生物燃料研究大全11篇
时间：2023-12-17 15:14:21
生物燃料研究篇（1）
（一）国内生物燃料产业发展现状
1、燃料乙醇开始规模化应用
“十五”期间，我国在黑龙江、吉林、河南、安徽4省，分别依托吉林燃料乙醇有限责任公司、河南天冠集团、安徽丰原生化股份有限公司和黑龙江华润酒精有限公司四家企业建成了四个燃料乙醇生产试点项目进行定点生产，初步形成了现有国内燃料乙醇市场格局。到2007年，我国燃料乙醇产能达160万吨，四家定点企业产能达144万吨。值得注意的是，为不影响粮食安全并改善能源环境效益，我国已确定不扩大现有陈化粮玉米乙醇生产能力的政策，转向以木薯和甜高粱等非粮作物为原料生产燃料乙醇，并开始商业化生产。目前，广西木薯乙醇项目的生产能力超过20万吨，2008年全国燃料乙醇总产量达172万吨。此外，生物液体燃料也已开始在道路交通部门中初步得到规模化应用，我国燃料乙醇的消费量已占汽油消费量的20%左右，在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省及湖北、河北、山东、江苏部分地区已基本实现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油。
2、生物柴油步入快速发展轨道
自2002年经国务院批示，国家发改委开始推进生物柴油产业发展以来，生物柴油年产量由最初的1万吨发展到现在的近20万吨，总设计产能约200万吨/年，生物柴油被纳入《中华人民共和国可再生能源法》的管理范畴。2008年，为鼓励和规范生物柴油产业发展，防止重复建设和投资浪费，根据生物燃料产业发展总体思路和基本原则，结合国家有关政策要求及产业化工作部署与安排，国家发改委批准了中石油南充炼油化工总厂6万吨/年、中石化贵州分公司5万吨/年和中海油海南6万吨/年3个小油桐生物柴油产业化示范项目。截止目前，我国生物柴油产业已初步形成以海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司等民营公司、外资公司以及中粮集团、航天科工集团和三大石油集团共同参与的格局。
（二）生物燃料产业发展需突破的主要制约因素
目前，我国生物燃料产业的快速发展还面临许到原料资源供应、产业发展的技术瓶颈、商业化应用市场和政策、市场环境不完善等制约因素。
1、原料资源供应严重不足
无论是燃料乙醇还是生物柴油都面临着“无米下锅”。
从燃料乙醇看，如果完全用玉米来生产，按照1∶3.3 比例计算，2020 年将达4950 万吨，加上其他工业消费对玉米需求的增长，未来我国玉米生产将难以满足燃料乙醇生产的工业化需求，而且随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格的不断上涨，玉米燃料乙醇的发展可能威胁到我国粮食安全，因此完全使用玉米生产燃料乙醇在我国并不现实。
从生物柴油看，国内仅有的几个项目都是以地沟油、植物油脚等废弃油脂做原料，而全国一年的废弃油脂也只有600―700万吨，其中相当比例还要用于化工生产，每年可供生物柴油企业利用的废弃油脂不足50 万吨。按照1.2 吨废弃油脂生产1 吨生物柴油计算，40 多万吨废弃油脂能满足的产能只有30 多万吨。目前，我国很多企业处于部分停产或完全停产状态，行业发展陷入了困境。
2、产业发展中的技术、标准瓶颈制约
目前，我国生物质能产业发展尚处于起步阶段，产业发展中的生产技术、产品标准、生产设备等问题已成为阻碍生物燃料产业快速健康发展的重要问题之一。
从燃料乙醇的发展看，一方面，我国的自主研发能力还比较弱，缺乏具有自主知识产权的核心技术。目前国内以玉米、木薯等淀粉类为原料的生产技术已经进入商业化初期阶段，以甜高粱、甘蔗等糖质类为原料基础的燃料乙醇生产技术大多处于试验示范阶段，还需在优良品种选育、适应性种植、发酵菌种培育、关键工艺和配套设备优化、废渣废水回收利用等方面作进一步研究。而国外以淀粉、糖质类为原料的燃料乙醇生产技术已经十分成熟，并进入大规模商业化生产阶段。此外，我国的纤维素乙醇还处在试验阶段，技术还有待完善，尤其是如何降低纤维预处理和纤维酶的成本，高效率的发酵技术等方面，总体而言与国外发达国家相比差距较大。另一方面，国内还缺乏以不同生物质为原料的燃料乙醇相关产品和技术标准。尽管我国于2001年颁布了变性生物燃料乙醇（GB18350－2001）和车用乙醇汽油（GB18351－2001）两项强制性国家标准，在技术内容上等效采用了美国试验与材料协会标准（ASTM）；但上述标准主要是基于淀粉类原料而制定的，而制备燃料乙醇的原料种类较多且生产工艺也大不相同，在某些技术指标上也会有所差异，单一基于淀粉类原料制定的标准在一定程度上制约了我国燃料乙醇产业的快速发展。
从生物柴油的发展看，我国主要采用化学酯化法生产生物柴油，已形成较完备的技术体系和方法，但由于酯化过程要进行水洗、除渣、酯化、分离、蒸馏、洗涤、干燥、脱色等一系列过程，因此，转化率低，成本较高，而且产品质量难以保障。此外，虽然我国在2007年颁布了《柴油机燃料调和用生物柴油（BD100）国家标准》（GB/T20828－2007），但由于生物柴油的酸度、灰分、残炭均高于石油类柴油，常会以B5或B20等BX类生物柴油与石化柴油混用。而我国至今没有B5或B20标准，更没有对生物柴油企业的生产设计和运行进行技术规范，生物柴油质量难以保证，导致难以进入中石油、中石化的销售终端，大量生物柴油卖给企业用作烧锅炉等用途，极大地制约了我国生物柴油产业的快速健康发展。
3、生产成本过高，商业化应用缺乏市场前景
从燃料乙醇看，目前，除巴西以甘蔗为原料生产的燃料乙醇成本可以与汽油相竞争外，其他国家燃料乙醇的成本都比较高，而我国燃料乙醇由于受原料成本高、耗能大、转化率低等因素影响，燃料乙醇的生产成本更高；从生物柴油看，在原料价格高峰时，生物柴油的生产成本是每吨接近7000元，而售价是6000元左右。因此，不依靠政府补贴，大规模的商业化应用缺乏市场前景。
4、政策法规和市场环境尚需改进
虽然我国在2005年2月28日通过了《可再生能源法》，并于2007年8月出台了《可再生能源中长期发展规划》，但主要是以利用再生能源发电作为目标和重点的，缺乏对包括燃料乙醇、生物柴油等生物燃料开发利用的明确性规定。另外，在生物燃料产业发展方面缺乏利用税收减免、投资补贴、价格补贴、政府收购等市场经济杠杆和行政手段促进发展的政策性法规；而且，部分出台的优惠政策行业内企业很难享受。此外，我国生物燃料产业的市场化竞争和运作环境也有待进一步完善。
二、我国生物燃料产业发展的路线图
（一）发展目标
按照因地制宜、综合利用、清洁高效的原则，合理开发生物质资源，以产业发展带动技术创新，通过加强生物质的资源评价和规划，健全生物燃料产业的服务体系，包括完善科技支撑体系，加强标准化和人才培养体系建设，完善信息管理体系等途径促进生物燃料产业的发展，实现生物燃料产业发展从追赶型到领先型的转变。到2020年，燃料乙醇年利用量达1000万吨，生物柴油年利用量达200万吨，年替代化石燃料1亿吨标准煤。
（二）发展路线
近期（2011―2015年）：在燃料乙醇方面，应维持玉米乙醇、小麦乙醇的现有发展规模，继续提高玉米乙醇、小麦乙醇项目的生产效率；重点发展木薯乙醇、马铃薯乙醇等非粮淀粉类燃料乙醇；努力完善木薯乙醇、马铃薯乙醇等非粮燃料乙醇的生产工艺，提高生产经济性；进行甜高粱乙醇、甘蔗乙醇等糖类原料的直接发酵技术的示范；同时，加大纤维素遗传技术研发力度，争取在纤维素酶水解技术上有所突破；开展抗逆性能源植物的种植示范。在生物柴油方面，仍将维持以废弃油脂为主，以林木油果等为辅的原料供给结构；开展高产木本油料种植技术研究；开展先进酯化技术示范；制定生物柴油技术规范和B5或B20等BX类生物柴油与石化柴油混用的产品标准，并建立部级的质量监测系统。
中期（2016―2020年）：在燃料乙醇方面，加大以甜高粱等糖类作物为原料的燃料乙醇的产业化利用，应用耐高温、高乙醇浓度、高渗透性微生物发酵技术，采用非相变分离乙醇技术；戊糖、己糖共发酵生产乙醇技术实现突破，纤维素乙醇进入生产领域；耐贫瘠能源作物在盐碱地、沙荒地大面积种植，提高淀粉作物中淀粉含量、糖作物中的糖含量技术成功，燃料乙醇在运输燃料中起到重要作用。在生物柴油方面，大力开发以黄连木、麻风树等木本油料植物果实作为生物柴油主要原料的生物柴油，高产、耐风沙、干旱的灌木与草类规模化种植技术取得突破；高压醇解、酶催化、固体催化等生物柴油技术广泛应用。
远期（2020年以后）：在燃料乙醇方面，燃料乙醇逐步替代汽油并探索利用更高热值产品（如丁醇等）；植物代谢技术取得突破，减少木质素含量提高纤维素含量，大规模生产木质纤维类生物质燃料乙醇的工业技术开发成功并实现产业化。在生物柴油方面，以黄连木、麻风树等木本油料植物果实作为生物柴油主要原料的生物柴油的生产工艺不断成熟且生产经济性不断提高，规模不断扩张；工程微藻法技术逐步完善并走向成熟且实现产业化。
三、促进我国生物燃料产业发展的保障措施
（一）统一思想，合理规划，有序推进
向全社会广泛宣传发展生物燃料产业的重要意义，切实提高对发展生物燃料产业重要性的认识，把生物燃料产业的发展提高到国家经济和社会发展的战略高度予以考虑。同时，要借鉴先发国家在生物燃料产业发展过程中的经验和教训，仔细分析生物燃料产业发展过程中可能会出现的问题。此外，各地区也要按照因地制宜、统筹兼顾、突出重点的原则，做好生物燃料产业发展的规划工作，根据生物质资源状况、技术特点、市场需求等条件，研究制定本地区生物燃料产业发展规划，提出切实可行的发展目标和要求，充分发挥好资源优势，实现生物质能的合理有序开发，走出一条具有中国特色的生物燃料产业发展路径。
