专利名称：利用生物原料生产电能的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用生物原料生产电能的方法。“生物原料”通常以所谓的再生原料为其特点，也就是说，从生物意义上说该原料是可回收的，其生产率近似地相当于其消耗率，而矿物原料却相反，矿物原料的形成较其消耗需要多得多的时间。例如，可以一种基本上尚未破坏的细胞组织或碎裂结构的细粉提供生物原料。也可从所谓的生物有机废物得到生物原料。生物原料主要包含碳、氢、氧和氮元素。
从所周知，可通过燃料电池直接将氢转变成电能。同热力发动机比较，燃料电池的优点是其效率不受卡诺循环的基本热力学限制。从理论上讲，燃料电池几乎能将氢同氧反应生成水而产生的燃烧热完全转换成电能。实际上使用燃料电池比使用热力发动机能获得更高的效率而不会存在任何特别困难。然而，燃料电池的催化剂将不会因可能包含在氢中的催化剂毒物而中毒，这被认为是不成问题的。
作为原料的分子态氢无法从市场上买到，而必须从含氢原料中提取。通过一般电解法从水生产氢所消耗的电能要比用氢可能生产的电能多，当然毫无疑问这是产生问题的原因。水的催化分解生成氢和氧的过程十分缓慢。消耗大量能量只能生产少量的氢原料，因而对于商业利用毫无价值。
从煤生产的所谓合成气体主要含有氢和一氧化碳，该生产工艺所需的各种装置长久以来是熟知的。上述方法称为煤气化法。在所谓的水转换反应中，通过升高温度和添加蒸汽能将合成气体中的一氧化碳转变成氢和二氧化碳。
使用合成气体来运转燃料电池基本上是可能的，但实际上明显地存在着相当多的缺点。首先，煤一般都含有天然来源的硫，硫以气态硫化物滞留在合成气体中。硫化合物通常是高品位的催化剂毒物，它能不可逆转地降低燃料电池催化剂的活性，从而也降低了燃料电池本身的活性。至于其它方面，由于环境保护原因，也不希望排放含硫气体。其次，由于地下开采、煤气化处理和必需脱硫而造成的累加消费，使得从煤生产合成气体的费用是相当昂贵的。
Ⅰ本发明的基本任务是提供一种生产电能的方法，该方法可处理粗劣原料、达到高效率、操作可靠而持久而且排放的有害物质极低。
Ⅱ为完成上述任务，本发明提出一种利用生物原料生产电能的方法，其中具备以下各个特征a)使用完全无天然硫源的生物原料;
b)在氧化反应器中利用含氧气化剂进行部分氧化的方法，用生物原料来生产一种含有一氧化碳和氢的燃气;
c)调节和保持氧/生物原料配料比和气相温度，以保证在氧化反应器中燃气实际上无氧化氮;
d)在分离器中，从氧化反应器中逸出的燃气中去除悬浮物;
e)在装有多孔阳极、多孔阴极和碳酸盐熔体电解质的燃料电池内将无悬浮物的燃气转变成电能。
几乎不含或实际上无任何天然硫源的生物原料只显示出少量的蛋白质。
通常这是一些包含基本是纤维素或木质纤维素的植物。完全无天然硫源意味着硫的份额是如此之低，以致燃料电池的催化剂既不会中毒，而硫的排放量也将是在允许范围内。如果硫的份额较高，可通过内联一个普通脱硫工序除硫。在氧化反应器中，升高温度，用氧和/或大气氧和/或蒸汽来处理生物原料，这将导致生物原料部分地氧化成含有一氧化碳和氢的燃气。然后，用这样一种方法选择在氧化反应器中的氧和生物原料的配料比及气相温度，由于相互影响的热力学关系，在选择这些条件时，一方面要使得生物原料的氧化不超过反应产物氢或者被还原成含水氢的分子态氢，另一方面要使得天然氮源和/或大气氮不会在氧化反应器内被氧化成氧化氮。当在气化剂中使用蒸汽时，除一氧化碳以外，燃气还可含有二氧化碳。
问题是当计算氧和原料的配料比和气相温度时，要在原料处理中利用已知方法来考虑连续运行中发生的热平衡偏差。悬浮物是指其粒度和密度允许它们被夹带在燃气流中的颗粒。悬浮物可产生于不燃烧的原料，也可以是灰粒。阳极是指燃料电池中可能有催化活性的电极，燃气沿此阳极向上流动并由于放出电子而被氧化。阴极是指燃料电池中可能有催化活性的电极，燃烧剂沿此阴极向上流动并由于获得电子而被还原。燃烧剂必须包含二氧化碳，以便在阴极处将氧转变成碳酸根离子。多孔是指电极结构，它一方面要保证所有三相(燃气或燃烧剂、电极或催化剂和电解质)接触，而另一方面，例如要通过毛细力作用来防止电解质流入燃气空间或燃烧剂气体空间。因而，术语“多孔”也包括具有适宜网孔宽度的格栅结构。
