申請(qǐng)日2016.05.30
公開(kāi)(公告)日2016.09.28
IPC分類(lèi)號(hào)H01M8/10; H01M8/16
摘要
本發(fā)明涉及一種污泥燃料電池，其特征在于，包括陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)、陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)。其中質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，兩側(cè)物質(zhì)被質(zhì)子交換膜隔離開(kāi)，陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)通過(guò)陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)將攜帶的電子傳遞到外部電路中，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜與通過(guò)陰極循環(huán)系統(tǒng)泵入陰極側(cè)組成物質(zhì)、外電路電子結(jié)合生成水。本發(fā)明提供的污泥燃料電池，污泥首先被雜多酸‑A(POM‑A)溶液氧化，被還原的POM將所獲得的電子輸送至燃料電池的陽(yáng)極。這些電子通過(guò)外部電路，最終被陰極的雜多酸‑B(POM‑B)所捕獲，可以將污泥中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不造成任何環(huán)境污染問(wèn)題。
摘要附圖
權(quán)利要求書(shū)
1.一種污泥燃料電池，其特征在于，包括陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)、陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜具有第一側(cè)和第二側(cè)，陽(yáng)極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第一側(cè)，陰極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第二側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)包括陽(yáng)極液體蠕動(dòng)泵、連接陽(yáng)極電極板與陽(yáng)極反應(yīng)池的陽(yáng)極管路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陰極循環(huán)系統(tǒng)包括陰極液體蠕動(dòng)泵、連接陰極電極板與陰極反應(yīng)池的陰極管路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)包括污泥、液體氧化劑、水、促進(jìn)劑、污泥降解過(guò)程中所生成的中間產(chǎn)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥是指城市污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的活性污泥，含水量在0-90%之間，基于脫水后污泥干基固體的揮發(fā)性固體含量30-95%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥固體總有機(jī)碳含量為50g/kg-500g/kg。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥的平均顆粒物直徑為15nm-100cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥的質(zhì)量濃度為0.5%至70%，所述污泥質(zhì)量濃度以污泥干基為標(biāo)準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥與氧化劑之間的氧化還原反應(yīng)由光照或者加熱或者光照和加熱同時(shí)作用引發(fā)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照為太陽(yáng)光或者人造光源或者太陽(yáng)光與人造光組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照強(qiáng)度范圍為1-100mW/cm2。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照的波長(zhǎng)范圍為10-750nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述加熱的溫度范圍為25-350℃。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上組合：磷鉬酸(PMo12O40)、磷鎢酸(PW12O40)、釩取代的磷鉬酸H5[PMo10V2O40]、H5[PMo9V3O40]、多金屬氧酸鹽的組合物(H3PW11MoO40)。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑的所占陽(yáng)極溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-50%。
17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述促進(jìn)劑為增強(qiáng)污泥與氧化劑反應(yīng)程度的組合物，包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上的組合：路易斯酸、布朗斯臺(tái)德酸、路易斯堿。
18.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述促進(jìn)劑濃度為2ppm-2%。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陰極側(cè)組成物質(zhì)包括催化劑、水和氧化劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述催化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或者兩項(xiàng)以上的組合：磷鉬酸(PMo12O40)及其鹽類(lèi)，磷鎢酸(PW12O40)及其鹽類(lèi)，釩取代的磷鉬酸(PMo9V3O40，P3Mo18V7O85)及其鹽類(lèi)，多金屬氧酸鹽的組合物(H3PW11MoO40)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-70%。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑為氧氣或者空氣。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，燃料流體連通的陽(yáng)極電極的部分的溫度22℃至350℃。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，陽(yáng)極溶液體積與陰極溶液體積比為1：0.5～1：20。
說(shuō)明書(shū)
