一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统技术方案

本申请涉及一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制第一电容组处于充电状态且第二电容组处于放电状态，或第一电容组处于放电状态且第二电容处于充电状态。初始状态下，微生物燃料电池组给第一电容组充电，第二电容组对外部负载放电，等待预设切换时间，状态切换模块控制微生物燃料电池组给第二电容组充电，第一电容组对外部负载放电，整个系统采用交替运行模式实现同一时刻两组分别处于充电和放电状态，有效消除电压反转，实现功率稳定输出。实现功率稳定输出。实现功率稳定输出。

【技术实现步骤摘要】
一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统


[0001]本申请涉及生物电化学
，特别是涉及一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统。

技术介绍

[0002]微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会，例如可以采用尿液作为主要原料之一。
[0003]另一方面，相关研究表明，尿液以占1％的城市污水体积贡献了城市污水进水总氮的80％以上，对尿液源分离及有效处理利用，不仅减轻城市污水厂处理负担，而且可节约用水资源。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)在产电微生物的作用下，可同时实现对污染物的去除及能量回收过程，但单个MFC输出电压和功率较低，限制了其直接应用的可能性。
[0004]MFC的堆叠是微生物燃料电池扩大化的重要方式，通过多个MFC的组合实现处理能力和输出功率的扩大。在MFC的组合方式中，常规直接串联或并联多个微生物燃料电池的方式均存在缺陷，其无法提供稳定的功率。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提供稳定功率的以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统。
[0006]一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，所述第一电容组以及所述第二电容组分别通过所述状态切换模块与所述微生物燃料电池组连接，所述第一电容组以及所述第二电容组分别与外部负载连接；
[0007]所述状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制所述第一电容组处于充电状态且所述第二电容组处于放电状态，或所述第一电容组处于放电状态且所述第二电容处于充电状态。
[0008]在其中一个实施例中，所述第一电容组以及所述第二电容组分别包括多个电容；所述状态切换模块用于控制所述第一电容组中电容以及所述第二电容组中电容并联充电、且串联放电。
[0009]在其中一个实施例中，所述第一电容组包括M个电容，所述第二电容组包括N个电容，所述状态切换模块包括P个切换开关，其中，P＝2
×
(M+N)。
[0010]在其中一个实施例中，所述电容的容量为0.1F～20F。
[0011]在其中一个实施例中，所述预设切换时间为0.1s～50s。
[0012]在其中一个实施例中，还包括外部负载，所述外部负载的阻值为1～1000欧姆。
[0013]在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池组包括多个微生物燃料电池，多个所
述微生物燃料电池并联连接。
[0014]在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池包括空腔、导电阳极、空气扩散阴极以及基质；
[0015]所述导电阳极和所述空气阴极相对设置于所述空腔内，所述基质填充于所述空腔内。
[0016]在其中一个实施例中，所述微生物燃料电池中基质为尿液。
[0017]在其中一个实施例中，所述导电阳极包括导电载体以及产电微生物菌群。
[0018]在其中一个实施例中，所述第一电容组以及所述第二电容组包括可变电容，当应用于稳定供电的应用环境时，所述可变电容的电容容量大于预设电容容量阈值；当应用于对瞬时启动电压有预设要求的应用环境时，所述可变电容的电容容量小于所述预设电容容量阈值。
[0019]上述以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制第一电容组处于充电状态且第二电容组处于放电状态，或第一电容组处于放电状态且第二电容处于充电状态。初始状态下，微生物燃料电池组给第一电容组充电，第二电容组对外部负载放电，等待预设切换时间，状态切换模块控制微生物燃料电池组给第二电容组充电，第一电容组对外部负载放电，整个系统采用交替运行模式实现同一时刻两组分别处于充电和放电状态，有效消除电压反转，实现功率稳定输出。
附图说明
[0020]图1为一个实施例中本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统的结构示意图；
[0021]图2为一个实施例中电容电路充/放电过程示意图；
[0022]图3为MFC连续周期尿液COD去除率及CE图；
[0023]图4为不同数量MFC串联的功率曲线图(A)以及电压曲线图(B)；
[0024]图5为有电容电路且MFC并联与无电容电路且MFC串联的输出功率及电压对比；
[0025]图6为不同数量MFC并联的功率曲线图(A)以及电压曲线图(B)；
[0026]图7为输出功率(A)和电压电流(B)的变化曲线图；
[0027]图8为不同电容容量下的MFC系统输出平均功率示意图；
[0028]图9为不同切换时间下MFC系统输出平均功率示意图。
具体实施方式
[0029]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0030]为了详细说明本申请一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统的技术方案及其技术原理下面将首先针对微生物燃料电池相关知识以及本申请所采用的核心技术原理进行介绍。
[0031]微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
[0032]在实际应用中，继续深入研究发现，传统的MFC输出电压和功率低，MFC堆栈出现电流反转和功率输出不稳定的缺陷或不足。本申请以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制，构建稳定高效的电容电路能量管理系统，提高MFC系统功率输出。特别是针对以尿液为基质的微生物燃料电池实现尿液废水处理和回收电能，同时实现尿液高效处理。将电容与MFC系统相连即可进行充电，充电过程中充电电流随着电容器两端电压的增大而减小直至电容器电压与MFC系统输出电压相等时完成充电，因此电容器存储能量常常受限于电容器容量及MFC系统开路电压，当存储足够的电能的电容器与用电载荷相连即可进行能量的输出。基于电容的充放电特性，通过多个电容的排列组合以及对电容系统充放电过程的控制可以实现对MFC系统的输出电流、输出电压及输出功率密度的控制以满足实际应用过程中用电器的需要。
[0033]如图1所示，本申请提供一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，包括微生物燃料电池组100、第一电容组200、第二电容组300以及状态切换模块400，第一电容组200以及第二电容组300分别通过状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以尿液为燃料的微生物燃料电池输出能量管理系统，其特征在于，包括微生物燃料电池组、第一电容组、第二电容组以及状态切换模块，所述第一电容组以及所述第二电容组分别通过所述状态切换模块与所述微生物燃料电池组连接，所述第一电容组以及所述第二电容组分别与外部负载连接；所述状态切换模块用于根据预设切换时间交替控制所述第一电容组处于充电状态且所述第二电容组处于放电状态，或所述第一电容组处于放电状态且所述第二电容处于充电状态。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电容组以及所述第二电容组分别包括多个电容；所述状态切换模块用于控制所述第一电容组中电容以及所述第二电容组中电容并联充电、且串联放电。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电容组包括M个电容，所述第二电容组包括N个电容，所述状态切换模块包括P个切换开关，其中，P＝2
×
(M+N)。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电容的容量为0.1F～20F。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘广立，郑华敏，向正林，高彦明，施华磊，林松炜，骆海萍，张仁铎，
申请(专利权)人：南方电网调峰调频发电有限公司，
类型：发明
国别省市：