（二）开展资源评价，发展能源作物
必须通过生物质资源的调查和评价工作，搞清各种生物质资源总量、用途及其分布，为发展生物燃料产业奠定良好基础。一是开展调查研究，做好资源评价。二是在生物质资源普查与科学评价基础上，制定切实可行的能源作物发展规划，以确定在什么地方具有大规模种植何类能源作物的条件。在不毁坏林地、植被和湿地，不与粮争地，不与民争粮的原则下，调整种植业比例，优化种植结构，根据主要能源作物品种的性能、适宜的边际性土地等资源数量、区域分布现状，科学制订能源作物的种植规划。在种植基础好、资源潜力大的地区，规划建设一批能源作物种植基地，为生物燃料示范建设和规模化发展提供可靠的原料供应基础。
（三）加大生物燃料产业前沿技术研究和产业化示范工作
必须要坚持点面结合、整体推进的原则，将近、中远期目标相结合，并结合我国生物质资源特点，加大对生物燃料产业前沿技术和技术产业化研究的支持力度。一是制定生物燃料产业发展的技术路线图，通过政府、企业和研究机构的共同工作，提出中长期需要的技术发展战略，有利于帮助企业或研发机构识别、选择和开发正确的技术，并帮助引导投资和配置资源。二是加强生物燃料产业技术的试点和产业化示范工作，设立生物燃料产业研究发展专项资金，增加研究开发投入，加大生物燃料产业技术的研发力度，加快推进生物燃料产业技术的科技进步与产业化发展。三是重视生物燃料产业技术和产品的标准体系建设，制定生物燃料产业技术和产品标准，发挥标准的技术基础、技术准则、技术指南和技术保障作用，并建立部级的质量监测系统加强市场监督工作，促进生物燃料产业的健康发展。
（四）加强财政、税收和金融政策的引导和扶持
一是可以给予适当的财政投资或补贴，包括建立风险基金制度实施弹性亏损补贴、对原料基地给予补助、具有重大意义的技术产业化示范补助和加大面对生产生物燃料产品企业的政府采购等措施，以保证投资主体合理的经济利益，使投资主体具有发展生物燃料项目的动力。二是加大对投资生物燃料项目的税收优惠，包括对投资生物燃料项目的企业实行投资抵免和再投资退税政策，对生产生物燃料产品的企业固定资产允许加速折旧，对科研单位和企业研制开发出的生物燃料新技术、新成果及新产品的转让销售在一定时期可以给予减免营业税和所得税等措施，以鼓励和引导更多的企业重视、参与生物燃料产业发展。三是积极引导金融资本投向生物燃料产业，包括对生物燃料龙头企业实施贷款贴息，支持有条件的生物燃料企业发行企业债券和可转换债券，支持符合条件的生物燃料企业以现有资产做抵押到境外融资以获得国际商业贷款和银团贷款，鼓励和引导创业投资增加对生物燃料企业的投资等措施，鼓励以社会资本为主体按市场化运作方式建立面向生物燃料产业的融资担保机构，以降低生物燃料企业的融资成本，扩充和疏通生物燃料企业的融资渠道。
（五）加强部门间合作，建立产业服务配套体系，完善市场体系建设
生物燃料研究篇（2）
中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02
液体燃料的不足已严重威胁到我国的能源与经济安全。我国一次能源消费量仅次于美国成为世界第二大能源消费国， 2006年进口原油已达5000万t，占总量40%。因此，国家提出了大力开发新能源和可再生能源，优化能源结构的战略发展规划[1-2]。生物质燃料是惟一可以转化为液体燃料的可再生能源，将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石燃料的不足，而且有助于保护生态环境。生物质燃料包括各种农业废弃物、林业废弃物以及各种有机垃圾等。我国生物质资源丰富，理论年产量为50亿t左右，发展生物质液化替代化石燃料有巨大的资源潜力。
目前生物质液化还处于研究、开发及示范阶段。从工艺上，生物质液化又可分为生化法和热化学法。生化法主要是指采用水解、发酵等手段将生物质转化为燃料乙醇。热化学法主要包括快速热解液化和加压催化液化等[3-8] 。本文主要介绍生物质燃料液化制取液体燃料的技术与研究进展。
一、生化法生产燃料乙醇
生物质生产燃料乙醇的原料主要有能源农作物、剩余粮食和农作物秸秆等。美国和巴西分别用本国生产的玉米和甘蔗大量生产乙醇作为车用燃料。从1975年以来，巴西为摆脱对石油的依赖，开展了世界最大规模的燃料乙醇开发计划，到1991年燃料乙醇产量已达130亿L。美国自1991年以来，为维持每年50亿L的玉米制乙醇产量，政府每年要付出7亿美元的巨额补贴[2，3，8]。利用粮食等淀粉质原料生产乙醇是工艺很成熟的传统技术。用粮食生产燃料乙醇虽然成本高，价格上对石油燃料没有竞争力。虽然我国政府于2002年制定了以陈化粮生产燃料乙醇的政策，将燃料乙醇按一定比例加到汽油中作为汽车燃料，已在河南和吉林两省示范。然而我国剩余粮食即使按大丰收时的3000万t全部转化为乙醇来算，可生产1000万t乙醇，也只有2000年原油缺口的1/10；而且随着中国人口的持续增长，粮食很难出现大量剩余。2007年以来，粮食价格高涨，给国家的安定带来威胁，因此，在我国非粮生物质燃料才是唯一可靠的生物质能源。
从原料供给及社会经济环境效益来看，用含纤维素较高的农林废弃物生产乙醇是比较理想的工艺路线。生物质制燃料乙醇即把木质纤维素水解制取葡萄糖，然后将葡萄糖发酵生成燃料乙醇的技术。我国在这方面开展了许多研究工作，比如武汉理工大学开展了农林废弃物真菌分解-碱溶热解-厌氧发酵工艺的研究，转化率在70%以上[9]。中国科学院过程工程研究所在国家攻关项目的支持下，开展了纤维素生物酶分解固态发酵糖化乙醇的研究，为纤维素乙醇技术的开发奠定了基础[10]。以美国国家可再生能源实验室（NREL）为代表的研究者，近年来也进行了大量的研究工作，如通过转基因技术得到了能发酵五碳糖的酵母菌种，开发了同时糖化发酵工艺，并建成了几个具有一定规模的中试工厂，但由于关键技术未有突破，生产成本一直居高不下[11-13]。纤维素制乙醇技术如果能够取得技术突破，在未来几十年将有很好的发展前景。
二、生物质燃料热化学法生产生物质油
生物质燃料热化学法生产生物质油技术根据其原理主要可分为加压液化和快速热解液化。
（一）生物质燃料快速热解液化
生物质燃料快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统裂解，它采用超高加热速率（102-104K/s），超短产物停留时间（0.2-3s）及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。这种液体产品被称为生物质油（bio-oil），为棕黑色黏性液体，热值达20-22MJ/kg，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。因此，随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质快速热解液化的研究在国际上引起了广泛的兴趣。自1980年以来，生物质快速热解技术取得了很大进展，成为最有开发潜力的生物质液化技术之一。国际能源署组织了美国、加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国等国的10多个研究小组进行了10余年的研究与开发工作，重点对该过程的发展潜力、技术经济可行性以及参与国之间的技术交流进行了调研，认为生物质快速热解技术比其他技术可获得更多的能源和更大的效益[14]。
世界各国通过反应器的设计、制造及工艺条件的控制，开发了各种类型的快速热解工艺。几种有代表性的工艺、各装置的规模、液体产率等参数见文献 [14]。
（1）旋转锥式反应工艺（Twente rotating cone process），荷兰Twente大学开发。生物质颗粒与惰性热载体一起加入旋转锥底部，沿着锥壁螺旋上升过程中发生快速热解反应，但其最大的缺点是生产规模小，能耗较高。以德国松木粉为原料，反应温度600℃，进料速率34.8kg/h的条件下，液体产率为58.6%。
（2）携带床反应器（Entrained flow reactor），美国Georgia 工学院（GIT）开发。以丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部的燃烧区，高温燃烧气将生物质快速加热分解，当进料量为15kg/h，反应温度745℃时，可得到58%的液体产物，但需要大量高温燃烧气并产生大量低热值的不凝气是该装置的缺点。
（3）循环流化床工艺（Circulating fluid bed reactor），加拿大Ensyn工程师协会开发研制。在意大利的Bastardo建成了650kg/h规模的示范装置，在反应温度550℃时，以杨木粉作为原料可产生65%的液体产品。该装置的优点是设备小巧，气相停留时间短，防止热解蒸汽的二次裂解，从而获得较高的液体产率。但其主要缺点是需要载气对设备内的热载体及生物质进行流化，最高液体产率可达75%。
（4）涡旋反应器（Vortex reactor），美国国家可再生能源实验室（NREL）开发。反应管长0.7m，管径0.13 m，生物质颗粒由氮气加速到1 200m/s，由切线进入反应管，在管壁产生一层生物油并被迅速蒸发。目前建成的最大规模的装置为20kg/h，在管壁温度625℃时，液体产率可达55%。
总之，生物质快速裂解技术具有很高的加热和传热速率，且处理量可以达到较高的规模，目前来看，该工艺取得的液体产率最高。热等离子体快速热解液化是最近出现的生物质液化新方法，它采用热等离子体加热生物质颗粒，使其快速升温，然后迅速分离、冷凝，得到液体产物，我国的开展了这方面的试验研究。
