申请日2016.05.30
公开(公告)日2016.09.28
IPC分类号H01M8/10; H01M8/16
摘要
本发明涉及一种污泥燃料电池，其特征在于，包括阳极侧组成物质、阳极循环系统、质子交换膜、阴极侧组成物质、阴极循环系统。其中质子交换膜置于阴极循环系统和阳极循环系统之间，阳极侧组成物质储存于阳极循环系统内，阴极侧组成物质储存于阴极循环系统内，两侧物质被质子交换膜隔离开，阳极侧组成物质通过阳极循环系统将携带的电子传递到外部电路中，质子通过质子交换膜与通过阴极循环系统泵入阴极侧组成物质、外电路电子结合生成水。本发明提供的污泥燃料电池，污泥首先被杂多酸‑A(POM‑A)溶液氧化，被还原的POM将所获得的电子输送至燃料电池的阳极。这些电子通过外部电路，最终被阴极的杂多酸‑B(POM‑B)所捕获，可以将污泥中有机质的化学能转化为电能而不造成任何环境污染问题。
摘要附图
权利要求书
1.一种污泥燃料电池，其特征在于，包括阳极侧组成物质、阳极循环系统、质子交换膜、阴极侧组成物质、阴极循环系统，所述质子交换膜置于阴极循环系统和阳极循环系统之间，阳极侧组成物质储存于阳极循环系统内，阴极侧组成物质储存于阴极循环系统内。
2.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜具有第一侧和第二侧，阳极电极及溶液置于质子交换膜的第一侧，阴极电极及溶液置于质子交换膜的第二侧。
3.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述阳极循环系统包括阳极液体蠕动泵、连接阳极电极板与阳极反应池的阳极管路。
4.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述阴极循环系统包括阴极液体蠕动泵、连接阴极电极板与阴极反应池的阴极管路。
5.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述阳极侧组成物质包括污泥、液体氧化剂、水、促进剂、污泥降解过程中所生成的中间产物。
6.根据权利要求5所述污泥燃料电池，其特征在于，所述污泥是指城市污水处理过程中产生的活性污泥，含水量在0-90%之间，基于脱水后污泥干基固体的挥发性固体含量30-95%。
7.根据权利要求5所述污泥燃料电池，其特征在于，所述污泥固体总有机碳含量为50g/kg-500g/kg。
8.根据权利要求5所述污泥燃料电池，其特征在于，所述污泥的平均颗粒物直径为15nm-100cm。
9.根据权利要求5所述污泥燃料电池，其特征在于，所述污泥的质量浓度为0.5%至70%，所述污泥质量浓度以污泥干基为标准。
10.根据权利要求5所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述污泥与氧化剂之间的氧化还原反应由光照或者加热或者光照和加热同时作用引发。
11.根据权利要求10所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述光照为太阳光或者人造光源或者太阳光与人造光组合。
12.根据权利要求10所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述光照强度范围为1-100mW/cm2。
13.根据权利要求10所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述光照的波长范围为10-750nm。
14.根据权利要求10所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述加热的温度范围为25-350℃。
15.根据权利要求5所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述氧化剂包括以下一项或任意两项或两项以上组合：磷钼酸(PMo12O40)、磷钨酸(PW12O40)、钒取代的磷钼酸H5[PMo10V2O40]、H5[PMo9V3O40]、多金属氧酸盐的组合物(H3PW11MoO40)。
16.根据权利要求5所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述氧化剂的所占阳极溶液的质量分数为0.5-50%。
17.根据权利要求5所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述促进剂为增强污泥与氧化剂反应程度的组合物，包括以下一项或任意两项或两项以上的组合：路易斯酸、布朗斯台德酸、路易斯碱。
18.根据权利要求5所述污泥燃料电池，其特征在于，所述促进剂浓度为2ppm-2%。
19.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述阴极侧组成物质包括催化剂、水和氧化剂。
