[go: up one dir, main page]

RU2700653C1 - Биореактор для получения электрической энергии - Google Patents

Биореактор для получения электрической энергии Download PDF

Info

Publication number
RU2700653C1
RU2700653C1 RU2018134341A RU2018134341A RU2700653C1 RU 2700653 C1 RU2700653 C1 RU 2700653C1 RU 2018134341 A RU2018134341 A RU 2018134341A RU 2018134341 A RU2018134341 A RU 2018134341A RU 2700653 C1 RU2700653 C1 RU 2700653C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
cathode
bioreactor
electrodes
electric energy
Prior art date
Application number
RU2018134341A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович Качан
Игорь Мамедяревич Довлатов
Андрей Юрьевич Измайлов
Яков Петрович Лобачевский
Алексей Семенович Дорохов
Дмитрий Александрович Ковалев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority to RU2018134341A priority Critical patent/RU2700653C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2700653C1 publication Critical patent/RU2700653C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству получения электрической энергии из органических соединений. Биореактор для получения электрической энергии содержит анодную и катодную камеры с электродами, которые разделены протонообменной мембраной, при этом катод и анод соединены с повышающим генератором импульсов, выполненным на основе повышающей катушки индуктивности, диодного моста, конденсаторов, резистора, полупроводникового транзистора, которые обеспечивают на выходе биореактора повышение напряжения для питания электроприборов. Кроме того, катодная камера биореактора выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе и жестко связана с анодной герметичной камерой, электроды выполнены из электропроводного углеродного материала с металлической сердцевиной в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале. Повышение эффективности и надежности работы биореактора является техническим результатом изобретения. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к устройству получения электрической энергии из органических соединений, для их последующего использования по назначению.
Известен биоэлектрохимический реактор, состоящий из секционированных емкостей, выполненных в форме прямоугольного параллелепипеда с перегородками для создания зигзагоподобного течения, в днище реактора установлено анодные электроды. Сам реактор находится в катодных контейнерах, в первом и последнем контейнере установлены патрубки для подачи и вывода сточных вод (патент № 2496187, МПКH01M 8/16, 2012 год).
Недостатком известного устройства является необходимость принудительной подачи воздуха,подразумевающей затраты дополнительной энергии.
Известен биотопливный элемент состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой, изготовленных из электропроводящего некорродирующего структурированного материала с развитой поверхностью, зажатого между пластиковыми решетками при помощи хомутов. На поверхности анода нанесены кристаллы сахарозы. Водогазонепроницаемый слой закреплен на поверхности анода, обращенной к катоду. По размеру и форме водогазонепроницаемый слой соответствует форме и размерам анода. Взаиморасположение анода и катода обеспечивает поддерживающее устройство. Анод размещают в слое донных отложений водоема. Катод расположен над анодом в толще воды (Патент № 2657289 H01M 8/16, H01M 4/96, 2017 г.).
Недостатком известного устройства является низкая выходная мощность, на это влияет высокое сопротивление между анодом и катодом, так как они удалены на большое расстояние друг от друга.
Известен биоэлектрохимический реактор, состоящий из ячейки органического стекла, содержащей анод катод из карбида кремния, места контакта электродов с токоснимающей частью из индия и скандия (патент №153593, МПК H01M 8/16, 2014 ).
Недостатком известного устройства является большое расстояние между электродами и, вследствие чего, высокое сопротивление между ними, приводящее к снижению эффективности энергоотдачи.
