CN101692499A - 卷式微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷式微生物燃料电池，该电池通过大幅度提高单位体积的阴阳极面积来增加其电能输出。它将碳布或碳毡及低成本的隔膜通过胶粘结在一起，组成柔性电极，再将两层这样的柔性电极四周用胶密封后卷绕成圆筒状放入电池壳体，大大提高了单位体积的电极面积，从而提高了微生物燃料电池的体积功率密度。

Description

卷式微生物燃料电池

所属技术领域

本发明涉及一种能够提高微生物燃料电池产电的结构，该电池通过大大提高电池单位体积的阴、阳极面积来增加其体积功率密度的结构。

背景技术

微生物燃料电池是一种利用微生物将储存在有机物质中的化学能转化成电能的装置。它在常温常压下能够利用一些简单的有机物来产生电能，在产电的过程中和电池失效后不会产生有毒有害物质，运行管理简单，因此在对野外和缺乏电力设施地区的小型用电器供电方面有着广泛的应用前景。

但是目前微生物燃料电池的研究还处于起步阶段，其产电的效率还比较低，不能满足实际应用的需求，如何提高电池的产电效率是目前研究微生物燃料电池的重点。有研究表明提高微生物燃料电池的阴、阳极的面积可提高其产电效率，其原因在于：增大阳极的表面积可增加微生物和电极的接触面积，使得微生物氧化有机物产生的电子有更多的机会流入电极，进而流过用电器，从而提高电池的产电；增大阴极的表面积可增加阴极催化反应的表面积，使得流过用电器的电子能够尽快被消耗，而不会抑制阳极反应的进一步进行。

除了产电效率低外，微生物燃料电池的发展还受到成本的制约，其成本主要来自于两方面：一是电池的阴极反应需要催化剂才能迅速进行，而目前许多微生物燃料电池电池的催化剂用了Pt这种贵金属，从而大大增加了电池的成本；二是为了阳极反应产生的质子到达阴极，同时防止阴极的氧化性物质流入阳极，需要在阴、阳极之间放置合适的膜，目前许多微生物燃料电池用的是成本较高的质子交换膜，在成本上限制了微生物燃料电池的应用。

此外，目前微生物燃料电池的结构还有待进一步优化。一些研究发现，微生物燃料电池的产电仅与电极表面及电极附近的微生物有关，因此目前许多微生物燃料电池远离电极的部分是无用的，反而增加了电池的体积和重量，设法降低这部分无用的体积并提高阳极溶液中有机物的利用率是十分必要的。

发明内容

本发明通过新的结构设计，改善了目前微生物燃料电池低产电、高成本的缺点。这种结构的电池有很大的阴、阳极面积，因此提高了电池的产电；同时通过将电极卷成桶状，减少了电池的体积；并且电极中省去了质子交换膜和Pt，因此降低了电池的成本。

本发明的具体方案是：

卷式微生物燃料电池由电池壳体、多孔配水盘、两张三合一柔性电极、支撑网、多孔集水管、多孔配水管和导线组成。

三合一柔性电极由柔性的阴、阳极和其间的隔膜组成。柔性的阴、阳极可以是碳布、碳毡或导电复合材料，利用这种电极一方面能够提供很大的比表面积供微生物附着，另一方面它们是电的良导体，适合做电极，此外他们非常柔软，适合做卷式的电极；隔膜可以是微滤膜、超滤膜或聚四氟乙烯，它可以涂覆在电极表面，也可以涂覆在其他膜载体上，夹在两电极之间，一方面起到隔开阴、阳极防止短路的作用，另一方面阻碍了阴、阳极溶液之间的相互流动，同时允许阳极液中产生的氢离子透过隔膜到达阴极，这些膜的成本都远低于质子交换膜，因此很大程度的降低了这种电池的成本。将阴、阳极和其中间的隔膜通过合适的粘结剂粘附在一起，并在阴、阳极最上端用导线引出，构成三合一柔性电极。

将两层这样的柔性三合一电极的两端分别粘接一根多孔配水管和多孔集水管，然后通过合适的胶将电极的四周密封起来，两根管和两层电极之间的通道构成阴极(阳极)溶液通道，再将柔性电极绕其中一根多孔管卷成圆筒状，圆筒之间的间隙构成阳极(阴极)溶液通道。为保证阴、阳极溶液能够顺利流动而不被微生物堵塞，需要在所有电极之间搁置一定厚度的隔网。

