Биотопливный элемент
BIOFUEL CELL

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.
2
Недостатком данного изобретения является малая генерируемая мощность - около 0,5 мкВт/см 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.
2
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/см 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.