[發明專利]微生物-光電化學-熱電化學耦合產氫系統

有效

• 申請號: 202110653708.7
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113388845B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 楊偉;唐繼國;鮑靜靜;孫立成;莫征宇;杜敏;劉洪濤;可汗
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B9/65;C25B9/67;C25B15/027
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 茍銘

本發明提供一種微生物?光電化學?熱電化學耦合產氫系統，包括微生物陽極、光陰極、熱化學電池；熱化學電池位于微生物陽極、光陰極之間，并且熱化學電池的陰極與微生物陽極之間、熱化學電池的陽極與光陰極之間均設有離子交換膜；光陰極通過絕緣導熱材料與熱化學電池陽極連接，使得光陰極熱量有效傳遞到熱化學電池陽極；微生物陽極和光陰極通過導線連接到外部電路和設備；熱化學電池的陽極、陰極直接通過外電路連接，形成內部回路和形成的電壓降。本發明將熱化學電池耦合近微生物?光電催化系統中，一方面提升系統太陽能的轉化利用效率；同時降低光熱對微生物陽極的影響。

技術領域

本發明屬于新能源技術領域，具體涉及微生物-光電化學-熱電化學耦合產氫系統。

背景技術

能源與環境是當面世界可持續發展中面臨的兩大難題。能源問題和環境問題相互影響，化石能源的大量消耗一方面產生了嚴重的空氣和水體污染，另一方面也導致其供應短缺。開發可再生能源技術對解決能源短缺和環境污染具有重要的實際價值。微生物-光電化學技術近年來受到了國內外學者的廣泛關注，該系統能同時降解污水中有機物的降解和實現氫能的生成。在系統運行過程中，光陰極在太陽光照射激發下產生載流子（電子和空穴），產生的電子將氫離子還原產生氫氣，陽極表面微生物通過微生物電化學氧化降解有機物。一方面，由于光電極載流子激發能量高，除高能量紫外光和部分可見光被利用外，其余部分光能均以光熱途徑轉換為熱量散發到環境中，導致太陽光能的轉化利用率較低；另一方面，由于陽極表面微生物電化學活性收溫度等因素影響較大，太陽光能產生的光熱將影響電解液溫度從而進一步影響微生物的活性，較高的電解液溫度甚至直接導致陽極微生物失活，使得整個系統失效。

針對微生物電化學系統的光熱和余熱利用，已報道的技術主要通過半導體熱電元件將光熱熱量轉換為電能供系統利用，提供系統整體的轉換效率。包括直接在熱電片上采集太陽光通過熱電轉換后供微生物電解池產氫，通過熱電片將余熱加熱后的電解液熱量轉換為電能提供給電化學或者光電化學系統輔助制氫。

目前基于熱電轉換技術將光熱或者余熱轉換為電能，供微生物燃料電池、微生物電解池等微生物電化學系統制氫，實質上利用光熱轉換成電能后驅動系統進行產氫。針對熱化學電池熱電轉換的微生物-光電化學耦合系統中光熱利用及電解液溫度控制技術尚處于空白。

針對電化學或光電化學制氫，已報道的技術主要通過半導體熱電原件將光熱熱量轉換為電能供電化學或光電化學析氫系統利用，提供系統整體的轉換效率。包括直接在熱電片上采集太陽光通過熱電轉換后供電化學產氫，通過熱電片將加熱后的電解液熱量轉換為電能提供給電化學或者光電化學系統輔助制氫。

目前基于熱電轉換技術將光熱或者余熱將電能轉換為電能供電化學析氫制氫，技術實質上是通過利用光熱將光熱轉變為電能降低電化學析氫系統析氫所需的反應過電位或能耗；針對熱化學電池熱電轉換的微生物-光電化學耦合系統中光熱利用及電解液溫度控制技術尚處于空白。

在常規的微生物-光電化學產氫系統中，當太陽光照射到光陰極表面后激發產生載流子（電子和空穴），產生的電子還原電極表面的氫離子生成氫氣，空穴則接受從陽極傳遞過來的電子；在陽極側，生物膜通過氧化降解有機物產生電子和氫離子，產生的電子和氫離子分別通過外電路和電解質傳遞到陰極，形成回路。然而，現有技術中，光電極往往僅能利用能量較高的太陽光才能激發載流子維持電極反應，大部分光能在電極表面以光熱的形式轉變為熱量進入電解質，進而散發到環境中，導致現有技術下系統光能轉化利用率較低。此外，由于大部分太陽光能在電極表面轉換為熱量后，將導致系統內電解液溫度升高；由于微生物陽極的反應動力學依賴于微生物，其活性收外界條件如溫度、pH影響較大，電解液溫度升高將直接影響陽極反應速率，過高的溫度將抑制陽極生物膜活性甚至導致陽極失活。

發明內容