[发明专利]基于高温固体电解池的生物质电解制高纯氢的装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于高温固体电解池的生物质电解制高纯氢的装置及方法，本申请采用高温固体氧化物电解池作为反应器核心，采用一体化氧化反应器和氢气生成反应器，使生物质在氧化反应器连续发生热解、热解碳氧化和热解气氧化，水在氢气生成反应器中电解得到氢气。本发明利用生物质氧化化学势代替水电解过程的高电势，大幅度降低电解水的理论电压，能够在低电压下实现生物质向高纯氢气的转化，反应速率快，稳定性高，易于集成放大和工业化应用。

技术领域

本发明涉及生物质资源高效利用和清洁能源技术领域，具体涉及一种基于高温固体电解池的生物质电解制高纯氢的装置及方法。

背景技术

我国生物质资源存量大，广泛存在于农业、林业、造纸工业等生产行业，高效的生物质能源化利用技术对实现绿色、可持续能源经济和保障能源安全、多样性具有重要意义。同时，氢能是21 世纪具有发展潜力的清洁能源之一，开发生物质制备燃料电池用高纯氢的技术方法符合我国能源战略需求。

常规的生物质制氢方法包括高温气化、水汽重整、低温发酵等，这些方法得到的氢气含有大量对燃料电池有害的一氧化碳等杂质，需要使用复杂的分离设备获得高纯氢气，投资成本高。

生物质电解制氢技术可以将生物质的转化与氢气的生成分隔开，获得的氢气中几乎不含碳，分离净化要求低，适合燃料电池用高纯氢的生产。目前，该方法主要以低温技术为主，在水溶液电解质中进行生物质电解制氢时反应速率低、扩散限制严重，转化效率难以满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高温固体电解池的生物质电解制高纯氢的装置及方法，解决现有生物质电解制氢以低温技术为主，在水溶液电解质中进行生物质电解制氢时反应速率低、扩散限制严重，转化效率难以满足实际需求的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于高温固体电解池的生物质电解制高纯氢的装置，包括生物质氧化反应器、氢气生成反应器以及用以偶联及分隔生物质氧化反应器和氢气生成反应器的电解质层。

本申请将生物质制氢过程分为生物质氧化与氢气生成两个反应，二者通过氧转移进行偶联；通过氧离子膜将生物质氧化和氢气生成反应器进行空间隔离，氢气中不含有生物质氧化生成的一氧化碳、二氧化碳等杂质，纯度高；氧离子在电场驱动下从氢气生成反应器移动到生物质氧化反应器，所需电压远低于直接电解水电压。本申请可以通过改变不同生物质原料和生物质与水的计量比，使反应温度下总反应化学势小于0。

本申请主要基于以下原理：

（1）水分解为氢气和氧气是吉布斯自由能增加的过程，根据Kirchhoff和Gibbs-Helmholtz公式计算不同温度下反应热力学数据，可以计算出电解水过程中所需理论电势超过1V，且在高温下是吸热过程；

（2）生物质氧化是吉布斯自由能减少的过程，化学势为负，可对外做非体积功，并放出大量热，同步骤（1）可以计算不同温度的反应化学势和反应热；

（3）根据反应化学势和反应热的相加特点，匹配生物质氧化化学势与电解水电势，利用生物质氧化廉价的化学势，大幅降低水电解所需高电势；同时根据能量衡算计算载气中氧的含量，以实现生物质高温电解过程的热平衡；

（4）采用外加电压克服氧离子迁移阻力和表面反应电荷转移阻力；

（5）采用高温（500-800℃）电解过程，克服生物质氧化动力学限制，降低氧离子迁移阻力，削弱表面反应物质与电子转移动力学限制，实现低电压下生物质电解制氢过程。

进一步的，所述电解质层将装置分成内通道和外通道，所述内通道装填阴极材料构成氢气生成反应器、电解质层外通道侧有阳极材料构成生物质氧化反应器。

进一步的，所述阴极材料为改性或未改性的多孔氧化锆负载的镍或多孔镧锶锰复合物；所述阳极材料为改性或未改性的氧化铈或钛酸锶。