撰文 马修·L·沃尔德(Matthew L. Wald)

翻译 赵学庆

如果你有机会来到美国南达科他州苏福尔斯机场的候机大楼，不妨趁着行李运到前的空闲四处参观一下。一辆绿白相间的印地赛车(Indy)穿梭在几条行李传送带之间，车身上的贴花图案标明它以乙醇(ethanol)作为燃料;在租车公司的摊位前，有一个醒目的标志，提醒客户不要给出租车加注E85--当地出售的超级乙醇混合燃油，这种混合燃油会损坏出租车引擎，因为当地的出租车并不是为这种混合燃油而设计的。

乙醇之乡苏福尔斯，是美国将碳水化合物(carbohydrate)转变为碳氢化合物(hydrocarbon)的推广中心。

在美国，乙醇热潮持续高涨，甚至开启了一个燃油转换过渡期，规模之大，恐怕只有40年前电力行业建造的数百座核电厂方可媲美。2005年8月，美国国会通过了一项重要能源法案，要求到2012年，将乙醇年产量从2005年时的40亿加仑左右增加到75亿加仑(1加仑约等于3.8升)，以便取代进口燃油。业界人士认为，在美国政府的税收优惠和补贴政策扶持下，特别是如果油价仍然居高不下，那么这一目标的实现有望大大提前，因为将农作物转化为乙醇的成本，远远低于2006年秋天的汽油零售价--每加仑2.50美元。

实际上，据美国可再生燃料协会(Renewable Fuels Association)介绍，2006年美国的乙醇产量超过50亿加仑。与每年约1,400亿加仑汽油和柴油消耗量相比，虽然这一数量还显得微不足道，但是乙醇产量在一年内却增长了50%。美国能源部(DOE)负责能效和可再生能源的副部长安迪·卡斯纳(Andy Karsner)称，由于高油价增加了乙醇的市场吸引力，开发商纷纷修建乙醇工厂。他断言美国将出现一个乙醇繁荣期，"类似于19世纪50年代宾夕法尼亚州的石油热"。

这股热潮真能给人们带来好处吗?实际上，我们生产乙醇的方式并没有多大优势。美国所有的商业乙醇燃料都用玉米粒制造，采用能量密集型的生产方式。一些研究表明，炼制一加仑乙醇所耗用的能量，甚至高于它燃烧时所提供的能量。即使一些支持玉米乙醇的研究，也只能证明它的能源净收益微乎其微;另一种持反对意见的研究则表明，同原油-汽油循环比起来，玉米-乙醇循环在减少温室气体方面的作用，几乎可以忽略不计。

在乙醇生产厂商完善纤维素(cellulose)乙醇生产方法之前，玉米乙醇毫无经济或环保意义。纤维素是组成玉米秆、树木及其他草本植物草茎的木质成分，对它的管理和收割只需要耗费较少的能源。但是，虽然科学家知道某些基于生物学的加工方法，可以转化纤维素中的糖分，但是一些试图生产纤维素乙醇的公司，迄今也未能形成商业规模的批量生产。甘蔗是最佳植物能源，它所拥有的可用于制造乙醇的糖分含量，远远高于玉米秆和草本植物中的含量，但是美国缺乏巴西那样的气候条件和廉价劳动力，无法对甘蔗进行开发利用。

要实现用纤维素生产乙醇，就需要对农业生产和工业生产工艺进行重大改进。否则，乙醇仍将是几乎没有任何净收益的、难于利用的产品，美国也将继续依赖进口石油。

玉米乙醇:可再生能源?

不少人一直把用玉米生产的乙醇视为"可再生能源"。据最新调查统计，生产一加仑玉米乙醇可谓"入不敷出"，所耗用的其他能量(如天然气、柴油)几乎接近或甚至高于它所产生的能量。况且，各生产环节中排放的二氧化碳，也有悖于"清洁能源"的初衷。

