乙醇燃料

(1)增氧性強，助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量達到3.5%，助燃效果好，汽油燃燒充分，使汽車的有害尾氣排放總量降低33%以上。并可使辛烷值提高2-3個單位，提高了油品的抗爆性。

(2)溶解性好，清潔油路。車用乙醇汽油中的燃料乙醇是一種性能優(yōu)良的有機溶劑，能有效地消除汽車油箱及油路系統(tǒng)中沉淀和凝結(jié)的雜質(zhì)，具有使油路疏通的作用。

(3)燃燒充分，減少積炭。由于車用乙醇汽油燃燒充分，可有效地預(yù)防和消除火花塞、氣門、活塞頂部及排氣管、消聲器等部位積炭的形成，延長發(fā)動機和主要部件的使用壽命。

(4)親水性強，使用不當(dāng)會分層。乙醇是親水性液體，易與水互溶，如果油箱中沉積有水分或在車用乙醇汽油中混入水分，使油品水分超標(biāo)，會出現(xiàn)燃料乙醇與調(diào)和組分油分層現(xiàn)象，影響發(fā)動機正常工作。因此，首次使用時，應(yīng)對油箱進行一次檢查。

撰文 馬修·L·沃爾德(Matthew L. Wald)

翻譯 趙學(xué)慶

如果你有機會來到美國南達科他州蘇福爾斯機場的候機大樓，不妨趁著行李運到前的空閑四處參觀一下。一輛綠白相間的印地賽車(Indy)穿梭在幾條行李傳送帶之間，車身上的貼花圖案標(biāo)明它以乙醇(ethanol)作為燃料;在租車公司的攤位前，有一個醒目的標(biāo)志，提醒客戶不要給出租車加注E85--當(dāng)?shù)爻鍪鄣某壱掖蓟旌先加?，這種混合燃油會損壞出租車引擎，因為當(dāng)?shù)氐某鲎廛嚥⒉皇菫檫@種混合燃油而設(shè)計的。

乙醇之鄉(xiāng)蘇福爾斯，是美國將碳水化合物(carbohydrate)轉(zhuǎn)變?yōu)樘細浠衔?hydrocarbon)的推廣中心。

在美國，乙醇熱潮持續(xù)高漲，甚至開啟了一個燃油轉(zhuǎn)換過渡期，規(guī)模之大，恐怕只有40年前電力行業(yè)建造的數(shù)百座核電廠方可媲美。2005年8月，美國國會通過了一項重要能源法案，要求到2012年，將乙醇年產(chǎn)量從2005年時的40億加侖左右增加到75億加侖(1加侖約等于3.8升)，以便取代進口燃油。業(yè)界人士認(rèn)為，在美國政府的稅收優(yōu)惠和補貼政策扶持下，特別是如果油價仍然居高不下，那么這一目標(biāo)的實現(xiàn)有望大大提前，因為將農(nóng)作物轉(zhuǎn)化為乙醇的成本，遠遠低于2006年秋天的汽油零售價--每加侖2.50美元。

實際上，據(jù)美國可再生燃料協(xié)會(Renewable Fuels Association)介紹，2006年美國的乙醇產(chǎn)量超過50億加侖。與每年約1,400億加侖汽油和柴油消耗量相比，雖然這一數(shù)量還顯得微不足道，但是乙醇產(chǎn)量在一年內(nèi)卻增長了50%。美國能源部(DOE)負責(zé)能效和可再生能源的副部長安迪·卡斯納(Andy Karsner)稱，由于高油價增加了乙醇的市場吸引力，開發(fā)商紛紛修建乙醇工廠。他斷言美國將出現(xiàn)一個乙醇繁榮期，"類似于19世紀(jì)50年代賓夕法尼亞州的石油熱"。

這股熱潮真能給人們帶來好處嗎?實際上，我們生產(chǎn)乙醇的方式并沒有多大優(yōu)勢。美國所有的商業(yè)乙醇燃料都用玉米粒制造，采用能量密集型的生產(chǎn)方式。一些研究表明，煉制一加侖乙醇所耗用的能量，甚至高于它燃燒時所提供的能量。即使一些支持玉米乙醇的研究，也只能證明它的能源凈收益微乎其微;另一種持反對意見的研究則表明，同原油-汽油循環(huán)比起來，玉米-乙醇循環(huán)在減少溫室氣體方面的作用，幾乎可以忽略不計。

