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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2107359

Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Biomaterialien (OPTIONS)

Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Biomaterialien (OPTIONS)

Name des Erfinders: Frau Hannelore Gallin-Ast (DE)
Der Name des Patentinhabers: Frau Hannelore Gallin-Ast (DE)
Adresse für die Korrespondenz:
Startdatum des Patents: 1993.03.12

Anwendung: Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung von elektrischer Leistung von Biomaterialien.

Die erfindungsgemäßen Biomaterialien aus Oxidationsreaktor im wesentlichen frei von Schwefel, wird durch das Vergasungsverfahren Gas enthält Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt. Kohlenmonoxid wird zu Kohlendioxid oxidiert. Reinige den modifizierten Arbeitsgas aus dem Partikel und / oder gasförmigen Verunreinigungen und ihn in eine Brennstoffzelle mit einer porösen Kathode, Anode und Elektrolyten besteht.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem ausdauernden Pflanze reed niedrigen Gehalt an Schwefel. Ausdauernde Schilfpflanzen mit niedrigem Gehalt an Schwefel zu Biomaterialien bezogen, die genannt werden, in der Regel alle sogenannten regenerativen Materialien, t. E. Solche Materialien, die durch biologische Mittel wie eine Kapazität, die mit dem Verbrauchsrate entspricht, zurückgewonnen werden kann, als zu fossilen Materialien gegenüber, dass wesentlich langsamer gebildet als verbraucht werden. Das Biomaterial kann mit im wesentlichen perfekten Zellstruktur oder zerfaserte Struktur wie beispielsweise ein feines Pulver bereitgestellt werden. Biomaterialien können in biologische und organische Abfälle auftreten. Biomaterialien enthalten hauptsächlich Elemente: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff.

Die direkte Emission von Wasserstoff unter Verwendung von Brennstoffzellen ist gut bekannt. Brennstoffzellen haben gegenüber Wärmekraftmaschinen den Vorteil, dass sie nicht auf die grundlegenden thermodynamischen Beschränkungen des Wirkungsgrades aus dem Zyklus Carnot resultierenden ausgesetzt. Theoretisch im wesentlichen vollständig in elektrische Energie Brennstoffzellen kann die Verbrennungswärme aus der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff umwandeln erhaltene Wasser. In der Praxis wird eine Brennstoffzelle ohne Schwierigkeiten unter Verwendung ist möglich, eine viel höhere Effizienz als durch Wärmemotoren zu erreichen. Dies ist jedoch Voraussetzung, dass die Brennstoffzellenkatalysatoren nicht enthalten sollte Gifte, die in dem Wasserstoff enthalten sein können.

Molekularer Wasserstoff steht nicht in Form von Rohstoffen und muß aus wasserstoffhaltigen Materialien erhalten werden. Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit einer herkömmlichen Elektrolyt erfordert mehr Strom als durch Wasserstoff erzeugt werden kann und nicht weiter berücksichtigt. Die katalytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist sehr langsam und erzeugt eine zeitaufwendig nur geringe Mengen, wodurch seine kommerzielle Nutzung unattraktiv.

Bekannte Verfahren der elektrischen Energie aus einem ausdauernden Pflanze Schilf vernachlässigbar Schwefel pflanzlicher Biomasse zu erzeugen , umfassend die Oxidation durch Gasverarbeitung Sauerstoff enthält , eine Verbrennungsgasversorgung des Arbeitsgases in der Brennstoffzelle zu bilden Erzeugung von elektrischer Energie (deutsch Anwendung 3.523.487).

Das bekannte Verfahren ist nicht durch eine hohe Produktivität und Zuverlässigkeit aus und hat eine signifikante Emission von Schadstoffen.

Bekannten und sogenannten Erzeugung von Synthesegas aus Kohle, die hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, und für die Installation erforderlich. Dieser Prozess wird Kohlevergasung bezeichnet. In der sogenannten Substitutionsreaktion Wasser Kohlenmonoxid in dem Synthesegas durch Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und die Zugabe kann zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden.

Verwendung von Synthesegas für die Brennstoffzelle ist prinzipiell möglich, aber es erschien wesentliche Nachteile in der Praxis. Erstens enthält Kohle im allgemeinen inhärent in den Ausgangsmaterialien von Schwefel, die in dem Synthesegas als gasförmige Schwefelverbindungen vorhanden ist. Aber die Schwefelverbindungen sind in der Regel Substanzen, die den Katalysator vergiften und den Katalysator der Brennstoffzelle irreversibel deaktivieren können und dadurch die Brennstoffzelle. Aus Sicherheitsgründen sind Umweltschutz schweflige Gase unerwünschte Emissionen. Zweitens ist die Herstellung von Synthesegas aus Kohle im Allgemeinen sehr teuer und zeitaufwendig, die gebildet werden, beispielsweise aus einer unterirdischen Aushub, einem Kohlevergasungsprozeß und der erforderlichen Reinigung der Schwefelverbindungen.

Die Grundlage des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung elektrischer Energie gelegt, die billige Rohstoffe verwendet, die einen hohen Wirkungsgrad, lange und zuverlässige Betriebsdauer und hat sehr wenig Emission von schädlichen Substanzen.

Um dieses Problem zu lösen, stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie von einer mehrjährigen Pflanze reed niedrigen Gehalt an Schwefel, wobei die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht:

a) angewendet Biomaterialien, die weitgehend frei von Schwefelverbindungen sind,

b) in den Oxidationsreaktor unter Verwendung von Biomaterialien Vergasungsmittel Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsgas erzeugt aufgrund der partiellen Oxidation, die Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält,

c) in dem Oxidationsreaktor hergestellt und gehalten, um das Verhältnis von Sauerstoff und Temperatur des Biomaterials und der Gasphase, die das Brenngas bereitzustellen, im wesentlichen frei von Stickoxiden,

d) Betreiben des Gases aus dem Oxidationsreaktor freigesetzt wird aus Schwefel Adsorber Verbindungen befreit

d) Arbeitsgas frei von Schwefelverbindungen ist, zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, die eine poröse Anode umfassen, eine poröse Kathode und einen Elektrolyten auf Basis von Phosphorsäure.

