4.2　生物质能制氢

生物质是一种复杂的材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，以及少量的单宁酸、脂肪酸、树脂和无机盐。这种可再生的原材料具有很大的潜力，可用于发电和生产高附加值化学品。生物质能源作为一种新型可再生能源用于制氢，是绿色氢气的重要来源。

生物质制氢的主要途径为生物质发电，然后用电解水制氢；或者生物质发酵制氢；或者用生物质化工热裂解制氢；还可以利用生物质制成乙醇，再进行乙醇重整制氢。可表示为表4-2。

生物质发电，再用此电电解水制氢，与通常的电解水制氢并无不同。这里主要介绍生物质生化发酵制氢、生物质化工热裂解制氢和生物质制乙醇、乙醇制氢。

4.2.1　生物质生物发酵制氢

4.2.1.1　原理

根据所用的微生物、产氢底物及产氢机理，生物制氢可以分为3种类型：①绿藻和蓝细菌（也称为蓝绿藻）在光照、厌氧条件下分解水产生氢气，通常称为光解水产氢或蓝、绿藻产氢；②光合细菌在光照、厌氧条件下分解有机物产生氢气，通常称为光解有机物产氢、光发酵产氢或光合细菌产氢；③细菌在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气，通常称为黑暗（暗）发酵产氢或叫发酵细菌产氢［20］。

（1）光解水产氢（蓝、绿藻产氢）

蓝细菌和绿藻的产氢在厌氧条件下，通过光合作用分解水产生氢气和氧气，所以通常也称为光分解水产氢途径。其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，这一光合系统中，具有两个独立但协调起作用的光合作用中心：接收太阳能分解水产生H+、电子和O2的光合系统Ⅱ（PSⅡ）以及产生还原剂用来固定CO2的光合系统Ⅰ（PSⅠ）。PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白（Fd）携带经由PSn和PSⅠ到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成H2。产氢酶是所有生物产氢的关键因素。绿色植物由于没有产氢酶，所以不能产生氢气，这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在，因此除氢气的形成外，绿色植物的光合作用规律和研究结论可以用于藻类新陈代谢过程分析。

（2）光合细菌产氢

光合细菌产氢和蓝、绿藻一样都是太阳能驱动下光合作用的结果，但是光合细菌只有一个光合作用中心（相当于蓝、绿藻的光合系统Ⅰ），由于缺少藻类中起光解水作用的光合系统Ⅱ，所以只进行以有机物作为电子供体的不产氧光合作用。光合细菌光分解有机物产生氢气的生化途径为：（CH2O）n→Fd→氢酶→H2，以乳酸为例，光合细菌产氢的反应的自由能为8.5kJ/mol，化学方程式可以表示如下：

C3H6O3+3H2O6H2+3CO2　　（4-3）

此外，研究发现光和细菌还能够利用CO产生氢气，反应式如下：

CO+H2OH2+CO2　　（4-4）

光合细菌产氢的示意图见图4-6。

（3）发酵细菌产氢

在这类异养微生物群体中由于缺乏典型的细胞色素系统和氧化磷酸化途径厌氧生长环境中的细胞面临着产能氧化反应造成电子积累的特殊问题，当细胞生理活动所需要的还原力仅依赖于一种有机物的相对大量分解时，电子积累的问题尤为严重，因此，需要特殊的调控机制来调节新陈代谢中的电子流动，通过产生氢气消耗多余的电子就是调节机制中的一种。研究表明，大多数厌氧细菌产氢来自各种有机物分解所产生的丙酮酸的厌氧代谢，丙酮酸分解有甲酸裂解酶催化和丙酮酸铁氧还蛋白（黄素氧还蛋白）氧化还原酶两种途径。厌氧发酵产氢有两条途径：一条是甲酸分解产氢途径，另一条是通过NADH的再氧化产氢，称为NADH途径。黑暗厌氧发酵产氢示意图见图4-7［21］。