美国生产的大部分乙醇，都被用作汽油的一类添加剂，它可以按1∶9的比例与汽油混合使用，这是普通引擎能够使用这种混合燃油而不遭致损坏的最高比例。在有些地区，主要是在农业区，驾驶员能够购买到E85混合燃油，这种混合燃油含有85%的乙醇和15%的普通无铅汽油(unleaded regular gasoline)，主要供专门设计的"柔性燃料"(flexible fuel)引擎使用。对于普通引擎而言，乙醇与蒸馏酒中所含的酒精一样，会腐蚀掉引擎和燃油系统中的密封件。数百万辆汽车都装备了这种引擎(不过许多车主都并不知情)，然而E85销售点却只有几百个，而且目前这一燃油供应链的扩展速度极为缓慢。

尽管如此，玉米乙醇仍然发展迅猛，部分原因在于，在美国华盛顿哥伦比亚特区，它拥有一支由农业州参议员和众议员组成的强有力的两党支持者队伍。此外，它还得到了一些非农业州地区人士的支持，这些人认为美国应减少对进口石油的依赖。由于玉米能年复一年栽种和收获，鼓吹者便认为乙醇是一种可再生燃料。美国可再生燃料协会还印发了一本装帧精美的宣传小册子，暗示每年消耗75亿加仑乙醇，就意味着少进口1.79亿桶外国石油。这一水平大约相当于美国15天的石油进口量--虽然不能"药到病除"，但至少开了一个好头。

然而，这只是玉米乙醇的表面风光而已，实际上它仍有不少问题。第一个问题在于，一标准桶(42加仑)乙醇只相当于大约28加仑汽油，因为一标准桶普通无铅汽油含有约11.9万英热单位(Btu，1英热单位约为1,055焦耳)能量，相比之下，一标准桶乙醇只含有8万英热单位能量。因此你给油箱加满E85混合燃油时，其实只相当于加了2/3油箱的汽油。即使一加仑乙醇的售价更为便宜，但要行驶一加仑汽油所能行驶的里程，你必须购买更多的乙醇。

第二个问题则在于，美国缺少生产乙醇所需要的某些资源。美国的玉米资源确实丰富，玉米地从苏福尔斯机场四周一直连绵延伸到远方。但制造乙醇需要耗费大量的天然气。燃油用乙醇的生产方法与酒用乙醇的制造方法基本相同。酵母(yeast)消耗掉糖分而释放出酒精和二氧化碳，所获得的产物经过蒸馏，让酒精蒸发，然后将酒精收集起来加以冷凝。各个生产环节都需要用天然气来加热。目前，生产一加仑乙醇(含有8万英热单位能量)，需要大约3.6万英热单位的天然气。

20世纪90年代，美国国会力图通过一些法案，鼓励乙醇制造厂商生产更多乙醇，支持一些农业州的经济发展。当时天然气较为便宜，每百万英热单位的天然气平均价格约为3美元，而到2005年冬天，天然气价格已飚升至14美元。此外，高需求量必然会刺激天然气价格向上攀升。虽然乙醇支持者认为乙醇燃料是未来可持续能源的一个组成部分，但是耗费的大量天然气，却是不可再生的，甚至难以支持现在的需求。美国乙醇产量正在下降，加拿大乙醇产量也满足不了人们的消费需求。具有讽刺意味的是，为了制造"本土"乙醇，美国将不得不从北美洲以外的地区进口更多的天然气。

一些乙醇生产厂商正在用煤替代天然气，但这又有悖于人们对于清洁能源和可再生能源的定义。烧煤会释放大量的二氧化碳，这样一来，使用乙醇燃料的汽车对气候变化造成的影响，反而要比原来使用普通汽油的汽车严重得多。理论上讲，一家乙醇生产厂为了生产乙醇，可从电力公司购买电力来提供生产所需热量，但是对于许多美国电力公司来说，那样就可能意味着，要燃烧更多的煤和天然气来满足这一用电需求。

生产乙醇还需要一些其他形式的能源。乙醇不像汽油或柴油那样可以用管道来输送，因为这类输送管道很容易进水，虽然水不会与汽油或柴油混合，但是却能与乙醇混合，一旦混合就会破坏乙醇的燃料热值。因此，为了将乙醇运往市场，就需要动用卡车，有时还需要长途运输，这就必须消耗柴油。此外，联合收割机收割玉米作物也要耗用柴油，而种植玉米所用的化肥，其生产过程也离不开天然气。

