專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)膜微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及潔凈能源領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種無(wú)膜微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，一方面，人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)；另一方面，工業(yè)和生活廢水排放量以及廢水中化學(xué)需氧量(COD)排放量逐年遞增。工業(yè)廢水和生活污水的排放，對(duì)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)造成了很大的破壞。在常規(guī)污水處理中，曝氣供氧消耗大量的能量。而厭氧生物處理技術(shù)，產(chǎn)生的甲烷其溫室效果是二氧化碳的20倍，并且破壞臭氧層，而回收燃燒發(fā)電，受卡諾循環(huán)限制利用率低。 微生物燃料電池(MFC)為廢水處理和能源產(chǎn)生提供了一種全新的方法。MFC是利用微生物作為催化劑，降解有機(jī)物，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了從廢水處理到能量回收的一步轉(zhuǎn)化，具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益和良好的環(huán)境效益。此外，MFC產(chǎn)電過(guò)程不受卡諾循環(huán)的限制，理論轉(zhuǎn)化率高；底物適應(yīng)范圍廣，原則上只要是生物可降解的還原性有機(jī)物，無(wú)機(jī)物均可作為燃料；催化劑為微生物，具有自我復(fù)制，更新等優(yōu)點(diǎn)；操作條件溫和；能量載體清潔等。MFC的這些特點(diǎn)，使得其在廢水資源化處理方面有著十分誘人的應(yīng)用前景。目前，限制MFC應(yīng)用的主要因素是低的產(chǎn)電功率密度和較高的構(gòu)造成本。因此設(shè)計(jì)出高功率密度，低成本和易于放大的MFC具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服上述問(wèn)題，提供了一種無(wú)膜微生物燃料電池。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的無(wú)膜微生物燃料電池包括柱形反應(yīng)器8、陰極I和陽(yáng)極3，其特征在于，所述的柱形反應(yīng)器8采用變徑結(jié)構(gòu)，所述的陰極I設(shè)置于柱形反應(yīng)器8上部變徑結(jié)構(gòu)處，陰極I的上部暴露于空氣中，下部浸入反應(yīng)液中；陽(yáng)極3設(shè)置于柱形反應(yīng)器8下部，其中陰極I橫截面面積與陽(yáng)極3橫截面面積之比大于2。所述的陰極I采用涂鉬石墨氈，所述的陽(yáng)極3由若干石墨氈堆積而成。所述的柱形反應(yīng)器8采用玻璃反應(yīng)器，所述的柱形反應(yīng)器8下端一側(cè)設(shè)有出水控制閥4。所述的陰極I和陽(yáng)極2之間通過(guò)導(dǎo)線5與電阻6或用電裝置連接構(gòu)成回路；所述的導(dǎo)線5為鈦線，所述的電阻6兩端并聯(lián)接入電壓表7，用于電阻6兩端電壓的測(cè)定。本發(fā)明為了提高M(jìn)FC的功率密度，降低構(gòu)造成本和運(yùn)行成本，采取了以下技術(shù)方案(I)本發(fā)明的反應(yīng)器為上部大，小部小的圓柱形玻璃反應(yīng)器，反應(yīng)器的陰極橫截面積遠(yuǎn)大于陽(yáng)極橫截面積，從而有利于陰極氧氣的還原反應(yīng)，大大提高了 MFC的產(chǎn)電功率密度。
(2)本發(fā)明的陰極材料為表面載有鉬的石墨氈，陰極石墨氈孔隙率較大，有利于氧氣的擴(kuò)散；同時(shí)，陰極直接暴露在空氣當(dāng)中，無(wú)需曝氣，這極大地降低MFC的運(yùn)行成本。(3)本發(fā)明的陽(yáng)極為堆疊石墨氈，石墨氈堆有較大的比表面積，不僅易于為產(chǎn)電菌所吸附，而且有良好的抗腐蝕能力；石墨氈堆疊起來(lái)，增大了陽(yáng)極上的產(chǎn)電菌數(shù)量，進(jìn)而提高了 MFC的產(chǎn)電功率密度；石墨氈在使用前，其表面需要接種厭氧消解污泥中富集的產(chǎn)電菌。(4)本發(fā)明陰極和陽(yáng)極之間無(wú)膜，離子交換膜的去除，不僅降低了 MFC的構(gòu)造成本，同時(shí)也加速了質(zhì)子從陽(yáng)極到陰極的擴(kuò)散，減少了 MFC的內(nèi)阻，提高了輸出電壓，陽(yáng)極和陰極之間采用具有良好防腐蝕作用的鈦線連接。