黑暗厌氧发酵产氢和光合细菌产氢联合起来组成的产氢系统称为混合产氢途径。图4-8给出了混合产氢系统中发酵细菌和光合细菌利用葡萄糖产氢的生物化学途径和自由能变化。厌氧细菌可以将各种有机物分解成有机酸获得它们维持自身生长所需的能量和还原力，为消除电子积累产生出部分氢气。从图中所示自由能可以看出，由于反应只能向自由能降低的方向进行，在分解所得有机酸中，除甲酸可进一步分解出H2和CO2外，其他有机酸不能继续分解，这是发酵细菌产氢效率很低的原因所在，产氢效率低是发酵细菌产氢实际应用面临的主要障碍。然而光合细菌可以利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的正自由能堡垒，使有机酸得以彻底分解，释放出有机酸中所含的全部氢。另外由于光合细菌不能直接利用淀粉和纤维素等复杂的有机物，只能利用葡萄糖和小分子有机酸，所以光合细菌直接利用废弃的有机资源产氢效率同样很低，甚至得不到氢气。利用发酵细菌可以分解几乎所有的有机物为小分子有机酸的特点，将原料利用发酵细菌进行预处理，接着用光合细菌进行氢气的生产，正好做到两者优势互补。

4.2.1.2　经济性

把生物制氢应用到工业中，示意图见图4-9。

对生物制氢进行经济性分析，需要考虑许多因素，包括：①原料价格、市场价格和需求；②储存成本；③运输成本；④制造成本；⑤与非能源生物质的竞争成本［22］。

虽然目前国内外不少学者都对生物质制氢开展了大量的实验研究，但由于微生物反应的效率较低，尚未见到关于一个连续流的、工业化生产的生物制氢工艺的报道。任南琪等已经研究清楚发酵法生物制氢工艺，并获得了小试和中试的实验结果［23，24］。

4.2.2　生物质化工热裂解制氢

文献对生物质热解制氢作了很好的归纳［25，26］指出热解是处理固体生物质废弃物较好的工艺之一，温度一般在300～1300℃，有慢速热解、快速热解和闪速热解3种方式。其过程可分为物料的干燥、半纤维素热解、纤维素和木质素热解4个阶段。在生物质热解过程中，热量由外至内逐层的进行传递。首先是颗粒表面，然后从表面传到颗粒内部，颗粒受热的部分迅速裂解成木炭和挥发分，裂解后的产物在温度作用下还会继续裂解反应。实际应用的生物质热解工艺多为常压或接近常压反应，热解得到的产物主要由生物油、气体（氢气和一氧化碳）和固体炭组成。生物质气化也是生物质热化学转化的一种，其基本原理是在燃烧不完全的情况下，将原料加热，使分子量较高的化合物裂解成H2、CO、小分子烃类和CO2等分子量较低的混合物的过程［22］。通常使用空气或氧气、水蒸气、水蒸气和氧气的混合气作为气化剂。气化的产物为合成气，经过费托合成或生物合成进一步转化为甲醇、乙醇等液体燃料［27］，还可直接作为燃气电机的燃料使用。

4.2.2.1　生物质热解气化制氢工艺

生物质热解气化制氢工艺可以归纳为表4-3。

应该指出，实际生产中热解工艺又可以分为单床工艺和双床工艺［33，34］。单床工艺采用流化床或固定床作为气化炉，运行过程中催化剂与物料一起加入反应炉。生物质通过单床工艺进行热解气化反应可以得到体积分数为40%～60%的富氢气体［35～41］。单床工艺系统较简单，但气体产物在反应炉内停留时间较短，容易导致焦油裂解不完全，从而增加了气体产物的净化处理费用。

双床工艺，即两个气化炉。生物质在一级气化炉气化后，产生的气化气携带焦油颗粒通过二级气化炉，使焦油进一步裂解或者CH4和CO2等气体的催化重整，提高富氢气体产量。生物质通过双床工艺热解气化所得H2的体积分数一般比单床工艺提高24%以上［42，43］。但是，双床工艺较单床工艺复杂，因而运行成本较高。

4.2.2.2　生物质热解气化制氢影响因素

生物质在热解和气化过程中发生一系列物理化学反应，产生气、液、固三相产物。影响三相产物产率以及产物组分的因素有很多，除了前面介绍的工艺和反应器外，还包括物料特性、热源类型、反应条件、气化剂及催化剂等。

