專利名稱：電解協助發酵制氫實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于生物質發酵制氫的裝置。
背景技術：
發酵制氫基于厭氧消化過程，該制氫過程國外學者稱之為微生物暗發酵制氫，并認為 是最有希望實現規模化生物制氫的技術之一 (Levin, D. B. et al. Biohydrogen product ion: prospects and limitations to practical application[J]， International Journal of Hydrogen Energy, 2004， 29(2): 173-185; Ni， M. et al. An overview of hydrogen production from biomass [J]， Fuel Processing Technology, 2006， 87 (5): 461-472.)。 然而近幾年的研究結果表明，發酵制氫的能源轉化率通常不超過15 % (Turner, LA. Hydrogen biotechnology: Progress and prospects [J], Nature Biotechnol, 2004,14 (9): 1101-3)。其原因是受熱力學因素的限制，大量的乙酸、丙酸和丁酸等揮發性有機酸不能 轉化為氫氣，導致氫轉化率較低。為提高氫轉化率，國內外學者開展了大量的研究工作， 氫轉化率有所提高，但是仍然無法突破4molH2/mol葡萄糖的極限。另一方面，有機揮發酸 的積累，除導致氫轉化率底外，又嚴重影響了發酵制氫的穩定性(李建昌等，發酵產氫面 臨的問題及對策[J],可再生能源，2006, (4): 50-53)。有學者研究了在曱酸產氫體系中， 外源加入乙酸、丙酸和丁酸等揮發性有機酸對發酵產氫過程的抑制影響(Li, Jianchanget al. Anaerobic Fermentation for Hydrogen Production from 11 Organic Acids [J]， Scientific Research Monthly, 2008, 7 (5): 34-37， 43),表明酸性揮發性末端產物的 積累是導致發酵制氫不穩定的主要原因之一，并稱之為發酵制氫代謝產物的反饋抑制影 響。
2005年Liu與Logan利用外加電解電源再借助微生物燃料電池的研究手段進行了乙酸 電解協助制氫實驗，并獲得成功，稱之為"電解協助微生物制氫"(Liu, H. et al. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate [J]， Environ Sci Technol, 2005, 39 (11): 4317-20)。 鑒于上述是把電化學原理和微生物燃 料電池技術引入到發酵制氫中，在此稱之為"電解協助發酵制氫"。該技術從根本上克服了 傳統發酵制氫本身無法克服的熱力學限制和代謝產物的反饋抑制，極大地提高發酵制氫的 能源轉化率，有望實現生物質高效和穩定制氫。但用于試驗手段的簡易的實驗裝置尚未提 供。
發明內容
本實用新型的目的是提供取材方便、投資少、實驗過程直觀、適合于教學及試驗應用 的電解協助發酵制氫實驗裝置。
為實現上述目的，本實用新型通過以下方式實現
該制氫裝置由陽極室1、陰極室2、電化學工作站單元7以及氣體收集單元組成，其 中陽極室l作為發酵室，陰極室2作為產氫室，陽極室1和陰極室2由有機玻璃制成， 在室的中間以隔板分離并通過全氟質子交換膜12貫通；投料及取樣管9和氣體出口 15通 過膠塞8伸入陽極室1和陰極室2內；電化學工作站單元7由電極導線向陽極室1和陰極 室2提供電解電源；氣體收集單元按排水集氣法原理分別收集陽極室1和陰極室2產生的 氣體。
所述的在陽極室1和陰極室2分別配有Ag/AgCl參比電極10和14。所述的氣體收集 單元由陽極氣體收集單元16、 17和陰極氣體收集單元4、 5組成，收集陽極室l和陰極室 2產生的氣體。所述的陽極采用石墨電極ll，陰極采用鉑片電極13。
