生物电化学制氢装置及利用该装置制取氢气的方法

专利名称：生物电化学制氢装置及利用该装置制取氢气的方法
技术领域：
本发明涉及制氢领域，尤其涉及一种生物电化学制氢装置及利用所述制氢装置制取氢气的方法。
背景技术：
由于化石能源的日益枯竭，寻找清洁的替代能源已经成为社会发展的迫切
需求。氢气作为最具发展潜力的新能源受到了广泛关注。目前，全世界大约96%的氢气来自化石燃料，如天然气制氢、水煤气转化制氢、太阳能制氢等，其余的氩气大多来自于水电解制氢。
随着制氢工艺的发展，生物发酵制氢也得到了人们的关注。以葡萄糖作为生物制氢原料为例进行生物发酵制氢的反应方程式如式(1)和式(2)所示C6H1206 + 2H20-^ 4H2 + 2C02 + 2C2H402 ( i )
C6H1206-^ 2H2 + 2C02 + C4H802 ( 2 )
通过式(1)和式(2)可以看出，如果产物中只有乙酸，lmol葡萄糖可以制取4mol氬气，如果产物中只有丁酸，lmol葡萄糖可以制取2mol氢气。目前的发酵技术可以使lmol葡萄糖制取2 3mol氢气。
由于生物发酵制氢技术中，大部分有机物质不能彻底转化为氢气，以乙酸或丁酸的形式浪费掉，使得生物发酵制氢技术的产率较低。虽然在生物发酵制氪的技术中可以通过光合作用或纯酶来提高产率，但是这些方法实现成本较高，工业化较难。
现有技术中还提出了另 一种制氢方法一一生物电化学制氢技术，生物电化学制氢技术不仅能利用生物制氢的原料(如污水、葡萄糖等)进行生物发酵制氢，还可以进一步利用生物发酵制氢后的发酵产物制氢。以式(1)的发酵产物乙酸为例，通过反应方程式式(3)和式(4)，生物 电化学制氬技术可以进一步利用发酵产物制氢。
阳极.C2H402 + 2H20 -2C02 + 8e- + 8H+ 。)
阴极8H+ + 8e-^^4H2 (4)
通过反应方程式(1)、 (3)和(4)可以看出，以葡萄糖为制氢原料，利 用乙酸型发酵制氢的方法中，lmol葡萄糖可以制取2 3mo1氢气，进一步地， 利用生物电化学制氢技术，可以从lmol发酵产物乙酸中获取3mol氢气，则整 个过程生物电化学制氢可以使用lmol葡萄糖获取8~9mol氢气，与传统生物发 酵制氢技术相比，产率成倍提高。
在生物电化学制氢技术中，阳极附近微生物氧化有机底物生成二氧化碳、 质子和电子，电子被亲阳极细菌转移到阳极，被阳极接受后通过导线转移到阴 极，质子透过质子交换膜从阳极室扩散到阴极室。阴极反应室是密闭的，保持 无氧环境，利用外电源在微生物燃料电池电路中增强阴极的电势， 一方面提供 部分细菌生长所需的能量，另一方面提供电子给阴极。而在阴极质子在阴极直 接被用作电子受体，产生氢气。
但是，质子交换膜会干扰阳极室微生物新陈代谢期间产生的质子的平稳转 移，使阳极室产生的大量质子无法及时转移到阴极室，使得阳极室内pH值较 低，而在阴极室内由于质子不能及时补充，阴极室内pH值较高，降低了产生 氢气的效率；另外，由于质子交换膜的存在，使得生物电化学制氢技术的生产 成本较高，限制了其在制氢领域的应用。

发明内容
本发明实施例提供一种生物电化学制氢装置及利用所述制氢装置制取氢 气的方法，大大降低了制氢成本，提高了产氢效率。
一种生物电化学制氢装置，所述生物电化学制氢装置包括反应器、阳极、 阴极、第一气体出口和外接电源，其中所述第一气体出口位于反应器顶端；
所述阳极和阴极置于反应器中；
只有 一个腔体的所述反应器中装入用于制氢的反应液；
阳极通过导线与外接电源的正极相连，阴极通过导线与外接电源的负极相连。
一种利用所述的生物电化学制氢装置制取氢气的方法，所述方法包括以下 步骤
将用于制氢的反应液导入反应器中；
利用外接电源在阳极和阴极之间施加电压；
