CN112042098A - 用于生物电化学系统的功率转换器 - Google Patents

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杰罗·阿霍拉
维萨·鲁斯卡南
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Abstract

用于生物电化学系统的功率转换器，所述功率转换器包括第一转换器(102‑104)和第二转换器(106)，每个第一转换器包括用于通过生物电化学系统的电极提供电流的直流端子(105)，所述第二转换器用于从外部电网向所述每个第一转换器提供能量。每个第一转换器包括用于从第二转换器接收能量的电子元件(107)和用于将电子元件的电压转换为适合于生物电化学系统的电解电压的电路(108)。电子元件可以是变压器的次级绕组或直流电压的能量存储器。当每个第一转换器向生物电化学系统提供能量时，每个第一转换器与第一转换器中的其他第一转换器电位隔离。因此，每个第一转换器在不干扰其他第一转换器的情况下驱动自己的电极对。

Description

用于生物电化学系统的功率转换器
技术领域
本公开涉及一种功率转换器，该功率转换器用于驱动生物电化学系统的培养基中的电解以将水分解成氢气和氧气。此外，本公开涉及一种生物电化学系统，该生物电化学系统包括生物反应器腔室和用于驱动生物反应器腔室中的电解的功率转换器。
背景技术
氢氧化细菌，例如化能无机自养细菌，能够利用氢气作为能源将二氧化碳吸收到自身的生物质中，从而自养生长。这使得二氧化碳、水和营养物能够转换为细菌生物质和/或其他生物产物，例如生物塑料和生物燃料。用于培养氢氧化细菌的生物电化学系统通常包括生物反应器腔室，该生物反应器腔室用于容纳氢氧化细菌和合适的培养基。氢气可以从外部来源供应至生物反应器腔室，但是与该方法有关的一个问题是氢气的气液传质低。为了增加氢气在培养基中的溶解速率，可以增加生物反应器腔室的顶部空间中的氢气分压。然而，这可能会增加爆炸的危险，因为氢气是易燃的，例如在大气压力下，空气的体积浓度范围为4％至74.5％。
提供氢气的另一种方法是在生物反应器腔室中进行原位水电解，以便借助电流将水分解为氢气和氧气。电流供应至浸没在培养基中的电极。对于原位水电解，氢气和氧气没有不良溶解的问题，因为氢气和氧气是在培养基中产生的。这也可以给生物反应器的设计一些自由度。水电解所需的最小电压称为可逆电压，为1.23V。如果没有辅助加热，则所需的最小电压会更高，并且取决于电解条件，例如，在环境条件下，最小电压为1.43V。由于电极之间的阻抗引起的电压损失，驱动水电解所需的实际电压会更高。
然而，上述类型的原位水电解并非没有挑战。从能源效率的角度来看，驱动水电解的电压应保持尽可能的低。然而，过低的电压可能会对细菌的生长产生抑制作用，因为可以产生对细菌具有有毒作用的活性氧“ROS”，而不是将水分解为氢气和氧气。活性氧可以是例如过氧化氢、超氧化物和羟基自由基。另一方面，过高的电流也会抑制细菌的生长。当电流通过电极驱动以获得足够的氢气产生时，挑战之一与培养基中的局部电流密度有关，尤其是电极附近的局部电流密度。电流密度的局部最大值可能危害或至少干扰培养过程。
发明内容
为了提供对各种实施例的一些方面的基本理解，下面给出简化的概述。该概述不是本发明的广泛概述。该概述既不旨在识别本发明的关键或决定性元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现一些概念，作为具体实施方式的序言。
根据本发明，提供了一种新的功率转换器，该功率转换器用于驱动生物电化学系统的培养基中的水电解，从而将水分解为氢气和氧气。根据本发明所述的功率转换器包括：
-两个或更多个第一转换器，每个第一转换器包括用于通过生物电化学系统的电极提供电流的直流端子，和
-第二转换器，该第二转换器用于从外部电网向每个第一转换器提供能量。
每个上述的第一转换器包括至少一个用于从第二转换器接收能量的电子元件，以及至少一个用于将电子元件的电压转换为适合于生物电化学系统的电解电压的电路。当第一转换器中的每个向生物电化学系统提供能量时，第一转换器中的每个与第一转换器中的其他第一转换器电位隔离。例如，用于从第二转换器接收能量的上述电子元件可以是变压器的次级绕组，该变压器的初级绕组连接至第二转换器。再例如，电子元件可以是直流电压的能量存储器，当所考虑的第一转换器不向生物电化学系统提供能量时，该直流电压的能量存储器连接到第二转换器，当第一转换器向生物电化学系统提供能量时，该直流电压的能量存储器与第二转换器断开连接。
根据本发明，还提供了一种新的生物电化学系统，该生物电化学系统用于培养细菌，例如，化能无机自养细菌和/或其他微生物。根据本发明所述的生物电化学系统包括：
-生物反应器腔室，该生物反应器腔室用于培养细菌和/或其他微生物，
-电极，该电极用于通过水电解将生物反应器腔室包含的水分解为氢气和氧气，和
-根据本发明所述的功率转换器，该功率转换器被布置为通过电极提供直流电，每个电极仅连接到功率转换器的第一转换器中的一个。
