RU2657289C1 - Biofuel cell - Google Patents
Biofuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657289C1 RU2657289C1 RU2017121718A RU2017121718A RU2657289C1 RU 2657289 C1 RU2657289 C1 RU 2657289C1 RU 2017121718 A RU2017121718 A RU 2017121718A RU 2017121718 A RU2017121718 A RU 2017121718A RU 2657289 C1 RU2657289 C1 RU 2657289C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- biofuel
- water
- biofuel cell
- Prior art date
Links
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 17
- 244000005706 microflora Species 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 8
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 claims description 5
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 claims description 5
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 2
- 244000005700 microbiome Species 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 11
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 241001264766 Callistemon Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003786 aquatic sediment Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 1
- 239000011491 glass wool Substances 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000009972 noncorrosive effect Effects 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии, а именно к получению электрической энергии при окислении широкого круга органических веществ при помощи микроорганизмов, к альтернативной энергетике, а также экологии.The invention relates to biotechnology, in particular to the production of electrical energy by oxidizing a wide range of organic substances using microorganisms, to alternative energy, as well as ecology.
Биотопливный элемент (БТЭ) может быть использован для создания маломощных необслуживаемых источников постоянного тока, используемых для автономного питания маломощных потребителей электрической энергии - различных датчиков и сенсоров, светодиодного освещения, охранных систем и др.A biofuel element (BFC) can be used to create low-power unattended direct current sources used for autonomous power supply of low-power consumers of electric energy - various sensors and sensors, LED lighting, security systems, etc.
Известен мембранный микробный топливный элемент (МТЭ), состоящий из анодной и катодной камер, содержащих анод и катод соответственно, разделенных ионообменной мембраной и заполненных жидкостью, анодная камера с патрубками содержит водный раствор органических веществ и микроорганизмы, окисляющие органические вещества, катод выполнен воздушным из постоянно увлажняемого материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода [патент РФ №145009, H01M 8/16 (2006.01), Н01М 8/02 (2006.01), C12M 1/00 (2006.01), опубл. 10.09.2014]. Анод и катод выполнены из углеродного войлока, с большой удельной площадью поверхности, причем в аноде выполнены отверстия, катод примыкает непосредственно к ионообменной мембране, при этом анодная камера имеет входной патрубок, расположенный в нижней ее части, и выходной патрубок, расположенный в верхней ее части.Known membrane microbial fuel cell (MTE), consisting of an anode and cathode chambers containing an anode and a cathode, respectively, separated by an ion exchange membrane and filled with liquid, the anode chamber with nozzles contains an aqueous solution of organic substances and microorganisms that oxidize organic substances, the cathode is made air from wetted material to create a liquid film on the surface of the cathode [RF patent No. 145009, H01M 8/16 (2006.01), H01M 8/02 (2006.01), C12M 1/00 (2006.01), publ. 09/10/2014]. The anode and cathode are made of carbon felt with a large specific surface area, and holes are made in the anode, the cathode is adjacent directly to the ion-exchange membrane, while the anode chamber has an inlet pipe located in its lower part, and an output pipe located in its upper part .
К недостаткам мембранного микробного топливного элемента относятся трудности эксплуатации вследствие зависимости от исходно внесенных в анодную камеру органических веществ, расходующихся в ходе функционирования микробного топливного элемента, и необходимости их последующего внесения.The disadvantages of the membrane microbial fuel cell include operating difficulties due to the dependence on the organic substances initially introduced into the anode chamber, which are consumed during the functioning of the microbial fuel cell, and the need for their subsequent application.
Частично указанные недостатки устранены в безмембранных МТЭ (Lovley, D.R. Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches / Derek R. Lovley // Current Opinion in Biotechnology. - 2006. - №17. - P. 327-332). Наиболее распространена конструкция безмембранного МТЭ, представляющая собой два электрода из инертного электропроводящего материала, расположенных друг над другом. При этом верхний электрод является положительно заряженным катодом, а нижний - отрицательно заряженным анодом. Конструкция помещена в водоем таким образом, что катод находится в толще воды либо на ее поверхности. Анод погружен в ил, песок, другие донные отложения или иные субстанции, по своему составу отличающиеся от воды, омывающей катод. Анод и катод соединены электрическими проводами с внешней нагрузкой.Partially indicated drawbacks were eliminated in membraneless MTEs (Lovley, D.R. Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches / Derek R. Lovley // Current Opinion in Biotechnology. - 2006. - No. 17. - P. 327-332). The most common design is a membraneless MFC, which is two electrodes of an inert electrically conductive material located one above the other. In this case, the upper electrode is a positively charged cathode, and the lower one is a negatively charged anode. The design is placed in a reservoir in such a way that the cathode is in the water column or on its surface. The anode is immersed in silt, sand, other bottom sediments or other substances that differ in composition from the water washing the cathode. The anode and cathode are connected by electric wires to an external load.