Biomaterialien, die wenig oder keinen Schwefel enthalten, es enthält vernachlässigbare Mengen an Protein. Diese Pflanzen in der Regel mit hohem Gehalt an Cellulose oder Lignocellulose. Ausreichend frei von Schwefel bedeutet, dass der Schwefelgehalt so gering ist, dass es keine Vergiftung der Brennstoffzelle oder unannehmbare Schwefelemissionen Katalysator ist. Wenn der Schwefelgehalt erhöht wird, ist es möglich, die Reinigung von Schwefelverbindungen nach einem herkömmlichen Verfahren durchzuführen Schwefel zu entfernen. In dem Oxidationsreaktor Biomaterial wird bei erhöhter Temperatur mit reinem Sauerstoff und / oder Sauerstoff in der Luft und / oder Wasserdampf behandelt.

Die Energie kann durch direkte autothermer Biomaterial teilweise Verbrennung in dem Oxidationsreaktor zugeführt allotherme oder indirekt erzeugt werden. In einem Teiloxidationsreaktor ein Biomaterial Oxidation von Brenngas zu bilden, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Somit ist der Anteil von Sauerstoff und das Biomaterial ausgewählt ist, so dass auf der Grundlage der thermodynamischen Zusammenhänge die einerseits Oxidation Biomaterial über die Bildung von Wasserstoffreaktionsprodukt oder Wasserstoff im Wasser befindet nicht verlängern würde, wäre nicht zu molekularem Wasserstoff zerlegt werden, und andererseits mit Stickstoff, die in dem Einsatzmaterial und / oder Luft-Stickstoff nicht in den Oxidationsreaktor oxidierten Stickstoffoxide zu bilden.

Wenn bei der Herstellung von Wasserdampf in der Begasung von Heißgas Kohlendioxid verwendet wird, kann zusätzlich zu Kohlenmonoxid vorhanden sein. Es versteht sich, dass die Bestimmung des Verhältnisses von Sauerstoff und biologischen Materials und der Reaktortemperaturabweichung Gasphasenoxidation von dem thermodynamischen Gleichgewicht, in einem kontinuierlichen Modus resultierende ordnungsgemäß bekannte Technologie in Betracht. Schwebstoffe sind Partikelgröße und Dichte von denen dazu aufgerufen, ihre Präsenz in der Brenngasstrom zu ermöglichen. Schwebstoffe aus nicht brennbaren Biomaterialien entstehen können, kann aber Ascheteilchen sein. Genannt katalytisch aktive Anodenelektrode der Brennstoffzelle, auf welche Brenngas zugeführt wird, und nachdem die Elektronen return oxidiert. Die Kathode ist ein katalytisch aktives Element oder eine Brennstoffelektrode genannt, zu dem Kraftstoff zugeführt wird und Mittel für Elektronen nach zerlegt empfängt. Der Kraftstoff muss ein Mittel für die Reaktion von Kohlendioxid mit Sauerstoff enthalten die Kathode Karbonisierung zu bilden. Poröse eine Elektrodenstruktur verstanden, die, einerseits Kontakt aller drei Phasen des Arbeitsgases gewährleistet, oder die Kraftstoff bedeutet eine Elektrode oder Katalysator, sondern auch den Elektrolyten, und andererseits, beispielsweise durch den Einfluss von Kapillarkräften, verhindert, dass der Elektrolyt daran gehindert, in die Kraftstoffkammer oder Brenngaskammer bedeutet. Der Begriff "porös" und deckt die Gitterstruktur mit einer geeigneten Maschenweite.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der bekannten Tatsache aus, dass das Arbeitsgas aus der Partialoxidation von Biomaterialien mit sehr hoher Effizienz in Brennstoffzellen erzeugt werden, und zwar mit der Maßgabe, daß ein Verfahren zur Verbrennungsgaserzeugungs den Zweck der Verwendung des Arbeitsgases entspricht. Anwendung der Biomaterialien, die ausreichend frei von Schwefelverbindungen sind, so dass es ohne weitere Maßnahmen, die einerseits die Brennstoffzellen für eine lange Zeit betrieben werden kann und sicher ohne die Katalysatorvergiftung, und, andererseits, wenn der gesamte Prozess ist keine Emission von Schwefel Verbindungen. Wert Oxidationsreaktor Betriebsparameter einen relativ hohen Stickstoffgehalt Biomaterialien stellt sicher, dass trotz dieser großen Komponente Stickstoff praktisch keine Bildung von irgendwelchen Fremd Stickoxiden. Stickoxide sowie Schwefelverbindungen und Isolierung sind unerwünscht, aus Umweltschutzgründen Umwelt. Befreiung des Arbeitsgases aus den Schwefelverbindungen, die in der partiellen Oxidation von Biomaterialien weitgehend zugeordnet sind, veranlaßt, einerseits die Tatsache, dass die Poren von Brennstoffzellenelektroden kann ohne Verringerung der effektiven Oberfläche zu einem geringen Ausmaß eingeschlagen werden, und somit ohne die Stromdichte zu reduzieren, und mit auf der anderen Seite verhindert, dass Partikel durch zufällige Emissionsprozess. Die Abscheidung von suspendierten Feststoffe kann in herkömmlicher Weise erfolgen, beispielsweise über Zyklonfilter.

