CN113388845A - 微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微生物‑光电化学‑热电化学耦合产氢系统，包括微生物阳极、光阴极、热化学电池；热化学电池位于微生物阳极、光阴极之间，并且热化学电池的阴极与微生物阳极之间、热化学电池的阳极与光阴极之间均设有离子交换膜；光阴极通过绝缘导热材料与热化学电池阳极连接，使得光阴极热量有效传递到热化学电池阳极；微生物阳极和光阴极通过导线连接到外部电路和设备；热化学电池的阳极、阴极直接通过外电路连接，形成内部回路和形成的电压降。本发明将热化学电池耦合近微生物‑光电催化系统中，一方面提升系统太阳能的转化利用效率；同时降低光热对微生物阳极的影响。

Description

微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统。
背景技术
能源与环境是当面世界可持续发展中面临的两大难题。能源问题和环境问题相互影响，化石能源的大量消耗一方面产生了严重的空气和水体污染，另一方面也导致其供应短缺。开发可再生能源技术对解决能源短缺和环境污染具有重要的实际价值。微生物-光电化学技术近年来受到了国内外学者的广泛关注，该系统能同时降解污水中有机物的降解和实现氢能的生成。在系统运行过程中，光阴极在太阳光照射激发下产生载流子（电子和空穴），产生的电子将氢离子还原产生氢气，阳极表面微生物通过微生物电化学氧化降解有机物。一方面，由于光电极载流子激发能量高，除高能量紫外光和部分可见光被利用外，其余部分光能均以光热途径转换为热量散发到环境中，导致太阳光能的转化利用率较低；另一方面，由于阳极表面微生物电化学活性收温度等因素影响较大，太阳光能产生的光热将影响电解液温度从而进一步影响微生物的活性，较高的电解液温度甚至直接导致阳极微生物失活，使得整个系统失效。
针对微生物电化学系统的光热和余热利用，已报道的技术主要通过半导体热电元件将光热热量转换为电能供系统利用，提供系统整体的转换效率。包括直接在热电片上采集太阳光通过热电转换后供微生物电解池产氢，通过热电片将余热加热后的电解液热量转换为电能提供给电化学或者光电化学系统辅助制氢。
目前基于热电转换技术将光热或者余热转换为电能，供微生物燃料电池、微生物电解池等微生物电化学系统制氢，实质上利用光热转换成电能后驱动系统进行产氢。针对热化学电池热电转换的微生物-光电化学耦合系统中光热利用及电解液温度控制技术尚处于空白。
针对电化学或光电化学制氢，已报道的技术主要通过半导体热电原件将光热热量转换为电能供电化学或光电化学析氢系统利用，提供系统整体的转换效率。包括直接在热电片上采集太阳光通过热电转换后供电化学产氢，通过热电片将加热后的电解液热量转换为电能提供给电化学或者光电化学系统辅助制氢。
目前基于热电转换技术将光热或者余热将电能转换为电能供电化学析氢制氢，技术实质上是通过利用光热将光热转变为电能降低电化学析氢系统析氢所需的反应过电位或能耗；针对热化学电池热电转换的微生物-光电化学耦合系统中光热利用及电解液温度控制技术尚处于空白。
在常规的微生物-光电化学产氢系统中，当太阳光照射到光阴极表面后激发产生载流子（电子和空穴），产生的电子还原电极表面的氢离子生成氢气，空穴则接受从阳极传递过来的电子；在阳极侧，生物膜通过氧化降解有机物产生电子和氢离子，产生的电子和氢离子分别通过外电路和电解质传递到阴极，形成回路。然而，现有技术中，光电极往往仅能利用能量较高的太阳光才能激发载流子维持电极反应，大部分光能在电极表面以光热的形式转变为热量进入电解质，进而散发到环境中，导致现有技术下系统光能转化利用率较低。此外，由于大部分太阳光能在电极表面转换为热量后，将导致系统内电解液温度升高；由于微生物阳极的反应动力学依赖于微生物，其活性收外界条件如温度、pH影响较大，电解液温度升高将直接影响阳极反应速率，过高的温度将抑制阳极生物膜活性甚至导致阳极失活。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种微生物-光电-热电化学耦合产氢系统，将热化学电池耦合到微生物-光电化学系统中，将光热产生的热量通过基于电化学原理的热化学电池转换为电能，进一步促进微生物-光电电化学反应速率，从而提高系统光能转化效率；并且通过热化学电池对光热的利用，可将电解液温度控制在阳极最适温度区间。
具体的技术方案为：
微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，包括微生物阳极、光阴极、热化学电池；
热化学电池位于微生物阳极、光阴极之间，并且热化学电池的阴极与微生物阳极之间、热化学电池的阳极与光阴极之间均设有离子交换膜；光阴极通过绝缘导热材料（如导热硅胶）与热化学电池阳极连接，使得光阴极热量有效传递到热化学电池阳极；
微生物阳极和光阴极通过导线连接到外部电路和设备；
热化学电池的阳极、阴极直接通过外电路连接，形成内部回路和形成的电压降。
在热化学电池中，阳极、阴极之间放置一层高离子通透性和高隔热性能的材料，保证电化学反应过程中离子传递的同时提供较大的阴阳极温差。所述的高离子通透性和高隔热性能的材料为PVDF、PTFE、玻璃纤维等。
