以藻类为动力的燃料电池

2019-12-26 318藻类

剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员开发了一种以藻类为动力的燃料电池的新设计,其效率是现有植物和藻类模型的5倍,而且生产成本可能更高,使用也更实用。

研究背景

随着全球人口的增长,能源需求也在增长。气候变化的威胁意味着迫切需要找到更清洁、可再生的化石燃料替代品,这些替代品不会产生大量的温室气体,对我们的生态系统造成潜在的毁灭性后果。太阳能被认为是一种特别有吸引力的能源,因为在给定的时间内,地球从太阳获得的能量平均是人类消耗能量的1万倍。

近年来,除了合成的光伏设备,生物光电伏打技术(bpv,也被称为生物太阳能电池)已经成为一种环保和低成本的方法来收集太阳能并将其转化为电流。这些太阳能电池利用微生物(如藻类)的光合特性,将光转化为电流,用于发电。

在光合作用中,藻类产生电子,其中一些电子被输出到细胞外,在那里它们可以为电力设备提供电流。到目前为止,所有演示的BPVs都将充电(光采集和电子生成)和功率传输(传输到电路)放在一个单独的隔间中;电子一被分泌出来就产生电流。

以藻类为动力的燃料电池

在《自然》杂志上描述的新技术能源部门的研究人员生物化学、化学和物理合作开发一个两院BPV系统所涉及的两个核心流程的操作及其转换太阳能电池——一代电子权力——是分开的。

化学系的Kadi Liis Saar解释说:“充电和供电常常有相互冲突的需求。”“例如,充电装置需要暴露在阳光下才能有效充电,而供电部分不需要暴露在阳光下,但应能有效地将电子转换成电流,损耗最小。”

建造一个双腔系统允许研究人员独立设计两个单元,并通过这个优化过程的性能同时进行。

化学和卡文迪什实验室的教授Tuomas Knowles解释说:“将充电和供电分开意味着我们能够通过小型化来提高供电单元的性能。”“在微型尺度上,流体的行为非常不同,这使我们能够设计出效率更高、内阻更低、电损耗更小的电池。”

研究小组使用了经过基因改造的藻类来携带突变,使细胞在光合作用过程中能够将无效的电荷耗散量最小化。与新设计一起,这使得研究人员能够构建一个功率密度为0.5 W/m2的生物伏打电池,是之前设计的五倍。他们说,虽然这还只是传统太阳能燃料电池的十分之一左右,但这些新型的电池有几个吸引人的特点。

藻类燃料电池的优势

生物化学系的Christopher Howe教授说:“虽然传统的硅基太阳能电池在转化为电能的太阳能比例上比藻类电池效率更高,但其他类型的材料也有诱人的可能性。”“特别是,由于藻类的生长和分裂是自然的,基于它们的系统可能需要更少的能源投资,并且可以以分散的方式生产。”

研究人员说,分离能源生产和储存组件还有其他好处。充电可以储存,而不是必须立即使用——这意味着充电可以在白天产生,然后在晚上使用。

虽然藻类燃料电池不太可能产生足够的电力为电网系统供电,但它们在非洲农村等地区可能特别有用,因为那里阳光充足,但没有现有的电网系统。此外,研究人员说,虽然基于半导体的合成光电通常是在专用设施中生产的,而不是在它们被使用的地方,但是bpv的生产可以由当地社区直接进行。

生物化学系的Paolo Bombelli博士说:“这是在寻找可替代的绿色燃料方面迈出的一大步。”“我们相信这些发展将使基于藻类的系统更接近实际应用。”

引用

University of Cambridge. "Harnessing the power of algae: New, greener fuel cells move step closer to reality." ScienceDaily. ScienceDaily, 10 January 2018.
www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180110112938.htm.

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