CN115863713A - 一种燃料电池生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池生物反应器，包括反应器主体和微处理器，反应器主体上设置有隔板，隔板将反应器主体分为阳极室和阴极室，阴极室的一侧设置有进气管，阳极室的一侧设置有进水管道，阳极室的内部设置有生物槽，生物槽的内部设置有搅拌轴，搅拌轴的一端连接有驱动电机，搅拌轴的外侧套接有搅拌片，阳极室的侧壁安装有摄像头，摄像头用于收集生物槽内部的图像数据，并将数据发送至微处理器。本发明采用图像识别技术来识别微生物的悬浮状态，并根据当前的状态进行决策，根据控制模块来对数据进行分析，找出最优的控制逻辑来对驱动电机进行控制，既能保障供电需求，也能尽可能的减少对微生物的伤害，保障了反应器的持久长效的运行。

Description

一种燃料电池生物反应器

技术领域

本发明涉及燃料电池生物反应技术，特别涉及一种燃料电池生物反应器。

背景技术

生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，其基本工作原理是在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

微生物的直径较大、且密度通常微大于水，因此沉降系数较高。目前，主要是依靠搅拌轴转动使微载体持续悬浮，然而，微生物对剪切力敏感，搅拌桨转速的升高会对微生物产生伤害。

由于微生物在水中的状态不同，悬浮的程度也会不同，同时受到水流以及转速不同的影响，悬浮程度并不是始终保持一定，且每次需要发电的发电量也有所不同，因此，为了减少对动物细胞的伤害，需要对生物槽内部进行观察，实时了解生物的悬浮状态，并根据悬浮状态调整搅拌桨的转速，在保障微生物供电的同时减少对动物细胞的伤害，但目前的生物燃料电池并不具备上述的步骤，如果采用人工的方式进行处理，又极消耗人力物力。

发明内容

为了至少解决或部分解决上述问题，提供一种燃料电池生物反应器。

为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种燃料电池生物反应器，包括反应器主体和微处理器，所述反应器主体上设置有隔板，所述隔板将反应器主体分为阳极室和阴极室，所述阴极室的一侧设置有进气管，所述阳极室的一侧设置有进水管道，所述阳极室的内部设置有生物槽，所述生物槽的内部设置有搅拌轴，所述搅拌轴的一端连接有驱动电机，所述搅拌轴的外侧套接有搅拌片，所述阳极室的侧壁安装有摄像头，所述摄像头用于收集生物槽内部的图像数据，并将数据发送至微处理器，所述微处理器包括图像检测模块、图像处理模块和控制模块，所述图像检测模块采用图像特征提取技术对生物槽内部的生物进行特征提取，并将提取后的图像数据发送至图像处理模块，所述图像处理模块根据图像中生物的特征数据确定生物悬浮状态，所述控制模块根据生物悬浮状态与发电比例调整驱动电机功率。

作为本发明的一种优选技术方案，所述图像特征提取采用由卷积到批标准化到激活Relu函数的卷积单元形式的网络结构进行特征提取。

作为本发明的一种优选技术方案，所述驱动电机通过搅拌轴与搅拌片传动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制模块采用强化学习算法对驱动电机进行调整，所述强化学习算法采用q学习算法进行调整，将发电功率与生物存活效率作为评价值q，将当前的生物悬浮状态和剩余待发电量作为状态数据，将驱动电机的旋转功率为执行策略和动作，通过强化学习模型进行调整，确定关系增强的矩阵，根据确定关系增强的矩阵得到当前最佳的策略指令，并根据该指令进行调整。

作为本发明的一种优选技术方案，所述微处理器还包括图像预处理模块，所述图像预处理模块将图像进行预处理，并将预处理后的图像数据发送至图像检测模块。

作为本发明的一种优选技术方案，所述图像预处理模块采用降噪的模式对图像数据进行降噪，并采用二值化和归一化处理。

作为本发明的一种优选技术方案，所述阳极室的一端连接有进水管道，所述进水管道的一端连接有进水桶。

作为本发明的一种优选技术方案，所述阳极室的内部还设置有阳极石墨片，所述阴极室的内部还设置有阴极石墨片，所述阳极石墨片和阴极石墨片之间设置有质子交换膜。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括通信模块，所述摄像头通过通信模块与微处理器进行数据传输，所述微处理器通过通信模块与驱动电机进行数据交互。