一種污泥燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于直接液體催化燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種污泥燃料電池，在低溫下直接將污泥轉(zhuǎn)化為電能，燃料不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。
背景技術(shù)
污泥(sludge)是污水處理過(guò)程所產(chǎn)生的介于液體和固體之間的粘稠物，由有機(jī)殘?jiān)⒓?xì)菌菌體、無(wú)機(jī)雜質(zhì)和膠體等組成的極其復(fù)雜非均質(zhì)體。隨著城市化進(jìn)程的加快和水處理程度的加深，城市污水污泥的產(chǎn)量也急劇增加，預(yù)計(jì)到2020年，污泥產(chǎn)量將突破6000萬(wàn)噸。此外，污泥中還含有Cd、Pb、As、Cu和Zn等對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康有嚴(yán)重危害的重金屬元素及較多的病原微生物、寄生蟲(chóng)卵和毒性有機(jī)物。污泥導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，已造成極大的安全隱患、環(huán)境壓力和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。如何合理地處置城市污水污泥，使其達(dá)到“減量化、無(wú)害化及資源化”的目的，已成為我國(guó)城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
另一方面，從能源角度出發(fā)，城市污水污泥中日益提高的有機(jī)物含量和熱值也使其極具能源回收價(jià)值，利用先進(jìn)的處理技術(shù)，提高城城市污水污泥的能源回收率，并用于替代部分化石燃料，對(duì)于解決全球變暖、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)多元化發(fā)展，具有十分重要的意義。
污泥發(fā)電不但可以實(shí)現(xiàn)污泥的安全處理，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用，是污泥合理利用的發(fā)展趨勢(shì)。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一項(xiàng)非常具有前景的技術(shù)。以污泥為底物的微生物燃料電池技術(shù)(MFC)，可以實(shí)現(xiàn)污泥降解和發(fā)電同步，功率輸出密度為40～250mW/m2。然而，該技術(shù)也存在具有諸多不足，如輸出功率密度低、穩(wěn)定性差、污泥降解效率低、電極材料催化劑價(jià)格昂貴等。直接液體催化燃料電池技術(shù)是一種全新的燃料電池技術(shù)，該技術(shù)可以將如淀粉、纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)在室溫下直接轉(zhuǎn)換為電能。污泥中含有一定量的有機(jī)質(zhì)，理論上污泥中的有機(jī)質(zhì)部分也可以與液體直接燃料電池中的陽(yáng)極電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子經(jīng)過(guò)外電路，對(duì)外做功從而實(shí)現(xiàn)污泥中的有機(jī)質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。以污泥為燃料的液體直接燃料電池技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的高效、清潔利用，是一項(xiàng)極有前景的新型燃料電池技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到一種污泥燃料電池，可以在低溫下直接將污泥轉(zhuǎn)化為電能，燃料不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。該污泥燃料電池的陰極和陽(yáng)極分別采用不同類(lèi)型的雜多酸(POMs)為催化劑和電荷載體，代替原來(lái)燃料電池中的貴金屬催化劑，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)貴金屬的直接污泥-電能液體催化燃料電池技術(shù)(LCFC)。由于采用雜多酸作為催化劑，其性能穩(wěn)定、對(duì)燃料中雜質(zhì)，如硫元素、氮元素等不敏感，因此污泥不需要進(jìn)行任何 預(yù)處理。
該燃料電池包含兩個(gè)反應(yīng)池，分別是陽(yáng)極的雜多酸催化劑(POM-A)和污泥燃料以及陰極的雜多酸催化劑(POM-B)和氧氣。陽(yáng)極反應(yīng)器內(nèi)POM-A首先被污泥還原，同時(shí)，POM-B在陰極被還原，被還原的POM-B可以被氧氣氧化再生。實(shí)際上，POM-A和POM-B均作為催化劑而不是反應(yīng)劑，因?yàn)閮煞N多酸溶液可以完全被再生，沒(méi)有任何質(zhì)量損失。因此，該燃料電池的凈反應(yīng)僅涉及到了污泥的有機(jī)質(zhì)成分和氧氣。具體反應(yīng)過(guò)程可以分為四個(gè)步驟：
第一步，POM-A溶液首先在加熱條件下在陽(yáng)極內(nèi)被污泥里有機(jī)質(zhì)成分還原，有機(jī)質(zhì)上的電子由有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移至POM-A;
第二步，通過(guò)蠕動(dòng)泵使還原態(tài)POM-A溶液循環(huán)至石墨電極板上，此時(shí)，POM-A分子上所攜帶的電子通過(guò)石墨電極傳遞到外部電路，最終轉(zhuǎn)移到陰極的POM-B。與此同時(shí)，質(zhì)子通過(guò)膜由POM-A轉(zhuǎn)移到POM-B。通過(guò)整個(gè)過(guò)程，儲(chǔ)存在的污泥有機(jī)質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)外做功。
第三步，氧化態(tài)的POM-B接受外電路電子，被還原為相對(duì)低價(jià)態(tài)，電極電勢(shì)降低。
第四步，還原態(tài)的POM-B被氧氣氧化，失去電子，化合價(jià)升高，從而得到再生。與此同時(shí)，穿過(guò)質(zhì)子膜的氫離子與氧離子結(jié)合生成水。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
(1)一種污泥燃料電池，包括陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)、陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng),所述質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲(chǔ)存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，兩側(cè)物質(zhì)被質(zhì)子交換膜隔離開(kāi)，陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)通過(guò)陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)將攜帶的電子傳遞到外部電路中，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜與通過(guò)陰極循環(huán)系統(tǒng)泵入陰極側(cè)組成物質(zhì)、外電路電子結(jié)合生成水。