本實用新型達到的原理是在電解協助下，借助產氫活性污泥中的產電微生物與陽極建立電極呼吸，徹底氧化有機底物并形成0)2、 H'和電子，然后把氧化過程中產生的電子通 過電子傳遞鏈傳遞到電極上產生電流，同時微生物在電子傳遞過程中獲得能量支持生長， 電子再經電子線路流到陰極；而質子則通#子膜擴散到陰極池，在陰極獲得電子被還原 成氫氣。
本實用新型利用實驗室普通材料即可構建，取材方便，成本低，實驗過程直觀，實驗 參數調整與反應效果便于記錄調整，是一種可廣泛應用于相關教學和試驗實踐的實驗裝置。


圖l為制氫的基本裝置，這一裝置分為三個單元，即發酵單元、電化學工作站和氣體 收集單元。圖中有陽極室l、陰極室2、恒溫控制系統3、陰極氣體收集單元4、 5、三通管6、 電化學工作站7、膠塞8、投料及取樣管9、 Ag/AgCl參比電極10和14、陽極石墨電極ll、全 氟質子交換膜12、陰極鉑片電極13、氣體出口15，陽極氣體收集單元16、 17。
具體實施方式
如圖1所示，發酵單元由作為發酵室的陽極室l，作為產氫室的陰極室2和恒溫控制系 統3組成，其中陽極室1和陰極室2分別由有機玻璃制成，容積分別為500ml，中間以隔板分 離并通過全氟質子交換膜(GEFC-107)12貫通。陽極采用石墨電極ll,陰極采用3x3mm鉑片 電極13，同時分別配有3x3mm的Ag/AgCl參比電極10和14。陽極室和陰極室的頂部分別配有 膠塞8,膠塞8上有投料及取樣管9，還有氣體出口15,投料及取樣管9和氣體出口15通過膠 塞8伸入陽極室1和陰極室2內。電化學工作站單元7通過電極導線提供電解電源，同時記錄 電解電壓、電流或電流密度、電極電勢和時間等電化學參數。氣體收集單元分別由陽極氣 體收集單元16、 17和陰極氣體收集單元4、 5組成，按排水集氣法原理分別收集陽極室l和 陰極室2制氫產生的氣體。在收集單元中集氣瓶為4、 17、量筒為5、 16。
利用該裝置制氫可直觀便捷地進行電解協助制氫提高能源轉化率的試驗。試驗結果表 明以乙酸為底物，電解庫倫效率為60 - 80%，而電子轉化為氫氣的回收率為80 - 90%, 相當于乙酸的產氫效率為2. 5-3. OmolH2/乙酸，每立方米氫氣的能耗相當于O. 5 - 0. 8kwh, 這一結果遠遠低于電解水制氫的能耗4. 5-5kwh。以葡萄糖為底物，電解協助產生的氫氣加 上發酵細菌產生的氫氣，產氫效率可達8-10mo1 H2/mol葡萄糖，遠遠突破了傳統發酵制氫 的理論極限值4molH2/mol葡萄糖。
權利要求1、電解協助發酵制氫實驗裝置，其特征在于該制氫裝置由陽極室(1)、陰極室(2)、電化學工作站單元(7)以及氣體收集單元組成，其中陽極室(1)作為發酵室，陰極室(2)作為產氫室，陽極室(1)和陰極室(2)由有機玻璃制成，在室的中間以隔板分離并通過全氟質子交換膜(12)貫通；投料及取樣管(9)和氣體出口(15)通過膠塞(8)伸入陽極室(1)和陰極室(2)內；電化學工作站單元(7)由電極導線向陽極室(1)和陰極室(2)提供電解電源；氣體收集單元按排水集氣法原理分別收集陽極室(1)和陰極室(2)產生的氣體。
2、 根據權利要求1所迷的電解協助發酵制氫實驗裝置，其特征在于在陽極室(1)和 陰極室(2)分別配有Ag/AgCl參比電極(10)和(14 )。
3、 根據權利要求1或2所述的電解協助發酵制氫實驗裝置，其特征在于氣體收集單 元由陽極氣體收集單元(16)、 (17)和陰極氣體收集單元(4)、 (5)組成，收集陽極室(1)和陰極室(2)產生的氣體。
4、 根據權利要求1或2所迷的電解協助發酵制氫實驗裝置，其特征在于陽極采用石 墨電極(11 )，陰極采用鈿片電極(13 )
專利摘要電解協助發酵制氫實驗裝置，屬于生物質發酵制氫的裝置。本實用新型以陽極室為發酵室，陰極室為產氫室，室的中間以隔板分離并由全氟質子交換膜貫通；電化學工作站單元由電極導線向陽極室和陰極室提供電解電源；氣體收集單元按排水集氣法原理分別收集陽極室和陰極室產生的氣體。本裝置取材方便，成本低，實驗過程直觀，參數調整及反應效果便于調整記錄，可廣泛應用于相關教學和實驗。
文檔編號C12M1/107GK201416000SQ2008202289
公開日2010年3月3日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者張無敵, 李建昌 申請人:云南師范大學