專利名稱：高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物制氫及氫能一電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，尤其是一種利用微生物發(fā)酵有機(jī)物制氫及氫能一電能轉(zhuǎn)化的一體化裝置。
(2)背景技術(shù)包括石油、天然氣和煤炭在內(nèi)的化石燃料是當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)的主體。然而石油、天然氣等化石燃料是一類非常寶貴的不可再生資源，全球已探明的儲(chǔ)量按現(xiàn)消費(fèi)水平僅可用50年左右；另一方面，化石能源的大量利用已給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的影響，造成大氣、水體和土壤被污染。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷增加，能源的需求與供給之間的缺口將變得越來越大。為了保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)可再生的能源體系是一種必然選擇?？稍偕茉窗ㄌ柲堋⑺?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能等。其中氫能因具有諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。
目前氫的制備主要包括化石燃料制氫、電解水制氫和生物制氫等。前兩種方法以消耗不可再生的化石燃料或電能為代價(jià)，因而不太可能被選擇作為大規(guī)模制取燃料氫的途徑。生物制氫是利用產(chǎn)氫微生物發(fā)酵分解各種有機(jī)物而產(chǎn)生氫，有機(jī)物的來源十分廣泛，包括城市和工廠排放的有機(jī)廢物和廢水、農(nóng)作物秸桿、變質(zhì)的糧食等。這些有機(jī)物都來自于植物的光合作用，全球每年通過光合作用固定的太陽能是全球能源總消費(fèi)量的十倍以上，因而利用微生物分解有機(jī)物制氫具有無可比擬的優(yōu)越性。
微生物制氫研究起始于20世紀(jì)80年代。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)利用產(chǎn)氫微生物分解有機(jī)廢水制氫進(jìn)行了較多的研究，但主要停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。微生物制氫實(shí)用化過程存在的問題主要表現(xiàn)在1)微生物產(chǎn)氫的效率低，國(guó)外報(bào)導(dǎo)高產(chǎn)氫微生物菌株的產(chǎn)氫活性可達(dá)26.9mmolH2/h·g cell(Kumar N，Das D.Continuous hydrogen production byimmobilized Enterobacter cloacae IIT-BT 08 using lignocellulosic material assolid matrices.Enzyme Microbial Technol，2001，29280-287)，國(guó)內(nèi)報(bào)道微生物產(chǎn)氫的活性可達(dá)24.9mmolH2/h·g cell(林明，任南琪，王愛杰，等.高效產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌在不通氣相條件下產(chǎn)氫.中國(guó)沼氣，2002，20(2)3-7)；2)制氫反應(yīng)器過于復(fù)雜或?qū)μ岣呔攴艢渌俾实挠绊懖焕硐耄?)制氫成本昂貴。目前國(guó)內(nèi)外在生物制氫研究中，主要考慮如何制氫，而很少考慮如何利用微生物產(chǎn)出的氫。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于將微生物制氫與氫的利用形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，即將高效微生物制氫裝置、貯氫裝置及氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置(例如氫燃料電池)三部分有機(jī)結(jié)合起來組成一種高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，最終將該系統(tǒng)直接應(yīng)用于日常生活中。
