CN109293011B - 一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，包括悬浮物过滤系统、微生物培养系统、联合反应系统、储能蓄电系统、电池升压系统和智能控制系统，悬浮物过滤系统通过管道与微生物培养系统连接；悬浮物过滤系统与微生物培养系统相连，微生物培养系统与双室燃料电池和单室燃料电池相连，双室燃料电池与氢氧固态燃料电池相连，三组燃料电池联合反应系统与储能蓄电装置相连，储能蓄电装置与电池升压系统相连，整个装置的操作运行以及参数调整、废物处理在智能控制系统下进行。本发明具有操作简单，运行方便及高基质、高能量转化率，能够最大程度的利用矿井水中的微生物及有机质资源，改善水质，降低污染，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置。
背景技术
我国的煤矿资源丰富且地质构造条件复杂，是世界上煤矿水害最严重的国家之一。水矿灾害不仅容易造成井下作业人员重大伤亡，而且经济损失大，社会影响面广。酸性矿井水是在开采煤矿过程中因硫铁矿氧化而产生的一种酸性废水，一旦进入水体中将严重污染生态环境。现存处理酸性矿井水方法众多，常规法以化学法为主，兴新技术以生物法为主。碱性矿井水也是煤矿矿井水常见的一种形式，碱性较高，一般先用废酸与其发生中和反应，然后再进行后续处理。矿井水中且含有丰富的微生物及各种离子包括超标的如SO2- 4、NO- 2和有机物，利用矿井水中的硫酸盐还原菌和反硝化细菌进行代谢能够降低矿井水中的超标离子浓度。对矿井水资源及其内含的复杂污染性物质进行绿色利用成为人们日益关注的重点。
面对全球环境和能源的挑战，人们对新能源技术的发展充满期待。生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类，能利用微生物催化剂将化学能转变为电能，被认为是新能源技术中最有前途的技术之一。按照催化剂形式的不同，生物燃料电池可分为微生物燃料电池和酶燃料电池，前者利用整体微生物中的酶，后者直接对酶利用，且大多数燃料电池只在阳极使用生物催化剂。理论上，各种微生物都有可能作为生物燃料电池的催化剂，如常使用的大肠杆菌、Proteus vulgaris等。传统微生物电池以葡萄糖或蔗糖为燃料，利用介体从细胞代谢过程中接受电子，并传递到阳极。与酶电池相比，微生物燃料电池利用率低，副反应较多，因此选择适当的菌体—介体组合，对微生物燃料电池的设计至关重要。厌氧微生物作为催化剂在分解有机物的同时，将储存的化学能转化为电子和质子，质子经过质子交换膜到达阴极室，电子通过外电路回到阴极形成完整回路，其优点是结构简单，原料来源广泛、发电效率高、操作条件温和、对环境污染少，生物相容性好，属于可再生绿色电池。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能够利用矿井水中的微生物及有机物实现低成本运行，无需添加电子中介体，并且三组电池能够串联供电，实现资源的最优利用和电能的最大输出的利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，包括悬浮物过滤系统、微生物培养系统、联合反应系统、储能蓄电系统、电池升压系统和智能控制系统，悬浮物过滤系统通过管道与微生物培养系统连接，微生物培养系统通过管道与联合反应系统连接，联合反应系统通过电线与储能蓄电系统连接，储能蓄电系统通过电线与电池升压系统连接；所述的智能控制系统分别与悬浮物过滤系统、微生物培养系统、联合反应系统、储能蓄电系统和电池升压系统电连接。
悬浮物过滤系统包括进水管和悬浮物过滤网，微生物培养系统包括恒温培养箱，恒温培养箱上设有进水口和出水口，进水管与恒温培养箱的进水口连接，进水管上设有进水阀门，悬浮物过滤网设置在恒温培养箱的进水口处，恒温培养箱的出水口通过出水管与联合反应系统连接，出水管上设有出水阀门，恒温培养箱上还设有温度显示计和pH调节口；智能控制系统通过控制线路分别与恒温培养箱、出水阀门和进水阀门连接。
联合反应系统由单室微生物燃料电池、双室微生物燃料电池和氢氧固态燃料电池组成；
单室微生物燃料电池包括单极反应室，出水管通过第一支管与单极反应室连接，第一支管上设有第一进液阀门，单极反应室内设有第一阳极材料和第一阴极材料，第一阳极材料和第一阴极材料通过第一外电路导线连接，第一外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接，单极反应室上还设有第一数据显示器、第一温度传感器和第一电位传感器，单极反应室的顶部设有第一进料口和第一排气口，第一进料口与第一排气口位于相对两侧，单极反应室的底部设有第一排液管，第一排液管上设有第一排液阀门；