在乙醇生產(chǎn)廠商完善纖維素(cellulose)乙醇生產(chǎn)方法之前，玉米乙醇毫無經(jīng)濟或環(huán)保意義。纖維素是組成玉米稈、樹木及其他草本植物草莖的木質(zhì)成分，對它的管理和收割只需要耗費較少的能源。但是，雖然科學(xué)家知道某些基于生物學(xué)的加工方法，可以轉(zhuǎn)化纖維素中的糖分，但是一些試圖生產(chǎn)纖維素乙醇的公司，迄今也未能形成商業(yè)規(guī)模的批量生產(chǎn)。甘蔗是最佳植物能源，它所擁有的可用于制造乙醇的糖分含量，遠遠高于玉米稈和草本植物中的含量，但是美國缺乏巴西那樣的氣候條件和廉價勞動力，無法對甘蔗進行開發(fā)利用。

要實現(xiàn)用纖維素生產(chǎn)乙醇，就需要對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)工藝進行重大改進。否則，乙醇仍將是幾乎沒有任何凈收益的、難于利用的產(chǎn)品，美國也將繼續(xù)依賴進口石油。

玉米乙醇:可再生能源?

不少人一直把用玉米生產(chǎn)的乙醇視為"可再生能源"。據(jù)最新調(diào)查統(tǒng)計，生產(chǎn)一加侖玉米乙醇可謂"入不敷出"，所耗用的其他能量(如天然氣、柴油)幾乎接近或甚至高于它所產(chǎn)生的能量。況且，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中排放的二氧化碳，也有悖于"清潔能源"的初衷。

美國生產(chǎn)的大部分乙醇，都被用作汽油的一類添加劑，它可以按1∶9的比例與汽油混合使用，這是普通引擎能夠使用這種混合燃油而不遭致?lián)p壞的最高比例。在有些地區(qū)，主要是在農(nóng)業(yè)區(qū)，駕駛員能夠購買到E85混合燃油，這種混合燃油含有85%的乙醇和15%的普通無鉛汽油(unleaded regular gasoline)，主要供專門設(shè)計的"柔性燃料"(flexible fuel)引擎使用。對于普通引擎而言，乙醇與蒸餾酒中所含的酒精一樣，會腐蝕掉引擎和燃油系統(tǒng)中的密封件。數(shù)百萬輛汽車都裝備了這種引擎(不過許多車主都并不知情)，然而E85銷售點卻只有幾百個，而且目前這一燃油供應(yīng)鏈的擴展速度極為緩慢。

盡管如此，玉米乙醇仍然發(fā)展迅猛，部分原因在于，在美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)，它擁有一支由農(nóng)業(yè)州參議員和眾議員組成的強有力的兩黨支持者隊伍。此外，它還得到了一些非農(nóng)業(yè)州地區(qū)人士的支持，這些人認(rèn)為美國應(yīng)減少對進口石油的依賴。由于玉米能年復(fù)一年栽種和收獲，鼓吹者便認(rèn)為乙醇是一種可再生燃料。美國可再生燃料協(xié)會還印發(fā)了一本裝幀精美的宣傳小冊子，暗示每年消耗75億加侖乙醇，就意味著少進口1.79億桶外國石油。這一水平大約相當(dāng)于美國15天的石油進口量--雖然不能"藥到病除"，但至少開了一個好頭。

然而，這只是玉米乙醇的表面風(fēng)光而已，實際上它仍有不少問題。第一個問題在于，一標(biāo)準(zhǔn)桶(42加侖)乙醇只相當(dāng)于大約28加侖汽油，因為一標(biāo)準(zhǔn)桶普通無鉛汽油含有約11.9萬英熱單位(Btu，1英熱單位約為1,055焦耳)能量，相比之下，一標(biāo)準(zhǔn)桶乙醇只含有8萬英熱單位能量。因此你給油箱加滿E85混合燃油時，其實只相當(dāng)于加了2/3油箱的汽油。即使一加侖乙醇的售價更為便宜，但要行駛一加侖汽油所能行駛的里程，你必須購買更多的乙醇。