(2)根據(jù)(1)所述的污泥燃料電池，所述質(zhì)子交換膜具有第一側(cè)和第二側(cè)，陽(yáng)極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第一側(cè)，陰極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第二側(cè)。
(3)根據(jù)(1)或(2)所述的污泥燃料電池，所述陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)包括陽(yáng)極液體蠕動(dòng)泵、連接陽(yáng)極電極板與陽(yáng)極反應(yīng)池的陽(yáng)極管路。
(4)根據(jù)(1)-(3)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陰極循環(huán)系統(tǒng)包括陰極蠕動(dòng)泵、連接陰極電極板與陰極反應(yīng)池的陰極管路。
(5)根據(jù)(1)-(4)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陽(yáng)極側(cè)組成物質(zhì)包括污泥、液體氧化劑、水、促進(jìn)劑、污泥降解過(guò)程中所生成的中間產(chǎn)物。
(6)根據(jù)(1)-(5)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥是指城市污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的活性污泥，含水量在0-90%之間，基于脫水后污泥干基固體的揮發(fā)性固體含量30-95%。
(7)根據(jù)(1)-(6)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥干基的固體總有機(jī)碳含量為50g/kg-500g/kg。
(8)根據(jù)(1)-(7)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥的平均顆粒物直徑為15nm-100cm。
(9)根據(jù)(1)-(8)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥的質(zhì)量濃度為0.5%至70%，所述污泥質(zhì)量濃度以污泥干基為標(biāo)準(zhǔn)。
(10)根據(jù)(1)-(9)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥與氧化劑之間的氧化還原反應(yīng)由光照或者加熱或者光照和加熱同時(shí)作用引發(fā)。
(11)根據(jù)(1)-(10)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照為太陽(yáng)光或者人造光源或者太陽(yáng)光與人造光組合。
(12)根據(jù)(1)-(11)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照強(qiáng)度范圍為1-100mW/cm2。
(13)根據(jù)(1)-(12)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照的波長(zhǎng)范圍為10-750nm。
(14)根據(jù)(1)-(13)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述加熱的溫度范圍為25-350℃。
(15)根據(jù)(1)-(14)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上組合：磷鉬酸(PMo12O40)、磷鎢酸(PW12O40)、釩取代的磷鉬酸H5[PMo10V2O40]、H5[PMo9V3O40]、多金屬氧酸鹽的組合物(H3PW11MoO40)。
(16)根據(jù)(1)-(15)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑的所占陽(yáng)極溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-50%。
(17)根據(jù)(1)-(16)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述促進(jìn)劑為增強(qiáng)污泥與氧化劑反應(yīng)程度的組合物，包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上的組合：路易斯酸、布朗斯臺(tái)德酸、路易斯堿。
(18)根據(jù)(1)-(17)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述促進(jìn)劑濃度為2ppm-2%。
(19)根據(jù)(1)-(18)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陰極側(cè)組成物質(zhì)包括催化劑、水和氧化劑。
(20)根據(jù)(1)-(19)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述催化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或者兩項(xiàng)以上的組合：磷鉬酸(PMo12O40)及其鹽類(lèi)，磷鎢酸(PW12O40)及其鹽類(lèi)，釩取代的磷鉬酸(PMo9V3O40，P3Mo18V7O85)及其鹽類(lèi)，多金屬氧酸鹽的組合物(H3PW11MoO40)。
(21)根據(jù)(1)-(20)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-70%。
(22)根據(jù)(1)-(21)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑為氧氣或者空氣。
(23)根據(jù)(1)-(22)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，燃料流體連通的陽(yáng)極電極的部分的溫度22℃至350℃。
(24)根據(jù)(1)-(23)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，陽(yáng)極溶液體積與陰極溶液體積比為1：0.5～1：20。
本發(fā)明提供的一種污泥燃料電池，污泥首先被雜多酸-A(POM-A)溶液氧化，反應(yīng)溫度為25～350℃，被還原的POM將所獲得的電子輸送至燃料電池的陽(yáng)極。這些電子通過(guò)外部電路，最終被陰極的雜多酸-B(POM-B)所捕獲。在該燃料電池體系中，POM-B的電極電勢(shì)比被還原的POM-A電極電勢(shì)高，比氧氣的電極電勢(shì)低。因此，在該污泥燃料電池中，處于還原狀態(tài)的POM-A作為陽(yáng)極，POM-B作為陰極。陰極中的 還原狀態(tài)的POM-B溶液可以被氧氣再次氧化，回到初始狀態(tài)。直接污泥燃料電池的能量密度可以達(dá)到100mW/cm2，表明本發(fā)明中所涉及的低溫直接燃料電池技術(shù)是一項(xiàng)非常有前景的新型燃料電池技術(shù)，可以將污泥中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不造成任何環(huán)境污染問(wèn)題。