所述阳极周围产生电子和质子，所述电子通过导线转移至阴极，所述质子 转移至阴极；
在阴极上的电子和质子产生氢气并通过第一气体出口导出。
本发明实施例提供的生物电化学制氢装置以及制氢方法，取消了质子交换
膜，通过在一个相通的反应器中放置阳极和阴极实现质子的快速稳定转移，降
低了氬气制备成本，提高了氢气制备效率。


图1 (a)为本发明实施例一中生物电化学制氢装置1的纵向剖面图； 图1 (b)为利用生物电化学制氢装置1制取氢气的方法步骤示意图； 图2 (a)和图2 (b)为本发明实施例二中生物电化学制氢装置2的纵向
剖面图和横向剖面图3 (a)和图3 (b)为本发明实施例三中生物电化学制氢装置3的纵向
剖面图和横向剖面图4 (a)和图4 (b)为本发明实施例四中生物电化学制氢装置4的立体
图和横向剖面图5为本发明实施例五中生物电化学制氢装置5的纵向剖面图；图6为本发明实施例六中生物电化学制氢装置6的纵向剖面图； 图7 (a)和图7 (b)为本发明实施例七中生物电化学制氢装置7的立体 图和纵向剖面图8 (a)和8 (b)为本发明实施例八中生物电化学制氢装置8的立体图 和^^人向剖面图9 (a)和图9 (b)为本发明实施例九中生物电化学制氢装置9的立体 图和纵向剖面图IO为本发明实施例十中阴极腔的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合说明书附图对本发明各实施例进行详细描述。 实施例一
如图1 (a)所示，为本发明实施例一中生物电化学制氢装置1的纵向剖面 图，从图中可以看出，该生物电化学制氢装置1包括反应器11、阳极12、 阴极13、气体出口 14和外接电源15。
生物电化学制氢装置1内各部分的连接关系为
气体出口 14位于反应器11的顶部；阳极12和阴极13置于反应器中11; 只有一个腔体的反应器11中装入用于制氢的反应液，且反应器中液体相通； 阳极12通过导线与外接电源的正极相连，阴极13通过导线与外接电源的负极相连。
在本实施例一中，为了使阳极和阴极充分工作，可以使阳极12的顶部和 阴极13的顶部都在反应液液面以下。
在本发明实施例一和后续各实施例中涉及的阳极形状为片状、格状、球状 或扇状等，阳极可以为密实堆积的实体，也可以为镂空堆积的实体。阳极的电 极材料为碳毡、碳纸、碳布或石墨，在阳极负载的催化剂为产电电菌。阴极的 形状为片状、格状、球状或扇状等，类似地，阴极可以为密实堆积的实体，也可以为镂空堆积的实体。阴极的电极材料为碳趙、碳纸、碳布或石墨，在阴极
负载的催化剂为C-Pt、镍、纳米MoS2、雷内镍或Pt与Cu、 Ni、 Co的合金等。 本发明各实施例中涉及的反应液是指用于制氢的原料，可以是污水和菌液 的混合液体，也可以是葡萄糖和菌液的混合液体，本发明也不限于其他用于制 氢的原料。所述菌液中可以包含腐败希瓦氏菌、泥细菌、红螺菌、气单胞菌、 梭菌中的一种或多种，所述污水可以是指有机污水。如果反应液是污水和菌液 的混合液体，则菌液与污水的体积比的取值范围为1:100 60:100。
本发明各实施例中涉及的外接电源能够提供的电源电压范围是250mV ~ 1200mV。
在本发明各实施例中涉及的阳极中，每个阳极的形状和表面积可以相同也 可以不同，同样地，阴极的形状和表面积可以相同也可以不同，阳极的表面积 之和与阴极的表面积之和的比值范围为1:5 50:1。
在本发明实施例一的方案中，可以将反应器11液面以下的部分看作两类 腔室阳极室和阴极室，阳极室中放置阳极12，阴极室中放置阴极13。
利用实施例一中生物电化学制氢装置1制取氢气的方法步骤示意图如图1 (b)所示，该制取氢气的方法包括以下步骤
