一種控溫微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統(tǒng)，所述控溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器。本發(fā)明能夠迅速調(diào)控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，其結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
【專利說明】
一種控溫微生物燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電池，尤其涉及一種控溫微生物燃料電池，屬于綠色生物能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell ,MFC)由陽極室和陰極室組成，兩極室之間通過離子交換膜相隔。陽極微生物在厭氧環(huán)境下降解有機物產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳；電子傳輸?shù)疥枠O通過外電路負載到達生物陰極，質(zhì)子通過離子交換膜由陽極室到達陰極室；陰極室電子受體氧氣在陰極得到電子和質(zhì)子而被還原成水，從而產(chǎn)生電流。微生物燃料電池是一種綠色新能源技術(shù)，在近兒年得到廣泛深入地研究，為解決能源短缺和污水處理提供了一條新途徑。
[0003]到目前為止，實驗室里的微生物燃料電池的實際性能比理想性能還是低很多。微生物燃料電池的產(chǎn)電性能產(chǎn)生受到很多因素的影響。微生物燃料電池的產(chǎn)電包括幾個主要過程:微生物的代謝、電子從細胞傳遞到陽極、質(zhì)子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極以及陰極上電子受體的還原反應(yīng)，這幾個部分中每一個微小的細節(jié)都直接影響到微生物燃料電池的性能。
[0004]電池中微生物的低轉(zhuǎn)化效率，即使是在最快的生長速率下，微生物的轉(zhuǎn)化效率以及與電極之間的電子傳遞依然很慢。而高溫能夠加速幾乎所有的反應(yīng)動力學，包括生物的和化學的。通過升溫的方法可以提高電子在微生物中的轉(zhuǎn)化效率，降低電極反應(yīng)的活化損失。
[0005]在微生物燃料電池中通常都是利用氧氣作為陰極中還原反應(yīng)的電子受體，氧氣還原的動力學因素也是微生物燃料電池性能的一個限制因子。升溫能夠提高物質(zhì)傳輸速率、加速陰極的電極反應(yīng)，從而提高電池的性能。
[0006]將微生物燃料電池整個放置在有控溫裝置的水槽中，可以獲得穩(wěn)定的恒溫環(huán)境，中國專利文CN101916871A公開了一種微生物燃料電池的控溫裝置，由水槽、擋板、鈦加熱管、熱電偶、循環(huán)水栗、半導體制冷器和電器控制儀表構(gòu)成;水槽為長方形結(jié)構(gòu)并設(shè)有進水口和出水口，水槽內(nèi)壁上設(shè)有擋板插槽;擋板為長方形板并開有長方形水流孔;鈦加熱管和熱電偶固定在水槽內(nèi)；循環(huán)水栗進水口通過管道與水槽出水口相連，循環(huán)水栗出水口通過管道與半導體制冷器進水口相連，半導體制冷器出水口通過管道與水槽進水口相連;鈦加熱管、熱電偶、循環(huán)水栗和半導體制冷器分別通過導線與電器控制儀表連接。該裝置可以根據(jù)反應(yīng)溫度的需要實現(xiàn)溫度的上升和降低，為微生物燃料電池運行工藝條件的深入研究提供有力的實驗條件，但是當微生物燃料電池體積比較大的情況下，特別是處理城市污水時需要大體積的電池，整體控溫獲得穩(wěn)定溫度所需要的時間長，讓整個微生物燃料電池整體恒溫所需要的外加能量巨大。本發(fā)明設(shè)計了一種控溫微生物燃料電池。利用本發(fā)明，不僅可以監(jiān)測微生物燃料電池陽極和陰極表面溫度，而且可以通過溫控電路快速調(diào)控陽極和陰極表面溫度。本發(fā)明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間。和加熱整個微生物燃料電池相比，本發(fā)明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本。本發(fā)明所述的微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種控溫微生物燃料電池，通過溫控電路控制微生物燃料電池的陽極體和陰極體表面溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；本發(fā)明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發(fā)明所述的微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統(tǒng)。
[0009]優(yōu)選的，所述控溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器，所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號接收端與所述溫度傳感器的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體外表面。
[0010]優(yōu)選的，所述陽極體和所述陰極體均由內(nèi)層加熱片，中間層導熱絕緣體與外層電極活性體組成。
[0011 ]優(yōu)選的，所述加熱片是金屬材料或非金屬材料或合金材料。
[0012]優(yōu)選的，所述的導熱絕緣體可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種。
[0013]優(yōu)選的，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、欽片材料。
[0014]優(yōu)選的，所述閉合回路包括導線、外電阻和電壓表。
[0015]優(yōu)選的，所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。
[0016]優(yōu)選的，所述溫度傳感器引線的數(shù)量至少為兩根。
[0017]優(yōu)選的，所述溫度控制器的數(shù)量為一個或兩個。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明能夠迅速調(diào)控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；與傳統(tǒng)的加熱整個微生物燃料電池相比，本發(fā)明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發(fā)明所述的微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種控溫微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例一一種控溫微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0022]如圖1所示，一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設(shè)置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室4內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室4上端設(shè)置開口 14，用于供大氣氣體進入;所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統(tǒng)。
[0023]所述控溫系統(tǒng)包括直流電源8、溫度控制器9和溫度傳感器10，所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器10設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體外表面，所述陽極體和所述陰極體均由內(nèi)層加熱片11，中間層導熱絕緣體12與外層電極活性體13組成，所述加熱片11是金屬材料或非金屬材料或合金材料，所述閉合回路包括導線7、外電阻6和電壓表15。