Поляризация и возникновение электродвижущей силы между электродами осуществляется за счет разности окислительно-восстановительных потенциалов сред, где распложены анод и катод. Если положительный потенциал катода связан преимущественно с физико-химическими процессами - катодными полуреакциями взаимодействия кислорода, протонов и электронов с образованием воды, то реакции на аноде прямо связаны деятельностью микроорганизмов. Снижение потенциала анода происходит в результате деятельности бактерий, осуществляющих анаэробное разложение органических веществ, которые присутствуют в донных отложениях.The polarization and occurrence of an electromotive force between the electrodes is due to the difference in the redox potentials of the media where the anode and cathode are located. If the positive potential of the cathode is associated mainly with physicochemical processes - cathodic half-reactions of the interaction of oxygen, protons and electrons with the formation of water, then the reactions at the anode are directly related to the activity of microorganisms. The decrease in the potential of the anode occurs as a result of the activity of bacteria that carry out anaerobic decomposition of organic substances that are present in bottom sediments.
Известен безмембранный безмедиаторный микробный топливный элемент [патент US 7544429, МПК H01M 8/08, H01M 8/16, H01M 4/92, H01M 4/86, H01M 4/96, Membraneless and mediatorless microbial fuel cell], включающий катодный отдел, анодный отдел со стеклянной ватой или бусинами, разделяющими отделы, или без таковых. Конструкция обеспечивает воздушное питание катодного отдела, а также питание сточной водой анодного отдела, в котором подаваемая сточная вода просачивается далее в катодный отдел. Углеродный войлок либо углеродный войлок, покрытый платиной, использованы как электрод в катодном отделе. Через анодную камеру осуществляется прокачка жидкости, через катодную - воздуха. Безмембранный МТЭ может работать без дорогостоящей протонообменной мембраны без потери эффективности по сравнению с аналогичными устройствами, в которых использована мембрана. Продемонстрирована продолжительность непрерывной работы устройства около 30 суток.Known membrane-free mediator-free microbial fuel cell [patent US 7544429, IPC
Известен микробный топливный элемент, отличающийся отсутствием каких-либо элементов, разделяющих его анодный и катодный отделы [патент US 8012632, В2, МПК H01M 8/16, H01M 8/00, H01M 2/02, H01M 2/08, H01M 8/24 Microbial fuel cell and method of use].Known microbial fuel cell, characterized by the absence of any elements separating its anode and cathode departments [patent US 8012632, B2, IPC
Недостатками этих устройств являются:The disadvantages of these devices are:
- большие энергозатраты, обусловленные необходимостью прокачки жидкости через анодный отдел, а воздуха - через катодный;- high energy costs due to the need to pump fluid through the anode section, and air through the cathode;
- трудности эксплуатации, обусловленные последующим дополнительным внесением в анодную камеру органических веществ, расходующихся в ходе функционирования микробного топливного элемента;- difficulties in operation due to the subsequent additional introduction into the anode chamber of organic substances that are consumed during the operation of the microbial fuel cell;
- низкие удельные значения мощности.- low specific power values.
Известно устройство для генерации энергии за счет градиента окислительно-восстановительного потенциала на границе разделов донных отложений и морской воды [патент US 6913854 В1, МПК H01M 6/34, H01M 8/06 Method and apparatus for generating power from voltage gradients at sediment-water interfaces], отличающийся тем, что анод погружен в донные отложения, катод размещен в толще морской воды над анодом за счет поддерживающего устройства, электрические провода соединяют анод и катод с внешней нагрузкой.A device is known for generating energy due to a redox potential gradient at the interface between bottom sediments and sea water [US Pat. No. 6,913,854 B1,
Недостатком данного изобретения является малая генерируемая мощность - около 0,5 мкВт/см2 анода. Показана продолжительность непрерывной генерации электричества около 16 суток.The disadvantage of this invention is the low generated power of about 0.5 μW / cm 2 anode. The duration of continuous generation of electricity is shown about 16 days.