本发明是以下述知识为基础的，生物原料部分地氧化而产生的燃气能在燃料电池中以相当高的效率被转变成电能，条件是产生燃气的方法必须适于燃气的上述目的。使用完全无天然硫源的生物原料无需采取任何其它措施就能保证一方面燃料电池能持久并可靠地运行而不会使催化剂中毒，另一方面整个过程不会释放任何有害的含硫废物。氧化反应器的运行参数适应于生物原料相对较高的氮含量将保证，尽管氮含量较高但事实上不会释放污染环境的氮氧化物。正像含硫排放物一样，氮的氧化物也是环境保护所不希望的。从燃气中去除在原料部分地氧化期间可能积累增加的悬浮物，将会实现一方面燃料电池电极的细孔不会被阻塞到受干扰的程度，以致减少其比表面积从而降低电流密度，另一方面整个过程无故障地运行而不会排放任何颗粒。可以通过例如旋风滤器等普通装置来分离悬浮物。装有碳酸盐熔体电解质的燃料电池，其特征在于，由于相当高的运行温度而导致特别高的效率及高的特性指数。将来自原料的燃气转变成电能的这类燃料电池的另一个优点是，一氧化碳不仅对催化剂无害，甚至可以象氢一样用来生产电能。一氧化碳和碳酸根离子在阳极处反应，生成二氧化碳并放出电子。本发明的各个特征组合起来将会达到相当好的协同效果，也就是说，以特别高的效率和高可靠性并利用十分粗劣和再生的原料来生产电能，并且事实上无硫化物、氮的氧化物和粉粒排放物。根据本发明方法得到的最终产品是相当干净的水、常规生产的电能、不可避免的二氧化碳。热是副产品并可被回收用于工艺过程尤其是应用在异热(allothermal)方法中。
将生物原料部分地氧化成工作气体的许多方法大体上是已知的。到目前为止，还不知道直接转变成电能的方法或用于这种方法所需要的任何具体的手段。
在本发明方法的最佳实施方案中，碳酸盐熔体基本上是由碱金属碳酸盐和碱金属铝酸盐配合而成的，碳酸盐熔体在燃料电池的运行温度下显示浆膏状的流动特性。溶融状态的碱金属碳酸盐具有极好的离子电导率，熔化温度也比较低。锂、钠和钾的碳酸盐构成的低共熔混合物的熔化温度特别低。添加碱金属铝酸盐有两个作用首先，能在燃料电池的运行温度下生成浆膏状混合物，因为碱金属铝酸盐粉不会被熔化。具有粘稠浆膏状的电解质允许需满足的电极细孔结构的规格条件相当低，而不会危害到电解质的保存。第二，碱金属铝酸盐可能作为二氧化碳缓冲剂。
在本发明方法的十分先进并为环境所接受的实施方案中，从再循环器内阳极一侧上逸出的燃烧废气中提取二氧化碳，并将其添加到流向阴极一侧的燃烧剂中。
装有碳酸盐熔体电解质的燃料电池在阳极一侧放出由于氢的氧化和一氧化碳的氧化作用而产生的二氧化碳。另一方面，在阴极一侧的燃烧剂中需要二氧化碳以便能产生含氧的碳酸根离子。例如，如果燃烧剂要同空气化合，就需要添加二氧化碳。所需的二氧化碳可以通过将来自燃烧废气中的二氧化碳再循环的方法来获得。这种再循环得到最佳的材料平衡，换句话说，是节约了外加的二氧化碳源，并且整个过程可能排放的二氧化碳的总量为最低。可以设计成对包括再生生物原料(尤其是C4植物)在内的环境是中性的二氧化碳循环。
Ⅲ一种利用生物原料生产电能的方法，其中具备以下各个特点，该方法提供一种本说明开始所述任务的单独解决办法a)使用完全无天然硫源的生物原料;
b)在氧化反应器中利用含氧气化剂进行部分氧化反应，用生物原料来生产一种含有一氧化碳和氢的燃气;
c)调节和保持氧/生物原料配料比以及气相的温度，以保证在氧化反应器中的燃气实际上无氧化氮;
d)在分离器中，从氧化反应器提取的燃气中去除悬浮物;
e)在装有多孔阳极、多孔阴极和酸性电解质的燃料电池内将无悬浮物的燃气转变成电能。
