CN101916873A

CN101916873A - 一种圆柱型微生物燃料电池

Info

Publication number: CN101916873A
Application number: CN2010102558086A
Authority: CN
Inventors: 张嘉琪; 王晓丽; 郑嗣华; 武晨; 池强龙; 张旭宏; 叶建山; 张伟德
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: CN101916873B

Abstract

一种圆柱型微生物燃料电池，由阳极室、阴极室、质子膜组件、硅胶垫圈、紧固螺栓和底座构成，阳极室和阴极室均为封头式圆筒结构，设有电极插孔、取样孔和排气孔，阳、阴极室内设有阳极碳纸和阴极碳纸并通过导线分别从电极插孔密封引出，阴极碳纸表面镀有铂催化剂，在阳、阴极室的筒底设有进气孔；质子膜组件包括质子膜、两个垫板和两个硅胶垫片，质子膜呈正方形，硅胶垫片和垫板的中心均开有正方形方孔；通过筒壁圆周的螺栓孔组装固定。本发明的优点是：电池主体采用圆柱型，阴阳两室距离近，电池的电阻小、功率高；质子膜与隔板间加有硅胶垫片，确保气密性良好，阴极氧气不会扩散到阳极，提高了电池的库伦效率；结构紧凑、造价低廉。

Description

一种圆柱型微生物燃料电池

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种圆柱型微生物燃料电池。

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，对微生物燃料电池需进行多方面的改造，改变电池的构型是其主要方面的研究方向之一。

微生物燃料电池分为双室和单室两种结构。单室微生物燃料电池的阴极和阳极在同一个反应室内，空气中的氧直接传到阴极表面，这种电池虽然降低了电池的内阻，但是由于阴极部分氧气的扩散，阳极部分不能维持严格的厌氧环境，不但降低MFC的库伦效率，甚至会影响阳极部分厌氧微生物的生长。

双室微生物燃料电池是微生物燃料电池的经典构型，双室微生物燃料电池包括阳极室、质子膜和阴极室，常用的质子膜有Nafion、Ultrex和盐桥。双室微生物燃料电池阳极室内需要通入氮气以保持厌氧环境，微生物在阳极室内氧化有机物。阴极室内装有电子受体溶液，通过曝气保持好氧环境。双室微生物燃料电池能很好的用于基本参数的研究，如电池中微生物群落分析、电池的产电性能、影响电池性能的因素和特定种类的化合物的去除等的研究。

目前，双室微生物燃料电池通常是“H”型电池，两个电池槽是通过连接管将两个电极连接起来，质子交换膜放置在电池槽中间。这种构型的电池电极距离质子膜较远，电池阻力增大，降低其产电效率。本发明设计一种进取样方便，易扩展、结构紧凑、造价低廉、输出功率密度高、COD(化学需氧量)去除效果好的圆柱形微生物燃料电池。

发明内容

本发明的目的是克服现有的微生物燃料电池结构与运行方式不利于扩展、放大以及成本高的缺点，提供一种圆柱型微生物燃料电池，该电池结构具有易扩展、结构紧凑、造价低廉以及输出功率密度高等优点。

本发明的的技术方案：

一种圆柱型微生物燃料电池，由阳极室、阴极室、质子膜组件、硅胶垫圈、紧固螺栓和底座构成，阳极室和阴极室均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室和阴极室的圆筒上部分别设有电极插孔、带有密封塞的取样孔和排气孔，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极碳纸和阴极碳纸并通过导线分别从电极插孔密封引出，阴极碳纸表面镀有铂催化剂，在阳极室和阴极室的圆筒底部分别设有使气流沿筒壁切向进入反应室的进气孔，进气孔亦分别为阳极室内有机生物燃料溶液和阴极室内阴极溶液的进液孔和排液孔；质子膜组件包括质子膜、两个垫板和两个硅胶垫片，质子膜呈正方形，其夹在两个硅胶垫片之间并通过两个垫板固定，硅胶垫片和垫板的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜的边长；两个硅胶垫圈分别位于阳极室和阴极室与质子膜组件之间，在阳极室和阴极室的筒壁圆周以及质子膜组件和硅胶垫圈的相应圆周上均布直径相等和数量相同的螺栓孔，组装后通过紧固螺栓固定；底座与圆柱型燃料电池的底面固定。