作为本发明的一种优选技术方案，所述搅拌轴的表面设置有一层橡胶层，所述搅拌片的数量不少于4个。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用图像识别技术来识别微生物的悬浮状态，并根据当前的状态进行决策，根据控制模块来对数据进行分析，找出最优的控制逻辑来对驱动电机进行控制，既能保障供电需求，也能尽可能的减少对微生物的伤害，保障了反应器的持久长效的运行。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构剖面图；

图3是本发明的内部结构平面图；

图4是本发明的整体结构模块图；

图中：1、反应器主体；2、微处理器；3、隔板；4、阳极室；5、阴极室；6、进气管；7、进水管道；8、生物槽；9、搅拌轴；10、驱动电机；11、搅拌片；12、摄像头；13、图像检测模块；14、图像处理模块；15、控制模块；16、图像预处理模块；17、溢流管道；18、蓄水桶；19、阳极石墨片；20、阴极石墨片；21、通信模块；22、质子交换膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。

此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。需要说明的是，下面描述中使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-4所示，本发明提供一种燃料电池生物反应器，包括反应器主体1和微处理器2，反应器主体1上设置有隔板3，隔板3将反应器主体1分为阳极室4和阴极室5，阴极室5的一侧设置有进气管6，阳极室4的一侧设置有进水管道7，阳极室4的内部设置有生物槽8，生物槽8的内部设置有搅拌轴9，搅拌轴9的一端连接有驱动电机10，搅拌轴9的外侧套接有搅拌片11，阳极室4的侧壁安装有摄像头12，摄像头12用于收集生物槽8内部的图像数据，并将数据发送至微处理器2，微处理器2包括图像检测模块13、图像处理模块14和控制模块15，图像检测模块13采用图像特征提取技术对生物槽8内部的生物进行特征提取，并将提取后的图像数据发送至图像处理模块14，图像处理模块14根据图像中生物的特征数据确定生物悬浮状态，控制模块15根据生物悬浮状态与发电比例调整驱动电机10功率。

具体的，由进水管道7灌水，在阳极室4中微生物槽8中的微生物将水中的有机物分解，并释放出电子和质子，然后通过传递将其传递出去，形成电流。

传递采用石墨片和质子交换膜22的结构进行传递。具体的，在阳极室4的内部还设置有阳极石墨片19，阴极室5的内部还设置有阴极石墨片20，阳极石墨片19和阴极石墨片20之间设置有质子交换膜22，将产生的电子传递至阳极石墨片19，将产生的质子通过质子交换膜22传递至阴极石墨片20，然后由阳极石墨片19和阴极石墨片20将电子和质子传递出去形成电流。

在运行的过程中，通过摄像头12观察生物槽8内部的图像数据，利用图像特征提取来提取生物图像，并将生物图像进行标记，标记后的图像数据可以清楚的识别出生物槽生物的悬浮状态，然后根据悬浮状态执行策略。

在本实施例中，图像特征提取采用由卷积到批标准化到激活Relu函数的卷积单元形式的网络结构进行特征提取。

为了能够更好的进行特征提取，先对摄像头12传递过来的图像进行预处理，因此，还设置了图像预处理模块16，图像预处理模块16将图像进行预处理，并将预处理后的图像数据发送至图像检测模块13。

具体的，图像预处理模块16采用降噪的模式对图像数据进行降噪，并采用二值化和归一化处理，经过降噪处理后的图像会更加清晰，更方便实现图像特征提取。

执行策略主要通过控制模块15来完成，控制模块15采用强化学习算法对驱动电机进行调整，强化学习算法采用q学习算法进行调整，将发电功率与生物存活效率作为评价值q，将当前的生物悬浮状态和剩余待发电量作为状态数据，将驱动电机的旋转功率为执行策略和动作，通过强化学习模型进行调整，确定关系增强的矩阵，根据确定关系增强的矩阵得到当前最佳的策略指令，并根据该指令进行调整。