上述方法基本上具有使用碳酸盐熔体电解质的方法所具备的任何特性和优点。然而，事实上同后者的区别在于，该燃料电池在比较低的温度下运行，总而言之，酸性电解质的效率比碳酸盐熔体电解质要略低一些。但是，由于较低的运行温度，使电极的腐蚀受到较有效的控制，这样就抵消了上述的缺点。例如，具有细孔结构的电极支撑架的烧结就因此得以避免，所以在这方面将会特别可靠。硫酸和磷酸是最好的电解质。这两种酸，尤其是磷酸，具有相当高的沸点却只含有少量的添加水，从而能使燃料电池在可能高的温度如160℃下运行。
然而，使用酸性电解质的燃料电池的运行温度仍然是如此之低，以致电极的特殊催化活性能促进燃气转变成电能。金和铂的各种化合物或合金分别可考虑作为催化剂使用。大多数其它金属都无法承受硫酸，尤其是磷酸的腐蚀破坏。铂的催化活性通常超过金的催化活性。铂催化剂能被一氧化碳毒害。因此，在本发明方法的一类最佳实施方案中，通过添加蒸汽和加热，在水变换反应器中用酸性电解质处理燃气，以便使一氧化碳转变成氢和二氧化碳。这保证了最佳地利用燃气的总热值。
在本发明使用酸性电解质方法的另一类实施方案中、燃料电池使用铂-铑催化剂在温度＞130℃下运行。在上述条件下，容许燃气中的一氧化碳数量有一定比率。在本发明使用酸性电解质的另一类实施方案中，燃料电池使用含有氧化钼和氧化钨的铂催化剂在温度＜130℃下运行，该实施方案的特征还在于，在燃气中容许有一氧化碳存在。
在本发明方法中，C4植物作为生物原料是有利的。这类植物的代表是多年生C4芦苇植物。C4植物生长迅速、价格低廉而且不存在硫。
就氧化反应器内的部分氧化反应而论，可在各类实施方案中运用本发明的方法。在一种实施方案中，被认为特别重要的是使用外部产生的热和主要含有蒸汽的气化剂来实现部分氧化反应。这种方法换言之可称为异热气化。因为生物原料同蒸汽反应生成燃气是吸热反应，因此，异热气化需要供应外部产生的热量。部分氧化反应所需的热量最好能通过燃烧生物原料或燃气来产生。最好借助于通过热交换器的普通传热气体来向氧化反应器供应部分氧化所需要的热量。
在本发明方法的另一类实施方案中，无需供应外部产生的热量而是使用主要含有蒸汽和分子态氧或空气的所化剂来实现部分氧化。这种方法换言之可称为自热气化。因此，在气化剂中存在分子态氧分的条件下发生放热氧化反应，该气化剂“就地”产生蒸汽和生物原料吸热反应所需的热量。
技术杂志“StahlundEisen”110卷，1990，No.8.131-138页从理论上说明了自热或异热(autothermalorallothermal)气化。直到目前所知，自热或异热气化涉及到利用煤生产工作气体，但就利用生物原料自热地或异热地生产燃气而论，上述文献设有给出任何指示。
Ⅳ一种利用生物原料生产电能的方法提供了解决本发明任务的另一种办法，其中具备以下各个特点a)使用完全无天然硫源的生物原料;
b)在氧化反应器内利用含氧气化剂进行部分氧化反应，用生物原料来生产一种含有二氧化碳和氢的燃气;
c)调节和保持氧/生物原料的配料比和气相温度，以保证氧化反应器内的燃气中实际上无氧化氮;
d)在分离器内，从氧化反应器提取的燃气中去除悬浮物;
e)在装有多孔阳极、多孔阴极和固体电解质的燃料电池内，将无悬浮物的燃气转变成电能，该燃料电池在温度至少为800℃的条件下运行。
结合上述各个特点就很容易自热地或异热地生产燃气。
由于装有金属氧化物固体电解质的燃料电池运行温度特别高，气体热能实际上已超过了多相分解反应的活化能，所以不仅电极的催化作用不必要，而且还在阳极上提供十分高的燃气反应率和在阴极上提供十分高的燃烧剂反应率。反应率高能使燃料电池的比电能高。在本发明的一个最佳实施方案中，燃料电池在温度至少为1000℃的条件下运行，最好是在至少为1200℃的温度下运行。只要用普通方法使阳极、阴极和电解质材料的热膨胀系数相互匹配和适应，没有任何困难就能接受上述范围内的运行温度。当然，这需要选择阳极和阴极的材料，使它们有足够的抗腐蚀性能。
