[发明专利]木质纤维素生物质直接转化为电能的方法

说明书

本发明公开了木质纤维素生物质直接转化为电能的方法。其中，包括：(1)将木质纤维素生物质原料与氧化态的有机电子载体溶液混合，在液流式燃料电池的阳极反应室中进行反应；(2)将阴极氧化剂或电子载体溶液装入液流式燃料电池的阴极反应室中，并通入空气或氧气进行反应；(3)将阳极反应器内的反应液通入液流式燃料电池的阳极放电室，并将阴极反应器内的反应液通入液流式燃料电池的阴极放电室，连接外部负载，获得电能；(4)将阳极放电室中的液体循环回阳极反应室继续进行反应，将阴极放电室中的液体循环回阴极反应室继续进行反应。该方法所需的反应条件温和，可在酸性、中性以及碱性条件下实现木质纤维素到电能的直接转化。

技术领域

本发明属于生物质能源领域，具体而言，涉及木质纤维素生物质直接转化为电能的方法。

背景技术

近二十年来，由于化石资源短缺、温室效应和环境污染日益严重，以可再生的生物质资源为原料生产燃料、材料、化学品和电能的生物炼制技术被认为是最具有发展前景的可持续加工技术之一。木质纤维素生物质例如农作物秸秆、林业废弃物等是生产生物质能源的主要原料之一。另一方面，木质纤维素也可以作为电能生产的燃料。电能是现代文明社会必不可少的能源形势之一，而目前将木质纤维素生物质用于电能生产的方法主要是将生物质进行直接燃烧或与煤混燃后生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电，以及将生物质在气化炉中气化生成可燃气体,经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。这些技术发展相对成熟，且主要是采用大型汽轮机和发电机针对大规模电网应用开发的，而针对小型和便携设备的直接生物质燃料电池技术开发还处于起步阶段。

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，已在军事、空间技术、机动车、移动设备、居民家庭等很多领域具有广泛应用。以木质纤维素为燃料的燃料电池主要分为间接生物质燃料电池(IDFBC)和近两年新发展的直接生物质燃料电池(DBFC)。IDFBC是首先将木质纤维素生物质通过化学或生物法转化为易于利用的小分子物质，然后进一步转化为电能的燃料电池技术。其按类型主要分为微生物燃料电池(MFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及直接炭燃料电池(DCFC)。生物质MFC中，木质纤维素生物质往往需要通过化学或化学转化，获得可被微生物利用的碳源，例如葡萄糖、木糖等可发酵糖类、乙酸等有机酸和酚类化合物，这些化合物进而被MFC中的产电微生物利用和转化为电能。一些微生物燃料电池也可以直接采用木质纤维素为燃料进行发电，但发电效率和速率均很小。生物质SOFC中，木质纤维素原料首先通过气化获得主要含H₂和CO的合成气，合成气进一步作为燃料在SOFC中转化为电能。生物质DCFC中，木质纤维素原料首先经过热解炭化获得生物炭，该炭材料进一步作为燃料在DCFC中氧化转化为电能。在电池操作条件和电池功率密度上，MFC虽然可在低于50℃的温和条件下进行，但放电速率慢，功率密度往往低于0.5mW/cm²，对于采用难以降解的生物质原料和酚类化合物为燃料时，功率密度更是低于0.05mW/cm²。SOFC采用合成气为燃料时，可获得高达1500mW/cm²的功率密度，但SOFC的操作需要在600-900℃的高温下进行，且合成气中存在的硫等杂质会造成催化剂失活，降低电池效率。DCFC虽然可直接采用固体碳材料为原料，且功率密度可达900mW/cm²，但燃料(固体碳)与电极和催化剂之间的接触性差以及严重的电极腐蚀是制约DCFC大规模应用的主要瓶颈。总体来讲，IDFBC需要将外部的生物质转化系统与燃料电池系统相结合，不仅需要增加额外的处理过程和设备，而且外部的化学和生物转化会造成显著的损失，从而使得生物质到电能的转化效率较低。