双室微生物燃料电池包括阳极反应室和阴极反应室，阳极反应室与阴极反应室通过第一质子交换膜隔开，第一质子交换膜的安装处设有密封圈；出水管通过第二支管与阳极反应室连接，第二支管上设有第二进液阀门，阳极反应室内设有第二阳极材料，阴极反应室内设有第二阴极材料，第二阳极材料和第二阴极材料通过第二外电路导线连接，第二外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接，阳极反应室上还设有第二数据显示器、第二温度传感器和第二电位传感器，阳极反应室的顶部设有第二进料口和第二排气口，阴极反应室上设有第三排气口，阴极反应室上部设有进液口。阴极反应室的底部设有第二排液管，第二排液管上设有第二排液阀门；
氢氧固态燃料电池包括双极板，双极板上设有并排的阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间设有第二质子交换膜，阳极板上设有电催化剂Pt，阳极板和阴极板的外层均设有吸附扩散层，阳极板与阴极板通过第三外电路导线连接，第三外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接；双极板上还设有氢气回收口、氢气进气口、氧气回收口和氧气进气口，其中氢气回收口和氢气进气口位于阳极板一侧，氢气回收口位于氢气进气口的上方，氧气回收口和氧气进气口位于阴极板一侧，氧气进气口位于氧气回收口的上方；；
智能控制系统通过控制线路分别与第一数据显示器、第一温度传感器、第一电位传感器、第一进液阀门、第一排液阀门、第二进液阀门、第二数据显示器、第二温度传感器、第二电位传感器和第二排液阀门连接。
储能蓄电系统包括正极、负极和聚能环，聚能环内并排设有若干储能管，相邻的储能管之间设有隔热层。
电池升压系统为变电器。
第一阳极材料和第二阳极材料为石墨烯材料，第一阴极材料和第二阴极材料为碳纸，第一质子交换膜和第二质子交换膜为Nafion112膜。
单室微生物燃料电池的单极反应室内的产电基质为硫酸盐还原菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池的阳极反应室内的产电基质为产氢产乙酸菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池的阳极反应室内电解液为高锰酸钾溶液。
单室微生物燃料电池的单极反应室的长宽高比为3:2:1，双室微生物燃料电池的阳极反应室与阴极反应室的高径比为3:1。
第二排气口通过连通气管与氢气进气口连接，连通气管上沿气流方向依次设有排气阀、二氧化碳吸收装置、气体流量计和气体导管开关；智能控制系统通过控制线路分别与排气阀和气体导管开关连接。
氢氧固态燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，氢氧固态燃料电池的双极板采用表面改性的不锈钢金属板制作密封结构，氢氧固态燃料电池的吸附扩散层为活性炭材料。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
（1）、微生物在恒温培养箱内进行，通过pH调节口调节反应液的酸碱性，使得微生物活性保持最佳；
（2）、单室微生物燃料电池和双室微生物燃料电池分别在无氧和有氧条件下进行，最大程度的适应矿井水内不同的有机质和生物环境，提高底物利用率，温度传感器和电位传感器用于显示反应系统的生化状态，并可通过智能控制系统进行参数调控；
（3）、第一进料口和第一排液口两者相互独立，第一进料口用于提供生物降解所需碳氮源等物质，第一排液口将发酵产生的废液、残渣等残留物排出；
（4）、第一阳极材料和第二阳极材料主要为石墨烯材料，能够最大程度的促进生物电子转移；
（5）、储能蓄电装置中的隔热层和聚能环都最大程度的将热量和能量储存和聚集起来，并可远远不断的将小部分热能值收集起来汇聚成较大的热能值。
