CN100449845C - 可堆叠式单室微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可堆叠式单室微生物燃料电池，电池为薄板式结构，电池厚度为5-30cm，两组膜电极共用一个阳极室，便于组装成较大规模的微生物燃料电池堆，以便输出较大的电压和电流来满足不同用电设备的需求。单体电池采用空气式阴极，不需曝气，同时也不需向阴极室添加介体，可大大降低运行成本，并且避免添加介体造成的环境污染。阳极室内添加碳纤维提高阳极的比表面积，可将单体电池的电流密度提高3-10倍。电池运行采用上部进水，底部出水的方式，减少了对回流设备的需求，还能节省50%-70%的电能。本发明是一种清洁的先进能源技术，在市政、工业、农业和空间有机废水的处理上都具有广阔的应用前景。

Description

可堆叠式单室微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种可堆叠式单室微生物燃料电池，该种电池便于堆叠成较大规模的微生物燃料电池堆，以满足不同功率用电设备的需求。该发明属能源环境领域技术，用于有机废水净化和能源回收，在市政、工业、农业和空间有机废水的处理及资源化利用上都具有广阔的应用前景。
背景技术
微生物燃料电池(microbial fuel cells，MFCs)是一种利用厌氧微生物的酶将储存在有机物质中的化学能转化成电能的装置。它发电的燃料可以是有机废水，发电成本很低，而且在产电的同时能够净化污水，因此是一项具有广阔应用前景的可持续发展的、清洁的先进能源技术。
目前，单体微生物燃料电池的电流和电压都不高，不能满足实际应用的需求，因此不断提高电池产电有助于加快微生物燃料电池的商业化应用。提高电池产电的手段有很多，其中将多个单体电池堆叠成微生物燃料电池堆是一种有效的方法，采用串联和并联堆叠的方式分别可以大大提高电池的电压和电流。已有的微生物燃料电池堆单体电池采用双室结构设计，存在很多缺点：单体电池较厚，因而电池堆占用的空间大，不易堆叠成较大规模的电池堆；双室结构的单体电池产电低于单室电池；并且阴极需要添加铁氰化物作为介体，不但增加了电池的运行成本，而且由于介体有毒，会对环境造成二次污染。本发明的可堆叠式单室微生物燃料电池采用薄板式结构，并且两组膜电极共用一个阳极室，可大大减小电池的厚度，便于堆叠成大规模的电池堆；单室电池的产电较双室电池的高，不需要额外添加其它物质。
作为一种利用微生物产电的技术，微生物体内缓慢的电子传递体系是限制微生物燃料电池产电提高的主要原因。目前已有一些提高微生物电子传递速率的方法，但是并不能大幅度提高电池的产电能力，而通过增加产电微生物的数量来提高电池的产电是一种有效的措施，由于产电微生物主要吸附在电极表面，因此有研究者采用向阳极室加入活性炭颗粒来增加阳极产电微生物吸附量的方法来提高产电。这种方法长期运行时，由于活性炭颗粒表面生物膜的生长，会导致颗粒状电极的导电性降低，同时会堵塞活性炭颗粒，增加进水的水头损失和能耗。本发明向阳极室内添加导电性优良的碳纤维，不但能大大提高电池的产电，而且生物膜的生长不会对其导电性产生任何不良影响。
微生物燃料电池连续运行时一般采取升流式的运行方式，这种方式为了保证足够的升流冲力，要将出水部分回流，即需要回流设备，从而增加了能耗，并且升流式供水装置所需的压力也较大。这些装置所消耗的电能会抵消微生物燃料电池产生的电能，从而使得微生物燃料电池与其它污水处理装置或产电装置相比没有明显的竞争优势。本发明采取上部进水、下部出水的方式运行，废水完全靠重力流动，不需回流装置，供水设备所需的压力比升流式低很多，可大大降低运行过程中的能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种可堆叠式单室微生物燃料电池，此电池设计采用薄板式结构，便于堆叠成较大规模的电池堆，以输出不同的功率来满足不同用电设备的需求。
本发明是通过如下的方案实现的：