使用氧化锆和氧化钙混合物或氧化锆和氧化钇混合物的电解质，可以得到高的电解质离子电导率。高离子电导率和高电极反应率能确保燃料电池具有特别高的性能。在另一种组合中，含镍或钴的锆氧化物陶瓷金属有利于作为阳极材料，而LaNiO3或掺杂的氧化铟有利于作为阴极材料。
为了减少燃气中的一氧化碳可能产生的干扰作用，可以在水变换反应器内使用蒸汽和加热对燃气进行处理，到便将一氧化碳转变成氢和二氧化碳，在燃气转变成电能以前，使燃气通过装有催化剂、最好是过渡金属催化剂，更好是镍催化剂的烃水蒸汽转化装置，这样可以减少燃气中可以产生干扰作用的烃成分，上述催化剂在与燃料电池相同的温度下工作使用下述那样的燃料电池可以获得各种特别高的性能，该燃料电池的阴极、电解质和阴极以薄膜形式分层地沉积在多孔、惰性基底上。由于该电解质层很薄，所以燃料电池的内阻非常低。当然，基底的气孔是一种开口气孔，以便于使供入的气体能直接与电极接触。
装有金属氧化物电解质的燃料电池在先有技术中是已知的，但几乎只在航天领域中使用，用所携带的氢作为燃气，而氢事先需按常规方法生产出来和贮存好。
利用本发明方法有利于将C4植物作为生物原料。典型的代表是多年生C4芦苇植物。C4植物生长迅速、价格低廉而且实际上不存在硫。
就氧化反应器内部分地氧化的反应而言，本发明方法在各类实施方案中都是有效的。在一种实施方案中，供应外部产生的热和主要含有蒸汽的气化剂进行部分氧化反应。这种方法换言之可称为异热气化。从而，部分氧化所需的热量最好通过燃烧生物原料或燃气来产生。通过热交换器的普通传热气体有利于将部分氧化所需的热量供入氧化反应器内。在本发明方法的另一类实施方案中，无需供应外部产生的热量而分别地使用主要包含蒸汽和分子态氧或空气的气化剂来实现部分氧化反应。这种方法换言之可称为自热气化。因此，是在气化剂中存在分子态氧的条件下发生放热反应，该气化剂“就地”产生蒸汽和生物原料吸热反应所需要的热量。
在本发明方法的另一个实施方案中，氧化反应器内的生物原料用加热的方法进行部分氧化，例如借助于空气作为气化剂。只要满足氧同生物原料配料比有关的热力学要求，没有任何困难就能使用空气作为气化剂。空气总是可以得到的并且是低廉的。
Ⅴ参考仅仅表示各实施例的图解来详细说明本发明，其中
图1是根据本发明方法使用碳酸盐熔体电解质的运行装置简图。
图2是根据本发明方法使用磷酸电解质的运行装置简图。
图3是根据本发明方法的运行装置和一种“固体氧化物”燃料电池的运行简图。
根据图1，切碎并干燥的生物原料，是由植物尤其是C4植物制成的。生物原料1通过管道3被输进氧化反应器2的反应空间4。空气5作为气化剂从气化剂供应装置供入，借助于供入的空气和热源分别控制或调整氧化反应器2的反应空间4内的生物原料的氧化过程，以使得生物原料1仅仅部分地氧化生成氢和一氧化碳，并且实际上不产生氮的氧化物。为了实现上述过程，可以装配常规传感器和致动器(为清楚起见未表示出来)。部分或完全氧化后，从灰尘排放管6提取固体生物原料1。从燃气收集管7抽出氢和一氧化碳作为燃气供入分离器8。在分离器8内从燃气中去除悬浮物，并通过悬浮物收集管9单独排放悬浮物。然后将无悬浮物的燃气输送到燃料电池10的阳极11。从空气供应装置22引出的空气首先用二氧化碳加浓，然后作为燃烧剂供入燃料电池10的阴极12。碱金属碳酸盐和碱金属铝酸盐组成的电解质14被封装在阳极11和阴极12之间，并保持约650℃的温度。阳极11和阴极12具有开口小孔13，它能使电解质14分别同燃气和燃烧剂接触，却又能安全地密封住浆膏状电解质。一氧化碳与氧在阴极12处反应，并同时吸收了来自阴极的电子而变成碳酸根离子并溶入电解质中。然后碳酸根离子迁移到阳极11并与燃气中的氢反应生成水和二氧化碳，以及与燃气中的一氧化碳反应生成二氧化碳，同时将电子发射到阳极11。因此，在带负电的阳极11和带正电的阴极12之间建立的直流电压被接到电源逆变器和电压变压器18上，并被转变成正常的电源电压。二氧化碳再循环器17将在阳极一侧产生的燃烧废气供入排放管16。同时，从二氧化碳再循环器17内的燃烧废气中提取二氧化碳。将在阴极一侧产生的燃烧废气直接输进排放管16。