Известен повышающий генератор импульсов (SU 1064428, МПК Н 03 К 3/02, 1977 г.), включающий транзистор, трансформатор, первая обмотка которого включена между первой шиной источника питания и коллектором транзистора, а вторая – между первой шиной источника питания и базой транзистора, эмиттер которого подсоединен ко второй шине источника питания, первая и вторая обмотки трансформатора подключены к первой шине источника питания разноименными выводами.
Недостатком известного генератора является низкий КПД.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа биореактор, включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенных мембраной и заполненные биожидкостью, анодная камера с патрубками содержит водный раствор органических веществ и микроорганизмы, окисляющие органические вещества, катод выполнен из постоянно увлажняемого капиллярного материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода (патент на полезную модель № 145009, МПК H01M 8/16,H01M 8/02,C12M 1/00, 2013 г.).
Недостатком известных устройств является низкая электрическая мощность.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение мощности биореактора, эксплуатационного срока службы электродов и надежность токоведущих частей.
Поставленная техническая задача достигается тем, что биореактор для получения электрической энергии, включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенные мембраной, анодная камера заполнена биожидкостью, анод и катод выполнены из электропроводного углеродного материала, при этом анод выполнен с металлической сердцевиной,согласно изобретению, биореактор снабжен повышающим генератором импульсов с переменным конденсатором, катодная камера выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе, электроды установлены горизонтально, сердцевина анода и катода выполнена в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид биореактора; на фиг. 2 - схема повышающего преобразователя-генератора.
Биореактор для получения электрической энергии содержит анодную 1 и катодную 2 камеры с анодом 3 и катодом 4, разделенные мембраной 5. Анод 3 и катод 4 выполнены в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном углеродном электропроводном материале. В катодную камеру 2 добавлен электролит, например кислотный. Материал катода 4 обладает капиллярными свойствами, что позволяет ему быть постоянно увлажненным. Электроды 3 и 4 установлены горизонтально с малым межэлектродным расстоянием. В корпусе катодной камеры 2 выполнены отверстия 6 для естественной вентиляции. Катод 4 и анод 3, соединены с повышающим генератором импульсов токоведущими проводами 7, при этом в корпусе биореактора токоведущие провода 7 выполнены из антикоррозийных электропроводных материалов. Нержавеющая сталь и иридий имеет высокую антикоррозионную стойкость, что очень важно для увеличения эксплуатационного срока службы электродов и надежности токоведущих частей в месте соединения с углеродным волокном. Анодная камера 1 заполнена биожидкостью 8 в виде раствора органических веществ с микроорганизмами. В качестве катализатора к биожидкости 8 добавлен электролит, например, кислотный, в количестве, обеспечивающем зону комфорта микроорганизмов. Использование электролита в анодной 1 и катодной 2 камерах позволяет уменьшить межэлектродное сопротивление и обеспечивает повышение эффективности установки.
Корпуса анодной 1 и катодной 2 камеры жестко соединены между собой, например, болтами 9.
Мембрана 5 выполнена из полимерного электролитического материала, например, «нафион». Материал устойчив к химическим воздействиям, что очень важно для биореактора, так как в нем присутствует агрессивная среда разлагающая большинство искусственно созданных полимерных и металлизированных материалов.
Горизонтальное расположение электродов обеспечивает свободное проникновение протонов в катодную камеру 2, позволяет минимизировать межэлектродное расстояние, снизить сопротивление между электродами 3 и 4, повысить электрический ток и, соответственно, энергоотдачу и мощность биореактора.