（二）加压液化
生物质加压液化是在较高压力下的热转化过程，温度一般低于快速热解。最著名是PERC法。该法始于20世纪60年代，当时美国的Appell等人将木片、木屑放入Na2CO3溶液中，用CO加压至28MPa，使原料在350℃下反应，结果得到40%-50%的液体产物。近年来，人们不断尝试采用H2加压，使用溶剂及催化剂（如Co-Mo、Ni-Mo系加氢催化剂）等手段，使液体产率大幅度提高，甚至可以达80%以上，液体产物的高位热值可达25-30MJ/kg，明显高于快速热解液化。超临界液化是利用超临界流体良好的渗透能力、溶解能力和传递特性而进行的生物质液化，最近欧美等国正积极开展这方面的研究工作[15-17]。和快速热解液化相比，目前加压液化还处在实验室阶段，但由于其反应条件相对温和，对设备要求不很苛刻，在规模化开发上有很大潜力。
生物质燃料转化为液体后，能量密度大大提高，可直接作为燃料用于内燃机，热效率是直接燃烧的4倍以上。但是，由于生物油含氧量高（约35wt%），精炼成本较高，因而降低了生物质裂解油与化石燃料的竞争力。这也是长期以来没有很好解决的技术难题。
三、结论与建议
随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质燃料液化技术的研究在国际上引起了广泛的兴趣。经过近30年的研究与开发，车用燃料乙醇的生产已实现产业化，快速热解液化已达到工业示范阶段，加压液化还处于实验研究阶段。我国生物质资源丰富，每年可利用的资源量达50亿t，仅农作物秸秆就有7亿t，但目前大部分作为废弃物没有合理利用，造成资源浪费和环境污染。如果将其中的50%采用生物质液化技术转化为燃料乙醇和生物质油，可以得到5亿-10亿t油当量的液体燃料，基本能够满足我国的能源需求。因此，发展生物质液化在我国有着广阔的前景。
我国在生物质快速热解液化及加压液化方面的研究工作还很少，与国际先进水平有较大差距，需要加强此项研究。开发生物质油精制与品位提升新工艺，降低生产成本是生物质热化学法液化进一步发展，提高与化石燃料竞争力的关键。
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生物燃料研究篇（3）
MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。
与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。
微生物燃料电池中的代谢
为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。因此，目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。
在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，导致其能量转化效率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。
如果存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都已经从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。
发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。
代谢途径的差异与已观测到的氧化还原电势的数据一起，为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的情况下运转的MFC，在刚开始在生物量积累时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是对于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的结果。经过培养生长，它的代谢转换率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些适应低氧化的兼性厌氧微生物生长。然而此时，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，同时也可能受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的状态。如果外部使用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只维持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择适应低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的可能性被局限了。
MFC中的阳极电子传递机制
电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。
氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递给一个更还原的电极）。
MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色。
细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。
第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。
通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coliK12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillumdeleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。
评价MFCs性能的参数
使用微生物燃料电池产生的功率大小依赖于生物和电化学这两方面的过程。
底物转化的速率
受到如下因素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势。
阳极的超极化
一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。
阴极的超极化
与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显著的电势损失。为了纠正这一点，一些研究者们使用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为媒介。如果要达到可持续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。
质子跨膜转运的性能
目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—质子转换膜（PEMs）。然而，Nafion—膜对于（生物）污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu等不用使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了MFC的内在电阻，但是，在有阳极电解液组分存在的情况下，这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长，并且对于阴极的催化剂具有毒性。而且目前尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。
MFC的内在电阻
这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化。
性能的相关数据
在平均阳极表面的功率和平均MFC反应器容积单位的功率之间，存在着明显的差异。表2提供了目前为止报道过的与MFCs相关的最重要的的结果。大部分的研究结果都以电极表面的mA/m以及mW/m2两种形式表示功率输出的值，是根据传统的催化燃料电池的描述格式衍生而来的。其中后一种格式对于描述化学燃料电池而言可能已经是充分的，但是MFCs与化学燃料电池具有本质上的差异，因为它所使用的催化剂（细菌）具有特殊的条件要求，并且占据了反应器定的体积，因此减少了其中的自由空间和孔隙的大小。每一个研究都参照了以下参数的特定的组合：包括反应器容积、质子交换膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面。但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难。从技术的角度来看，以阳极仓内容积（液体）所产生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的形式，作为反应器的性能比较的一个基准还是有帮助的。这一单位使我们能够横向比较所有测试过的反应器，而且不仅仅局限于已有的研究，还可以拓展到其它已知的生物转化技术。