在根据图2的方法中，生物原料1被转变成燃气并根据图1去除悬浮物，参考图1的说明。在两个图中彼此相当的装置采用相同参考符号。以下详细说明使用酸性电解质的另一种方法首先，将去除了悬浮物的燃气供入水变换反应器20′，还将来自过热蒸汽源19′的足够量的蒸汽在所要求的温度下供入反应器20′，以使燃气中的一氧化碳在水变换反应器中转变成氢和二氧化碳。当含有作为主要成分的氢和二氧化碳的燃气产生后，在水分离器21′内从燃气中去除由于水变换反应而带来的多余蒸汽和/或水。然后将经过如此处理和去除水后的燃气供入燃料电池10′的阳极11′。从空气供应装置22′抽取空气并将其作为燃烧剂供入燃料电池10′的阴极12′。温度约为150℃和含有约10%的水的磷酸电解质14′被封装在阳极11′和阴极12′之间。阳极11′和阴极12′都具有能使电解质14′分别同燃气和燃烧剂接触的开口小孔13′，而又由于具有适宜地匹配的表面张力，因此能可靠地密封住电解质14′。在阳极11′处，燃气中的氢作为质子溶解入电解质14′，同时将电子给予阳极11′。然后，质子迁移到阴极12′处并与燃烧剂中的氧反应生成水，同时吸收来自阴极12′的电子。阳极11′和阴极12′都具有催化活性的铂表面。至少向阳极11′的铂中添加掺杂金属铑。在带负电的阳极11′和带正电的阴极12′之间建立的直流电压被接到电源逆变器和电压变压器18′，并被转换成正常的电源电压。从阳极一侧逸出的燃烧废气实际上只含有来自水变换反应的二氧化碳，而从阴极逸出的燃烧剂废气除空气成分外仅仅包含水，它们都能毫无困难地通过排放管16′排放掉。
以下示出本发明使用异热气化实施例的生物原料部分氧化成燃气的各种物料的平衡使用一份生物原料，它同时含有29.4摩尔%碳、48.3摩尔%氢、21.9摩尔%氧、3.0摩尔%氮和0.3摩尔%硫。异热气化反应通常是在750℃但在不同压力下进行，换言之，压力分别为40巴、10巴和2巴。压力为40巴的异热气化反应产生的燃气含有47%(体积)氢、11.6%(体积)一氧化碳、28.3%(体积)二氧化碳和12.7%(体积)甲烷。净气体量等于1.27m3/kg生物原料(常压)。压力为10巴的异热气化反应产生的燃气含有57.6%(体积)氢、15.8%(体积)一氧化碳、22.8%(体积)二氧化碳和3.6%(体积)甲烷。净气体量等于1.67m3/kg生物原料(常压)。压力为2巴的异热气化反应产生的燃气含有61.4%(体积)氢、17.6%(体积)一氧化碳、20.7%(体积)二氧化碳和0.3%(体积)甲烷。净气体量等于1.84m3/kg生物原料(常压)。在热平衡状态下进行气体分析。在所有情况中实际上都不存在氮的氧化物。仅能探测到微量的氧化硫，即令在长期运行中上述微量的氧化硫也不影响燃料电池的性能。为了让使用磷酸电解质的燃料电池运行，进行异热气化反应只需要一个比较简单的水变换反应器。因为从氧化反应器逸出的燃气中已经包含相对较少的一氧化碳和相对较多的二氧化碳。在使用异热气化反应和磷酸电解质的本发明实施方案中，很有可能完全省去水变换反应器。显然，在本发明范围内释放的热量可以根据发明的方法适当地予以再生。
在图3所示的实施方案中，根据图1和图2进行气化。然后以上述方式将无悬浮物的燃气供入水变换反应器20″，还将来自过热蒸汽源19″的足够量蒸汽在所要求的温度下输送到反应器20″。当含有作为主要成分的氢和二氧化碳的燃气产生以后，在水分离器21″内从燃气中去除由于水变换反应而带来的多余蒸汽和/或水。首先，使经过如此处理和去除水后的燃气通过一个常规的二氧化碳分离器23″，然后再通过装有镍催化剂25″的烃水蒸汽转化装置24″。由于烃水蒸汽转化装置24″在结构上同燃料电池10″连接在一起，所以催化剂25″的温度实际上等于燃料电池10″的温度，即约为1000℃。