一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统的制作方法

1.本申请涉及生物电化学技术领域，特别是涉及一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统。


背景技术：

2.微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会，例如可以采用尿液作为主要原料之一。
3.另一方面，相关研究表明，尿液以占1％的城市污水体积贡献了城市污水进水总氮的80％以上，对尿液源分离及有效处理利用，不仅减轻城市污水厂处理负担，而且可节约用水资源。微生物燃料电池(microbial fuel cell，mfc)在产电微生物的作用下，可同时实现对污染物的去除及能量回收过程，但单个mfc输出电压和功率较低，限制了其直接应用的可能性。
4.mfc的堆叠是微生物燃料电池扩大化的重要方式，通过多个mfc的组合实现处理能力和输出功率的扩大。在mfc的组合方式中，常规直接串联或并联多个微生物燃料电池的方式均存在缺陷，其无法提供稳定的功率。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提供稳定功率的以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统。
6.一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，所述第一电容组以及所述第二电容组分别通过所述状态切换模块与所述微生物燃料电池组连接，所述第一电容组以及所述第二电容组分别与外部负载连接；
7.所述状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制所述第一电容组处于充电状态且所述第二电容组处于放电状态，或所述第一电容组处于放电状态且所述第二电容处于充电状态。
8.在其中一个实施例中，所述第一电容组以及所述第二电容组分别包括多个电容；所述状态切换模块用于控制所述第一电容组中电容以及所述第二电容组中电容并联充电、且串联放电。
9.在其中一个实施例中，所述第一电容组包括m个电容，所述第二电容组包括n个电容，所述状态切换模块包括p个切换开关，其中，p＝2
×
(m+n)。
10.在其中一个实施例中，所述电容的容量为0.1f～20f。
11.在其中一个实施例中，所述预设切换时间为0.1s～50s。
12.在其中一个实施例中，还包括外部负载，所述外部负载的阻值为1～1000欧姆。
13.在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池组包括多个微生物燃料电池，多个所
述微生物燃料电池并联连接。
14.在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池包括空腔、导电阳极、空气扩散阴极以及基质；
15.所述导电阳极和所述空气阴极相对设置于所述空腔内，所述基质填充于所述空腔内。
16.在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池中基质为尿液。
17.在其中一个实施例中，所述导电阳极包括导电载体以及产电微生物菌群。
18.在其中一个实施例中，所述第一电容组以及所述第二电容组包括可变电容，当应用于稳定供电的应用环境时，所述可变电容的电容容量大于预设电容容量阈值；当应用于对瞬时启动电压有预设要求的应用环境时，所述可变电容的电容容量小于所述预设电容容量阈值。
19.上述以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制第一电容组处于充电状态且第二电容组处于放电状态，或第一电容组处于放电状态且第二电容处于充电状态。初始状态下，微生物燃料电池组给第一电容组充电，第二电容组对外部负载放电，等待预设切换时间，状态切换模块控制微生物燃料电池组给第二电容组充电，第一电容组对外部负载放电，整个系统采用交替运行模式实现同一时刻两组分别处于充电和放电状态，有效消除电压反转，实现功率稳定输出。
附图说明
20.图1为一个实施例中本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统的结构示意图；
