【关键词】燃料电池电极和电池反应电子流向
【中图分类号】G632【文献标识码】A【文章编号】1674-4810（2015）12-0132-01
燃料电池是1939年由英国科学家培根首先研制成功的，20世纪50年代后期宇航事业的发展使燃料电池的研究得到了快速的发展。人类为了开辟新能源，减少对环境的污染，加紧对燃料电池的研发和利用。
燃料电池是一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。它与一般的化学电池不同，一般化学电池的活泼性物质储存在电池的内部，故而限制了电池的容量，而燃料电池本身不包含活性物质，只是一个催化元件。它工作时燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能。
燃料电池的负极通入燃料（如：H2、CO、CH4、CH3OH、N2H4、液化石油气、液化丙烷气、煤气等），燃料电池放出电子，发生氧化反应，电子经外电路传递给正极并与通入的氧化剂气体（如O2）结合，发生还原反应，两极之间靠电解质导电，从而构成回路产生电流。电极可用表面上沉积了催化剂的多孔碳电极，也可用多孔的Ni和Ni-NiO分别作负极和正极，电极本身有催化性能。
根据电池中电解质的组成和特性对燃料电池进行分类，可分为碱性电池、酸性电池和固体熔融盐电池。
燃料电池是燃料在电池中直接氧化产生电能而不经过热能这一中间装置，故能量的转化率比普通的火力发电高得多，转化率目前最高可达80%左右。普通火力发电，燃料燃烧时产生大量的烟尘和有害气体，对环境污染严重，不符合绿色化学的要求，而燃料电池所用的燃料使用之前已经经过对有害物质的分离和处理，基本上不排放硫的氧化物和氮的氧化物。目前，发达国家加大对燃料电池的研究力度，一种10KW～20KW的碱性H2-O2电池已成功地使用于航天飞机。美国、日本等发达国家还有若干示范性的CH4-O2燃料电池发电站，但这类电池的成本很高，气体净化要求也高，普遍推广使用还有困难，有待于通过研究进一步降低其成本。
燃料电池具有化学能高而不污染环境的特点，故成为新型化学电源的研发焦点，是这几年高考和化学竞赛命题的热点，同时也是学生学习的难点。下面通过几道以燃料电池为背景的试题的解题分析，理清解决这类问题的基本思路与方法。
例1，某种熔融盐电池用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气和CO2混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式。（已知：负极反应为2CO+2CO32--4e-=4CO2）
正极反应为_____________；总反应为_____________。
解析：正极反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-，总反应为O2+2CO=2CO2。
例2，以KOH溶液为电解质的高能甲醇电池是锂或镍电池能量的10倍，假设放电过程中甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32-。
（1）该电池的总离子方程式为：__________________。
（2）甲醇在_________极发生（填“正”或“负”）电池放电过程中溶液PH将_________（填“升高”或“下降”或“不变”）；若有16g甲醇蒸气被完全氧化产生电能，并利用该过程中释放的电能电解足量的CuSO4溶液，假设整个过程中能量的利用为80%，则产生标况下的O2为_________L。