所述阳极室、阴极室、垫板及底座的材料均采用聚甲基丙烯酸甲酯。

所述阳极室和阴极室为内径为9厘米-14厘米的封头式圆筒，壁厚为2厘米-5厘米，反应室长度为3厘米-10厘米，取样孔、进气孔、电极插孔和排气孔的直径为8毫米-10毫米；硅胶垫圈的厚度为1毫米-5毫米，内径为9厘米-14厘米；正方形质子膜的边长为2厘米-8厘米，垫板的厚度为2毫米-5毫米，硅胶垫片的厚度为1毫米-5毫米，硅胶垫片和垫板方孔的边长小于质子膜边长1厘米；螺栓孔的直径为8毫米-10毫米，数量为8个。

所述有机生物燃料溶液的加入量为阳极反应室容量的90-95％；阴极溶液的加入量为阴极反应室容量的90-95％。

本发明的工作机理：

有机生物燃料溶液经阳极室进气孔进入到阳极反应室内，阴极溶液经阴极室进气孔进入到阴极反应室内，在阳极反应室内加入厌氧微生物菌种并附着于阳极碳纸表面或悬浮于阳极反应室内。厌氧微生物在新陈代谢过程中，氧化降解有机生物燃料，并产生电子和质子，电子经外部电路导线传递到阴极碳纸表面，产电微生物代谢过程中产生的质子经质子膜传递到阴极碳纸表面，阴极反应室内通过进气孔鼓入空气保持好氧环境，在阴极碳纸表面修饰的铂催化剂的作用下，氧气、质子和电子在阴极反应室内化合生成水，完成整个产电过程。由于电子的不断传输，外部电路形成电流。

本发明的优点是：1)电池主体采用圆柱型，阴阳两室距离近，电池的电阻小、功率高；2)质子膜与隔板间加有硅胶垫片，确保气密性良好，阴极氧气不会扩散到阳极，提高了电池的库伦效率；3)进气孔方向与电池池底平行，气体沿电池池底切向进入，使气流沿电池组内壁流动，不会影响电极工作；4)结构紧凑、造价低廉。

附图说明

图1为该圆柱型微生物燃料电池结构组件示意图。

图2为该圆柱型微生物燃料电池组装后的放大剖视图。

图3为该圆柱型微生物燃料电池产电性能图。

图4为该圆柱型微生物燃料电池对COD的去除率图。

图中：1.阳极室 2.阴极室 3.质子膜 4-I、II.垫板5-I、II.硅胶垫片 6-I、II.硅胶垫圈 7.紧固螺栓 8.底座9-I、II.电极插孔 10-I、II.带有密封塞的取样孔 11-I、II.排气孔12.阳极碳纸 13.阴极碳纸 14-I、II.进气孔 15.极室溶液16-I、II、III、IV.方孔 17.螺栓孔

(五)具体实施方式

实施例1：

一种圆柱型燃料电池，由阳极室1、阴极室2、质子膜组件、硅胶垫圈6、紧固螺栓7和底座8构成，阳极室1和阴极室2均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室1和阴极室2的圆筒上部分别设有电极插孔9-I、II、带有密封塞的取样孔10-I、II和排气孔11-I、II，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极碳纸12和阴极碳纸13并通过导线分别从电极插孔9-I、II密封引出，阴极碳纸13表面镀有铂催化剂，在阳极室1和阴极室2的圆筒底部分别设有使气流沿筒壁切向进入反应室的进气孔14-I、II，进气孔14-I、II亦为极室溶液15的进液孔和排液孔；质子膜组件包括质子膜3、两个垫板4-I、II和两个硅胶垫片5-I、II，质子膜3呈正方形，其夹在两个硅胶垫片5-I、II之间并通过两个垫板4-I、II固定，硅胶垫圈6-I、II和垫板4-I、II的中心均开有正方形方孔16-I、II、III、IV，方孔的边长小于质子膜的边长；两个硅胶垫圈6-I、II分别位于阳极室1和阴极室2与质子膜组件之间，阳极室1、阴极室2、质子膜组件和硅胶垫圈6-I、II的圆周边缘分别设有直径相等和数量相同的螺栓孔17，组装后通过紧固螺栓7固定；底座8与圆柱型燃料电池的底面固定。