21.图2为一个实施例中电容电路充/放电过程示意图；
22.图3为mfc连续周期尿液cod去除率及ce图；
23.图4为不同数量mfc串联的功率曲线图(a)以及电压曲线图(b)；
24.图5为有电容电路且mfc并联与无电容电路且mfc串联的输出功率及电压对比；
25.图6为不同数量mfc并联的功率曲线图(a)以及电压曲线图(b)；
26.图7为输出功率(a)和电压电流(b)的变化曲线图；
27.图8为不同电容容量下的mfc系统输出平均功率示意图；
28.图9为不同切换时间下mfc系统输出平均功率示意图。
具体实施方式
29.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
30.为了详细说明本申请一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统的技术方案及其技术原理下面将首先针对微生物燃料电池相关知识以及本申请所采用的核心技术原理进行介绍。
31.微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
32.在实际应用中，继续深入研究发现，传统的mfc输出电压和功率低，mfc堆栈出现电流反转和功率输出不稳定的缺陷或不足。本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制，构建稳定高效的电容电路能量管理系统，提高mfc系统功率输出。特别是针对以尿液为基质的微生物燃料电池实现尿液废水处理和回收电能，同时实现尿液高效处理。将电容与mfc系统相连即可进行充电，充电过程中充电电流随着电容器两端电压的增大而减小直至电容器电压与mfc系统输出电压相等时完成充电，因此电容器存储能量常常受限于电容器容量及mfc系统开路电压，当存储足够的电能的电容器与用电载荷相连即可进行能量的输出。基于电容的充放电特性，通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制可以实现对mfc系统的输出电流、输出电压及输出功率密度的控制以满足实际应用过程中用电器的需要。
33.如图1所示，本申请提供一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，包括微生物燃料电池组100、第一电容组200、第二电容组300以及状态切换模块400，第一电容组200以及第二电容组300分别通过状态切换模块400与微生物燃料电池组100连接，第一电容组200以及第二电容组300分别与外部负载连接；状态切换模块400用于根据预设切换时间交替控制第一电容组200处于充电状态且第二电容组300处于放电状态，或第一电容组200处于放电状态且第二电容处于充电状态。
34.微生物燃料电池组100是由多个微生物燃料电池堆叠组成的，这些微生物燃料电池并联连接，其用于提供电能。每一个微生物燃料电池均作为一个反应器，多个微生物燃料电池串联形成微生物燃料电池堆栈(如图2中所示)，通过第一电容组和第二电容组后，可获得较高电压或电流。
35.第一电容组200和第二电容组300包括多个电容，电容由两块分离的电极材料组成可以将电能储存在静电场中，通常作为能量存储终端或者能量输出过程中的中间储能装置，具有使用简单、高容量并且能够快速充电和放电等优点。
36.状态切换模块400用于交替调整第一电容组200和第二电容组300中处于充电状态的电容组以及处于放电状态的电容组，在同一时刻两个电容组中有且仅有一个电容组处于充电状态，另外一个则处于放电状态。状态切换模块400基于预设切换时间交替切换，预设切换时间可以是基于实际应用场景的需要进行设定。具体来说，预设切换时间可以为1秒～5秒。
37.上述以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统包括微生物燃料电池组100、第一电容组200、第二电容组300以及状态切换模块400，状态切换模块400用于根据预设切换时间交替控制第一电容组200处于充电状态且第二电容组300处于放电状态，或第一电容组200处于放电状态且第二电容处于充电状态。初始状态下，微生物燃料电池组100给第一电容组200充电，第二电容组300对外部负载放电，等待预设切换时间，状态切换模块400控制微生物燃料电池组100给第二电容组300充电，第一电容组200对外部负载放电，整个系统采用交替运行模式实现同一时刻两组分别处于充电和放电状态，有效消除电压反
