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【专家解说】：21世纪的绿色能源
　　燃料电池（FuelCell）是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为
电能的发电装置。根据所使用的电解质种类的不同，燃料电池可分为：（1）低温燃料电
池，诸如固态高聚物电解质燃料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC）；（2）磷酸盐
酸性燃料电池（PAFC）；（3）熔盐碳酸盐燃料电池（MCFC）；（4）固体氧化物燃料电
池（SOFC）等。SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，
被认为是最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分散的电站，目前正在引起各国科
学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体，通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固
态能量转换装置，所以又被称为陶瓷燃料电池。
　　SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极，空气中的氧离解转换成氧离子，通过两
个电极间的固体电解质膜迁移，与阳极／电解质界面上的燃料反应。在外电路，从阳极
到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影
响电池的工作温度及电能转换效率，还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技
术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2
基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。
　　除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点：对燃料的适应性强，能在多种
燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在
对漏液、腐蚀的管理问题；积木性强，规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发
电效率在单循环时有潜力超过60％，而对总的来说体系效率可高达85％，SOFC的功率密
度达到1MW／M3，对块状设计来说有可能高达3MW／M3。事实上，SOFC可用于发电、热电
回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。
　　SOFC今后的研究开发主要集中在以下几个方面：
　　新型电极材料和其他电池构件的开发。
　　修饰SOFC的其他部件，使系统结构达到最佳化，以配合燃料电池的中温操作；开发
中温条件下有一定活性同时与电解质在性能上相匹配的电极材料；改善电极的微结构。
其中纳米电极是一个可行的路线。它颗粒小，可增加三相界（催化活性中心）的长度和
电极／电解质的接触面积，大大降低了界面电阻；也可降低电极厚度，使气体更容易扩
散到三相界面处，减小由于电极浓差极化造成的电池效率的降低。
　　质子导体及质子－离子混合导体电解质的开发。
　　由质子导体作电解质，水将在氧化剂的一侧产生，因此将不会出现用氧离子导体作
电解质那样，经过燃料电池反应后须将水从燃料中除去。当使用甲烷等碳氢气体时，只
有这些燃料热解得到的氢可认为是质子导体燃料电池的燃料，而其余部分可作为有用的
重整产物而保留下来，例如乙烷经电池反应重整后可得到乙烯。某些电化学反应必须使
用质子导体材料。如：工业中H2S废气用这种燃料电池来处理，可以在发电的同时，得到
有用的副产品S
　　2。研究质子传导
　　的机理并开发在中温下具有足够电导率的质子导体，是一个很有希望的研究方向。
应该说，质子－离子混合导体是一种崭新的固体电解质，寻找这种材料本身就是一个新
的挑战，这对于深化我们设计新型SOFC，具有特别重要的意义。
　　新概念和新方法。
　　最近出现的单腔体燃料电池就是一个新的概念。尽管它还有很多的缺点，但它却不
失为一个有意义的研究方向。其主要意义还在于对我们今后进行的电池的设计，给予了
有益的启发。对于电极材料结构，传统的电极大多数为不对称电极，即阴极和阳极所使
用的材料不同。如果使用对称电极，电池的性能将会如何？这就值得研究。对于电池的
制备方法，目前采用的方法大多昂贵，成品率低。开发研究软化学制备路线，引入温和
条件的材料制备方法，势必具有较强的竞争力。
21世纪的绿色能源:
1.植物石油。植物界可用于制成石油的植物品种很多，不少乔木、灌木、草类、藻类等都含有可观的天然炼油物质，这些植物主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科上。折断这些植物的茎、叶，可以从伤口处看到乳白色或黄褐色液体流出来，这些液体中便含有与石油成分相似的碳氢化合物。
2.燃料电池.是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为 电能的发电装置。
3.氢燃料.其优势在于：可降低温室效应气体排放；保证能源安全和能源供应的多样性；提高空气质量；提高工业竞争力；分散型的能源供应有利于满足发展中国家能源需求的增长并降低因此而造成的污染。
4.煤矸石和垃圾将成为能源.将镁矸石粉末掺入一定粘土，根据热力学和空气动力学原理用专用设备加工制成的特定砖坯（类似蜂窝），经晾干后即可在普通炉膛内点燃，一块180mmx180mm，厚6mm的方砖可持续燃烧40-60min 之久。
5.太阳能.是一种非常清洁的可再生能源,是21世纪的绿色能源,不会对水、空气、地面产生任何污染.
