專利名稱：一種燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光解水制氫的方法，具體地說(shuō)是一種燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法。
背景技術(shù)：
綠藻產(chǎn)氫的主要問(wèn)題是氧對(duì)氫酶抑制嚴(yán)重，因產(chǎn)氫的同時(shí)產(chǎn)氧，如不能消除氧的抑制，產(chǎn)氫速率低且不能長(zhǎng)期持續(xù)產(chǎn)氫。國(guó)外對(duì)耐氧菌株的篩選進(jìn)行了大量工作。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和加州大學(xué)的科學(xué)家成功研究了淡水衣藻可逆氫酶兩步法間接光水解制氫工藝，利用篩選到的耐氧菌株衣藻的突變體Chlamydomonas reinhardtii CC-124，實(shí)現(xiàn)O2和H2的產(chǎn)生在時(shí)間上或空間上分離，避免了可逆氫酶遇氧失活的難題。該項(xiàng)研究用6×106細(xì)胞/mL的藻液，以每升藻液每小時(shí)產(chǎn)氣2.0～2.5mL的速度延續(xù)了70小時(shí)，氣體的組成為87％的氫氣，1％的二氧化碳，其余主要是氮?dú)夂臀⒘康难鯕?，使其產(chǎn)氫能力比直接光解水提高了100倍。從而為綠藻制氫的實(shí)用化帶來(lái)了較大的希望。
目前，各國(guó)綠藻產(chǎn)氫研究集中于淡水衣藻，中科院大連化物所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展綠藻光解水制氫的研究工作，并于2001年篩選到一株具有光解海水產(chǎn)氫功能的海洋綠藻。同時(shí)采用新型的解偶聯(lián)劑調(diào)控間接法產(chǎn)氫工藝，使產(chǎn)氫速率比野生株提高近百倍，產(chǎn)氫速率與美國(guó)加州大學(xué)的衣藻產(chǎn)氫研究結(jié)果相近，但時(shí)間偏短。該項(xiàng)研究為綠藻產(chǎn)氫研究提供了一種新藻種，能利用海水光解產(chǎn)氫，避免了淡水資源短缺的問(wèn)題。綠藻光解水制氫的研究目前還處于基礎(chǔ)研究階段，包括物質(zhì)基礎(chǔ)代謝和能量基礎(chǔ)代謝在內(nèi)的制氫機(jī)制的研究仍需深入?，F(xiàn)代生物技術(shù)(基因工程，代謝工程，蛋白質(zhì)工程)的介入有助于解決綠藻光解水制氫過(guò)程中許多關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)困難；圍繞高效率、低成本的綠藻光解水制氫進(jìn)行深入的工程基礎(chǔ)研究，將能加快該項(xiàng)技術(shù)實(shí)用化的進(jìn)程。目前兩步法間接光解水制氫的研究也處于單個(gè)步驟的機(jī)理研究和效率提高階段，以燃料電池耗氫系統(tǒng)實(shí)時(shí)研究產(chǎn)氫過(guò)程并進(jìn)行示范的結(jié)果未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單、可提高產(chǎn)氫量，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究的燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為本發(fā)明在光反應(yīng)器上外接堿性燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扁藻在CCCP脅迫調(diào)控下產(chǎn)氫過(guò)程的特征并加以示范；具體為，以一種具有光解海水產(chǎn)氫功能的海洋綠藻-亞心型扁藻(Platymonas subcordiformis)為體系產(chǎn)氫材料，采用新型的解偶聯(lián)劑調(diào)控間接法產(chǎn)氫工藝，在光反應(yīng)器上外接堿性氫氧燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來(lái)維持體系內(nèi)較低氫分壓，依據(jù)電路中電子數(shù)量與氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電池外電路電流變化來(lái)計(jì)算體系內(nèi)氫濃度的變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扁藻在CCCP脅迫調(diào)控下產(chǎn)氫過(guò)程的特征并加以示范。并可保持體系內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)氫量。參照產(chǎn)氫過(guò)程與PSII及體外氫酶活性變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究產(chǎn)氫機(jī)理。克服了以往方法中色譜檢測(cè)的離線、滯后缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行高效、靈敏的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在產(chǎn)氫機(jī)理研究、工程示范中具有重要應(yīng)用。本發(fā)明克服了以往方法中色譜檢測(cè)的離線、滯后缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行高效、靈敏的實(shí)時(shí)檢測(cè)及深入研究。
具體操作過(guò)程為1)亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度400～800萬(wàn)cells/mL。
2)采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，其流程如圖2所示。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿步驟1)濃度的藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶，藻液暗誘導(dǎo)時(shí)間為4～24h。