转，实现功率稳定输出。
38.在其中一个实施例中，第一电容组200以及第二电容组300包含可变电容，当应用于稳定供电的应用环境时，可变电容的电容容量大于预设电容容量阈值；当应用于对瞬时启动电压有预设要求的应用环境时，可变电容的电容容量小于预设电容容量阈值
39.在应用于稳定供电的应用环境时，增加第一电容组200和第二电容组300的电容容量，当应用于对瞬时启动电压有预设要求的应用环境时，减小第一电容组200以及第二电容组300的电容容量。稳定供电的应用环境是指外部负载需要一个稳定的供电、稳定输出功率的环境。对瞬时启动电压有预设要求的应用环境是希望瞬时启动电压/电流需求较高的环境，例如外部负载为各种传感器的应用环境。
40.在其中一个实施例中，第一电容组200以及第二电容组300分别包括多个电容；状态切换模块400用于控制第一电容组200中电容以及第二电容组300中电容并联充电、且串联放电。
41.第一电容组200和第二电容组300中电容在充电时刻均处于并联状态，由于并联均压，充电时各个电容的电压是相等的，避免了出现电压反转的情况；而在放电时刻均处于串联状态，因此可以输出更高的电压，以满足部分外部负载对较高电压的需求。
42.在其中一个实施例中，第一电容组200包括m个电容，第二电容组300包括n个电容，状态切换模块400包括p个切换开关，其中，p＝2
×
(m+n)。
43.在本实施例中，状态切换模块400通过切换开关来调整第一电容组200和第二电容组300中处于充电状态的电容组以及处于放电状态的电容组。具体来说，切换开关可以包括活动端以及2个固定端，其中活动端与第一电容组200以及第二电容组300中电容的正极或负极连接，在充电状态下，2个固定端中一个固定端依次串联后与微生物燃料电池组100微生物燃料电组的正极连接，另一个固定端依次串联后与微生物燃料电池组100微生物燃料电组的负极连接。在放电状态，2个固定端中一个固定端依次串联后与外部负载的正极连接，另一个固定端依次串联后与外部负载的负极连接(需要注意，这里电容正极分别与微生物燃料电池组100的正极或者外部负载的正极连接，电容负极分别微生物燃料电池组100的负极或者外部负载的负极连接)。进一步的，切换开关具体可以为继电器。
44.在其中一个实施例中，微生物燃料电池包括空腔、导电阳极、空气扩散阴极以及基质；导电阳极和空气阴极相对设置于空腔内，基质填充于空腔内。
45.空腔用于承载导电阳极、空气扩散阴极以及基质，导电阳极和空气阴极相对设置于空腔内，例如设置于空腔的两端，具体贴敷于空腔相对两端的内壁；基质填充于空腔内。
46.导电阳极具体可以是由导电载体以及产电微生物菌群催化剂组成，产电微生物菌群催化剂附着于导电载体。更具体来说，导电阳极的导电载体为碳刷，附着在碳刷上的产电微生物菌群为催化剂。
47.空气扩散阴极具体可以包括依次堆叠的扩散层、支撑层以及催化层。
48.基质具体可以采用尿液，以实现对尿液的净化。在实际应用中，mfc还需要启动与驯化。具体可以在启动时，接入1000ω电阻以接种液进行接种，使用的基质由尿液、微量元素和维生素等，使用碳酸氢钠/碳酸钠缓冲体系调节ph为9.5，其碳酸钠和碳酸氢钠具体的成分含量为1.38g/l和3.11g/l。mfc启动成功后进行驯化。
49.在mfc的组合方式中，mfc电路并联和串联是最为常见的两种连接方式。mfc串联，
mfc反应器的阴极与另一个mfc反应器的阳极相连，mfc反应器的阴极与下一个反应器的阳极相连，形成阴极和阳极相连的微生物燃料电池堆栈。mfc并联，则mfc反应器的阴极和阳极分别与下一个mfc反应器的阴极和阳极相连，形成阴极和阴极相连，阳极和阳极相连的微生物燃料电池堆栈。将多个mfc以并联的方式连接组成mfc堆栈，利用多个电容作为能量中间存贮装置，最后将收集存贮的电能并以电容串联的方式输出。
50.下面将采用实例、并结合附图以及试验数据详细说明本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统技术原理以及技术优势。
51.整个mfc构成的反应器主体(壳体)由有机玻璃组成，1.2l反应器的长