本发明提供了一种利用矿井水的原位生物燃料电池及储能装置，包括矿井水悬浮物过滤系统、微生物培养系统、燃料电池联合反应系统、储能蓄电系统、电池升压系统及全程智能监控和动力系统。在动力系统作用下，悬浮物过滤系统与微生物培养系统相连，微生物培养系统与双室燃料电池和单室燃料电池相连，双室燃料电池与氢氧固态燃料电池相连，三组燃料电池联合反应系统与储能蓄电装置相连，储能蓄电装置与电池升压系统相连，整个装置的操作运行以及参数调整、废物处理在智能控制系统下进行。本发明具有操作简单，运行方便及高基质、高能量转化率，能够最大程度的利用矿井水中的微生物及有机质资源，改善水质，降低污染，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是单室微生物燃料电池的结构示意图；
图3是双室微生物燃料电池的结构示意图；
图4是氢氧固态燃料电池的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，包括悬浮物过滤系统A、微生物培养系统B、联合反应系统C、储能蓄电系统D、电池升压系统E和智能控制系统，悬浮物过滤系统A通过管道与微生物培养系统B连接，微生物培养系统B通过管道与联合反应系统C连接，联合反应系统C通过电线与储能蓄电系统D连接，储能蓄电系统D通过电线与电池升压系统E连接；所述的智能控制系统分别与悬浮物过滤系统A、微生物培养系统B、联合反应系统C、储能蓄电系统D和电池升压系统E电连接。
悬浮物过滤系统A包括进水管1和悬浮物过滤网2，微生物培养系统B包括恒温培养箱3，恒温培养箱3上设有进水口和出水口，进水管1与恒温培养箱3的进水口连接，进水管1上设有进水阀门4，悬浮物过滤网2设置在恒温培养箱3的进水口处，恒温培养箱3的出水口通过出水管与联合反应系统C连接，出水管上设有出水阀门5，恒温培养箱3上还设有温度显示计6和pH调节口7；智能控制系统通过控制线路分别与恒温培养箱3、出水阀门5和进水阀门4连接。
联合反应系统C由单室微生物燃料电池8、双室微生物燃料电池9和氢氧固态燃料电池10组成；
单室微生物燃料电池8包括单极反应室11，出水管通过第一支管与单极反应室11连接，第一支管上设有第一进液阀门12，单极反应室11内设有第一阳极材料14和第一阴极材料13，第一阳极材料14和第一阴极材料13通过第一外电路导线15连接，第一外电路导线15通过电线与储能蓄电系统D连接，单极反应室11上还设有第一数据显示器16、第一温度传感器17和第一电位传感器18，单极反应室11的顶部设有第一进料口19和第一排气口20，第一进料口19与第一排气口20位于相对两侧，单极反应室11的底部设有第一排液管，第一排液管上设有第一排液阀门21；
双室微生物燃料电池9包括阳极反应室22和阴极反应室23，阳极反应室22与阴极反应室23通过第一质子交换膜24隔开，第一质子交换膜24的安装处设有密封圈25；出水管通过第二支管与阳极反应室22连接，第二支管上设有第二进液阀门26，阳极反应室22内设有第二阳极材料27，阴极反应室23内设有第二阴极材料28，第二阳极材料27和第二阴极材料28通过第二外电路导线29连接，第二外电路导线29通过电线与储能蓄电系统D连接，阳极反应室22上还设有第二数据显示器30、第二温度传感器31和第二电位传感器32，阳极反应室22的顶部设有第二进料口33和第二排气口34，阴极反应室23上设有第三排气口35，阴极反应室23上部设有进液口100，阴极反应室23的底部设有第二排液管，第二排液管上设有第二排液阀门36；
氢氧固态燃料电池10包括双极板37，双极板37上设有并排的阳极板38和阴极板39，阳极板38与阴极板39之间设有第二质子交换膜40，阳极板38上设有电催化剂Pt，阳极板38和阴极板39的外层均设有吸附扩散层41，阳极板38与阴极板39通过第三外电路导线42连接，第三外电路导线42通过电线与储能蓄电系统D连接；双极板37上还设有氢气回收口43、氢气进气口44、氧气回收口45和氧气进气口46，其中氢气回收口43和氢气进气口44位于阳极板38一侧，氢气回收口43位于氢气进气口44的上方，氧气回收口45和氧气进气口46位于阴极板39一侧，氧气进气口46位于氧气回收口45的上方；；
智能控制系统通过控制线路分别与第一数据显示器16、第一温度传感器17、第一电位传感器18、第一进液阀门12、第一排液阀门21、第二进液阀门26、第二数据显示器30、第二温度传感器31、第二电位传感器32和第二排液阀门36连接。
储能蓄电系统D包括正极47、负极48和聚能环49，聚能环49内并排设有若干储能管50，相邻的储能管50之间设有隔热层51。
电池升压系统E为变电器。
第一阳极材料14和第二阳极材料27为石墨烯材料，第一阴极材料13和第二阴极材料28为碳纸，第一质子交换膜24和第二质子交换膜40为Nafion112膜。