3)暗誘導(dǎo)后，向藻液中加入CCCP至CCCP濃度為7.5～15μM，并使用碳酸氫鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉溶液或Tris-鹽酸緩沖溶液調(diào)節(jié)藻液pH值為7～8.3，然后由光反應(yīng)器外側(cè)的光源光照光反應(yīng)器，由光反應(yīng)器下部的磁力攪拌器攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液產(chǎn)氫；光反應(yīng)器在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌光照放氫。
4)體外氫酶活性的測(cè)定在厭氧環(huán)境中進(jìn)行。以50mmol磷酸緩沖液(pH6.8)作反應(yīng)緩沖液，以被連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)還原的甲基紫精(Methyl viologen，簡(jiǎn)稱MV)作電子供體。反應(yīng)系統(tǒng)包括終濃度為10mM的MV和100mM的連二亞硫酸鈉及500μl藻液。在37℃水浴中振蕩孵育20min后，用氣相色譜檢測(cè)氫氣組分含量。
按下式計(jì)算體外氫酶活性；Hydrogenase activity[μmolH2·mgChl-1·h-1]=9×40×[H2][μmolH2]chlorophyllamount[mgCh]×[h-1]]]>5)由光照反應(yīng)器中取出10μl藻液，注入Water PAM葉綠素?zé)晒鈨x的測(cè)量杯中，再加入3ml無(wú)菌海水培養(yǎng)基，混勻后進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)ΔF/Fm’的變化，反映藻細(xì)胞光合系統(tǒng)II的化學(xué)活性的變化。
將天然產(chǎn)物粗提物溶解在裂解緩沖液中；6)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到電流、氫酶活性和PSII活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。由電流變化曲線依據(jù)電子數(shù)與消耗的氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系積分計(jì)算產(chǎn)氫量，并參照氫酶活性和PSII活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線研究產(chǎn)氫機(jī)理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明方法靈敏度、準(zhǔn)確度與精密度高，抗外界環(huán)境及認(rèn)為因素的干擾能力強(qiáng)。
2.應(yīng)用范圍寬。本發(fā)明由于將檢測(cè)與示范功能融為一體，既可以用于綠藻產(chǎn)氫過(guò)程的檢測(cè)研究，檢測(cè)其產(chǎn)氫能力與其他檢測(cè)結(jié)果互為參照，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)理研究的深入；同時(shí)在光反應(yīng)器上外接堿性燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來(lái)維持體系內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)氫反應(yīng)的產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，提高產(chǎn)氫量。也可以準(zhǔn)確定量得到產(chǎn)氫體積，并可以對(duì)整個(gè)綠藻產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室示范，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，為產(chǎn)氫工程研究提供重要數(shù)據(jù)；由于使用了配套自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，可以用作高通量篩選綠藻產(chǎn)氫能力的儀器平臺(tái)。
3.簡(jiǎn)便省時(shí)。本發(fā)明操作步驟僅包括綠藻分離、暗誘導(dǎo)、耗氫系統(tǒng)連接、光照調(diào)控產(chǎn)氫和檢測(cè)，各步操作簡(jiǎn)便，目前現(xiàn)有技術(shù)方法均需多次采樣、離線檢測(cè)，費(fèi)力費(fèi)時(shí)。
4.應(yīng)用方便?？筛鶕?jù)本發(fā)明檢測(cè)方法開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，即標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)和產(chǎn)氫示范系統(tǒng)，其應(yīng)用方便快捷，結(jié)果的可比性強(qiáng)。
總之，本發(fā)明方法可對(duì)扁藻光解海水產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行高效、靈敏檢測(cè)，方法簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，在綠藻光解水產(chǎn)氫的機(jī)理研究、工程研究及其示范中具有廣泛應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明綠藻光解水制氫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；其中1、磁力攪拌器；2、光源；3、光反應(yīng)器；4、排氣口；5、燃料電池；6、演示器；7、刻度氣體取樣管；8、水槽；圖2為本發(fā)明綠藻光解水制氫的流程圖；圖3為本發(fā)明堿性氫氧燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明減輕氫抑制提高產(chǎn)氫量的效果圖譜；圖5為本發(fā)明不同量的CCCP調(diào)控產(chǎn)氫過(guò)程檢測(cè)與氫酶活性、光系統(tǒng)II活性聯(lián)合檢測(cè)圖譜之一；圖6為本發(fā)明不同量的CCCP調(diào)控產(chǎn)氫過(guò)程檢測(cè)與氫酶活性、光系統(tǒng)II活性聯(lián)合檢測(cè)圖譜之二；圖7為本發(fā)明不同緩沖溶液調(diào)節(jié)產(chǎn)氫pH值的效果圖譜之一；圖8為本發(fā)明不同緩沖溶液調(diào)節(jié)產(chǎn)氫pH值的效果圖譜之二。