此外，在反应器的库仑效率和能量效率之间也存在着显著的差异。库仑效率是基于底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来计算。能量效率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的关系并非总是明确的。需要强调的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，譬如电阻的调整。如果综合考虑这些参数的问题的话，必须要确定是最大库仑效率（如对于废水处理）还是最大能量效率（如对于小型电池）才是最终目标。目前观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。
优化
生物优化提示我们应该选择合适的细菌组合，以及促使细菌适应反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上决定细菌增殖的速率，但是它并不决定这一过程产生的最终结构。使用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物适应和选择之后，细菌在将底物转换为电流的速率上有7倍的增长。如果提供更大的阳极表面供细菌生长的话，增长会更快。
批处理系统使能够制造可溶性的氧化型中间体的微生物的积累成为了可能。持续的系统性选择能形成生物被膜的种类，它们或者能够直接的生长在电极上，或者能够通过生物被膜的基质使用可移动的穿梭分子来传递电子。
通过向批次处理的阳极中加入可溶性的氧化中间体也能达到技术上的优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中间体的选择到目前为止还仅仅是出于经验性的，而且通常只有低的中间体电势，在数值约为300mV或者还原性更高的时候，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中间体，才能够使细菌对于电极而言具有足够高的流通速率，同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标。
一些研究工作者们已经开发了改进型的阳极材料，是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus使用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而增加阳极的特殊表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来降低了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。然而，这种方法存在一个明显的局限，微小的孔洞很容易被被细菌迅速堵塞。被切断食物供应的细菌会死亡，因此在它溶解前反而降低了电极的活化表面。总之，降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最主要因素。
IVIFC：支柱性核心技术
污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗0.5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30kWh。为了解决这一问题，需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器通常以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得更高的效率。
生物燃料研究篇（4）
我国是农业生产大国，农村发展随着新格局的改变，做出了政策性的调整，农村农作物废弃物回收利用，依靠生物质能得到一定经济效益，且缓解环境污染，减少浪费。国家重视新能源的开发和利用，在这样的情况之下，生物质能必然会成为重要的研发对象。
1 生物质固体成型燃料研究现状
1.1 国内外生物质固体成型燃料研究的现状
国内现状：生物质燃料具有它固有的特性，比如说它属于一种可再生资源，重复利用度高，完全符合国家可再生资源的条件，在掌握好其优势的情况下，运用到实际中，使得资源合理利用，这是发展的趋势所在。那么，在国内，随处可见农民利用生物质能实现农村收割后留下的秸秆，将其成型的批量生产，达到实现农村经济利益化的结果。我国在技术上存在着一些缺陷，这些缺陷导致在生产量上不能达到一定规模，还有运输不便的问题等，这些是需要解决的，而且高新的技术是国内需要学习和借鉴的。
国外现状：在国外，生物质能的研究和开发项目已经趋向成熟，比如说美国、英国、澳大利亚等发达国家，在技术上的钻研已经有了很大的突破，而且技术基本已经成型。在面对全世界的关注和重视，国家已经大范围的提高对生物质能的高度认识，对于生物质能的开发已经成为重中之重。对于能源的转化，这是资源再利用后的创新结果。国外很多生产者，已经大量的对这块领域投入精力，在资金和技术上都得到了相应的投资。目前，很多国内生产企业者，引用国外先进的技术，学以致用，将生物质固体成型燃料得到有效的利用和加工，在得到技术上的指引之下，正在积极提高自身能力和作为。
1.2 了解生物质能的应用情况，客观理解研发的意义
十二五规划建设中不断的提出要规划农村城镇建设，缩进农村与城市的距离。这一大的发展方向，是需要农村和城镇共同努力创造的。生物质能源为农村城市建设提供了良好的契机，也为生产者提供了回报社会的机会。
那么，对于可再生资源的合理配置优化问题上，不能理解，目前农村在农作物上的废弃物的利用，是推动农村发展的动力和指向。生物质能的利用在农村已经很普遍。结合工厂的加工利用，解决了农村不少供热供暖的问题。生物质固体成型燃料的研究，在新的领域中发挥其作用，比如城镇的修建中，我们可以看到解决了不少城市采暖问题。
不论在农村还是城市，生物质能的应用，遍布在工业园、社区等地方。在化工和农业发展上，得到良好的资源配置，将其转化为新能源新动力，这是国家在农业规划中取得的一大进步。在长远的发展目标下，我国会不断将生物质能的研发作为首要任务，不断突破技术和大规模生产的目标，变废为宝转为实在生产力。
1.3 分析生物质能的优势与劣势，进一步规避风险
第一，在优势上，优胜略汰，创新发展是根本。我国是农业大国，资源十分的丰富，在许多废弃利用的例子上显而易见，不仅能达到经济上的效益，而且有效的解决了一些就业难的问题。企业想要立足社会，需要不断的竞争中获得地位，那么在生物能源研究发展这块领域，有很大潜力和竞争力。很多企业学习国外先进的技术，将生物质固体燃烧能源技术应用纯熟。优胜略汰，适者生存的法则，使生物质能的研发与利用成为烫手山芋。
第二，国家的重视，企业的技术发展，带来可观收益。在规划农村建设问题，以及农业发展问题上，国家的政策支持，给予很大的鼓励。这使得大批的生产企业者，大胆创新，不断突破新的技术，研发出可行性技术，及时与农村农业废弃利用相互接应。这样推动了企业与农村建设。给农民和企业者以及国家带来了良好效益。
第三，在现代社会中，生产线上存在着不能大规模生产的缺点，如能将这缺点得以解决，在生产效益方面会得到很大的提高。这是在技术上应不断突破的重要一点，日本、美国等国家，应用生物质能研究的技术比较先进，这需要生产中不断学习和丰富经验，也是一个重要的发展目标和方向。
2 发展前景可观，生物质能源仍旧是未来趋势导向
2.1 媒体杂志报道，新观点推波助澜
在各种杂志和媒体报道上，已经足够引起社会关注度。重视程度的轻重也决定其走向，我国是农业生产大国，最近由《农经》杂志社主办的一期研讨会上，与会专家也发表了观点。在未来发展趋势上，作为秸秆生产大国，面对生物质固体成型燃料研究上，需要不断的学习新的技能和经验，补充自身不足，达到优质的标准。这些可以通过与国外进行学习和交流，一来可以促进中外合作，二来可以推进秸秆新技术，给整体行业链接做扎实的基础。促进行业产业的全面发展。
2.2 规模化应用是发展关键
顺应国家文明建设和城镇规划的要求，我国电力供应不足、农村生活改善方面，都需要实现生物质能源规模化应用的策略。目前，高温的天气，导致地方提起进入电力供应不足的高峰。我国目前应用较多的是农作物秸秆以及农产品余物上，加上废弃物以及家禽废物等，这些残余物每年达到十多亿吨。因此，为实现生物质能规模化应用势在必行。
2.3 政策利好助推产业发展
生物质能在政府推行的政策下，使产业得到迅猛发展。生物质能源是世界四大能源之一，在农业资源领域、城市中、林业资源、工厂废水还有畜禽粪便上应用广泛。在实现生物质能的合理利用中，面临着很多考验，面对系列的问题，在政策上得到应允，是项目开展的首要条件。企业给国家带来良好效益的同时，国家也为中小企业发展难提供良好的平台。
2.4 解决环保问题，缓解能源短缺
生物质能源转化为优质资源，在以往，农村经常可见的现象，如在收割完农作物后，将其剩下的部分燃烧，这使得空气污染加重，在其合理资源利用下，减少了废弃物对空气的污染。在工厂、学校、城市、医院方面，在采暖以及电力、燃料方面解决了能源短缺的问题。
3 生物质固体成型燃料研究的发展目标
对于生物质能的研究，我国树立了长远的目标。在国家的重视之下，生物质能发展越来越快，经过不断的创新和学习新的技术，给国家和社会做出了贡献。十二五规划一直都非常重视农村发展建设问题，也对生物质资源的发展给予大幅度支持。尤其针对生物质成型燃料，在其发现具可再生利用资源之初，就注定其发展会随着经济腾飞，实现其价值。国家政策支持，对生物基础质成型燃料在今后的应用广泛奠定了基础，并且树立了长远的发展目标。
4 结语
目前，国家能源局和农业部正在进行生物质固体成型燃料行业标准出台工作，包括固体成型燃料的分级标准、燃烧器技术和成型设备关键部件等规范。根据前文所述，在国内外新的发展格局下，拥有国家政策对生物质固体成型燃料研究的大力支持，通国不断努力学习，突破技术上和大规模生产的问题，我国有充足的资本和信心将生物质能推向更高更远的发展。
