CN113594516B - 一种等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统及发电方法 - Google Patents

一种等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统及发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体辅助制氢‑燃料电池的分布式生物质发电系统及发电方法，该系统包含空气泵、喂料机、等离子反应炉、回热换热器、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池和若干管路；其中，所述的空气泵、喂料机、等离子反应炉、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池依次经管路连通；所述的回热换热器进口端通过管路与空气泵连通，所述的回热换热器出口端通过管路与高温燃料电池连通；所述的等离子反应炉与所述的回热换热器通过管路连通，并形成回路。本发明可以实现较高的生物质‑氢气转换效率，并通过余热利用，降低了系统的能耗，提高了能源利用效率。

Description

一种等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统 及发电方法
技术领域
本发明涉及生物质制氢与燃料电池技术领域，具体涉及等离子体重整制氢与高温质子交换膜燃料电池领域。
背景技术
能源与环境问题迫使人类社会的能源供给由传统化石能源向可再生能源转换。同时，提高能源转化与利用的效率也是人类面临的重要问题之一。作为一种可再生能源，生物质受到了广泛的关注。据统计，目前生物质占了世界能源总量的10-14％。对于木质纤维素与固体生物质而言，产生燃料与能量的常见方式包括燃烧、裂解和催化。由于气体产物易于储运，生物质重整产物中的气体产物是一种极具吸引力的产品，其中尤以氢气为最。目前应用较多的是生物质气化-燃料电池分布式发电系统，传统的生物质气化过程存在转化效率低、产气速度慢等缺陷，进而导致发电系统不能连续工作，性能较差。
发明内容
本发明的目的是解决传统的生物质气化过程存在转化效率低、产气速度慢，进而导致发电系统不能连续工作，性能较差的缺陷，并且减少能源浪费。
燃料电池是一种先进高效的能源转换装置，其通过电化学反应可将燃料中的化学能转换为电能与热能。其运行过程几乎无污染，是一种清洁的能源转换过程。在诸多燃料电池类型中，高温质子交换膜燃料电池在耐一氧化碳毒化方面有着独特的优势。而且该类型燃料电池的操作较为简单，被认为具有广阔的应用前景。
对于复杂的能源转化系统而言，利用较高品质的热源，通过合适的耦合方式，可以满足系统中其他部位的热负荷。这些原本需要通过电加热等方式才能满足的热负荷通过系统内部的热源便可以得到满足，如此便可起到降低系统寄生能耗的作用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统，该系统包含空气泵、喂料机、等离子反应炉、回热换热器、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池和若干管路；其中，所述的空气泵、喂料机、等离子反应炉、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池依次经管路连通；所述的回热换热器进口端通过管路与空气泵连通，所述的回热换热器出口端通过管路与高温燃料电池连通；所述的等离子反应炉与所述的回热换热器通过管路连通，并形成回路。
较佳地，该系统还包含高压电源，所述高压电源作用于等离子反应炉以产生等离子体。
较佳地，所述的高温燃料电池还设有散热器。
较佳地，所述的高温燃料电池选取高温质子交换膜燃料电池，用于防止被一氧化碳毒化。
此外，本发明还公开了一种利用所述的等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统的发电方法，该发电方法的步骤包含：
步骤1，外部空气在所述的空气泵的驱动下进入系统后，在管路中分流为第一路空气和第二路空气；
步骤2，第一路空气依次通过所述的喂料机与生物质混合、进入所述的等离子反应炉发生裂解反应生成氢气和一氧化碳、通过所述的集灰装置除去固体杂质、通过所述的水汽转化反应器除去一氧化碳，最终得到的氢气作为所述的高温燃料电池的阳极燃料；
步骤3，第二路空气通过所述的回热换热器预热后作为所述的高温燃料电池的阴极反应物，从而实现发电；所述回热换热器中，热流体为等离子反应炉的冷却液，所述热流体在所述回路中流动，实现循环冷却和加热。
较佳地，所述的高温燃料电池的操作温度为160-200℃。
较佳地，所述的裂解反应的温度为700-800℃。
较佳地，空气分流时，所述的第一路空气和所述的第二路空气的流量比为1∶(5-7)。
较佳地，所述的第一路空气在喂料机与生物质混合后形成的混合气中，生物质与空气的质量比为1∶(0.3-0.5)。
较佳地，在所述的回热换热器中，热流体进入回热换热器的温度约为500-600℃，热流体将空气预热到160-200℃。
相对于现有技术，本发明有如下有益效果：
(1)可以实现以生物质作为燃料的分布式发电的功能，可以被放置在生物质源周围，具有较高的实用与推广价值。
(2)裂解反应在等离子体催化下可以实现较高的生物质-氢气转换效率，提高能源利用效率。由于系统中的发电装置为高温质子交换膜燃料电池，可获得较高的氢气-电转换效率。
(3)等离子反应炉与高温质子交换膜燃料电池共用一个空气泵，可以简化系统结构，减小系统体积，提升系统集成化水平。
