专利名称：电解协助发酵制氢实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生物质发酵制氢的装置。
背景技术：
发酵制氢基于厌氧消化过程，该制氢过程国外学者称之为微生物暗发酵制氢，并认为 是最有希望实现规模化生物制氢的技术之一 (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.)。 然而近几年的研究结果表明，发酵制氢的能源转化率通常不超过15 % (Turner, LA. Hydrogen biotechnology: Progress and prospects [J], Nature Biotechnol, 2004,14 (9): 1101-3)。其原因是受热力学因素的限制，大量的乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸不能 转化为氢气，导致氢转化率较低。为提高氢转化率，国内外学者开展了大量的研究工作， 氢转化率有所提高，但是仍然无法突破4molH2/mol葡萄糖的极限。另一方面，有机挥发酸 的积累，除导致氢转化率底外，又严重影响了发酵制氢的稳定性(李建昌等，发酵产氢面 临的问题及对策[J],可再生能源，2006, (4): 50-53)。有学者研究了在曱酸产氢体系中， 外源加入乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸对发酵产氢过程的抑制影响(Li, Jianchanget al. Anaerobic Fermentation for Hydrogen Production from 11 Organic Acids [J]， Scientific Research Monthly, 2008, 7 (5): 34-37， 43),表明酸性挥发性末端产物的 积累是导致发酵制氢不稳定的主要原因之一，并称之为发酵制氢代谢产物的反馈抑制影 响。
2005年Liu与Logan利用外加电解电源再借助微生物燃料电池的研究手段进行了乙酸 电解协助制氢实验，并获得成功，称之为"电解协助微生物制氢"(Liu, H. et al. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate [J]， Environ Sci Technol, 2005, 39 (11): 4317-20)。 鉴于上述是把电化学原理和微生物燃 料电池技术引入到发酵制氢中，在此称之为"电解协助发酵制氢"。该技术从根本上克服了 传统发酵制氢本身无法克服的热力学限制和代谢产物的反馈抑制，极大地提高发酵制氢的 能源转化率，有望实现生物质高效和稳定制氢。但用于试验手段的简易的实验装置尚未提 供。
发明内容
本实用新型的目的是提供取材方便、投资少、实验过程直观、适合于教学及试验应用 的电解协助发酵制氢实验装置。
为实现上述目的，本实用新型通过以下方式实现
该制氢装置由阳极室1、阴极室2、电化学工作站单元7以及气体收集单元组成，其 中阳极室l作为发酵室，阴极室2作为产氢室，阳极室1和阴极室2由有机玻璃制成， 在室的中间以隔板分离并通过全氟质子交换膜12贯通；投料及取样管9和气体出口 15通 过胶塞8伸入阳极室1和阴极室2内；电化学工作站单元7由电极导线向阳极室1和阴极 室2提供电解电源；气体收集单元按排水集气法原理分别收集阳极室1和阴极室2产生的 气体。
所述的在阳极室1和阴极室2分别配有Ag/AgCl参比电极10和14。所述的气体收集 单元由阳极气体收集单元16、 17和阴极气体收集单元4、 5组成，收集阳极室l和阴极室 2产生的气体。所述的阳极采用石墨电极ll，阴极采用铂片电极13。
本实用新型达到的原理是在电解协助下，借助产氢活性污泥中的产电微生物与阳极建立电极呼吸，彻底氧化有机底物并形成0)2、 H'和电子，然后把氧化过程中产生的电子通 过电子传递链传递到电极上产生电流，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长， 电子再经电子线路流到阴极；而质子则通#子膜扩散到阴极池，在阴极获得电子被还原 成氢气。