生物燃料研究篇（5）
摘 要：该研究针对第三个关键科学问题“解聚产物催化转化制备先进液体燃料的机理及产物选择性控制规律”开展基础性研究工作。在糖类衍生物水相催化制液体烷烃燃料的反应机理、产物控制规律研究和相关高效催化剂体系设计等方面进行了探索。针对糖类衍生物水相催化合成HMF，发展了高效的类微乳反应体系和NaHSO4-ZnSO4催化剂体系，可有效避免副产物生成和HMF的进一步降解，获得高达57%的HMF收率。发展MOFs内嵌杂多酸和Ru粒子的高效催化剂，通过金属与酸的功能匹配，实现了纤维素等一步转化为山梨醇，山梨醇收率达到58%。制备了Ni基金属-酸双功能催化剂应用于山梨醇/木糖醇转化为C5/C6烷烃，通过金属组分、载体等的调控作用和反应机理研究，实现C5/C6烷烃产物的定向催化合成，收率超过90%。针对糠醛与丙酮的缩合反应，设计合成了高效MgO/NaY固体碱催化剂，碱性质及MgO与NaY的协同催化作用可有效活化糠醛与丙酮分子，加快反应速率，获得高达98%的C8-C15缩合产物，设计合成了Pt/SiO2-ZrO2催化剂，通过调控催化剂的组成结构和产物加氢脱氧路径分析，获得收率达到70%的C8-C15烷烃产物，催化剂连续运行120 h不失活，具有较好的稳定性。针对酚类衍生物催化制备液体烷烃燃料，设计合成了离子液共聚物负载的Ru催化剂，通过离子液共聚物稳定Ru纳米粒子的金属-酸双功能的协同催化作用（金属中心的C-C键加氢饱和，酸中心的C-O断裂），实现了苯酚及其衍生加氢脱氧高效转化为液体烷烃。针对苯酚选择性加氢制环己酮，设计合成了高效的聚苯胺修饰碳纳米管负载Pd催化剂，通过聚苯胺修饰碳纳米管的电子调控对苯酚及其衍生物的选择性吸附和Pd活性组分的协同加氢作用，实现了苯酚及其衍生物定向转化为环己酮衍生物，环己酮收率高达99%。在上述研究基础上，我们率先在国内建立了年产150吨规模的生物汽油验证研究系统。
关键词：糖 水相催化 液体烷烃 基础研究
Abstract：Aiming to the third key scientific issue “transformation route and mechanism for advanced liquid fuel production from decomposed products by aqueous phase catalysis” of the project， we used sugar derivatives as the feedstock to synthesize liquid C5/C6 and C8-C15 alkanes with the emphasis on the reaction mechanism and goal products controlling methods， and relative catalysts designation. For biomass derived HMF platform， we developed the highly efficient analogue micro-emulsion reaction system and NaHSO4-ZnSO4 combined catalyst， which obtained the HMF yield of 57%. For one-step conversion of cellulose to sorbitol， we fabricated highly active MOFs encapsulated heteropolyacid and Ru nanoparticle as the catalyst and the 58% of sorbitol yield could be observed by mediating the acid-metal balance in the catalyst. We synthesized the efficient Ni based bi-functional catalysts for sorbtiol/xylitol conversion to C5/C6 alkanes. By choosing metal， support and their assembly together with the investigation on the hydrodeoxygenation （HDO） mechanism， more than 90% of C5/C6 alkanes yield could be obtained. For jet fuel with the carbon chain length of C8-C15 alkanes， we designed MgO/NaY for C-C bond coupling in furfural and acetone. The synergistic effect of MgO and NaY activated the α-H in acetone and carbonyl group in furfural， which accelerates the condensation rate and obtains the C8-C15 condensation products yield of more than 98%. To achieve production of C8-C15 alkanes， we used Pt/SiO2-ZrO2 for HDO of C8-C15 condensation products. Due to the weak acidity of the catalyst and high C-O bond cracking property of Pt， the catalyst possessed 70% of goal products yield and showed the excellent catalytic stability of more than 120 h. For phenol derivatives conversion to liquid alkane fuel， we fabricated Ru supported on ionic liquid contained copolymer as the catalyst. By using the cooperative effect between the Ru catalyzed C=C bond saturation and acid catalyzed C-O bond cracking. For selective hydrogenation of phenol to cyclopentanone， we synthesized Pd supported carbon nanotube modified with polyaniline. Due to the selective adsorption phenol on polyaniline and hydrogenation on Pd， more than 99% of cyclopentanone could be obtained. Based on the mentioned investigation， we built up a pilot scaled facility of 150t/a for bio-gasoline production for the first time in China， which demonstrated a platform for practical production of bio-fuel on a large scale.
Key Words：Sugar；Aqueous phase catalysis；Liquid alkane；Basic research
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生物燃料研究篇（6）
0 引言
随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧，清洁可再生的代用燃料成为发展的必然趋势。目前，我国应用于机动车的代用燃料主要有压缩天然气和液化石油气，但实质上它们都是化石燃料的衍生品，其发展严重受化石燃料的制约。
理论上，生物质气化气有合适的热值和能量密度，能够满足作为内燃机燃料的要求，而且可以实现CO2净“零排放”。早在第一、二次世界大战期间，生物质气化气就已经作为机动车燃料应用于欧美等国家（1）；目前，我国生物质气化气作为内燃机燃料的试验工作相继展开。任永志等（2）试验研究了内燃式燃气发电机的运行特性；孟凡生等（3-4）分析了我国低热值燃气内燃机的发展及应用现状,并对生物质气化气作为内燃机燃料的燃烧特性做了简单分析；孟凡彬等（4）试验研究了生物质气化气作为车用燃料初步规律。本文以不同组分生物质气化气作为原料，进一步研究了生物质气化气作为车用燃料的适应性和排放特性。
1 试验内容
1.1 试验原料：
试验原料为生物质气化气，其中1#-6#为生物质空气气化气，7#-12#为生物质富氧气化气，具体见表1。
表1 生物质气化气组分及热值
Table 1 the components of producer gas andlow heat value
NO.
