CN101916871A - 一种微生物燃料电池的控温装置 - Google Patents

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王晓丽
张嘉琪
郑嗣华
武晨
池强龙
张旭宏
叶建山
张伟德
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Abstract

一种微生物燃料电池控温装置，由水槽、挡板、钛加热管、热电偶、循环水泵、半导体制冷器和电器控制仪表构成；水槽为长方形结构并设有进水口和出水口，水槽内壁上设有挡板插槽；挡板为长方形板并开有长方形水流孔；钛加热管和热电偶固定在水槽内；循环水泵进水口通过管道与水槽出水口相连，循环水泵出水口通过管道与半导体制冷器进水口相连，半导体制冷器出水口通过管道与水槽进水口相连；钛加热管、热电偶、循环水泵和半导体制冷器分别通过导线与电器控制仪表连接。本发明的优点是：结构简单、易于操作；可以根据反应温度的需要实现温度的上升和降低，为微生物燃料电池运行工艺条件的深入研究提供有力的实验条件。

Description

一种微生物燃料电池的控温装置
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池的控温装置。
背景技术
近年来，随着全球经济的快速发展，现代工业化的快速推进和能源日益短缺，以及环境恶化的矛盾也日趋明显，水体污染已经成为制约经济持续发展的一个大问题，但是现有水处理技术大多需要高额的运行管理费用，消耗大量电能。微生物燃料电池(MFC)不仅能有效处理废水而且还能产电，很好地解决能源的综合利用和环境污染这两大问题，经成为环境领域最热门的研究课题之一。
微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。利用微生物燃料电池不仅可以直接将水中或者污泥中的有机质降解，同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。将其应用在污水处理领域，把废水的处理和发电集于一体，具有十分诱人的应用前景。它相对于蓄电池而言，能量密度和功率密度高，不需要进行充放电，可以广泛用于电站、可移动的电源。微生物燃料电池相对于普通的燃料电池，对环境的要求较低，可以在较低的环境温度下运行，高效清洁，不会产生对环境有害的污染物。但是微生物燃料电池与蓄电池相比功率输出方面有一定的差距，只能限于传感器等低能耗的器械上，主要原因是MFC的产电功率较低，为提高其产电性能，对微生物燃料电池运行工艺条件进行深入地研究。温度是影响微生物燃料电池产电效率的一个重要因素，温度对阳极室内产电微生物的新陈代谢产生重要的影响，适宜的温度可以提高产电微生物的代谢速度，从而提高电子的产生量，提高微生物燃料电池处理废水时的产电性能。
目前，微生物燃料电池实验装置的温度控制都采用水浴锅加热的方法实现。但这种方法不能确保微生物燃料电池装置的各个部位的温度一致，此外，水浴加热只能升高反应温度，而不能迅速降低反应的温度。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种微生物燃料电池的控温装置，该装置结构简单、易于操作，可以根据反应温度的需要实现温度的上升和降低。
本发明的的技术方案：
一种微生物燃料电池的控温装置，由水槽、挡板、钛加热管、热电偶、循环水泵、半导体制冷器和电器控制仪表构成；水槽为长方形结构并设有进水口和出水口，水槽内壁上设有挡板插槽；挡板为长方形板并开有长方形水流孔；钛加热管和热电偶固定在水槽内；循环水泵进水口通过管道与水槽出水口相连，循环水泵出水口通过管道与半导体制冷器进水口相连，半导体制冷器出水口通过管道与水槽进水口相连；钛加热管、热电偶、循环水泵和半导体制冷器分别通过导线与电器控制仪表连接。
所述水槽和挡板的材料均采用聚乙烯材料。
所述循环水泵为磁力驱动。
所述水槽为长度50厘米-100厘米，宽为30厘米-60厘米，高度为20厘米-40厘米，厚度为8毫米-15毫米；进水口和出水口的直径为10毫米-30毫米；挡板插槽宽度为3毫米-6毫米，深度为3毫米-5毫米，间隔为1厘米；挡板长度和宽度与挡板插槽适配，厚度为2毫米-4毫米，水流挡板一侧开有长方形孔，孔的高度为15厘米-35厘米，孔的宽度为1厘米-2厘米。
本发明的工作机理：
在该控温装置的水槽内放入微生物燃料电池装置，通过将挡板插入挡板插槽内来固定微生物燃料电池装置；将微生物燃料电池装置浸没在水槽水中；开启循环水泵，水槽内的水流通过挡板上的方孔形成“S”型循环回路，使水槽内的水流充分混匀以便其温差减到最小；在电器控制仪表上设定实验温度；热电偶感应水槽内水的温度，当水的温度低于设定温度时，钛加热器运行以升高水温，当水的温度高于设定温度时，半导体制冷器运行降低水温。
本发明的优点是：结构简单、易于操作；可以根据反应温度的需要实现温度的上升和降低，为微生物燃料电池运行工艺条件的深入研究提供有力的实验条件。
附图说明
图1为该微生物燃料电池控温装置的结构示意图。
图2为不同温度下微生物燃料电池的产电性能图
