CN108808041A - 生物质直接发电燃料电池和co2利用系统及其方法 - Google Patents

生物质直接发电燃料电池和co2利用系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统及其方法。该系统包括生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ和CO2利用系统Ⅱ，用于将生物质中的化学能转化为电能并将生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ产生的CO2气体高选择性地定向转化为烃类燃料。方法包括：生物质降解过程伴随着Fe3+的还原，在阳极上二价的铁离子被氧化同时提供电子，在阴极上接收电子并将VO2 +离子还原，电子的定向移动便产生电流；生物质降解过程产生的CO2经加氢后生成甲醇，甲醇经C‐C偶联反应生成C5+烷烃。本方法将生物质的化学能直接转化为电能，同时实现CO2废气往高价值燃料方向的转化。

Description

生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统及其方法
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，特别涉及一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统及其方法，具体为利用生物质建立直接发电燃料电池及CO2废气高效制备伴生烃类燃料。
背景技术
经济的快速发展，导致传统的石化能源储量越来越少，日趋枯竭。大自然赐予人类最丰富的可再生资源是木质纤维素类生物质，我国的秸秆、甘蔗渣等废弃农作物资源非常丰富。因而如何合理利用廉价易得且具有较高能源价值的木质纤维素类生物质是如今能源领域研究的当务之急。目前，木质纤维素类生物质利用的研究主要集中在发电、气化产氢、发酵产乙醇、厌氧发酵制沼气等方面。
燃料电池，是一种能将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过阳极和阴极的氧化还原反应直接转化为电能的装置。燃料电池由阳极、阴极、电解液以及传导电能的外电路组成。工作时向阳极供给燃料，向阴极供给氧化剂。燃料在阳极产生质子H+和电子e‐。质子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极。用电的负载接在外部电路中。在阴极上，空气中的氧与电解液中的质子吸收抵达阴极上的电子形成水。
氢氧燃料电池并非必须使用纯氢气，通过燃料重整可以将任何碳氢化合物产生的氢气作为燃料使用。由于燃料电池是化学反应而不是燃烧反应，因而燃料电池系统的污染物排放要明显少于清洁能源燃烧的排放。当然随着技术的发展，甲烷、甲醇、乙醇等均也可以燃料电池的直接燃料，如直接甲醇燃料电池(DMFC)等。
中国专利CN201710524024.0公开了一种以生物质气化制氢的燃料电池系统及其发电方法。本发明采用生物质制氢技术是一种环境友好的清洁能源技术，利用农林废弃物为原料，可以实现生物质资源的高效清洁当地利用，避免生物质原料大规模收集储存的费用；通过生物质制氢与清洁高效的氢燃料电池相结合，可以解决部分地区的电力供应，缓解电力供应紧张；采用的熔融碳酸盐燃料电池有利于生物质热化学转化的利用，且已接近商业化；本发明的燃料电池系统具有较高的系统发电效率，可达50％左右，与常规的生物质气化驱动燃气轮机系统相比，系统性能大大提高。
可以看出，生物质燃料电池均是间接式的，即首先将生物质转化为上述氢气、沼气、甲醇等，然后再作为燃料进行利用。这种间接式生物质燃料电池工艺复杂，耗能较大，CO2排放大，因此上述工艺工程的应用收到较大的限制。
发明内容
本发明为了简化生物质燃料电池的工艺，研究并发明了一种利用秸秆直接燃料电池，并对过程中产生的CO2进行高效利用伴生烃类燃料。首先对生物质进行降解，降解过程伴随着Fe3+的还原，在阳极上二价的铁离子被氧化同时提供电子，阴极上接收电子并将VO2 +还原，电子的定向移动便产生电流；生物质降解过程产生的CO2经加氢后生成甲醇，甲醇经C-C偶联反应生成C5+烷烃。
涉及的反应如下：
生物质降解过程：
阳极：Fe2+-Fe3++e-
阴极：
氧化过程：
针对上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：
一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，包括生物质直接发电燃料电池系统(I)和CO2利用系统(II)；生物质直接发电燃料电池系统(I)用于将生物质中的化学能转化为电能，其包括生物质降解池(1)、阳极(2)、阳极电解液池(3)、质子交换膜(4)、阴极电解液池(5)、阴极(6)、降解混合液输送泵(7)、氧化混合液输送泵(8)和氧化池(9)；其中，在阳极端，生物质降解池(1)的下端与降解混合液输送泵(7)的入口相连，降解混合液输送泵(7)出口与阳极电解液池(3)下端相连，阳极电解液池(3)上端与生物质降解池(1)的上端相连；在阴极端，氧化池(9)下端与氧化混合液输送泵(8)的进口相连，输送泵(8)的出口与阴极