CN111342101A - 一种阳极光合太阳能燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阳极光合太阳能燃料电池系统，该燃料电池包括阳极光合太阳能燃料电池、电阻和疝气灯组，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连，所述疝气灯组设于绿色水生植物上方，用于提供持续光照条件，所述疝气灯组的两端分别与阳极光合太阳能燃料电池的两端相连。该燃料电池可以应用于对污染水土的处理，实现对有机物燃料能量吸收的同时又净化水土，达到环境和能源的双重利用。

Description

一种阳极光合太阳能燃料电池系统

技术领域

本发明属于植物-微生物燃料电池领域，具体涉及一种阳极光合太阳能燃料电池系统。

背景技术

工业革命之后，世界范围内的能源利用速度呈现指数型增长。传统能源是建立在化石能源基础之上，目前常见的化石能源煤、石油、天然气将在近几十年里接近枯竭，而现代经济的快速发展对能源的利用严重依赖于传统能源。需求的持续增加使得供需矛盾进一步加大，因此对于可再生能源的研究和发展迫在眉睫。为应对能源短缺、污染危机，各国正在开发一系列新能源和可替代能源，各种新能源技术也相继被提出。主要包括燃料电池技术、氢燃料、甲醇、生物柴油、太阳能、地热能、潮汐能、波浪发电、风能、核聚变、水力发电和核裂变技术等。

微生物燃料电池(MFC)是通过微生物氧化有机物燃料将化学能转变为电能的装置。它可以应用于对污染水土的处理，实现对有机物燃料能量吸收的同时又净化水土，达到环境和能源的双重利用。目前，微生物燃料电池(MFC)主要应用于环境修复、远程传感器的供电、增值产品的生产等方面，但由于电能转化率较低，尚不能满足大规模的生产应用的需求。

阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)的基本原理通常包括4步：(1)绿色植物经过光合作用合成有机物；(2)将有机物传递到阳极室；(3)有机物在电化学活性微生物作用下在阳极进行氧化；(4)氧或其他电子受体在阴极还原，绿色植物可收集和利用太阳能来积累生物量，在阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)中生物量可作为阳极产电微生物的底物进一步氧化转化为电能。具体原理如图1所示。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的第一目的在于提供一种阳极光合太阳能燃料电池系统，该阳极光合太阳能燃料电池系统通过绿色植物的光合作用与微生物燃料电池结合来提高其产电性能，从而更加提高了电能转化率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种阳极光合太阳能燃料电池系统，包括阳极光合太阳能燃料电池、电阻和疝气灯组，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连，所述疝气灯组设于绿色水生植物上方，用于提供持续光照条件，所述疝气灯组的两端分别与阳极光合太阳能燃料电池的两端相连。

优选地，所述绿色水生植物为香蒲、水鸢尾、水花生和芦苇中的一种。

优选地，所述绿色水生植物为香蒲，香蒲在阳极光合太阳能燃料电池系统中较其他种植物较优，产电性能好，且适合污染程度高的土壤。

优选地，所述阳极大小为10～20×10～20cm，埋深于约8～12cm香蒲根系附近使其根系可充分与阳极电极接触；阴极大小10～15×10～15cm，置于水土分界面，阴极与阳极之间的间距为8～15cm。

优选地，所述阳极为采用生物质多孔碳和石墨烯进行改性处理的泡沫镍电极。

多孔碳和石墨烯修饰均能有效降低泡沫镍阳极的传荷内阻，提高电极导电性和生物相容性，更利于微生物附着生长，得到性能优异的生物膜电极，且多孔碳修饰电极各项性能方面优于泡沫镍电极。