图3为不同温度下微生物燃料电池的对COD的去除率图
图中：1.水槽  2.循环水泵  3.半导体制冷器  4.电器控制仪表  5.钛加热管6.热电偶  7.挡板  8.导线  9.水槽出水口  10.水槽进水口  11.循环水泵进水口12.循环水泵出水口  13.半导体制冷器组件进水口14.半导体制冷器组件出水口  15.挡板插槽
具体实施方式
实施例：
一种微生物燃料电池控温装置，由水槽1、挡板7、钛加热管5、热电偶6、循环水泵2、半导体制冷器3和电器控制仪表4构成；水槽1为长方形结构并设有水槽进水口10和水槽出水口9，水槽1内壁上设有挡板插槽15；挡板7为长方形板并开有长方形水流孔；钛加热管5和热电偶6固定在水槽1内；循环水泵进水口11通过管道与水槽出水口9相连，循环水泵出水口12通过管道与半导体制冷器进水口13相连，半导体制冷器出水口14通过管道与水槽进水口10相连；钛加热管5、热电偶6、循环水泵2和半导体制冷器3分别通过导线与电器控制仪表4连接。
该实施例中，水槽和水流挡板的材料均采用聚乙烯材料，水槽为长度50厘米，宽为35厘米，高度为25厘米；进水口和出水口的直径为10毫米；插槽宽度为3毫米，深度为3毫米，间隔为1厘米；挡板长度和宽度与挡板插槽适配，厚度为2毫米，挡板一侧开有长方形孔，孔的高度为15厘米，孔的宽度为1厘米；钛加热器的加热功率为500瓦，安装在水槽一侧，固定位置是距离水槽地面3厘米，通过导线与水槽外的电器控制仪表相连；热电偶的直径为0.5厘米，长度为15厘米，温度感应范围为10℃-80℃，安装在加热管的上方，固定位置是距离水槽底面10厘米，通过导线与水槽外的电器控制仪表相连；水槽出水口与循环水泵进水口通过软管相连，循环水泵出水口与半导体制冷器进水口通过软管相连，半导体制冷器出水口与槽体的进水口通过软管相连，循环水泵和半导体制冷器通过导线与电器控制仪表相连。钛加热器采用深圳市华冠工业设备有限公司生产的U型钛加热器；热电偶采用无锡惠鑫热工仪表有限公司生产的WROK系列铠装热电偶；循环水泵采用温州信西山实业有限公司生产的MP-6R磁力驱动循环泵；半导体制冷器为天津电源研究所生产；电器控制仪表采用厦门宇光自动化工程有限公司生产的AI-708型人工智能温控仪表。
该实施例的实验应用情况：
1)将该微生物燃料电池控温装置用于研究温度对微生物燃料电池的影响，步骤如下：用葡萄糖溶液启动微生物燃料电池，接种污泥取自废水处理过程中的厌氧污泥，营养液的组成为葡萄糖1000mg·L-1、10.32g·L-1 Na2HPO4·12H2O，3.32g·L-1 NaH2PO4、0.31g·L-1 NH4Cl、0.13g.L-1KCL及Ni、Ca、Mn、Fe微量元素，葡萄糖营养液的加入量为阳极反应室容量的95％，阴极溶液为pH＝7的钠盐缓冲液，阴极溶液的组成及含量为：14.365g/LNaH2PO4·2H2O，10g/LNaHCO3。阴极室缓冲液的加入体积占阴极室总容量的95％。外接1000Ω的电阻启动，阳极室内先通20分钟氮气以保证阳极室内严格厌氧，然后向阳极室加入厌氧污泥，厌氧污泥量为有机生物燃料溶液的1/10，阴极室通过空气泵不断鼓入空气。
将微生物燃料电池放入本发明的微生物燃料电池控温制装置中，根据微生物燃料电池装置的大小调整水流挡板的位置，本实验在温控装置中同时放入4组微生物燃料电池，根据厌氧微生物生长的最适温度为30℃，温度越低，微生物燃料电池的启动时间越长，启动完成后输出功率越低，因此，为保证微生物燃料电池运行效果和缩短启动时间，启动过程应保证环境温度在20℃～35℃。
检测该微生物燃料电池的产电性能和有机物的去除效率，即在设定的温度下，微生物燃料电池的输出电压下降至50毫伏时，即为一个周期，此时更换阳极溶液，开始下一个周期的测试。MFC的输出电压由本实验室自制数据采集系统采集并输出至计算机，采集频率为每分钟一次，COD的采样频率每天一次，测定方法采用GB11914-89水质-化学需氧量测定-重铬酸钾法。
使用本发明的微生物燃料电池控温装置同时启动4组微生物燃料电池，进行温度对比试验，不同温度下均运行两个周期。温度分别设定为20℃、25℃、30℃和35℃。不同温度下微生物燃料电池的产电特性如图2所示。由图2可以看出，温度为20℃时，微生物燃料电池最高输出电压为325mV，最大输出功率密度为117mW·m-2，运行周期为2天；温度为25℃时，最高输出电压为390mV，最大输出功率密度为169mW·m-2，运行周期为4天；当温度为30℃时，最高输出电压为430mV，最大输出功率密度为205mW·m2，运行周期为4天；当温度为35℃时，最高输出电压为442mV，最大输出功率为217mW·m-2，运行周期为5天。温度为20℃时微生物的活性低，导致微生物燃料电池的输出电压降低，运行周期缩短，温度为35℃时微生物燃料电池的最大输出功率密度仅比温度为30℃时的最大输出功率密度提高5.5％。不同温度下微生物燃料电池对COD的去除率如图3所示，由图3可以看出，温度为20℃时COD的去除率较低，经过一个周期去除率为62％；温度为25℃时COD的去除率为89％；温度为30℃时COD的去除率为91.3％；温度为35℃时COD的去除率为93％。