6.风能.
7.地热能.
8.潮汐能.
9.沼气.
10.水力能. 最主要的还是 太阳能
一、国外生物柴油研究简况
所谓生物柴油就是利用动植物油脂为原料，经反应改性成为可供内燃机使用的一种燃料。生物柴油是典型“绿色能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。
生物柴油的研究最早是从20世纪70代开始的。美国、发国、意大利等相继成立了专门的生物柴油研究机构，投入大量的人力物力。到了20世纪90年，随着环境保护和石油资源枯竭两大难题越来越被关注，尤其在美国，生物柴油已成为新能源研制和开发的热点，引起西方先进国家的高度重视。政府通过政策优惠手段，使生物柴油迅速成为新经济产业的亮点。其主要表现：
1.美国能源部门把发展生物柴油意义提高到战略高度对待。美国将其实21世纪的能源战略定为“安全、清洁、高效”，由于生物柴油的优异性能，OFD（燃料发展办公室）在《可再生能源发展战略》中，把生物柴油列为主要发展目标之一。通过政策法规要求联邦、州和公共部门的汽车都必须有一定比例的车辆使用替代燃油，在美国生物柴油已成为替代燃料增长最快的产品。美国联邦率先成为生物柴油的最大用户。
2.西方国家加大生物柴油商业化投资力度，使生物柴油的投资规模增大，开工项目增多。目前，美意法等国已相继建成生物柴油生产装置数十座，规模最大的年产量达57万吨；德国也于是2001年月11日在海德地区投资5000万马克，兴建年产10万吨的生物柴油装置。2000年德国的生物柴油已达45万吨。
3.西方国家为发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励下采取了一系列积极措施。为了便于推广使用，美德意等国都制定了生物柴油技术标准，如美国权威机构ASTM相继在1996年和2000年发布标准，完善生物柴油的产业化条件；并且政府实行积极鼓励的方式，在生物柴油的价格上给于一定的补贴。如德国农民种植为生物柴油作原料油菜籽可获得1000马克/公顷补贴，并对制造生物柴油予以免税。
生物柴油于1988年诞生，由德国聂尔公司发明，它是以菜籽油为原料，提炼而成的洁净燃油。突出的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是资源贫泛国家的高度重视。美国1990年开始以小规模用大豆油生产生物柴油，并被国家能源署列为清洁燃料，进行推广应用。美国能源署则要求，到2010年止，美国的生物柴油产量从现有的100万吨提高到1200万吨。目前，国际有十几个国家地区生产销售生物柴油，生产国有美国、欧洲成员国、阿根廷、马来西亚、南联盟、印度、日本。推广力度最大数德国，生物柴油应用在奔驰、宝马、大众、奥地的轿车上，德国现有900多家生物柴油加油站，并规定在主要交通要道只准销售生物柴油（如在跨国高速公路设置的加油站）。其零售价为每公升0.85欧元（折合人民币7.06元）。美国生物柴油的售价约为石化柴油的2倍，尽管生物柴油的成本昂贵，但是发达国家仍在大力推广使用，旨在保护生态环境和本国能源安全。 　　　
　
欧洲和北美利用过剩的菜子油和豆油为原料生产生物柴油获得推广应用。目前生物柴油主要用化学法生产，采用植物油与甲醇或乙醇在酸或碱性催化剂和230℃～250℃下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。现还在研究生物酶法合成生物柴油技术。与普通柴油相比，生物柴油更有利环保，使柴油车尾气中有毒有机物排放量仅为1／10，颗粒物为20%，CO2和CO排放量仅为10%。按照京都议定书，欧盟2008～2012年间要减少排放8%。就燃料对整个大气CO2影响的生命循环分析看，生物柴油排放的CO2比矿物柴油要少约50%。