CN100380724C - 从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池。它包括阳极和阴极，阳极和阴极分别置于圆柱形反应器的两端，反应器的上端的中部设有取样口，两端分别设有进水口和出水口，阳极材料为碳纸，阴极材料为含有金属Pt催化剂的碳布，阳极面积∶阴极面积＝3∶1，阳极与阴极之间用铜导线相连接。是对传统生物燃料电池的重大改进，除了具备一般生物燃料电池的优点以外，它还有一些独特的优点：第一，去掉了质子交换模，大大降低了基建投资；第二，具有更低的内电阻，因此可以获得更高的功率输出；第三，有效地提高了系统的电子回收。因此可以在提高功率输出的同时，高效率的回收有机物中的电子，运行更加稳定。

Description

从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池

(一)技术领域

本发明涉及的是一种发电装置，本实用新型也涉及一种污水的处理装置，具体地说是一种利用有机废水的生物燃料电池。

(二)背景技术

地球上的天然气、石油、煤等一次性能源的数量是有限的。在将来的10～20年之间，全球的石油产量将不再能够满足人们对能源的需求，这很可能会导致继20世纪70年代早期后的第二次世界范围内的能源危机。另外，当前环境污染日益严重，而全世界每年用于处理废水消耗的能源十分巨大，给社会的发展带来沉重的负担。因此，一方面需要寻求新的清洁能源取代一次性能源，另一方面需要开发新的技术从废水中回收能源以降低废水的处理费用。

可以从有机废水中回收的能源主要有甲烷，氢气和电能。

有机物可以在厌氧条件下被转化成甲烷气体，作为能源进行回收。但是这种方法的主要问题有两个。一方面，由于产甲烷细菌对环境条件极为敏感，所以很难控制合适的条件使厌氧处理系统达到稳定；另一方面，甲烷属于温室气体，大量使用会加速全球变暖，因此不是环境友好能源。因此，该方法受到了一定的限制。

氢气被认为是最具开发潜力的清洁能源之一，利用发酵微生物从废水中提取氢气是获得廉价氢气的有效途径。但是，正如Benemann所指出的那样，这种方法只有使氢气的转化率提高到60％-80％才有经济价值^[1]。遗憾的是，目前要实现这个目标需要克服很大的技术障碍。理论上，如果使用产氢细菌作为催化剂，以葡萄糖作为底物提取氢气，每降解1mol的葡萄糖，氢气的产量为12mol。但实际上，目前已知的菌种只能使氢气的产量最大达到4mol，总效率为33％，而在实际运行过程中的数值还要远低于此。利用厌氧发酵法从有机废水中提取氢气只能使有机废水能量中的15％以氢气的形式存在，换句话说，其余85％的能量还是被浪费掉了。因此，需要寻求新的途径来回收有机废水中的能源。

还有一种方法是直接从有机物中发电。能够从有机物中发电的装置叫做生物燃料电池。在生物燃料电池中，有机物被氧化的过程要产生电子和质子(NADH)，电子在微生物的催化作用下转移到阳极，质子留在液相中。如果用导线将阳极和阴极连接起来，电子就会到达阴极。在阴极，电子和电子受体以及剩余的质子会发生反应，伴随阳极有机物降解和阴极的反应，可以在外电路获得连续的电流。事实上，有机污染物在微生物作用下分解的过程就是电子转移的过程。如果电子的迁移是在液相内部完成，对应的过程就是污水处理中的活性污泥法；如果能够将产生的电子导出，使电子在外电路迁移，对应的过程就是生物燃料电池。

生物燃料电池是在微生物催化剂的作用下，将化学能转化成电能的装置，分为阳极区和阴极区，这两个区由质子交换膜(PEM)隔开。在阳极区，微生物以有机物作为电子供体，以电极作为电子受体将有机物氧化，这个过程会产生质子和电子，电子在阳极上富集，通过外电路转移到阴极上；质子通过质子交换膜进入阴极区。在阴极区，电子、质子和氧气结合，生成水，图1给出的是生物燃料电池的原理如果以葡萄糖作为发电底物，氧气作为电子受体，则两个电极上的半反应分别为：