由于上述的第一转换器在驱动水电解时彼此电位隔离，所以不会发生电流从第一转换器中的一个到另一个的意外的和不希望得到的路径的情况。因此，每个第一转换器都被布置成驱动自己的电极，而不会干扰到其他第一转换器的运行。
由于电极对很多，因此与仅使用一对电极的情况相比，多电极对能够以较低的局部电流密度实现足够的氢气产生。此外，与仅使用一对电极的情况相比，多电极对能够使培养空间内的氢气浓度分布更均匀。由于上述的第一转换器在驱动水电解时彼此电位隔离，所以可以对每个电极对进行单独的控制和诊断，以克服由培养基中的局部差异可能引起的问题。
根据本发明所述的功率转换器可以是模块化的，从而通过将适当数量的第一转换器连接到第二转换器，该功率转换器适用于各种尺寸的生物电化学系统。如果需要，也可以使用两个或更多个第二转换器。因此，根据本发明的一些实施例的功率转换器可以由适合于大批量生产的转换器单元组装而成。
在所附的从属权利要求中描述了各种示例性和非限制性实施例。
结合附图阅读本发明的各种示例性和非限制性实施例时，将从下列具体的示例性和非限制性实施例的描述中对结构和操作方法，以及附加对象和优点进行更好的理解。
动词“包括”和“包含”在本文中用作开放式限制，既不排除也不要求存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解的是，使用的“一”或“一个”，即，单数形式，在全文中也并不排除复数。
附图说明
示例性和非限制性实施例及其优点在下文中以示例的方式以及参考附图进行了更详细的说明，在附图中：
图1示出了生物电化学系统的示意图，该生物电化学系统包括根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器，
图2示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器的示意图，和
图3示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器的示意图。
具体实施方式
在下面给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以下给出的描述中提供的示例列表和示例组并不详尽。
图1示出了生物电化学系统的示意图，该生物电化学系统包括根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器101。该生物电化学系统包括生物反应器腔室113，该生物反应器腔室用于培养细菌，例如，化能无机自养细菌和/或其他微生物。在培养基114中培养细菌和/或其他微生物，培养基可以包括例如二氧化碳、水、营养物和/或培养过程中所需的其他可能物质。在图1中，细菌和/或其他微生物用小椭圆形描绘。该生物电化学系统包括电极115、116、117、118、119和120，电极用于将培养基114所包含的水通过水电解分解为氢气H2和氧气O2。细菌和/或其他微生物能够通过利用上述氢气作为能源将二氧化碳吸收到它们的生物质中，从而自养生长。因此，二氧化碳、水和营养物可以转化为生物质和/或其他生物产物，例如生物塑料和生物燃料。
功率转换器101包括第一转换器102、103和104，每个第一转换器包括直流“DC”端子，该直流端子通过生物电化学系统的电极中的两个电极来提供电流。在图1中，转换器102的直流端子用附图标记105表示。在图1所示的示例的情况下，转换器102连接到电极115和116，转换器103连接到电极117和118，转换器104连接到电极119和120。功率转换器101进一步包括第二转换器106，该第二转换器用于从外部电网125向每个转换器102-104提供能量。每个转换器102-104包括电子元件，该电子元件用于从转换器106接收能量。在图1中，转换器102的电子元件用附图标记107表示。在图1所示的示例的情况下，每个转换器102-104的电子元件都是变压器的次级绕组，该变压器的初级绕组109连接到转换器106。每个转换器102-104包括用于将各自的次级绕组的电压转换为适合于生物电化学系统的电解的直流电压的电路。在图1中，转换器102的电路用附图标记108表示。电路108可以是根据现有技术的可控整流器，该可控整流器用于将次级绕组的交流电压转换成电解的直流电压。电解的直流电压可以例如在1.5V至3V的范围内。电路108可以包括例如用于平滑电解的直流电压的电感器-电容器“LC”滤波器或电感器-电容器-电感器“LCL”滤波器。如图1所示，由于每个转换器102-104具有自己的次级绕组，所以转换器102-104彼此电位隔离。因此，不会发生电流从转换器102-104中的一个到另一个的意外的和不希望得到的路径的情况，以及每个转换器102-104都被布置成驱动自己的电极，而不会干扰到其他转换器102-104的运行。