第二個問題則在于，美國缺少生產(chǎn)乙醇所需要的某些資源。美國的玉米資源確實豐富，玉米地從蘇福爾斯機場四周一直連綿延伸到遠方。但制造乙醇需要耗費大量的天然氣。燃油用乙醇的生產(chǎn)方法與酒用乙醇的制造方法基本相同。酵母(yeast)消耗掉糖分而釋放出酒精和二氧化碳，所獲得的產(chǎn)物經(jīng)過蒸餾，讓酒精蒸發(fā)，然后將酒精收集起來加以冷凝。各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用天然氣來加熱。目前，生產(chǎn)一加侖乙醇(含有8萬英熱單位能量)，需要大約3.6萬英熱單位的天然氣。

20世紀(jì)90年代，美國國會力圖通過一些法案，鼓勵乙醇制造廠商生產(chǎn)更多乙醇，支持一些農(nóng)業(yè)州的經(jīng)濟發(fā)展。當(dāng)時天然氣較為便宜，每百萬英熱單位的天然氣平均價格約為3美元，而到2005年冬天，天然氣價格已飚升至14美元。此外，高需求量必然會刺激天然氣價格向上攀升。雖然乙醇支持者認(rèn)為乙醇燃料是未來可持續(xù)能源的一個組成部分，但是耗費的大量天然氣，卻是不可再生的，甚至難以支持現(xiàn)在的需求。美國乙醇產(chǎn)量正在下降，加拿大乙醇產(chǎn)量也滿足不了人們的消費需求。具有諷刺意味的是，為了制造"本土"乙醇，美國將不得不從北美洲以外的地區(qū)進口更多的天然氣。

一些乙醇生產(chǎn)廠商正在用煤替代天然氣，但這又有悖于人們對于清潔能源和可再生能源的定義。燒煤會釋放大量的二氧化碳，這樣一來，使用乙醇燃料的汽車對氣候變化造成的影響，反而要比原來使用普通汽油的汽車嚴(yán)重得多。理論上講，一家乙醇生產(chǎn)廠為了生產(chǎn)乙醇，可從電力公司購買電力來提供生產(chǎn)所需熱量，但是對于許多美國電力公司來說，那樣就可能意味著，要燃燒更多的煤和天然氣來滿足這一用電需求。

生產(chǎn)乙醇還需要一些其他形式的能源。乙醇不像汽油或柴油那樣可以用管道來輸送，因為這類輸送管道很容易進水，雖然水不會與汽油或柴油混合，但是卻能與乙醇混合，一旦混合就會破壞乙醇的燃料熱值。因此，為了將乙醇運往市場，就需要動用卡車，有時還需要長途運輸，這就必須消耗柴油。此外，聯(lián)合收割機收割玉米作物也要耗用柴油，而種植玉米所用的化肥，其生產(chǎn)過程也離不開天然氣。

上述一些問題成了計算乙醇"凈能量平衡"的關(guān)鍵因素。這一話題引起了人們激烈爭論。2005年，美國康奈爾大學(xué)的農(nóng)學(xué)教授戴維·皮門特爾(David Pimentel)宣稱，制造一加侖乙醇所耗費的能量，超過了它燃燒時產(chǎn)生的能量。一些持相反意見的人則反駁說，皮門特爾幾乎沒有考慮乙醇副產(chǎn)品的價值，其中一些能夠用作家畜飼料(可取代栽種部分用作飼料的玉米)，而且他將一些與乙醇無關(guān)的能源成本也統(tǒng)統(tǒng)算到了乙醇頭上，甚至包括了乙醇工廠工人的用餐成本。但是，這些分析家都一致認(rèn)為，即使乙醇的凈能量值為正，增益也十分微小。同一年，美國生物科學(xué)學(xué)會(American Institute of Biological Sciences，縮寫為AIBS)的一份重要研究報告斷定，用玉米生產(chǎn)的乙醇所能產(chǎn)生的能量，僅比生產(chǎn)玉米乙醇所需的能量多出10%左右。與巴西用甘蔗生產(chǎn)乙醇高達370%的能量產(chǎn)出相比，這一數(shù)據(jù)顯然微不足道。