20.根据权利要求19所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述催化剂包括以下一项或任意两项或者两项以上的组合：磷钼酸(PMo12O40)及其盐类，磷钨酸(PW12O40)及其盐类，钒取代的磷钼酸(PMo9V3O40，P3Mo18V7O85)及其盐类，多金属氧酸盐的组合物(H3PW11MoO40)。
21.根据权利要求19所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述催化剂的质量分数为0.1-70%。
22.根据权利要求19所述的污泥燃料电池，其特征在于，所述氧化剂为氧气或者空气。
23.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，燃料流体连通的阳极电极的部分的温度22℃至350℃。
24.根据权利要求1所述的污泥燃料电池，其特征在于，阳极溶液体积与阴极溶液体积比为1：0.5～1：20。
说明书
一种污泥燃料电池
技术领域
本发明属于直接液体催化燃料电池领域，具体涉及一种污泥燃料电池，在低温下直接将污泥转化为电能，燃料不需要进行任何预处理。
背景技术
污泥(sludge)是污水处理过程所产生的介于液体和固体之间的粘稠物，由有机残渣、细菌菌体、无机杂质和胶体等组成的极其复杂非均质体。随着城市化进程的加快和水处理程度的加深，城市污水污泥的产量也急剧增加，预计到2020年，污泥产量将突破6000万吨。此外，污泥中还含有Cd、Pb、As、Cu和Zn等对环境和人类健康有严重危害的重金属元素及较多的病原微生物、寄生虫卵和毒性有机物。污泥导致的环境污染问题日益突出，已造成极大的安全隐患、环境压力和经济负担。如何合理地处置城市污水污泥，使其达到“减量化、无害化及资源化”的目的，已成为我国城市生态环境可持续发展的关键问题。
另一方面，从能源角度出发，城市污水污泥中日益提高的有机物含量和热值也使其极具能源回收价值，利用先进的处理技术，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，对于解决全球变暖、促进能源结构调整，实现能源的可持续多元化发展，具有十分重要的意义。
污泥发电不但可以实现污泥的安全处理，同时还可以实现污泥资源化利用，是污泥合理利用的发展趋势。燃料电池具有能量转化效率和绿色环保的优点，被认为是一项非常具有前景的技术。以污泥为底物的微生物燃料电池技术(MFC)，可以实现污泥降解和发电同步，功率输出密度为40～250mW/m2。然而，该技术也存在具有诸多不足，如输出功率密度低、稳定性差、污泥降解效率低、电极材料催化剂价格昂贵等。直接液体催化燃料电池技术是一种全新的燃料电池技术，该技术可以将如淀粉、纤维素、木质素等生物质在室温下直接转换为电能。污泥中含有一定量的有机质，理论上污泥中的有机质部分也可以与液体直接燃料电池中的阳极电解质发生氧化还原反应，产生电子和质子，电子经过外电路，对外做功从而实现污泥中的有机质能转化为电能。以污泥为燃料的液体直接燃料电池技术可以实现污泥的高效、清洁利用，是一项极有前景的新型燃料电池技术。
发明内容
本发明涉及到一种污泥燃料电池，可以在低温下直接将污泥转化为电能，燃料不需要进行任何预处理。该污泥燃料电池的阴极和阳极分别采用不同类型的杂多酸(POMs)为催化剂和电荷载体，代替原来燃料电池中的贵金属催化剂，最终实现了无贵金属的直接污泥-电能液体催化燃料电池技术(LCFC)。由于采用杂多酸作为催化剂，其性能稳定、对燃料中杂质，如硫元素、氮元素等不敏感，因此污泥不需要进行任何 预处理。
该燃料电池包含两个反应池，分别是阳极的杂多酸催化剂(POM-A)和污泥燃料以及阴极的杂多酸催化剂(POM-B)和氧气。阳极反应器内POM-A首先被污泥还原，同时，POM-B在阴极被还原，被还原的POM-B可以被氧气氧化再生。实际上，POM-A和POM-B均作为催化剂而不是反应剂，因为两种多酸溶液可以完全被再生，没有任何质量损失。因此，该燃料电池的净反应仅涉及到了污泥的有机质成分和氧气。具体反应过程可以分为四个步骤：
第一步，POM-A溶液首先在加热条件下在阳极内被污泥里有机质成分还原，有机质上的电子由有机质转移至POM-A;
第二步，通过蠕动泵使还原态POM-A溶液循环至石墨电极板上，此时，POM-A分子上所携带的电子通过石墨电极传递到外部电路，最终转移到阴极的POM-B。与此同时，质子通过膜由POM-A转移到POM-B。通过整个过程，储存在的污泥有机质内的化学能转化为电能，对外做功。
第三步，氧化态的POM-B接受外电路电子，被还原为相对低价态，电极电势降低。
第四步，还原态的POM-B被氧气氧化，失去电子，化合价升高，从而得到再生。与此同时，穿过质子膜的氢离子与氧离子结合生成水。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