图2示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器201的示意图。功率转换器201包括第一转换器202、203和204，每个第一转换器包括直流“DC”端子，该直流端子通过生物电化学系统的电极215、216、217、218、219和220中的两个来提供电流。在图2中，转换器202的直流端子用附图标记205表示。在图2所示的示例的情况下，转换器202连接到电极215和216，转换器203连接到电极217和218，转换器204连接到电极219和220。功率转换器201进一步包括第二转换器206，该第二转换器用于从外部电网225向每个转换器202-204提供能量。每个转换器202-204包括电子元件，该电子元件用于从转换器206接收能量。在图2中，转换器202的电子元件由附图标记207表示。在图2所示的示例的情况下，每个转换器202-204的电子元件是直流电压的能量存储器，该直流电压的能量存储器包括并联连接的电池元件和电容器元件。每个转换器202-204包括用于将各自的直流电压的能量存储器的直流电压转换为适合于生物电化学系统的电解的直流电压的电路。电解的直流电压可以例如在1.5V至3V的范围内。在图2中，转换器202的电路用附图标记208表示。电路208可以是根据现有技术的可控直流电压-直流电压“DC/DC”转换器。电路208可以包括例如用于平滑电解的直流电压的电感器-电容器“LC”滤波器或电感器-电容器-电感器“LCL”滤波器。
每个转换器202-204包括第一开关系统，当直流电压的能量存储器向生物电化学系统提供能量时，该第一开关系统用于将所考虑的转换器的直流电压的能量存储器从充电电路212断开连接。在图2中，转换器202-204的第一开关系统用附图标记210表示。每个转换器202-204包括第二开关系统，当由充电电路212对直流电压的能量存储器进行充电时，该第二开关系统用于将直流电压的能量存储器与所考虑的转换器的直流端子断开连接。在图2中，转换器202-204的第二开关系统用附图标记211表示。生物电化学系统的这种运行是周期性的，使得功率转换器201交替地处于充电状态和电解状态，在该充电状态下，第一开关系统210是导电的并且第二开关系统211是不导电的，在该电解状态下，第一开关系统210是不导电的并且第二开关系统211是导电的。在图2所示的示例的情况下，转换器202-204的直流电压的能量存储器在与充电电路212连接时为串联连接。串联连接可以使得转换器206具有更高的输出电压，该转换器可以是根据现有技术的可控整流器，该转换器用于将电网225的交流电压转换成适合于直流电压的能量存储器的串联连接的直流电压。结合本发明的其他实施例，直流电压的能量存储器在连接到充电电路时可以并联连接，或者直流电压的能量存储器被布置成组成串联连接的直流电压的能量存储器的并联组或者并联连接的直流电压的能量存储器的串联组。合适的连接布置取决于转换器206的电学特性和直流电压的能量存储器的电学特性。
当通过电极215-220提供能量时，转换器202-204彼此电位隔离，因此，不会发生电流从转换器202-204中的一个到另一个的意外的和不希望得到的路径的情况，因此，每个转换器202-204都被布置成驱动自己的电极，而不会干扰到其他转换器202-204的运行。
图3示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的功率转换器301的示意图。功率转换器301包括第一转换器302、303和304，每个第一转换器都包括直流“DC”端子，该直流端子通过电极315、316、317、318、319和320中的两个来提供电流。在图3中，转换器302的直流端子用附图标记305表示。在图3所示的示例的情况下，转换器302连接到电极315和316，转换器303连接到电极317和318，以及转换器304连接到电极319和320。功率转换器301进一步包括第二转换器306，该第二转换器用于从外部电网325向每个转换器302-304提供能量。图3示出了转换器302的功能元件，而转换器303和304被描绘为方框。转换器303和304可以与转换器302相似。
转换器302包括两个电子元件307a和307b，该电子元件用于从转换器306接收能量。在图3所示的示例的情况下，电气元件307a和307b中的每一个都是直流电压的能量存储器，该直流电压的能量存储器包括并联连接的电池元件和电容器元件。转换器302包括两个电路308a和308b，该电路用于将相应的直流电压的能量存储器的直流电压转换为适合于生物电化学系统的电解的直流电压。电解的直流电压可以例如在1.5V至3V的范围内。每个电路308a和308b都可以是根据现有技术的可控直流电压-直流电压“DC/DC”转换器。每个电路308a和308b都可以包括例如用于平滑电解的直流电压的电感器-电容器“LC”滤波器或电感器-电容器-电感器“LCL”滤波器。
