Микробный топливный элемент Российский патент 2025 года по МПК H01M8/16 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к биоэнергетике и технической микробиологии, и касается выработки электрической энергии с помощью микроорганизмов в микробных топливных элементах.

Из области техники известны устройства на основе непроточных микробных топливных элементов [1], работающие за счет реакции окисления органических соединений, катализируемых культурами электрогенных бактерий. Такие устройства состоят из анодной и катодной полуячеек, разделенных сепаратором. На поверхности анода создают биопленку из электрогенных бактерий, которые в рамках своей жизнедеятельности окисляют сложные органические соединения до более простых и в конечном счете до CO₂. В результате протекания реакции на аноде, электроны протекают через внешнюю цепь, совершая полезную работу, а электронейтральность соблюдается за счет транспорта протонов через сепаратор в катодную полуячейку, где протекает реакция восстановления кислорода.

Недостатком данного подхода являются крайне низкие токи, вызванные низкой интенсивностью процессов генерации электронов на аноде из-за ограниченности его площади поверхности, покрытой биопленкой, а также низкой интенсивностью восстановления кислорода из-за его низкой концентрации в катодной камере.

Известен биоэлектрохимический топливный элемент [2], выбранный в качестве прототипа, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется.

Недостатком данного топливного элемента также являются низкие токи, вызванные низкой интенсивностью процессов генерации электронов на аноде из-за ограниченности площади его поверхности, покрытой биопленкой, а также необходимость дополнительных энергозатрат на аэрацию катодной камеры, что в совокупности снижает эффективность работы устройства.

Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в повышении эффективности работы микробного топливного элемента за счет увеличения плотности тока и, как следствие, выходной мощности микробного топливного элемента при одновременном снижении энергетических затрат на аэрацию катодной камеры и временных затрат на подготовку микробного топливного элемента за счет ускорения получения биопленок в анодной и катодной камерах.

Технический результат достигается тем, что микробный топливный элемент содержит анод и катод, выполненные из ферромагнитного материала, на поверхностях анода и катода закреплены постоянные магниты, на поверхностях магнитов, анода и катода размещены пористые слои ферромагнитного токопроводящего порошка фракцией 80 - 120 мкм, при этом на поверхностях катода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из зеленых водорослей, а на поверхностях анода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из электрогенных бактерий.

На фигуре изображен микробный топливный элемент, который содержит анодную камеру 1 и катодную камеру 2 со светопрозрачными стенками, выполненными, например, из стекла или прозрачного пластика, разделенные между собой протонообменной мембраной 3. В анодной камере 1 установлен плоский анод 4, а в катодной камере 2 - плоский катод 5. Анод 4 и катод 5 выполнены из ферромагнитного коррозионностойкого токопроводящего материала, например из бронзы БрАЖ9-4. На поверхностях анода 4 и катода 5 закреплены постоянные магниты 6. Магниты могут быть размещены на противоположенных поверхностях электродов разноименными полюсами к поверхностям и удерживаться на них как за счет притяжения к электродам, так и за счет притяжения друг к другу. На поверхностях магнитов 6, анода 4 и катода 5 за счет сил магнитного притяжения размещены пористые слои 7 и 8 порошка фракцией 80 - 120 мкм, со свойствами материала, аналогичным материалу анода 4 и катода 5, например также из бронзы БрАЖ9-4. На аноде 4 и частицах порошка слоя 7, размещенного на аноде 4, сформирована биопленка, содержащая электрогенные бактерии, например Geobacter. Также могут быть использованы консорциумы электрогенных бактерий, в том числе активный ил очистных сооружений или природных водоемов. На катоде 5 и частицах порошка слоя 8, размещенного на катоде 5, сформирована биопленка, содержащая одноклеточные зелёные водоросли, например Chlorella vulgaris. К аноду 4 и катоду 5 подсоединены электропроводные выводы 9 и 10, выведенные за пределы анодной 1 и катодной 2 камер и служащие для подключения электрических устройств (на фигуре не показаны). В стенках анодной 1 и катодной 2 камер выполнены элементы 11 и 12 для технического обслуживания, загрузки и удаления питательного субстрата и микроорганизмов.

Микробный топливный элемент работает следующим образом: в анодной камере 1 размещают анод 4 с закрепленными на нем магнитами 6 и слоем порошкового материала 7 с заранее сформированной на поверхностях анода 4 и поверхностях частиц слоя порошкового материала 7 биопленкой из электрогенных бактерий. В анодную камеру 1 через элемент 11 вносят питательный субстрат в виде жидких органических соединений.

В катодной камере 2 размещают катод 5 с закрепленными на нем магнитами 6 и слоем порошкового материала 8 с заранее сформированной на поверхностях катода 5 и поверхностях частиц слоя порошкового материала 8 с биопленкой из зеленых водорослей. В катодную камеру через элемент 12 вносят субстрат в виде жидких органических соединений. К выводам 9 и 10 подключают требуемое электрическое устройство.