阳极半反应：E⁰＝0.014V(1)

阴极半反应：E⁰＝1.23V(2)

理论上，每氧化1mol的葡萄糖可以产生1.216V的电压。

传统的双室生物燃料电池一般是由一个阳极反应室和一个阴极反应室组成，中间用质子交换膜分隔，如图2所示。但是这种形式的反应装置由于(1)设备过于复杂，运行和管理都比较困难；(2)间歇运行，实际中很难连续发电；(3)所使用的PEM造价十分昂贵；(4)向阴极曝气增加了运行费用；(5)发电功率输出低。这些不足之处限制了其应用。

为了克服传统双室燃料电池的缺点，人们研发了空气阴极生物燃料电池。这种形式的燃料电池是单池形式，以空气作为阴极，其设计特点为：(1)阳极和阴极处于同一个反应室内；(2)阴极省去了昂贵的质子交换膜。和传统的双室燃料电池相比，它具有十分明显的优点：(1)设计极其简单；(2)由于阴极用空气扩散取代了曝气，减少了曝气消耗的运行费用，另外由于空气的氧化还原电位高于液相曝气，可以提高阴极电位，进而增大电池的电动势和功率输出；(3)去掉了质子交换膜可以大大降低系统的基建投资。但是，目前国际上已经报道的这种形式的生物燃料电池具有相同的阳极和阴极面积，其最大的缺点是由于省去了质子交换膜，大大增加了阴极氧气的扩散速率，从阴极透过的氧气进入到反应器后破坏了厌氧条件，大大的降低了系统的电子回收率。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能增大电池功率输出的同时提高电子回收的从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池。

本发明的目的是这样实现的：它包括阳极和阴极，阳极和阴极分别置于圆柱形反应器的两端，反应器的上端的中部设有取样口，两端分别设有进水口和出水口，阳极材料为碳纸，阴极材料为含有金属Pt催化剂的碳布，阳极面积大于阴极面积，阳极与阴极之间用铜导线相连接。

在传统的废水好氧处理中，如果按照处理1m³的生活污水消耗0.5kWh电能计算，一个中等规模的污水处理厂(处理量3.0×10⁵m³)每天处理污水消耗的电能为1.5×10⁵kWh，如果1度电按照0.6元计算，这样规模的污水处理厂每年要消耗近3500万元的电费。随着对环境保护力度的加大，污水处理厂的数量将不断增加，处理规模将继续加大，这对政府和社会来说是一个严重的负担。生物燃料电池可以以微生物作为催化剂将废水中碳水化合物中的化学能直接转化为最清洁的能源-电能。和传统的方法相比，它具有十分明显的优点。第一，它可以在中温甚至低温条件下运行；第二，不会产生对空气有污染的气体，如硫化氢；第三，污泥产量少，降低了污泥处理的费用；第四，发电的同时能够处理污水。因此利用生物燃料电池从有机废水中发电可以最大限度的实现污水和废水处理的可持续性发展，一旦实现将产生不可估量的社会、环境和经济效益。

本发明的阳极阴极面积不等的空气阴极生物燃料电池，是对传统生物燃料电池的重大改进，除了具备一般生物燃料电池的优点以外，它还有一些独特的优点：第一，去掉了质子交换摸，大大降低了基建投资；第二，具有更低的内电阻，因此可以获得更高的功率输出；第三，有效地提高了系统的电子回收。因此可以在提高功率输出的同时，高效率的回收有机物中的电子，运行更加稳定。