Наиболее близким аналогом является устройство для генерации энергии на границе раздела донных отложений и морской воды [патент US №8012616, МПК H01M 6/34 (2006.01) Advanced apparatus for generating electrical power from aquatic sediment/water interfaces]. Устройство состоит из анода, устанавливаемого в донных отложениях, катода, размещаемого в толще воды над донными отложениями, приспособления для поддержания относительного положения анода и катода, электрических проводов, отходящих от анодного и катодного электродов к нагрузке. Существенным отличием данного устройства от раннее известных является выполнение анода и катода в виде бутылочных щеток, причем анод помещен в перфорированную трубу, которая обеспечивает сохранение формы ажурного анода и развитой поверхности последнего при помещении в донные отложения. Удельная мощность устройства достигает около 21-24 мВт/л в пересчете на объем анода. Показана продолжительность непрерывной генерации электричества около 7 суток.The closest analogue is a device for generating energy at the interface between bottom sediments and seawater [US patent No. 8012616,
Недостатком данного устройства является низкая удельная мощность генерируемой электроэнергии и ограниченная продолжительность непрерывной работы.The disadvantage of this device is the low specific power of the generated electricity and the limited duration of continuous operation.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение удельной мощности биотопливного элемента, а также возможность его работы в течение длительного времени, в том числе, в условиях годовых перепадов температур.The technical result of the proposed technical solution is to increase the specific power of the biofuel element, as well as the possibility of its operation for a long time, including in the conditions of annual temperature changes.
Для достижения технического результата предлагается биотопливный элемент (БТЭ), состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой, при этом катод расположен над анодом и их взаиморасположение обеспечено поддерживающим устройством. На поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на нем, а на основании, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая его форму и имеющая размеры, соответствующие ему. Катод и анод выполнены из электропроводящего некорродирующего структурированного материала с развитой поверхностью, зажатого между двумя пластиковыми решетками, например, при помощи пластиковых хомутов. В качестве электропроводящего некорродирующего структурированного материала с развитой поверхностью можно использовать, например, углеродный войлок с большой удельной площадью поверхности.To achieve a technical result, a biofuel element (BFC) is proposed, consisting of an anode and a cathode connected by electrical wires with a load, while the cathode is located above the anode and their relative position is provided by a supporting device. Organic substances are deposited on the surface of the anode to ensure the formation of a biofilm of electrogenic microflora on it during operation, and on the base oriented towards the cathode there is a water-impermeable plate repeating its shape and having dimensions corresponding to it. The cathode and anode are made of an electrically conductive non-corroding structured material with a developed surface sandwiched between two plastic gratings, for example, using plastic clamps. As an electrically conductive non-corrosive structured material with a developed surface, for example, carbon felt with a large specific surface area can be used.
Водогазонепроницаемая пластина отделяет анод от надлежащей толщи воды, обеспечивая создание анаэробных условий. Она может быть изготовлена, например, из поливинилхлоридной пленки.A water-impermeable plate separates the anode from the proper water column, providing anaerobic conditions. It can be made, for example, from a polyvinyl chloride film.
В качестве органического вещества, обеспечивающего при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на аноде, можно использовать раствор сахарозы, которая после сушки на воздухе кристаллизовалась на аноде.As an organic substance, which ensures the formation of a biofilm of electrogenic microflora on the anode during operation, a sucrose solution can be used, which crystallized on the anode after drying in air.
Всегда естественным образом присутствующая в донных отложениях электрогенная микрофлора начинает утилизировать органические вещества, распределенные по электропроводящему некорродирующему структурированному материалу с развитой поверхностью, за счет чего обеспечивается быстрое наращивание биомассы электрогенной микрофлоры как непосредственно на поверхности анода, так и в прилегающем слое донных отложений. Присутствие органических веществ на поверхности анода, в условиях замыкания внешней цепи, способствует селекции электрогенной микрофлоры, что выражается в высоких удельных характеристиках электрической мощности БТЭ. После исчерпания питательных веществ, нанесенных на анод, микрофлора переходит на питание естественными органическими веществами, имеющимися в донных отложениях.The electrogenic microflora, always present in the bottom sediments, begins to utilize organic substances distributed over the electrically conductive non-corroding structured material with a developed surface, due to which the biomass of the electrogenic microflora is rapidly growing both directly on the anode surface and in the adjacent layer of the bottom sediments. The presence of organic substances on the surface of the anode, under conditions of external circuit closure, contributes to the selection of electrogenic microflora, which is expressed in the high specific characteristics of the BTE electric power. After the nutrients deposited on the anode are exhausted, the microflora passes to the nutrition of natural organic substances found in bottom sediments.