В анодной камере 1 на поверхности анода 4 и поверхностях частиц слоя порошкового материала 7 благодаря биопленке из электрогенных бактерий происходит окисление питательного субстрата с выделением продуктов реакции: протонов водорода, свободных электронов, углекислого газа. Свободные электроны поступают как непосредственно в анод 4, так и в частицы порошкового материала 7 и благодаря физическому контакту между ними и поверхностью анода 4 способны перемещаться в анод 4, принимая участие в формировании электрического тока. Повышение интенсивности окисления питательного субстрата достигается развитой поверхностью анода, включая поверхность частиц закрепленного на нем порошкового слоя, а также влиянием постоянного магнитного поля на электрогенные бактерии [3].

Протоны водорода, имея положительный электрохимический потенциал под действием градиента потенциала, возникающего между протонами водорода и окислителем, диффундируют в катодную камеру 2 через протоноообменную мембрану 3.

На поверхности катода 2 и поверхностях частиц слоя порошкового материала 8 происходит восстановление атомов водорода до воды. Зеленые водоросли способствуют насыщению катодной камеры 2 кислородом и интенсификации, тем самым, процессов восстановления атомов водорода без дополнительного расхода энергии на аэрацию [4]. Поступление света через светопрозрачные стенки катодной камеры 2 поддерживает жизнедеятельность зеленых водорослей. Повышение интенсивности восстановления атомов водорода достигается развитой поверхностью катода, включая поверхность частиц закрепленного на нем порошкового слоя, а также влиянием постоянного магнитного поля на жизнедеятельность зеленых водорослей [5].

Размер частиц порошковых слоев в 80 - 120 мкм позволяет обеспечить сквозную пористость электрода и поступление питательной среды к поверхности электрода. При меньших размерах частиц проникновение питательной среды к поверхности электрода затрудняется. При более крупных размерах частиц уменьшается суммарная поверхность порошкового слоя, что снижает интенсивность протекания химических процессов.

Биопленка на поверхностях частиц порошка может быть сформирована вне микробного топливного элемента без остановки его работы. Это позволяет снизить временные затраты на подготовку микробного топливного элемента к работе: при замене питательной среды одновременно в случае необходимости может производиться замена порошковых слоев на аноде и катоде.

Список использованных источников

1. Патент № 209073 H01M 8/16 Рос. Федерация, Микробный топливный элемент: № 2021117491: заявл. 16.06.2021: опубл. 01.02.2022 / Масейкин Н.В., Масейкина А.А., Степаненко И.С.

2. Патент на полезную модель № 162308 Рос. Федерация, МПК Н01М 8/16. Биоэлектрохимический топливный элемент: № 2015141501 заявл. 29.09.2015: опубл. 10.06.2016 / Паперный В.Л., Борохоев Н.Д., Стом Д.Э., Толстой М.Ю., Саксонов М.Н., Кошелев Н.А., Шипицын Н.В.; заявитель Иркутский государственный университет.

3. Zhou, H., Mei, X., Liu, B. et al. Magnet anode enhances extracellular electron transfer and enrichment of exoelectrogenic bacteria in bioelectrochemical systems. Biotechnol Biofuels 12, 133 (2019). https://doi.org/10.1186/s13068-019-1477-9.

4. Song X, Wang W, Cao X, Wang Y, Zou L, Ge X, Zhao Y, Si Z, Wang Y. Chlorella vulgaris on the cathode promoted the performance of sediment microbial fuel cells for electrogenesis and pollutant removal. Sci Total Environ. 2020 Aug 1;728:138011. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.138011. Epub 2020 Mar 17. PMID: 32361353.

5. Wang HY, Zeng XB, Guo SY, Li ZT. Effects of magnetic field on the antioxidant defense system of recirculation-cultured Chlorella vulgaris. Bioelectromagnetics. 2008 Jan; 29(1):39-46. doi: 10.1002/bem.20360. PMID: 17694535.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источнику электрической энергии на основе микробных топливных элементов. Повышение эффективности работы микробного топливного элемента за счет увеличения плотности тока является техническим результатом, который достигается за счет того, что в микробном топливном элементе анод и катод выполнены из ферромагнитного материала, на поверхностях анода и катода закреплены постоянные магниты, на поверхностях магнитов анода и катода размещены пористые слои ферромагнитного токопроводящего порошка фракцией 80-120 мкм, при этом на поверхностях катода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из зеленых водорослей, а на поверхностях анода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из электрогенных бактерий. Размер частиц порошковых слоев в 80-120 мкм позволяет обеспечить сквозную пористость электрода и поступление питательной среды к поверхности электрода. Биопленка на поверхностях частиц порошка может быть сформирована вне микробного топливного элемента без остановки его работы. 1 ил.

Микробный топливный элемент, состоящий из разделенной протонообменной мембраной анодной камеры с анодом и катодной камеры с катодом, отличающийся тем, что анод и катод выполнены из ферромагнитного материала, на поверхностях анода и катода закреплены постоянные магниты, на поверхностях магнитов, анода и катода размещены пористые слои ферромагнитного токопроводящего порошка фракцией 80-120 мкм, при этом на поверхностях катода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из зеленых водорослей, а на поверхностях анода и размещенных на нем частицах порошкового слоя сформирована биопленка из электрогенных бактерий.