优选地，所述生物质多孔碳的比表面积为2500～3500m²/g，比电容为250～300F/g。

优选地，所述阴极为石墨毡、碳布、含铂催化剂的最少一种。

优选地，所属阴极为石墨毡。

优选地，所述阳极光合太阳能燃料电池外接数据采集器，所述数据采集器分别与阴极和阳极相连。

本发明的工作原理：

本发明阳极光合太阳能燃料电池系统通过将绿色水生植物利用光合作用与微生物燃料电池结合来提高其产电性能，从而更加提高了电能转化率。微生物燃料电池通过微生物作为催化剂，使有机物或无机物中化学能直接转化为电能的新型装置，具体的原理为：阳极区域的微生物通过底物代谢活动产生电子，电子从阳极通过导线和外电阻。本发明阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)的基本原理是，通过绿色植物收集太阳能来积累生物量，这些生物量可作为燃料电池阳极产电微生物的底物进一步氧化转化为电能。本阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)中绿色植物光合作用所合成的有机质中有20％-40％在根部合成，为土壤中微生物群落的生长提供养分，电化学活性微生物原位利用植物根系的分泌物，通过利用根际环境的有机物直接或间接地将电子传递至阳极，从而能够产生持续的电子流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)可以应用于对污染水土的处理，实现对有机物燃料能量吸收的同时又净化水土，达到环境和能源的双重利用。

(2)本发明阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)利用电化学活性微生物的催化作用将有机物、无机物中所含的化学能转化为电能，且具有能量转化效率高、反应条件温和、清洁无污染等优势。

附图说明

图1为植物型阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)的工作原理示意图；

图2为本发明实施例1阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统的示意图；

图3为阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统的示意图；

图4为实施例3中A0装置示意图；

图5为实施例3中A1装置示意图；

图6为实施例3中A2装置示意图；

图7为实施例3中A3装置示意图；

图8为实施例3中A0～A3装置在不同光照条件下系统输出电压；

其中，1-阳极、2-阴极、3-绿色水生植物、4-电阻、5-疝气灯组、6-水体、7-土壤、8-数据采集器和9-遮光桶。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1构建阳极光合太阳能燃料电池系统

采集江苏常州市湿地公园植物根层土壤，pH值为7.58，土壤含水率37.52％，盐分0.58％，有机质含量19.37g/kg，全氮含量2.75g/kg，速效钾含量95.76mg/kg，速效磷含量43.56mg/kg，留待备用

如图2所示，本实施例所述阳极光合太阳能燃料电池系统，包括阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)、电阻(4)和疝气灯组(5)，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤(7)、水体(6)、绿色水生植物(3)和两个电极，所述绿色水生植物(3)的根部穿过水体(6)置于土壤(7)内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极(1)，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极(2)，所述电阻(4)的两端分别与阳极(1)、阴极(2)相连，所述疝气灯组(5)设于绿色水生植物(3)上方，用于提供持续光照条件，所述疝气灯组(5)的两端分别与阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)的两端相连。所述阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)外接数据采集器(8)采集检测系统数据，所述数据采集器(8)分别与与阴极和阳极相连。

实施例2阳极光合太阳能燃料电池系统制备方法

本实施例所述阳极光合太阳能燃料电池系统具体制备方法为：取江苏常州市湿地公园植物根层土壤(7)经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的土壤(7)基质；再选取香蒲植物，将其置于盛有土壤(7)的不透光、不导电的黑色塑料盆中培养；选石墨毡作为阴极(2)；以泡沫镍作为3D支架，以生物质多孔碳对其泡沫镍进行表面修饰作为阳极(1)，所述生物质多孔碳的比表面积为3096m²/g，比电容为268.49F/g；将香蒲植物植于生长箱中，根据根系长度采用对称结构放置系统阴阳极，其中阳极(1)大小为15×15cm，埋深于约10cm香蒲根系附近使其根系可充分与阳极(1)电极接触；阴极大小10×10cm，置于水土分界面，阴阳极间距10cm；疝气灯组(5)设于绿色水生植物(3)上方，用于提供持续光照条件，所述疝气灯组(5)的两端分别与阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)的两端相连。

实施例3分析绿色植物以及光照条件对燃料电池产电能力的影响

本实施例具体的实验方案如下：

如图5至图7所所示搭建3组阳极光合太阳能燃料电池系统(A1、A2、A3)，并设置图4无植物对照组(A0)。其中A0、A1设置为正常日照条件，使用氙气灯模拟日光，使A2处于连续光照条件下，同时A3植物运用遮光桶(9)进行遮光处理，具体实验分组见表1。

表1

编号	A<sub>0</sub>	A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>	A<sub>3</sub>
					植物	无	有	有	有
光照条件	正常日照	正常日照	持续光照	遮光

