[发明专利]用于生物电化学系统的功率转换器

说明书

用于生物电化学系统的功率转换器，所述功率转换器包括第一转换器(102‑104)和第二转换器(106)，每个第一转换器包括用于通过生物电化学系统的电极提供电流的直流端子(105)，所述第二转换器用于从外部电网向所述每个第一转换器提供能量。每个第一转换器包括用于从第二转换器接收能量的电子元件(107)和用于将电子元件的电压转换为适合于生物电化学系统的电解电压的电路(108)。电子元件可以是变压器的次级绕组或直流电压的能量存储器。当每个第一转换器向生物电化学系统提供能量时，每个第一转换器与第一转换器中的其他第一转换器电位隔离。因此，每个第一转换器在不干扰其他第一转换器的情况下驱动自己的电极对。

技术领域

本公开涉及一种功率转换器，该功率转换器用于驱动生物电化学系统的培养基中的电解以将水分解成氢气和氧气。此外，本公开涉及一种生物电化学系统，该生物电化学系统包括生物反应器腔室和用于驱动生物反应器腔室中的电解的功率转换器。

背景技术

氢氧化细菌，例如化能无机自养细菌，能够利用氢气作为能源将二氧化碳吸收到自身的生物质中，从而自养生长。这使得二氧化碳、水和营养物能够转换为细菌生物质和/或其他生物产物，例如生物塑料和生物燃料。用于培养氢氧化细菌的生物电化学系统通常包括生物反应器腔室，该生物反应器腔室用于容纳氢氧化细菌和合适的培养基。氢气可以从外部来源供应至生物反应器腔室，但是与该方法有关的一个问题是氢气的气液传质低。为了增加氢气在培养基中的溶解速率，可以增加生物反应器腔室的顶部空间中的氢气分压。然而，这可能会增加爆炸的危险，因为氢气是易燃的，例如在大气压力下，空气的体积浓度范围为4％至74.5％。

提供氢气的另一种方法是在生物反应器腔室中进行原位水电解，以便借助电流将水分解为氢气和氧气。电流供应至浸没在培养基中的电极。对于原位水电解，氢气和氧气没有不良溶解的问题，因为氢气和氧气是在培养基中产生的。这也可以给生物反应器的设计一些自由度。水电解所需的最小电压称为可逆电压，为1.23V。如果没有辅助加热，则所需的最小电压会更高，并且取决于电解条件，例如，在环境条件下，最小电压为1.43V。由于电极之间的阻抗引起的电压损失，驱动水电解所需的实际电压会更高。

然而，上述类型的原位水电解并非没有挑战。从能源效率的角度来看，驱动水电解的电压应保持尽可能的低。然而，过低的电压可能会对细菌的生长产生抑制作用，因为可以产生对细菌具有有毒作用的活性氧“ROS”，而不是将水分解为氢气和氧气。活性氧可以是例如过氧化氢、超氧化物和羟基自由基。另一方面，过高的电流也会抑制细菌的生长。当电流通过电极驱动以获得足够的氢气产生时，挑战之一与培养基中的局部电流密度有关，尤其是电极附近的局部电流密度。电流密度的局部最大值可能危害或至少干扰培养过程。

发明内容

为了提供对各种实施例的一些方面的基本理解，下面给出简化的概述。该概述不是本发明的广泛概述。该概述既不旨在识别本发明的关键或决定性元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现一些概念，作为具体实施方式的序言。

根据本发明，提供了一种新的功率转换器，该功率转换器用于驱动生物电化学系统的培养基中的水电解，从而将水分解为氢气和氧气。根据本发明所述的功率转换器包括：

-两个或更多个第一转换器，每个第一转换器包括用于通过生物电化学系统的电极提供电流的直流端子，和

-第二转换器，该第二转换器用于从外部电网向每个第一转换器提供能量。