CN108987780A - 一种生物质液流燃料电池系统 - Google Patents

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孙乐乐
易国斌
刘晓纯
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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种生物质液流燃料电池系统。本发明公开了一种生物质液流燃料电池系统，包括阳极电解液和阴极电解液，其阳极电解液为二价铁阳极电解液，其阴极电解液为五价钒阴极电解液；所述二价铁阳极电解液的制备方法为将铁盐、第一强酸和生物质在第一溶剂中进行第一反应制得所述二价铁阳极电解液；所述五价钒阴极电解液的制备方法为将氧化钒和第二强酸在第二溶剂中进行第二反应制得所述五价钒阴极电解液。本发明提供的一种生物质液流燃料电池系统，有效的解决了现有燃料电池能耗过高、产电效率低、循环利用率低以及催化剂易失活的技术问题。

Description

一种生物质液流燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种生物质液流燃料电池系统。
背景技术
近年来，世界经济的飞速发展导致化石能源过度消耗，造成全球资源紧缺、环境污染和气候恶化等一系列问题。我国能源消费总量大、增长快、需求大，且许多能源仍对国外有很大的依赖性。因而必须推进我国能源变革，大规模开发、大规模配置清洁能源。生物质资源是一种来源广泛、储量丰富、可再生、污染小的清洁资源，电能则是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，因而开发生物质向电能的直接转化越来越吸引人们的注意力。
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，从而避免了中间能量转换损失，发电效率高，环境污染小且燃料品种丰富。目前，有关生物质燃料电池的研究主要集中在固体氧化物燃料电池和微生物燃料电池等类型。其中固体氧化物燃料电池需要将生物质高温气化，能耗过高，循环利用率较低。现有的微生物燃料电池尽管工作温度低，具有降解污染物和产电双重功能，但电池产电效率很低，且产电微生物自身代谢能力和循环利用率低，易受热或某些化学物质破坏而失活。
因此，现有的燃料电池能耗过高、产电效率低、循环利用率低以及催化剂易失活成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种生物质液流燃料电池系统，有效的解决了现有燃料电池能耗过高、产电效率低、循环利用率低以及催化剂易失活的技术问题。
本发明提供了一种生物质液流燃料电池系统，包括阳极电解液和阴极电解液，其阳极电解液为二价铁阳极电解液，其阴极电解液为五价钒阴极电解液；
所述二价铁阳极电解液的制备方法为将铁盐、第一强酸和生物质在第一溶剂中进行第一反应制得所述二价铁阳极电解液；
所述五价钒阴极电解液的制备方法为将氧化钒和第二强酸在第二溶剂中进行第二反应制得所述五价钒阴极电解液。
优选的，所述第一反应的温度为50～120℃。
更优选的，所述第一反应的温度为113℃。
优选的，所述铁盐溶于所述溶剂中形成铁盐溶液，所述铁盐溶液的浓度为0.001～5mol/L。
优选的，所述铁盐包括三氯化铁、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
更优选的，所述铁盐为三价铁盐。
进一步优选，所述铁盐为三氯化铁。
优选的，所述第一强酸溶于所述溶剂形成强酸溶液，所述强酸溶液的浓度为0.01～10mol/L。
优选的，所述第一强酸包括盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。
更优选的，所述第一强酸为盐酸。
优选的，所述第二反应的温度为0～30℃。
优选的，所述氧化钒溶于所述第二溶剂中形成氧化钒溶液，所述氧化钒溶液的浓度为0.01～5.0mol/L。
优选的，所述氧化钒包括五氧化二钒、二氧化钒、三氧化二钒和一氧化钒中的一种或多种。
更优选的，所述氧化钒为五氧化二钒。
优选的，所述第二强酸包括硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或多种。
更优选的，所述第二强酸为强酸。
本发明提供的生物质液流燃料电池系统，其包括二价铁阳极电解液与五价钒阴极电解液，上述电解液在生物质液流燃料电池系统中进行电化学反应发电，同时分别生成含三价铁和四价钒的溶液，并相应地回流到阳极电解液槽和阴极电解液槽中。阳极板反应液回流到阳极电解液槽后，与阳极电解液槽中的生物质及系列中间产物继续发生氧化还原反应实现二价铁的再生。阴极板反应液回流到阴极电解液槽后，与氧气和酸反应实现五价钒的再生。然后，通过阴阳极电解液在生物质液流燃料电池系统中的循环流动与再生，维持整个生物质发电系统的稳定持续运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1的红外光谱图；
图2为本发明实施例2的电化学性能图；
图3为本发明实施例3的电化学性能图；
图4为本发明实施例4的电化学性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种生物质液流燃料电池系统，有效的解决了现有燃料电池能耗过高、产电效率低、循环利用率低以及催化剂易失活的技术问题。
以下就本发明所提供的一种生物质液流燃料电池系统做进一步说明。
实施例1
1、水稻秸秆氧化降解2.5h：将25g六水合三氯化铁和6mL浓盐酸溶于44mL去离子水中，然后加入2g水稻秸秆，加热至113℃反应2.5h，过滤反应液，低温烘干滤渣，待用。
2、水稻秸秆氧化降解5h：将25g六水合三氯化铁和6mL浓盐酸溶于44mL去离子水中，然后加入2g水稻秸秆，加热至113℃反应5h，过滤反应液，低温烘干滤渣，待用。