电解液池(5)下端相连，阴极电解液池(5)上端与氧化池(9)相连；阳极电解液池(3)与阴极电解液池(5)分别镶嵌在阳极(2)和阴极(6)的流动通道内，阳极电解液池(3)与阴极电解液池(5)之间安装有质子交换膜(4)，氧化池(9)开有供氧气进入的入口；CO2利用系统(Ⅱ)用于将生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)产生的CO2气体高选择性地定向转化为烃类燃料，其包括加氢装置(10)、C‐C偶联反应装置(11)和烃类储液罐(12)；加氢装置(10)的入口为氢气的入口，加氢装置(10)的出口与C‐C偶联反应装置(11)的进口相连，C‐C偶联反应装置(11)的出口与烃类储液罐(12)相连；生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)的生物质降解池(1)与CO2利用系统(Ⅱ)的加氢装置(10)相连。
优选的，生物质降解池(1)中所使用的秸秆预先切碎成长度约1cm的片状物，向生物质中加入降解剂FeCl3和体积浓度为10％的HCl溶液，反应温度为100℃，反应时间为0.5h～12h。
优选的，阳极(2)和阴极(6)为平板状，材质为石墨。
优选的，阳极电解液池(3)中电解液配置方法为30g的FeCl3·6H2O与4g秸秆混合加入500mL的烧瓶中，然后向烧瓶中加入90mL的水和10mL的盐酸，混合液在水浴80℃中进行。
优选的，阴极电解液池(5)中电解液配置方法为10g的V2O5加入至260mL水中，将38mL浓度为98％的硫酸逐滴加入，反应20h后便得到淡黄色液体，并在上述溶液中加入2mL的硝酸，以提高氧化速率。
优选的，质子交换膜(4)为Nafion膜，厚度为127μm。
优选的，加氢装置(10)采用的催化剂为Cu/SiO2、Pd/SiO2或Ni/ZSM-5，反应温度为210～280℃，反应压力为1～5MPa。
优选的，C-C偶联反应装置(11)采用床料为In2O3、ZSM-5与石英砂的混合物，反应温度为340～380℃。
一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用的方法，首先对生物质进行降解，降解过程伴随着Fe3+的还原，在阳极上二价的铁离子被氧化同时提供电子，阴极上接收电子并将VO2 +还原，电子的定向移动便产生电流；生物质降解过程产生的CO2经加氢后生成甲醇，甲醇经C-C偶联反应生成C5+烷烃。
具体步骤如下：
在生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)中：
A.首先将秸秆加入至生物质降解池(1)中，在FeCl3溶液中秸秆被降解，Fe3+被还原成Fe2+，同时释放出大量的CO2气体；
B.通过降解混合液输送泵(7)将上述混合液打入阳极电解液池(3)，此时在阳极(2)上，Fe2+被再次氧化成Fe3+，同时提供电子；
C.将阳极电解液池(3)中混合液转移至生物质降解池(1)中，加入的秸秆与Fe3+再次接触降解，如此循环；
D.同时电子穿透质子交换膜(4)进入阴极电解液池(5)，在阴极(6)上与VO2 +结合并将其还原成VO2+；阳极电解液池(3)中混合液转移至氧化池(9)，VO2+与氧气结合被再次氧化成VO2 +；通过氧化混合液输送泵
(8)将上述混合液打入阴极电解液池(5)，如此循环；
因此，在阳极(2)和阴极(6)之间电子的定向移动便形成电流；
在CO2利用系统(Ⅱ)中：
a)将生物质降解池(1)中产生的CO2输送至加氢装置(10)，氢气由外部供应，将不活跃的CO2转化为甲醇；
b)甲醇进入C‐C偶联反应装置(11)，若干个甲醇分子发生偶联及脱氧反应，将C1含氧物质高选择性的转化为C5+烷烃；
c)将上述中的C5+烷烃储存在烃类储液罐(12)中。
根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
1.简化工艺，降低成本。与间接式生物质燃料电池相比，本发明中的生物质降解过程和Fe3+的还原属于同步过程，即一个步骤可以实现生物质利用和阳极电解液再生的功能，生物质利用过程避免气化及甲醇、乙醇等合成过程中贵重金属催化剂的使用，且生物质降解过程约在100℃左右，相对于气化(700～900℃)、热解(400～600℃)等过程相比温度较低。
2.阳极和阴极电解液的循环再生。阳极氧化所得Fe3+经生物质降解过程再次被还原成Fe2+，并重新被泵入阳极电解液池；阴极还原所得VO2+经氧气再次被氧化成VO2 +，即实现阳极和阴极电解介质的循环再生。
3.CO2资源化利用。生物质降解过程伴随着大量CO2的释放，虽说与生物质生长过程相比，可以认为生物质的利用过程几乎近零排放。但是本发明对CO2进行利用，即通过加氢和C-C偶联反应获得烃类燃料。
4.工艺小型化和家庭化。废弃生物质呈现分散分布，将本发明的系统和方法应用于家庭中，在减少废弃生物质运输成本的同时，本发明的直接式生物质燃料电池可提供家庭用电，同时CO2废气利用系统伴生烃类燃料，经集中处理后可直接应用于小汽车、拖拉机等家用和农用动力机械。
附图说明
图1是本发明的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统示意图。