(四)附图说明

图1生物燃料电池工作原理；

图2是传统双室生物燃料电池的结构示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是启动期电压输出；

图5是体积功率密度随电流密度的变化；

图6是电压和电流强度的线性回归曲线

图7是电压输出和电子回收(葡萄糖作为底物，650mg/L)。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图3，从有机废水中发电空气阴极生物燃料电池的组成包括阳极1和阴极2，阳极和阴极分别置于圆柱形反应器3的两端，两端分别设有进水口4和出水口5，阳极材料为碳纸，阴极材料为含有金属Pt催化剂的碳布，阳极面积大于阴极面积，一般阳极面积：阴极面积＝(3-6)：1，最佳为阳极面积∶阴极面积＝3∶1，阳极与阴极之间用铜导线6相连接。阳极和阴极之间连有电阻7，电压用万用表8进行测定。

为了比较本发明的燃料电池的发电性能，设计两个空气阴极生物燃料电池分别为ACMFC1和ACMFC2。将ACMFC1的阳极和阴极分别置于有机玻璃制成的圆柱形反应器(有效容积60mL)两端，上端的中部设有取样口，两端分别设有进水和出水口。阳极使用碳纸(有效面积13cm²，E-TEK)制成，阴极由含有金属Pt催化剂的碳布制成。ACMFC2是我们自行设计的燃料电池，有效容积为80mL，阳极为碳纸(有效面积40cm²，E-TEK)，阴极为涂有Pt催化剂的碳布电极材料(有效面积12.56cm²)，两个燃料电池的阳极和阴极都用钢导线相连接。

试验结果如下：

1、电压输出

将生活污水(COD＝314.67～327.75mg/L，pH＝7.0～7.5)与乙酸钠(1.0mM)营养液^[3]的混合物和培养好的厌氧污泥(MLSS＝4000mg/L)投加到反应器中，间歇运行。经过5次更换生活污水和活性污泥，ACMFC1产生了0.301V的电压；ACMFC2产生了0.364V的电压(外电阻1000Ω)，如图4所示。

2、功率输出

如图5所示，使用葡萄糖(650mg/L)作为底物发电时，ACMFC1的最大功率输出为3070mW/m³(电流密度为13mA/dm³)；ACMFC2的最大功率密度达到了9800mW/m³(电流密度为35mA/dm³)，是ACMFC1的3倍左右。

3、内阻及电动势

从图6中可以看出，ACMFC1的内阻为307.72Ω，ACMFC2的内阻更小，为107.79Ω。这是导致ACMFC2的功率密度大于ACMFC1的直接原因。因此，可以通过设计减小电池两电极之间的距离，同时增大反应器的横截面积来降低内阻。原因是，

$r=\mathrm{\ρ}\frac{l}{A}---\left(5\right)$

其中，r(Ω)为电池内阻，ρ(Ωm)为电阻率，l(cm)为两极距离；A(cm²)为横截面积。ACMFC2的l/A值为0.37m^-1，小于ACMFC(0.05m^-1)，因此具有更小的内阻。

此外，ACMFC1的电动势为0.4665V，ACMFC2电动势为0.5894V。这主要是因为ACMFC2的阳极面积大于ACMFC1的阳极面积，从而为转移电子微生物的生长提供了充足的面积，更多的转移电子的细菌可以完成电压的升高。

4、电子回收

ACMFC1的运行时间仅不到50h，电子回收为9.78％；而ACMFC2可以连续运行220h以上，电子回收率为30.1％；(均以电压输出小于0.05V作为反应终点)，如图7所示。这个结果要比Liu等人报道的结果高出10％～20％。

Claims (2)

1.一种从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池，它包括阳极和阴极，阳极和阴极分别置于圆柱形反应器的两端，反应器的上端的中部设有取样口，两端分别设有进水口和出水口，阳极材料为碳纸，阴极材料为含有金属Pt催化剂的碳布，其特征是：阳极面积大于阴极面积，阳极与阴极之间用铜导线相连接，阳极面积∶阴极面积＝(3-6)∶1。

2.根据权利要求1所述的从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池，其特征是：阳极面积∶阴极面积＝3∶1。

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