CO2/%
C2H4/%
C2H6/%
H2/%
O2/%
N2/%
CH4/%
CO/%
Qv/kJ/m3
1#
9.00
0.00
0.00
15.77
0.99
50.62
0.75
22.88
4853.98
2#
9.68
0.00
0.00
16.73
1.07
49.88
0.97
21.68
4884.89
3#
15.87
0.30
0.00
16.46
0.28
45.06
1.89
20.14
5195.70
4#
15.61
0.31
0.00
15.62
0.22
45.77
2.13
20.32
5222.56
5#
11.42
1.55
0.00
12.92
0.67
49.52
2.28
21.64
5969.60
6#
11.00
1.75
0.00
13.61
0.63
49.30
2.14
21.57
6121.69
7#
24.41
0.71
0.00
32.33
0.00
1.33
3.72
37.50
10022.68
8#
23.55
1.39
0.23
28.73
0.54
4.58
4.89
36.10
10480.57
9#
18.34
0.91
0.20
25.76
0.89
7.55
6.07
40.28
10778.35
10#
13.06
0.53
0.00
28.34
0.36
9.77
2.69
45.25
10078.75
11#
13.36
0.55
0.00
27.92
0.55
11.06
2.70
43.87
9877.44
12#
19.80
1.28
0.00
25.26
1.00
14.01
生物燃料研究篇（7）
燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图1为燃料电池的结构示意图。 图1 熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图
在燃料电池电极上反应如下：
阳极反应：H2+CO32-＝H2O+CO2+2e-
阴极反应：1/2O2+CO2+2e-＝CO32-
总反应：1/2O2+H2＝H2O
燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC；固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。 表1 燃料电池的分类 类型 磷酸盐型燃料电池(PAFC) 融碳酸盐型燃料电池(MCFC) 固体氧化物型燃料电池(SOFC) 聚合物离子膜燃料电池(PEMFC) 燃料 煤气,天然气,甲醇等 煤气,天然气,甲醇等 煤气,天然气,甲醇等 纯H2 电解质 磷酸水溶液 KLiCO3溶盐 ZrO2-Y2O3(8 YSZ) 离子(Na离子) 阳极
电极
阴极 多孔质石墨
(Pt催化剂)
含Pt催化剂+多孔
质石墨+Tefion 多孔质镍
(不要Pt催化剂)
多孔NiO(掺锂) Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
LaxSr1-xMn(Co)O3 多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂) 工作温度 -200℃ -650℃ 800-1000℃ -100℃
近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表2)。 表2 一些国家的燃料电池电厂 磷酸盐燃料电池电厂 ONSI公司建设的200KWPAFC电厂 质子交换膜燃料电池电厂 Ballard Generation System建设的250KW PEM燃料电池厂
Avista实验室建造的7.5W民用PEM燃料电池电厂,它具有60W热交换调制.
Northwest Power System建设的5KW民用PEM燃料电池电厂
Plug Power建造的7KW民用PEM燃料电池电厂 熔融碳酸盐烯料电池电厂 M-C Rower Corporation建造的熔融碳酸盐碳燃电孙电厂
Energy Research Corporation建造的250KW熔融碳酸盐燃料电池厂
Energy Research Corporation在加州Santa Clara建造的2M熔融碳酸盐燃料电池示范电厂 固体氧体物燃料电池电厂 Siemens Westinghouse建设的管状固体氧化物燃料电池电厂
燃料电池电厂所以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，具有无可比拟的特点和优势。
1.能量转换效率高 燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50%，当用热机带动发电机时，其效率仅为35～40%，而燃料电池的有效能效可达60～70%，其理论能量转换效率可达90%。其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池效率为20%，均无法与燃料电池相比。
2.污染小、噪声低 燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放(表3)。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。
表3 燃料电池与火力发电的大气污染比较
(单位：kg.10-6(KWh)-1) 污染成分 天然气火力发电 重油炎力发电 煤火力发电 燃料电池 SO2 2.5-230 4550 8200 0-0.12 NOx 1800 3200 3200 63-107 烃类 20-1270 135-5000 30-104 14-102 尘末 0-90 45-320 365-680 0-0.14
3.高度可靠性 燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。
4.比能量或比功率高
5.适用能力强
燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点，然而由于技术问题，至今一切已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此，美、日等国相继拨出巨资来发展燃料电池。
燃料电池开发现状与发展趋势
在燃料电池研究开发方面，美国、日本和德国处于世界领先地位。美国早在1967年就制定了TARGET和FCG-1燃料电池研究发展计划。近年美国能源部对燃料电池研究资助每年均在2 000万美元以上。日本在1981年制定了“月光计划”，进行燃料电池研究。1989年欧洲燃料电池集团成立。
在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池(PAFC)由于磷酸易得，反应温和，成为发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。1977年美国通用公司首先建成兆瓦级PAFC发电站。1991年日本电力公司在东京湾兴建的1MW PAFC发电站也已投入运行。目前美国已有少量销售，其商品化阶段已经开始。
熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)正处于10-20KW向兆瓦级发展阶段。1994年12月美国已建成迄今最大功率为250KW的MCFC电站。日本1989年已完成25KW的MCFC试验，按其“新阳光计划”-1MW的MCFC中间试验电厂现正在实施中。
聚合物电介质燃料电池(PEMFC)不仅是人造卫星上可靠、低成本的动力源，还可作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。1996年美国能源合作公司推出实验型的由三块薄膜组成的以1.5KW PEMFC为动力的“绿色轿车”。德国奔驰公司在前两年开发出NECARⅡ存储式燃料电池驱动电车(燃料电池生产电能为250KW，一次行程为250公里)，并在慕尼黑、斯图加特市作为试行公共电车之后，在1998年8月又作为世界首创，开发出NECARⅢ燃料电池驱动电车。它用质子交换膜(PEM)燃料电池为动力，以甲醇为原料，通过车辆后部的反应器产生氢气，再以氢和空气中氧反应产生电能来驱动，当压下踏脚板后，在不到2秒的时间内动力系统的能量将达到90%，其最大行程为400公里，预期2004年投放市场。最近，Daimler Chrysler设计的燃料电池和电池混合引擎轿车NECAR 4由于具有零污染、宽阔的操作范围和良好的驾驶特性等最佳的设计而获得北美“1999国际引擎年奖”。新近美国Ballard Power System开发的第二代燃料电池公共客车已在芝加哥运行。美国至今已开发的具有代表性的运输用的燃料电池公共客车、轿车已达30多种。
第三代燃料电池SOFC正在积极研制开发中，1991年6月美国能源部和威斯汀豪斯公司投资1.4亿美元加速固体燃料电池的商业化。目前美国西屋公司处于SOFC领先地位，它们所制造的一个由576个管式SOFC组成的25KW发电系统已创13 000多小时运行的世纪记录。其下一步计划是建立100KW的SOFC热电联产系统交付荷兰/丹麦电力公司使用。目前美国已有5KW的SOFC产品出售。一些公司还打算把SOFC和储氢合金结合起来，用于开发汽车用燃料电池。
近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原料(包括林场杂木、稻草、麦杆、玉米杆、青草、草垃圾、含能源的植物、动物粪便等)生产电能。即将生物原料通过反应器转换成燃烧气体(主要是H2、CO、CH4)，经加工处理后作为燃料电池的原料用于建立分散电站，供家庭或城市用电；也可转换成H2，用于电动汽车。据〈Moder Power System〉报道，一个以垃圾场生产的燃料气体为燃料的燃料电池厂正在美国康涅狄州格罗顿镇运行，它生产国际燃料电池公司的200KW磷酸燃料电池。该电池厂装有燃料洁净系统，使垃圾场的燃气在进入燃料电池堆之前已被去除掉其中的氯化合物、硫化合物和共它污染物。目前德国巴伐利亚州的Bad Bruckenan正在建造一个生物能源-氢气工程。
燃料电池中另一亮点是细菌电池。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化为氢气，再将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国1984年设计出一种供遨游太空用的细菌电池，原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆作原料的细菌电池。
燃料电池今后的发展方向除了电动车辆(包括工交车辆、拖拉机、叉式装卸机、高尔夫车和军事车辆等)和热电站外，另一方向是使燃料电池小型化。燃料电池替代普通电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面的应用列于表4。据《科学美国人》报道，美国洛斯阿拉芙斯国家实验室罗伯特.G.霍克最近研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统的镍隔电池相比，重量仅为镍隔电池的一半，但供电能力为镍隔电池的50倍。预期这种微型燃料电池用于移动电话，可连续待机40天，而仅消耗不到2盎司的甲醇。霍克目前正把微电子技术引入微型燃料电池制作中，准备制作25μm厚的微型电池。另外，还有把燃料电池用于电子广告牌和电动自行车的报道。 表4 燃料电池替代普通小电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面应用 便携式烯料电池 Warsitz制作的便携式燃料民池电源 替代电池用的燃料电池 Ballard的燃料电池膝上电脑
An H Power燃料电池电源公司提供的美国新泽西州高速公路广告牌
An H Power燃料电池电源公司提供的职业电神摄像机
Fraunise ISE发展的峰窝电话用微型燃料电池 教学用烯料电池 美国木醇研究所提供的教学用木醇燃料电池
生物燃料研究篇（8）
生物能源不含硫，其碳循环是动态的，能源植物通过光合作用固定二氧化碳和水，将太阳能以化学能形式储藏在植物中，是一种可再生的环保型新能源。因此，开发生物能源是解决能源危机和保护生态环境的有效途径。
各国已广泛开始关注用生物能源来代替化石燃料，并制定了相应的计划，如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。
生物燃料乙醇
生物燃料乙醇也称燃料酒精、乙醇汽油和乙醇柴油。燃料乙醇可以单独作为一种燃料或作为改进型混合燃料。生物燃料乙醇是一种燃烧充分、可再生的燃料，近年来备受青睐。
