[实用新型]一种以生物质气化制氢的燃料电池系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及直接碳燃料电池技术，具体涉及一种以生物质气化制氢的燃料电池系统。

背景技术

能源是人类经济的支柱，也是社会活动的必须动力。目前主要通过热机获得社会活动所需的初级动力，然后转化为电能。由于热机受到卡诺循环的限制，效率提高较为困难，造成了能源浪费、污染排放增加等问题。因此开发高效、清洁的电能获取方式，称为能源发展的必然方向。

生物质是指由光合作用而产生的各种有机体，生物质能是太阳能在生物体中贮存的一种能量形式，具有可再生性。生物质资源数量庞大，形式繁多，包括薪柴、农业和林业残剩物、食品加工和林产品加工下脚料、城市固体废弃物、生活污水和水生植物等。从资源本身的属性来说，生物质是能量和氢的双重载体，生物质自身的能量足以将其含有的氢分解出来，合理的工艺还可利用多余能量额外分解水，得到更多的氢，同时，生物质能低硫和二氧化碳零排放的特点，可避免化石能源制氢过程对环境的污染，从源头上控制二氧化碳排放。因此，基于生物质这种可再生能源制氢的氢能路线是真正意义上环境友好的洁净能源技术。

如图1所示，生物质转化过程中采用多种不同转化路线。其中，生物化学法主要是指生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品；提取法是指利用生物质提取生物油；热化学法是指在高温下将生物质转化为其它形式能量的技术，主要包括4种方式：直接燃烧(直接将生物质完全燃烧产生能量)、气化(在气体介质氧气、空气或水蒸气参与的情况下对生物质进行部分氧化而转化成气体燃料的过程)、热解(在没有气体介质参与的情况下，单纯利用热使生物质中的有机物质等发生热分解从而脱除挥发性物质，常温下为液态或气态，并形成固态的半焦或焦炭的过程)以及加压液化(在高温高压和催化剂作用下从生物质中提取液化石油等)。一般来说，所有种类的生物质都可以进行热化学转化，其中含湿量低的草本植物和木本植物最适合热化学转化。

生物质热化学转化技术与其他技术相比，具有功耗少、转化率高、转化强度大、工业化较易等优点，已成为世界各国开发利用生物质能的重点研究方向，其中气化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式。生物质气化生成的高品位燃料气既可供生产、生活直接燃用，也可通过内燃机或燃气轮机发电，进行热电联产联供，此外，生物质气化反应温度低，可避免燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。因此，气化技术非常适用于生物质的转化。

燃料电池是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，其被认为是氢能最有效的利用方式，具有能量转化效率高，过程洁净，无污染物排放，可靠性高等优势，是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。作为燃料电池的一种，氢燃料电池以氢气为燃料作还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。

氢燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢气、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水，此时氢电极上有多余电子带负电，氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。其具有如下特点：产物是水，清洁环保；容易持续通氢气和氧气，产生持续电流；能量转换率较高；排放废弃物少；噪音低。如果将生物质转化为氢气，并与高效的氢燃料电池系统实现整合，就可以实现生物质资源的高效清洁的利用，并节省生物质原料大规模收集储存的费用。因此，氢氧燃料电池近年来受到人们的广泛关注。

目前国内外氢燃料电池的相关专利的研究内容基本上围绕着燃料电池的结构设计、电极材料、反应装置、电解质组成优化以及氢气的制造与储存系统等方面。

将生物质气化与燃料电池结合成系统的设想早在二十世纪七十年代末就被提出了，但由于生物质气化产物成分的复杂性以及燃料电池本身的技术和成本问题，直到最近才引起国内外研究者的广泛关注。美国、瑞典、英国的一些公司和科研机构从不同角度对一体化系统进行了研究，研究者们发现，用燃料电池代替燃气轮机，可将系统的整体效率提高约10个百分点，而且对气化产物气中污染物的限制也没有燃气轮机那么严格。

Lobachyov等人对由Battelle Columbus气化炉、MCFC以及蒸汽轮机组成的生物质气化制氢燃料电池发电系统做了计算，比较了其与生物质气化-燃气轮机发电系统的效率、可行性以及过程要求等，计算得出生物质气化制氢MCFC联合循环发电系统的效率在53％左右，大大超过传统的与燃气轮机结合的系统。