单室微生物燃料电池8的单极反应室11内的产电基质为硫酸盐还原菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池9的阳极反应室22内的产电基质为产氢产乙酸菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池9的阳极反应室22内电解液为高锰酸钾溶液。
单室微生物燃料电池8的单极反应室11的长宽高比为3:2:1，双室微生物燃料电池9的阳极反应室22与阴极反应室23的高径比为3:1。
第二排气口34通过连通气管与氢气进气口44连接，连通气管上沿气流方向依次设有排气阀52、二氧化碳吸收装置53、气体流量计54和气体导管开关55；智能控制系统通过控制线路分别与排气阀52和气体导管开关55连接。
氢氧固态燃料电池10以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，氢氧固态燃料电池10的双极板37采用表面改性的不锈钢金属板制作密封结构，氢氧固态燃料电池10的吸附扩散层41为活性炭材料，可有效吸附氢气并在催化剂作用下释放电子和质子。
本发明的工作过程为：打开进水阀门4，通过进水管1向恒温培养箱3通入提取的矿井水，悬浮物过滤网2过滤掉矿井水内大部分的悬浮物以及一些固体废弃物；矿井水进入恒温培养箱3内，开始对微生物进行培养，通过pH调节口7调节恒温培养箱3内反应液的酸碱性，使得微生物活性保持最佳；之后培养液经出水阀门5流出，然后经第一进液阀门12进入单极反应室11，单室微生物燃料电池8为无氧反应系统，且长宽高比为3:2:1，产电基质为硫酸盐还原菌降解的有机矿井水，第一进料口19可手动添加用于微生物生长代谢所需的基本物质条件，包括碳氮源以及其它营养类物质，第一温度传感器17和第一电位传感器18用于显示反应系统的生化状态，并可通过智能控制系统进行参数调控；
打开第二进液阀门26，使培养液进入双室微生物燃料电池9，双室微生物燃料电池9为有氧培养系统，双室微生物燃料电池9包括阳极反应室22和阴极反应室23，阳极反应室22和阴极反应室23的高径比为3:1，第一阳极材料14和第二阳极材料27主要为石墨烯材料，能够很大程度促使生物电子转移速率，产电基质为产氢产乙酸菌降解的有机矿井水，阴极反应室23内电解液为高锰酸钾溶液，第一质子交换膜24为Nafion112膜，由密封圈25固定，防止阳极反应室22和阴极反应室23的电解质相互泄露；
通常情况下有氧呼吸产生的热能值大于无氧呼吸，且反应时间长，为保持单室微生物燃料电池8和双室微生物燃料电池9反应时间同等，双室微生物燃料电池9又配备了一套氢氧固态燃料电池10系统；
双室微生物燃料电池9有氧反应产生的氢气通过第二排气口34进入氢氧固态燃料电池10系统，并与其内部的氧气相反应，组成燃料电池系统，氢氧固态燃料电池10的阳极氢气由双室微生物燃料电池9的阳极反应室22微生物降解有机物提供，氧气通过氧气进气口46通入，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，采用表面改性的不锈钢金属板制作密封结构，主要以活性炭材料为主，可有效吸附氢气并在催化剂作用下释放电子和质子；
通过导热和能量交换装置将联合电池反应系统产生的热量和能量及时传递至储能蓄电系统D，避免能热量散失。
储能蓄电装置中的隔热层51和聚能环49都最大程度的将热量和能量储存和聚集起来，并可远远不断的将小部分热能值收集起来汇聚成较大的热能值，储能蓄电系统D与电池升压系统E相连；联合反应系统C产生的能量不足以满足日常生活所需，需通过电池升压系统E提高电流值以满足正常工作要求；待水体微生物反应结束后，可通过第一排液阀门21和第二排液阀门36将发酵产生的废液、残渣等残留物排出。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：包括悬浮物过滤系统、微生物培养系统、联合反应系统、储能蓄电系统、电池升压系统和智能控制系统，悬浮物过滤系统通过管道与微生物培养系统连接，微生物培养系统通过管道与联合反应系统连接，联合反应系统通过电线与储能蓄电系统连接，储能蓄电系统通过电线与电池升压系统连接；所述的智能控制系统分别与悬浮物过滤系统、微生物培养系统、联合反应系统、储能蓄电系统和电池升压系统电连接；
悬浮物过滤系统包括进水管和悬浮物过滤网，微生物培养系统包括恒温培养箱，恒温培养箱上设有进水口和出水口，进水管与恒温培养箱的进水口连接，进水管上设有进水阀门，悬浮物过滤网设置在恒温培养箱的进水口处，恒温培养箱的出水口通过出水管与联合反应系统连接，出水管上设有出水阀门，恒温培养箱上还设有温度显示计和pH调节口；智能控制系统通过控制线路分别与恒温培养箱、出水阀门和进水阀门连接；
