Massenstromregelung für mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen zur Wasserstofferzeugung
- Senkung der Fixkosten von Brennstoffzellen und Elektrolysezellen
- Senkung des allgemeinen Energiebedarfs
- Steigerung der Energieausbeute in Brennstoffzellen
- Steigerung der Wasserstoffproduktion in Elektrolysezellen
- Optimierung der Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen und Elektrolysezellen (Beispiele: Temperatur, Druck, Durchflussmenge usw.)
Was sind mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen?
Zwei neu entstehende bioelektrochemische Systeme (BES) mit interessanten Möglichkeiten zur Lösung einiger der oben genannten Herausforderungen sind mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen.
Mikrobielle Brennstoffzellen
Erfunden in der Mitte der 2000er Jahre, mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) bezeichnen Brennstoffzellen, die Bioelektrizität erzeugen, indem sie biochemische Reaktionen regulieren, die durch exoelektrogene Bakterien katalysiert werden – also Bakterien, die in der Lage sind, biochemische Energie in bioelektrische Energie umzuwandeln. Diese mikrobiellen Brennstoffzellen können zur Abwasserbehandlung, zur Erzeugung erneuerbarer Energie, zur Wasserwiederverwendung und zur biologischen Sanierung eingesetzt werden.
Bei diesem Brennstoffzellentyp erzeugen die Bakterien in der Anodenkammer bei der Oxidation organischer Stoffe, wie z. B. Acetat, Elektronen und Protonen. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis zu den terminalen Elektronenakzeptoren (wie Sauerstoff, Nitrat usw.) in der Kathodenkammer, wo sie Reduktionsreaktionen eingehen. Gleichzeitig gelangen Protonen und Kationen entweder durch eine Membran oder durch einen Elektrolyten in die Kathodenkammer.
Mikrobielle Elektrolysezellen für die Wasserstofferzeugung
Umgekehrt, mikrobielle Elektrolysezellen (MECs) erzeugen Wasserstoffgas (oder andere wichtige Gase) durch den Einsatz exoelektrogener Bakterien in Verbindung mit einer geringen externen Spannung zum Antrieb der Elektrolyse. Da der Energiebedarf für den Betrieb relativ gering ist, kann die zusätzliche Spannung leicht durch Solarenergie bereitgestellt werden. Dies ermöglicht die Einstufung als erneuerbare Form der Wasserstofferzeugung.
Durch die Kombination beider Techniken kann eine mikrobielle Brennstoffzelle zur Erzeugung von Strom für eine mikrobielle Elektrolysezelle verwendet werden. Dies ermöglicht die passive Erzeugung von Wasserstoffgas aus Bioflüssigkeiten unter ausschließlicher Verwendung erneuerbarer und nachhaltiger Energiequellen.
Optimierung von mikrobiellen Brennstoffzellen
Mikrobielle Brennstoffzellen können sowohl als Einkammer- als auch als Zweikammer-Konfigurationen ausgeführt werden.
Bei mikrobiellen Einkammer-Brennstoffzellen umfasst die Kammer eine Luftkathode (in der Sauerstoff aus Mikroöffnungen aus der Umgebungsluft strömt), die mit einer Membran und einer Anodenkammer verbunden ist.
Mikrobielle Zweikammer-Brennstoffzellen sind durch eine Protonenaustauschmembran in eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer unterteilt. Biomasselösungen mit chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) fließen durch die Anodenkammern und geben nach der Wechselwirkung mit den auf der Anode befindlichen Bakterien Elektronen und Protonen ab, um Strom zu erzeugen.
Flüssigkeitsdurchflussregler regeln den Durchfluss von Biomasselösungen in die Kammer(n) in beiden Konfigurationen. Je nach Ausführung werden entweder Gas- oder Flüssigkeitsmassenstromregler verwendet, um Sauerstofflösung in die Doppelkammerkonfiguration zu leiten.
Die Durchflussregler für Flüssigkeiten von Alicat, wie beispielsweise LC-Serie oder CODA KC-Reihe kann den Fluss von Biomasselösungen in die und aus der Brennstoffzelle regulieren und optimieren. Durch die Anpassung der Durchflussraten können die Forscher die idealen Betriebsbedingungen für den Durchfluss ermitteln.
