Результат интеллектуальной деятельности: Биореактор для получения электрической энергии

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к устройству получения электрической энергии из органических соединений, для их последующего использования по назначению.

Известен биоэлектрохимический реактор, состоящий из секционированных емкостей, выполненных в форме прямоугольного параллелепипеда с перегородками для создания зигзагоподобного течения, в днище реактора установлено анодные электроды. Сам реактор находится в катодных контейнерах, в первом и последнем контейнере установлены патрубки для подачи и вывода сточных вод (патент № 2496187, МПКH01M 8/16, 2012 год).

Недостатком известного устройства является необходимость принудительной подачи воздуха,подразумевающей затраты дополнительной энергии.

Известен биотопливный элемент состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой, изготовленных из электропроводящего некорродирующего структурированного материала с развитой поверхностью, зажатого между пластиковыми решетками при помощи хомутов. На поверхности анода нанесены кристаллы сахарозы. Водогазонепроницаемый слой закреплен на поверхности анода, обращенной к катоду. По размеру и форме водогазонепроницаемый слой соответствует форме и размерам анода. Взаиморасположение анода и катода обеспечивает поддерживающее устройство. Анод размещают в слое донных отложений водоема. Катод расположен над анодом в толще воды (Патент № 2657289 H01M 8/16, H01M 4/96, 2017 г.).

Недостатком известного устройства является низкая выходная мощность, на это влияет высокое сопротивление между анодом и катодом, так как они удалены на большое расстояние друг от друга.

Известен биоэлектрохимический реактор, состоящий из ячейки органического стекла, содержащей анод катод из карбида кремния, места контакта электродов с токоснимающей частью из индия и скандия (патент №153593, МПК H01M 8/16, 2014 ).

Недостатком известного устройства является большое расстояние между электродами и, вследствие чего, высокое сопротивление между ними, приводящее к снижению эффективности энергоотдачи.

Известен повышающий генератор импульсов (SU 1064428, МПК Н 03 К 3/02, 1977 г.), включающий транзистор, трансформатор, первая обмотка которого включена между первой шиной источника питания и коллектором транзистора, а вторая – между первой шиной источника питания и базой транзистора, эмиттер которого подсоединен ко второй шине источника питания, первая и вторая обмотки трансформатора подключены к первой шине источника питания разноименными выводами.

Недостатком известного генератора является низкий КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа биореактор, включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенных мембраной и заполненные биожидкостью, анодная камера с патрубками содержит водный раствор органических веществ и микроорганизмы, окисляющие органические вещества, катод выполнен из постоянно увлажняемого капиллярного материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода (патент на полезную модель № 145009, МПК H01M 8/16,H01M 8/02,C12M 1/00, 2013 г.).

Недостатком известных устройств является низкая электрическая мощность.

Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение мощности биореактора, эксплуатационного срока службы электродов и надежность токоведущих частей.

Поставленная техническая задача достигается тем, что биореактор для получения электрической энергии, включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенные мембраной, анодная камера заполнена биожидкостью, анод и катод выполнены из электропроводного углеродного материала, при этом анод выполнен с металлической сердцевиной,согласно изобретению, биореактор снабжен повышающим генератором импульсов с переменным конденсатором, катодная камера выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе, электроды установлены горизонтально, сердцевина анода и катода выполнена в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид биореактора; на фиг. 2 - схема повышающего преобразователя-генератора.

Биореактор для получения электрической энергии содержит анодную 1 и катодную 2 камеры с анодом 3 и катодом 4, разделенные мембраной 5. Анод 3 и катод 4 выполнены в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном углеродном электропроводном материале. В катодную камеру 2 добавлен электролит, например кислотный. Материал катода 4 обладает капиллярными свойствами, что позволяет ему быть постоянно увлажненным. Электроды 3 и 4 установлены горизонтально с малым межэлектродным расстоянием. В корпусе катодной камеры 2 выполнены отверстия 6 для естественной вентиляции. Катод 4 и анод 3, соединены с повышающим генератором импульсов токоведущими проводами 7, при этом в корпусе биореактора токоведущие провода 7 выполнены из антикоррозийных электропроводных материалов. Нержавеющая сталь и иридий имеет высокую антикоррозионную стойкость, что очень важно для увеличения эксплуатационного срока службы электродов и надежности токоведущих частей в месте соединения с углеродным волокном. Анодная камера 1 заполнена биожидкостью 8 в виде раствора органических веществ с микроорганизмами. В качестве катализатора к биожидкости 8 добавлен электролит, например, кислотный, в количестве, обеспечивающем зону комфорта микроорганизмов. Использование электролита в анодной 1 и катодной 2 камерах позволяет уменьшить межэлектродное сопротивление и обеспечивает повышение эффективности установки.