（1）物料特性

物料特性的影响主要体现在以下3方面：物料种类、含水率和粒径。不同的生物质类型对热解特性和H2生成特性有重要的影响。生物质样品通常含有70%～90%的挥发分，而挥发分越高焦炭的产率就越低［44］。当物料中的H/C原子比较高时挥发性产物主要以燃气的形式存在，其中H2的量较大［45］。植物类生物质主要为纤维素、半纤维素和木质素。一般而言，纤维素热解时挥发分析出较快，分解温度范围较窄，而木质素热解失重的速率则相对较慢［46］。

（2）热源类型

热源的加热方式主要分为传统加热方式和微波加热方式。

传统加热方式的特点是，能量从物料表面传入内部进行加热，气相产物则从内向外扩散，其传热与传质方向相反，易引起产物的二次裂解［47，48］。

微波加热是在电磁场作用下，分子动能转变成热能，达到均匀加热的目的。与传统加热相比，热量从物质内部产生，与气体产品扩散方向相同；另外，微波加热具有选择性，不同物料由于其介电性质不同，在微波场中的受热特性差别很大。近年来，利用微波热源进行生物质热解气化方面的研究越来越多。Domlnguez等［49］对咖啡壳进行了微波热解和电加热热解的实验研究，结果表明微波热解气体产物中H2体积分数为40%，H2和CO的体积分数为72%，而对应的电加热热解气体产物中则分别为30%和53%。

（3）反应条件

反应条件的影响主要指反应温度、升温速率和反应时间的作用。

反应温度对热解过程起着决定性作用，高温促进有机物的裂解，大幅度提高富氢气体产量［35～53］。

升温速率的影响，随着升温速率升高，可使物料在较短时间内达到设定温度，令挥发分在高温环境下的停留时间增加［54］。

热解反应时间也会对生物质热解产物分布产生影响，一般而言，生物质的高温热解的气体产量随着停留时间延长而增多［55，56］。

（4）气化剂

气化剂组分对生物质气化产物的组分分布有显著影响。常见的气化剂有空气、水蒸气和氧气等。通常水蒸气气化有利于气体中H2含量的提高；当以富氢气体为产品时，一般选水蒸气为气化剂。水蒸气气化过程的主要反应式见式（4-5）～式（4-14）。

C+CO22CO　　ΔH298K=172.43kJ/mol　　（4-5）

C+H2OCO+H2　　ΔH298K=131.72kJ/mol　　（4-6）

C+2H2OCO2+2H2　　ΔH298K=90.17kJ/mol　　（4-7）

C+2H2CH4　　ΔH298K=-74.9kJ/mol　　（4-8）

CO+H2OCO2+H2　　ΔH298K=-41.13kJ/mol　　（4-9）

CH4+H2OCO+3H2　　ΔH298K=250.16kJ/mol　　（4-10）

CH4+2H2OCO2+4H2　　ΔH298K=165kJ/mol　　（4-11）

CH4+CO22CO+2H2　　ΔH298K=-260kJ/mol　　（4-12）

CnHm+nH2OnCO+（n+m/2）H2　　（4-13）

CnHm+nCO22nCO+（m/2）H2　　（4-14）

其中，反应式（4-6）需要较高温度（>700℃），因此只有在高温条件下，水蒸气气化才能达到较好的效果［57］。水蒸气与生物质的比有最佳值，辛善志等［51］开展了水蒸气气氛下木屑热解的实验研究，发现产气率以及H2和CO的产率都随着S/B（水蒸气/生物质）值的增加先上升后降低，最佳的S/B值为2～2.5。

（5）催化剂

用于生物质热解的催化剂需要满足的基本要求：①能有效脱除焦油；②实现CH4重整；③有较强的抗腐蚀能力；④具有一定的抵抗因积炭或烧结而失活的能力；⑤较容易地再生；⑥具有足够的强度；⑦价格低廉，来源广泛；⑧本身对环境无毒性。催化剂的使用方式一般分两种：①催化剂和物料预混后投入反应炉，预混方式包括湿法浸渍和干法混合两种，主要应用于固定床和流化床反应炉，目的是提高气体生成量，减少焦油量；②催化剂填装于第二级反应炉（一般为固定床）内，对来自于一级反应炉的热解气进一步催化裂解和重整。