Brennstoffzellen mit einem Elektrolyten aus der Lösung Kohlenwasserstoff- Salze enthalten, werden durch einen sehr hohen Wirkungsgrad und hoher Leistung aufgrund der relativ hohen Betriebstemperatur aus. Ein weiterer Vorteil dieser Art von Brennstoffzelle in Kombination mit der Freigabe des Arbeitsgases von Biomaterialien besteht darin, daß Kohlenmonoxid nicht nur ein Hindernis für die Katalyse ist, sondern auch als Wasserstoff zur Erzeugung von Elektrizität verwendet. Somit gibt es eine Reaktion von Kohlenmonoxid und Karbonat-Ionen an der Anode, wenn Elektronen geben Kohlendioxid zu bilden. Als Ergebnis, durch die Kombination der Merkmale der Erfindung erreicht es eine signifikante synergistische Wirkung, die mit einem sehr hohen Wirkungsgrad und eine sehr hohe Zuverlässigkeit elektrischer Energie aus einem sehr preiswerten und regenerative erzeugt werden können Rohstoffe im wesentlichen in Abwesenheit der Emission von Schwefelverbindungen, Stickstoffoxiden, dass und Partikel. Die Endprodukte des erfindungsgemäßen Verfahren sind grundsätzlich harmloses Wasser und, während der normalen Leistungserzeugung, Kohlendioxid. Zusätzlich wird Wärme erzeugt. Es kann in den Prozess zurückgeführt werden, insbesondere für die allotherme Technik.

Methoden thermische partielle Oxidation Biomaterialien inländischen Gas zu bilden, sind im Prinzip bekannt. Herstellung des direkten Gasstrom oder für diese Aktion erforderlich sind noch unbekannt.

In Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung Carbonatsalz-Lösung wird hauptsächlich von Carbonatsalzen gebildet und Alkalimetallaluminaten, Alkalimetallcarbonat Salze und die Lösung zeigt bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzellenpastenfließeigenschaften. Alkalimetallsalze von Kohlenstoff in dem geschmolzenen Zustand eine sehr gute Ionenleitfähigkeit. Massetemperatur sind daher relativ geringen Wert. Besonders niedrige Schmelztemperatur ist die eutektische Mischung aus Carbonatsalzen von Lithium, Natrium und Kalium. Zugabe einer Mischung von Alkalimetallaluminaten haben eine doppelte Wirkung. Erstens ist es möglich, eine pastöse Masse bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu erzeugen, da das Pulver des Alkalimetall-Aluminat nicht geschmolzen wird. Der Elektrolyt ist eine pastenartige Konsistenz ermöglicht eine relativ geringe Anforderungen an die poröse Struktur der Elektrode zu erzeugen, und dies beeinflusst nicht die Rückhaltung des Elektrolyten. Zweitens vermutlich Alkalimetallaluminaten als Kohlenstoffpulver handeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft und umweltverträgliche Formen der Ausführung des Kohlendioxids aus dem Abgas Rezirkulator auf der Anodenseite zurückgewonnen und brennbares Material fließt in den Kraftstoffstrom durch die Kathode. Eine Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten aus geschmolzenem Karbonat Salze bilden, auf der Anodenseite des Kohlendioxids als Ergebnis der Oxidation von Wasserstoff und Kohlenmonoxid-Oxidation. Auf der anderen Seite, auf der Kathodenseite des Kohlendioxids in dem Kraftstoff erzeugt bedeutet, dass Karbonisierung durch Reaktion mit Sauerstoff gebildet werden. Wenn Kraftstoff sollte mit einem mittels Luft gebildet werden, erfordert es die Zugabe von Kohlendioxid. Diese erforderliche Kohlendioxid kann durch Rückführung des Kohlendioxids aus dem Abgas des brennbaren Stoffes erreicht werden. Solche Rückführung führt zu optimalen Strömungsrate von Substanzen Energieeinsparung und Kohlendioxid möglichst niedrigen Gesamtkohlendioxidemissionen in den Prozess erforderlich. Sie können die Biomaterialien , in denen die Zirkulation von Kohlendioxid neutral für die Umwelt gesetzt werden eingeführt aufwachsen, insbesondere C 4 Pflanzen, das heißt ausdauernde Schilfpflanzen mit niedrigem Gehalt an Schwefel.

Unabhängig und unabhängige Lösung der Aufgabe, auf die oben verwiesen stellt ein Verfahren zur elektrischen Energie aus ausdauernde Schilfpflanzen mit niedrigem Gehalt an Schwefel zu erzeugen, und eine Kombination der folgenden Merkmale implementiert:

a) angewendet Biomaterialien, die weitgehend frei von Schwefelverbindungen sind,

b) in dem Oxidationsreaktor von Biomaterialien Vergasungsmittel unter Verwendung von Sauerstoff enthält, wird die partielle Oxidation eines Arbeitsgases erzeugt wird, durch das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält,

c) in dem Oxidationsreaktor hergestellt und gehalten, um das Verhältnis von Sauerstoff und Temperatur des Biomaterials und der Gasphase, der ein Arbeitsgas zu erzeugen, enthaltend im wesentlichen kein Stickstoffoxid,

d) Betreiben des Gases aus dem Oxidationsreaktor freigesetzt wird aus Schwefel Adsorber Verbindungen befreit

d) Arbeitsgas frei von Schwefelverbindungen ist, zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, die eine poröse Anode umfassen, eine poröse Kathode und einen Elektrolyten aus geschmolzenem Karbonat.