此外，本發(fā)明的外電路上為一可變電阻，通過(guò)電阻上的電壓表讀書(shū)來(lái)計(jì)算電路中的電流大小，電壓數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡保存在系統(tǒng)之中，改變電阻的大小，可以計(jì)算出MFC的極化曲線和最大功率密度。本發(fā)明的反應(yīng)器底部有出水控制閥，用于控制反應(yīng)器內(nèi)的液 面高度和排除反應(yīng)器內(nèi)的廢液。本發(fā)明的反應(yīng)器采用圓柱形結(jié)構(gòu)，易于通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行模塊化放大，適用于處理各種有機(jī)廢水并且同時(shí)產(chǎn)電。同時(shí)，該反應(yīng)器具構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于清洗，適用于分批進(jìn)液進(jìn)行廢水處理和產(chǎn)電。本發(fā)明采用了柱形玻璃反應(yīng)器上部大，下部小，陰極橫截面積遠(yuǎn)大于陽(yáng)極橫截面積的特點(diǎn)，大大提高了電池的輸出功率；同時(shí)該反應(yīng)器陰極室和陽(yáng)極室之間無(wú)膜，既降低了構(gòu)造成本，又便于模塊化放大。陰極直接暴露在空氣中，無(wú)需曝氣，減少了運(yùn)行成本；陽(yáng)極由石墨氈堆疊而成，更多產(chǎn)電菌吸附其上，提高了產(chǎn)電功率密度。本發(fā)明成本低，產(chǎn)電功率密度大，易于通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行模塊化放大，適用于處理多種有機(jī)廢水并且同時(shí)產(chǎn)電，因此通過(guò)以上改進(jìn)提高M(jìn)FC的功率密度，降低構(gòu)造成本和運(yùn)行成本，總之，本發(fā)明的MFC反應(yīng)器與現(xiàn)有的反應(yīng)器相比具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)(1)產(chǎn)電功率密度高；(2)構(gòu)造和運(yùn)行成本低；(3)易于模塊化放大。


圖I為本發(fā)明的無(wú)膜微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)識(shí)I、陰極2、有機(jī)廢水 3、陽(yáng)極4、出水控制閥5、導(dǎo)線6、電阻7、電壓表8、柱形反應(yīng)器
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I如圖I所示，將陽(yáng)極3置于MFC柱形反應(yīng)器8內(nèi)部，將陰極I (涂鉬石墨氈)置于MFC反應(yīng)器上部，然后通過(guò)導(dǎo)線5將陰陽(yáng)極連接起來(lái)，外電路通過(guò)電阻6，將電壓表7接到電阻6的兩端，電阻值固定為100 Q，電壓表輸出數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡保存于存儲(chǔ)系統(tǒng)中。關(guān)閉出水控制閥4，將IOmL從厭氧消解污泥中富集的產(chǎn)電菌接種到MFC陽(yáng)極3 (石墨氈堆積電極)。按表I配方配置IOOmL有機(jī)廢水2，通過(guò)曝氮?dú)獬U水中的溶解氧，用注射器將廢水加入到反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)液面應(yīng)剛好到達(dá)陰極，開(kāi)始MFC處理廢水產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)。通過(guò)電壓表7來(lái)測(cè)量外電路上電阻6兩端的電壓。陽(yáng)極微生物降解醋酸鈉為二氧化碳、電子和質(zhì)子，電子通過(guò)外電路傳遞到陰極，質(zhì)子通過(guò)溶液的擴(kuò)散作用到達(dá)陰極；到達(dá)陰極的電子、質(zhì)子和氧氣反應(yīng)生成水，電子和質(zhì)子的移動(dòng)形成電流。實(shí)驗(yàn)中輸出電壓會(huì)慢慢增大，2-4天內(nèi)輸出電壓會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，并且電壓會(huì)在穩(wěn)定的狀態(tài)下持續(xù)1-2天，當(dāng)廢水中的COD濃度降低到一定水平時(shí)，輸出電壓會(huì)迅速降低，這時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)出水控制閥4，測(cè)定處理后廢水的COD濃度。由存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算電路中的電流，庫(kù)侖效率和反應(yīng)器產(chǎn)電功率密度。該電池的輸出電壓在240mV左右，COD去除率達(dá)到87. 6%，庫(kù)侖效率為31.8%。和其他的一些微生物燃料電池相比，其輸出電壓、COD去除率和庫(kù)侖效率提高較為顯著，這主要是因?yàn)殛帢O面積的增大加速了氧氣的還原速率。表I人工廢水配方 成分含量(/L)