上述一些问题成了计算乙醇"净能量平衡"的关键因素。这一话题引起了人们激烈争论。2005年，美国康奈尔大学的农学教授戴维·皮门特尔(David Pimentel)宣称，制造一加仑乙醇所耗费的能量，超过了它燃烧时产生的能量。一些持相反意见的人则反驳说，皮门特尔几乎没有考虑乙醇副产品的价值，其中一些能够用作家畜饲料(可取代栽种部分用作饲料的玉米)，而且他将一些与乙醇无关的能源成本也统统算到了乙醇头上，甚至包括了乙醇工厂工人的用餐成本。但是，这些分析家都一致认为，即使乙醇的净能量值为正，增益也十分微小。同一年，美国生物科学学会(American Institute of Biological Sciences，缩写为AIBS)的一份重要研究报告断定，用玉米生产的乙醇所能产生的能量，仅比生产玉米乙醇所需的能量多出10%左右。与巴西用甘蔗生产乙醇高达370%的能量产出相比，这一数据显然微不足道。

据美国阿尔贡国家实验室运输研究中心的环境科学家王全录(Michael Wang)估算，考虑到所有的生产环节--玉米地施肥、玉米收割、将玉米淀粉浆蒸馏为酒精等等，每生产100万英热单位的乙醇，需要耗用74万英热单位的化石燃料。虽然乙醇一直被当作为农产品推广，但它基本上还是化石燃料的产物。

在减少温室气体方面，乙醇带来的好处更是微乎其微。在2006年1月出版的《科学》杂志上，美国加利福尼亚大学伯克利分校的能源与资源助理教授亚历山大·E·法雷尔(Alexander E. Farrell)撰文宣称，乙醇在减少温室气体方面的作用"难以确定"。在考察了各种研究报告之后，法雷尔及其合作撰稿人断定，在排放大气污染物方面，用天然气生产的乙醇比汽油产品要稍好一些，但是用煤生产乙醇却更糟糕。燃烧一加仑汽油释放大约20磅二氧化碳(1磅约为450克)，其中包括了来自汽车引擎和炼油厂的排放量。尽管乙醇的这一可比数据尚存争论，但到底是稍好一点还是更糟一些，主要取决于乙醇的生产过程。以限制二氧化碳排放量为理由，鼓吹乙醇燃料的说法是靠不住的。

汽车用乙醇汽油在燃烧值，动力性和耐腐蚀性上的不足:

1，乙醇的热值是常规车用汽油的60%，据有关资料的报道，若汽车不作任何改动就使用含乙醇10%的混合汽油时，发动机的油耗会增加5%。

2，乙醇的汽化潜热大，理论空燃比下的蒸发温度大于常规汽油。影响混合气的形成及燃烧速度，导致汽车动力性，经济型，及冷启动性的下降，不利于汽车的加速性。

3，乙醇在燃烧过程中会产生乙酸，对汽车金属特别是铜有腐蚀作用。有关试验表明，在汽油中乙醇的含量在0~10%时，对金属基本没有腐蚀，但乙醇含量超过15%时，必须添加有效的腐蚀抑止剂。

4，乙醇时一种优良溶剂，易对汽车的密封橡胶及其他合成非金属材料产生轻微的腐蚀，溶涨，软化或龟裂作用。

5，乙醇易吸于水，车用乙醇汽油的含水量超过标准指标后，容易发生液相分离。

(1)增氧性强，助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量达到3.5%，助燃效果好，汽油燃烧充分，使汽车的有害尾气排放总量降低33%以上。并可使辛烷值提高2-3个单位，提高了油品的抗爆性。

(2)溶解性好，清洁油路。车用乙醇汽油中的燃料乙醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除汽车油箱及油路系统中沉淀和凝结的杂质，具有使油路疏通的作用。

(3)燃烧充分，减少积炭。由于车用乙醇汽油燃烧充分，可有效地预防和消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器等部位积炭的形成，延长发动机和主要部件的使用寿命。

(4)亲水性强，使用不当会分层。乙醇是亲水性液体，易与水互溶，如果油箱中沉积有水分或在车用乙醇汽油中混入水分，使油品水分超标，会出现燃料乙醇与调和组分油分层现象，影响发动机正常工作。因此，首次使用时，应对油箱进行一次检查。

