一种分布式生物质气化发电一体化的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种分布式生物质气化发电一体化的装置，将固体氧化物燃料电池与流化床电极以及生物质气化有机结合，整体装置呈圆柱体，该装置包括：生物质气化反应室、SOFC流化床阳极反应室、SOFC填料床阴极反应室以及外电路。还提供了利用该装置实现生物质气化发电一体化的方法。相比较于现有技术，本装置中的流化床电极能够提高SOFC的传热传质效率；三排三列错列分布的电极使燃料电池的化学反应更充分，同时极大地提高了电池的能量密度；气化发电一体化的方法省去了传统工艺中气化系统与发电系统之间的管路，工艺流程大幅简化，能量输出效率大大提高，投资、运行成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式生物质气化发电一体化的方法及装置
本专利技术属于生物质的气化，流化床电极固体氧化物燃料电池，具体来说，涉及分布式生物质气化发电一体化的方法及装置。技术背景燃料电池可按电解质的不同分为固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell,SOFC）、碱性燃料电池（alkalinefuelcell,AFC）、磷酸型燃料电池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）、质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）和熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）。其中，SOFC以固体氧化物为电解质，且阴极、阳极均为固态材料，是一种全固态电池，有其独特的优势与特点。SOFC的电解质不会发生泄漏，燃料适应性好，污染小，能量转换效率高，不需要贵重金属催化剂，材料成本低。但同时，SOFC的阳极反应较为复杂，影响因素较多，相对于阴极来说，阳极反应面临更多阻碍，进而影响电池的输出性能，因此需要好的方法来保证阳极反应的顺利进行。同时，传统燃料电池能量密度不高，若要通过串并联提高能量密度，则大大增加了线路的复杂性和燃料电池系统的不稳定性。因此，在此背景下，若能实现多组电极一体化，将使能量密度得到提高。流化床电极应用流化介质使催化剂颗粒和电解质颗粒流态化，由于床层颗粒的剧烈扰动，床料浓度十分均匀，电解质颗粒具有巨大的电极活化面积和很高的传质速率，催化剂颗粒的流态化使接触面积和接触时间大大提高，催化效果得到极大改善，同时流化床电极还具有床内温度、过电位分布均匀的优点。基于SOFC和流化床电极的优点，如果能将二者结合，可大大提高SOFC的发电性能。生物质储备量巨大，气化可保证较高的热效率，气化的设备成本低，容易控制污染物，是将低品味能源转化为高品位能源的良好方式。传统的固定床气化处理量小，产气效率低，流化床气化可大大提高反应速率和产气效率，可使用蒸汽作为气化剂，气化产物包括CO、H2、CH4等可燃气体，这些产物可作为燃料电池的阳极反应物，直接参与SOFC的阳极反应。传统的气化-燃料电池发电系统需在二者之间布置管路，增加了工艺的复杂性和投资成本。如果能将流化床生物质气化、SOFC、流化床燃料电极有机结合为一个整体，就能够实现生物质的高效综合利用，将气化和发电合为一体，简化系统，降低成本，实现能量的高效输出。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：将生物质气化气直接供给SOFC阳极，通过多排错列分布提高SOFC能量密度，采用流化床阳极和填料床阴极，将流化床生物质气化与流化床SOFC结合，提供一种简单、高效的生物质气化发电一体化的方法及装置，利用该装置可连续气化生物质并发电，实现生物质的高效利用并持续输出电能。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术实施例采用如下的技术方案：一种分布式生物质气化发电一体化的装置，该装置包括：生物质气化室、阳极反应室、阴极反应室、外电路，所述的生物质气化室的两侧与外界生物质给料机连接，所述的生物质气化室的底部与过热蒸汽供汽管路连接，所述装置与余热利用装置（如余热锅炉）连接。作为优选，所述的阳极反应室和生物质气化室并无实物分隔，也无明显界限，生物质气化后的产物气直接参与阳极反应，空气或氧气通入阴极反应室参与阴极反应，复合隔膜连接阴极和阳极，构成电池回路向外供电。作为优选，所述的生物质气化室包括气化室-阳极布风板、生物质颗粒进口。作为优选，所述阴极反应室分三排三列错列分布，共9个阴极反应室横穿装置，阴极反应室包括阴极布风板、阴极棒、阴极集流器、蜂窝陶瓷板，阴极反应室采用填料床填料，阴极填料床中的填料包括阴极催化剂和电解质，阴极反应室由复合隔膜包裹，与阳极反应室接触。作为优选，所述阳极反应室包括阳极棒、阳极集流器、辅助加热器，相对应地于错列分布的阴极反应室，阳极集流器和阳极棒也在阳极反应室内紧挨复合隔膜三排三列错列分布。阳极采用流化床电极，床料包括阳极催化剂和电解质，使用过热蒸汽作为流化介质。作为优选，所述的阳极反应室和阴极反应室由复合隔膜连接，复合隔膜为一种O2-交换膜，仅允许O2-通过，在装置中，O2-通过复合隔膜由阴极反应室向阳极反应室方向迁移，构成回路。作为优选，所述的辅助加热器只负责辅助启动流化床运行，控制流化床温度，在启动运行初期辅助启动气化反应和SOFC阳极反应。待装置内运行稳定后，辅助加热器不再发挥作用。一种分布式生物质气化发电一体化的方法，该方法包括以下步骤：步骤10）生物质颗粒的气化：将生物质颗粒通过生物质颗粒进口送入生物质气化室，将过热蒸汽通过气化室-阳极布风板从过热蒸汽入口注入生物质气化室，加开辅助加热器，使得生物质颗粒在较高的温度下发生气化，气化后产生的气体与床料一起被过热蒸汽吹起，在压差的作用下进入阳极反应室。步骤20）氧气在阴极反应室的还原反应：将空气或者氧气通过阴极布风板通入阴极反应室，电子由阳极反应室通过外电路迁移至阴极棒和阴极集流器，氧气在阴极填料床中的阴极催化剂作用下发生得电子的还原反应，反应方程式为：2O2+4e-=4O2-,O2-先后通过阴极填料床中的电解质和复合隔膜向阳极反应室迁移。步骤30）气化气在阳极反应室的氧化反应：O2-通过复合隔膜后继续通过电解质进行迁移，产物气到达阳极棒和阳极集流器附近，在床料中的阳极催化剂的作用下和O2-发生失电子的氧化反应，以CO和H2为例，反应方程式为：CO+O2-=CO2+2e-,H2+O2-=H2O+2e-,失去的电子先后通过阳极集流器、阳极棒和外电路向阴极棒迁移。步骤40）燃料电池反应放热取代辅助加热器：装置内的运行稳定后，关闭辅助加热器，此时阳极反应室发生的氧化反应放出的热量加上过热蒸汽的热量足以提供生物质气化反应和阳极反应所需温度。作为优选，所述的步骤20）中，蜂窝陶瓷板将填料彻底限制在阴极反应室内，防止阴极填料床中的填料随着阴极气体的流动向环境扩散。作为优选，所述的步骤30）中，装置的排气先后经过装置排气管道、装置排气出口引入余热利用装置（如余热锅炉），保证了热量的充分利用。作为优选，所述的生物质气化室的生物质气化采用流化床气化，所述的阳极反应室内的阳极反应采用流化床电极，流化介质使用过热蒸汽，控制气流速度使流化床保持为密相流化床；所述的生物质气化室内的温度控制在800-900℃；所述的阳极反应室的温度控制在800-850℃；所述的阴极反应室分三排三列错列分布，相对应地，阳极集流器和阳极棒也在阳极反应室内紧挨复合隔膜三排三列错列分布。有益效果：本专利技术的方法和装置具有以下特色及优点：1.化学反应质量高。本专利技术的装置采用了流化床气化生物质，使得气固两相混合均匀，强化了传热效果，温度分布均匀，气化效率高；在SOFC的阳极反应中采用流化床电极的形式，提高了颗粒的比表面积，传热传质效率较高，过电位分布均匀，电池效率得到明显提高。流化床的设计极大地增加了反应速率，保证了生物质气化和SOF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，包括：生物质气化室、阳极反应室、阴极反应室、外电路，所述的生物质气化室的两侧与外界生物质给料机连接，所述的生物质气化室的底部与过热蒸汽供汽管路连接，所述装置与余热利用装置连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，包括：生物质气化室、阳极反应室、阴极反应室、外电路，所述的生物质气化室的两侧与外界生物质给料机连接，所述的生物质气化室的底部与过热蒸汽供汽管路连接，所述装置与余热利用装置连接。