Корпуса анодной 1 и катодной 2 камеры жестко соединены между собой, например, болтами 9.

Мембрана 5 выполнена из полимерного электролитического материала, например, «нафион». Материал устойчив к химическим воздействиям, что очень важно для биореактора, так как в нем присутствует агрессивная среда разлагающая большинство искусственно созданных полимерных и металлизированных материалов.

Горизонтальное расположение электродов обеспечивает свободное проникновение протонов в катодную камеру 2, позволяет минимизировать межэлектродное расстояние, снизить сопротивление между электродами 3 и 4, повысить электрический ток и, соответственно, энергоотдачу и мощность биореактора.

Выполнение катода 4 и анода 3 с сердцевиной в виде пучка проводов из антикоррозийного электропроводного материала обеспечивает простоту изготовления и эксплуатации.

Повышающий генератор импульсов соединен проводами 7 с биореактором. Генератор импульсов содержит плюсовой провод 7, выключатель10, катушки индуктивности 11, 12 выходной контакт катушки индуктивности 11 соединен с переменным резистором 13 и установленным параллельно ему переменным конденсатором 14. Резистор 13 и конденсатор 14 соединены с базой полупроводникового транзистора 15. Катушка индуктивности 12 соединена с коллектором полупроводникового транзистора 15, выход эмиттера транзистора 15 замкнут в цепь с минусовым проводом 7.

Повышающая катушка индуктивности 16, связанная магнитопроводом с катушками 11 и 12, соединена с диодным мостом 17. Выходные значения электрической мощности диодного моста 17 сглаживаются электролитическим конденсатором 18. На выходе получаем постоянное повышенное напряжение для питания электроприборов.

Настройка переменного конденсатора 14 обеспечивает преобразование низковольтной электрической энергии в высоковольтную.

Биореактор для получения электрической энергии работает следующим образом.

В качестве биожидкости 8, заливаемой в биореактор, можно использовать жидкие фракции отходов, таких как: навоз, сельскохозяйственные отходы растениеводства, пищевые отходы, продукты жизнедеятельности человека, сточные воды, ил пресноводных и морских водоносных слоев и другие биоразлагаемые материалы. В биоматериал при необходимости добавляют воду.

В корпус анодной камеры 1 заливают жидкую фракцию биожидкости 8, для более высокой эффективности работы, в качестве катализатора вносят электролит для уменьшения межэлектродного сопротивления. Количество электролита должно обеспечить зону комфортности развития микроорганизмов, т.е. максимальное количество вносимого электролита не должно угнетать микроорганизмы и сохранять их жизнеспособность. Могут быть применены и специально выведенные микроорганизмы устойчивые к более высокому содержанию, например кислотного раствора, тем самым повышая эффективность энергоотдачи электрической мощности биореактором.

Поляризация и возникновение электродвижущей силы между электродами 3 и 4 осуществляется за счет разности окислительно-восстановительных потенциалов сред, в которых они распложены. Если положительный потенциал катода 4 связан преимущественно с физико-химическими процессами - катодными полу-реакциями взаимодействия кислорода, протонов и электронов с образованием воды, то реакции на аноде 3 прямо связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов. Снижение потенциала анода 3 происходит в результате деятельности бактерий, осуществляющих анаэробное разложение органических веществ.

Для увеличения напряжения биореакторы можно соединить последовательно в группы с дальнейшим использованием постоянного напряжения. Для этого к электродам 3 и 4 анодно-катодной пары подсоединяют повышающий генератор импульсов. Повышение разницы потенциала производится катушкой 16. При увеличении количества витков на трансформаторе, соответственно повышается и напряжение. Для более эффективной работы генератора предусмотрен подстроичный переменный конденсатор 14. Подстройка его проводится во время работы генератора. Генератор повышает напряжение до уровня необходимого для потребителя.

При истощении биожидкости 8 необходимо ее заменить. Процесс повторяется.

Отработанную биожидкость после отлежки и обеззараживания можно использовать в качестве удобрений.

Изобретение может использоваться, например, в фермерских хозяйствах, животноводческих и птицеводческих комплексах для частичного самообеспечения внутренних нужд или аварийного питания.

Использование биореактора позволит получить экологически чистую электроэнергию с низкой себестоимостью, повысить мощность биореактора, эксплуатационный срок службы электродов и надежность токоведущих частей.