在1979年，美国便开始制定酒精发展计划，同年，日本工业技术研究院开始对稻草、废木材等进行能源化研究，时至今日酒精发酵技术已基本完善。1980年，美国和加拿大两位华裔教授几乎同时宣布已经解决木糖酒精发酵的问题，这一研究成功使半纤维素利用进入一个崭新阶段。1998年9月由美国第一家商业化以纤维质(蔗渣和稻草壳)为原料生产酒精的工厂破土动工。
目前生物燃料乙醇的制备有2种，一种是直接由淀粉、蜜糖等物质通过各种转化，最后分离出乙醇：一般的方法是首先使用淀粉酶，经水解成为醛，然后把剩余化学键折断，经葡萄糖酶催化，生成葡萄糖，最后用酵母发酵法，把葡萄糖转化成乙醇。另一种是由木质纤维通过发酵作用生产乙醇：纤维素制备乙醇主要有酸水解和酶水解乙醇生产工艺两大类。目前对酸水解研究较少，因其较酶水解工艺来说，研究和发展潜力较弱；纤维素酶水解乙醇生产工艺可以分为分步水解发酵工艺、同步糖化发酵工艺以及复合水解发酵工艺。
从原材料来看，各国的乙醇主要以玉米、小麦、薯干等粮食为原料经过发酵生产而成。美国是世界上最大的以谷物为原料生产生物燃料乙醇的国家。2004年，美国生产乙醇消耗的玉米约占其产量的11％。
面临重重问题
目前，生物燃料乙醇主要存在如下问题：①使用粮食作为发酵原料生产乙醇；②从植物中提炼乙醇需要耗费大量能源；③酒精废液带来环境污染；④燃料乙醇价格没有优势。
而其中最严峻的问题是使用粮食作为发酵原料生产乙醇。这不仅大大提高了燃料乙醇的生产成本，还导致了能源与粮食的矛盾，必将引发粮食安全、争用农地等问题。越来越多地使用粮食生产生物燃料可能给世界范围内已经高度开发的土地和水资源造成更大的压力。如果在2015年前将生物燃料占全球燃料总需求的比例提高到5％，那么，世界耕地面积就必须比目前扩大15％。
我国已经于2007年5月份叫停了用玉米提炼生物乙醇的新项目，而改用甜高粱、红薯和木薯。现有的以玉米为原料的生物乙醇项目也计划在未来五年内全部转化为甜高粱，红薯和木薯。另外，在我国，来自农田及森林、的废弃物如玉米秆、稻麦秆等相当多，若利用这些纤维原料替代淀粉类原料，则能够有效地降低成本，解决能源与粮食的矛盾。目前由于缺乏有效的原料预处理和发酵方式，纤维类原料生产生物燃料乙醇未被广泛推广使用，因此对这两项关键技术的研究将成为今后的重点。而纤维素原料生产燃料乙醇的实用性关键在于木糖发酵，因此找出发酵的优良菌种成了必须首先解决的问题。日本生物能公司在日本神户和京都等大学研究人员的帮助下，使用生物工程设计的酵母，可直接把淀粉发酵成乙醇。公司用此法获得约92％的理论乙醇产率，由此大大降低了生产成本。中国科学院化工冶金研究所生化工程国家重点实验室筛选出发酵乙醇的优良菌种，并优化了利用纯木糖培养的条件。
生物燃料研究篇（9）
伊利诺伊大学的这个项目采用了尖端的土地利用数据收集方法，以期估算出第二代生物燃料和多年生草本植物的潜力，这些植物不会与粮食作物发生竞争。需要的肥料和农药也比常规生物燃料要少。它们被视为玉米乙醇(即所谓“第一代”生物燃料)的替代品，后者之所以遭到诟病，是因为其生产和收获中大量的能源消耗、巨大的灌溉用水需求以及目前生产生物燃料所用的玉米要占美国玉米总产量的40％。
这项研究中的一个关键概念就是它的考察对象只包括边角土地，即所谓的废地、退化或者不适于耕种的劣质土地。研究小组负责人、伊利诺伊大学的环境工程学教授蔡锡铭接受了采访。
研究小组主要考虑了三种生物燃料作物的培育：柳枝稷、芒草和一系列被认为具有低影响、高多样性(简称LIHD)属性的多年生草本植物。
研究者们还设想了可利用土地的多元方案。第一个方案只包括生产力低下的闲置土地；第二个包括了退化或者贫瘠的耕地，用来种植柳枝稷和芒草；第三个又增加了在边角草原上种植的LIHD草类；第四个则涵盖了除去目前在用的耕地和牧场的所有土地。
但上述任何一个方案都没有把林地计算在内。在所有方案中，研究者们都认为生物燃料作物的生长只靠自然降水就足够了。他们还对各项自然指标进行了评估，包括土壤性质、土壤质量、土地坡度和区域气候等。
研究小组把研究的重点放在了第四种方案上。按此计算，他们发现全球可资利用的土地多达110。万平方公里。其中单是非洲可提供的土地就占到三分之一，而南美洲和非洲加起来要占到一半以上。按照这种方案，如此广袤的土地能够满足当前世界液体燃料需求的26％～55％。蔡锡铭说，变化区间之所以这么大，是因为反映了生物燃料作物生产力、天气以及劳动力和机械等其他要素的变量。
根据他提供的数字，美国能够为种植这些作物提供的土地达到120万平方公里，中国为150万平方公里，欧洲为110万平方公里，印度为150万平方公里。他还指出，即使只实现最低影响的方案，美国的生产能力也能满足联邦指令中关于到2022年为交通部门提供360亿加仑(约1360亿升)生物燃料的要求。而目前美国的边角土地中只有一半左右仍然用于农业生产。
蔡锡铭说，中国的情况截然不同，因为大多数的边角土地目前都被用来耕种。他说：“我们发现中国1.52亿公顷(边角)土地中有88％都被用于农业生产。也就是说，如果我们想要在中国进行生物燃料的生产，农民们就必须用生物燃料作物换掉常规作物，这就面临着一种取舍。生物燃料作物的利润可能会比较高，但它会影响到中国的粮食生产。”
研究小组还对六个国家或地区的净能量增益进行了计算，发现在第四种方案(即除去现有耕地和牧场的所有土地)下的净能量积蓄将达到每公顷490亿～1050亿焦耳，相当于每公顷产出约294～630桶石油。
研究人员们也指出了研究中面临的几，卜问题。一个是生物燃料的生产有可能加剧某些地区的水源压力，这是因为提炼中需要大量的水。总的来说，第二代生物燃料比玉米乙醇需要更多的加工。另一个问题是现有可利用土地的分布。如果能够按照研究中所设想的方案进行生物燃料的生产，一半以上产品将由非洲和南美提供，但与此同时最大的燃料需求地却在美国、欧洲、印度和中国。蔡锡铭说：“这就意味着生物燃料的海运将成为一个重要问题。如果我们按照上述发展路径前进，就要把大量的能源从非洲和南美运往其他地区，也就是说需要在基础设施发展上进行巨大的投入。”
他还说，在边角土地上发展生物燃料和种植多年生草本植物也会给土地本身带来显著的环境益处。除了对水、肥料和农药的需求非常低之外，这些多年生草本植物的根系还可以防止土壤流失和水系的淤积。
近年来，柳枝稷在美国已经得到了逐渐的推广。位于美国东南部亚拉巴马州奥本大学的试验田已经获得了最高达每英亩(约4000平方米)15吨生物质的产量，五年中的平均产量为11.5吨，相当于每年每英亩生产出4400升的乙醇，这种草可以长到3米多高，其根系也能钻入土壤差不多的深度，这让它成了一种遏制土壤流失的利器。人们还发现它能为熟土保持重要的养分。柳枝稷每年能收割一到两次，每十年左右重种一次即可。
芒草是一种高大的多年生草本植物，人们发现它在种植和燃料生产方面的效率比柳枝稷更高。伊利诺伊大学在芒草的研究方面在美国处于领先地位。同时，美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组也在大力探索柳枝稷以及其他生物燃料的潜力。
比起柳枝稷和芒草，尽管LIHD作物的乙醇产量要低一些，但它们的环境影响最小，和草原的自然植被非常相近。据研究人员估计，LIHD生物质的净能量增益为每公顷178亿焦耳(相当于2.9桶石油)。根据他们给出的定义，所谓的净能量就是“收获的生物制产生的能量减去原料生产和乙醇加工中消耗的能量”。
生物燃料研究篇（10）
1．引言
能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。
随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。
1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。
大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。
燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。
2. 燃料电池的特点与原理
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：
l 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；
不管装置规模大小均能保持高发电效率；
具有很强的过负载能力；
通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；
发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；
电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；
用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。
如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。
燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。
氢-氧燃料电池反应原理
这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：
负极： H2 + 2OH- 2H2O + 2e-
正极： 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH-
电池反应：H2 + 1/2O2==H2O
另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。
在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：
燃料极：H2 =2H+ + 2e- （1）
空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）
全体：H2+1/2O2 = H2O （3）
氢氧燃料电池组成和反应循环图
在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e- 经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e- 不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外没有其他的反应，H2 所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。
引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。
单电极组装示意图
PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO 量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。
磷酸型燃料电池基本组成和反应原理
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。
相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。
MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃ 的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。
MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2 与电相结合，生成CO23- （碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+ 相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2 。化学反应式如下：
燃料极：H2 + CO23- = H2O+2e- + CO2 （4）
空气极：CO2 + 1/2O2 +2e-=CO23- （5）
全 体：H2 + 1/2O2 =H2O （6）
在这一反应中，e- 同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e- 在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4 在电池内部改质，在电池内部直接生成H2 的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO 和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。
SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2 (氧化锆)，它构成了O2- 的导电体Y 2O3 （氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3 (氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3 (氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：
燃料极：H2 + O2- = H2O + 2e- （7）
空气极：1/2O2 + 2e- =O2- （8）
全 体：H2 + 1/2O2 =H2O （9）
燃料极，H2 经电解质而移动，与O2- 反应生成H2O和e-。空气极由O2和e- 生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2 和O2 生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4 改质成H2 加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。
表1 燃料电池的分类
类型
磷酸型燃料电池（PAFC）
熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）
固体氧化物型燃料电池（SOFC）
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
燃料
煤气、天然气、甲醇等
煤气、天然气、甲醇等
煤气、天然气、甲醇等
纯H2、天然气
电解质
磷酸水溶液
KliCO3溶盐
ZrO2-Y2O3(YSZ)
离子(Na离子)
电极
阳极
多孔质石墨(Pt催化剂)
多孔质镍(不要Pt催化剂)
Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)
阴极
含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion
多孔NiO（掺锂）
LaXSr1-XMn(Co)O3
多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)
工作温度
~200℃
~650℃
800~1000℃
~100℃
近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。
美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。
3． 燃料电池发电系统
3.1. 利用天然气的发电系统
MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4 改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。
另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2 外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。
实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2 的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。
来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。
这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。
在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。
SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2 的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。
3.2 利用煤炭的发电系统
以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入 MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2 及CO变换成H2O和CO2后供给的。
实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。
排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。
这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。
4．我国燃料电池的发展状况
我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所 、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。
我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。
2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16 届大会上宣布，中国将在 2000 年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。
但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。
此前参与燃料电池研究的有关概况如下：
4.1. PEMFC的研究状况
我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100W PEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。
中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W /cm2。
清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。
天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。
复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。
厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。
北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。
中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。
天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。
华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。
中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。
1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。
4.2. MCFC的研究简况
国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。
1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。
90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。
北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。
中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。
1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。
中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。
4.3. SOFC的研究简况
最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。
吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。
1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。
中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。
清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。
华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。
生物燃料研究篇（11）
【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。
1．引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2.燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。单电极组装示意图PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO23-（碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2（4）空气极：CO2+1/2O2+2e-=CO23-（5）全体：H2+1/2O2=H2O（6）在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+O2-=H2O+2e-（7）空气极：1/2O2+2e-=O2-（8）全体：H2+1/2O2=H2O（9）燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。表1燃料电池的分类类型磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物型燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）燃料煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等纯H2、天然气电解质磷酸水溶液KliCO3溶盐ZrO2-Y2O3(YSZ)离子(Na离子)电极阳极多孔质石墨(Pt催化剂)多孔质镍(不要Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)阴极含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion多孔NiO（掺锂）LaXSr1-XMn(Co)O3多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)工作温度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。3．燃料电池发电系统3.1.利用天然气的发电系统MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。3.2利用煤炭的发电系统以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。4．我国燃料电池的发展状况我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：4.1.PEMFC的研究状况我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。4.2.MCFC的研究简况国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。4.3.SOFC的研究简况最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。（
