用于产生能量的装置及其用途的制作方法

本发明涉及能量的领域。特别地，本发明涉及一种能够产生和/或存储能量的装置及其用途。

背景技术：

1、微生物降解生电的原理已经在不同的方法和技术方面得到了应用。所谓的土壤mfc(smfc)和植物mfc(pmfc)是最具吸引力的两种，因为土壤mfc(smfc)和植物mfc(pmfc)允许以低成本且不破坏环境的方式分别从大自然本身、土壤或植物中获取能量。然而，这些系统具有一些缺点。在自然环境中，已经表明pmfc可以相比于smfc产生更多的电力，因为植物提供了供生电型微生物产生能量的营养物质，从而创造了取之不尽的能源。相反，就smfc而言，有机物质的持续供应仍然是维持长期运行的挑战。然而，pmfc限于非便携式系统，并且该技术应适应于其将被使用的地方。因此，pmfc对于封闭式和便携式电力装置而言是没有用处的，因为根部的生长最终会向阳极提供氧气并导致电极损坏。

2、双层生物电池及其优点

3、本发明专注于双层生物电池。双层生物电池能够通过以天然土壤为供给源并利用植物来维持生态系统而不破坏生态系统来生电。

4、该装置包括自给式(self-containing)燃料电池架构，以用于电池从实验室到田间(field)的最佳转移。这个完整的解决方案包括盆状电池设计，其中，先前在实验室中选择的土壤被引入，并且在实验室和封闭装置中使用相同土壤的情况下被保持在最佳状态。

5、双层电池具有组装在单个装置中的两个独立的隔室。下部部分是由通过土壤隔开的阳极和阴极组成的生物电池。土壤还提供产生电流所需的有机物质和微生物。在阳极处，微生物以有机物质为食，从而产生质子和电子。在没有氧气的情况下，这些微生物将电子发送至阳极，而质子通过潮湿的土壤行进至阴极。此外，空气通过上部孔进入并到达阴极。反过来，电子通过电路从阳极到达氧气和质子并与氧气和质子发生反应，从而产生水并允许产生能量。上部部分包括在电池安装环境中自然生长的选定的一种或更多种植物。植物和电池连接成使得从土壤中浸出营养物和微生物的雨水和灌溉物被引导至电池，同时避免植物根部(如果存在)与阳极之间的接触。

6、对于封闭式和便携式电力装置而言，土壤供电电池具有几个问题，首先是与有机物质的持续供应以维持长期运行有关的问题。此外，电池性能取决于土壤的微生物和有机物质质量。

7、如所开发的双层电池是一种适用于产生和/或存储能量的装置，该装置与传统的土壤生物电池相比具有多项优势。如本文所公开的具有双隔室的装置允许获得清洁和无污染形式的能量。此外，该装置可以在地下工作，从而使得该装置免受温度突然变化和恶劣天气条件的影响。这可以避免能量产生的减少，并且因此，除了增加系统的耐久性之外，还允许更大的能量稳定性。双隔室保护该装置免受根部或土壤生物的侵蚀，植物根部(如果存在)与阳极之间的接触得以避免，并且双隔室的配置(上部隔室)允许附加的营养物和微生物供应。因此，防止了营养物的耗尽，从而作为能够持续产生能量的系统。此外，下部隔室配置成使得下部隔室允许更好地控制操作的可变性，从而实现更稳定和受控的能量产生。使用的土壤是预先在实验室中选择的，然后电池可以安装在保持生物电池处于最佳运行状态的任何环境或土壤类型中。因此，当在田间实施时，电池内部的条件完全复制了实验室的条件，从而确保了在任何环境条件下都具有最佳性能。该装置是一种即用型技术，该即用型技术可以在任何环境和地点使用，而无需使系统适应现有的土壤条件，同时避免了植物根部(如果存在)与阳极之间的接触。

8、生物电池与双层生物电池

9、源自生物电池的两种主要技术由于直接从大自然中获取能量而被优选地考虑用于田间应用，一种是仅使用土壤的技术，另一种是还使用植物的技术[1]。尽管这两种技术具有相当多的相似之处，但这两种技术在燃料供应方面存在差异。在仅使用土壤的技术中，用于微生物能量生产的有机物质直接来自土壤并且取决于土壤的初始成分，但是植物生物电池中的营养物供应是连续的，这是植物光合作用的结果[2]。