3、将水稻秸秆原样、2.5h和5h时的固体产物滤渣进行红外测试，结果如图1所示。红外谱图分析如下：与未经处理的水稻秸秆原样相比，2.5h和5h谱图峰形明显不同。原样中2920cm-1附近的饱和C-H键的峰先增强后减弱，1383cm-1附近C-H键的峰逐渐减弱，1630cm-1附近C＝O的峰逐渐减弱，1160cm-1、1110cm-1和1060cm-1附近的C-O峰先增强后减弱。证明了在上述条件下，三价铁离子可有效氧化降解水稻秸秆，且中间产物在不断地变化，生成一系列中间产物。
实施例2
1、配制二价铁阳极电解液：将25g的六水合三氯化铁和6mL浓盐酸溶于44mL去离子水中，然后加入2g的水稻秸秆，加热至113℃反应5h，待用。
2、配制五价钒阴极电解液：将20g五氧化二钒加入524mL去离子水中，冰浴下搅拌，然后加入76mL浓硫酸，继续搅拌反应5h，待用。
3、将配制好的二价铁阳极液和五价钒阴极液分别装入80℃的阳极液槽和阴极液槽中，利用蠕动泵将阳极液和阴极液分别输送到电池的阳极和阴极，然后用电化学工作站对电池进行测试，检测电池的输出电压、电流密度、功率密度，结果如图2所示，实施例2制备的电池的最大输出电压为0.66mV、最大电流密度为746mA/cm2、最大功率密度为106mW/cm2。
实施例3
1、配制二价铁阳极电解液：将30g的六水合三氯化铁和12mL浓盐酸溶于48mL去离子水中，然后加入3g的甘蔗渣，加热至100℃反应5h，待用。
2、配制五价钒阴极电解液：将20g五氧化二钒加入524mL去离子水中，冰浴下搅拌，然后加入76mL浓硫酸，继续搅拌反应5h，待用。
3、将配制好的二价铁阳极液和五价钒阴极液分别装入80℃的阳极液槽和阴极液槽中，利用蠕动泵将阳极液和阴极液分别输送到电池的阳极板和阴极板，然后用电化学工作站对电池进行测试，检测电池的输出电压、电流密度、功率密度，结果如图3所示，实施例3制备的电池的最大输出电压为0.66mV、最大电流密度为1128mA/cm2、最大功率密度为162mW/cm2。
实施例4
1、配制二价铁阳极电解液：将60g的六水合三氯化铁和25mL浓盐酸溶于95mL去离子水中，然后加入6g的甘蔗渣，加热至113℃反应5h，待用。
2、配制五价钒阴极电解液：将20g五氧化二钒加入524mL去离子水中，冰浴下搅拌，然后加入76mL浓硫酸，继续搅拌反应5h，待用。
3、将配制好的二价铁阳极液和五价钒阴极液分别装入80℃的阳极电解液槽和阴极电解液槽中，利用蠕动泵将阳极液和阴极液分别输送到电池的阳极板和阴极板，然后利用电化学工作站对电池进行性能测试，固定电池的输出电压为0.3V，检测电池的电流密度随时间的变化，结果如图4所示，输出电压固定在0.3V时该电池的电流密度稳定在400mA/cm2，可以算出电池的功率密度可保持在120mW/cm2。
对比例1
同济大学开发一种光合藻微生物燃料电池，在处理含藻废水的同时可产生6.4mW·m-2(即0.00064mW·cm-2)的电能。
对比例2
韩国Dae Sung Lee研究组报道了双室微生物燃料电池，橘子皮为燃料时最大输出功率为358.8mW·m-2(即0.03588mW·cm-2)。
综上所述，本发明实施例中的三价铁离子可有效氧化降解生物质并生成二价铁离子，不仅实现了燃料电池系统的循环流动再生，还使生物质废弃物等得到有效地循环利用，且本发明实施例中的生物质液流燃料电池系统在兼具降解污染物和产电双重功能的同时，其产电效率远远高于对比例1及对比例2中现有的微生物燃料电池，适用于大批量工业生产。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种生物质液流燃料电池系统，其特征在于，包括阳极电解液和阴极电解液，其阳极电解液为二价铁阳极电解液，其阴极电解液为五价钒阴极电解液；
所述二价铁阳极电解液的制备方法为将铁盐、第一强酸和生物质在第一溶剂中进行第一反应制得所述二价铁阳极电解液；
所述五价钒阴极电解液的制备方法为将氧化钒和第二强酸在第二溶剂中进行第二反应制得所述五价钒阴极电解液。
2.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述第一反应的温度为50～120℃。
3.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述铁盐溶于所述溶剂中形成铁盐溶液，所述铁盐溶液的浓度为0.001～5mol/L。
4.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述铁盐包括氯化铁、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述第一强酸溶于所述溶剂形成强酸溶液，所述强酸溶液的浓度为0.01～10mol/L。
6.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述第一强酸包括盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述第二反应的温度为0～30℃。
8.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述氧化钒溶于所述第二溶剂中形成氧化钒溶液，所述氧化钒溶液的浓度为0.01～5.0mol/L。
9.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述氧化钒包括五氧化二钒、二氧化钒、三氧化二钒和一氧化钒中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的生物质液流燃料电池系统，其特征在于，所述第二强酸包括硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或多种。
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