[发明专利]微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统

说明书

本发明提供一种微生物‑光电化学‑热电化学耦合产氢系统，包括微生物阳极、光阴极、热化学电池；热化学电池位于微生物阳极、光阴极之间，并且热化学电池的阴极与微生物阳极之间、热化学电池的阳极与光阴极之间均设有离子交换膜；光阴极通过绝缘导热材料与热化学电池阳极连接，使得光阴极热量有效传递到热化学电池阳极；微生物阳极和光阴极通过导线连接到外部电路和设备；热化学电池的阳极、阴极直接通过外电路连接，形成内部回路和形成的电压降。本发明将热化学电池耦合近微生物‑光电催化系统中，一方面提升系统太阳能的转化利用效率；同时降低光热对微生物阳极的影响。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及微生物-光电化学-热电化学耦合产氢系统。

背景技术

能源与环境是当面世界可持续发展中面临的两大难题。能源问题和环境问题相互影响，化石能源的大量消耗一方面产生了严重的空气和水体污染，另一方面也导致其供应短缺。开发可再生能源技术对解决能源短缺和环境污染具有重要的实际价值。微生物-光电化学技术近年来受到了国内外学者的广泛关注，该系统能同时降解污水中有机物的降解和实现氢能的生成。在系统运行过程中，光阴极在太阳光照射激发下产生载流子（电子和空穴），产生的电子将氢离子还原产生氢气，阳极表面微生物通过微生物电化学氧化降解有机物。一方面，由于光电极载流子激发能量高，除高能量紫外光和部分可见光被利用外，其余部分光能均以光热途径转换为热量散发到环境中，导致太阳光能的转化利用率较低；另一方面，由于阳极表面微生物电化学活性收温度等因素影响较大，太阳光能产生的光热将影响电解液温度从而进一步影响微生物的活性，较高的电解液温度甚至直接导致阳极微生物失活，使得整个系统失效。

针对微生物电化学系统的光热和余热利用，已报道的技术主要通过半导体热电元件将光热热量转换为电能供系统利用，提供系统整体的转换效率。包括直接在热电片上采集太阳光通过热电转换后供微生物电解池产氢，通过热电片将余热加热后的电解液热量转换为电能提供给电化学或者光电化学系统辅助制氢。

目前基于热电转换技术将光热或者余热转换为电能，供微生物燃料电池、微生物电解池等微生物电化学系统制氢，实质上利用光热转换成电能后驱动系统进行产氢。针对热化学电池热电转换的微生物-光电化学耦合系统中光热利用及电解液温度控制技术尚处于空白。

针对电化学或光电化学制氢，已报道的技术主要通过半导体热电原件将光热热量转换为电能供电化学或光电化学析氢系统利用，提供系统整体的转换效率。包括直接在热电片上采集太阳光通过热电转换后供电化学产氢，通过热电片将加热后的电解液热量转换为电能提供给电化学或者光电化学系统辅助制氢。

目前基于热电转换技术将光热或者余热将电能转换为电能供电化学析氢制氢，技术实质上是通过利用光热将光热转变为电能降低电化学析氢系统析氢所需的反应过电位或能耗；针对热化学电池热电转换的微生物-光电化学耦合系统中光热利用及电解液温度控制技术尚处于空白。

在常规的微生物-光电化学产氢系统中，当太阳光照射到光阴极表面后激发产生载流子（电子和空穴），产生的电子还原电极表面的氢离子生成氢气，空穴则接受从阳极传递过来的电子；在阳极侧，生物膜通过氧化降解有机物产生电子和氢离子，产生的电子和氢离子分别通过外电路和电解质传递到阴极，形成回路。然而，现有技术中，光电极往往仅能利用能量较高的太阳光才能激发载流子维持电极反应，大部分光能在电极表面以光热的形式转变为热量进入电解质，进而散发到环境中，导致现有技术下系统光能转化利用率较低。此外，由于大部分太阳光能在电极表面转换为热量后，将导致系统内电解液温度升高；由于微生物阳极的反应动力学依赖于微生物，其活性收外界条件如温度、pH影响较大，电解液温度升高将直接影响阳极反应速率，过高的温度将抑制阳极生物膜活性甚至导致阳极失活。

发明内容