CN113479993A - 热电辅助的微生物-光电化学系统 - Google Patents

热电辅助的微生物-光电化学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113479993A
CN113479993A CN202110760106.1A CN202110760106A CN113479993A CN 113479993 A CN113479993 A CN 113479993A CN 202110760106 A CN202110760106 A CN 202110760106A CN 113479993 A CN113479993 A CN 113479993A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermoelectric
microbial
anode
photocathode
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110760106.1A
Other languages
English (en)
Inventor
杨伟
鲍静静
唐继国
孙立成
莫征宇
杜敏
刘洪涛
可汗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN202110760106.1A priority Critical patent/CN113479993A/zh
Publication of CN113479993A publication Critical patent/CN113479993A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4616—Power supply
    • C02F2201/46165—Special power supply, e.g. solar energy or batteries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/10—Energy recovery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本发明提供一种热电辅助的微生物‑光电化学系统，包括微生物阳极、光阴极、热电片和散热器；微生物阳极和光阴极则通过导线连接到电路；系统侧面或者底部直接与热电片热端连接，将系统红电解液热量传递到热电片的热端，热电片的冷端与散热器连接；热电片电路与微生物阳极和光阴极连接，将热电转换生成的电流连接到微生物‑光电化学系统中。本发明通过热电转换器件对光热进行利用，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

热电辅助的微生物-光电化学系统
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及热电辅助的微生物-光电化学系统。
背景技术
随着经济的发展，化石燃料的大量消耗，带来了严重的环境和能源问题。微生物光电化学系统作为一种能同时降解污水中有机物和产氢的系统，对解决环境污染和能源短缺具有重要的应用前景。在系统运行过程中，光阴极在光照条件下还原氢离子产生氢气，微生物阳极则通过生化氧化有机物实现污水降解。实际应用中，太阳光的照射往往伴随着大量光热的产生，但产生的光热目前无法有效利用，导致光能的转化利用率较低；另一方面，大量的光热将直接导致系统运行温度发生变化，影响微生物阳极的反应活性。通过系统中光和热的综合利用，可有效提升系统太阳能的转化利用效率。
针对微生物电化学系统的光热和余热利用，目前研究还处于起步阶段。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。针对微生物-光电催化系统中光热的利用还没有报道，也没有涉及到光催化。
针对电化学制氢，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；针对微生物-光电催化系统中光热的利用还没有报道，也没有涉及到光催化。