據(jù)美國阿爾貢國家實驗室運輸研究中心的環(huán)境科學(xué)家王全錄(Michael Wang)估算，考慮到所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)--玉米地施肥、玉米收割、將玉米淀粉漿蒸餾為酒精等等，每生產(chǎn)100萬英熱單位的乙醇，需要耗用74萬英熱單位的化石燃料。雖然乙醇一直被當(dāng)作為農(nóng)產(chǎn)品推廣，但它基本上還是化石燃料的產(chǎn)物。

在減少溫室氣體方面，乙醇帶來的好處更是微乎其微。在2006年1月出版的《科學(xué)》雜志上，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的能源與資源助理教授亞歷山大·E·法雷爾(Alexander E. Farrell)撰文宣稱，乙醇在減少溫室氣體方面的作用"難以確定"。在考察了各種研究報告之后，法雷爾及其合作撰稿人斷定，在排放大氣污染物方面，用天然氣生產(chǎn)的乙醇比汽油產(chǎn)品要稍好一些，但是用煤生產(chǎn)乙醇卻更糟糕。燃燒一加侖汽油釋放大約20磅二氧化碳(1磅約為450克)，其中包括了來自汽車引擎和煉油廠的排放量。盡管乙醇的這一可比數(shù)據(jù)尚存爭論，但到底是稍好一點還是更糟一些，主要取決于乙醇的生產(chǎn)過程。以限制二氧化碳排放量為理由，鼓吹乙醇燃料的說法是靠不住的。

燃料乙醇中主要雜質(zhì)是正丙醇。

它是一種可再生能源。

汽車用乙醇汽油在燃燒值，動力性和耐腐蝕性上的不足:

1，乙醇的熱值是常規(guī)車用汽油的60%，據(jù)有關(guān)資料的報道，若汽車不作任何改動就使用含乙醇10%的混合汽油時，發(fā)動機的油耗會增加5%。

2，乙醇的汽化潛熱大，理論空燃比下的蒸發(fā)溫度大于常規(guī)汽油。影響混合氣的形成及燃燒速度，導(dǎo)致汽車動力性，經(jīng)濟型，及冷啟動性的下降，不利于汽車的加速性。

3，乙醇在燃燒過程中會產(chǎn)生乙酸，對汽車金屬特別是銅有腐蝕作用。有關(guān)試驗表明，在汽油中乙醇的含量在0~10%時，對金屬基本沒有腐蝕，但乙醇含量超過15%時，必須添加有效的腐蝕抑止劑。

4，乙醇時一種優(yōu)良溶劑，易對汽車的密封橡膠及其他合成非金屬材料產(chǎn)生輕微的腐蝕，溶漲，軟化或龜裂作用。

5，乙醇易吸于水，車用乙醇汽油的含水量超過標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)后，容易發(fā)生液相分離。