分析：（1）负极反应：2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H20；正极反应：3O2+6H2O+12e-=12OH-；故总离子方程式：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O。（2）甲醇在负极发生氧化反应，总反应消耗OH-故溶液的PH下降。电解CuSO4溶液，阳极反应为4OH--4e-=2H2O+O2，根据转移电子守恒：V（O2）={[（16g/32g）×6×80%/4]/4}×22.4L/mol=13.44L。
例3，有人设计制造了一种燃料电池，一极通入空气，另一极通入燃料汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2-离子。回答下列问题：（1）以丁烷代表汽油，则电池放电时总反应方程式为_________；（2）这个电池的正极发生的反应为_________；这个电池的负极发生的反应为_________；固体电解质里的O2-的移动方向是_________；向外电路释放电子的电极是_________。（3）人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是_________。（4）你认为在ZrO2晶体掺杂了Y2O3，用Y3+代替Zr4+对提高固体电解质的导电能力会起什么作用？其可能原因是什么？（5）汽油燃料电池最大的障碍是氧化还原反应不完全而产生_________会堵塞电极的气体通道。
解析：（1）2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。（2）正极反应：O2+4e-=2O2-；负极反应：C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O；固体中的O2-移向负极；向外电路释放电子的是负极。（3）电池的能量利用率高。（4）由于Y2O3中Y∶O=1∶1.5，ZrO2中Zr∶O=1∶2，所以掺杂晶体中O2-比纯ZrO2晶体中少，为维持电荷平衡，将导致O2-缺少，从而使O2-得以在电场作用下向负极移动。（5）汽油由于氧化不完全会产生碳粒。
上述试题以燃料电池为载体，主要考查电极与电子转移方向的判断；电极与电极总反应的书写；电池优缺点的评价及利用电子守恒进行相关计算。
参考文献
[关键词]生物质燃料；分散发酵；集中精馏
[中图分类号]Q939[文献标识码]A
1燃料乙醇被重视的程度以及代替能源的价值
燃料乙醇指以生物质为原料通过生物发酵等途径获得的可作为燃料用的乙醇，经变性后与汽油按一定比例混合可制车用乙醇汽油。
为了支持燃料乙醇的推广和生物质能源的开发利用，我国逐步颁布了《可再生能源法》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》以及《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》等法规和配套办法和规章。同时财政部印发了《生物燃料乙醇弹性补贴财政财务管理办法》和《生物能源和生物化工非粮引导奖励资金管理暂行办法》的通知。这些政策对我国生物质燃料乙醇的发展、增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展具有极大的促进作用，
中国作为一个能源生产和消费的大国，研究、开发和生产生物质能源，积极寻找石油燃料的替代品，逐渐减轻乃至摆脱我国经济发展对矿物质能源的依赖，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。发展生物质燃料乙醇，一方面可缓解我国石油紧缺的压力，另一方面燃料乙醇作为一种清洁、可再生能源，对减少大气污染，降低汽车尾气中一氧化碳的排放量，提高中心城市的空气质量大有裨益。发展生物质燃料乙醇也是从根本上解决我国的能源问题，实现经济和社会的可持续发展、落实科学发展观、建设资源节约型社会的基本要求和战略选择。
