直接获取，如通过谷物和糖类的发酵制取，或以秸秆类木质纤维素为原料经预处理、糖化、发酵而得，并且生产技术成熟。乙醇是当前生产规模最大、替代石油最多的可再生燃料，2016年全球燃料乙醇产量7975万吨，因此，化石资源耗尽后，仍可利用地球表面植被和农作物获得乙醇作为燃料，开发使用氢能。第二，乙醇在存储和处理上的安全性，乙醇常温常压下为液态，还可处理成固态，利于存储和运输；乙醇毒性低，使其在处理和使用上安全性提高。第三，乙醇在催化剂上具有热扩散性，在高活性的催化剂上，乙醇重整能在低温范围发生，降低了成本。第四，乙醇的能量密度明显高于甲醇和氢气，便于在车上携带。第五，以乙醇水溶液为原料制氢可以利用现有的加油站设施，而不必像插电式电动车、氢燃料电池汽车一样要重新建立基础设施，更具现实性、可行性。间接式乙醇燃料电池电动车与插电式电动车、氢燃料电池汽车的比较如表4-6所示。

表4-6纯电动车、氢燃料电池汽车、间接式乙醇燃料电池汽车对比

乙醇的可供给性

以玉米、甘蔗为原料生产的乙醇被称为第一代生物燃料，目前美国玉米乙醇4560万吨，巴西甘蔗乙醇2189万吨，我国以玉米为主年产253万吨乙醇，三个国家占乙醇产量的87.8%。但受种植区域限制，玉米和甘蔗不能满足市场对燃料乙醇的需求，再扩大生产能力就会影响粮食安全。因此，人类积极开发利用秸秆等木质纤维素生产的第2代生物燃料—纤维素乙醇。由于以秸秆类木质纤维素为原料的纤维素乙醇尚不能商业化生产，成本比玉米乙醇几乎高1倍[77，78]。

因此，耐贫瘠、种植范围广、生物量大、生长周期短、气候适应强的甜高梁被公认为是乙醇生产的首选原料[8]，甜高梁米作粮食及酿酒用，秆则用来生产乙醇，既不影晌粮食安全，又能利用边际土地。

美国、巴西已开始用甜高梁作为乙醇生产补充原料[79]， Monsanto Chromatin、NexSteppe等公司都在积极硏发高糖含量的甜高梁品种。清华大学开发出国际领先的连续固体发酵技术[82]，采用世界上规模最大的连续固体生物反应器(55m×36m)于2015年在山东东营试车成功：平均16t鲜甜高梁秆可产1t燃料乙醇，仅耗电432kWh；酒糟与青贮玉米营养成分相当，喂养肉牛日增重1.08kg，无废水排放；燃料乙醇成本仅4185元/t(鲜秆收购价格250元/t)。这项技术显著提升了甜高梁的经济价值，生产乙醇后的酒糟除了作为牛羊饲料外，还可以有经济竟争性地生产纤维素乙醇、盐碱地改良剂机械法制浆造瓦楞纸，使甜高梁秆得到充分利用，乙醇能与50美元桶油价竟争。

我国计划调减种植玉米5000万亩耕地、开发18亿亩耕地以外5亿亩盐碱荒地、治理被重金属污染的2.88亿亩农田，种植甜髙梁生产粮食、饲料和燃料乙醇、电力，不仅能满足间接式乙醇燃料电池对乙醇的需求，还可使雾霾、重金属污染耕地、扶贫、减少石油进口等诸多问题迎刃而解。

乙醇重整制氢展望

以目前全球对石油消耗的速度来看，地球的石油储量正急剧减少，煤炭的储量也有一定的期限，化石能源终将枯竭，使氢能的开发表现出光明的前景。燃料电池是把氢能转化为电能的一种发电装置目前在燃料电池氢气来源的四种基本方式(电解水、气化、重油的部分氧化和醇类重整反应)中，醇类燃料由于其独特的优点而备受关注，但甲醇的毒性和不可再生性，使乙醇作为无毒和可再生能源呈现出更突出的优势，并且新的乙醇制氢技术也不断出现，如低能脉冲放电常温水相乙醇制氢，Au/TiO2纳米光合催化乙醇水溶液制氢等，将使乙醇制氢技术更加经济、可行。

我国是农业大国，各种用于发酵或降解制备乙醇的生物质原料如秸秆、麦麸等)较为充足，特别是利用盐碱地和重金属污染耕地种植甜髙梁生产乙醇，可有"一举多得”的效果，更能充分满足乙醇市场需求；同时，我国稀土储量丰富，乙醇重整催化剂的原料供应也比较充足。因此，乙醇重整燃料电池在我国具有很大的发展潜力，用46%乙醇水溶液作为汽车燃料即将成为现实。