在本实施例中，还包括通信模块21，摄像头12通过通信模块21与微处理器2进行数据传输，微处理器2通过通信模块21与驱动电机10进行数据交互。

利用控制模块15实时调整驱动电机10的运行功率，并启动驱动电机10，驱动电机10通过搅拌轴9与搅拌片11传动连接，当驱动电机10运作时，会带动搅拌轴9转动，搅拌轴9转动会带动搅拌片11转动，使微生物悬浮。

反应完毕后，多出来的水从阴极室5流出，在阴极室5的一端连接有溢流管道17，溢流管道17的一端连接有蓄水桶18，流出的水通过溢流管道17流向蓄水桶18。

为了减少微生物受到的伤害，在搅拌轴9的表面设置有一层橡胶层，同时，搅拌片11的数量不少于4个，使悬浮效果更佳。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池生物反应器，其特征在于，包括反应器主体（1）和微处理器（2），所述反应器主体（1）上设置有隔板（3），所述隔板（3）将反应器主体（1）分为阳极室（4）和阴极室（5），所述阴极室（5）的一侧设置有进气管（6），所述阳极室（4）的一侧设置有进水管道（7），所述阳极室（4）的内部设置有生物槽（8），所述生物槽（8）的内部设置有搅拌轴（9），所述搅拌轴（9）的一端连接有驱动电机（10），所述搅拌轴（9）的外侧套接有搅拌片（11），所述阳极室（4）的侧壁安装有摄像头（12），所述摄像头（12）用于收集生物槽（8）内部的图像数据，并将数据发送至微处理器（2），所述微处理器（2）包括图像检测模块（13）、图像处理模块（14）和控制模块（15），所述图像检测模块（13）采用图像特征提取技术对生物槽（8）内部的生物进行特征提取，并将提取后的图像数据发送至图像处理模块（14），所述图像处理模块（14）根据图像中生物的特征数据确定生物悬浮状态，所述控制模块（15）根据生物悬浮状态与发电比例调整驱动电机（10）功率。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述图像特征提取采用由卷积到批标准化到激活Relu函数的卷积单元形式的网络结构进行特征提取。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述驱动电机（10）通过搅拌轴（9）与搅拌片（11）传动连接。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述控制模块（15）采用强化学习算法对驱动电机进行调整，所述强化学习算法采用q学习算法进行调整，将发电功率与生物存活效率作为评价值q，将当前的生物悬浮状态和剩余待发电量作为状态数据，将驱动电机的旋转功率为执行策略和动作，通过强化学习模型进行调整，确定关系增强的矩阵，根据确定关系增强的矩阵得到当前最佳的策略指令，并根据该指令进行调整。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述微处理器（2）还包括图像预处理模块（16），所述图像预处理模块（16）将图像进行预处理，并将预处理后的图像数据发送至图像检测模块（13）。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述图像预处理模块（16）采用降噪的模式对图像数据进行降噪，并采用二值化和归一化处理。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述阴极室（5）的一端连接有溢流管道（17），所述溢流管道（17）的一端连接有蓄水桶（18）。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述阳极室（4）的内部还设置有阳极石墨片（19），所述阴极室（5）的内部还设置有阴极石墨片（20），所述阳极石墨片（19）和阴极石墨片（20）之间设置有质子交换膜（22）。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，还包括通信模块（21），所述摄像头（12）通过通信模块（21）与微处理器（2）进行数据传输，所述微处理器（2）通过通信模块（21）与驱动电机（10）进行数据交互。

10.根据权利要求1所述的一种燃料电池生物反应器，其特征在于，所述搅拌轴（9）的表面设置有一层橡胶层，所述搅拌片（11）的数量不少于4个。

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