从烃水蒸汽转化装置24″流出的无碳残留物的燃气流过燃料电池10″的阳极11″。把来自空气供应装置22″的空气供入燃料电池10″作为阴极12″的燃烧剂。例如，阳极11″可由氧化锆和氧化钴的陶瓷金属组成。LaNiO3可用作阴极材料。在本实施方案的电解质14″中存在着氧化锆和氧化钇。阳极11″和阴极12″都具有能使电解质14″分别同燃气和燃烧剂接触的小孔13″。燃气中的氢同电解质14″的氧离子反应在阳极11″处燃烧而变成水。在阴极12″处从燃烧剂中得到氧离子并由电解质14″将其输送到阳极。在带负电的阳极11″和带正电的阴极12″之间建立的直流电压被接到电源逆变器和电压变压器18″上，并被转变成正常的电源电压。从阳极一侧逸出的燃烧废气实际上只包含水，而从阴极一侧逸出的燃烧剂废气主要包含氮。二者都能毫无困难地通过排放管16″排放掉。
权利要求
1.利用生物原料生产电能的方法，其中具备以下各个特点a)使用完全无天然硫源的生物原料(1)；b)在氧化反应器(2)内利用含氧气化剂进行部分氧化的方法，用生物原料(1)来生产一种含有一氧化碳和氢的燃气；c)调节和保持氧/生物原料配料比和气相温度，以保证在氧化反应器(2)内的燃气实际上无氧化氮；d)在分离器(8)内从氧化反应器抽取的燃气中去除悬浮物；e)在装有多孔阳极(11)、多孔阴极(12)和碳酸盐熔体电解质(14)的燃料电池(10)内将无悬浮物的燃气转变成电能。
2.根据权利要求1的方法，其中碳酸盐熔体主要由碱金属碳酸盐和碱金属铝酸盐组成，其中碳酸盐熔体在燃料电池(10)运行温度下具有浆膏状流动性能。
3.根据权利要求1或2的方法，其中从再循环器(17)内阳极一侧逸出的燃烧废气中抽取二氧化碳，并将其供入流向阴极一侧的燃烧剂物流中。
4.利用生物原料(1)生产电能的方法，其中具备以下各个特点a)使用完全无天然硫源的生物原料(1);b)在氧化反应器(2)内利用含氧气化剂进行部分氧化的方法，用生物原料(1)来生产一种含有一氧化碳和氢的燃气;c)调节和保持氧/生物原料配料比和气相温度，以保证在氧化反应器(2)内的燃气实际上无氧化氮;d)在分离器(8)内从氧化反应器抽取的燃气中去除悬浮物;e)在装有多孔阳极(11)、多孔阴极(12)和酸性电解质(14)的燃料电池(10)内将无悬浮物的燃气转变成电能。
5.根据权利要求4的方法，其中电解质(14)包含硫酸或磷酸。
6.根据权利要求4或5的方法，其中在水变换反应器(20)内用供应的蒸汽和热量来处理燃气，以便将一氧化碳转变成氢和二氧化碳。
7.根据权利要求4至6中任一项的方法，其中燃料电池(10′)运行在温度＞130℃，并使用铂/铑催化剂。
8.根据权利要求4至6中任一项的方法，其中燃料电池(10′)运行在温度＜130℃，并使用含有钼和/或钨氧化物的铂催化剂。
9.概括权利要求1至8中任一项的方法，其中C4植物被用作生物原料(1，1′)。
10.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中供应外部产生的热量并使用主要包含蒸汽的气化剂来进行部分氧化反应。
11.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中从外部燃烧生物原料(1)以产生部分氧化所需的热量。
12.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中从外部燃烧燃气以产生部分氧化所需的热量。
13.根据权利要求1至12中任一项的方法，其中通过热交换器的普通传热气体将外部产生的部分氧化所需的热量供入氧化反应器(2)。
14.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中无需供应外部产生的热量而是使用主要包含蒸汽和分子态氧或空气的气化剂分别进行部分氧化。