转换器302包括第一开关系统，该第一开关系统包括开关310a和310b。当电子元件307a通过电极315和316提供能量时，开关310a适于将电子元件307a与连接到转换器306的充电电路312断开连接。当电子元件307b通过电极315和316提供能量时，开关310b适于将电子元件307b与充电电路312断开连接。转换器302包括第二开关系统，该第二开关系统包括开关311a和311b。当电子元件307a通过充电电路312进行充电时，开关311a适于将电路308a与直流端子305断开连接。当电子元件307b通过充电电路312充电时，开关311b适于将电路308b与直流端子305断开连接。转换器302使水能够连续电解，使得电子元件307a和307b以及电路308a和308b被布置成轮流驱动电极315和316，即，电子元件307a和307b中的一个进行充电，而另一个则通过电极315和316提供能量。转换器306可以是根据现有技术的可控整流器，该转换器用于将电网325的交流电压转换成适合于进行充电的电子元件的直流电压。
在以上给出的描述中提供的特定示例不应被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解释。除非另有明确说明，否则以上给出的描述中提供的示例列表和示例组并不详尽。

Claims (9)

1.用于生物电化学系统的功率转换器(101，201，301)，所述功率转换器包括：
-两个或更多个第一转换器(102-104，202-204，302-304)，所述第一转换器中的每个包括用于通过所述生物电化学系统的电极提供电流的直流端子(105，205，305)，和
-第二转换器(106，206，306)，所述第二转化器用于从外部电网向所述第一转换器中的每个提供能量，
其中，所述第一转换器中的每个包括至少一个用于从所述第二转换器接收能量的电子元件(107，207，307a，307b)，以及至少一个用于将所述电子元件的电压转换为适合于所述生物电化学系统的电解电压的电路(108，208，308a，308b)，其特征在于，当所述第一转换器中的每个向所述生物电化学系统提供能量时，所述第一转换器中的每个与所述第一转换器中的其他第一转换器电位隔离。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述电子元件(107)是变压器的次级绕组，所述变压器的初级绕组(109)连接至所述第二转换器，并且所述电路适于将所述次级绕组的交流电压转换为电解电压。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述电子元件(207，307a，307b)是直流电压的能量存储器，并且所述第一转换器中的每个包括第一开关系统(210，310a，310b)和第二开关系统(211，311a，311b)，当所述直流电压的能量存储器向所述生物电化学系统提供能量时，所述第一开关系统用于将所述直流电压的能量存储器与连接到所述第二转换器的充电电路(212，312)断开连接，以及当所述直流电压的能量存储器通过所述充电电路进行充电时，所述第二开关系统用于将所述电路与所述直流端子断开连接。
4.根据权利要求3所述的功率转换器，其中，所述第一转换器的直流电压的能量存储器与所述充电电路连接时为串联连接。
5.根据权利要求3或4所述的功率转换器，其中，所述直流电压的能量存储器包括电池元件。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的功率转换器，其中，所述直流电压的能量存储器包括电容器元件。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的功率转换器，其中，所述第一转换器中的每个包括用于接收来自所述第二转换器的能量的两个直流电压的能量存储器(307a，307b)和用于将所述两个直流电压的能量存储器的电压转换为电解电压的两个电路(308a，308b)，当所述直流电压的能量存储器向所述生物电化学系统提供能量时，所述第一开关系统(310a，310b)适于将每个直流电压的能量存储器与所述充电电路(312)断开连接，当连接到所述电路的所述直流电压的能量存储器通过所述充电电路进行充电时，所述第二开关系统(311a，311b)适于将所述电路中的每个与所述直流端子断开连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换器，其中，所述第一转换器中的每个被配置为将所述电解电压控制在1.5V至3V的范围内。
9.一种生物电化学系统，所述生物电化学系统包括：
-生物反应器腔室(113)，所述生物反应器腔室用于培养细菌，
-电极(115-120，215-220，315-320)，所述电极用于通过水电解将所述生物反应器腔室包含的水分解为氢气和氧气，和
-根据权利要求1至8中任一项所述的功率转换器(101，201，301)，所述功率转换器被布置为通过所述电极提供直流电，
其中，所述电极中的每个仅连接到所述功率转换器的所述第一转换器(102-104，202-204，302-304)中的一个。
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