Zu den weiteren Funktionen und technischen Daten dieser Produkte gehören:
- NIST-rückführbare Genauigkeit der LC-Serie bis zu ±2% vom Skalenendwert
- Coriolis-Regler der CODA KC-Serie NIST-rückführbare Flüssigkeitsgenauigkeit bis zu ±0,2% vom Messwert oder ±0,05% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist
- Wiederholbarkeit der LC-Serie bis ±0,2% vom Skalenendwert
- Wiederholbarkeit der CODA KC-Serie auf ±0,05% vom Messwert oder ±0,025% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist
- Analoge, serielle und industrielle Protokoll-Kommunikationsoptionen für geplante Befehle
Optimierung von mikrobiellen Wasserstoff-Elektrolysezellen
Mikrobielle Elektrolysezellen erzeugen Wasserstoff oder andere wichtige Elektrolyseprodukte, indem sie Mikroben und eine externe Spannung als Antrieb für biochemische Reaktionen nutzen.
Obwohl mikrobielle Elektrolysezellen relativ neu sind, gibt es mehrere verschiedene Designs die bisher umgesetzt wurden. Einige dieser Maßnahmen sind:
- Fed-Batch
- Kontinuierlicher Fluss mit Abwasserrecycling
- Kontinuierlicher Fluss ohne Abwasserrecycling
Mikrobielle Wasserstoff-Elektrolysezellen im Fed-Batch-Verfahren
In Fed-Batch-Systemen wird eine COD-Biomasse-Lösung durch einen Flüssigkeitsmassendurchflussregler gesteuert und fließt in eine Kammer mit einer Reihe übereinander angeordneter MECs. Dort findet über mehrere Tage hinweg eine Reaktion statt, anschließend wird die Lösung abgelassen und durch eine neue Charge der Biomasse-Lösung ersetzt. Dieser Vorgang wird wiederholt.
Die Flüssigkeits-Massendurchflussregler von Alicat können über verschiedene serielle, analoge oder industrielle Protokolloptionen kommunizieren, um die Gesamtmenge zu erfassen und die Chargenabgabe zu steuern. Dies ermöglicht die Automatisierung von Fed-Batch-Systemen.
Mikrobielle Wasserstoff-Elektrolysezellen mit kontinuierlichem Fluss und Abwasserrecycling
Beim kontinuierlichen Durchfluss mit Abwasserrecycling wird eine Biomasselösung mit geringer Durchflussrate kontinuierlich zwischen einem Reservoir und der Reaktionskammer gepumpt. Die Lösung reagiert mit den mikrobiellen Katalysatoren, um Wasserstoff oder andere wichtige Gase zu erzeugen, wobei sie das System mehrfach durchläuft.
Die CODA KC-Serie von Alicat kann in Verbindung mit einer Dosierpumpe zur Durchflussregelung von Flüssigkeiten eingesetzt werden, ohne dass eine externe Druckquelle erforderlich ist. Diese Kombination ermöglicht die Steuerung des Durchflusses im gesamten System und sorgt so für eine Optimierung der Leistung.
Mikrobielle Wasserstoff-Elektrolysezellen mit kontinuierlichem Fluss ohne Abwasser-Recycling
Beim kontinuierlichen Fluss ohne Abwasserrecycling wird der CSB kontinuierlich mit neuer Biomasselösung gepumpt. Das Abwasser wird abgeleitet und nicht durch das System recycelt.
Wie beim kontinuierlichen Durchfluss mit Abwasserrückführung kann ein Flüssigkeitsregler der KC-Serie mit einer Dosierpumpe zur Durchflussregelung kombiniert werden.
Abschließende Gedanken
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Alicat-Durchflussregler für Flüssigkeiten, wie beispielsweise die LC-Serie und die KC-Serie, diesen Systemen folgende Vorteile bieten:
- Erhöhung der Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Präzision von Durchflussmessungen
- Bietet Dosierungs- und Totalisierungsoptionen für die Automatisierung von Chargen und den Wechsel von Bioflüssigkeiten
- Kompatibilität der KC-Serie mit wechselnden oder unbekannten Flüssigkeitszusammensetzungen