Dieses Verfahren weist im wesentlichen alle Eigenschaften und Vorteile des Verfahrens mit einem Elektrolyten auf Basis von Phosphorsäure. Aber im Gegensatz dazu wird die Brennstoffzelle bei einer relativ niedrigeren Temperatur betrieben. Im allgemeinen ist die Effizienz des Carbonats mit der Elektrolytschmelze etwas geringer als mit einem Elektrolyten auf der Basis von Phosphorsäure. Dies wird jedoch durch die Tatsache ausgeglichen, daß aufgrund der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur leicht mit der korrosiven Wirkung auf den Elektroden gewachsen ist. Dadurch wird erreicht, hoch zuverlässig, da sie zuverlässig Agglomerationsstützgerüststruktur von porösen Elektroden verhindert werden kann. Als bevorzugter Elektrolyt, Schwefelsäure oder Phosphorsäure. Diese beiden Säuren, insbesondere Phosphorsäure, hat nur eine kleine Zusatzstoff in Wasser ist vergleichsweise hohem Siedepunkt, so dass die Brennstoffzelle bei der maximal möglichen Temperatur, beispielsweise arbeiten kann, 160 o C.

Allerdings ist die Gesamtbetriebstemperatur der Brennstoffzelle sauren Elektrolyten nicht so klein wie eine hohe katalytische Aktivität der Elektroden aufrechtzuerhalten das brennbare Gas zu isolieren. Die Katalysatoren werden hauptsächlich in der Verbindung von Gold und Platin und Legierungen verwendet. Die meisten anderen Metalle können nicht die korrosive Wirkung der Schwefelsäure zu widerstehen, und insbesondere - Phosphorsäure. Die katalytische Aktivität des Platins, in der Regel übersteigt die katalytische Aktivität von Gold. Platinkatalysatoren können durch Kohlenmonoxid verunreinigt werden. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens mit dem sauren Elektrolyten Arbeitsgas wird in den Reaktor von Austauschwasser, wenn Wasserdampf und Wärme für die Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid verarbeitet. Dies gewährleistet eine optimale Ausnutzung der Wärme des Verbrennungsgases des Verbrennungs.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Säure-Elektrolyt - Brennstoffzelle arbeitet bei einer Temperatur von über 130 o C und der Platin-Rhodium - Katalysator verwendet wird. Unter diesen Bedingungen kann eine bestimmte Menge an Kohlenmonoxid in dem Arbeitsgas gestattet. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Säure-Elektrolyt - Brennstoffzelle arbeitet bei einer Temperatur unter 130 o C und einem Platinkatalysator wird mit Oxiden von Molybdän oder Wolfram verwendet. Diese Formen unterscheiden sich in der Ausführung und Kohlenmonoxid-Toleranz in dem Arbeitsgas.

Wann werden die erfindungsgemäßen Verfahren verwendet in erster Linie C 4 Pflanzen als Biomaterialien. C 4 -Pflanzen kann kostengünstig und schnell gewachsen und praktisch enthalten keine Schwefelverbindungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur partiellen Oxidation in dem Oxidationsreaktor in verschiedenen Formen der Ausführung verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, direkte Teilverbrennung von Biomaterialien in den Oxidationsreaktor zu leiten. In einer Form der Ausführung, die einen besonderen Wert, daß die partielle Oxidation durchgeführt wird, ist gegeben, wenn die Wärme von der Außenseite erzeugt aufbringt und mit einem Hilfsmittel für die Behandlung eines Gases hauptsächlich Wasserdampf enthält. Dieses Verfahren ist als eine andere Beziehung bekannten allothermen Verarbeitungshilfsgas. Die Heizleistung wird von außen erzeugt wird, die Verarbeitung für allotherme Hilfsgas erforderlich als Biomaterial Reaktion mit Wasserdampf ein Arbeitsgas zu bilden, im allgemeinen endotherm ist. Die Wärme für die partielle Oxidation kann vorteilhaft durch Biomaterial oder das Arbeitsgas Brennen erhalten werden. Die Wärme für die Teiloxidation wird über eine herkömmliche Wärmeträgergas durch den Wärmetauscher in den Oxidationsreaktor zugeführt.

In einer anderen Form der Erfindung wird teilweise Oxidation ohne Zuführen des von außen und mit einem Zusatzmittel enthält, erzeugte Wärme ausgeführt ein Gas zur Behandlung hauptsächlich Wasserdampf und molekularem Sauerstoff oder Luft. Dieses Verfahren wird als eine Beziehung zu der anderen Hilfsgasautothermen Verfahren bekannt. So mit molekularem Sauerstoff in Vorbereitung für die Verarbeitung der exothermen Oxidationsreaktion stattfindet, so daß der richtige Ort, wird die Wärme für die endotherme Reaktion von Wasserdampf mit dem Biomaterial erforderlich gebildet.

Die autotherme oder allotherme Hilfsgasverarbeitung grundsätzlich aus der Literatur bekannt, "Iron and Steel", Band 110, 1990,., N 8, Seiten 131-136, aber auch andere Bindungen. Bekannte hier und autothermen allotherme Belüftung beruht auf der Erzeugung von inländischen Gas aus Kohle basiert. Allerdings ist die literarische Quelle keinen Hinweis geben, wie das Arbeitsgas durch autotherme oder allotherme von Biomaterialien erzeugt werden.

Weitere Aufgaben der Erfindung stellt ein Lösungsverfahren der elektrischen Energie Biomaterialien zu erzeugen, und implementiert eine Kombination der folgenden Merkmale:

a) angewendet Biomaterialien, die weitgehend frei von Schwefelverbindungen sind,

b) in dem Oxidationsreaktor von Biomaterialien Vergasungsmittel unter Verwendung von Sauerstoff enthält, wird die partielle Oxidation eines Arbeitsgases erzeugt wird, durch das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält,

c) in dem Oxidationsreaktor hergestellt und gehalten, um das Verhältnis von Sauerstoff und Temperatur des Biomaterials und der Gasphase, der ein Arbeitsgas zu erzeugen, enthaltend im wesentlichen kein Stickstoffoxid,

d) Betreiben des Gases aus dem Oxidationsreaktor freigesetzt wird aus Schwefel Adsorber Verbindungen befreit

d) Arbeitsgas frei von Schwefelverbindungen ist , zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, die eine poröse Anode umfassen, eine poröse Kathode und einen festen Elektrolyten auf Basis von Metalloxiden und Brennstoffzellen arbeiten bei einer Temperatur von mindestens 800 o C.