常用的催化剂见表4-4。

中国科学技术大学化学物理系和生物质洁净能源实验室朱清时等人，对用流化床生物质气化器合成富氢气体，建立了基于非预混燃烧的模型对气化器中的生物质在空气-水蒸气环境中的气化反应过程的模型，并采用流体力学软件FLUENT 6.0对过程进行了模拟。通过模拟结果与实验结果的对比分析发现，水蒸气与生物质的比、空氧比和生物质颗粒的粒径大小是决定产气中氢气含量的重要参数。同时，对气化器中氢气的分布进行了研究［63］。

生物质发酵制氢还处在试验阶段且技术还不是很成熟，必须培育高效产氢发酵菌种以进一步提高系统的产氢能力，降低生产成本。其中厌氧发酵技术生产沼气目前技术比较成熟，马上可以实现产业化。生物质气体燃料中的沼气生产过程不但没有环境污染，而且可降解如农业秸秆、牲畜粪便、厨房垃圾等有机废弃物，并且生产过程不消耗其他能源，因此是目前最有希望实现产业化的生物质能源之一。生产生物质气体燃料的处理方法各异，但生物质气化必须解决生产过程的污染、安全、焦油净化、燃气的安全利用及取暖锅炉等技术问题。

4.2.3　生物质制乙醇、乙醇制氢

4.2.3.1　概述

随着废除燃油车的呼声越来越高［64］和燃料电池技术的发展，燃料电池汽车已成当今热点，因此对氢的需求逐渐增大，但目前常用的制氢方法是以化石燃料重整和水电解为主。从可持续发展的角度考虑，人们已开始选择可再生原料，如生物乙醇等低碳醇，因其可再生、含氢量高、廉价、易储存、运输方便、来源广泛等特点，成为制氢研究的主要对象。在乙醇制氢的方式中，以乙醇水蒸气重整制氢为主，其显著优点是可以用乙醇含量为12%（体积分数）左右的水溶液为原料，直接从乙醇发酵液中蒸馏得到而不需精馏提纯，成本低廉、安全、方便。

乙醇重整制氢反应所需的具有高活性、高选择性、高稳定性的催化剂和能满足供应、经济性高的乙醇是实现催化制氢商业化应用的两大核心因素。

4.2.3.2　乙醇制氢的途径

传统的制氢方法是用水蒸气通过灼热的焦炭，生成的水煤气经过分离得到氢气，电解水或甲烷与水蒸气作用后生成的物质经分离也可以得到氢气。近年来开发出许多新的制氢方式：甲烷及碳氢化合物的蒸汽重整和部分氧化、汽油及碳氢化合物的自热重整、甲醇重整和乙醇重整等。

乙醇制氢，理论上乙醇可以通过直接裂解、水蒸气重整、部分氧化、氧化重整等方式转化为氢气［65］。其转化反应式可能是：

（1）水蒸气重整

CH3CH2OH+H2O4H2+2CO　　=256.8kJ/mol

CH3CH2OH+3H2O6H2+2CO2=174.2kJ/mol

（2）部分氧化

CH3CH2OH+O23H2+2CO　　=14.1kJ/mol

CH3CH2OH+O23H2+2CO2　　=-554.0kJ/mol

（3）氧化重整

CH3CH2OH+2H2O+O25H2+2CO2　　=-68.5kJ/mol

CH3CH2OH+H2O+O24H2+2CO2　　=-311.3kJ/mol

（4）裂解［66］

CH3CH2OHCO+CH4+H2　　=49.8kJ/mol

CH3CH2OHCO+C+3H2　　=124.6kJ/mol

乙醇水蒸气重整的主要相关反应见表4-5。

热力学分析表明，提高反应温度和水与乙醇的比例有利于氢的生成，不同金属可以催化上述不同的化学反应，因此选择适合的催化剂是提高氢转化率和选择性的关键。

4.2.3.3　不同活性组分催化剂的研究

在乙醇制氢过程中，选择具有高活性、高选择性、高稳定性的催化剂，将促进反应的进行。乙醇制氢使用的催化剂体系比较有限，近期研究较多的非贵金属有Ni系和Co系催化剂，而贵金属催化剂因其高活性，也在进一步研究如何有效的利用。