KCl0.1 g
NH4Cl0.2 g
NaH2PC^0.6 g
NaHCO32.5 g
NaCl2.5 g
CH3COONa_2_0g_實(shí)施例2如實(shí)施I的反應(yīng)器和反應(yīng)條件，當(dāng)MFC輸出電壓穩(wěn)定是，改變電阻6的電阻值為IOQ、20Q、30Q、40Q、50Q、60Q、80Q、100Q、200Q、400Q、600Q，測(cè)定電壓表 7 的電壓值。由這些電壓值計(jì)算MFC的最大產(chǎn)電功率密度，電池內(nèi)阻。得出該電池的最大功率密度為7. 6ff/m3,電池內(nèi)阻為60 Q。和目前的微生物燃料電池相比，其最大功率密度增加了一倍以上，電池內(nèi)阻降低了一半左右。內(nèi)阻的減小是由于電池的無(wú)膜結(jié)構(gòu)，而功率密度的提高則是來(lái)自于增大的陰極橫截面和減小的內(nèi)阻。實(shí)施例3如實(shí)施I的反應(yīng)器和反應(yīng)條件，當(dāng)外電路電流明顯下降時(shí)，打開(kāi)出水控制閥4，排盡MFC反應(yīng)器內(nèi)廢水，關(guān)閉出水控制閥4，然后從反應(yīng)器上部加人工廢水至液面到達(dá)陰極，開(kāi)始另一批次的廢水處理和產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)。所得輸出電壓、COD去除率、電池的庫(kù)侖效率、最大功率密度以及電池內(nèi)阻可以重復(fù)以上結(jié)果。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)膜微生物燃料電池，該電池包括柱形反應(yīng)器(8)、陰極(I)和陽(yáng)極(3)，其特征在于， 所述的柱形反應(yīng)器(8)采用變徑結(jié)構(gòu)，所述的陰極(I)設(shè)置于柱形反應(yīng)器(8)上部變徑結(jié)構(gòu)處，該陰極(I)的上部暴露于空氣中，下部浸入反應(yīng)液中；陽(yáng)極(3)設(shè)置于柱形反應(yīng)器(8)下部，其中陰極(I)橫截面面積與陽(yáng)極(3)橫截面面積之比大于2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的陰極(I)采用涂鉬石墨氈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的陽(yáng)極(3)由若干石墨氈堆積而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的柱形反應(yīng)器(8)采用玻璃反應(yīng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的柱形反應(yīng)器(8)下端一側(cè)設(shè)有出水控制閥(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的陰極(I)和陽(yáng)極(2)之間通過(guò)導(dǎo)線(5)與電阻(6)或用電裝置連接構(gòu)成回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的導(dǎo)線(5)為防腐蝕的鈦線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)膜微生物燃料電池，其特征在于，所述的電阻(6)兩端并聯(lián)接入電壓表(7)，用于電阻(6)兩端電壓的測(cè)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無(wú)膜微生物燃料電池。該電池包括柱形反應(yīng)器(8)、陰極(1)和陽(yáng)極(3)，所述的柱形反應(yīng)器(8)采用變徑結(jié)構(gòu)，所述的陰極(1)設(shè)置于柱形反應(yīng)器(8)上部變徑結(jié)構(gòu)處，該陰極(1)的上部暴露于空氣中，下部浸入反應(yīng)液中；陽(yáng)極(3)設(shè)置于柱形反應(yīng)器(8)下部，其中陰極(1)橫截面面積與陽(yáng)極(3)橫截面面積之比大于2。本發(fā)明的MFC反應(yīng)器與現(xiàn)有的反應(yīng)器相比具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)(1)產(chǎn)電功率密度高；(2)構(gòu)造和運(yùn)行成本低；(3)易于模塊化放大。
文檔編號(hào)H01M8/16GK102751524SQ201110095879
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者唐新華, 李浩然, 賴(lài)斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所