CN101267045A - 一种微生物燃料电池及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池，以有机物作为燃料，包括阳极室、阴极室、分隔阳极室与阴极室的膜材料和外电路，所述膜材料为离子交换膜。本发明提出采用离子交换膜作为MFC的膜材料构造微生物燃料电池，改变了长期以来微生物燃料电池基于质子交换膜的设计理念，本发明微生物燃料电池构造可沿用传统使用质子交换膜的MFC构造，具有与传统使用质子交换膜MFC相当甚至略高的输出功率与产电性能，能很好的替代传统使用质子交换膜MFC，并可降低微生物燃料电池成本，为微生物燃料电池的实际推广应用提供了可能性和技术支持。

Description

一种微生物燃料电池及应用
技术领域
本发明属于生物能源利用技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池及其应用。
背景技术
当今能源与环境的问题已经与人类的生存息息相关，一方面能源紧缺呼唤清洁的先进能源技术的出现和优化，一方面是市政、工业、农业产生的大量有机废物与废水的处理急待解决。这种形式下，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)的研究显得尤为重要。
微生物燃料电池是以产电微生物为催化剂，将有机物中化学能直接转化为电能的装置。其基本原理是作为燃料的有机物在厌氧阳极室中被产电微生物氧化，产生电子与质子，其中电子被微生物捕获并传递给电池阳极，通过外电路到达阴极，形成回路产生电流。而质子通过隔膜到达阴极，与氧气及电子反应生成水。
微生物燃料电池一般分单室型和双室型。在这两种构型中，阴极、阳极、膜材料都是必不可少的构成部分。有机物生物氧化与氧还原反应分别在阳极和阴极上进行，通过膜材料将两电极隔开。膜材料的主要功能有两个：1)分隔阴、阳两室，使阳极室中的微生物、燃料基质不能穿越至阴极室，而且可防止阴极室中氧气渗透至阳极室；2)选择透过质子，为阴极氧还原反应提供氢离子，并且维持阴、阳两室的电中和状态。
微生物燃料电池是设计理念主要来源于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，因而普遍采用质子交换膜为膜材料。如在中国发明专利“一种双筒型微生物燃料电池”(公开号CN1937297A)、“一种可堆叠式MFC”(CN101034754A)、“一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池”(CN1874040A)等均采用质子交换膜来构造微生物燃料电池。
目前，国际上通用的质子交换膜是美国杜邦(Du Pont)公司生产的全氟磺酸型质子交换膜，即Nafion膜。Nafion膜具有质子电导率高、化学稳定性好的优点，但是也存在如下缺点：
(1)价格昂贵。一般需要500～600美元/m2，因为MFC的体积输出功率约为质子交换膜燃料电池1/100，要达到相同的输出功率，势必需要增加膜的使用面积，从而提高了单位功率的膜成本。一般来说，质子交换膜的成本可占整个MFC反应器的80％以上，因此，使用质子交换膜的MFC只局限于实验室小试研究，不具备实际应用价值。用于大规模推广微生物燃料电池(MFC)根本无法实现。
(2)机械强度差。MFC主要用于有机废弃物(如污水、有机废液、粪便等)的处置与产电，因此要求膜的承重性与机械性能足够高。
(3)未实现国产化。目前，只有美国杜邦等少数几个国外公司实现了质子交换膜的规模化生产。
(4)制作过程不够环保。
因此，低成本膜材料的应用是制约MFC实际应用的技术瓶颈之一。而长期以来，源于微生物燃料电池的设计理念基于质子交换膜，至今未见有低成本、机械强度良好、已形成规模化工业生产的膜材料应用的相关报道，这从某种程度上制约了我国甚至全世界范围内微生物燃料电池的普遍推广应用。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种微生物燃料电池。
本发明的另一个目的是提供所述微生物燃料电池的应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种微生物燃料电池，以有机物作为燃料，包括阳极室、阴极室、分隔阳极室与阴极室的膜材料和外电路，所述膜材料采用离子交换膜。
所述离子交换膜可以为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
所述有机物为有机废水中所含有机物。
本发明同时提供了所述微生物燃料电池在处理有机废水方面的应用，包括污水、有机废液、粪便等。
微生物燃料电池包括交换膜、阳极室、阴极室和外电路四个部分，其各部分的构造和连接方式可采用现有技术常规的方法。本发明采用的交换膜使用阳离交换膜或阴离子交换膜中的任意一种，将阳极室与阴极室分隔开。根据离子交换膜种类的不同，其离子穿越方向与电中和原理有所不同。
使用阳离子交换膜时：
