CN102544562A - 一种空气透过阴极双室微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气透过阴极双室微生物燃料电池。所述电池包括接种活性污泥的阳极室和空气透过阴极室，两室之间由阳离子交换膜分隔。阳极室内设置有阳极，阴极通过开口挡板固定于反应器形成阴极室。阴极的一面接触阴极溶液，另一面直接与空气相通。阳极室与空气隔绝形成厌氧环境，室温条件下微生物分解代谢有机物产生电子，电子通过外电路移动到空气透过阴极，与空气中的氧气及通过隔膜从阳极透过的质子反应生成水，同时产生电能。本发明为阴极提供了充足的溶解氧，避免了机械曝气；以空气中的氧气作为微生物燃料电池的电子受体，不需定期更换阴极室的电解液，是一种可持续低成本的微生物燃料电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，透过的空气为阴极提供充足的溶氧作为微生物燃料电池的电子受体，属于绿色生物能源技术领域。
背景技术
传统的微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, MFC) 由一个阳极室和一个阴极室组成，两极室之间通过质子交换膜（PEM）相隔。其主要原理是以阳极微生物作为催化剂厌氧氧化碳水化合物（如葡萄糖、乙酸钠等），产生电子、质子和二氧化碳。电子传输到阳极通过外电路负载到达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室到达阴极室，阴极室电子受体（以O2为例）在阴极得到电子而被还原，从而形成回路，产生电流。微生物燃料电池是一种绿色新能源技术，在近几年得到广泛深入地研究，为解决能源短缺问题提供了一条新途径。
MFC 的反应器从结构上分可以大体分为单室 MFC 和双室 MFC 两大类，而阴极的设计形式决定了 MFC 反应器的设计形式；另一方面，阴极过高的电位损失是限制 MFC 功率密度进一步提高的重要因素。空气取之不尽，用之不绝，利用空气中的氧气作为生物燃料电池的阴极电子受体具有很大的成本优势。专利申请号为CN201110214160.2，发明名称为“一种生物阴极自然充氧的微生物燃料电池”的中国专利申请通过在阴极室由上而下依次设置布水区、接触氧化区和底槽强化自然充氧效果，但是阴极室结构相对复杂。目前以氧气做为阴极室电子受体的微生物燃料电池常用机械曝气的形式进行曝气，能源耗费较大，成本较高，有必要提供一种结构简单又能较好的实现空气自然进入阴极的微生物燃料电池。
发明内容
1、技术方案：本发明的目的是提供一种空气透过阴极双室微生物燃料电池阴极，为阴极提供了充足的溶氧，省去阴极常用的机械曝气，节省耗能，降低操作成本，实现真正意义上可持续性的 MFC；该阴极室结构具有设计简单，可操作性强，基础和运行费用大大降低等优点。
2、具体的运用方法：本发明提供一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间由阳离子交换膜隔开，阳极室和阴极室各自设有挡板、取样加液口，阳极和阴极分别位于阳极室和阴极室，并通过导线和外电阻连成闭合回路。需要清空反应器时，可以打开挡板将电极液全部排出。
阳极室与阳极挡板、阳极室与阴极室、阴极室与阴极挡板两两通过螺栓和螺帽固定。
阳极挡板为边长同阳极室裙边长相等的正方形有机玻璃板，带有与阳极室裙边对应的螺孔；阴极挡板为边长同阴极室裙边长相等的、中间带有开口的正方形有机玻璃板，并带有与阴极室裙边对应的螺孔。
阳极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L，NaAc 0.82 g/L；阴极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L 。
3、有益效果：本发明采用获取方便，取之不尽的氧气作为微生物燃料电池的电子受体，空气透过阴极，提高了阴极室溶解氧浓度，避免了常用的机械曝气；节约了操作成本，实现了真正意义上可持续的 MFC；该阴极结构具有设计简单，可操作性强，基础和运行费用大大降低等优点。
附图说明
图1为本发明所述空气透过阴极双室微生物燃料电池示意图。
图中标示：1-阳极室、2-阴极室、3-阳离子交换膜、4-阳极、5-阴极、6-阳极挡板、7-阴极开口挡板、8-取样孔塞、9-取样孔、10-电阻、11-导线、12-螺栓、13-螺母。
图2 为本发明所述空气透过阴极双室微生物燃料电池极化曲线（A）和功率密度曲线（B）图。
具体实施方式
本发明提供了一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，以下结合附图对具体实施方式加以说明。
装置实施例：本实施例一种空气透过阴极双室微生物燃料电池包括厌氧阳极室（1）和好氧阴极室（2）两个腔室；阳极室（1）和阴极室（2）之间采用阳离子交换膜（3）进行分隔；阳极和阴极通过导线（11）和外电阻（10）连成闭合回路，阳极室（1）与阳极挡板（6）、阳极室（1）与阴极室（2）、阴极室（2）与阴极开口挡板（7）两两通过螺栓（12）和螺帽（13）固定。人工废水和活性污泥从取样孔（9）加入阳极室，加料完毕后塞上取样孔塞（8），在密闭的阳极厌氧环境中，阳极室内的产电微生物通过代谢将废水中的有机物氧化分解并产生电子、质子，电子经外电路转移到阴极，质子经由阳离子交换膜扩散到阴极，空气透过PTFE和碳粉修饰的导电金属网阴极（5）进入阴极室，阴极室内的氧气与从阳极通过导线传递到阴极室的电子和透过阳离子交换膜进入阴极室的质子结合生成水达到稳定产电的过程。
实施例：本实施例一种空气透过阴极双室微生物燃料电池中阳极包括碳毡，阴极包括不锈钢网导电金属网。阴极由面积为5.5cm×5.5cm不锈钢网经10% PTFE和碳粉进行防渗修饰。阴极不锈钢网与空气接触面涂有10% PTFE，350℃加热40分钟修饰，防止阴极室电解液通过阴极渗出，不锈钢网与阴极电解液接触面涂有10% PTFE与碳粉的混合物，350℃加热40分钟。电路中设有外电阻，输出电压通过数据采集器（Model 27XX integral series，Keithley Intruments Inc USA）自动记录到计算机中（5min/次）。阳极接种污泥取自厦门集美污水处理厂。
阳极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L，NaAc 0.82 g/L，阴极液除不添加乙酸钠，其它成分同阳极液。
保持阳极室厌氧环境，在基质充足并且该空气透过阴极双室微生物燃料电池处于稳定产电能力时改变外电阻大小，分别检测电阻为30000Ω、10000Ω、5100Ω、1000Ω、510Ω、200Ω、100Ω、51Ω和10Ω的输出电压，绘制该空气透过阴极双室微生物燃料电池极化曲线（图2A），换算成功率绘制空气透过阴极双室微生物燃料电池功率密度曲线（图2B）。该空气透过阴极双室微生物燃料电池的开路电压为375mV, 最大输出功率为52mW/m2阴极面积。根据欧姆定律，电池在最大输出功率时外阻等于内阻，得出该燃料电池内阻为200Ω。
Claims (4)
1.一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间由阳离子交换膜隔开，阴极室设有空气透过开口挡板、取样口，阳极和阴极分别位于阳极室和阴极室，并通过导线和外电阻连成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，其特征在于阳极室与阳极挡板、阳极室与阴极室、阴极室与阴极挡板两两通过螺栓和螺帽固定。
3.根据权利要求1所述的一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，其特征在于当需要清空反应器时，可以打开阴阳极室隔板将电极液全部排出。
4.根据权利要求1所述的一种空气透过阴极双室微生物燃料电池阴极，其特征在于阴极设有开口挡板，使阴极与空气接触。
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