步骤101:将用于制氢的反应液置于反应器11中。
在本实施例中，菌液与污水的体积比可以进一步设置为5:100-50:100。
步骤102:外接电源15向阳极12和阴极13提供电源。
外接电源15—方面可以给阳极12提供阳极周围细菌生长的部分能量，并 通过导线将阳极12周围产生的负电子转移到阴极13,另一方面还可以向阴极 13提供负电子，外接电源15提供的负电子和从阳极12转移至阴极13的负电 子都用于产生氢气。
步骤103:阳极12周围产生质子和负电子，所述负电子由外接电源15的 导线转移至阴极13,所述质子转移至阴极13。
由于本发明实施例一中的生物电化学制氢装置1中没有质子交换膜，在相通的液体中，质子可以容易地由阳极12周围转移到阴极13，反应器ll中反应 液的pH值保持恒定，pH值的范围在6 8。
步骤104:在阴极13的催化剂的作用下，质子和负电子结合产生氬气，并 将产生的氢气通过气体出口 14导出。
由于在步骤103中，阳极12周围除了产生质子和负电子以外，还产生副 产气体，因此，所述副产气体也通过气体出口 14导出。
所述副产气体可以是C02，也可以是CH4，还可以是C02和CH4的混合气 体，本发明实施例也不限于其他非氢气的副产气体。
随着运行时间的延长，步骤103和步骤104的不断执行，产氢量会逐渐稳 定，外接电源15提供的电压在500mV ~ 1000mV时，获得氢气的纯度为80% ~ 92%;产氢速率为每天每立方米反应器产氢气0.4-1.3立方米(0.4 ~ lJmM-i'm-3),耗电量为每天每立方米反应器耗电1.5-2.5千瓦时(1.5 ~ 2.5kW'h,d".m-3), COD( Chemical Oxygen Demand,化学需氧量)去除率为80% ~ 98%。
本发明实施例一中的阳极12和阴极13的个数可以不同，位置关系也不固 定。例如可以是阳极的个数为一个，阴极的个数为多个；也可以是阳极的个数 为多个，阴极的个数为一个，下面分别通过实施例二和实施例三来说明。
在利用本发明实施例一中的生物电化学制氢装置1制取氢气时，由于不使 用质子交换膜，阳极周围产生的质子可以平稳地转移到阴极，保持反应器中的 pH值恒定，提高氢气的产率；同时，本实施例中使用的反应液可以是污水与 菌液的混合液，因此，可以连续处理污水，使废弃的污水得到很好的利用，降 低了污水处理成本。
实施例二
本发明实施例二还提供一种生物电化学制氢装置2,是生物电化学制氢装 置1的特例，如图2 (a)和2 (b)所示，分别是生物电化学制氢装置2的纵 向剖面图和横向剖面图。生物电化学制氢装置2包含的部件与生物电化学制氢装置1包含的部件大 致相同，主要包括反应器21、 一个阳极22、多个阴极23、气体出口24和外 接电源25,在本发明实施例二的生物电化学制氬装置2中，假设反应器21的 容器形状为体积为25L的正方体，阴极23的个数为4个。本实施例二中的生 物电化学制氢装置2也不限于其他数量的阴极23，反应器21的体积和容器形 状也不限于是25L的正方体。
外接电源25的正极通过导线与阳极22相连，外接电源25的负极通过导 线分别与4个阴极23相连。阳极22与阴极23的位置关系为阳极22周围分 布4个阴极23。阳极22产生的负电子通过导线转移给各阴极23,阳极22产 生的质子转移至各阴极23,在阴极23的催化剂的作用下，质子和负电子结合 产生氢气。
在本实施例中，反应器21顶部的气体出口 24可以为一个也可以为多个。 在本实施例图2(a)和2 (b)所示的生物电化学制氢装置2中，4个阴极
23放置在反应器21的东南西北四面，阳极22放置在4个阴极23的中间，本
实施例二也不限于其他阴极与阳极的位置关系。 实施例三