电池壳体为一下端封口的中空圆柱状容器和上端盖组成。将上述绕成卷式的电极放入圆柱容器内后，再将上端盖通过法兰和容器连接起来，构成卷式微生物燃料电池。电池壳体上有两个接口和两个孔，其中两个孔接柔性电极的多孔管，作为阴极(阴极)溶液的进、出口，另外两个接口为阳极(阴极)溶液的进、出口。另外为了使加入的电极液时分布更为均匀，需要在电极的上放设置一配水盘。

本发明的有益效果是：采用三合一的柔性电极卷成圆筒状，大大增加了单位体积的电极面积，提高了单位体积微生物燃料电池的产电。电极制作时采用微滤、超滤或聚四氟乙烯膜来代替质子交换膜作为阴、阳极之间的隔膜，采用生物酶来代替Pt做催化剂，大大降低了微生物燃料电池的成本。电池使用操作简便，维持电池的产电只需要补充阴、阳极溶液中的营养物质即可。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是卷式微生物燃料电池剖面示意图

图2是卷式微生物燃料电池立体示意图

图3是卷式微生物燃料电池的电极示意图

图4是卷式微生物燃料电池电极展开示意图

图5是三合一电极示意图

具体实施方式

在图5中，在碳布、碳毡或导电复合材料8上涂覆或粘附一层隔膜10，隔膜10可以是微滤、超滤膜或聚四氟乙烯膜，再将另一层碳布、碳毡或导电复合材料8粘接到隔膜10上，组成三合一柔性电极4。

两层三合一柔性电极4的两端分别粘接一根多孔配水管6和一根多孔集水管5，再将两层柔性电极4的四周全部用胶封死，形成一个封闭的口袋状，两电极之间形成阴极(阳极)溶液通道15，阴极(阳极)液可从多孔管流入该通道，通道之间放置一层隔网4，以利于液体流动。再将电极绕多孔配水管6卷起来，卷绕时相邻的两层电极形成阳极(阴极)通道14，通道之间亦放入隔网保证阳极(阴极)液的流动，同时在碳布、碳毡或导电复合材料8上各引出导线7接入外电路，如图4所示，最终成型的卷式电极如图3所示。

将卷绕成型的电极放入图2中的电池壳体1中，将电极的多孔集水管5和配水管6分别插入上端盖的孔11、10处，并将上端盖和壳体通过法兰连接起来，导线7从上端盖引出接外电路。电池运行时，只需要从入口6和13处注入阴极、阳极溶液，从出口5和12处排出废液，即可以维持其产电。

Claims (7)

1.一种卷式微生物燃料电池，其特征是由电池壳体1、多孔配水盘2、两张三合一柔性电极3、支撑网4、多孔集水管5、多孔配水管6和导线7组成。

2.根据权利要求1所述的一种卷式微生物燃料电池，其特征在于：两张三合一柔性电极3之间设置支撑网4，两张三合一柔性电极3的两端分别粘有多孔配水管5和多孔集水管6，两张柔性电极3四周用胶密封。

3.根据权利要求1所述的卷式微生物燃料电池，其特征在于：两张四边粘接的三合一柔性电极绕多孔配水管6卷绕2-50周，在卷绕的每一层之间同样设置支撑网4。

4.根据权利要求1所述的卷式微生物燃料电池，其特征在于：三合一柔性电极3是由两张柔性导体8和之间的隔膜9粘结而成。

5.根据权利要求4所述的三合一柔性电极3，其特征在于：柔性导体8可以是碳布、碳毡或具有导电涂层的复合材料，隔膜9可以是微滤、超滤或聚四氟乙烯，三层结构的总厚度在0.5-5mm之间。

6.根据权利要求1所述的卷式微生物燃料电池，其特征在于：支撑网4孔径在0.5-5mm之间，厚度在1-20mm之间。

7.根据权利要求1所述的卷式微生物燃料电池，其特征在于：电池壳体1为中空的圆柱形，壳体上设置孔10、11和接口12、13，其中孔10、11分别用来接多孔集水管5和多孔配水管6，接口12、13分别为电池的阴极或阳极溶液的进、出口。

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