本实用新型利用实验室普通材料即可构建，取材方便，成本低，实验过程直观，实验 参数调整与反应效果便于记录调整，是一种可广泛应用于相关教学和试验实践的实验装置。
图l为制氢的基本装置，这一装置分为三个单元，即发酵单元、电化学工作站和气体 收集单元。图中有阳极室l、阴极室2、恒温控制系统3、阴极气体收集单元4、 5、三通管6、 电化学工作站7、胶塞8、投料及取样管9、 Ag/AgCl参比电极10和14、阳极石墨电极ll、全 氟质子交换膜12、阴极铂片电极13、气体出口15，阳极气体收集单元16、 17。
具体实施方式
如图1所示，发酵单元由作为发酵室的阳极室l，作为产氢室的阴极室2和恒温控制系 统3组成，其中阳极室1和阴极室2分别由有机玻璃制成，容积分别为500ml，中间以隔板分 离并通过全氟质子交换膜(GEFC-107)12贯通。阳极采用石墨电极ll,阴极采用3x3mm铂片 电极13，同时分别配有3x3mm的Ag/AgCl参比电极10和14。阳极室和阴极室的顶部分别配有 胶塞8,胶塞8上有投料及取样管9，还有气体出口15,投料及取样管9和气体出口15通过胶 塞8伸入阳极室1和阴极室2内。电化学工作站单元7通过电极导线提供电解电源，同时记录 电解电压、电流或电流密度、电极电势和时间等电化学参数。气体收集单元分别由阳极气 体收集单元16、 17和阴极气体收集单元4、 5组成，按排水集气法原理分别收集阳极室l和 阴极室2制氢产生的气体。在收集单元中集气瓶为4、 17、量筒为5、 16。
利用该装置制氢可直观便捷地进行电解协助制氢提高能源转化率的试验。试验结果表 明以乙酸为底物，电解库伦效率为60 - 80%，而电子转化为氢气的回收率为80 - 90%, 相当于乙酸的产氢效率为2. 5-3. OmolH2/乙酸，每立方米氢气的能耗相当于O. 5 - 0. 8kwh, 这一结果远远低于电解水制氢的能耗4. 5-5kwh。以葡萄糖为底物，电解协助产生的氢气加 上发酵细菌产生的氢气，产氢效率可达8-10mo1 H2/mol葡萄糖，远远突破了传统发酵制氢 的理论极限值4molH2/mol葡萄糖。
权利要求1、电解协助发酵制氢实验装置，其特征在于该制氢装置由阳极室(1)、阴极室(2)、电化学工作站单元(7)以及气体收集单元组成，其中阳极室(1)作为发酵室，阴极室(2)作为产氢室，阳极室(1)和阴极室(2)由有机玻璃制成，在室的中间以隔板分离并通过全氟质子交换膜(12)贯通；投料及取样管(9)和气体出口(15)通过胶塞(8)伸入阳极室(1)和阴极室(2)内；电化学工作站单元(7)由电极导线向阳极室(1)和阴极室(2)提供电解电源；气体收集单元按排水集气法原理分别收集阳极室(1)和阴极室(2)产生的气体。
2、 根据权利要求1所迷的电解协助发酵制氢实验装置，其特征在于在阳极室(1)和 阴极室(2)分别配有Ag/AgCl参比电极(10)和(14 )。
3、 根据权利要求1或2所述的电解协助发酵制氢实验装置，其特征在于气体收集单 元由阳极气体收集单元(16)、 (17)和阴极气体收集单元(4)、 (5)组成，收集阳极室(1)和阴极室(2)产生的气体。
4、 根据权利要求1或2所迷的电解协助发酵制氢实验装置，其特征在于阳极采用石 墨电极(11 )，阴极采用钿片电极(13 )
专利摘要电解协助发酵制氢实验装置，属于生物质发酵制氢的装置。本实用新型以阳极室为发酵室，阴极室为产氢室，室的中间以隔板分离并由全氟质子交换膜贯通；电化学工作站单元由电极导线向阳极室和阴极室提供电解电源；气体收集单元按排水集气法原理分别收集阳极室和阴极室产生的气体。本装置取材方便，成本低，实验过程直观，参数调整及反应效果便于调整记录，可广泛应用于相关教学和实验。
文档编号C12M1/107GK201416000SQ2008202289
公开日2010年3月3日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者张无敌, 李建昌 申请人:云南师范大学