CN101859908A - 微生物燃料电池及其提高微生物燃料电池产电性能的方法 - Google Patents

微生物燃料电池及其提高微生物燃料电池产电性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种微生物燃料电池及其提高微生物燃料电池产电性能的方法。包括反应器、阴极和阳极，阴极和阳极中的一极置于反应器的一侧、另一极置于反应器内部，阳极材料采用碳毡，阴极采用含有金属催化剂的气体电极，两极间距为0.5-2.0cm，反应器下端有进水口、上端有出水口，反应器的上部带有密封盖，密封盖上设有参比电极插孔，阴极和阳极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，反应器中接种厌氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶剂吐温，吐温的加入量为5-80mg/L。本发明具有输出功率提高幅度大、价格低廉、对环境影响小、易于实现的优势。

Description

微生物燃料电池及其提高微生物燃料电池产电性能的方法
技术领域
本发明涉及的是一种微生物燃料电池。本发明也涉及一种提高微生物燃料电池产电性能的方法。
背景技术
为解决日益严峻的能源短缺和化石燃料引起的一系列环境等问题，人们在不懈地寻找新型可替代能源。微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将生物质中的化学能直接转化成电能的新型装置，作为一类理想的新型清洁能源已成为科学家的研究热点。MFC具有很多优点：①直接将有机物中的化学能转化为电能，能量利用率高；②原料广泛，理论上任何有机物都可以作为MFC的燃料，包括可以利用光合作用或直接利用各种污水等；③操作条件温和，可在常温、常压下运行，使得电池维护成本低、安全性强；④无污染，可实现零排放。MFC产物是水和CO2，生物相容性好。MFC工作原理与传统的燃料电池相似，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，在阳极室厌氧微生物的作用下，葡萄糖被氧化，同时产生质子氢(H+)和电子(e-)，电子被微生物获取后传给阳极，然后经外电路(导线)到达阴极，质子氢通过质子交换膜到达阴极表面，并在铂(Pt)等催化剂作用下与外电路传来的电子一起将氧气还原为水。经过这一流程，葡萄糖转化为二氧化碳和水，并形成了闭合回路，释放化学能，产生电流，输出电压。
一直以来，功率问题是影响MFC发展的瓶颈，MFC的功率低的主要原因是输出电流太小，从微生物燃料电池工作原理来看，电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因为产电微生物的电活性基团即酶的氧化还原活性中心存在于微生物细胞中，由于细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，阻碍了细胞和电极间快速的直接电子传递，因而需要通过电子传递体将电子从细胞传递到电子受体阳极上，此过程也可以看作是将微生物的氧化呼吸链延伸到细胞外的外界环境。到目前为止，电子传递形式大致分为三类：利用细胞色素c进行电子传递；利用纳米导线进行电子传递；利用介体进行电子传递，此过程是微生物借助分解基质产生的小分子物质或是人工投加的可溶性物质使电子从呼吸链及内部代谢物中转移到电极表面。虽然一些产电微生物在不人工投加氧化还原介体的情况下，可利用上述途径将电子直接传递给阳极，但电子传递效率较低，因而输出功率较小。在MFC的研究中，研究者常常通过人工投加某些可溶性氧化还原介体作为电子传递中间体，来提高电子由胞内传递至阳极表面的转移速率。较为典型的介体有甲基紫精、中性红、硫堇及可溶性醌等。例如美国专利(US2004/0241528A1)介绍了一种微型生物燃料电池，用葡萄糖作为基质，亚甲基蓝作为电子媒介体，Cr/Au作为阳极电极材料，电池的价格较贵。美国专利(US2004/0241771A1)介绍了一种微生物燃料电池的结构与组成。使用中性红作为电子媒介体，但细菌在中性红溶液中生长缓慢。我国专利申请号为200410066753.9的专利申请文件中，公开了一种微生物燃料电池的技术方案。其采用质子交换膜将电池的阴极室和阳极室隔开，使用修饰后的碳纸作电极材料，使用新亚甲基蓝作电子媒介体，提高了电池性能，降低了电池成本，电池的最大输出功率达到123mW/m2。这些研究加入中介体后虽然可以提高电池的输出功率，但大部分常用的电子传递中间体价格昂贵，相对于生物燃料电池提供的功率，添加介体所付出的成本太高，且提高功率幅度有限，而且这些介体大多对微生物有毒害作用，不适合在开放环境中使用。所以需要开发经济、实用、有效地提高电子传递途径的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济可行，可强化微生物细胞内电子和电极间快速的直接电子传递过程，提高微生物燃料电池的产电能力的微生物燃料电池。本发明的目的还在于提供一种提高微生物燃料电池产电性能的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的微生物燃料电池的组成包括反应器、阴极和阳极，阴极和阳极中的一极置于反应器的一侧、另一极置于反应器内部，阳极材料采用碳毡，阴极采用含有金属催化剂的气体电极，两极间距为0.5-2.0cm，反应器下端有进水口、上端有出水口，反应器的上部带有密封盖，密封盖上设有参比电极插孔，阴极和阳极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，反应器中接种厌氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶剂吐温，吐温的加入量为5-80mg/L。阴极含有的金属催化剂是Pt或Ag催化剂。