光阴极侧使用透明的石英玻璃材料，使得太阳光能有效照射到电极表面。
本发明提供的微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，具有以下特点：
（1）本发明在微生物阳极和光电极之间加入热化学电池，太阳光照射到阴极后，由于光热的作用在光阴极和微生物阳极之间形成温差，在温差作用下热化学电池将光热转换为电能辅助系统运行；另一方面，处于微生物阳极和光阴极之间的热化学电池，可有效降低光阴极光热对微生物阳极的影响，增加微生物阳极的运行稳定性。
（2）本发明针对光电极，构建具有光电催化能力和光热转换能力的电极，使得系统接收太阳光照后在进行光电催化反应的同时实现有效的光热转换，提高太阳光能的捕获利用。
（3）本发明中通过在微生物阳极和光阴极之间布置热化学电池，可以通过微生物阳极和光阴极之间的离子传递和内部电场，协同强化热化学电池的反应熵变，增加热化学电池的塞贝克系数和电压输出。
本发明具有的技术效果：
本发明将热化学电池耦合近微生物-光电催化系统中，一方面提升系统太阳能的转化利用效率；同时降低光热对微生物阳极的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，本发明所述微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，包括微生物阳极1、光阴极4、热化学电池。热化学电池与微生物阳极1、光阴极4之间由离子交换膜8分隔开，微生物阳极1和光阴极4则通过导线连接到外部电路和设备。
系统光阴极4侧使用透明的石英玻璃等材料，使得太阳光能有效照射到电极表面；光阴极4通过绝缘导热材料9与热化学电池阳极3连接，使得光阴极4热量有效传递到热化学电池阳极3。
微生物阳极1内有阳极电解液6，热化学电池内有热化学电池电解液5，光阴极4内有阴极电解液7。
在热化学电池中，通过在热化学电池阳极3和热化学电池阴极2之间放置一层高离子通透性和高隔热性能的材料，在保证电化学反应过程中离子传递的同时提供较大的阴阳极温差。热化学电池阳极3和热化学电池阴极2直接通过外电路连接，一方面形成内部回路，另一方面形成的电压降有效增加微生物阳极1和光阴极4之间的电势差和系统电压输出。最终实现将光阴极4的光热通过热化学电池转变为电能提高微生物-光电化学系统的电流电压输出以及产请速率，提升系统整体的光能转化利用效率。
本发明通过在微生物-光电化学系统微生物阳极1和光阴极4之间增加热化学电池，实现阴极光热热量的热电转换，攻克常规微生物-电化学系统中光热无法有效利用的问题，实现太阳光能宽光谱或全光谱的利用，可有效提高系统太阳能的转换效率。
本发明的光电极受光面具有较好的光热转换特性；光照条件下，电极在进行光电催化的同时实现太阳能光热的捕获，提高系统太阳能的利用率。
本发明中可通过在微生物-光电化学系统的微生物阳极1和光阴极4之间布置热化学电池，实现光热利用的同时，可有效抑制从光阴极4向微生物阳极1的传递，进而防止微生物阳极1因阳极电解液6温度过高而失活。通过合理的部件及系统设计，可有效控制系统内部阳极电解液温度，使得微生物阳极1处于最适温度区间。
可能的变更设计方向或变形方案：
（1）改变电极的材料、安装位置、尺寸和形状以及安装方式等。
（2）采用不同的阳极微生物、电解液以及氧化还原电对等。
（3）使用不同类型的交换膜、阴阳极分隔材料。
（4）使用不同光照方式以及透光材料等。
（5）使用不同的光阴极4和热化学电池阳极3连接方式、连接材料等。
由于基于本发明的结构，可以衍生出多种材料、尺寸或者外形结构形式，电解液种类、电极结构和尺寸、电极材料、微生物种类、热化学电池氧化还原电对、交换膜类型等，均应该属于本发明的保护范畴之内。

Claims (3)

1.微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，其特征在于，包括微生物阳极、光阴极、热化学电池；
热化学电池位于微生物阳极、光阴极之间，并且热化学电池的阴极与微生物阳极之间、热化学电池的阳极与光阴极之间均设有离子交换膜；光阴极通过绝缘导热材料与热化学电池阳极连接，使得光阴极热量有效传递到热化学电池阳极；
微生物阳极和光阴极通过导线连接到外部电路和设备；
热化学电池的阳极、阴极直接通过外电路连接，形成内部回路和形成的电压降。
2.根据权利要求1所述的微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，其特征在于，所述的热化学电池中，阳极、阴极之间放置一层高离子通透性和高隔热性能的材料，保证电化学反应过程中离子传递的同时提供阴阳极温差。
3.根据权利要求1所述的微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统，其特征在于，所述的光阴极侧使用透明的石英玻璃材料制成。
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