2.根据权利要求1所述的分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，所述的阳极反应室和生物质气化室无实物分隔，也无明显界限，生物质气化后的产物气直接参与阳极反应，空气或氧气通入阴极反应室参与阴极反应，复合隔膜连接阴极和阳极，构成电池回路向外供电。


3.根据权利要求1或2所述的分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，所述的生物质气化室包括气化室-阳极布风板、生物质颗粒进口。


4.根据权利要求1或2所述的分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，所述阴极反应室分三排三列错列分布，共9个阴极反应室横穿装置，阴极反应室包括阴极布风板、阴极棒、阴极集流器、蜂窝陶瓷板，阴极反应室采用填料床填料，阴极填料床的填料包括阴极催化剂和电解质，阴极反应室由复合隔膜包裹，与阳极反应室接触。


5.根据权利要求1或2所述的分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，所述阳极反应室包括阳极棒、阳极集流器、辅助加热器，相对应地于错列分布的阴极反应室，阳极集流器和阳极棒也在阳极反应室内紧挨复合隔膜三排三列错列分布；阳极采用流化床电极，床料包括阳极催化剂和电解质，使用过热蒸汽作为流化介质。


6.根据权利要求1或2所述的分布式生物质气化发电一体化的装置，其特征在于，所述的阳极反应室和阴极反应室由复合隔膜连接，复合隔膜为一种O2-交换膜，仅允许O2-通过，在装置中，O2-通过复合隔膜由阴极反应室向阳极反应室方向迁移，构成回路。


7.一种分布式生物质气化发电一体化的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤10）生物质颗粒的气化：将生物质颗粒通过生物质颗粒进口送入生物质气化室，将过...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖睿，刘攀笏，曾德望，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32