На фигуре 1 представлен общий вид биотопливного элемента; на фигуре 2 представлена динамика величин электрического тока, зафиксированных в течение первых пяти месяцев эксперимента; на фигуре 3 - максимальные значения силы тока, отмеченные за пять месяцев (160 суток) для каждого из пяти БТЭ; на фигуре 4 приведена динамика среднемесячных значений тока, генерируемого БТЭ в искусственном водоеме; на фигуре 5 - динамика среднемесячных значений тока, генерируемого БТЭ в естественных условиях открытого водоема.The figure 1 presents a General view of the biofuel element; the figure 2 presents the dynamics of the magnitude of the electric current recorded during the first five months of the experiment; figure 3 - the maximum value of the current marked for five months (160 days) for each of the five BFC; the figure 4 shows the dynamics of the average monthly values of the current generated by the BFC in an artificial reservoir; figure 5 - the dynamics of the average monthly values of the current generated by BFC in the natural environment of an open reservoir.
Биотопливный элемент (БТЭ) состоит из анода 1 и катода 2, соединенных электрическими проводами 3 с нагрузкой 4, изготовленных из электропроводящего некорродирующего структурированного материала с развитой поверхностью 5, зажатого между пластиковыми решетками 6 при помощи хомутов 7 (фиг. 1). На поверхности анода 1 нанесены кристаллы сахарозы 8. Водогазонепроницаемый слой 9 закреплен на поверхности анода 1, обращенной к катоду 2. По размеру и форме водогазонепроницаемый слой 9 соответствует форме и размерам анода 1. Взаиморасположение анода 1 и катода 2 обеспечивает поддерживающее устройство 10. Анод 1 размещают в слое донных отложений 11 водоема. Катод 2 расположен над анодом 1 в толще воды 12.A biofuel cell (BFC) consists of an
Установку микробного топливного элемента осуществляют следующим образом.The installation of a microbial fuel cell is as follows.
Анод 1 заглубляют в донные отложения 11 так, чтобы его поверхность с водогазонепроницаемым слоем 9, обращенная к катоду 2, была полностью покрыта ими, что необходимо для изоляции анода 1 от содержащей кислород водной массы 12. Катод 2 зафиксирован в толще воды 12 в непосредственной близости от анода 1 при помощи поддерживающего устройства 10 таким образом, что катод 2 не контактирует с донными отложениями 11 и анодом 1. Электрические провода 3 необходимой длины, идущие от анода 1 и катода 2, подключены к внешней нагрузке 4, замыкающей электрическую цепь.The
Пример. Анод 1 и катод 2 предлагаемого устройства были выполнены из углеродного войлока НТМ-200М 5 в виде пластин, которые зажимали между двумя тонкими (около 3 мм) пластиковыми решетками 6 с ячеей около 1 см при помощи пластиковых хомутов 7. Герметично подсоединяли к аноду 1 и катоду 2 электрические провода 3. Анод 1 погружали на 5 минут в 1 М раствор сахарозы, после чего высушивали на воздухе до постоянной массы до образования кристаллов сахарозы 8. На поверхности одного из оснований анода 1 закрепляли водогазонепроницаемый слой 9, изготовленный из поливинилхлоридной пленки, равной по форме и площади поверхности анода 1. Приготовленный таким образом анод 1 можно хранить в сухом состоянии в течение длительного времени. В качестве поддерживающего устройства 10 была выбрана двутавровая пластиковая балка, соединяемая с пластиковыми решетками 6 анода 1 и катода 2. В качестве нагрузки 4 использовали резистор.Example.
Провели исследование мощности генерируемого электрического тока при разных размерах анода 1 и катода 2, для чего были изготовлены несколько БТЭ, различающихся по их площадям (таблица 1).We conducted a study of the power of the generated electric current at different sizes of the
Рассмотрим примеры использования БТЭ.Consider examples of using BTE.