15.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中用加热的方法例如使用空气作为气化剂，在氧化反应器(2，2′)内完成生物原料(1，1′)的部分氧化。
16.根据本主要专利申请利用生物原料生产电能的方法，其中具备以下各个特点a)使用完全无天然硫源的生物原料(1);b)在氧化反应器(2)内利用含氧气化剂进行部分氧化的方法，用生物原料(1)来生产一种含有一氧化碳和氢的燃气;c)调节和保持氧/生物原料配料比和气相温度，以保证在氧化反应器(2)内燃气实际上无氧化氮;d)在分离器(8)内从氧化反器(2)内抽取的燃气中去除悬浮物;e)在装有多孔阳极(11″)、多孔阴极(12″)和金属氧化物电解质(14″)的燃料电池(10)内将无悬浮物的燃气转变成电能，该燃料电池在温度最低为180℃的条件下运行。
17.根据权利要求1的方法，其中燃料电池(10″)在温度至少为1000℃，最好至少为1200℃的条件下运行。
18.根据权利要求1或2的方法，其中氧化锆和氧化钙的混合物或氧化锆和氧化钇的混合物被用作电解质(14″)。
19.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中以最好含有镍或钴的氧化锆陶瓷金属作为阳极(11″)。
20.根据权利要求1至4中任一项的方法，其中LaNiO3或氧化铟被用作阴极(12″)。
21.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中在水变换反应器(20″)内用供应的蒸汽和热量来处理燃气，以便将一氧化碳转变为氢和二氧化碳。
22.根据权利要求1至6中任一项的方法，其中燃气在转变成电能以前通过装有催化剂(25″)，最好是过渡金属催化剂，更好是镍催化剂的烃水蒸汽转化装置(24″)，催化剂(25″)在与燃料电池(10″)相同的温度下运行。
23.根据权利要求1至7中任一项的方法，其中使用这样一种燃料电池(10″)，其中的阴极(12″)、电解质(14″)和阳极(11″)以薄膜形式分层地被涂覆在多孔、惰性的基底上。
24.根据权利要求1至8中任一项的方法，其中C4植物被用作生物原料(1)。
25.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中供应外部产生的热量和使用主要包含蒸汽的气化剂进行部分氧化反应。
26.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中通过燃烧生物原料(1)来从外部产生部分氧化所需的热量。
27.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中通过燃烧燃气来从外部产生部分氧化所需的热量。
28.根据权利要求1至12中任一项的方法，其中通过热交换器的普通传热气体将外部产生的部分氧化所需的热量供入氧化反应器(2)。
29.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中无需供应外部产生的热量而是使用主要包含蒸汽和分子态氧或空气的气化剂分别实现部分氧化。
30.根据权利要求1至9中任一项的方法，其中用加热的方法，例如使用空气作为气化剂在氧化反应器(2)内实现生物原料(1)的部分氧化。
全文摘要
提供了多种利用生物原料生产电能的方法，其中具备以下各个特点使用完全无天然硫源的生物原料，通过部分氧化在氧化反应器内利用生物原料生产燃气，其中调节和保持氧/生物原料的配料比和气相温度，以保证燃气实际上无氧化氮。在分离器内从燃气中去除悬浮物后，在装有多孔阳极、多孔阴极和适宜电解质的燃料电池内，将燃气转变成电能。
文档编号H01M8/06GK1076553SQ9310225
公开日1993年9月22日 申请日期1993年3月12日 优先权日1992年3月13日
发明者W·约翰逊 申请人:W·约翰逊