(4)来自于等离子反应炉中的高品位热量被用于对燃料电池中的阴极进料进行预热，起到了余热利用的作用，可以降低系统的能耗，提升系统的整体能源利用效率。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
附图标记：1-空气泵，2-喂料机，3-高压电源，4-等离子反应炉，5-回热换热器，6-集灰装置，7-水汽转化反应器，8-高温燃料电池，9-散热器，10-管路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提出了等离子重整技术与燃料电池技术相耦合的分布式发电系统以及利用该系统的发电方法。该系统内各装置的连接方式如图1所示，包含空气泵1，喂料机2，高压电源3，等离子反应炉4，回热换热器5，集灰装置6，水汽转化反应器7，高温燃料电池8和若干管路10。连接空气泵1的管路分为两支，一支依次连通喂料机2、等离子反应炉4、集灰装置6、水汽转化反应器7，最终到达高温燃料电池8的阳极；另一支连接回热换热器5，最终到达高温燃料电池8的阴极。所述的等离子反应炉4与所述的回热换热器5通过管路连通，并形成回路。所述管路需要保证气密性和使用寿命要求，优选钢管或硅胶管。较佳地，高温燃料电池8还设有散热器9，用于排放高温燃料电池8释放的热量。一些实施例中，所述散热器9为辐射式散热器。
所述发电方法结合以下实施方式加以说明。
来自环境中的空气经过空气泵1后通过分支管路分流为第一路空气和第二路空气，第一路空气进入喂料机2，第二路空气进入回热换热器5。一些实施例中，空气分流时，第一路空气和第二路空气流量比为1：(5-7)。
第一路空气进入喂料机2后与生物质(本例中为固体粉状木质素)混合，混合后通过管路进入等离子反应炉4。一些实施例中，混合后的生物质与空气的质量比为1：(0.3-0.5)。
第一路空气在与生物质混合后进入等离子反应炉4中进行裂解反应。所述裂解反应在等离子体辅助下进行，以达到提升反应速率与转化效率的作用，所述等离子体在高压电源3的作用下产生。所述裂解反应的温度为700-800℃。
经过裂解反应后产出的混合气主要成分为一氧化碳和氢气，先将该混合气通过管路进入集灰装置6，以除去该混合气中的固体粉末杂质。然后该混合气再通过管路进入水汽转化反应器7，一氧化碳和水在水汽转化反应器7中发生反应，生成氢气和二氧化碳，该反应用于降低一氧化碳对高温燃料电池8的毒性。水汽转化反应结束后的混合气中，一氧化碳的摩尔浓度控制在1％以内，此时混合气的温度为160-200℃，作为阳极燃料输送到高温燃料电池8中。高温燃料电池8的操作温度也为160-200℃。较佳地，高温燃料电池8选取高温质子交换膜燃料电池，因为高温质子交换膜燃料电池具备耐一氧化碳毒化的特性。
从空气泵1流出的第二路空气首先流经回热换热器5，被预热到高温燃料电池8的操作温度，即160-200℃。然后将经过预热的空气作为阴极反应物输送到高温燃料电池8。所述回热换热器5的另一侧的热流体为等离子反应炉4的冷却液。所述热流体在等离子反应炉4和回热换热器5连通形成的回路中循环流动。该热流体进入回热换热器5时的温度约为500-600℃。
综上所述，本发明可以实现较高的生物质-氢气转换效率，并通过余热利用，降低了系统的能耗，提高了能源利用效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统，其特征在于：该系统包含空气泵、喂料机、等离子反应炉、回热换热器、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池和若干管路；其中，所述的空气泵、喂料机、等离子反应炉、集灰装置、水汽转化反应器、高温燃料电池依次经管路连通；所述的回热换热器进口端通过管路与空气泵连通，所述的回热换热器出口端通过管路与高温燃料电池连通；所述的等离子反应炉与所述的回热换热器通过管路连通，并形成回路；所述的高温燃料电池选取高温质子交换膜燃料电池，用于防止被一氧化碳毒化；所述的高温燃料电池的操作温度为160℃～200℃。
2.如权利要求1所述的等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统，其特征在于：该系统还包含高压电源，用于为等离子反应炉提供能源。
3.如权利要求1所述的等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统，其特征在于：所述的高温燃料电池还设有散热器。
4.一种利用如权利要求1-3中任意一项所述的等离子体辅助制氢-燃料电池的分布式生物质发电系统的发电方法，其特征在于，该发电方法包含：
步骤1，外部空气在所述的空气泵的驱动下进入系统后，在管路中分流为第一路空气和第二路空气；
步骤2，第一路空气依次通过所述的喂料机与生物质混合、进入所述的等离子反应炉发生裂解反应生成氢气和一氧化碳、通过所述的集灰装置除去固体杂质、通过所述的水汽转化反应器除去一氧化碳，最终得到的氢气作为所述的高温燃料电池的阳极燃料；
步骤3，第二路空气通过所述的回热换热器预热后作为所述的高温燃料电池的阴极反应物，从而实现发电；所述回热换热器中，热流体为等离子反应炉的冷却液，所述热流体在所述回路中循环流动。
5.如权利要求4所述的发电方法，其特征在于：所述的裂解反应的温度为700-800℃。
6.如权利要求4所述的发电方法，其特征在于：空气分流时，所述的第一路空气和所述的第二路空气的流量比为1：(5-7)。
7.如权利要求4所述的发电方法，其特征在于：所述的第一路空气在喂料机与生物质混合后形成的混合气中，生物质与空气的质量比为1:(0.3-0.5)。
8.如权利要求4所述的发电方法，其特征在于：在所述的回热换热器中，热流体进入回热换热器的温度为500-600℃，热流体将空气预热到160-200℃。
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