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地說(shuō)明本發(fā)明使用解偶聯(lián)劑CCCP脅迫調(diào)控扁藻產(chǎn)氫，使用堿性氫氧燃料電池外接10～40歐姆電阻持續(xù)發(fā)電耗氫，檢測(cè)并記錄電阻兩端電壓計(jì)算得到電流，對(duì)電流曲線積分計(jì)算獲得通過(guò)電路的電量值，由電子數(shù)與消耗的氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算總產(chǎn)氫量。解偶聯(lián)劑采用羰基氰化物間氯苯腙(CCCP)；解偶聯(lián)劑CCCP脅迫調(diào)控扁藻產(chǎn)氫采用申請(qǐng)人已申報(bào)的專利技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)?3110981.0，發(fā)明名稱一種海洋綠藻兩步法生物光解水制氫方法)，所用的堿性氫氧燃料電池及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室自行組裝研制，其他試劑均為商業(yè)化的試劑。
實(shí)施例1如圖1所示為光生物產(chǎn)氫系統(tǒng)示意圖，其中3為光反應(yīng)器，采用玻璃材料制造，光反應(yīng)器3內(nèi)的氣體體積變化通過(guò)刻度氣體取樣管7在水槽8中采用排水法收集計(jì)量，燃料電池耗氫電流由數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)記錄。亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心收集至產(chǎn)氫藻液濃度800萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)24h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并調(diào)節(jié)pH值為7.0。光反應(yīng)器3在中光照強(qiáng)度9000LX的光源2光照下、磁力攪拌器1為150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫，在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻分別為40歐姆和10歐姆，結(jié)果見(jiàn)表1。在燃料電池5持續(xù)耗氫下，產(chǎn)氫時(shí)間延長(zhǎng)，可連續(xù)產(chǎn)氫120h；總氫氣產(chǎn)量達(dá)到54.4ml，是未用燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)最好水平的2.2倍。燃料電池持續(xù)耗氫維持體系內(nèi)較低氫分壓，消除了反應(yīng)中的氫抑制現(xiàn)象，提高產(chǎn)氫量。
表1燃料電池持續(xù)耗氫下兩次扁藻產(chǎn)氫過(guò)程的比較

對(duì)比實(shí)施例亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度800萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，其流程如圖2示。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)24h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并使用碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為7.0。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。產(chǎn)氫系統(tǒng)不外接燃料電池耗氫檢測(cè)系統(tǒng)。產(chǎn)氫時(shí)間持續(xù)24小時(shí)，總產(chǎn)氫量為25ml。
實(shí)施例2亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度600萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，其流程如圖2示。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)20h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并使用碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為8.2。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻為10歐姆，系統(tǒng)的氣體體積變化通過(guò)刻度氣體取樣管采用排水法收集計(jì)量，燃料電池耗氫電流由數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)記錄，產(chǎn)氫量28ml。
相應(yīng)的氫酶活性的測(cè)定與光合系統(tǒng)II化學(xué)活性的檢測(cè)方法為，氫酶活性的測(cè)定在厭氧環(huán)境中進(jìn)行。以50mmol磷酸緩沖液(pH6.8)作反應(yīng)緩沖液，以被連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)還原的甲基紫精(Methyl viologen，簡(jiǎn)稱MV)作電子供體。反應(yīng)系統(tǒng)包括終濃度為10mM的MV和100mM的連二亞硫酸鈉及500μl藻液。在37℃水浴中振蕩孵育20min后，用氣相色譜檢測(cè)氫氣組分含量。
按下式計(jì)算體外氫酶活性；Hydrogenase activity[μmolH2·mgChl-1·h-1]=9×40×[H2][μmolH2]chlorophyll amount[mgCh]×[h-1]]]>由光照反應(yīng)器中取出10μl藻液，注入Water PAM葉綠素?zé)晒鈨x的測(cè)量杯中，再加入3ml無(wú)菌海水培養(yǎng)基，混勻后進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)ΔF/Fm’的變化，反映藻細(xì)胞光合系統(tǒng)II的化學(xué)活性的變化。