常用的催化剂制备方法有沉淀法、浸渍法、凝胶法等。其中浸渍法利用率高、用量少、成本低，并可用市售的已成形、规格化载体材料，省去了催化剂成形的步骤，也为催化剂提供所需的物理结构特性，是一种简单易行而且经济的方法，广泛用于制备负载型催化剂。

（1）Ni系催化剂

据文献报道，Ni有利于乙醇的气化，促进C—C键的断裂，增加气态产物含量，降低乙醛、乙酸等氧化产物，并使凝结态产物发生分解，提高对氢气的选择性。而且Ni使得催化剂活性温度降低，对甲烷重整和水煤气变换反应都有较高的活性，可以降低产物中的甲烷和CO含量。基于以上优点，研究者对Ni系乙醇水蒸气重整反应催化剂进行了广泛的研究。

José Comas等［68］考察了Ni/γ-Al2O3催化剂对水蒸气重整反应的活性，发现在573K时，乙醇完全反应生成CH4、CO和H2；673K和773K时乙醇水蒸气重整反应占主导地位；反应接触时间较短时，在生成物中有乙醛、乙烯和一些中间产物。总体看来，在较高温度（773K以上），较高的H2O/EtOH（6∶1），H2的选择性能达到91%，而且加强了甲烷水蒸气反应，限制了炭的沉积。但CO的浓度很高，不适合用于燃料电池的使用。

S.Freni等［69］研究了Ni/MgO催化剂对乙醇水蒸气重整反应在燃料电池上的应用。发现Ni/MgO催化剂有很好的重整活性，产氢率很高，选择性可达95%。碱金属的添加有助于调变催化剂的结构，Li和Na的加入增强了NiO的还原能力，影响了Ni/MgO的分布。而K的加入虽然对形态和分布没有显著作用，但降低了金属的烧结，提高了催化剂的活性、稳定性，减少了积炭。稳定性实验也显示在实际应用的条件下催化剂也具有比较高的寿命。可以应用于燃料电池中。

综上，Ni系催化剂对乙醇水蒸气重整反应有较高的活性。乙醇转化率和H2产率都较高，相对于贵金属催化剂，反应温度较低，是理想的燃料电池用制氢催化剂。但Ni系催化剂的选择性不理想，CH4和CO含量相对较多，甲烷竞争氢原子，而且Ni系催化剂极易积炭。如何提高催化剂的选择性和抗积炭性能，进一步降低反应温度，是以后研究的主要方向。

（2）Co系催化剂

Co系催化剂以其高选择性引起人们的注意，所以有学者对其在乙醇水蒸气重整反应上进行了研究。F.Haga等［70］系统研究了不同金属负载在Al2O3上的催化性能，在673K下进行乙醇重整反应，实验结果表明，反应的选择性顺序为：Co催化剂对乙醇水蒸气重整的反应选择性远远大于Ni，其他金属的选择性由大到小依次为Ni>Rh>Pt=Ru=Cu。而且在Co/Al2O3催化的乙醇水蒸气重整反应过程中没有CH4的生成［68］。Haga还研究了Co负载在不同载体上的催化性能。他制备了Co/Al2O3、Co/SiO2、Co/MgO、Co/ZrO2、Co/C催化剂，研究结果表明，催化剂的性质受载体的影响很大，其中，Co/Al2O3表现出最高的选择性，这种高选择性通过抑制CO的甲烷化和乙醇的分解表现出来［71］。同时Haga研究了Co/Al2O3催化剂的粒子尺寸变化对乙醇重整反应的影响［72］。结果表明：催化剂的选择与Co金属在Al2O3载体上的分散度有关，而且选择性随着分散度的增大而增大。