Биотопливный элемент устанавливали в искусственный водоем. В качестве водоема использовали емкость, заполненную пресной водой и имеющую на дне слой донных отложений 11. Емкость была установлена в отапливаемом освещенном помещении, обеспечивающем годовой перепад температур воды в пределах 10°C. Уровень воды в искусственном водоеме поддерживали постоянным. В качестве внешней нагрузки 4 к каждому из БТЭ подключали резистор сопротивлением 1000 Ом. Для измерения электрического тока, генерируемого устройством, параллельно резистору подключали вольтметр (на фиг. 1 не изображен) и фиксировали значение напряжения. Ток вычисляли по закону Ома для участка цепи.The biofuel element was installed in an artificial reservoir. A reservoir filled with fresh water and having a
Динамика величин электрического тока, зафиксированных в течение первых пяти месяцев эксперимента, приведена на фигуре 2.The dynamics of the magnitude of the electric current recorded during the first five months of the experiment is shown in figure 2.
Данные, приведенные на фиг. 2, демонстрируют взаимосвязь между площадью электродов БТЭ и силой генерируемого тока. При увеличении площади анода 1 и катода 2 сила тока, генерируемого устройством, возрастает. Как видно на фиг. 3, наибольший ток генерирует БТЭ под номером 4, обладающим наибольшими площадями анода 1 и катода 1 среди всех исследованных БТЭ. Наименьшее значение силы тока показал БТЭ под номером 1.The data shown in FIG. 2 demonstrate the relationship between the area of the BFC electrodes and the strength of the generated current. With increasing area of the
Мощность электрического тока вычисляли на основании значений силы тока по формуле (1)The power of the electric current was calculated based on the values of the current strength according to the formula (1)
где Р - мощность;where P is the power;
I - сила тока;I is the current strength;
R - сопротивление.R is the resistance.
Учитывая зависимость тока и мощности от величины анода 1, для возможности сравнения эффективности БТЭ с прототипом, были вычислены значения относительных мощностей (табл. 2). При этом использовали данные таблицы 1 и фиг.3. Удельные мощности выражены в мВт/л, а также в мкВт/см2 и получены делением значений мощностей на объем анода или его площадь соответственно.Given the dependence of current and power on the size of the
Как видно из таблицы 2, максимальные значения удельной мощности ряда БТЭ превышают таковые у прототипа (составлявшие около 21-24 мВт/л).As can be seen from table 2, the maximum specific power values of a number of BFCs exceed those of the prototype (constituting about 21-24 mW / l).
Для экспериментального определения фактической продолжительности непрерывной работы БТЭ, установленных в искусственном водоеме, все 5 устройств непрерывно работали в течение почти трех лет. При этом регулярно фиксировали значения электрического тока, что отражено на фигуре 4.To experimentally determine the actual duration of continuous operation of BFCs installed in an artificial reservoir, all 5 devices worked continuously for almost three years. In this case, the values of the electric current were regularly recorded, which is reflected in figure 4.
Из фиг. 4 видно, что предлагаемое устройство обеспечивает непрерывную генерацию электрической энергии в течение практически трех лет (32 месяца), что значительно превышает продолжительность такового периода у прототипа. При этом удельная мощность выше, чем у прототипа.From FIG. 4 shows that the proposed device provides continuous generation of electrical energy for almost three years (32 months), which significantly exceeds the duration of such a period in the prototype. In this case, the specific power is higher than that of the prototype.
Изготовленный БТЭ, как было описано выше, устанавливали в естественный водоем, имеющий плотные донные отложения (глинистое дно) и слабо выраженный слой донных отложений. В качестве водоема использовали открытый пресный естественный водоем площадью несколько гектар, расположенный в зоне с умеренным климатом. Существующие годовые перепады температур воздуха в г. Краснодаре - 40-50°C, допускают ледостав. Глубина установки БТЭ составила около 3 м. Расстояние до берега около 15 м. Электрические провода 3 были выведены в помещение на берегу водоема. В качестве внешней нагрузки 4 к БТЭ подключали резистор сопротивлением 1000 Ом. Показатели электрического тока, генерируемого БТЭ, приведены на фигуре 5.The fabricated BFC, as described above, was installed in a natural reservoir with dense bottom sediments (clay bottom) and a weakly pronounced layer of bottom sediments. An open fresh natural reservoir of several hectares in area with a temperate climate was used as a reservoir. The existing annual temperature differences in the city of Krasnodar - 40-50 ° C, allow freezing. The depth of the BTE installation was about 3 m. The distance to the coast was about 15 m.