乙醇燃料電池---直接乙醇燃料電池(DEFC)由于乙醇的天然存在性、無毒,是一種可再生能源開始引起人們的研究興趣。然而，乙醇燃料電池目前多以含有CO2的空氣作為氧氣的來源，故堿性不斷的下降，進而使得電池?zé)o法完全正常的運轉(zhuǎn)，甚至根本無法運轉(zhuǎn)。但與直接甲醇燃料電池和氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池相比,DEFC的功率密度很低,遠不能達到工業(yè)應(yīng)用的水平。雖然直接甲醇燃料電池中的甲醇滲透問題受到人們的關(guān)注而且已經(jīng)進行了深入研究,但DEFC 中的乙醇滲透問題目前鮮有問津。在本論文中,系統(tǒng)研究了乙醇透過Nafion-115 電解質(zhì)膜的滲透率,并與相應(yīng)的甲醇的滲透率進行了比較。與此同時,研究比較了它們對PtRu 為陽極催化劑的直接醇類燃料電池性能的影響。進一步研究了膜電極集合體(Membrane Electrode Assembly, MEA)制備方法對DEFC 性能的影響。而且采用半電池和單池評價技術(shù)研究了乙醇在碳載PtSn催化劑上的電氧化機理。此外,對以乙醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)操作體系進行了有效能分析(ExergyAnalysis)。 實驗結(jié)果表明與相同濃度的甲醇水溶液相比,透過Nafion膜的乙醇的滲透率低于甲醇的滲透率。由于乙醇滲透率小而且乙醇在Pt/C 催化劑上的電氧化活性低使得乙醇滲透對直接醇類燃料電池的陰極性能影響小。但是,乙醇對電解質(zhì)膜的溶脹能力強,造成了電池性能衰減和失活,這是DEFC 研究的一個重要技術(shù)難題。 MEA 制備方法對乙醇滲透、DEFC 的開路電壓和電池性能都有明顯的影響。盡管與傳統(tǒng)電極制備方法相比,薄層轉(zhuǎn)壓技術(shù)的多步驟操作過程對陽極PtRu 催化劑的表面組成和陰極Pt 催化劑的粒徑分布都有明顯的影響,但由于其制備的MEA 催化層薄而且催化劑與電解質(zhì)膜之間接觸好而使之具有較好的DEFC 性能。 從Pt/C 和PtSn/C 分別為DEFC 陽極催化劑的單池恒電流放電產(chǎn)物分布以及電化學(xué)表征結(jié)果可以看出,錫能夠明顯提高鉑對乙醇的電催化活性,它能使乙醇比在Pt 上更低的電位下氧化生成乙酸,但是,乙醇氧化的產(chǎn)物仍然主要是含C-C 的化合物,C-C 鍵的斷裂仍是其核心問題。根據(jù)單池放電產(chǎn)物的分布結(jié)果提出了乙醇在PtSn/C 催化劑上電氧化的可能機理。

1.易儲存，易推廣:與H2、CO、CH4等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體的，易儲存，尤其是無需在現(xiàn)有的公路交通體系下"另起爐灶"--建設(shè)耗資巨大的氣體燃料補給站(加氣站)，只要在現(xiàn)有的加油站的基礎(chǔ)上，稍加改動即可完成產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。

2.乙醇燃料工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的"農(nóng)業(yè)剩余廢物"水解發(fā)酵得到。

3.乙醇(就是俗稱的酒精)，基本無毒，并且有特殊氣味;所以一旦泄漏對生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現(xiàn)。

然后，我們看看其機理和目前存在的問題:總結(jié)了一下研究者提出的可能機理，我認(rèn)為有可能將乙醇完全反應(yīng)為CO2和H2O:

CH3CH2OH + H20一CH3COOH+4H+ + e (1)

CH3CH2OH~CH3CHO +2H++2e(2)

Pt + H2O一Pt-OHads + H + +e- ( 3 )

CH3CHO +Pt-OHads一CH3COOH+H十+e -+_Pt (4)

Pt + CH3CH0-Pt-(CO-CH3 )ads+H十+e- (5)

Pt + Pt一(CO-CH3 )a。一Pt一(CO)ad, + Pt一(CH; )ads (6)

2Pt+H2O-Pt-O Hate十Pt-H,d, (7)

Pt一(CH3)a&+Pt-Had一CH4+2 Pt (8)

Pt--(CH3)ads+Pt--OHads-2Pt+CH3OH(9)

Pt+CH3OH-Pt-(CHOH)+H+e-(10)

Pt-(CHOH)+Pt-OHads-CHO+H2O+2Pt(11)

Pt+CHO-Pt-(CO)ads+H+e(12)

Pt一(CO)aas+Pt-OHad一CO2+2 Pt+H十+e- (13)

但是，由于很多的步驟多有H+和CO2的生成，所以消耗了OH-，然而"關(guān)鍵的步驟"有需要Pt-OHads充分的存在才能進行，因此，若要讓乙醇充分完全的反應(yīng)，則必須保持OH-離子的充分過量(甚至是過飽和)才行。

。。。

1.用純的O2，或是現(xiàn)制的O2。

2.對堿性的溶液進行定期的更新，或使用化學(xué)的藥劑"激活"。

3.不使用時，阻斷空氣，延長使用的時間。

乙醇燃料電池，酸作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正:3O2+12H(+) +12e(- ) = 6H2O

負:C2H5OH+ 3H2O - 12e(-)=2CO2+ 12H(+)

乙醇燃料電池，堿溶作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

負極:C2H5OH+16OH(-)-12e(-)=2CO3(2-)+11H2O

正極:3O2+12e(-)+6H2O=12OH(-)