Claims (4)

1.一种微生物燃料电池控温装置，其特征在于：由水槽、挡板、钛加热管、热电偶、循环水泵、半导体制冷器和电器控制仪表构成；水槽为长方形结构并设有进水口和出水口，水槽内壁上设有挡板插槽；挡板为长方形板并开有长方形水流孔；钛加热管和热电偶固定在水槽内；循环水泵进水口通过管道与水槽出水口相连，循环水泵出水口通过管道与半导体制冷器进水口相连，半导体制冷器出水口通过管道与水槽进水口相连；钛加热管、热电偶、循环水泵和半导体制冷器分别通过导线与电器控制仪表连接。
2.根据权利要求1所述微生物燃料电池控温装置，其特征在于：所述水槽和挡板的材料均采用聚乙烯材料。
3.根据权利要求1所述微生物燃料电池控温装置，其特征在于所述循环水泵为磁力驱动。
4.根据权利要求1所述微生物燃料电池控温装置，其特征在于所述水槽为长度50厘米-100厘米，宽为30厘米-60厘米，高度为20厘米-40厘米，厚度为8毫米-15毫米；进水口和出水口的直径为10毫米-30毫米；挡板插槽宽度为3毫米-6毫米，深度为3毫米-5毫米，间隔为1厘米；挡板长度和宽度与挡板插槽适配，厚度为2毫米-4毫米，水流挡板一侧开有长方形孔，孔的高度为15厘米-35厘米，孔的宽度为1厘米-2厘米。
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