Und in diesem Fall erfolgt die Operation bei autotherme oder allotherme Prozessgaserzeugungs Weise.

Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperatur von Brennstoffzellen mit Festelektrolyt Metalloxids katalytische Wirkung der Elektrode ist nicht nur unnötig, sondern auch ohne eine sehr hohe Rate der Arbeitsgasreaktionen an der Anode und der Kraftstoff bedeutet etabliert haben zu der Kathode, da die thermische Energie der Gase erheblich höhere Aktivierungs heterogenen dissoziativen Energie ist Reaktionen. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht, die Strömung mit einer hohen spezifischen elektrischen Leistung von Brennstoffzellen zu erreichen. Daher arbeitet die Brennstoffzelle in einer bevorzugten Form der Erfindung bei Temperaturen von mindestens 1000 o C, vorzugsweise mindestens etwa 1200 o C. Diese Betriebstemperaturen können erreicht werden, wenn Anodenmaterialien, Kathode und Elektrolyt einander entsprechen und zusammenpassen, in einer herkömmlichen Weise in Bezug auf ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten. Unnötig zu sagen, dass die Anode und die Kathode sollte ausreichend korrosionsbeständigen Materialien hergestellt sein.

Hohe Ionenleitfähigkeit des festen Elektrolyten kann eingestellt werden, wenn der Elektrolyt eine Mischung aus Zirkoniumoxid und Calciumoxid oder aus Zirkoniumoxid und Yttriumoxid ist. Hohe Ionenleitfähigkeit in Verbindung mit Hochgeschwindigkeits-chemischen Reaktionen an den Elektroden gewährleistet eine sehr hohe thermische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Die Leistung weiter als Anodenmaterial verwendet wird, ist vorzugsweise ein keramisches Material auf Basis von Zirkoniumoxiden mit Nickel oder Kobalt. Als Kathodenmaterial hauptsächlich LaNiO 3 oder dotiertes Indiumoxid verwendet wird .

Um die Anzahl der unnötigen Kohlenmonoxid in dem Brennstoffgas zu reduzieren, kann es in den Reaktor von Austauschwasser, wenn Wasserdampf und Wärme für die Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid verarbeitet werden. Kohlenwasserstoffgehalt in dem Arbeitsgas kann aufgrund der Tatsache reduziert werden, dass das Arbeitsgas unmittelbar vor dem durch den Reformer vorbei mit dem Katalysator zugeführt wird, vorzugsweise mit einem Übergangsmetallkatalysator, vorzugsweise ein Nickel-Katalysator, wobei der Katalysator bei der gleichen Temperaturniveau wie die Brennstoffzellen ist.

Sehr hohe spezifische Produktivität der Brennstoffzelle erhalten werden, wenn die Brennstoffzellen verwendet, Kathode, Elektrolyt und Anodenschichten, die in Dünnfilmtechnik auf einen porösen inerten Träger aufgebracht sind. Aufgrund der geringen Dicke der festen Elektrolytschicht, der Innenwiderstand der Brennstoffzelle ist sehr wenig. Es erübrigt sich die Porosität des Trägers zu sagen, ist eine offene Porosität Gas Zugriff auf die direkte Anwendung der Elektrode zu liefern.

Selbst, Brennstoffzellen mit festen Elektrolyten auf Basis von Metalloxiden aus der Praxis bekannt sind, sind jedoch fast ausschließlich in der Raumfahrt verwendet wird, ist das Arbeitsgas Wasserstoff ist, die zuerst in an sich bekannter Weise extrahiert und gespeichert.

Werden die erfindungsgemäßen Verfahren sind als Biomaterialien überwiegend C 4 Pflanzen eingesetzt. C 4 -Pflanzen kann kostengünstig und schnell gewachsen und praktisch enthalten keine Schwefelverbindungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur partiellen Oxidation in dem Oxidationsreaktor in verschiedenen Formen der Ausführung verwendet werden. In einer Form der Ausführung der partiellen Oxidation durchgeführt wird, wenn sie außerhalb erzeugt wird, eine Heizung und ein Verarbeitungshilfsmittel für Gas, das hauptsächlich Wasserdampf. Dieses Verfahren ist als eine andere Beziehung bekannten allothermen Verarbeitungshilfsgas. Die Wärme für die partielle Oxidation kann somit überwiegend durch Verbrennung oder Verbrennungsgas Biomaterial erzeugt werden. Weitere, in der ein Verfahren bevorzugt, Wärme für die partielle Oxidation in einem Oxidationsreaktor zugeführt wird, die eine herkömmliche Wärmeträgergas durch den Wärmetauscher.