目前微生物-光电催化系统通过利用光电极在光照条件下产生的空穴-电子对实现阴阳极的氧化和还原反应，但是实际应用中，太阳光的照射往往伴随着大量光热的产生，但产生的光热目前无法有效利用，导致光能的转化利用率较低；另一方面，大量的光热将直接导致系统运行温度发生变化，影响微生物阳极的反应活性。
发明内容
针对上述问题，本发明通过热电转换器件，将微生物-光电催化小系统中的光热加以利用，提高系统太阳能转换效率。
具体的技术方案为：
热电辅助的微生物-光电化学系统，包括微生物阳极、光阴极、热电片和散热器；微生物阳极和光阴极则通过导线连接到电路；系统侧面或者底部直接与热电片热端连接，将系统红电解液热量传递到热电片的热端，热电片的冷端与散热器连接；热电片电路与微生物阳极和光阴极连接，将热电转换生成的电流连接到微生物-光电化学系统中。
所述的微生物阳极和光阴极之间还设有离子交换膜，分隔构建单室或者双室。
所述的热电片为半导体热电元件。
本发明提供的热电辅助的微生物-光电化学系统，具有以下特点：
（1）本发明在电池四周布置半导体热电元件进行热电转换，将系统内部光热加热后的电解质热量转换为电能，并提供给系统，增加系统内阳极有机物降解速率和阴极产氢速率，整体提高系统太阳能转化效率。
（2）本发明针对光电极、热电转换器件等部件，通过相关纳米材料涂覆设计成具有光热转换特性的受光面，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。基于扩散焊的一体式的设计可，有效避免冷却液的泄露，整个散热器具有更好的运行安全和可靠性。
（3）本发明中通过在电池周围布置热电转换装置，在有效利用了电解质中热量的同时，可有效防止系统内部温度过高，避免过高温度对微生物阳极的氧化活性的抑制，保障微生物阳极的稳定运行。
本发明具有的技术效果：
本发明通过热电转换器件对光热进行利用，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，本发明所述热电辅助的微生物-光电化学系统，包括微生物阳极1、光阴极2、电解液5、热电片3和散热器4；所述的微生物阳极1和光阴极2之间根据使用需求可使用或者不使用离子交换膜分隔构建单室或者双室微生物-光电化学系统，微生物阳极1和光阴极2则通过导线连接到电路。系统侧面或者底部直接与热电片3热端连接，散热器4与热电片3的冷端连接，使得电解液热量能有效传递到热电片3的热端，然后经热电片3和散热器4进一步传递到环境中，由此在热电片3冷热端之间形成温差。热电片3电路直接与微生物-光电化学系统的微生物阳极1和光阴极2连接，将热电转换生成的电流连接到微生物-光电化学系统，提升系统的转化效率。
所述的热电片3为半导体热电元件。
由于基于本发明的结构，可以衍生出多种尺寸或者外形结构形式，电解液种类、电极结构和尺寸、热电片种类和尺寸、交换膜类型及有无交换膜等，均应该属于本发明的保护范畴之内。
（1）本发明通过在微生物-光电化学系统布置热电片实现系统光热的热电转换，克服常规微生物-电化学系统中光热无法利用的问题，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。
（2）本发明的光电极、热电片热端等可能的受光面均通过相关纳米材料设计和涂覆，使得受光面具有较好的光热特性，在电极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。
（3）本发明中可通过在微生物-光电化学系统布置热电片实现太阳能光热的有效利用，从而防止系统中由于光热导致的电解液温度过高，进而导致微生物阳极失活的发生。通过合理的热点元件和换热器布置，可有效控制系统内部电解液温度，使得微生物阳极处于最适温度区间，更加有利于系统发挥工作效能。
可能的变更设计方向或变形方案
（1）改变热电片的安装位置、尺寸和形状以及安装方式等。
（2）改变阴阳极的结构、尺寸和材料等。
（3）采用不同尺寸、结构和材料的换热器、反应器。
（4）使用不同类型的交换膜、阴阳极分隔材料或电解液。