[0024]在本發(fā)明的具體技術(shù)方案，在控溫系統(tǒng)中，直流電源8負責提供直流電，溫度傳感器10測定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器9，溫度控制器9通過調(diào)節(jié)施加在陽極體和陰極體的內(nèi)層加熱片11電流大小來控制陽極體和陰極體表面的溫度;所述的內(nèi)層加熱片11可以是金屬材料如銅片、鎳片、鐵片等，可以是非金屬材料如碳片等，還可以是合金材料如鐵鎳合金片、鎳鉻合金片、鐵鎳鉻合金片等。
[0025]所述的導熱絕緣體12可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料，所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻或熱電偶，所述溫度傳感器10引線的數(shù)量至少為兩根，所述溫度控制器9的數(shù)量為一個或兩個。所述的陽極體接種厭氧微生物，厭氧微生物5可以是琥珀酸放線桿菌、嗜水氣單胞菌、拜氏梭菌、腐敗希瓦氏菌等，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物；陽極微生物分解代謝有機物產(chǎn)生電子，電子通過外電路移動到陰極室4，氧氣與電子以及從陽極室3透過的質(zhì)子在陰極室4反應(yīng)生成水，同時產(chǎn)生電能;所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻如Ptl00、Ptl000、Ptl0000、Cu50、NTC、PTC等，也可以是熱電偶如K型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶、S型熱電偶、B型熱電偶等。
[0026]本發(fā)明能夠迅速調(diào)控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；和加熱整個微生物燃料電池相比，本發(fā)明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發(fā)明所述的微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
[0027]實施例一
[0028]如圖2所示，一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設(shè)置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室4內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室4上端設(shè)置開口 14，所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統(tǒng)。
[0029]所述控溫系統(tǒng)包括直流電源8、溫度控制器9和溫度傳感器10，所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器10設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體外表面，所述陽極體和所述陰極體均由內(nèi)層加熱片11，中間層導熱絕緣體12與外層電極活性體13組成，所述加熱片11是金屬材料或非金屬材料或合金材料，所述閉合回路包括導線7、外電阻6和電壓表15。
[0030]具體實用時:在加熱片11外層修飾上一層導熱絕緣體12，并在導熱絕緣體12上修飾上一層電極活性體13，并將溫度傳感器10通過環(huán)氧樹脂膠固定在電極活性體13表面。對于陽極體來說，還需要在陽極體電極活性體接種厭氧微生物5。陽極體和陰極體分別位于陽極室3和陰極室4，兩室之間通過陽離子交換膜2隔開。陽極體和陰極體通過導線7和外電阻6連接形成閉合回路，電壓表15用于檢測和控制閉合回路的電壓。輸出電壓通過數(shù)據(jù)采集器自動記錄到計算機中。控溫系統(tǒng)中直流電源8與溫度控制器9相連接提供直流電，溫度傳感器10測定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器10，溫度控制器10通過調(diào)節(jié)輸出電流的大小來控制陽極體和陰極體表面的溫度。陰極室4處在敞開的大氣環(huán)境中，并設(shè)導氣管供空氣從陰極室4上端進入。陽極室3加入可生化處理的有機廢水并使其處在密閉的厭氧環(huán)境中，陽極室3內(nèi)的產(chǎn)電微生物通過代謝將廢水中的有機物氧化分解并產(chǎn)生電子、質(zhì)子，電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，質(zhì)子經(jīng)由陽離子交換膜擴散到陰極室4，陰極室4內(nèi)的氧氣與從陽極體通過導線傳遞到陰極室4的電子和透過陽離子交換膜進入陰極室的質(zhì)子結(jié)合生成水實現(xiàn)產(chǎn)電過程。
[0031 ]在本發(fā)明一較佳實施例中，所述加熱片11為銅片。
[0032]在本發(fā)明一較佳實施例中，所述導熱絕緣體12為導熱硅脂。
[0033]在本發(fā)明一較佳實施例中，所述電極活性體13為碳漿，并通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)修飾到導熱絕緣體12中。
[0034]在本發(fā)明一較佳實施例中，所述溫度傳感器10為PtlOOO，引線為三線制。
[0035]有益效果:利用本發(fā)明，不僅可以監(jiān)測微生物燃料電池陽極體和陰極體表面溫度，而且可以通過控溫系統(tǒng)快速調(diào)控陽極體和陰極體表面溫度。本發(fā)明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間。和加熱整個微生物燃料電池相比，本發(fā)明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本。本發(fā)明所述的微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
[0036]對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述控溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器，所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號接收端與所述溫度傳感器的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體外表面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述陽極體和所述陰極體均由內(nèi)層加熱片，中間層導熱絕緣體與外層電極活性體組成。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述加熱片是金屬材料或非金屬材料或合金材料。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述的導熱絕緣體可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述閉合回路包括導線、夕卜電阻和電壓表。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器引線的數(shù)量至少為兩根。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度控制器的數(shù)量為一個或兩個。
【文檔編號】H01M8/04701GK106058289SQ201610559346
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】施志聰, 黃宗雄, 柯曦, 劉軍
【申請人】廣東工業(yè)大學