БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.
Известен патент РФ на полезную модель №109758 С12М 1/00, C12N 13/00, Н01М 8/16 2011 г., в котором описан биоэлектрохимический топливный элемент, содержащий разделенные между собой посредством протонообменной мембраны две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, а в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды, выполнены из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter Cerinus ВКМ В-1283.
Также известен биоэлектрохимический топливный элемент на основе не использовавшегося ранее с этой целью штамма Gluconobacter Oxydans ВКМВ-1227 (Патент РФ на полезную модель №108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г.) Данный биоэлектрохимический топливный элемент непосредственно преобразует энергию микробного окисления органических соединений в электрическую. Он содержит две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, а в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита). Генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения.
Известен реактор (патент РФ №2496187 Н01М 8/16 2012 г.), использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества. Анодные и катодные зоны, разделенные протонообменной мембраной, расположены таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Для этого катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора. Анод представляет собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда, образуя четыре поверхности из волокна и четыре внутренних канала для прохождения жидкой фазы, тогда как катод представляет собой воздушный электрод с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.
Недостатками представленных выше моделей является то, что они либо используют электроды из волокнистых и/или графитовых материалов, которые быстро придут в негодность при работе в условиях очистных сооружений (как из-за активного перемешивания сточных вод, так и из-за химически агрессивных компонентов, присутствующих в них) (Патент РФ №2496187 Н01М 8/16 2012), либо они вообще не предназначены для промышленного использования, а являются скорее лабораторными образцами (Патент РФ на полезную модель №109758 С12М 1/00, C12N 13/00, Н01М 8/16 2011 г.; Патент РФ на полезную модель №108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г.). Кроме того, по полезной модели №109758 С12М 1/00, C12N 13/00, Н01М 8/16 2011 г. следует отметить, что ее использование не решает проблему перенапряжения катода, и требуются специфические катализаторы, которые приводят к увеличению себестоимости получаемой электроэнергии в биоэлектрохимическом топливном элементе. Также по полезной модели 108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г. следует отметить низкий уровень восстановления кислорода до воды.
Ближайшим аналогом (прототипом) является биоэлектрохимический топливный элемент (заявка №2014143303/07 Н01М 8/16), выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Анод и катод выполнены из карбида кремния, анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть при этом, в верхней части имеется патрубок для аэрации, интенсифицирующей процесс восстановления атомов водорода до воды.
Недостатком прототипа является низкая генерация электричества.
Задача предполагаемой полезной модели направлена на повышение генерации электричества в биоэлектрохимическом топливном элементе.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический топливный элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Причем анод и катод в соответствующих камерах выполнены из микроканальной пластины, к которым подведен токосниматель.
Для производства электроэнергии в биоэлектрохимическом топливном элементе наибольшее значение имеет высокая пористость электродов, благодаря чему появляется возможность для иммобилизации большего числа микроорганизмов, а, следовательно, и большая генерация электричества. Таким свойством обладают микроканальные пластины (МКП), которая представляет собой стеклянный диск из множества спеченных вместе микротрубочек и монолитного обрамления. Материалом для изготовления МКП служат свинцово-силикатные стекла, которые при специальном отжиге в водороде восстанавливаются на поверхностном слое стекла и приобретают необходимую электропроводность. Известно использование микроканальных пластин в электронно-оптических преобразователях (Патент РФ №2206530 C03C 25/68, C03B 37/00 2003 г).
Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического топливного элемента.
Схема биоэлектрохимического топливного элемента с электродами из микроканальной пластины представлена на фиг. 1., где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 -катодная камера, 4 - протонообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - пробка, 8 - токосниматель, 9 - патрубок.
Предложенный биоэлектрохимический топливный элемент в общем виде представляет собой ячейку 1. Она содержит два отсека - анодную 2 и катодную 3 камеры, разделенные протонообменной мембраной 4. Корпус ячейки изготовлен из прозрачного органического стекла. Анод 5 и катод 6 выполнены из микроканальной пластины и закреплены в ячейке 1 посредством пробки 7, сквозь которую проходит токосниматель 8, место контакта пластины с токоснимающей частью закреплено токопроводящим клеем. Для подачи воздуха в верхней части катода имеется патрубок 9, который соединен с воздушным компрессором. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с неодинаковыми условиями (аэробная катодная и анаэробная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной в катодную камеры.
Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которым могут выступать, к примеру, коммерческие микробиологические препараты, а также питательную среду. В катодную камеру 3 наливают аналогичную среду и включают аэрацию. К токоснимателям присоединяется измерительный прибор и фиксирует изменения электродвижущей силы (ЭДС) и силы тока.
Была произведена серия опытов по сравнению динамики напряжения биоэлектрохимических топливных элементов с различными электродами. Использовались электроды, изготовленные из карбида кремния, углеродной ткани и микроканальных пластин. Динамика напряжения представлена на фиг. 2, где КК - карбид кремниевые электроды, УТ - электроды из углеродной ткани, МКП - электроды из микроканальной пластины.
Технический эффект - увеличение генерации электричества.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №13.1263.2014/K от 11.07.2014)