2燃料乙醇在中国的路程
我国在1998年决定较大规模的发展乙醇汽油，当时的初衷是为了消化一部分陈化粮，给农民增加一些收入，用部分严重挤压的粮食生产乙醇掺入汽油中以供汽车燃用。由中央财政投入国债资金418亿元人民币，在河南、安徽、吉林和黑龙江先后建设了4套总计年核准生产能力为102万吨燃料乙醇的生产装置，批准多家公司准入。至2006年9月，继国家9省区推广车用乙醇汽车后，国家发改委又计划在全国更大范围内推广燃料乙醇，但后来事态的发展却出乎意料。
第一代燃料乙醇的生产主要来自于玉米、水稻、甘蔗、大豆等粮食作物，随着连续几年乙醇汽油推广试点范围的扩大，陈化粮早已消化殆尽，乙醇原料的来源开始转向以新粮为主。中国生产乙醇的主要原料是玉米和高粱，其既是人们的食物，也是家畜的重要饲料，随着生产乙醇对这一类粮食的大量消耗，引起粮食价格的上涨，其中之一的后果，就是引起油价上涨，进而波及其他食品价格上升，引发了一系列的连锁反应。鉴于事态的严重性，国家发改委和财政部立即发文，暂停用粮食生产乙醇燃料项目，提出非粮生物乙醇是今后的生物乙醇发展的方向，并确立了“不与人争地，不与粮争田”的原则。
在粮食安全的前提下，我国开始停止粮食乙醇燃料项目，大力发展非粮燃料乙醇。2007年底，经国家发改委批准，由中粮集团在广西北海合浦投资成立的以木薯为原料的燃料乙醇生产企业一期项目（年产能20万吨燃料乙醇）正式投产，这是我国第一家经国家批准并投入生产的以非粮作物为原料的燃料乙醇企业，也标志着我国燃料乙醇的发展路线正在真正走向“非粮化”。
在生物质一代燃料走出与粮争地的困境之后，全世界范围内的第二代生物质燃料技术研发及产业化发展也渐入佳境。国内对于二代生物燃料利用的途径也向多元化方向发展。第二代生物燃料技术是指以麦秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料，使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油的模式。业内专家一致指出，利用非粮原料将是我国发展生物燃料的根本方向。
3生物质燃料的优势――利用废弃物代替粮食
生物质能源是可再生的且产量巨大的新型能源。中国土地面积辽阔，生物质潜在的资源量非常巨大，发展生物质燃料具有极大优势。目前，发展生物质燃料乙醇主要采用农业生物质资源，以农业秸秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料，使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油。
用可再生能源农作物秸秆逐步替代不可再生能源是未来能源总的发展趋势。生产燃料乙醇，除了它本身的经济性及对农业、能源的好处之外，还有一些明显的关联经济效应。一方面，燃料乙醇有着巨大的环保效应，随着它的推广，可以大量节省大中城市治理空气污染的费用。燃料乙醇作为一种清洁、可再生能源人所共知，其按10%的比例与车用汽油掺混，一氧化碳排放量可减少30%以上，由3万吨燃料乙醇掺混成的数十万乙醇汽油可减少一氧化碳排放量近百万吨，对改善城市，特别是中心城市的空气质量大有益处。
加快生物质燃料的开发利用，不仅能有效解决农业目前废弃秸秆处理难，禁烧难的问题，并且对于有效增加能源供应，减少煤炭等化石能源资源的消耗，保护环境，促进农村经济的发展，建设资源节约型、环境友好型社会等都具有重要的作用。
4生物质燃料生产的困境
发展生物质燃料乙醇相比传统煤炭、石油具有极大优势，但它的规模化发展也是面临着较多问题。一个企业的发展讲究的是利润，如何把握这个合适的利润点，就要考虑各个环节生产成本的降低。
