Биотопливный элемент

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биотопливному элементу (БТЭ), и может быть использовано для создания маломощных необслуживаемых источников постоянного тока, вырабатывающих электрическую энергию при окислении органических веществ при помощи микроорганизмов. Биотопливный элемент состоит из анода и катода, выполненных из электропроводящего углеродного войлока с развитой поверхностью, при этом на поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на нем, а на одном из его основании, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая форму и имеющая размеры, соответствующие ему. Повышение удельной мощности биотопливного элемента, а также продолжительности его непрерывной работы является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл., 1 пр.

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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].

Недостатками этих устройств являются:

- большие энергозатраты, обусловленные необходимостью прокачки жидкости через анодный отдел, а воздуха - через катодный;

- трудности эксплуатации, обусловленные последующим дополнительным внесением в анодную камеру органических веществ, расходующихся в ходе функционирования микробного топливного элемента;

- низкие удельные значения мощности.

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.

Недостатком данного изобретения является малая генерируемая мощность - около 0,5 мкВт/см2 анода. Показана продолжительность непрерывной генерации электричества около 16 суток.

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.

Недостатком данного устройства является низкая удельная мощность генерируемой электроэнергии и ограниченная продолжительность непрерывной работы.

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.

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.

Водогазонепроницаемая пластина отделяет анод от надлежащей толщи воды, обеспечивая создание анаэробных условий. Она может быть изготовлена, например, из поливинилхлоридной пленки.

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.

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.

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.

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.

Установку микробного топливного элемента осуществляют следующим образом.

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.

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.

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).

Рассмотрим примеры использования БТЭ.

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.

Динамика величин электрического тока, зафиксированных в течение первых пяти месяцев эксперимента, приведена на фигуре 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.

Мощность электрического тока вычисляли на основании значений силы тока по формуле (1)

где Р - мощность;

I - сила тока;

R - сопротивление.

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.

Как видно из таблицы 2, максимальные значения удельной мощности ряда БТЭ превышают таковые у прототипа (составлявшие около 21-24 мВт/л).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

1. Биотопливный элемент, состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой, при этом катод расположен над анодом и их взаиморасположение обеспечено поддерживающим устройством, отличающийся тем, что анод и катод выполнены из электропроводящего углеродного войлока с развитой поверхностью, на поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на нем, а на одном из его оснований, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая форму и имеющая размеры, соответствующие ему.

2. Биотопливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что водогазонепроницаемая пластина изготовлена из поливинилхлоридной пленки.

3. Биотопливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического вещества, обеспечивающего при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на аноде, использовали 1 М раствор сахарозы, после чего высушили анод на воздухе для ее кристаллизации.

4. Биотопливный элемент по п. 2, отличающийся тем, что катод и анод выполнены в виде пластины из углеродного войлока, зажатого между двумя тонкими упругими пластиковыми решетками с ячейками.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам изготовления биосовместимых элементов питания. Биосовместимый элемент питания содержит первое отверстие, расположенное в анодном дистанцирующем слое; второе отверстие, расположенное в катодном дистанцирующем слое, причем второе отверстие выровнено с первым отверстием, и при этом второе отверстие больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, во втором отверстии обнажается край анодного дистанцирующего слоя; мембранный слой, расположенный внутри второго отверстия и прикрепленный к краю анодного дистанцирующего слоя; первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя, заполненную анодным раствором; вторую полость между сторонами второго отверстия и второй поверхностью мембранного слоя, заполненную катодным раствором; и третью полость, заполненную топливным раствором, и при этом канал соединяет третью полость с первой полостью.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ получения электрической энергии.

Изобретение относится к области биохимии. Предложено средство для выработки электроэнергии.

Изобретение относится к области техники получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности к биоэлектрохимическому реактору. Реактор выполнен в виде секционированной емкости и включает анодную и катодную зоны, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, где катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов, причем секции образованы плоскими перегородками, содержащими отверстия, расположенные на минимальном расстоянии от верхней крышки реактора для протока жидкой фазы, анодные электроды представляют собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда с образованием четырех поверхностей из волокна и четырех внутренних каналов для прохождения жидкой фазы, а катодные электроды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Изобретение относится к источникам тока на биохимической основе. .

Предложен электрод для использования в усовершенствованной батарее с проточным электролитом и блок элементов для батареи, причем каждый блок элементов образован из проточных рамок, расположенных между торцевыми элементами.

Изобретение относится к электроду для топливного элемента, который содержит углеродные нанотрубки; катализатор для топливного элемента, нанесенный на углеродные нанотрубки; и иономер, обеспеченный так, чтобы покрывать углеродные нанотрубки и катализатор для топливного элемента, причем, если длина углеродных нанотрубок обозначена как La [мкм], а шаг между центрами углеродных нанотрубок обозначен как Ра [нм], то длина La и шаг Ра между центрами удовлетворяют двум выражениям, приведенным ниже: 30≤La≤240; и 0,351×La+75≤Ра≤250.

Изобретение относится к электродам свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и способам их получения. В частности, электроды содержат активный аккумуляторный материал для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, причем поверхность электрода снабжена слоем покрытия, содержащим углеродную смесь из композитных углеродных частиц, при этом каждая из композитных углеродных частиц содержит частицу первого конденсаторного углеродного материала и частицу второго электропроводящего углеродного материала, при этом размеры частиц первого материала значительно больше, чем у частиц второго электропроводящего углеродного материала, и по меньшей мере 20 % поверхности частиц первого конденсаторного материала покрыто частицами второго электропроводящего углеродного материала.

Изобретение предусматривает газодиффузионную среду для топливного элемента, которая имеет низкую воздухопроницаемость в плоскости и хорошее свойство дренажа и способна проявлять высокие эксплуатационные характеристики топливного элемента в широком температурном диапазоне от низких до высоких температур.

Предложенный способ относится к области электротехники, а именно к газодиффузионному электроду и способу его изготовления, согласно которому обеспечивают первый слой, представляющий собой активный слой, посредством заливки пористой электропроводящей сетки суспензией частиц электропроводящего материала в растворе первого связующего вещества, обеспечивают второй слой посредством заливки первого слоя суспензией частиц гидрофобного материала в растворе второго связующего вещества и обеспечивают гидрофобный слой посредством инверсии фаз первого и второго слоев, посредством которой формируют пористость в обоих первом и втором слоях.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве экологически чистых источников тока, например, в городском автотранспорте.

Изобретение относится к области получения твердых углеродных материалов и может быть использовано в промышленном синтезе катодных материалов для литиевых химических источников тока.

Изобретение относится к воздушным электродам для химических источников тока и может быть использовано в области электротехники. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении воздушных электродов для первичных химических источников тока (ХИТ) со щелочным электролитом.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биотопливному элементу, и может быть использовано для создания маломощных необслуживаемых источников постоянного тока, вырабатывающих электрическую энергию при окислении органических веществ при помощи микроорганизмов. Биотопливный элемент состоит из анода и катода, выполненных из электропроводящего углеродного войлока с развитой поверхностью, при этом на поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование биопленки электрогенной микрофлоры на нем, а на одном из его основании, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая форму и имеющая размеры, соответствующие ему. Повышение удельной мощности биотопливного элемента, а также продолжительности его непрерывной работы является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл., 1 пр.

Наверх