×
宽
×
高＝20cm
×
17cm
×
5cm，反应器内部尺寸为宽3cm，长20cm，高17cm的空腔，有效体积1.2l；28ml反应器的长
×
宽
×
高＝6cm
×
6cm
×
6cm，反应器内部尺寸为直径3cm，长4cm的空腔，有效体积28ml。电容电能管理系统主要由继电器和电容组成，负载为电阻。以尿液作为基质，开展以下验证试验。其中，尿液具体包含1.717g/l尿素、1g/l ch3coona、90mg/l肌酸酐、142mg/l组氨酸、507mg/l nacl、193mg/l kcl、135mg/l k2so4、132mg/l kh2po4、22mg/l nh4hco3、72mg/l mgcl2·
6h2o、48mg/l cacl2·
2h2o。
52.(1)分析mfc对尿液中cod和含氮化合物去除效果分析
53.在以尿液为基质成功启动mfc反应器后，对出水中cod处理效果进行连续运行5个周期的分析，结果如图3所示。连续5个周期的cod去除率在90.8％～92.0％之间；这表明反应器对尿液长期运行处理效果十分稳定。5个周期内mfc的平均库伦效率为15.3
±
0.8％。出水中氨氮浓度从进水中未检出增加到376.28mg/l，总氮含量从进水中的854.46mg/l降低为出水时的383.88mg/l，出水中氨氮浓度几乎与总氮浓度相等，这表明经过处理后尿液中的含氮成分主要以氨氮的形式存在。mfc在一个周期内(32h)对尿液中总氮的去除率约为55％。
54.2)以尿液为燃料的串联28ml mfc堆栈的产电性能分析
55.由1、2、4、6、8个mfc串联组成的mfc堆功率
‑
电流曲线和电压
‑
电流曲线如图4(a)和(b)所示，当串联mfc数量为2、4、6和8时最大功率分别为2.17mw、4.31mw、6.77mw和8.35mw，分别为单个mfc最大功率的2.0、3.9、6.2和7.6倍。但随着外部电阻减小，输出电流逐渐增加，串联mfc堆栈的输出功率、输出电压在达到最大功率点后均迅速下降，当串联数量达到8个时，mfc堆的最大输出电流远小于单个mfc的最大输出电流，最大输出功率对应的电流从单个时的3.02ma下降到8个串联时的2.64ma，这表明反应器数量超过8个后，串联mfc堆栈的输出状态变差，这可能是因为当反应器数量过多，不同反应器之间的产电性能差异就会更大，系统整体产电性能受到堆栈中相对性能最差的反应器限制。
56.(3)电容电路对28ml mfc并联堆栈产电性能影响
57.利用8个容量为1f的电容及16路继电器组成一个可切换的电容电路，这8个电容被分为两组，利用继电器控制其连接方式，使之能够在充电时并联连接，切换到放电时为串联连接。通过继电器控制电路中电容的充放电时间和切换时间，分析不同切换时间对mfc堆输出电能的影响。采用8个并联mfc组成的mfc堆栈为电容充电，切换时间为1s，测定其功率曲线和电压曲线，并与8个串联mfc堆栈进行对比，结果如图5所示。串联mfc堆栈最大输出功率8.35mw，但当电流超过6.28ma后堆栈的功率和电压迅速下降，表明mfc串联堆栈状态不稳定，而使用电容电路则没有出现此现象。使用电容电路的mfc堆栈的最大输出功率7.89mw，
这表明使用电容作为能量中间存储装置具有相当高的转换效率。这主要是因为mfc的并联，避免了因反应器之间产电性能不一致而导致的电压反转现象，因而具有更加稳定的能量输出。
58.(4)28ml mfc数量对电容电路mfc并联堆栈产电性能影响
59.如图6所示，最大输出功率和电流随着数量的增加而增加，当mfc的数量为2、4、6、8时，最大功率分别为2.18、4.16、6.14和7.89mw，相应的电流分别为1.65、3.22、3.92和6.28ma。当反应器的数量为2、4、6、8时，电压分别为1.32、1.29、1.56和1.26v。mfc堆栈系统的输出电压等于各电容两端电压之和，当mfc单体输出最大功率时，各电容两端电压等于mfc单体电压，但mfc数量的增加能为电容提供更高的电流，因此输出功率增加。
60.(5)负载电阻阻值对1.2lmfc并联堆栈产电性能影响
61.构建由2个1.2l mfc堆栈系统和包含8个电容(两组每组4个，4+4)的电容电路，在切换时间同样为1s的条件下比较不同负载电阻下平均输出功率特点，结果如下表1所示。