Выполнение катода 4 и анода 3 с сердцевиной в виде пучка проводов из антикоррозийного электропроводного материала обеспечивает простоту изготовления и эксплуатации.
Повышающий генератор импульсов соединен проводами 7 с биореактором. Генератор импульсов содержит плюсовой провод 7, выключатель10, катушки индуктивности 11, 12 выходной контакт катушки индуктивности 11 соединен с переменным резистором 13 и установленным параллельно ему переменным конденсатором 14. Резистор 13 и конденсатор 14 соединены с базой полупроводникового транзистора 15. Катушка индуктивности 12 соединена с коллектором полупроводникового транзистора 15, выход эмиттера транзистора 15 замкнут в цепь с минусовым проводом 7.
Повышающая катушка индуктивности 16, связанная магнитопроводом с катушками 11 и 12, соединена с диодным мостом 17. Выходные значения электрической мощности диодного моста 17 сглаживаются электролитическим конденсатором 18. На выходе получаем постоянное повышенное напряжение для питания электроприборов.
Настройка переменного конденсатора 14 обеспечивает преобразование низковольтной электрической энергии в высоковольтную.
Биореактор для получения электрической энергии работает следующим образом.
В качестве биожидкости 8, заливаемой в биореактор, можно использовать жидкие фракции отходов, таких как: навоз, сельскохозяйственные отходы растениеводства, пищевые отходы, продукты жизнедеятельности человека, сточные воды, ил пресноводных и морских водоносных слоев и другие биоразлагаемые материалы. В биоматериал при необходимости добавляют воду.
В корпус анодной камеры 1 заливают жидкую фракцию биожидкости 8, для более высокой эффективности работы, в качестве катализатора вносят электролит для уменьшения межэлектродного сопротивления. Количество электролита должно обеспечить зону комфортности развития микроорганизмов, т.е. максимальное количество вносимого электролита не должно угнетать микроорганизмы и сохранять их жизнеспособность. Могут быть применены и специально выведенные микроорганизмы устойчивые к более высокому содержанию, например кислотного раствора, тем самым повышая эффективность энергоотдачи электрической мощности биореактором.
Поляризация и возникновение электродвижущей силы между электродами 3 и 4 осуществляется за счет разности окислительно-восстановительных потенциалов сред, в которых они распложены. Если положительный потенциал катода 4 связан преимущественно с физико-химическими процессами - катодными полу-реакциями взаимодействия кислорода, протонов и электронов с образованием воды, то реакции на аноде 3 прямо связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов. Снижение потенциала анода 3 происходит в результате деятельности бактерий, осуществляющих анаэробное разложение органических веществ.
Для увеличения напряжения биореакторы можно соединить последовательно в группы с дальнейшим использованием постоянного напряжения. Для этого к электродам 3 и 4 анодно-катодной пары подсоединяют повышающий генератор импульсов. Повышение разницы потенциала производится катушкой 16. При увеличении количества витков на трансформаторе, соответственно повышается и напряжение. Для более эффективной работы генератора предусмотрен подстроичный переменный конденсатор 14. Подстройка его проводится во время работы генератора. Генератор повышает напряжение до уровня необходимого для потребителя.
При истощении биожидкости 8 необходимо ее заменить. Процесс повторяется.
Отработанную биожидкость после отлежки и обеззараживания можно использовать в качестве удобрений.
Изобретение может использоваться, например, в фермерских хозяйствах, животноводческих и птицеводческих комплексах для частичного самообеспечения внутренних нужд или аварийного питания.
Использование биореактора позволит получить экологически чистую электроэнергию с низкой себестоимостью, повысить мощность биореактора, эксплуатационный срок службы электродов и надежность токоведущих частей.