本发明的提高微生物燃料电池产电性能的方法为向微生物燃料电池的燃料中加入生物溶剂，所述的生物溶剂选用吐温，吐温的添加比例为5-80mg/L。所述的燃料是葡萄糖或机物废水。
本发明适用于单室、双室等各种构型的微生物燃料电池的产电性能的提高。
本发明是通过加入生物溶剂，增大细菌的细胞膜孔径，减少微生物的内阻，来实现电子由胞内的快速向外传递，提高MFC输出功率的一种方法。
本发明加入的吐温生物溶剂与加入电子媒介体来提高电子转移效率的方法相比，具有输出功率提高幅度大、价格低廉、对环境影响小、易于实现的优势。
附图说明
图1是本发明电池的结构原理示意图；
图2是本发明电池的功率曲线；
图3是本发明电池的极化曲线；
图4是本发明电池的输出电流与吐温加入量的关系曲线。
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1，构建一方形反应器即单室无隔膜无介体微生物燃料电池，组成包括阴极6和阳极7，两极分别置于反应器2的一侧和内部。阳极材料采用碳毡，阴极采用含有Ag等金属催化剂的气体电极，两极间距为0.5-2.0cm。反应器下端有进水口1、上端有出水口3，容器的上部带有密封盖，密封盖上设有参比电极插孔8，两极间通过铜导线连接，并与负载4连接组成闭合回路，负载的调节范围为1～10000Ω，电池的产电性能数据由数据采集装置5自动采集记录。本发明电池反应室为厌氧环境，可以在阳极室设有搅拌器搅拌或采用上升流，以保证溶液的均匀混合和高效产电。所述的阳极为碳纤维、碳纸、碳毡、碳布、碳纳米管、玻璃碳、板状石墨或泡沫金属中的一种，所述的阴极为碳纤维、碳纸、碳毡、碳布、碳纳米管、玻璃碳、板状及颗粒状石墨、活性炭、泡沫金属或气体电极中的一种。所述阴极中含有Pt、Ag催化剂。
本发明运行时先在反应器中接种厌氧污泥，以葡萄糖营养液进行电池的初步启动，在以葡萄糖为基质的电池运行稳定后，分别加入不同浓度的吐温生物溶剂进行运行，吐温浓度的变化范围(即吐温占葡萄糖营养液的量)为5-80mg/L，每个浓度进行多个周期的循环运行，直至电池的产电性能稳定，然后进行性能测试和分析。
试验结果如下：
1、极化曲线和功率输出曲线
当本发明电池有充足的底物并具有稳定的产电能力时，变换外接负载电阻，通过记录电压，计算功率和电流，得到微生物燃料电池的极化曲线和功率曲线，如图2和图3所示。由极化曲线拟合可得以1000mg/L葡萄糖和不同浓度的(5-80mg/L)吐温为混合基质的微生物燃料电池的内阻。随着吐温加入量的增加，电池的表观内阻逐渐降低，不加入吐温，以1000mg/L葡萄糖为纯基质的生物燃料电池的内阻为26Ω，吐温加入量为40mg/L时内阻为6Ω，吐温加入量为80mg/L时内阻为5Ω。输出功率亦随吐温加入量的增加而增大，不加入吐温，以1000mg/L葡萄糖为纯基质的生物燃料电池的最大输出体积功率为21.5W/m3，吐温加入量为40mg/L时，生物燃料电池的最大输出体积功率为143W/m3，吐温加入量为80mg/L时，生物燃料电池的最大输出体积功率为186W/m3，此时，与不加入吐温的MFC相比，最大输出功率提高近9倍左右。由此可见由于电子传递阻力的减小，大大提高了电子转移能力，从而提高了输出功率。
2、电池的输出电流与吐温加入量的关系曲线
图4为本发明吐温的加入量与MFC的输出电流之间的关系曲线。由图4可知，随着吐温加入量的增加，MFC输出电流逐渐增大。
以上研究表明，本发明提供的这种提高微生物燃料电池产电性能的新方法可以大幅度的提高电池的输出电流和输出功率，与加入电子媒介体来提高电子转移效率的方法相比，具有输出功率高、价格低廉、易于实现的优势。

Claims (6)

1.一种微生物燃料电池，包括反应器、阴极和阳极，其特征是：阴极和阳极中的一极置于反应器的一侧、另一极置于反应器内部，阳极材料采用碳毡，阴极采用含有金属催化剂的气体电极，两极间距为0.5-2.0cm，反应器下端有进水口、上端有出水口，反应器的上部带有密封盖，密封盖上设有参比电极插孔，阴极和阳极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，反应器中接种厌氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶剂吐温，吐温的加入量为5-80mg/L。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征是：阴极中含有的金属催化剂是Pt或Ag催化剂。
3.一种提高微生物燃料电池产电性能的方法，其特征是向微生物燃料电池的燃料中加入生物溶剂。
4.根据权利要求3所述的提高微生物燃料电池产电性能的方法，其特征是所述的生物溶剂选用吐温，吐温的添加比例为5-80mg/L。
5.根据权利要求4所述的提高微生物燃料电池产电性能的方法，其特征是所述的燃料是葡萄糖或机物废水。
6.根据权利要求4或5所述的提高微生物燃料电池产电性能的方法，其特征是吐温的添加比例为80mg/L。
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