本发明实施例三中的生物电化学制氢装置3是一个阴极多个阳极的情况， 也是生物电化学制氢装置1的特例。如图3 (a)和3 (b)所示，分别是生物 电化学制氢装置3的纵向剖面图和横向剖面图。
生物电化学制氬装置3包括反应器31、多个阳极32、 一个阴极33、气 体出口 34和外接电源35。由于在本发明实施例三的生物电化学制氬装置3中， 反应器21的容器形状与实施例二相同，都为25L的正方体，因此设定阳极32 的个数为4个。本实施例三中的生物电化学制氢装置3也不限于其他数量的阳 极32，反应器31的体积和容器形状也不限于是25L的正方体。
外接电源35的正^l通过导线分别与4个阳极32相连，外接电源35的负 极通过导线阴极33相连。阴极33周围分布4个阳极32,阴极33分别与每个阳极32配合工作以产 生氢气，即每个阳极32产生的负电子都通过导线转移给阴极33,每个阳极32 产生的质子都转移至阴极33。
在本实施例中，反应器31顶部的气体出口 34可以为一个也可以为多个。
在本实施例图3 (a)和3 (b)所示的生物电化学制氯装置3中，是以4 个阳极32放置反应器31的东南西北四面，阴极33放置在4个阳极32的中间， 本实施例三也不限于其他阴极与阳极的位置关系。
为进一步提高产氢效率，可以在实施例一的基础上，将多个生物电化学制 氢装置l组合在一起，构成新的生物电化学制氢装置，即在新的生物电化学制 氢装置中设置多个阳极和多个阴极。由于生物电化学制氢装置1的组合方式不 同，新的生物电化学制氢装置也不同，下面通过实施例四和实施例五分别描述。
实施例四
如图4 (a)和图4 (b)所示，分别为本发明实施例四中生物电化学制氢 装置4的立体图和横向剖面图。
生物电化学制氢装置4包括反应器41、多个阳极42、多个阴极43、气 体出口 44和外接电源45,阳极42的个数与阴极43的个数可以相同也可以不 同。
多个阳极42和多个阴极43都放置在一个反应器41中，并且阳极42和阴 极43交替放置。阳极42的数量取值范围为3 ~ 100，阴极43的数量取值范围 也可以为3~100。外接电源45的正极通过导线与各个阳极42相连，外接电源 45的负极通过导线与各个负极43相连，在反应器41的顶部开口设置多个气体 出口 44。
下面通过一个具体的实例来说明实施例四的生物电化学制氢装置4。 反应器41是圆柱形容器，其横截面直径为30cm,高为45cm,阳才及42的 上边缘低于反应器41的顶端2 ~ 10cm,阴极43的上边缘低于阳极42的上边 缘2 ~ 10cm，阳极42的表面积之和与阴极43的表面积之和相同。利用生物电化学制氢装置4制^^氢气的过程与利用生物电化学制氢装置1
制取氢气的过程类似，只不过是多个阳极42和多个阴极43同时工作，当外接 电源45提供的电源为400mV ~ 800mV时，获得氢气的纯度为85% ~ 90%;产 氬速率为0.4~ 1.2m3.d-1.m-3。如果起始的COD为2500mg. L", COD去除率为 87.2%。
在图4 (a)和图4 (b)所示的生物电化学制氢装置4中，是以阳极42和 阴极43交替排列构成与反应器41相类似的圆形为例表示的，本发明也不限于 其他排列方式，只要能够保证相邻的阳极42和阴极43之间的距离小于10cm 即可。进一步地，相邻的阳极42和阴极43之间的距离小于5cm。
实施例五
实施例四的方案是将多个生物电化学制氢装置1的内部导通后组合在一起 的情况，而本发明实施例五是将多个独立的生物电化学制氢装置1组合在一起 成为生物电化学制氢装置5。如图5所示，为本发明实施例五中生物电化学制 氬装置5的纵向剖面图，在本实施例中，阴极和阳极的位置关系是上下排列， 可以是阴极在上、阳极在下的排列关系。