所有數(shù)據(jù)點(diǎn)以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到電流、氫酶活性和PSII活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖5所示。
實(shí)施例3亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度600萬(wàn)ce11s/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，其流程如圖2示。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)20h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為7.5μM并使用碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為8.2。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻為10歐姆，系統(tǒng)的氣體體積變化通過(guò)刻度氣體取樣管采用排水法收集計(jì)量，燃料電池耗氫電流由數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)記錄，產(chǎn)氫量5.1ml。
相應(yīng)的氫酶活性的測(cè)定與光合系統(tǒng)II化學(xué)活性的檢測(cè)方法為，氫酶活性的測(cè)定在厭氧環(huán)境中進(jìn)行。以50mmol磷酸緩沖液(pH6.8)作反應(yīng)緩沖液，以被連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)還原的甲基紫精(Methyl viologen，簡(jiǎn)稱MV)作電子供體。反應(yīng)系統(tǒng)包括終濃度為10mM的MV和100mM的連二亞硫酸鈉及500μl藻液。在37℃水浴中振蕩孵育20min后，用氣相色譜檢測(cè)氫氣組分含量。
按下式計(jì)算體外氫酶活性；Hydrogenase activity[μmolH2·mgChl-1·h-1]=9×40×[H2][μmolH2]chlorophyll amount[mgCh]×[h-1]]]>由光照反應(yīng)器中取出10μl藻液，注入Water PAM葉綠素?zé)晒鈨x的測(cè)量杯中，再加入3ml無(wú)菌海水培養(yǎng)基，混勻后進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)ΔF/Fm’的變化，反映藻細(xì)胞光合系統(tǒng)II的化學(xué)活性的變化。
所有數(shù)據(jù)點(diǎn)以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到電流、氫酶活性和PSII活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。
實(shí)施例4亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度600萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)24h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并使用醋酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為7.23。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻為10歐姆，產(chǎn)氫量52.3ml，結(jié)果見(jiàn)圖7。
實(shí)施例5亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度600萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)22h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并使用磷酸緩沖溶液或調(diào)節(jié)pH值為7.61。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻為10歐姆，產(chǎn)氫量35.1ml，結(jié)果見(jiàn)圖8。
實(shí)施例6亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度600萬(wàn)cells/mL。采用扁藻兩步法光解水制氫的方法。取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿藻液，密封瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶。藻液經(jīng)過(guò)22h時(shí)間的暗誘導(dǎo)后，光照前加入CCCP至濃度為15μM并使用Tris-鹽酸緩沖溶液或調(diào)節(jié)pH值為7.77。系統(tǒng)在中光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液光照產(chǎn)氫。在光反應(yīng)器上外接燃料電池持續(xù)耗氫，外電路電阻為10歐姆，產(chǎn)氫量19.25ml，結(jié)果見(jiàn)圖8。
以燃料電池檢測(cè)產(chǎn)氫過(guò)程的依據(jù)是電子數(shù)與消耗的氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，積分電流變化曲線計(jì)算產(chǎn)氫量，具體計(jì)算方法為氫氣量H2=12NeN0×22.4×298.15273.15,]]>L；N0＝6.02×1023，Ne＝∫Idt/qe，I為電流值，qe＝1.6×10-19，為電子電量。
