一种生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统与方法

本发明涉及生物质燃料电池，具体为生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池实现内重整直接发电、余热应用。

背景技术：

1、氢气作为一种清洁燃料，对环境无污染，已成为未来可再生能源中最有前途的能源载体之一，寻找绿色、环保制氢技术成为发展绿色氢能的关键所在。目前，绿氢制取技术有电解水制氢、生物质制氢、光催化制氢等，其中生物质制氢使得废弃生物质得到资源化利用，减少了环境污染，被认为是一种具有发展潜力和前景的技术。氢能在未来能源构架中将与电力一起居于核心位置，氢能的发展更是碳中和目标实现的关键。根据制取氢能所输入的能量来源不同，氢可以被分为不同种类。输入的能量源于可再生能源，如光、风等发电用于电解水,这样获得的氢称之为“绿氢”。在各种制氢技术路线中，生物制氢是高效、环保制备氢气的未来趋势，一方面可以拓宽氢能的来源，另一方面可以给予原本废弃闲置的“垃圾资源”以高附加值。通过生物质热化学转化技术对生物质资源进行预处理得到生物质合成气，即将闲置废弃的农业、林业、能源业的废弃物中的生物质能转化为氢能，作为发电燃料。在生物质燃料的制备生产过程中不会增加大气中的二氧化碳排放。同时，作为生物质原料的残渣和废弃物作为短碳循环的一部分，其温室气体排放量可以忽略不计。因此，从生物质资源获得的氢被称之为“翠氢”、“超级绿氢”。

2、超级绿氢燃料本质上属于生物质燃料，主要来源于能源作物、农业废弃残留物、林业废弃残留物和工业城市废弃残留物等。据相关数据统计，每年可作为能源利用的生物质资源总量约相等于4.6亿标准煤。其中农业废弃物资源量约4亿吨，折算成标煤量约2亿吨；林业废弃物资源量约3.5亿吨，折算成标煤量约2亿吨；其余相关有机废弃物约为6000万吨标准煤。生物质能具有分布广泛、数量丰富、应用广泛等优点，是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。然而，生物质也存在分散、能量密度低、能量等级低等缺点，导致生物质利用效率低、储存和运输成本高等问题。因此，因地制宜发展分布式、高效的生物质转化发电技术是大势所趋。

3、层状钙钛矿锰氧化物燃料电池是一种优秀的能量转换器件，可以将燃料气体中的化学能转换为电能，除了具备一般燃料电池优点外，层状钙钛矿锰氧化物材料对氧还原和燃料氧化反应都具有优异的催化活性、与电解质材料相容性好，有助于提高燃料电池阳极抗积碳性能，最终提高电池性能输出表现与耐久性。利用层状钙钛矿锰氧化物燃料电池技术可以将生物质绿色燃料转化为电能和热能，并同时降低温室气体排放。主要特点一方面是高效环保，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池可以直接利用氢气、一氧化碳等多种混合气体作为原料，在高温下进行直接内重整生成一氧化碳和氢气供给阳极反应，这样既降低了系统复杂性和成本又提高了原料利用率和系统效率，此外还可以与其他设备如汽轮机、吸收式制冷机等组成联合循环或三联供系统，进一步提升综合效率。另一方面是性能强劲，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池具有优异的氧还原和燃料氧化催化活性，在功率输出与抗积碳两方面本发明的目的之一是提供一种生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统。对燃料电池有显著的优化作用。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统。

2、本发明的目的之二是提供基于上述生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统的发电方法。

3、所述一种生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统，其特征在于，包括生物质气化制氢装置、层状钙钛矿锰氧化物燃料电池、空气储存装置；所述生物质原料气化制氢装置包括热气旋分离器、烧结金属过滤蜡烛装置、流体喷射器、氯硫脱离装置、分流器1、分流器2、焦油重整器、氮气储存装置、加湿器；所述生物质原料气化制氢装置输入端通入生物质原料，并与所述热气旋分离器的输入端相连，热气旋分离器输出端与烧结金属过滤蜡烛装置输入端相连接，烧结金属过滤蜡烛装置输出端与氯硫脱离装置输入端相连接，氯硫脱离装置输出端与分流器1输出端相连，分流器输出端分别与焦油重整器出口、燃料存储装置输入端相连接；所述层状钙钛矿锰氧化物燃料电池电池的阳极流道输入端与生物质气化燃料储存罐的输出端(生物质气化制氢装置输出端)相连接；所述空气储存装置输出端与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池阴极流道输入端相连。

4、本发明还提供基于上述生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统的发电方法，利用生物质制氢技术将生物质原料去杂提纯，转化得到富氢合成气，作为燃料气体通入层状钙钛矿锰氧化物燃料电池阳极流道输入端，在层状钙钛矿锰氧化物燃料电池阳极区域发生甲烷-二氧化碳直接干重整、甲烷-水蒸汽湿重整及一氧化碳-水煤气移位变换反应，置换得出氢气与一氧化碳；进一步在阳极-电解质界面发生电化学氧化反应；通过空气储存装置向层状钙钛矿锰氧化物燃料电池阴极流道输入端通入空气(氧气、氮气)，在阴极-电解质界面发生电化学还原反应，最终实现发电及余热的利用。

5、所述一种生物质气化与层状钙钛矿锰氧化物燃料电池耦合发电系统及方法具体是指，首先输入端1通入生物质原料，经过热气旋分离器和烧结金属过滤蜡烛将生物质原料中的颗粒物杂质去除。如果气体滑流低于大气压，则在高压蒸汽作为驱动流体的喷射器的帮助下，将其诱导到更高的压力水平，以降低之后的有效原料成分损失。

6、进一步的，气体通过氯硫脱离装置，两步脱除h2s(zno和zno/cuo床)。

7、再通过两步焦油重整器(白云石、nio床)去除焦油副产物，以提高生物质合成气质量；也可以绕过焦油重整器，通过分流器使产物气体直达层状钙钛矿锰氧化物燃料电池。

8、进一步的，将氮气通入加湿装置，得到加湿氮气，作为生物质燃料气体的载气。

9、进一步的，将经过气化处理后的生物质合成气与加湿处理后的氮气混合，存于生物质气化燃料储存罐中。

10、进一步的，将生物质燃料储存罐中的气体燃料通入层状钙钛矿锰氧化物燃料电池的阳极流道入口，合成气体在阳极区域发生内重整反应。

11、进一步的，重整方式采用甲烷-二氧化碳干重整、甲烷-水蒸汽湿重整方式产生氢气和一氧化碳；一氧化碳-水煤气变换反应产生二氧化碳和氢气。

12、进一步的，利用空气存储装置向阴极流道入口通入空气。

13、进一步的，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池结构构型采用平板式结构。

14、进一步的，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池采用ni-pd/la1.4ca1.6mn2o7、ni-pd/la1.4sr1.6mn2o7等层状钙钛矿锰氧化物阳极，电解质采用ysz、scsz、gdc或lsgm，阴极采用层状钙钛矿锰氧化物。

15、进一步的，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池工作温度为650℃到850℃以保证快速的重整反应速率和较高的功率密度输出。

16、进一步的，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池工作电压为0.6v-0.8v，合理的工作电压能确保电池内部温度分布的均匀性，不会产生过大的温度梯度从而影响电池性能表现及耐久性。

17、进一步的，层状钙钛矿锰氧化物燃料电池阳极厚度为100μm-1000μm之间，合理的阳极厚度可以节约成本，提高功率输出。