燃料乙醇中主要杂质是正丙醇。

它是一种可再生能源。

乙醇燃料电池---直接乙醇燃料电池(DEFC)由于乙醇的天然存在性、无毒,是一种可再生能源开始引起人们的研究兴趣。然而，乙醇燃料电池目前多以含有CO2的空气作为氧气的来源，故碱性不断的下降，进而使得电池无法完全正常的运转，甚至根本无法运转。但与直接甲醇燃料电池和氢氧质子交换膜燃料电池相比,DEFC的功率密度很低,远不能达到工业应用的水平。虽然直接甲醇燃料电池中的甲醇渗透问题受到人们的关注而且已经进行了深入研究,但DEFC 中的乙醇渗透问题目前鲜有问津。在本论文中,系统研究了乙醇透过Nafion-115 电解质膜的渗透率,并与相应的甲醇的渗透率进行了比较。与此同时,研究比较了它们对PtRu 为阳极催化剂的直接醇类燃料电池性能的影响。进一步研究了膜电极集合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)制备方法对DEFC 性能的影响。而且采用半电池和单池评价技术研究了乙醇在碳载PtSn催化剂上的电氧化机理。此外,对以乙醇为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作体系进行了有效能分析(ExergyAnalysis)。 实验结果表明与相同浓度的甲醇水溶液相比,透过Nafion膜的乙醇的渗透率低于甲醇的渗透率。由于乙醇渗透率小而且乙醇在Pt/C 催化剂上的电氧化活性低使得乙醇渗透对直接醇类燃料电池的阴极性能影响小。但是,乙醇对电解质膜的溶胀能力强,造成了电池性能衰减和失活,这是DEFC 研究的一个重要技术难题。 MEA 制备方法对乙醇渗透、DEFC 的开路电压和电池性能都有明显的影响。尽管与传统电极制备方法相比,薄层转压技术的多步骤操作过程对阳极PtRu 催化剂的表面组成和阴极Pt 催化剂的粒径分布都有明显的影响,但由于其制备的MEA 催化层薄而且催化剂与电解质膜之间接触好而使之具有较好的DEFC 性能。 从Pt/C 和PtSn/C 分别为DEFC 阳极催化剂的单池恒电流放电产物分布以及电化学表征结果可以看出,锡能够明显提高铂对乙醇的电催化活性,它能使乙醇比在Pt 上更低的电位下氧化生成乙酸,但是,乙醇氧化的产物仍然主要是含C-C 的化合物,C-C 键的断裂仍是其核心问题。根据单池放电产物的分布结果提出了乙醇在PtSn/C 催化剂上电氧化的可能机理。

1.易储存，易推广:与H2、CO、CH4等气体燃料电池的燃料相比，乙醇是液体的，易储存，尤其是无需在现有的公路交通体系下"另起炉灶"--建设耗资巨大的气体燃料补给站(加气站)，只要在现有的加油站的基础上，稍加改动即可完成产业化的目标。

2.乙醇燃料工业生产技术完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纤维素的"农业剩余废物"水解发酵得到。

3.乙醇(就是俗称的酒精)，基本无毒，并且有特殊气味;所以一旦泄漏对生物和环境的危害很小，并且容易被发现。

然后，我们看看其机理和目前存在的问题:总结了一下研究者提出的可能机理，我认为有可能将乙醇完全反应为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，由于很多的步骤多有H+和CO2的生成，所以消耗了OH-，然而"关键的步骤"有需要Pt-OHads充分的存在才能进行，因此，若要让乙醇充分完全的反应，则必须保持OH-离子的充分过量(甚至是过饱和)才行。

。。。

1.用纯的O2，或是现制的O2。

2.对碱性的溶液进行定期的更新，或使用化学的药剂"激活"。

3.不使用时，阻断空气，延长使用的时间。

乙醇燃料电池，酸作电解质

总反应:C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正:3O2+12H(+) +12e(- ) = 6H2O

负:C2H5OH+ 3H2O - 12e(-)=2CO2+ 12H(+)

乙醇燃料电池，碱溶作电解质

总反应:C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

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

正极:3O2+12e(-)+6H2O=12OH(-)