本發(fā)明設(shè)有生物制氫反應(yīng)裝置，用于將各類有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫；氣體純化裝置，用于除去發(fā)酵氣中的二氧化碳等組份(含氣體的干燥處理)，氣體純化裝置的進(jìn)氣口經(jīng)導(dǎo)氣管接生物制氫反應(yīng)裝置的氫氣出氣口；貯氫裝置，用于儲(chǔ)存經(jīng)氣體純化裝置純化和干燥處理過的氫氣，貯氫裝置的進(jìn)氣口口接氣體純化裝置的氫出氣口；氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置(或燃料電池)，用于將氫能轉(zhuǎn)化為電能，氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置的氫氣進(jìn)氣口接貯氫裝置的氫氣出氣口。
所說的生物制氫反應(yīng)裝置設(shè)有發(fā)酵罐、溫控系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和pH值控制系統(tǒng)。
發(fā)酵罐包括外殼、內(nèi)筒和密封蓋。
溫控系統(tǒng)設(shè)于內(nèi)筒內(nèi)，內(nèi)筒內(nèi)作為混合反應(yīng)(發(fā)酵)區(qū)，溫控系統(tǒng)包括探頭、水浴調(diào)溫環(huán)形管與進(jìn)出口、加熱棒等。在內(nèi)、外筒間設(shè)置沉淀分離區(qū)、進(jìn)料口、排出口。pH值控制系統(tǒng)包括控制電極(或探頭)、酸堿液加料口。
攪拌系統(tǒng)可采用機(jī)械攪拌系統(tǒng)或液流噴射攪拌系統(tǒng)，或兩者一并使用。機(jī)械攪拌系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)和攪拌葉片，攪拌葉片設(shè)于內(nèi)筒內(nèi)。液流噴射攪拌系統(tǒng)包括環(huán)流泵、微孔噴嘴和回流管，微孔噴嘴可設(shè)于外筒底部，回流管將環(huán)流泵、微孔噴嘴和內(nèi)筒連接成一個(gè)完整的液流噴射攪拌系統(tǒng)。
沉淀分離區(qū)內(nèi)設(shè)有三相分離擋板。內(nèi)筒壁上設(shè)有鋸形擋板。在外筒底部可設(shè)排空管。
裝置采用水密封和物理密封，水密封采用水封蓋，物理密封采用密封圈和緊固件。
氣體純化裝置包括水封裝置、堿洗脫塔和干燥裝置，水封裝置的進(jìn)氣口接生物制氫反應(yīng)裝置的氫氣出氣口。堿洗脫塔接于水封裝置與干燥裝置之間。堿洗脫塔包括塔筒體、內(nèi)導(dǎo)氣管、氣體分散頭、活動(dòng)介質(zhì)承載板、填充介質(zhì)、淋噴頭、分流開關(guān)和泵。
所說的貯氫裝置可選用儲(chǔ)氫氣瓶，儲(chǔ)氫罐等。氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置可采用燃料電池，例如質(zhì)子膜燃料電池。
本發(fā)明利用分解微生物將各種復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)(例如淀粉、纖維素、糖類、有機(jī)酸等)轉(zhuǎn)化為易被微生物利用的簡(jiǎn)單物質(zhì)(例如單糖類等)，通過高效產(chǎn)氫微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生氫。發(fā)酵氣體經(jīng)堿液洗脫塔等氣體純化裝置除去二氧化碳等氣體并干燥后儲(chǔ)存于貯氫裝置中，最后在燃料電池中被轉(zhuǎn)化為電能，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)或照明。利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能-電能的可控轉(zhuǎn)化。它適用于高濃度有機(jī)廢水排放企業(yè)的廢水處理及資源化利用、城市環(huán)保部門有機(jī)廢物或廢水的環(huán)保處理與資源化利用、鄉(xiāng)村農(nóng)戶對(duì)農(nóng)作物秸桿的能源化利用、偏遠(yuǎn)山區(qū)或海島利用當(dāng)?shù)氐慕諚U或有機(jī)廢物發(fā)電等。
(4)


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的生物制氫反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的堿洗脫塔結(jié)構(gòu)示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖給出本發(fā)明的詳細(xì)說明如圖1所示，本發(fā)明包括生物制氫反應(yīng)裝置1、水封裝置3、堿洗脫塔4、干燥裝置5、儲(chǔ)氫氣瓶6、儲(chǔ)氫罐7、開關(guān)8、質(zhì)子膜燃料電池9等部分，并通過導(dǎo)線10與用電設(shè)備11(例如照明或電動(dòng)裝置)連接。圖2為生物制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，生物制氫裝置設(shè)有發(fā)酵罐、攪拌系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和pH控制系統(tǒng)等。