Marcelo S.Batista等［73］用浸渍法制备了Co/Al2O3、Co/SiO2、Co/MgO催化剂并研究了它们对乙醇水蒸气重整反应的催化活性和稳定性。通过X射线衍射、原子吸收光谱、拉曼光谱和TPR等表征手段证明了，在煅烧过程后，Co3O4和CoOx与Al2O3、MgO载体发生了相互作用，同时证明只有Co组分才是乙醇水蒸气重整反应的活性位。所有的催化剂都显示了较高的催化活性；气相产物中H2占70%，CO+CO2+CH4占30%。对于Co/Al2O3，由于Al2O3的酸性活性位使乙醇脱氢产生一定量的乙醛；而Co/SiO2产生高含量的CH4；Co/MgO产生高含量的CO。这些副产物对反应是不利的。在8～9h的反应后，催化剂都显示出一定程度的积炭（14%～24%，质量分数），其中Co/Al2O3由于酸性位提高了乙醇的裂解，从而产生最大量的积炭。从而可以证明乙醇水蒸气重整反应催化剂的失活主要是由于积炭而引起的。

所以Co系催化剂也是具有很高价值的乙醇水蒸气重整反应催化剂，其高活性和高选择性是它的优势，如果能添加一些助剂调变其载体的性质或活性组分与载体的相互作用，使之在低温下获得较高的活性，并克服积炭带来的催化剂失活，提高其稳定性，则必将在燃料电池制氢中占有很重要的位置。

（3）贵金属催化剂

贵金属催化剂应用于乙醇水蒸气重整比较早，其活性和选择性也很高。J.P.Breen等［74］发现金属负载在Al2O3上活性顺序为Rh>Pd>Ni=Pt。而以CeO2-ZrO2为载体的活性顺序为Pt≥Rh>Pd。通过Al2O3、CeO2-ZrO2分别作为载体的比较表明：高温下乙烯的产生并不抑制水蒸气重整反应的进行，而且载体的不同在乙醇水蒸气重整反应中发挥着重要的作用。实验显示Pt、Rh相对于Pd、Ni具有更高的活性，在650℃和高空速条件下可以达到100%的转化率。

Dimitris K.Liguras等［75］研究了Ru、Rh、Pt、Pd负载在Al2O3、MgO、TiO2上贵金属催化剂对乙醇水蒸气重整反应的性能，并研究了不同负载量（0～5%，质量分数）对催化性能的影响。发现在低负载量下，Rh显示出比Ru、Pt、Pd更高的活性和氢气选择性。而对于Ru催化剂，随着金属负载量的提高，催化活性可以得到明显的增加。5% Ru/Al2O3在T=800℃附近，不仅活性很高，氢气选择性几乎可以达到100%，而且稳定性试验测试该催化剂在严格的条件下很稳定，可以用于燃料电池制氢。同时，也发现Ru负载在Al2O3比负载在TiO2或MgO活性高，Ru/Al2O3在给定的温度下对重整反应选择性高，副产品少。当然催化剂的性能不仅由于载体的作用，还依赖于暴露在表面的Ru原子数目。在接触时间较短的条件下，会有一定量的乙烯生成。

4.2.3.4　乙醇重整制氢用于燃料电池

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。

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［76］，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。

4.2.3.5　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、气候适应强的甜高粱被公认为是乙醇生产的首选原料［78］，甜高粱米作粮食及酿酒用，秆则用来生产乙醇，既不影响粮食安全，又能利用边际土地。美国、巴西已开始用甜高粱作为乙醇生产补充原料［79］，Monsanto、Chromatin、NexSteppe等公司都在积极研发高糖含量的甜高粱品种［80，81］。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×3.6m）于2015年在山东东营试车成功：平均16t鲜甜高粱秆可产1t燃料乙醇，仅耗电432kW·h；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粱的经济价值，生产乙醇后的酒糟除了作为牛羊饲料外，还可以有经济竞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，使甜高粱秆得到充分利用，乙醇能与50美元/桶油价竞争。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，种植甜高粱生产粮食、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。

4.2.3.6　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［83］，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高粱生产乙醇，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。