In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Teiloxidationsverfahren ohne Zuführen der Wärme von außen und mit einem Hilfsstoff zur Behandlung eines Gases, das hauptsächlich Wasserdampf und molekularem Sauerstoff oder Luft erzeugt wird durchgeführt. Dieses Verfahren wird als eine Beziehung zu der anderen Hilfsgasautothermen Verfahren bekannt. So mit molekularem Sauerstoff in der Vorbereitung für die Verarbeitung der exothermen Oxidationsreaktion auftritt, wobei an der richtigen Stelle ist, die entstehende Wärme für die endotherme Reaktion von Wasserdampf erforderlich, um mit dem Biomaterial.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt das erfindungsgemäße Teiloxidationsverfahren in dem Oxidationsreaktor thermisch Biomaterialien, beispielsweise Luft als ein Arzneimittel zur Behandlung von Hilfsgas. Verwendung von Luft als ein Medikament für die Behandlung, wenn die thermodynamischen Randbedingungen auf das Mengenverhältnis zwischen Sauerstoff und Biomaterial erfüllt werden. Die Luft ist billig und überall verfügbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen , in denen: FIG. 1 - Schema der Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Verfahren zum Schmelz Elektrolyt Carbonatsalz enthält; Fig. 2 - Schema der Anlage für die Verfahren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Elektrolyt aus Phosphorsäure; Fig. 3 - Schema der Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung durchgeführt wird , ein Verfahren und eine Brennstoffzelle , die eine Festoxid umfasst.

Bezugnehmend auf Fig. 1 der Anlage produzierte insbesondere von C 4 -Pflanzen getrocknet und pulverisiert Biomaterial. Biomaterial 1 in eine Reaktionskammer 4 Oxidationsreaktor 2 durch die Leitung 3 zugeführt aus dem Arzneimittelversorgungseinrichtung 5 Begasung Luft als eine Zubereitung geliefert wird für Hilfsgas verarbeitet wird. Oxidation Biomaterial Reaktionskammer 4 in den Oxidationsreaktor 2 wird durch die einströmende Luft und Wärme gesteuert und geregelt, so daß die partielle Oxidation nur ein Biomaterial auftritt Wasserstoff und Kohlenmonoxid, und daß praktisch keine Stickstoffoxide entstehen zu bilden. Diese können herkömmliche Sensoren installiert und Stellelemente sein, die aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind nicht in der Figur gezeigt. Partiell oder vollständig oxidiert feste Biomaterial 1 kommt in Entaschungsvorrichtungen 6. Wasserstoff und Kohlenmonoxid als das Arbeitsgas durch den Mischkanal 8. Der Adsorber 8 Arbeitsgas wird gereinigt von Schwebstoffen 7 Adsorber kommen, die entfernt werden Fließlinien 9 von Schwebeteilchen Arbeiter Gereinigtes Gas wird dann der Anode zugeführt 11 der Brennstoffzelle 10 von der Luftzufuhrvorrichtung 22 gegeben Luft, Kohlendioxid angereicherte zuerst, und dann als ein Medikament zur Behandlung von Hilfsgas zu der Kathode zugeführt wird, 12 der Brennstoffzelle 10.

Zwischen Anode 11 und Kathode 12, Elektrolyt 14 aus einer Mischung von Alkalimetallcarbonaten und Alkalimetall Aluminate geschlossen , die bei einer Temperatur von etwa 650 o C gehalten wird , Die Anode 11 und Kathode 12 offene Poren 13, die Elektrolytkontakt mit dem Arbeitsgas erzeugen 14 und brennbaren Mitteln, aber auch embody Paste Elektrolyt. An der Kathode 12 ist die Reaktion von Kohlendioxid mit Sauerstoff zu Elektronen aus der Kathode und die Bildung von Carbo empfangen, die in dem Elektrolyt auflöst. Carbo bewegen, um die Anode 11 und Wasserstoff mit dem Arbeitsgas reagieren, um Wasser und Kohlendioxid und Kohlenmonoxid Verbrennungsgas zu Kohlendioxid an der Anode 11. Die Elektronenstoß-Gleichspannung, die zwischen der negativen und der positiven Anode 11 Kathode 12 zugeführt wird, um den Wechselrichter zu bilden, und der Spannungswandler 18 und wird in eine normale Netzspannung umgewandelt. Austritt aus dem Anodenabgas brennbares Material zugeführt, durch die Rückführungsvorrichtung 17, Kohlendioxid in das Abgasrohr 16. In diesem Fall werden die Abgase aus dem Recirculator 17 freizugeben Kohlendioxid, die zu den Verbrennungsprodukten zugefügt wird, die Kathode eintritt. Gebildet durch die Kathodenabgasstrom direkt in das Abgasrohr 16.

Bei dem Verfahren von Fig. 1 2 Biomaterial nach dem Verfahren in Fig. 1, es verwandelt sich in Brenngas und von Schwebeteilchen befreit. Daher wird auf die Beschreibung der Figur hergestellt werden. 1.

Ein weiteres Verfahren mit sauren Elektrolyten ist im Detail wie folgt beschrieben. Das Arbeitsgas wird von Schwebeteilchen gereinigt anfänglich in den Reaktor 20'zamescheniya Wasser zugeführt. Zusätzlich zu dieser Reaktor aus einer Quelle 19 'von Heißdampf tritt in den Dampf in ausreichenden Mengen und die erforderliche Temperatur, so dass das Verbrennungsgas-Shift-Reaktion von Kohlenmonoxid in Wasser in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt wird. Gebildet Arbeitsgas mit Wasserstoff und Kohlendioxid als Hauptkomponenten, die in dem Wasserabscheider 21 'von übermäßigen Mengen an Dampf befreit wird und / oder Wasser aus dem Wasser-Shift-Reaktion erzeugt wird. Das Arbeitsgas so behandelte und von Wasser befreit wird an die Anode zugeführt 11 'der Brennstoffzelle 10'. Von Gerät 22 'er bedeutet Luftzufuhr als Brennstoff zur Kathode zugeführt wird, 12' der Brennstoffzelle 10 '. Zwischen der Anode 11 'und Kathode 12' Elektrolyt 14 'eingeschlossen , bestehend aus Phosphorsäure und etwa 10% Wasser, das bei einer Temperatur von etwa 150 o C gehalten wird , Anode 11 'und Kathode 12' geöffnet haben Poren 13 ', die der Elektrolyt ermöglichen, einen Kontakt zu liefern 14' mit einem Arbeitsgas oder Brennstoffmittel, aber sicher Elektrolyt 14 aufgrund der Ausrichtung der Oberflächenspannungen gespeichert. An der Anode 11 'des Arbeitsgases nach dem Wasserstoffrückstoßelektronen Anode 11' in dem Elektrolyten 14 gelöst ist 'als Proton. Die Protonen bewegen sich zur Kathode 12 'und mit Sauerstoff an der Kraftstoffaufnahmeeinrichtung Elektronen von der Kathode 12 reagieren' zu Wasser. Anode 11 'und Kathode 12' haben eine katalytisch aktive Oberfläche von Platin. Und zumindest an der Anode 11 'Platins mit Rhodium legiert. Die Gleichspannung zwischen der negativen Anode 11 'und positive Kathode 12' ist mit dem Wechselrichter und Wandler 18 'zugeführt, und die Spannung in eine normale Netzspannung umgewandelt wird. Ausgehend von den Anodenabgase, die enthalten wesentlich sind Kohlendioxid aus der Reaktion von Wasseraustausch und abgehenden und der Kathodenseite der Verbrennungsabgase, die zusammen mit Luft Komponenten Wasser enthalten, können durch das Abgasrohr 16 'eingeführt werden.