图中：生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ和CO2利用系统Ⅱ、1-生物质降解池、2-阳极、3-阳极电解液池、4-质子交换膜、5-阴极电解液池、6-阴极、7-降解混合液输送泵、8-氧化混合液输送泵、9-氧化池、10-加氢装置、11-C-C偶联反应装置、12-烃类储液罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本实施例为一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统。该系统包括生物质降解池1、阳极2、阳极电解液池3、质子交换膜4、阴极电解液池5、阴极6、降解混合液输送泵7、氧化混合液输送泵8、氧化池9、加氢装置10、C-C偶联反应装置11和烃类储液罐12。
如图1所示，该系统由两个部分组成，包括生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ和CO2利用系统Ⅱ。生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ的副产物出口与CO2废气利用系统Ⅱ的进口相连。
生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ，用于将生物质中的化学能转化为电能。
CO2利用系统Ⅱ，用于将生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ产生的CO2气体高选择性地定向转化为烃类燃料。
生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ由生物质降解池1、阳极2、阳极电解液池3、质子交换膜4、阴极电解液池5、阴极6、降解混合液输送泵7、氧化混合液输送泵8和氧化池9等组成。其中，在阳极端，生物质降解池1的下端与降解混合液输送泵7的入口相连，降解混合液输送泵7出口与阳极电解液池3下端相连，阳极电解液池3上端与生物质降解池1的上端相连；在阴极端，氧化池9下端与氧化混合液输送泵8的进口相连，输送泵8的出口与阴极电解液池5下端相连，阴极电解液池5上端与氧化池9相连；其中，阳极电解液池3与阴极电解液池5分别镶嵌在阳极2和阴极6的流动通道内，阳极电解液池3与阴极电解液池5之间安装有质子交换膜4，氧化池9开有供氧气进入的入口。
CO2废气利用系统Ⅱ由加氢装置10、C-C偶联反应装置11和烃类储液罐12等组成，其中，加氢装置10的入口即为氢气的入口，加氢装置10的出口与C-C偶联反应装置11的进口相连，C-C偶联反应装置11)的出口与烃类储液罐12相连。
生物质降解池1中所使用的秸秆预先切碎成长度约1cm的片状物，向生物质中加入降解剂FeCl3和HCl(体积浓度10％)溶液，反应温度100℃，反应时间0.5h～12h。
阳极2和阴极6呈现平板状，材质为石墨。
阳极电解液池3中电解液配置方法如下，30g的FeCl3·6H2O与4g秸秆混合加入500mL的烧瓶中，然后向烧瓶中加入90mL的水和10mL的盐酸，混合液在水浴80℃中进行。
阴极电解液池5中电解液配置方法如下，10g的V2O5加入至260mL水中，将38mL硫酸(98％)逐滴加入，反应20h后便得到淡黄色液体，并在上述溶液中加入2mL的硝酸，以提高氧化速率。
质子交换膜4采用杜邦公司的Nafion膜，厚度127μm。
加氢装置10采用的催化剂为Cu/SiO2、Pd/SiO2或Ni/ZSM-5均可，反应温度210～280℃，反应压力1～5MPa。
C-C偶联反应装置11采用In2O3、ZSM-5与石英砂的混合物为床料，反应温度340～380℃。
一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用的方法，在生物质直接发电燃料电池系统Ⅰ中：首先将秸秆加入至生物质降解池1中，在FeCl3溶液中秸秆被降解，温度100℃，反应时间10h，Fe3+被还原成Fe2+，同时释放出大量的CO2气体；通过降解混合液输送泵7将上述混合液打入阳极电解液池3；在阳极2上，保温80℃，Fe2+被再次氧化成Fe3+，同时提供电子；将阳极电解液池3中混合液转移至生物质降解池1中，加入的秸秆与Fe3+再次接触降解，如此循环；同时电子穿透质子交换膜4进入阴极电解液池5，在阴极6上与VO2 +结合并将其还原成VO2 +；阳极电解液池3中混合液转移至氧化池9，VO2+与氧气结合被再次氧化成VO2 +；通过氧化混合液输送泵8将上述混合液打入阴极电解液池5，如此循环；在阳极和阴极之间电子的定向移动便形成电流，单个电池的输出功率100mW/cm2。
在CO2利用系统(Ⅱ)中：将生物质降解池1中产生的CO2输送至加氢装置10，氢气由外部供应，加氢温度250℃，加氢压力5MPa，将不活跃的CO2转化为甲醇；甲醇进入C-C偶联反应装置11，若干个甲醇分子发生偶联及脱氧反应，将C1含氧物质高选择性的转化为C5+烷烃，将上述中的C5+烷烃储存在烃类储液罐中12。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (9)