以甜高粱为例，通过对比甜高粱生产乙醇发酵试验结果可知，固体发酵法生产95%乙醇的成本比液体发酵法低284元/t，比粮食乙醇低417元/t。因此，利用甜高粱生产乙醇宜采用固体发酵法。虽然甜高粱加工建设项目的经济和社会效益显著，但运输是个大问题，据了解，每3到4吨粮食可产1吨乙醇，而同样的乙醇却需要14到16吨甜高粱秆，运输量很大，造成运输成本过高。另外，甜高粱的收割期约半个月左右，大规模的集中收割和运输会导致劳动力紧张，同时甜高粱秸秆的贮藏也一直是甜高粱燃料乙醇加工过程中存在的技术难题。由于茎秆富含糖分，含水量高，收获后极易受微生物感染，容易发生霉烂和干化，影响酒精的后续发酵。粉碎的茎秆贮藏4―6天，糖分损失高达50%。压榨后的汁液也不能长时间贮存，汁液如果贮藏不好，极易酸败，也会影响到后续的酒精发酵。为了延长加工周期，采取了冷冻、茎秆去叶切成短段冷藏、用塑料薄膜覆盖并充以二氧化硫贮藏、窖藏、气调、干燥等贮藏方法，然而对于数量巨大的甜高粱茎秆来说，这些方法不仅难以实施，更主要的是大大增加了成本和能耗。欧盟对甜高粱收获后的茎秆采用劈开、切段和整株3种方式进行贮藏试验，发现整株露天贮藏27天或25―40cm长的切段贮藏19天，都可保持原含糖量的90%。如果劈开则必需收获后马上加工。因为发酵循环周期短，即使效果较好的整秆贮藏虽然可以延长茎秆的贮藏期，但还是无法消化完庞大的原料，不能达到生产的要求。
同时，甜高粱秸秆燃料乙醇产业链长，涉及原料生产、原料初加工和精深加工等多个环节，如果一个地方建一个几万吨乃至几十万吨的现代化大规模工厂，当地的秸秆原料就无法满足企业生产的需要，可能需要外运，就会造成运输半径大、运输量大，运输成本、耗能增加，企业产品的成本就会大幅上升，同样前期也需要大量的现代化设备投资，那就成了“高射炮打蚊子”，一边生产能源，一边浪费能源。因此，要发展这个产业必须因地制宜的解决问题，必须考虑整个产业链的发展模式。
5分散发酵解决原料、集中精馏解决燃料成本问题
生物质燃料的发展是一个产业链如何去实行的问题，必须方方面面都要考虑到，生产成本的降低是关键，它不可能像其他行业一样通过大规模生产来取得高效益，只能去寻找它的最佳利润点，经过实践和市场调研，生物质燃料要想发展，取得好的效益，必须走分散发酵、集中精馏，发展循环经济产业之路。
5.1建立阶梯级开发模式，走分散发酵、集中精馏之路
根据发展非粮生物燃料乙醇产业的农林业属性、多样性和地域性等特点，把产业链重心向能源植物种植和原料生产倾斜，走“分散加工转换+集中精炼调配”之路，建立化工企业带动原料初加工企业，原料初加工企业带动原料生产基地的模式，这个模式的核心就是分散发酵，集中精馏。
每个初加工企业建设的规模应以本地区所能满足的原料供应为基础，一方面通过因地制宜，减小设计规模，分散种植，计算出合理的运输半径，为将来控制企业的生产成本打好基础。根据考察和核算，以乡、镇或县为单位，以方圆15公里为半径建立一个原料初加工企业。根据企业的需要可在方圆15公里半径内建立1个粗酒加工厂、多个糖液收购站，在当地直接对秸秆进行榨汁处理，其他物质按就近处理原则加工（烘干、晾晒、贮存等），从而达到降低运输成本的目的。根据实际核算，在方圆15公里范围内可种植5000亩甜高粱，这样就可建立一座年生产规模为2000吨粗乙醇（55%乙醇含量）和10000吨秸秆酒糟饲料的加工厂。另一方面，合理的运输半径可解决运输成本问题和贮存问题，我们可以就地收割贮存，一部分直接进入生产环节，消耗原材料；另一部分可以进行榨汁贮存，然后进行进一邹动物饲料，解决地方牛羊饲料困难，最后集中在一个区域精馏成为高浓度的符合要求的燃料乙醇，解决能源原料问题。若配套建立30个这样的粗酒加工厂，就可在一个地区建立一个年产3万吨规模的燃料乙醇精馏厂（龙头厂），每个粗酒厂所生产的粗酒精可运输到精馏厂进行集中精馏，达到国家所要求的燃料乙醇的标准，又进一步解决原料运输成本高和原料贮存难的问题。
5.2开发生物质能源作物副产品，提高产业的整体经济效益