Claims (1)

  1. Биореактор для получения электрической энергии, включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенные мембраной, анодная камера заполнена биожидкостью, анод и катод выполнены из электропроводного углеродного материала, при этом анод выполнен с металлической сердцевиной, отличающийся тем, что он снабжен повышающим генератором импульсов с переменным конденсатором, переменным резистором, повышающей катушкой индуктивности, диодным мостом, электролитическим конденсатором, катодная камера выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе, электроды установлены горизонтально, сердцевина анода и катода выполнена в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале.
RU2018134341A 2018-10-01 2018-10-01 Биореактор для получения электрической энергии RU2700653C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134341A RU2700653C1 (ru) 2018-10-01 2018-10-01 Биореактор для получения электрической энергии

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134341A RU2700653C1 (ru) 2018-10-01 2018-10-01 Биореактор для получения электрической энергии

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2700653C1 true RU2700653C1 (ru) 2019-09-18

Family

ID=67989695

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018134341A RU2700653C1 (ru) 2018-10-01 2018-10-01 Биореактор для получения электрической энергии

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2700653C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2833628C1 (ru) * 2024-08-13 2025-01-28 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Калугатрактсельмаш" Микробный топливный элемент

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1064428A1 (ru) * 1977-02-17 1983-12-30 Maksimchuk Evgenij P Генератор импульсов с милливольтовым напр жением питани Максимчука
RU2214655C2 (ru) * 1998-04-02 2003-10-20 Дзе Боард оф Трастиз оф дзе Юниверсити оф Иллинойс Первичная батарея, имеющая встроенный преобразователь постоянного напряжения
RU123231U1 (ru) * 2012-09-14 2012-12-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд" Анодный биоэлектрод для микробного топливного элемента
RU145009U1 (ru) * 2013-12-30 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов
RU153593U1 (ru) * 2014-10-27 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" Биоэлектрохимический реактор
EP3246291A1 (en) * 2015-01-15 2017-11-22 Panasonic Corporation Microbial fuel cell system
RU2657289C1 (ru) * 2017-06-20 2018-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Биотопливный элемент

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1064428A1 (ru) * 1977-02-17 1983-12-30 Maksimchuk Evgenij P Генератор импульсов с милливольтовым напр жением питани Максимчука
RU2214655C2 (ru) * 1998-04-02 2003-10-20 Дзе Боард оф Трастиз оф дзе Юниверсити оф Иллинойс Первичная батарея, имеющая встроенный преобразователь постоянного напряжения
RU123231U1 (ru) * 2012-09-14 2012-12-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд" Анодный биоэлектрод для микробного топливного элемента
RU145009U1 (ru) * 2013-12-30 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов
RU153593U1 (ru) * 2014-10-27 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" Биоэлектрохимический реактор
EP3246291A1 (en) * 2015-01-15 2017-11-22 Panasonic Corporation Microbial fuel cell system
RU2657289C1 (ru) * 2017-06-20 2018-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Биотопливный элемент

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2833628C1 (ru) * 2024-08-13 2025-01-28 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Калугатрактсельмаш" Микробный топливный элемент

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ge et al. Long-term performance of a 200 liter modularized microbial fuel cell system treating municipal wastewater: treatment, energy, and cost
US20100119879A1 (en) Methods and apparatus for stimulating and managing power from microbial fuel cells
Ghadge et al. Wastewater treatment in pilot‐scale microbial fuel cell using multielectrode assembly with ceramic separator suitable for field applications
KR101662051B1 (ko) 박테리아 연료전지 및 박테리아 전기분해 전지에 사용하기 위한 전극과, 이러한 전극을 이용한 박테리아 연료전지 및 박테리아 전기분해 전지
Ahn et al. Domestic wastewater treatment using multi-electrode continuous flow MFCs with a separator electrode assembly design
Bagchi et al. Evaluation of the effect of anolyte recirculation and anolyte pH on the performance of a microbial fuel cell employing ceramic separator
Chatterjee et al. Design of clayware separator-electrode assembly for treatment of wastewater in microbial fuel cells
CN105390716A (zh) 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用
US12122689B2 (en) Electrodes for cost-effective bio-electrochemical systems
CN103956510A (zh) 一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池
CN107831201A (zh) 一种可自供电的水质监测预警装置及方法
RU2700653C1 (ru) Биореактор для получения электрической энергии
KR101549324B1 (ko) 토양 연료전지 및 이를 이용한 전기의 생산방법
Garita-Meza et al. Blocking oscillator-based electronic circuit to harvest and boost the voltage produced by a compost-based microbial fuel cell stack
JP2011049068A (ja) バイオ燃料電池
KR100911658B1 (ko) 미생물 연료 전지를 이용한 전원 공급 시스템 및 그 방법
CN112093886A (zh) 一种可净化有机废水及产电的生物滴滤盒装置
CN213387946U (zh) 一种可净化有机废水及产电的生物滴滤盒装置
CN103633356B (zh) 一种小型微生物电解池及其应用
CN212076542U (zh) 一种用于污水深度处理的催化剂发生器
KR20090091878A (ko) 수위변화 적응형 전극 기반의 미생물 연료전지
CN111056614A (zh) 一种用于污水深度处理的催化剂发生器
CN217173398U (zh) 一种水体原位修复装置
JP7478373B2 (ja) 堆積物微生物燃料電池を用いた底質改善方法及び底質改善装置
Narayanan et al. Waste to Energy Conversion and Sustainable Recovery of Nutrients from Pee Power-Recent Advancements in Urine-Fed MFCs

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201002