生物电化学制氢装置5包括反应器51、阳极52、阴极53、气体出口 54、 外接电源55、反应液入口 56和反应液出口 57。
反应器51的数量不止一个，每一个反应器51中都放置了一个阳极52和 一个阴极53,外接电源55分别与每一个阳极52和每一个阴极53通过导线相 连。外接电源55加压后， 一个反应器51中的阳极52和阴极53周围产生的气 体通过气体出口 54导出，同时该反应器51的反应液通过反应液出口 57流向 下一个反应器51的反应液入口 56。
生物电化学制氬装置5还可以包括液体处理部件，在反应液通过反应液入 口 56进入反应器51之前，去除反应液中的氧气，并使反应液流入所述反应器 51。
液体处理部件可以包括厌氧储液槽和蠕动泵，厌氧储液槽对反应液通氮气去除氧气，然后由蠕动泵加压使反应液流入反应器51中。另外，可以在每 个反应器51的底部设置一个液体均匀分布器，4吏反应液能够均匀地流入反应 器51中，并在反应器51中均匀流过。
本发明其他实施例中。
下面通过一个具体的实例来说明实施例五的生物电化学制氢装置5。
假设生物电化学制氢装置5中的单个反应器51为圓柱形容器，其外径为 80cm,高度为120cm。当外接电源55提供的电源为400mV ~ 800mV时，获得 氢气的纯度为85%~90%;产氢速率为0.4- 1.3m3.d-1.m-3。如果起始的COD为 2500mg. L"，则COD去除率为880/0。
本发明实施例四和实施例五是将多个生物电化学制氢装置1组合在一起， 进一步地，也不限于将多个生物电化学制氢装置2组合在一起的方案，或是将 多个生物电化学制氢装置3组合在一起的方案。
利用本发明实施例二、三、四和五中的生物电化学制氢装置制取氢气的方 法与利用实施例一中生物电化学制氢装置1制取氢气的方法相同。
在本发明实施例一至实施例五的方案中，通过气体出口获得的气体是氢气 与副产气体的混合气体。为了能够直接获得纯度较高的氢气，可以在生物电化 学制氢装置的反应器中设置挡板，用于将阳极周围产生的副产气体和阴极上产 生的氢气隔离开，同时，在反应器中设置至少两个气体出口， 一个气体出口用 于导出氬气，另一个气体出口用于导出副产气体。
实施例六
本发明实施例六提供的生物电化学制氢装置6是在实施例 一 的基础上增加 一个用于将阳极周围产生的副产气体和阴极周围产生的氢气隔离的挡板，如图 6所示，为本发明实施例六中生物电化学制氢装置6的纵向剖面图。
生物电化学制氢装置6包括反应器61、阳极62、阴极63、挡板64、第 一气体出口65、第二气体出口 66和外接电源67,进一步地，生物电化学制氢装置6还可以包括氢气收集设备。
生物电化学制氢装置6中各部分的连接关系为
阳极62和阴极63置于反应器61中，且阳极62的顶部和阴极63的顶部 在反应液的液面之下；阳极62通过导线与外接电源67正极相连，阴极63通 过导线与外接电源67的负极相连；在反应器61液面以上的空间设置挡板64， 用于将反应器61内液面以上的空间分隔为两部分，挡板64可以深入反应器液 面以下0.5cm 4cm,挡板64底部以下的液面完全相通。进一步地，阴极63位 于挡板64将液面以上的空间分隔为两部分中的第一部分空间正下方，阳极62 位于第二部分空间正下方；在第一部分空间顶部开口作为第一气体出口 65,在 第二部分空间顶部开口作为第二气体出口 66。由于阴极上产生氢气，因此，氢 气收集设备从第一气体出口 66收集到的气体就是需要的氢气。
在本发明实施例六中，可以设置挡板64的形状为片状，JU丈置形式如图6 所示，为纵向放置，垂直将反应器液面61以上的空间分隔为两部分。这里的 "垂直"不完全是几何学中垂直，还包括以一定角度倾斜放置的情况。