Как видно из фиг. 5, биотопливный элемент, установленный в открытом водоеме, обеспечивает непрерывное генерирование электрического тока в течение более чем двух лет. Работа БТЭ происходит полностью в автономном режиме. Выражены некоторые сезонные колебания силы тока, связанные с изменениями температуры воды, содержания кислорода и других факторов, определяющих биологические и физико-химические процессы, обуславливающие генерацию электрической энергии в БТЭ. Характерно, что генерация электроэнергии происходит также и в условиях ледового покрова водоема.As can be seen from FIG. 5, a biofuel cell installed in an open reservoir provides continuous generation of electric current for more than two years. The work of BTE is fully offline. Some seasonal fluctuations in the current strength are expressed, associated with changes in water temperature, oxygen content and other factors that determine the biological and physico-chemical processes that determine the generation of electric energy in BFCs. It is characteristic that the generation of electricity also occurs in the conditions of the ice cover of the reservoir.
Использовали электрическую энергию, генерируемую биотопливным элементом для питания светодиода, подключенного через повышающую напряжение электрическую схему типа DC/DC и используемого в качестве нагрузки 4. Наблюдалось свечение светодиода.The electric energy generated by the biofuel element was used to power the LED, connected via a voltage boosting circuit type DC / DC and used as
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивают достижение заявленного технического результата, а именно: повышение удельной мощности биотопливного элемента, возможность его работы в течение длительного времени, в том числе, в условиях годовых перепадов температур. Предлагаемая совокупность существенных признаков является новой и обладает изобретательским уровнем.Thus, the proposed device ensures the achievement of the claimed technical result, namely: increasing the specific power of the biofuel element, the possibility of its operation for a long time, including in the conditions of annual temperature changes. The proposed set of essential features is new and has an inventive step.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017121718A RU2657289C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biofuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017121718A RU2657289C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biofuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2657289C1 true RU2657289C1 (en) | 2018-06-13 |
Family
ID=62619912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017121718A RU2657289C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biofuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657289C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2700653C1 (en) * | 2018-10-01 | 2019-09-18 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Bioreactor for producing electric energy |
| RU2726327C1 (en) * | 2019-12-02 | 2020-07-13 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Two-section plant for production of electric energy from blue-green algae |
| CN115236150A (en) * | 2022-08-05 | 2022-10-25 | 江苏大学 | Soil self-powered sensor device and heavy metal detection method |
| RU215972U1 (en) * | 2022-10-18 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | BIOFUEL ELEMENT WITH MODIFIED GRAPHITE ELECTRODE BASED ON CONDUCTING MATRIX AND MEMBRANE FRACTIONS OF BACTERIA GLUCONOBACTER OXYDANS |
| PL441683A1 (en) * | 2022-07-08 | 2024-01-15 | Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk | Device for electrochemical deacidification of water in water reservoirs, consisting of an acid-base fuel cell |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050208343A1 (en) * | 2002-05-14 | 2005-09-22 | Korea Institute Of Science And Technology | Membraneless and mediatorless microbial fuel cell |
| CN1949577A (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-18 | 中国科学院过程工程研究所 | Bioreactor-direct microbe fuel cell and use thereof |
| US20110076736A1 (en) * | 2007-12-06 | 2011-03-31 | Sony Corporation | Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic apparatus, enzyme immobilization electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzyme reaction-utilizing apparatus |
| US8012616B2 (en) * | 2010-12-15 | 2011-09-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Advanced apparatus for generating electrical power from aquatic sediment/water interfaces |
| JP2012146460A (en) * | 2011-01-11 | 2012-08-02 | Sony Corp | Fuel cell, fuel cell manufacturing method, electronics equipment, enzyme immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
| RU145009U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS |
-
2017
- 2017-06-20 RU RU2017121718A patent/RU2657289C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050208343A1 (en) * | 2002-05-14 | 2005-09-22 | Korea Institute Of Science And Technology | Membraneless and mediatorless microbial fuel cell |