發(fā)酵罐包括倒錐體外殼23、內(nèi)筒19及密封蓋16等3個(gè)部分。外殼23由內(nèi)外兩層組成，中間為隔熱層。內(nèi)筒19由外殼上內(nèi)伸的數(shù)個(gè)(一般為6個(gè))支架支撐，內(nèi)筒內(nèi)為混合發(fā)酵區(qū)21，有機(jī)物質(zhì)及產(chǎn)氫微生物通過設(shè)于外殼與內(nèi)筒上的進(jìn)料口18直接進(jìn)入混合發(fā)酵區(qū)；在機(jī)械攪拌(由電動(dòng)機(jī)26和攪拌葉片31組成)或噴流攪拌(由環(huán)流泵27、微孔噴嘴28和回流管30組成，上述兩套攪拌系統(tǒng)可任選其一或同時(shí)使用)的作用下在混合反應(yīng)區(qū)21內(nèi)充分混合，使產(chǎn)氫微生物得以生長(zhǎng)并發(fā)酵產(chǎn)氫，同時(shí)使產(chǎn)生的氣體逸出液面。為防止筒內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)形成渦流，在內(nèi)筒19的內(nèi)壁上等距離焊有數(shù)個(gè)(根據(jù)反應(yīng)器的大小而定)豎向鋸形擋板32。
內(nèi)筒19與外殼23之間為沉淀分離區(qū)22。反應(yīng)液通過內(nèi)筒與外殼的下端進(jìn)入沉淀分離區(qū)，排出口34在沉淀分離區(qū)的上端，在排出口的下側(cè)有三相分離擋板33，擋板33上有圓形小孔；反應(yīng)液在沉淀分離區(qū)內(nèi)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體不斷上升逸出液面，與混合反應(yīng)區(qū)21內(nèi)產(chǎn)生的氣體合并。固體顆粒在沉淀分離區(qū)內(nèi)不斷沉淀，由于氣泡運(yùn)動(dòng)或排放水流的帶動(dòng)作用，一部分固體顆粒向上運(yùn)動(dòng)，在分離區(qū)與三相分離擋板33碰撞后向下沉淀，重新進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)。
生物制氫反應(yīng)裝置的頂蓋16上有溫控系統(tǒng)探頭孔14(以便放置溫控系統(tǒng)探頭)、酸堿度pH自動(dòng)控制系統(tǒng)pH電極(探頭)孔15、酸堿加料口13及若干個(gè)預(yù)留的孔。頂蓋16與外殼23之間設(shè)有密封圈17，并通過緊固螺絲36封緊，以防止氣體逸出；頂蓋的蓋緣緊貼外殼的內(nèi)壁并沒入液面以下十幾公分，以達(dá)到水封35的效果。在外殼的底部可設(shè)排空管25。
生物制氫反應(yīng)器內(nèi)包括兩套溫控系統(tǒng)，即電加熱溫控系統(tǒng)(包括探頭和加熱棒29)和循環(huán)水浴調(diào)溫系統(tǒng)(包括環(huán)形管出口12、環(huán)形管20和環(huán)形管進(jìn)水管24)。循環(huán)水浴調(diào)溫系統(tǒng)中冷水或熱水由進(jìn)水管24進(jìn)入，流經(jīng)內(nèi)置環(huán)形(水)管20對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)降溫或升溫，由出(水)口12排出。
參見圖1～3，生物制氫反應(yīng)裝置產(chǎn)生的氣體經(jīng)由氫氣導(dǎo)管2、水封裝置3輸送至堿液洗脫塔4以除去二氧化碳等氣體組份。堿洗脫塔由耐酸堿的材料制成，設(shè)有洗脫塔筒體37、內(nèi)導(dǎo)氣管38、氣體分散頭39、活動(dòng)介質(zhì)承載板40、填充介質(zhì)41、淋噴頭42、分流開關(guān)43與45和堿循環(huán)泵44等。其中氣體分散頭將氣體分散為微氣泡而與堿液充分接觸，達(dá)到洗氣的目的。設(shè)置循環(huán)泵前后端的分流開關(guān)43和45，是為了方便更換堿液或清洗洗脫塔。
參見圖1，發(fā)酵氣體經(jīng)堿洗脫塔4洗脫后由氫氣導(dǎo)管2輸送至干燥裝置5進(jìn)行干燥，干燥裝置內(nèi)儲(chǔ)有干燥劑，可定期更換。干燥后得到的純氫先由氫氣導(dǎo)管輸送至儲(chǔ)氫氣瓶6，再進(jìn)入高效儲(chǔ)氫罐7，通過通氣開關(guān)8控制氫的利用。氫與氧(或空氣)在質(zhì)子膜燃料電池9中發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能用于照明或帶動(dòng)電器設(shè)備11。
權(quán)利要求
1.高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于設(shè)有生物制氫反應(yīng)裝置；氣體純化裝置，氣體純化裝置的進(jìn)氣口經(jīng)導(dǎo)氣管接生物制氫反應(yīng)裝置的氫氣出氣口；貯氫裝置，貯氫裝置的進(jìn)氣口口接氣體純化裝置的氫出氣口；氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置(或燃料電池)，氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置的氫氣進(jìn)氣口接貯氫裝置的氫氣出氣口。