利用生物电化学制氢装置6制取氢气的方法与实施例一中利用生物电化学 制氢装置1制取氢气的方法类似，所不同的是，利用生物电化学制氢装置6制 取氢气的过程中，阴极63上产生的氢气通过第一气体出口 65导出，获得的氢 气纯度为卯％~96%,阳极周围产生的副产气体通过第二气体出口 66导出。 而利用生物电化学制氢装置1制取氢气的过程中，从气体出口 14导出的气体 是氢气和副产气体的混合气体。
实施例七
本发明实施例七的生物电化学制氢装置7是对本发明实施例二中的生物电 化学制氢装置2的进一步改进，通过设置挡板直接获得产生的氢气。如图7(a) 和图7(b)所示，是生物电化学制氢装置7的立体图和纵向剖面图。生物电化 学制氢装置7包括反应器71、阳极72、阴极73、挡板74、第一气体出口 75、 第二气体出口 76和外接电源77。在反应器71液面以上的区域设置挡板74,该挡板74的形状与实施例六中 的挡板64不完全相同，挡板74可以由4个片状挡板组成，4个片状挡板首尾 相连(环形结构)，将反应器71液面以上的区域分隔为两个部分，其中4个 阴极73位于第一部分空间正下方，阳极72位于第二部分空间正下方，并且4 个阴极73分别位于阳极72的周围；4个第一气体出口 75位于第一部分空间的 正上方，第二气体出口 76位于第二部分空间的正上方，通过第一气体出口75 导出的气体为氢气。
实施例八
本发明实施例八的生物电化学制氢装置8是对本发明实施例三中的生物电 化学制氢装置3的进一步改进，如图8 (a)和8 (b)所示，分别是生物电化 学制氢装置8的立体图和纵向剖面图。生物电化学制氢装置8包括反应器81、 阳极82、阴极83、挡板84、第一气体出口 85、第二气体出口 86和外接电源 87。
与实施例七类似地，在实施例八的反应器81液面以上的区域设置挡板84， 该挡板84的形状与实施例七中的挡板74相同，挡板84将反应器81液面以上 的区域分隔为两个部分，其中阴极83位于第一部分空间正下方，4个阳极 82分别位于第二部分空间正下方，并且阴极83周围放置了 4个阳极82;第一 气体出口 85位于第一部分空间的正上方，第二气体出口 86位于第二部分空间 的正上方，通过第一气体出口 86导出的气体为氢气。
实施例九
本发明实施例九的生物电化学制氢装置9是对本发明实施例四中的生物电 化学制氢装置4的进一 步改进，通过挡板将反应器中液面以上的空间分隔为两 部分，分别导出产生的氢气和副产气体。如图9 (a)和图9 (b)所示，分别 为本发明实施例九中生物电化学制氢装置9的立体图和纵向剖面图。
生物电化学制氢装置9包括反应器91、阳极92、阴极93、挡板94、第 一气体出口 95、第二气体出口 96、外4^电源97、反应液入口 98和反应液出口99。
反应液入口 98和反应液出口 99分别位于反应器91的两端，反应液入口 98的作用是作为向反应器91注入反应液的通道，反应液出口 99的作用是排出 反应后的反应液。
挡板94包含多个片状挡板，分别将反应器91中液面以上的空间分隔为多 个部分，每个部分正下方放置一个阳极92或阴极93。正下方放置阳极92的部 分，在其正上方设置一个第一气体出口 95，正下方放置阴极93的部分，在其 正上方设置一个第二气体出口 96，因此，第二气体出口 96导出的气体为氬气， 氢气纯度为93%左右。
除了实施例二、三、四、七、八和九中所涉及的阳极与阴极的位置关系之 外，本发明实施例十还提出一种生物电化学制氢装置10，在生物电化学制氢装 置10中，在阳极内设置一个插槽，将阴极插入阳极的所述插槽中(即阴极插 入阳极内)，并且阴极的顶部高于阳极的顶部，外接电源的正极通过导线与阳 极相连，外接电源的负极通过导线与阴极相连。