企业要想持续发展，必须走循环产业道路，把原料“吃干榨净”，发展“资源―产品―废弃物―再生资源”为主要内容的物质循环型经济发展模式。
以生物质能甜高粱产业生产燃料乙醇为例，可以把种植业、粗酒生产、养殖业和双孢菇种植、沼气工程、有机肥加工工程相结合，形成循环加工体系。种植业生产的甜高粱秸秆发酵生产粗酒；粗酒用于集中精馏；粗酒生产过程中产生的酒糟可为养殖业提供饲料；养殖业产生的粪便、养殖废水作为双孢菇工厂化种植、沼气工程的原料；利用种植双孢菇产生的菌糠和沼渣生产有机肥；有机肥和沼气工程产生的沼液进行种植甜高粱，从而形成循环经济链，使资源得到高效利用，不仅能解决当地养殖户饲料困难，还能消除废弃物排放，实现清洁生产。
6分散发酵集中精馏利国利民利社会，促进社会和谐
采用分散发酵，集中精馏模式，即每个粗加工点实际上就是一个乡镇企业，每年不仅为国家和地方增加了财政收入，还可以保障就业，不但对“三农”的发展有拉动效益和环保效益，对国家来说还有经济效益和社会效益。
分散发酵，集中精馏，利用甜高粱发展非粮燃料乙醇产业，一方面可以把大量的小麦秸秆、玉米秸秆配合甜高粱茎秆进行综合消化，不消耗粮食，解决禁烧难的问题，而且甜高粱产业需要由农民大量种植、并参与收获、运输、初加工等环节后，形成一个完整的产业链，解决农村大量剩余劳动力的问题。这比搞几十万吨的工厂更适合中国农村的国情；另一方面也可以作为县域、乡域或村域经济的支撑点，也可以促进当地经济结构的转变，拉动相关的产业发展，调整周边和当地多元化产业的发展，推动农业产业化结构，带动农民快速脱贫致富。在促进就业的同时，也降低了产品的生产成本，增强竞争力。
分散发酵，集中精馏，发展非粮燃料乙醇不仅可以替代燃料，减少石油进口，而且还填充了粮食燃料乙醇停止发展后留下的市场空白，具有区域特色农产品工业化、科技化、产业化发展的全国示范效应。一方面符合国家和地方产业政策，既解决了燃料乙醇非粮原料短缺的问题，又可调动农民在中低产田、农村边际土地上开荒种植的积极性，是兼顾粮食安全、能源安全和促进农民增收的理想非粮燃料乙醇发展模式。另一方面可以更充分利用本地资源，稳定农业产业，发展地方产业，推动地方经济发展，促进社会和谐，对建设起一个部级的“生物质能源基地”，发展可持续循环经济产业链起到十分重要的作用。
参考文献：
[1]吴创之，马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2003（5）.
1燃煤锅炉供热存在的主要问题分析
1.1设备问题
锅炉供热在设备上存在的问题主要体现在由于受锅炉自身构造、运行参数以及各种性能指标的限制和影响，存在在燃料燃烧的过程中不能将其完全转化为所需的热能，同时还存在自动化水平低，污染物的排放严重超标等问题，这样一方面浪费了燃料资源，另一方面又大大增加了我国的供热成本。
下面我就介绍一下供热设备存在的若干问题：
1）层燃炉；是指将燃料置于固定或者移动的炉排上，形成均匀的、有一层厚度的料层，空气从炉排底部通入，通过燃料层进行燃烧反应，这种采用层状燃烧的锅炉就叫做层燃炉。层燃炉主要面临的问题是对燃料燃烧的问题，在燃料燃烧过后的炉灰中我们发现，其仍然存在很多没有完全燃烧的物质。
2）鼓引风炉；由于煤粉与空气之间的相对速度比较小，同时煤粉在炉膛内停留的时间过于短暂，所以，为了能够使得燃料燃烧的更加充分，鼓引风炉就出现了。它是利用气流在高速运转的状态下，燃料抛向炉壁，使得煤粒在炉壁附近的空间内进行燃烧，形成一个温度很高的燃烧工况区域，促使燃料与空气的充分结合，进而使得燃料更加充分完全的燃烧。但是，其仍然存在一定的问题，那就是由于受煤燃烧过后的煤灰与煤渣等因素的影响，导致锅炉在启动和停止的过程中行动较为缓慢，锅炉负荷的变动范围较小，并且由于鼓引风炉内部的温度很高，产生的有害气体的排放量得不到有效的控制，因此对环境污染的程度较为