2.如權(quán)利要求1所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于所說的生物制氫反應(yīng)裝置設(shè)有發(fā)酵罐、溫控系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和pH值控制系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求2所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于發(fā)酵罐包括外殼、內(nèi)筒和密封蓋。
4.如權(quán)利要求2所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于溫控系統(tǒng)設(shè)于內(nèi)筒內(nèi)，內(nèi)筒內(nèi)作為混合反應(yīng)區(qū)，溫控系統(tǒng)包括探頭、水浴調(diào)溫環(huán)形管與進(jìn)出口、加熱棒；在內(nèi)、外筒間設(shè)置沉淀分離區(qū)、進(jìn)料口、排出口。
5.如權(quán)利要求1所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于攪拌系統(tǒng)可采用機(jī)械攪拌系統(tǒng)或液流噴射攪拌系統(tǒng)，或機(jī)械攪拌系統(tǒng)和液流噴射攪拌系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于機(jī)械攪拌系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)和攪拌葉片，攪拌葉片設(shè)于內(nèi)筒內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于液流噴射攪拌系統(tǒng)包括環(huán)流泵、微孔噴嘴和回流管，微孔噴嘴可設(shè)于外筒底部，回流管接環(huán)流泵、微孔噴嘴和內(nèi)筒。
8.如權(quán)利要求1所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于沉淀分離區(qū)內(nèi)設(shè)有三相分離擋板，內(nèi)筒壁上設(shè)有鋸形擋板，在外筒底部可設(shè)排空管。
9.如權(quán)利要求1所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于氣體純化裝置包括水封裝置、堿洗脫塔和干燥裝置，水封裝置的進(jìn)氣口接生物制氫反應(yīng)裝置的氫氣出氣口，堿洗脫塔接于水封裝置與干燥裝置之間，堿洗脫塔包括塔筒體、內(nèi)導(dǎo)氣管、氣體分散頭、活動(dòng)介質(zhì)承載板、填充介質(zhì)、淋噴頭、分流開關(guān)和泵。
10.如權(quán)利要求1所述的高效微生物制氫及氫能-電能轉(zhuǎn)化一體化裝置，其特征在于氫能-電能轉(zhuǎn)化裝置可采用燃料電池。
全文摘要
涉及一種利用微生物發(fā)酵有機(jī)物制氫及氫能－電能轉(zhuǎn)化的一體化裝置。設(shè)有生物制氫反應(yīng)裝置，氣體純化裝置進(jìn)口接反應(yīng)裝置出口，貯氫裝置接純化裝置，氫能－電能轉(zhuǎn)化裝置的氫氣進(jìn)氣口接貯氫裝置的氫氣出氣口。利用分解微生物將各種復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易被微生物利用的簡(jiǎn)單物質(zhì)，通過高效產(chǎn)氫微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生氫。最后在燃料電池中被轉(zhuǎn)化為電能。可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能－電能的可控轉(zhuǎn)化。適用于高濃度有機(jī)廢水排放企業(yè)的廢水處理及資源化利用、城市環(huán)保部門有機(jī)廢物或廢水的環(huán)保處理與資源化利用、鄉(xiāng)村農(nóng)戶對(duì)農(nóng)作物秸稈的能源化利用、偏遠(yuǎn)山區(qū)或海島利用當(dāng)?shù)氐慕斩捇蛴袡C(jī)廢物發(fā)電等。
文檔編號(hào)C12P3/00GK1528905SQ20031010089
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月15日
發(fā)明者龍敏南, 鄔小兵, 徐惠娟, 陳巖松 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)