在实施例十的生物电化学制氢装置10中，为了使阳极与插入的阴极之间 保持一定的距离，又避免阳极与阴极的距离过大(如大于10cm),本发明实施 例十提出了一种阴极腔，如图IO所示，该阴极腔具有底面101、支撑架102， 进一步地，该阴极腔还可以包含挡板103和气体出口 104。
将阴极放置在阴极腔的底面101上，然后将包含阴极的所述阴极腔插入阳 极的插槽中。由于阴极腔具有底面101和支撑架102，因此，阳极和阴极不相 接触，同时由于图10中面积较大的侧面为空，因此，阳极周围的液体和阴极 周围的液体可以相通。在阴极上产生的氬气由于有挡板103隔离，因此，氢气 可以通过气体出口 104导出，而阳极周围产生的副产气体可以通过设置的其他 气体出口导出。
利用本发明实施例提供的生物电化学制氢装置制取氢气时，可以降低氢气 制取成本、提高氢气制取效率；由于对产生的氢气和副产气体进行隔离，可以直接获得纯度较高的氢气，且氢气产量稳定；并且，由于制取氢气使用的反应 液为污水与菌液的混合气体，可以在制取氢气的同时处理污水，降低污水处理成本。
明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1、一种生物电化学制氢装置，其特征在于，所述生物电化学制氢装置包括反应器、阳极、阴极、第一气体出口和外接电源，其中所述第一气体出口位于反应器的顶端；所述阳极和阴极置于反应器中；只有一个腔体的所述反应器中装入用于制氢的反应液；阳极通过导线与外接电源的正极相连，阴极通过导线与外接电源的负极相连。
2、 如权利要求1所述的生物电化学制氢装置，其特征在于，所述生物电 化学制氢装置还包括挡板和第二气体出口 ；所述挡板用于将阳极周围产生的副产气体和阴极周围产生的氢气隔离； 所述第一气体出口用于导出阴极上产生的氢气，所述第二气体出口用于导 出阳极周围产生的副产气体。
3、 如权利要求2所述的生物电化学制氬装置，其特征在于， 所述挡板用于将反应器液面以上的空间分隔为两部分，并且挡板深入反应器液面以下0.5cm 4cm,挡板底部以下的液面相通。
4、 如权利要求1所述的生物电化学制氬装置，其特征在于， 所述阳极的顶部和阴极的顶部在反应液的液面以下。
5、 如权利要求l-4任一所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述阳极周围分布多个阴极，外接电源的正极通过导线与阳极相连，外接电源的负极通过导线与各阴极相连；或者，所述阴极周围分布多个阳极，外接电源的正极通过导线与各阳极相连，外 接电源的负极通过导线与阴极相连。
6、 如权利要求l-4任一所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述阳极的和阴极的为多个，以及阳极和阴极交替放置，外接电源的正极通过导线与各阳极相连，外接电源的负极通过导线与各阴极相连。
7、 如权利要求l-4任一所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述阳极设置一个插槽，所述阴极插入阳极的所述插槽中，并且阴极的顶部高于阳极的顶部；以及所述外接电源的正极通过导线与阳极相连，外接电源的负极通过导线与阴 极相连。
8、 如权利要求7所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述阴极位于阴极腔中，包含阴极的所述阴极腔插入阳极的所述插槽中；所述阴极腔用于使阴极和阳极不相接触，并且阳极周围的液体和阴极周围的液 体相通。
9、 如权利要求1或8所述的生物电化学制氩装置，其特征在于， 所述阴极和阳极间的距离小于10cm。