严重。
3）室燃炉；主要指的是以粉状（例如煤粉）、雾状（例如油）或者气态（例如气体燃料，天然气）随同空气喷入炉膛进行悬浮燃烧的锅炉。其存在的主要问题在于不能完全实现自动化，而其必须需要其他的器械作为附属，且锅炉的供水需要经过特殊的处理步骤，导致投资成本比较大。
1.2燃料问题
锅炉的热能转化效率低，除了与其自身设备有关联外，在一定程度上与其所用的燃料也有很大的关系。一是燃料自身存在的问题；如果使用的燃料即煤的质量达不到锅炉设计的既定标准，就会使得锅炉在对热能的转化上不够充分，也达不到很好的节能减排。二是燃料在使用过程中的问题；目前我国大部分使用的供热锅炉都是不经过对燃料煤有任何筛选和清洗的原煤，这样就难免在使用起来煤粒大小不一、造成粉末较多，致使煤在燃烧的过程中很难得以充分燃烧，进而导致部分热能的丢失，同时再加上送风的系统不够及时，在一定程度上增加了排烟热能的损失，从而加大了环境污染的程度和除尘装置的负担。
1.3管理问题
虽然关于锅炉供热的标准以及相关法律的制定都已经下发，但是与现如今的贯彻落实情况还存在一定的差距。尤其是一些未集中供热机构，根本无视国家的法律法规，一切按照自己的主观意愿行事，从而造成一系列的安全事故、环境污染和经济损失。同时再加上一些监管部门的监管力度远远不够，没有认真履行其自身的职责，导致供热过程中没有从根本上排除供热企业所存在的环境安全隐患。
2针对燃煤锅炉环境保护理念提出的合理化建议
众所周知，每年都要举行的“六·五”世界环境日的主旨在于强调绿色消费理念，唤起社会公众转变消费观念和行为，节约资源能源，保护我国的生态环境。世界环境日的宣传口号：实现污染减排，创建环境友好型社会、节能降耗，减污增效、让地球远离污染，让绿色走进家园、同建绿色家园，共享碧水蓝天等等，目的就是让环境保护理念植入人们的思想，让人们充分认识到保护环境的迫切性和重要性，让绿色走进人们生活，从而有效促进我国经济社会的可持续发展。下面为更好地保护我国生态环境，针对以上燃煤锅炉“小而全”供热所带来的环境安全隐患问题提出两点合理化建议。
2.1集中供热、热电联供是节约能源和解决烟尘污染的有效途径
当前，节能环保是国家一直所倡导重要理念，而集中供热、热电联供正是节能减排，响应国家号召的重要途径。首先，减少大气污染，保护环境；集中供热、热电联供，一方面使得热能的转化率大大得到提高，不仅节约的燃料煤的用量，而且还大大减少了污染物的排放量。另一方面，在采用集中供热、热电联供后，由于供热后的燃煤锅炉容量比较大，烟囱的数量也得到了大大的缩减，所以使得最后污染物的排放量较以前大大的减少。其次，改善劳动条件，节约劳动力；据调查我们可以得知，采用集中供热所需要的劳动力要比以前减少约一半之多，这样一来不但节约了劳动成本，而且还使得人们从以前繁重、高强度的劳动条件中解脱出来，并且为了提高司炉工的技能，企业定期对司炉工进行相应技术培训，在大大改善劳动者劳动条件的同时，还提高了劳动者的专业素质。
2.2搞好能源计量，建立热网监测系统
热工计量是节约能源，降低能源耗费的重要核算依据，如何将能源的转换与消耗有效的计算出来也是近几年来我国所一直咨询和讨论的重要热门话题。最近由上海海青仪器仪表公司研制的热网能耗计算机管理系统得到了成功的运用，它不仅能够监测锅炉供热过程中各个设备的运行状态，而且还可以计算出各个能耗的计量数据，进而能够观测出各个参数的变化情况。该系统的建设不但提高了锅炉供热的安全性，降低安全事故的发生率，同时也能够防止能源浪费，为节能降耗，促进我国的可持续发展创造有利的先决条件。
3总结
总之，燃煤锅炉在一定程度上对环境造成污染，我们要从城市集中供热、热电联供方面下工夫，进行优胜劣汰的改造和改进，保护环境，还社会一个清水蓝天！
参考文献
[1]白莉，尹军，廖资生.基于塑铝管改进的城市污水热能供热系统[J].吉林大学学报（工学版），2006.