Im Folgenden ist der Saldo aus der partiellen Oxidation von Materialien Biomaterialien ein Beispiel der Erfindung mit allotherme Vergasung Arbeitsgas zu bilden. Biomaterial verwendet wurde, die enthielt 29,4 mol.% Kohlenstoff, 48,3 mol. % Wasserstoff, 21,9 mol.% Sauerstoff, 3,0 Mol.% Stickstoff und 0,3 mol. % Schwefel. Allotherme Vergasung bei einer Temperatur von 750 o C eingetreten ist , aber bei unterschiedlichen Drücken, und zwar bei 40 bar auf 10 bar und 2 bar. Wenn wir erhielten allotherme Vergasung Brenngas enthält 47 Vol.% Wasserstoff, 11,6 Vol.% Kohlenmonoxid, 28,3 Vol.% Kohlendioxid und 12,7 Vol.% Methan. Die Gesamtgasmenge betrug 1,27 m 3 / kg biologisches Material (Normaldruck). Als Ergebnis allotherme Vergasung bei 10 bar Druck, ein Brenngas aus 57,6 Vol.% Wasserstoff erhalten, 15,8 Vol.% Kohlenmonoxid, 22,8 Vol. % Kohlendioxid und 3,6 Vol.% Methan. Netto - Gasmenge belief sich auf 1,67 m 3 / kg biologisches Material (Normaldruck). Als Ergebnis allotherme Vergasung bei einem Druck von 2 bar Arbeitsgas empfangen wird, die umfasst: etwa 61,4% Wasserstoff, 17,6 Vol .. % Kohlenmonoxid, 20,7 Vol.% Kohlendioxid und 0,3 Vol.% Methan. Die Gesamtgasmenge betrug 1,84 m 3 / kg biologisches Material (Normaldruck).

Gasanalyse erfolgte im thermodynamischen Gleichgewicht. In allen Fällen war das Arbeitsgas praktisch frei von Stickstoffoxiden. Schwefeloxide waren nur in geringen Mengen gefunden, die auch nach längerem Gebrauch auf die Leistung der Brennstoffzelle keine Wirkung hatte. Zum Betrieb der Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten, enthaltend Phosphorsäure bei allotherme Vergasung erforderlich ist relativ billig Ersatz Wasserreaktor, weil das Brenngas am Auslaß des Oxidationsreaktors bereits relativ wenig Kohlenmonoxid enthalten und relativ viel Kohlendioxid. Es ist möglich, dass in der Ausführungsform der Erfindung mit allotherme Vergasung und einen Elektrolyten, umfassend Phosphorsäure, kann in der Regel Wasser aus dem Ersatz des Reaktors verzichtet werden. Natürlich, dass die Erfindung innerhalb des freigesetzten Wärme mit Rückkopplung verwendet werden kann, und entsprechend in dem erfindungsgemässen Verfahren wirken.

In Form der Ausführung nach Fig. 3 wird die Vergasung in der Weise gemäß Figur beschrieben, durchgeführt. 1 und 2. Das Arbeitsgas, bereits in geeigneter Weise oben beschrieben, von Schwefelverbindungen befreit wird, um den Wassersubstitutions '20' zugeführt. Zu diesem Reaktor 20 '' wird das Wasser Substitution geliefert, Addition, aus einer Quelle 19 '' heiße Dampf Wasserdampf in ausreichender Menge und bei der gewünschten Temperatur. Gebildet Arbeitsgas mit Wasserstoff und Kohlendioxid als Hauptkomponenten, die in der Wasserabsorber 21 '' exzessiver Wasserdampf und / oder Wasser aus dem Wasser-Shift-Reaktion freigesetzt wird. Das so behandelte und Wasser Arbeitsgas befreit wird zunächst durch eine herkömmliche Adsorber 23 'Kohlendioxid und dann durch den Reformierungsofen 24' geschickt 'einen Katalysator 25' 'von Nickel. Da Reformierungsofen 24 'baulich mit der Brennstoffzelle 10' integriert, die Temperatur des Katalysators 25 'praktisch gleich der Temperatur der Brennstoffzelle 10' 'und ist etwa 1000 o C.