10、 如权利要求7所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述阴极顶部高出阳极顶部的范围为0 6cm。
11、 如权利要求1所述生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述反应液为污水和菌液的混合液体，或者，所述反应液为葡萄糖和菌液的混合液体。
12、 如权利要求ll所述生物电化学制氢装置，其特征在于， 所述菌液中包含腐败希瓦氏菌、泥细菌、红螺菌、气单胞菌、梭菌中的一种或多种。
13、 如权利要求11所述生物电化学制氢装置，其特征在于， 菌液与污水的体积比的范围为1:100~60:100。
14、 如权利要求1所述的生物电化学制氢装置，其特征在于，所述生物电 化学制氢装置还包括液体处理部件，用于去除反应液中的氧气，并将反应液通入所述反应器。
15、 如权利要求l所述的生物电化学制氢装置，其特征在于， 阳极的表面积之和与阴极的表面积之和的比值范围为1:5 50:1 。
16、 如权利要求1、 2、 3、 4、 8、 10、 11、 12、 13、 14或15所述的生物 电化学制氢装置，其特征在于，所述阳极的形状为片状、格状、球状或扇状，所述阳极为密实堆积的实体 或镂空堆积的实体；所述阴极的形状为片状、格状、球状或扇状，所述阴极为密实堆积的实体 或镂空堆积的实体。
17、 如权利要求1、 2、 3、 4、 8、 10、 11、 12、 13、 14或15所述的生物 电化学制氢装置，其特征在于，阳极的电极材料为碳毡、碳纸、碳布或石墨，阳极负载的催化剂为产电电菌；阴极的电极材料为碳趕、碳纸、碳布或石墨，阴极负载的催化剂为C-Pt、镍、纳米MoS2、雷内4臬或Pt与Cu、 Ni、 Co的合金。
18、 如权利要求1、 2、 3、 4、 8、 10、 11、 12、 13、 14或15所述的生物 电化学制氢装置，其特征在于，所述外接电源提供的电源电压范围是250mV ~ 1200mV。
19、 一种利用权利要求1所述的生物电化学制氢装置制取氬气的方法，其 特征在于，所述方法包括以下步骤将用于制氢的反应液导入反应器中；利用外接电源在阳极和阴极之间施加电压；所述阳极周围产生电子和质子，所述电子通过导线转移至阴极，所述质子 转移至阴极；在阴极上的电子和质子产生氢气并通过第一气体出口导出。
20、 如权利要求19所述的制取氢气的方法，其特征在于， 在生物电化学制氢装置中的挡板将反应器液面以上的空间分隔为两部分时，所述阴极周围的电子和质子产生氢气通过第一气体出口导出；所述阳极周围还产生副产气体，所述副产气体通过第二气体出口导出。
21、如权利要求19或20所述的制取氢气的方法，其特征在于，将用于制 氬的反应液导入反应器之前，所述制取氢气的方法还包括以下步骤所述液体处理部件去除反应液中的氧气，并将反应液通入所述反应器。
全文摘要
本发明公开了一种生物电化学制氢装置，所述生物电化学制氢装置包括反应器、阳极、阴极、第一气体出口和外接电源，其中在反应器顶端开口作为所述第一气体出口；所述阳极和阴极置于反应器中；所述反应器中装入用于制氢的反应液；阳极通过导线与外接电源的正极相连，阴极通过导线与外接电源的负极相连。通过本发明，大大降低了氢气制取成本，提高了产氢效率。本发明还公开了一种利用所述生物电化学制氢装置制取氢气的方法。
文档编号C25B1/02GK101476132SQ200910000430
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者伟 李, 王丽梅 申请人:新奥科技发展有限公司