联合反应系统由单室微生物燃料电池、双室微生物燃料电池和氢氧固态燃料电池组成；
单室微生物燃料电池包括单极反应室，出水管通过第一支管与单极反应室连接，第一支管上设有第一进液阀门，单极反应室内设有第一阳极材料和第一阴极材料，第一阳极材料和第一阴极材料通过第一外电路导线连接，第一外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接，单极反应室上还设有第一数据显示器、第一温度传感器和第一电位传感器，单极反应室的顶部设有第一进料口和第一排气口，第一进料口与第一排气口位于相对两侧，单极反应室的底部设有第一排液管，第一排液管上设有第一排液阀门；
双室微生物燃料电池包括阳极反应室和阴极反应室，阳极反应室与阴极反应室通过第一质子交换膜隔开，第一质子交换膜的安装处设有密封圈；出水管通过第二支管与阳极反应室连接，第二支管上设有第二进液阀门，阳极反应室内设有第二阳极材料，阴极反应室内设有第二阴极材料，第二阳极材料和第二阴极材料通过第二外电路导线连接，第二外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接，阳极反应室上还设有第二数据显示器、第二温度传感器和第二电位传感器，阳极反应室的顶部设有第二进料口和第二排气口，阴极反应室上设有第三排气口，阴极反应室上部设有进液口，阴极反应室的底部设有第二排液管，第二排液管上设有第二排液阀门；
氢氧固态燃料电池包括双极板，双极板上设有并排的阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间设有第二质子交换膜，阳极板上设有电催化剂Pt，阳极板和阴极板的外层均设有吸附扩散层，阳极板与阴极板通过第三外电路导线连接，第三外电路导线通过电线与储能蓄电系统连接；双极板上还设有氢气回收口、氢气进气口、氧气回收口和氧气进气口，其中氢气回收口和氢气进气口位于阳极板一侧，氢气回收口位于氢气进气口的上方，氧气回收口和氧气进气口位于阴极板一侧，氧气进气口位于氧气回收口的上方；
智能控制系统通过控制线路分别与第一数据显示器、第一温度传感器、第一电位传感器、第一进液阀门、第一排液阀门、第二进液阀门、第二数据显示器、第二温度传感器、第二电位传感器和第二排液阀门连接；
单室微生物燃料电池的单极反应室内的产电基质为硫酸盐还原菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池的阳极反应室内的产电基质为产氢产乙酸菌降解的有机矿井水，双室微生物燃料电池的阳极反应室内电解液为高锰酸钾溶液；
第二排气口通过连通气管与氢气进气口连接，连通气管上沿气流方向依次设有排气阀、二氧化碳吸收装置、气体流量计和气体导管开关；智能控制系统通过控制线路分别与排气阀和气体导管开关连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：储能蓄电系统包括正极、负极和聚能环，聚能环内并排设有若干储能管，相邻的储能管之间设有隔热层。
3.根据权利要求1所述的一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：电池升压系统为变电器。
4.根据权利要求1所述的一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：第一阳极材料和第二阳极材料为石墨烯材料，第一阴极材料和第二阴极材料为碳纸，第一质子交换膜和第二质子交换膜为Nafion112膜。
5.根据权利要求1所述的一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：单室微生物燃料电池的单极反应室的长宽高比为3:2:1，双室微生物燃料电池的阳极反应室与阴极反应室的高径比为3:1。
6.根据权利要求1所述的一种利用矿井水的原位微生物燃料电池及储能装置，其特征在于：氢氧固态燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，氢氧固态燃料电池的双极板采用表面改性的不锈钢金属板制作密封结构，氢氧固态燃料电池的吸附扩散层为活性炭材料。
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