| CN1949577A (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-18 | 中国科学院过程工程研究所 | Bioreactor-direct microbe fuel cell and use thereof |
| US20110076736A1 (en) * | 2007-12-06 | 2011-03-31 | Sony Corporation | Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic apparatus, enzyme immobilization electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzyme reaction-utilizing apparatus |
| US8012616B2 (en) * | 2010-12-15 | 2011-09-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Advanced apparatus for generating electrical power from aquatic sediment/water interfaces |
| JP2012146460A (en) * | 2011-01-11 | 2012-08-02 | Sony Corp | Fuel cell, fuel cell manufacturing method, electronics equipment, enzyme immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
| RU145009U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2700653C1 (en) * | 2018-10-01 | 2019-09-18 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Bioreactor for producing electric energy |
| RU2726327C1 (en) * | 2019-12-02 | 2020-07-13 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Two-section plant for production of electric energy from blue-green algae |
| PL441683A1 (en) * | 2022-07-08 | 2024-01-15 | Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk | Device for electrochemical deacidification of water in water reservoirs, consisting of an acid-base fuel cell |
| CN115236150A (en) * | 2022-08-05 | 2022-10-25 | 江苏大学 | Soil self-powered sensor device and heavy metal detection method |
| RU215972U1 (en) * | 2022-10-18 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | BIOFUEL ELEMENT WITH MODIFIED GRAPHITE ELECTRODE BASED ON CONDUCTING MATRIX AND MEMBRANE FRACTIONS OF BACTERIA GLUCONOBACTER OXYDANS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2657289C1 (en) | Biofuel cell | |
| Ghadge et al. | Development of low cost ceramic separator using mineral cation exchanger to enhance performance of microbial fuel cells | |
| Fu et al. | Current and voltage responses in instant photosynthetic microbial cells with Spirulina platensis | |
| Rikame et al. | Electricity generation from acidogenic food waste leachate using dual chamber mediator less microbial fuel cell | |
| Walter et al. | From single MFC to cascade configuration: the relationship between size, hydraulic retention time and power density | |
| Kondaveeti et al. | Low-cost separators for enhanced power production and field application of microbial fuel cells (MFCs) | |
| Gajda et al. | Miniaturized ceramic-based microbial fuel cell for efficient power generation from urine and stack development | |
| Hong et al. | Experimental evaluation of influential factors for electricity harvesting from sediment using microbial fuel cell | |
| Lepage et al. | Characterization of a microbial fuel cell with reticulated carbon foam electrodes | |
| Erable et al. | Marine floating microbial fuel cell involving aerobic biofilm on stainless steel cathodes | |
| Ahn et al. | Domestic wastewater treatment using multi-electrode continuous flow MFCs with a separator electrode assembly design | |
| Wang et al. | Novel bufferless photosynthetic microbial fuel cell (PMFCs) for enhanced electrochemical performance | |
| Ahn et al. | Saline catholytes as alternatives to phosphate buffers in microbial fuel cells | |
| Wei et al. | Electrochemical analysis of separators used in single-chamber, air-cathode microbial fuel cells | |
| WO2018109232A1 (en) | Method of desalination and wastewater treatment in a microbial desalination cell reactor | |
| Zhang et al. | Using a glass fiber separator in a single-chamber air-cathode microbial fuel cell shortens start-up time and improves anode performance at ambient and mesophilic temperatures | |
| WO2008036347A2 (en) | Methods and apparatus for stimulating and managing power from microbial fuel cells | |
| Juang et al. | Effects of flow rate and chemical oxygen demand removal characteristics on power generation performance of microbial fuel cells | |
| RU145009U1 (en) | MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS | |
| Min et al. | Electric power generation by a submersible microbial fuel cell equipped with a membrane electrode assembly | |
| CN108292770A (en) | Microbiological fuel cell unit, its purposes and microbiological fuel cell arrangement | |
| Kondaveeti et al. | Optimum spacing between electrodes in an air-cathode single chamber microbial fuel cell with a low-cost polypropylene separator | |
| Sonu et al. | Comparison of the output voltage characteristics pattern for sewage sludge, kitchen waste and cow dung in single chamber single electrode microbial fuel cell | |
| Wang et al. | Application of interface material and effects of oxygen gradient on the performance of single-chamber sediment microbial fuel cells (SSMFCs) | |
| KR20180081578A (en) | Method and apparatus for converting chemical energy stored in wastewater |