62.表1为试验中负载电阻与平均功率对应关系表
[0063][0064]
随着负载阻值从1000ω降低至2ω，系统平均输出功率呈现先升高后降低的趋势，与前述结果一致。系统最大平均输出功率为56.8mw，略高于2组2个(2+2)电容电路系统的53.3mw。
[0065]
在切换时间不变条件下，选择负载电阻为20ω，进一步分析充放电过程中输出功率、输出电压和电流变化，结果如图7所示。mfc系统的输出功率在43.4mw～78.6mw之间。放电输出电压从初始值0.88v逐渐下降，1s后降到约0.67v。放电电流相应地从44.3ma降低为33.6ma，低于(2+2)电容电路系统的最大值82.9ma。因充放电过程中放电电流和充电电流变化相同，这说明(4+4)电容电路系统的充电电流低于电容数量为(2+2)时的充电电流。
[0066]
结果表明，电容电路系统(第一电容组200以及第二电容组300)输出功率随着负载阻值的变化而变化，存在最佳负载阻值使得相应输出功率最大。在电容容量和切换时间不变的条件下，mfc堆栈所能输出的最大功率不变，充/放电电流随着电容数量的增加而减小。
[0067]
(6)电容容量对1.2lmfc并联堆栈产电性能影响
[0068]
由图8可知，在5、10、20和50ω下，采用电容容量为0.47、1和10f的电容电路系统输出功率随外电阻而发生变化。当外电阻为20ω时，系统输出功率均达到最大值，电容容量0.47f(5.5v)、1f(5.5v)和10f(5.5v)相对应的最大输出功率分别为80.0mw、86.8mw和93.8mw。当外电阻增大到50ω时，平均输出功率反而降低；负载阻值为5ω时电容容量对输出功率的影响比负载阻值为50ω时的小。
[0069]
结果表明电容电路中电容容量越高，系统充放过程的输出电压和电流变化越趋于稳定；电容电路中电容容量越低，系统充放电过程的瞬时输出电压和电流则越高。因此，在实际应用中可以根据用电特性合理选择电容电路系统；如对于需要稳定供电的负载使用高容量电容，对于瞬时启动电压要求高的各种微型传感器则宜使用较低容量的电容。
[0070]
(7)切换时间对1.2lmfc并联堆栈产电性能影响
[0071]
构建由4个1.2l mfc堆栈系统和包含8个电容(4+4)的电容电路组成新的系统，对于不同电容容量和负载阻值情况下，分析充/放电过程的切换时间对系统产电性能和输出功率的影响。选定电容容量为10f，对负载电阻分别为5、10、20和50ω条件下，控制不同切换时间分别为0.5、1、2和5s，系统输出功率实验结果如图9所示。当切换时间为0.5s时，负载为20ω可获得最大输出功率为83.5mw；不同的切换时间下，均在20ω时取得最大输出功率；当切换时间为5s时，负载为20ω可获得最大输出功率为91.7mw。当采用1.2l的mfc时，负载电阻20ω，切换时间相同，电容容量越大，输出功率也越大；当电容为10f，切换时间为5s时，最大输出功率为91.7mw。
[0072]
可见，在实际应用中，本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统克服传统的mfc输出电压和功率低，mfc堆栈出现电流反转和功率输出不稳定的缺陷或不足，通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制，构建稳定高效的电容电路能量管理系统，提高mfc系统功率输出，并且还可以实现尿液废水处理和回收电能，同时实现尿液高效处理。将电容与mfc系统相连即可进行充电，充电过程中充电电流随着电容器两端电压的增大而减小直至电容器电压与mfc系统输出电压相等时完成充电，因此电容器存储能量常常受限于电容器容量及mfc系统开路电压，当存储足够的电能的电容器与用电载荷相连即可进行能量的输出。基于电容的充放电特性，通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制可以实现对mfc系统的输出电流、输出电压及输出功率密度的控制以满足实际应用过程中用电器的需要。
[0073]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0074]
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。