可堆叠式单室微生物燃料电池由两组膜电极组成，分别位于电池的两侧，两组膜电极共用一个阳极室，与只有一侧有膜电极的单室电池相比，电池厚度减小很多，仅为5-30cm，便于堆叠成电池堆。
本发明电池的膜电极由阴极、质子交换膜和阳极热压在一起组成。阴极材料是载铂0.5mg/cm2的碳纸，阳极材料是未载任何催化剂的碳纸。这种膜电极与现有燃料电池膜电极的不同之处在于：阳极未载铂催化剂，大大降低了膜电极的成本。
本发明在阳极室内放置碳纤维，来增加阳极的比表面积，从而增加微生物燃料电池的产电。
本发明中电池采取从上部进水，底部出水的方式运行，不需要回流设备，废水靠重力流动，供水设备所需的压力也比升流式低很多，大大降低运行过程的能耗。
有益效果：
本发明所涉及的可堆叠式单室微生物燃料电池设计成薄板式结构(厚度5-30cm)，两个膜电极共用一个阳极室，便于堆叠成电池堆，以便输出较大的电压和电流来满足不同用电设备的需求；这种单室结构的电池阴极直接和空气接触，不需要曝气，同时也不需要向阴极添加介体，不但大大降低了电池的运行成本，而且避免了介体造成的环境污染。采取碳纤维来增加阳极的比表面积，单体电池的电流密度可以提高3-10倍，并且长期连续运行时不会存在堵塞的问题，电极的导电性也不受生物膜生长的影响。电池采取上部进水、下部出水的运行方式，不但减少了对回流设备的需求，还能节省50％-70％的电能。
应用领域：
本发明的可堆叠式单室微生物燃料电池，可以作为一种先进的能源技术，为家庭或企事业单位提供电能，而且还可以成为一种高效的污水处理技术，在市政、工业、农业和空间有机废水的处理上都将具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是可堆叠式单室微生物燃料电池及其供水装置、记录电压系统。
图2是可堆叠式单室微生物燃料电池的正视图。
图3是可堆叠式单室微生物燃料电池的右视图。
具体实施方式
本发明的可堆叠式单室微生物燃料电池采用图1所示的系统进行供水和产电采集。污水储存在蓄水池1中，利用水泵2将污水抽到电池中，从上部进水口3进入电池阳极室4内，污水和微生物在挡板5的作用下充分混合，从底部出水口6出水，出水口6处设有阀门7，通过调节阀门7开启的大小控制出水的流量，从而控制阳极室内污水的水力停留时间。
电池外部接用电器8，利用电压测试设备9测量用电器8两端的电压，此电压可通过数据采集器连续传输给电脑10。
本发明的可堆叠式微生物燃料电池是单室结构的(图2所示)，电极采用膜电极方式，每个电池由两组膜电极11组成，分别位于电池的两侧。两组膜电极共用一个阳极室4。电池很薄，仅为5-30cm。膜电极由阴极、质子交换膜和阳极组成，阴极为载铂0.5mg/cm2的碳纸，质子交换膜采用Nafion 117膜，阳极为未载任何催化剂的碳纸。支撑板12起固定和保护膜电极的作用。
图3所示，通过开口13向阳极室4内填充碳纤维14，以增加阳极的比表面积。电池内设有两块挡板5，目的是使有机废物与微生物接触更加充分，挡板与水平面有15°的夹角，防止污染物或污泥在挡板上沉积。电池底部15与水平面有30°夹角，便于颗粒物质及时排出，防止沉积在电池底部。

Claims (4)

1、一种可堆叠式单室微生物燃料电池，所述电池为薄板式，所述电池的两组膜电极共用一个阳极室，所述电池厚度仅为5-30cm，所述电池可以组装成较大规模的微生物燃料电池堆，此微生物燃料电池堆可输出较大的电压和电流来满足不同设备的需求，其特征是所述电池的阴极采用空气式电极，所述电池的阳极室内添加碳纤维。
2、根据权利要求1的可堆叠式单室微生物燃料电池，其特征是所述电池采用从所述电池的上部进水，从所述电池的底部出水的运行方式。
3、根据权利要求2的可堆叠式单室微生物燃料电池，通过所述电池底部出水口的阀门控制阳极室内污水的水力停留时间。
4、根据权利要求1的可堆叠式单室微生物燃料电池，其特征是所述电池的阳极室内设有挡板，使污染物与微生物接触更加充分。
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