10、因此，植物延长了细菌和燃料电池的寿命[2]，但植物也将电力效率与影响植物新陈代谢的任何因素联系起来，这种因素例如为日照小时数、光合作用过程的效率或有机物质从植物到土壤的分配[1、2]。此外，植物根部中产生的氧气及氧气向阳极的输送会减小该过程的效率，从而减少可用电子的数量和阳极电势[2]。因此，不存在理想的生物电池，而是在电力供给方面各有优缺点。

11、此外，尽管在实验室中表现良好，但在实际环境条件下在田间实施时就会出现问题，田间的植物和土壤成分与实验室中使用的植物和土壤成分大不相同[3]。

12、为此，双层解决方案允许在利用这两种技术的同时克服缺点。

13、文件us 2017/077541 a1涉及一种使用土壤作为基质的具有阳极和阴极的微生物电池。相比之下，本发明是一种双层装置，该双层装置由于具有两个隔室而以稳定且有效的方式产生能量，该双层装置不仅仅是生物电池。图14和图20至图21示出了本发明的近似装置，但是这种近似装置并不相同并且均不允许本发明提供的优点。特别地，图14示出了具有以可拆卸的方式位于在顶部上的绿化基层的电池。然而，土壤与阴极电极紧密接触，并且氧气必须穿过整个土壤到达，从而对阴极反应造成非常重大的限制。此外，阴极电极被穿孔以允许水通过，从而导致电连接问题和内阻增加。图20至图21示出了嵌入在土壤层中的筒形微生物燃料电池。这种设计未示出特色的双层设计。容器的外层是具有隔绝层的材料。在本发明中，提供了第二隔室，第二隔室包含土壤和可以渗透发现生电细菌的隔室的水，从而允许有机物质的增加。此外，根据本发明，电池不使用掩埋该电池的土壤。本发明人提供了一种用于从实验室到田间的最佳转移的装置，其中，先前在实验室中选择的土壤被引入并且在用于环境应用的封闭装置中保持在最佳条件下。

14、此外，双层电池具有组装在单个装置中的两个独立的隔室。在下部部分中的是由通过土壤隔开的阳极和阴极组成的生物电池。上部部分包括在电池安装环境中自然生长的选定的一种或更多种植物。植物和电池连接成使得从土壤中浸出营养物和微生物的雨水和灌溉物被引导至电池，同时避免了植物根部(如果存在)与阳极之间的接触。在没有负责保护和处置有机物质的隔室的情况下，我们就不会拥有该隔室所带来的优势。因此，本发明涉及用于电池从实验室到田间的最佳转移的自给式燃料电池架构。这个完整的解决方案包括盆状电池设计，其中，先前在实验室中选择的土壤被引入，并且在实验室和封闭装置中使用相同土壤的情况下被保持在最佳状态。

15、因此，本发明人开发了一种适用于产生和/或存储能量的装置，该装置与已经公开的装置相比具有许多优点。如本文所公开的具有双隔室的装置允许获得清洁和无污染形式的能量。此外，该装置能够在地下工作，以使得该装置免受温度突然变化和恶劣天气条件的影响。这避免了能量产生的减少，并且因此，除了增加系统的耐用性之外，还允许更大的能量稳定性。双隔室保护该装置免受根部或土壤生物的侵蚀，从而避免植物根部(如果存在)与阳极之间的接触，并且双隔室的配置(上部隔室)允许附加的营养物和微生物供应。因此，防止了营养物的耗尽，从而作为能够持续产生能量的系统。此外，下部隔室配置成使得该下部隔室允许更好地控制操作的可变性，从而实现更稳定和受控的能量产生。该装置允许获得这样的即用型技术：该即用型技术可以在任何环境和地点使用，而无需使系统适应现有的土壤条件。

技术实现思路

1、在第一方面，本发明涉及如本文进一步详细限定的用于产生能量的装置。

2、在第二方面，本发明涉及使用如第一方面所限定的装置产生和/或存储能量的用途。