Dann kommt das Arbeitsgas aus dem Ofen 24 '' und aus Kohlenwasserstoffresten fließt durch die Anode 11 befreit '' der Brennstoffzelle 10 ''. Aus dem System 22 '' sicherzustellen, dass die Luft entfernt wird und als Verbrennungsmittel der Kathode 12 zugeführt 'der 10' Brennstoffzelle '. Anode 11 'kann beispielsweise aus einem Keramik-Metall-Oxid von Zirkonium und Kobalt. Die empfohlene LaNiO 3 als Kathodenmaterial. Elektrolyt 14 '' in dem Ausführungsbeispiel hat ein Zirkoniumoxid und Yttriumoxid. Anode 11 'und Kathode 12' weisen Löcher 13 'in Form von Poren, die den Kontakt des Elektrolyten 14 zu realisieren erlauben' 'mit dem Brenngas oder Brennmittel. An der Anode 11 '' des Arbeitsgases erfolgt über die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten 14 '' zu Wasser. Die Sauerstoffionen an der Kathode 12 erzeugte 'der Verbrennungseinrichtung und durch den Elektrolyten 14 übertragen' 'zur Anode. Die Gleichspannung zwischen der negativen Anode 11 '' angelegt und positive Kathode 12 '' ist mit dem Wechselrichter und dem Wechselrichter 18 '' zugeführt und die Spannung in eine normale Netzspannung umgewandelt wird. Die Abwässer aus dem Anodenabgas, die brennbare Stoffe praktisch nur Wasser und Abgase aus der Kathodenseite austritt, enthält hauptsächlich Stickstoff. Beide Substanzen können sofort durch ein Abgasrohr 16 '' zurückgezogen werden.

FORDERUNGEN

  1. Verfahren zur Herstellung von elektrischer Energie aus ausdauernde Schilfpflanzen mit niedrigem Schwefelgehalt zu erzeugen, umfassend die Oxidation von pflanzlicher Biomasse durch Behandlung mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas zur Erzeugung von elektrischer Energie Arbeitsgas poachu Arbeitsgas zu der Brennstoffzelle zu erzeugen, die Wirkung des Gasgemisches in dem Oxidationsreaktor in diesem anfänglich charakterisiert basierend auf Dampf allotherme erzeugen ein Arbeitsgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, erzeugte Gas in der Adsorption von Schwebeteilchen im Wasser Schlaufenreaktor zu Wasserdampf und Wärme oxidieren Kohle gereinigt Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, das modifizierte Verbrennungsgas, das Kohlendioxid und Wasserstoff wird in das eingespeist eine Brennstoffzelle eine poröse Anode, eine poröse Kathode und einen Elektrolyten auf Basis von Phosphorsäure, der Oxidationsreaktor wird durch ein Wärmeübertragungsgas erhitzt geleitet durch den Wärmetauscher, und das Verhältnis von Sauerstoff und Biomasse, sondern auch die Temperatur in dem Oxidationsreaktor enthält, wird so eingestellt, dass das Arbeitsgas ist fast Stickstoffmonoxid ist nicht enthalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsgasstrom in die Brennstoffzelle eine Temperatur oberhalb von 130 o C besitzt, und eine Brennstoffzelle unter Verwendung von Platin-Rhodium - Katalysator.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsgasstrom in die Brennstoffzelle eine Temperatur oberhalb von 130 o C besitzt, und eine Brennstoffzelle , den Platinkatalysator mit Molybdänoxid oder Wolfram verwendet wird .
  4. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus ausdauernde Schilfpflanzen mit niedrigem Schwefelgehalt, umfassend die Oxidation von pflanzlicher Biomasse durch Behandlung mit einem sauerstoffhaltigen Gas Gaszufuhr Arbeitsgas arbeitet, das der Brennstoffzelle zu erzeugen, die elektrische Energie erzeugt, daß zunächst in dem Oxidationsreaktor, dadurch gekennzeichnet, die Wirkung des Gasgemisches basierend auf Dampf allotherme erzeugen ein Arbeitsgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, erzeugte Gas in der Adsorption von Schwebeteilchen im Wasser Schlaufenreaktor zu Wasserdampf und Wärme oxidieren Kohle gereinigt Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, das modifizierte Verbrennungsgas, das Kohlendioxid und Wasserstoff wird in das eingespeist eine Brennstoffzelle eine poröse Anode, eine poröse Kathode und einen Elektrolyten aus geschmolzenem Karbonat enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze aus Alkalimetallcarbonaten in einem pastösen fließfähigen Zustand.

  6. Способ генерирования электрической энергии из многолетних тростниковых растений с незначительным содержанием серы, включающий окисление биомассы растений посредством обработки кислородсодержащим газом с образованием рабочего газа, подачу рабочего газа в топливный элемент, генерирующий электрическую энергию, отличающийся тем, что первоначально в окислительном реакторе действием газовой смеси на основе водяного пара аллотермически генерируют рабочий газ, содержащий оксид углерода и водород, полученный газ очищают в адсорбере от взвешенных частиц, в водяном циркуляционном реакторе действием водяного пара и тепла окисляют оксид углерода в диоксид углерода, модифицированный рабочий газ, содержащий диоксид углерода и водород, подают в нагретый не менее чем до 800 o С топливный элемент, содержащий пористый анод, пористый катод и твердый электролит на основе оксидов металлов.

  7. Способ по п.6, отличающийся тем, что температуру топливного элемента поддерживают свыше 1000 o С .

  8. Способ по п.7, отличающийся тем, что температуру топливного элемента поддерживают свыше 1200 o С .

  9. Способ по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что в качестве твердого электролита используют смесь оксидов циркония и кальция или оксидов циркония и иттрия.

  10. Способ по любому из пп.6 - 9, отличающийся тем, что анод выполнен из смеси оксидов циркония и никеля или оксидов циркония и кобальта.

  11. Способ по любому из пп.6 - 10, отличающийся тем, что катод выполнен из нитрата лантана или легированного оксида индия.

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Дата публикации 29.11.2006гг