(1)一种污泥燃料电池，包括阳极侧组成物质、阳极循环系统、质子交换膜、阴极侧组成物质、阴极循环系统,所述质子交换膜置于阴极循环系统和阳极循环系统之间，阳极侧组成物质储存于阳极循环系统内，阴极侧组成物质储存于阴极循环系统内，两侧物质被质子交换膜隔离开，阳极侧组成物质通过阳极循环系统将携带的电子传递到外部电路中，质子通过质子交换膜与通过阴极循环系统泵入阴极侧组成物质、外电路电子结合生成水。
(2)根据(1)所述的污泥燃料电池，所述质子交换膜具有第一侧和第二侧，阳极电极及溶液置于质子交换膜的第一侧，阴极电极及溶液置于质子交换膜的第二侧。
(3)根据(1)或(2)所述的污泥燃料电池，所述阳极循环系统包括阳极液体蠕动泵、连接阳极电极板与阳极反应池的阳极管路。
(4)根据(1)-(3)任一项所述的污泥燃料电池，所述阴极循环系统包括阴极蠕动泵、连接阴极电极板与阴极反应池的阴极管路。
(5)根据(1)-(4)任一项所述的污泥燃料电池，所述阳极侧组成物质包括污泥、液体氧化剂、水、促进剂、污泥降解过程中所生成的中间产物。
(6)根据(1)-(5)任一项所述的污泥燃料电池，所述污泥是指城市污水处理过程中产生的活性污泥，含水量在0-90%之间，基于脱水后污泥干基固体的挥发性固体含量30-95%。
(7)根据(1)-(6)任一项所述的污泥燃料电池，所述污泥干基的固体总有机碳含量为50g/kg-500g/kg。
(8)根据(1)-(7)任一项所述的污泥燃料电池，所述污泥的平均颗粒物直径为15nm-100cm。
(9)根据(1)-(8)任一项所述的污泥燃料电池，所述污泥的质量浓度为0.5%至70%，所述污泥质量浓度以污泥干基为标准。
(10)根据(1)-(9)任一项所述的污泥燃料电池，所述污泥与氧化剂之间的氧化还原反应由光照或者加热或者光照和加热同时作用引发。
(11)根据(1)-(10)任一项所述的污泥燃料电池，所述光照为太阳光或者人造光源或者太阳光与人造光组合。
(12)根据(1)-(11)任一项所述的污泥燃料电池，所述光照强度范围为1-100mW/cm2。
(13)根据(1)-(12)任一项所述的污泥燃料电池，所述光照的波长范围为10-750nm。
(14)根据(1)-(13)任一项所述的污泥燃料电池，所述加热的温度范围为25-350℃。
(15)根据(1)-(14)任一项所述的污泥燃料电池，所述氧化剂包括以下一项或任意两项或两项以上组合：磷钼酸(PMo12O40)、磷钨酸(PW12O40)、钒取代的磷钼酸H5[PMo10V2O40]、H5[PMo9V3O40]、多金属氧酸盐的组合物(H3PW11MoO40)。
(16)根据(1)-(15)任一项所述的污泥燃料电池，所述氧化剂的所占阳极溶液的质量分数为0.5-50%。
(17)根据(1)-(16)任一项所述的污泥燃料电池，所述促进剂为增强污泥与氧化剂反应程度的组合物，包括以下一项或任意两项或两项以上的组合：路易斯酸、布朗斯台德酸、路易斯碱。
(18)根据(1)-(17)任一项所述的污泥燃料电池，所述促进剂浓度为2ppm-2%。
(19)根据(1)-(18)任一项所述的污泥燃料电池，所述阴极侧组成物质包括催化剂、水和氧化剂。
(20)根据(1)-(19)任一项所述的污泥燃料电池，所述催化剂包括以下一项或任意两项或者两项以上的组合：磷钼酸(PMo12O40)及其盐类，磷钨酸(PW12O40)及其盐类，钒取代的磷钼酸(PMo9V3O40，P3Mo18V7O85)及其盐类，多金属氧酸盐的组合物(H3PW11MoO40)。
(21)根据(1)-(20)任一项所述的污泥燃料电池，所述催化剂的质量分数为0.1-70%。
(22)根据(1)-(21)任一项所述的污泥燃料电池，所述氧化剂为氧气或者空气。
(23)根据(1)-(22)任一项所述的污泥燃料电池，燃料流体连通的阳极电极的部分的温度22℃至350℃。
(24)根据(1)-(23)任一项所述的污泥燃料电池，阳极溶液体积与阴极溶液体积比为1：0.5～1：20。
本发明提供的一种污泥燃料电池，污泥首先被杂多酸-A(POM-A)溶液氧化，反应温度为25～350℃，被还原的POM将所获得的电子输送至燃料电池的阳极。这些电子通过外部电路，最终被阴极的杂多酸-B(POM-B)所捕获。在该燃料电池体系中，POM-B的电极电势比被还原的POM-A电极电势高，比氧气的电极电势低。因此，在该污泥燃料电池中，处于还原状态的POM-A作为阳极，POM-B作为阴极。阴极中的 还原状态的POM-B溶液可以被氧气再次氧化，回到初始状态。直接污泥燃料电池的能量密度可以达到100mW/cm2，表明本发明中所涉及的低温直接燃料电池技术是一项非常有前景的新型燃料电池技术，可以将污泥中有机质的化学能转化为电能而不造成任何环境污染问题。