A1、A2、A3各组加去离子水至APSFCs饱和持水量800g/kg，将生长箱置于培养室内，保持室温20℃左右，确保环境湿度50％RH，实验周期为30天。

如图4至图7所述，通过数据采集器(8)采集本实施例中所设计实验的数据，并记录，系统运行前10天，4组实验系统输出电压均变化稳定维持在60mV左右，之后10～15天时，4组电压均呈上升趋势，且持续光照组A2上升最为显著，无光照组A3上升幅度较小。第15d时，阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)基本达到稳定期，A0～A3组最大输出电压分别为137.41mV、573.9mV、623.1mV、405.4mV。第20d后，A3组植物出现枯萎现象，输出电压大幅下降。实验周期内至监测出明显产电规律，结果表明光照条件下A1、A2系统产电性能远大于无光照情况，且持续光照能使系统获得更高的输出电压，具体实验情况见图8。

实施例4分析植物根系分泌物对燃料电池系统产电能力的影响

本发明中所设计的对比实验同时对实施例3中三组系统下的根系分泌物进行检测。通过对LC-MS数据分析，共鉴定出120余种化合物，包括蔗糖、棉籽糖、葡萄糖胺等糖类及衍生物，苯丙氨酸、丝氨酸等氨基酸，麦芽糖醇、核糖醇等糖醇；乙酰乙酸、琥珀酸、柠苹酸等有机酸，十九烷酸、硬脂酸、花生四烯酸等脂肪酸及磷酯类物质，具体实验结果见表2(不同光照条件下差异显著的香蒲根系分泌物)。

表2

根据表2可知在不同光照条件下，有着不同的根系分泌物组成情况。可以根据结果探讨最优光照调调价下，取得最为丰富根系分泌物质组成，对其产电性能更有帮助。

实施例5不同植物构建阳极光合太阳能燃料电池系统的产电性能

将实施例2的阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统分别采用湿地沼生植物香蒲、鸢尾(Iris tectorum)、水花生(Alternantheraphiloxeroides(Mart.)griseb.)、芦苇(Phragmites australis)等构建阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统进行实验，实验植物均购自江苏宿迁植物园。利用数据采集器收集选取不同植物的阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统10d输出电压，并测定COD降解率，最高输出电压、功率密度及COD降解率见表3(4种植物APSFCs系统性能参数)。

表3

通过对4种沼生植物污染耐受及于阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统中产电性能的比较，发现课题组前期构建的香蒲-APFSCs系统性能最优，输出电压最高为278mV，功率密度最高为37.57mW/m²，COD降解率最高为76.24％。且香蒲不仅能于实验室环境生长，并适应较高重金属污染浓度土壤。因此本研究最终选择污染耐受性强、适应性广、分布广泛，并具有一定观赏价值的香蒲作为试供植物。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，包括阳极光合太阳能燃料电池、电阻和疝气灯组，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连，所述疝气灯组设于绿色水生植物上方，用于提供持续光照条件，所述疝气灯组的两端分别与阳极光合太阳能燃料电池的两端相连。

2.根据权利要求1所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述绿色水生植物为香蒲、水鸢尾、水花生和芦苇中的一种。

3.根据权利要求2所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述绿色水生植物为香蒲。

4.根据权利要求1所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阳极平铺在土壤内部的香蒲根系附近位置。

5.根据权利要求4所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阳极平铺在土壤内部距离水体8～12cm的位置。

6.根据权利要求1所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，

所述阳极大小为10～20×10～20cm，阴极大小为10～15×10～15cm，阴极与阳极之间的间距为8～15cm。

7.根据权利要求1所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阳极为采用生物质多孔碳或石墨烯进行改性处理的泡沫镍电极。

8.根据权利要求5所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述生物质多孔碳的比表面积为2500～3500m²/g，比电容为250～300F/g。

9.根据权利要求1所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阴极为石墨毡、碳布、含铂催化剂中的最少一种。

10.根据权利要求1至9任一项所述的阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阳极光合太阳能燃料电池外接数据采集器，所述数据采集器分别与阴极和阳极相连。

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