为此，欧盟最近发布了两项新的指令以推进生物燃料在汽车燃料市场上的应用，这将进一步推动欧洲生物柴油工业的发展。与常规柴油相比，生物柴油价格要贵一倍以上，为此，新指令要求欧盟各国降低生物柴油税率，并对生物柴油在欧洲汽车燃料中的销售比例作出规定。这将有助于欧洲生物柴油市场价值由2000年5.04亿美元提高到2007年24亿美元，年增长率可望达到25%。目前，美国有4家生物柴油生产厂，总能力为30万t／年。在普通柴油中的掺入量为10%～20%，生物柴油的税率为零。德国现有8家生物柴油生产厂，生产能力为25万t／年，拥有300多个生物柴油加油站，并制定了生物柴。油标准DIN V51606，对生物柴油免税。法国有7家生物柴油生产厂，总能力为40万t／年，使用标准是在普通柴油中掺加5%生物柴油，对生物柴油的税率为零。意大利有9个生物柴油生产厂，总能力33万t／年，对生物柴油的税率为零。奥地利有3个生物柴油生产厂，总能力5.5万t／年，税率为石油柴油的4.6%。比利时有2个生物柴油生产厂，总能力24万t／年。日本生物柴油生产能力也达到40万t／年。
二、我国生物柴油研制简况
我国政府为解决能源节约、替代和绿色环保问题制定了一些政策和措施，早有一些学者和专家已致力于生物柴油的研究、倡导工作。著名学者闵恩泽院士在《绿色化学与化工》一书中首先明确提出发展清洁燃料生物柴油的课题；原机械工业部和原中国石化总公司在上世纪80年代就拨出专款立项，由下海内燃机研究所和贵州山地农机所承担课题，联合研究长达十年之久，并邀请石化院詹永厚做了大量基础试验探索；中国农业工程研究设计院的施德路先生也曾于1985年进行了生物柴油的试验工作；辽宁省能源研究所承担中国——欧共体合作研究的项目也涉及到生物柴油；中国科技大学、河南科学陆军化学所等单位也都对生物柴油作了不同程度的研究。
但是，与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距，长期徘徊在初级研究阶段，未能形成生物柴油的产业化；政府尚未针对生物柴油提出一套扶植、优惠和鼓励的政策办法；更没有制定生物柴油统一的标准和实施产业化发展战略。因此，我国进入了WTO之后，在如何面对经济高速发展和环境保护和双重压力这种在背景下，加快高效清洁的生物柴油产业化进程就显得更为迫切了。
生物柴油的优点在于：
1．十六烷值较高，大于49(石化柴油为45)，抗爆性能优于石化柴油。
2．生物柴油含氧量高于石化柴油，可达11%，在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧、点火性能优于石化柴油。
3．无毒性，系可再生能源，而且生化分解性良好，健康环保性能良好。除了供公交车、卡车等柴油机的替代燃料外，又可供为海洋运输、水域动力设备、地底矿业设备、燃油发电厂等非道路用柴油机之替代燃料。
4．不含芳香族烃类成份而不具致癌性，并不含硫、铅、卤素等有害物质。
5．黑烟、碳氢化物、微粒子以及SO2、CO(一氧化碳)排放量少。
6．生物柴油具有较高的运动粘度，在不影响燃油雾化的情况下，更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损。
7．无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备、及人员的特殊技术训练，(通常的替代燃料均须修改引擎才能使用)。
8．生物柴油的闪点较石化柴油高，有利于安全运输、储存。
9．既可作为添加剂促进燃烧效果，其本身即为燃料，而具有双重效果。
10．不含石蜡，低温流动性好，适用区域广泛。
11．生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性.