1.一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，包括生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)和CO2利用系统(Ⅱ)，其特征在于：
所述生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)包括生物质降解池(1)、阳极(2)、阳极电解液池(3)、质子交换膜(4)、阴极电解液池(5)、阴极(6)、降解混合液输送泵(7)、氧化混合液输送泵(8)和氧化池(9)；其中，在阳极端，生物质降解池(1)的下端与降解混合液输送泵(7)的入口相连，降解混合液输送泵(7)出口与阳极电解液池(3)下端相连，阳极电解液池(3)上端与生物质降解池(1)的上端相连；在阴极端，氧化池(9)下端与氧化混合液输送泵(8)的进口相连，输送泵(8)的出口与阴极电解液池(5)下端相连，阴极电解液池(5)上端与氧化池(9)相连；阳极电解液池(3)与阴极电解液池(5)分别镶嵌在阳极(2)和阴极(6)的流动通道内，阳极电解液池(3)与阴极电解液池(5)之间安装有质子交换膜(4)，氧化池(9)开有供氧气进入的入口；
所述CO2利用系统(Ⅱ)包括加氢装置(10)、C‐C偶联反应装置(11)和烃类储液罐(12)；加氢装置(10)的入口为氢气的入口，加氢装置(10)的出口与C‐C偶联反应装置(11)的进口相连，C‐C偶联反应装置(11)的出口与烃类储液罐(12)相连；
所述生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)的生物质降解池(1)与CO2利用系统(Ⅱ)的加氢装置(10)相连。
2.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述生物质降解池(1)中所使用的秸秆预先切碎成长度约1cm的片状物，向生物质中加入降解剂FeCl3和体积浓度为10％的HCl溶液，反应温度为100℃，反应时间为0.5h～12h。
3.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述阳极(2)和阴极(6)为平板状，材质为石墨。
4.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述阳极电解液池(3)中电解液配置方法为30g的FeCl3·6H2O与4g秸秆混合加入500mL的烧瓶中，然后向烧瓶中加入90mL的水和10mL的盐酸，混合液在水浴80℃中进行。
5.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述阴极电解液池(5)中电解液配置方法为10g的V2O5加入至260mL水中，将38mL浓度为98％的硫酸逐滴加入，反应20h后便得到淡黄色液体，并在上述溶液中加入2mL的硝酸。
6.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述质子交换膜(4)为Nafion膜，厚度为127μm。
7.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述加氢装置(10)采用的催化剂为Cu/SiO2、Pd/SiO2或Ni/ZSM‐5，反应温度为210～280℃，反应压力为1～5MPa。
8.根据权利要求1所述的一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用系统，其特征在于：所述C‐C偶联反应装置(11)采用床料为In2O3、ZSM‐5与石英砂的混合物，反应温度为340～380℃。
9.一种生物质直接发电燃料电池和CO2利用的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
在生物质直接发电燃料电池系统(Ⅰ)中：
A.首先将秸秆加入至生物质降解池(1)中，在FeCl3溶液中秸秆被降解，Fe3+被还原成Fe2 +，同时释放出大量的CO2气体；
B.通过降解混合液输送泵(7)将上述混合液打入阳极电解液池(3)，此时在阳极(2)上，Fe2+被再次氧化成Fe3+，同时提供电子；
C.将阳极电解液池(3)中混合液转移至生物质降解池(1)中，加入的秸秆与Fe3+再次接触降解，如此循环；
D.同时电子穿透质子交换膜(4)进入阴极电解液池(5)，在阴极(6)上与VO2 +结合并将其还原成VO2+；阳极电解液池(3)中混合液转移至氧化池(9)，VO2+与氧气结合被再次氧化成VO2 +；通过氧化混合液输送泵(8)将上述混合液打入阴极电解液池(5)，如此循环；
因此，在阳极(2)和阴极(6)之间电子的定向移动便形成电流；
在CO2利用系统(Ⅱ)中：
a)将生物质降解池(1)中产生的CO2输送至加氢装置(10)，氢气由外部供应，将不活跃的CO2转化为甲醇；
b)甲醇进入C‐C偶联反应装置(11)，若干个甲醇分子发生偶联及脱氧反应，将C1含氧物质高选择性的转化为C5+烷烃；
c)将上述中的C5+烷烃储存在烃类储液罐(12)中。
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