Claims (3)

1.热电辅助的微生物-光电化学系统，其特征在于，包括微生物阳极、光阴极、热电片和散热器；微生物阳极和光阴极则通过导线连接到电路；系统侧面或者底部直接与热电片热端连接，将系统红电解液热量传递到热电片的热端，热电片的冷端与散热器连接；热电片电路与微生物阳极和光阴极连接，将热电转换生成的电流连接到微生物-光电化学系统中。
2.根据权利要求1所述的热电辅助的微生物-光电化学系统，其特征在于，所述的微生物阳极和光阴极之间还设有离子交换膜，分隔构建单室或者双室。
3.根据权利要求1所述的热电辅助的微生物-光电化学系统，其特征在于，所述的热电片为半导体热电元件。
CN202110760106.1A 2021-07-06 2021-07-06 热电辅助的微生物-光电化学系统 Pending CN113479993A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110760106.1A CN113479993A (zh) 2021-07-06 2021-07-06 热电辅助的微生物-光电化学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110760106.1A CN113479993A (zh) 2021-07-06 2021-07-06 热电辅助的微生物-光电化学系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113479993A true CN113479993A (zh) 2021-10-08

Family

ID=77941074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110760106.1A Pending CN113479993A (zh) 2021-07-06 2021-07-06 热电辅助的微生物-光电化学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113479993A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114351167A (zh) * 2022-01-20 2022-04-15 四川大学 一种热电池-电解池耦合制氢系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102329006A (zh) * 2011-07-28 2012-01-25 西安交通大学 同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统
CN103296299A (zh) * 2013-05-31 2013-09-11 中国科学技术大学 生物光电化学池
US20160111747A1 (en) * 2013-06-20 2016-04-21 The Regents Of The University Of California Self-biased and Sustainable Microbial Electrohydrogenesis Device
CN106684419A (zh) * 2017-02-21 2017-05-17 南京大学 一种光助微生物燃料电池
CN109112562A (zh) * 2017-06-22 2019-01-01 中国科学院金属研究所 一种热电辅助的光电催化系统的构建方法
CN208485767U (zh) * 2018-07-04 2019-02-12 天津市绿通环保工程设备开发有限公司 生活污水处理过滤及二次回收利用系统
CN209537276U (zh) * 2018-12-12 2019-10-25 中国石油大学(华东) 一种光电催化微生物电解池装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102329006A (zh) * 2011-07-28 2012-01-25 西安交通大学 同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统
CN103296299A (zh) * 2013-05-31 2013-09-11 中国科学技术大学 生物光电化学池
US20160111747A1 (en) * 2013-06-20 2016-04-21 The Regents Of The University Of California Self-biased and Sustainable Microbial Electrohydrogenesis Device
CN106684419A (zh) * 2017-02-21 2017-05-17 南京大学 一种光助微生物燃料电池
CN109112562A (zh) * 2017-06-22 2019-01-01 中国科学院金属研究所 一种热电辅助的光电催化系统的构建方法
CN208485767U (zh) * 2018-07-04 2019-02-12 天津市绿通环保工程设备开发有限公司 生活污水处理过滤及二次回收利用系统
CN209537276U (zh) * 2018-12-12 2019-10-25 中国石油大学(华东) 一种光电催化微生物电解池装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114351167A (zh) * 2022-01-20 2022-04-15 四川大学 一种热电池-电解池耦合制氢系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Feasibility of high efficient solar hydrogen generation system integrating photovoltaic cell/photon-enhanced thermionic emission and high-temperature electrolysis cell
CN103296739B (zh) 一种新型太阳能光伏与光热联合供电系统装置
CN113388845B (zh) 微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统
CN111139493A (zh) 一种太阳能光伏光热高温电解水制氢系统及制氢方法
CN2893940Y (zh) 可再生能源与燃料电池耦合发电装置
CN102867978B (zh) 一种液流储能电池结构
CN112144071A (zh) 一种水电电解水制氢系统
CN115074751A (zh) 一种可连续稳定运行的高温电解制氢系统、方法及其应用
Shi et al. Effect of operating parameters on the performance of thermally regenerative ammonia-based battery for low-temperature waste heat recovery
CN113479993A (zh) 热电辅助的微生物-光电化学系统
CN214480472U (zh) 一种基于光电-光热联用的液流电池储能系统
CN106086922A (zh) 一种利用太阳能低成本生产过氧化氢和氢气的电解方法
CN206686115U (zh) 一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统
CN210420193U (zh) 基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统
CN112865701A (zh) 一种基于光电-光热联用的液流电池储能系统
CN101127407A (zh) 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆
CN110093618A (zh) 基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法
CN215209640U (zh) 基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置
CN101771151B (zh) 氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极
CN110459782B (zh) 燃料电池汽车余热发电系统及其工作方法、燃料电池汽车
CN113952908A (zh) 一种光催化制氢装置及制氢系统
CN113151850A (zh) 一种高效的制氢系统
CN220202055U (zh) 一种冲压型质子交换膜电解水用钛金属双极板
CN219659609U (zh) 一种光伏/光热产储能一体化装置
CN203659991U (zh) 一种新型燃料电池堆端板

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211008

RJ01 Rejection of invention patent application after publication