堿性氫氧燃料電池的制備工藝經(jīng)多次試驗(yàn)可以保證電池性能的穩(wěn)定性與重復(fù)性以及密封要求，具體為從外到內(nèi)采用不銹鋼板、聚四氟墊圈、塑料分布板、電極、石棉膜的次序壓制電池，電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，電池陽(yáng)極為銀材料制備的氧電極，陰極為Pd材料制備的氫電極，電解液隔層采用飽和KOH浸泡的石棉膜。在制備前，用電解液充分浸泡石棉膜，并用不銹鋼板、聚四氟板、電極、石棉進(jìn)行預(yù)壓后再壓制電池，可以保證電池性能的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
燃料電池采用單級(jí)或多級(jí)形式，外電路電阻可依據(jù)實(shí)際情況自由變化，耗氫能力增強(qiáng)有利于體系氫分壓保持在較低水平，減輕反應(yīng)的氫抑制現(xiàn)象，產(chǎn)氫反應(yīng)平衡右移，促進(jìn)產(chǎn)氫量的增大。
康維方營(yíng)養(yǎng)鹽，其配比及使用見(jiàn)表2。
表2康威方營(yíng)養(yǎng)鹽配比及使用

權(quán)利要求
1.一種燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，其特征在于以一種具有光解海水產(chǎn)氫功能的海洋綠藻-亞心型扁藻為體系產(chǎn)氫材料，在光反應(yīng)器上外接堿性氫氧燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來(lái)維持體系內(nèi)較低氫分壓，依據(jù)電路中電子數(shù)量與氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電池外電路電流變化來(lái)計(jì)算體系內(nèi)氫濃度的變化，研究扁藻在CCCP脅迫調(diào)控下產(chǎn)氫過(guò)程的特征。
2.按權(quán)利要求1所述的燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，其特征在于具體操作過(guò)程為1)亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集或高密度培養(yǎng)至產(chǎn)氫藻液濃度400～800萬(wàn)cells/mL；2)采用扁藻兩步法光解水制氫的方法，取容積為500mL的攪拌式光產(chǎn)氫反應(yīng)器，裝滿步驟1)濃度的藻液，密封反應(yīng)器瓶口，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶，藻液暗誘導(dǎo)時(shí)間為4～24h；3)暗誘導(dǎo)后，加入CCCP至濃度為7.5～15μM的藻液中，并使用緩沖液調(diào)節(jié)藻液pH值為7～8.3，然后由光反應(yīng)器兩側(cè)的光源光照光反應(yīng)器，由光反應(yīng)器下部的磁力攪拌器攪拌藻液，使光反應(yīng)器內(nèi)的藻液產(chǎn)氫；光反應(yīng)器內(nèi)的氣體體積變化通過(guò)刻度氣體取樣管采用排水法收集計(jì)量，燃料電池耗氫電流由數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)記錄。
3.按權(quán)利要求2所述的燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，其特征在于所述步驟2)中的緩沖液可為碳酸氫鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉溶液或Tris-鹽酸緩沖溶液。
4.按權(quán)利要求2所述的燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，其特征在于所述步驟3)中光源為中光照強(qiáng)度9000LX，磁力攪拌器的攪拌速度為150rpm。
5.按權(quán)利要求2所述的燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，其特征在于所述堿性氫氧燃料電池具體為從外到內(nèi)依次采用不銹鋼板、聚四氟墊圈、塑料分布板、電極、石棉膜的次序壓制電池，電池陽(yáng)極為銀材料制備的氧電極，陰極為鈀材料制備的氫電極，電解液隔層采用飽和KOH浸泡的石棉膜，在制備前，用電解液充分浸泡石棉膜，并用不銹鋼板、聚四氟板、電極、石棉進(jìn)行預(yù)壓后再壓制電池，可以保證電池性能的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
全文摘要
本發(fā)明涉及光解水制氫的方法，具體地說(shuō)是一種燃料電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法，以一種具有光解海水產(chǎn)氫功能的亞心型扁藻為體系產(chǎn)氫材料，在光反應(yīng)器上外接堿性氫氧燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來(lái)維持體系內(nèi)較低氫分壓，依據(jù)電路中電子數(shù)量與氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電池外電路電流變化來(lái)反映體系內(nèi)氫濃度的變化，研究扁藻在CCCP脅迫調(diào)控下產(chǎn)氫的特征。在燃料電池持續(xù)耗氫下，扁藻產(chǎn)氫時(shí)間延長(zhǎng)5倍，可連續(xù)產(chǎn)氫120h；總氫氣產(chǎn)量達(dá)到54.4ml，是未用燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)最好水平的2.2倍。本發(fā)明對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行高效、靈敏的實(shí)時(shí)檢測(cè)，方法簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，在產(chǎn)氫機(jī)理研究、工程研究中具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1990873SQ200510136770
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者張衛(wèi), 虞星炬, 金美芳, 陳兆安, 陸洪斌, 彥飛, 冉春秋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所