阳极室燃料基质中的阳离子(H+、Na+、K+、Ca2+等)在电场与浓差的驱动下，透过阳离子交换膜扩散至阴极室，从而维持阴、阳两室的电中和状态。
使用阴离子交换膜时：
阴极室的阴离子(Cl-、SO4 2-、CO3 2-、PO4 3-等)在电场与浓差的驱动下，透过阴离子交换膜扩散至阳极室，从而维持阴、阳两室的电中和状态。
有机物作为燃料进入阳极室，在密闭厌氧的阳极室中被产电微生物氧化，产生质子与电子，产电微生物氧化基质产生电子、质子，其中电子被微生物捕获并传递给电池阳极，通过外电路到达阴极，形成回路产生电流，阴极发生氧化还原反应，生产水。
离子交换膜在微生物燃料电池的功能是：(1)分隔阴、阳两室，使阳极室中的微生物、燃料基质不能穿越至阴极室，而且可防止阴极室中氧气渗透至阳极室；(2)选择性透过阳离子或阴离子，维持阴、阳两室的电中和状态。
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，主要种类有阳离子交换膜、阴离子交换膜，它广泛用于海水淡化、放射性废液处理、纯水制备、氨基酸脱盐等电渗析中，已实现了国产化。离子交换膜与质子交换膜都属选择透过性膜，但前者既能透过质子，还能透过其它阴、阳离子，而后者只能透过质子。离子交换膜生产过程简单，价格低廉，只是质子交换膜价格的1/50～1/100。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出采用离子交换膜作为MFC的膜材料构造微生物燃料电池，改变了长期以来微生物燃料电池基于质子交换膜的设计理念；
(2)使用离子交换膜MFC，其单位功率的构造成本只为使用质子交换膜的1/5至1/10，本发明可降低微生物燃料电池成本，为微生物燃料电池的实际推广应用提供了可能性和技术支持。
(3)本发明微生物燃料电池其他构造可沿用传统使用质子交换膜MFC构造，并具有与传统使用质子交换膜MFC相当甚至略高的输出功率与产电性能，能很好的替代传统使用质子交换膜MFC。
附图说明
图1使用离子交换膜的微生物燃料电池结构示意图
图2实施例1 1000Ω外阻下使用阳离子交换膜的微生物燃料电池的电压变化图
图3实施例1使用阳离子交换膜的微生物燃料电池的极化曲线图
图4实施例2 1000Ω外阻下使用阴离子交换膜的微生物燃料电池的电压变化图
图5实施例2使用阴离子交换膜的微生物燃料电池的极化曲线图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明。
实施例1使用阳离子交换膜的微生物燃料电池结构示意图见附图1。
微生物燃料电池的阴、阳极室由8cm×8cm的阳离子交换膜隔开，阳离子交换膜可采用市购产品，本实施例阳离子交换膜购于浙江千秋实业有限公司。阳极室密封，阴极室敞开，阳极室、阴极室以及外电路的构造和连接方式可采用现有的微生物燃料电池构造和连接方式，本实施例中阳极采用石墨毡，阴极采用碳布。阳极室中加入有机废水(COD为4850mg/L)作为燃料，接种普通厌氧污泥作为产电微生物，外接电阻1000Ω后电池在室温下运行19天。
本实施例中使用阳离子交换膜的MFC，输出电压稳定在0.30～0.35V之间，并一直持续了14天，见附图2。最大功率密度为4.31W/m3，见附图3，废水COD去除率为97.8％，产电性能与废水处理效果略高于质子交换膜MFC。
实施例2使用阴离子交换膜的微生物燃料电池结构示意图见附图1。
微生物燃料电池的阴、阳极室由8cm×8cm的阴离子交换膜隔开，阴离子交换膜可采用市购产品，本实施例阴离子交换膜购于浙江千秋实业有限公司，阳极室密封，阴极室敞开。阳极室、阴极室以及外电路的构造和连接方式可采用现有的微生物燃料电池构造和连接方式，本实施例中阳极为石墨毡，阴极为碳布。阳极室中加入有机废水(COD为4850mg/L)作为燃料，接种普通厌氧污泥作为产电微生物，外接电阻1000Ω后电池在室温下运行。
这种使用阴离子交换膜的MFC，输出电压会稳定在0.32V左右，见附图4所示。最大功率密度为2.64W/m3，见附图5所示，废水COD去除率为97.3％，产电性能与废水处理效果与质子交换膜MFC相当。

Claims (5)

1、一种微生物燃料电池，以有机物作为燃料，包括阳极室、阴极室、分隔阳极室与阴极室的膜材料和外电路，其特征在于所述膜材料为离子交换膜。
2、根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于所述离子交换膜为阴离子交换膜。
3、根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于所述离子交换膜为阳离子交换膜。
4、根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于所述有机物为有机废水中所含有机物。
5、一种权利要求1所述微生物燃料电池的应用，其特征在于应用于有机废水处理。
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