该实施例为实验研究用的圆柱型燃料电池，阳极室、阴极室、垫板及底座的材料均采用聚甲基丙烯酸甲酯，阳极室和阴极室为内径为9厘米的封头式圆筒，壁厚为3厘米，反应室长度为3厘米，取样孔、进气孔、电极插孔和排气孔的直径为10毫米；硅胶垫圈的厚度为2毫米，内径为9厘米；正方形质子膜的边长为5厘米，垫板的厚度为3毫米，硅胶垫片的厚度为2毫米，硅胶垫片和垫板方孔的边长为4厘米；螺栓孔的直径为10毫米，数量为8个；质子膜为Nafion膜；阳极溶液为有机生物燃料溶液，阴极溶液为0.1mol/L的铁氰化钾溶液，极室溶液的加入量分别为阳、阴极反应室容量的95％。

该实施例的实验检测方法：

用葡萄糖溶液启动微生物燃料电池，接种污泥取自天津大学废水处理过程中的厌氧污泥，取10ml作为接种液加入到阳极反应室内，再加入120ml营养液，营养液的组成为葡萄糖1000mg·L^-1、10.32g·L^-1Na₂HPO₄·12H₂O，3.32g·L^-1NaH₂PO₄、0.31g·L^-1NH4Cl、0.13g.L^-1KCL及Ni、Ca、Mn、Fe微量元素，有机生物燃料溶液的加入量为阳极反应室容量的95％，阴极溶液是0.1mol/L的铁氰化钾溶液。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。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。本实验经过三个周期，微生物燃料电池输出稳定的电压，在1000Ω电阻下微生物燃料电池的产电性能如图3所示。由图3可以看出最大输出电压为630mv，最大输出功率密度为441mw/m²。说明本实验构建的微生物燃料电池产电性能良好。

污水经微生物燃料电池处理前后COD值的下降程度可以反映出微生物燃料电池污水处理能力。微生物燃料电池成功启动后，测其对COD的去除率，从阳极室取样口10-I取阳极溶液测COD。COD的采样频率为每天一次，测定方法采用国家标准GB11914-89水质-化学需氧量测定-重铬酸钾法。本发明微生物燃料电池对COD的去除率如图4所示，由图4可以看出经过76个小时COD的最终去除率达到最大94％。

Claims

1.一种圆柱型微生物燃料电池，其特征在于：由阳极室、阴极室、质子膜组件、硅胶垫圈、紧固螺栓和底座构成，阳极室和阴极室均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室和阴极室的圆筒上部分别设有电极插孔、带有密封塞的取样孔和排气孔，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极碳纸和阴极碳纸并通过导线分别从电极插孔密封引出，阴极碳纸表面镀有铂催化剂，在阳极室和阴极室的圆筒底部分别设有使气流沿筒壁切向进入反应室的进气孔，进气孔亦分别为阳极室内有机生物燃料溶液和阴极室内阴极溶液的进液孔和排液孔；质子膜组件包括质子膜、两个垫板和两个硅胶垫片，质子膜呈正方形，其夹在两个硅胶垫片之间并通过两个垫板固定，硅胶垫片和垫板的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜的边长；两个硅胶垫圈分别位于阳极室和阴极室与质子膜组件之间，在阳极室和阴极室的筒壁圆周以及质子膜组件和硅胶垫圈的相应圆周上均布直径相等和数量相同的螺栓孔，组装后通过紧固螺栓固定；底座与圆柱型燃料电池的底面固定。

2.根据权利要求1所述圆柱型微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室、阴极室、垫板及底座的材料均采用聚甲基丙烯酸甲酯。

3.根据权利要求1所述圆柱型微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室和阴极室为内径为9厘米-14厘米的封头式圆筒，壁厚为2厘米-5厘米，反应室长度为3厘米-10厘米，取样孔、进气孔、电极插孔和排气孔的直径为8毫米-10毫米；硅胶垫圈的厚度为1毫米-5毫米，内径为9厘米-14厘米；正方形质子膜的边长为2厘米-8厘米，垫板的厚度为2毫米-5毫米，硅胶垫片的厚度为1毫米-5毫米，硅胶垫片和垫板方孔的边长小于质子膜边长1厘米；螺栓孔的直径为8毫米-10毫米，数量为8个。

4.根据权利要求1所述圆柱型微生物燃料电池，其特征在于：所述有机生物燃料溶液的加入量为阳极反应室容量的90-95％；阴极溶液的加入量为阴极反应室容量的90-95％。