CN102332587B - 微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极制作方法。以铁网为框架，在铁网框架的里、外面分别粘结里层碳毡和外层碳毡,内置连接外电路的不锈钢棒,粘结碳毡的粘结剂使用碳粉和30%聚四氟乙烯溶液的混合物。先将里、外层碳毡分别覆盖至铁网的两侧，再将粘结剂涂满碳毡，等粘结剂干燥后，继续涂抹，再干燥、再涂，即干燥一层涂一层，从而将碳毡和铁网固定在一起。表观内阻可为190?，最大功率密度为5189.4mW·m-3。将两种阳极材料有机地结合在一起，既利用了铁网的导电性和框架结构，又充分发扬了碳毡比表面积大，适于微生物附着的特点，从而大大地提高了微生物燃料电池的性能。

Description

微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极及制作方法
技术领域
本发明属一种微生物燃料电池技术领域,确切地说是一种微生物燃料电池的复合三维阳极及制作方法。
背景技术
本发明为用于微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，以下简称MFC)的粘结型复合三维阳极。MFC技术是一种融合了污水处理和生物产电的新技术，它能够在处理污水的同时收获电能，以阳极上的细菌作为阳极催化剂，细菌降解有机物所产生的电子传输到阳极，再通过外电路负载到达阴极，由此产生外电流；细菌降解有机物所产生的质子从阳极室通过分隔材料到达阴极，在阴极上与电子、氧气反应生成水，从而完成电池内电荷的传递。作为一种新型的清洁能源生产技术，MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。并且与传统的废水处理工艺相比，MFC具有产泥量少、不产生甲烷，从而节省污泥和气体处理费用等优点。
从MFC的构成来看，阳极肩负着微生物附着并传递电子的作用,是决定MFC产电能力的重要因素，也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要辅助工具，因此对MFC阳极的研究具有十分重要的意义。三维阳极MFC（又称填料型MFC）是在阳极使用碳毡、石墨颗粒等物质作为填充材料充满整个阳极室以增大阳极表面积的一种新型MFC，其阳极面积的增大有利于产电微生物的附着生长并提高电池功率。因此，从提高MFC 的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料作为三维阳极进行开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC 的产电能力具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于研发一种制作简单，价格低廉的用于微生物燃料电池的新型粘结型复合三维阳极。
技术方案如下:微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极，其特征在于:以铁网3为框架，在铁网框架的里、外面分别粘结里层碳毡(2)和外层碳毡(4),内置连接外电路的不锈钢棒(1), 粘结碳毡的粘结剂使用碳粉和30%聚四氟乙烯溶液的混合物。将粘结剂均匀地涂在碳毡表面，使其粘结在铁网上;第一层涂好后，使其在室温下干燥，直至在其表面观察到白色时，刷第二层并使其干燥,重复上述步骤，直到配制的所有粘结剂均刷至碳毡上,最后，将碳毡隔绝水和空气，密闭干燥24h以上。粘结剂中碳粉和聚四氟乙烯溶液的最佳配合比为75:1，即当碳粉和PTFE溶液的含量分别为750mg和10mL时，电池的产电性能最好，表观内阻为190Ω，功率密度最大，为5189.4mW·m-3。
铁网具有价格低廉、来源广泛、对微生物无毒害作用且导电能力优良的特点，碳毡具有比表面积大、易于微生物附着、电阻小、导电能力优良的特点，聚四氟乙烯溶液（简称PTFE溶液）是一种优良的粘结剂，由于其本身不导电，   本发明在聚四氟乙烯溶液中添加碳粉以增加粘结剂的导电性，降低电池内阻。                   
本发明的微生物燃料电池复合三维阳极的优点是：将两种阳极材料有机地结合在一起，既利用了铁网的导电性和框架结构，又充分发扬了碳毡比表面积大，适于微生物附着的特点，从而大大地提高了微生物燃料电池的性能。本发明的复合三维阳极取得了良好的效果，即降低了电池的表观内阻并增大了其功率密度，在碳粉和PTFE的含量分别为750mg和10mL时，电池的表观内阻为190?，最大功率密度为5189.4mW·m-3。而且本发明的复合三维阳极只需混合涂层粘结，无需使用烧结等复杂步骤和精细工艺，因而更简便实用，大大降低了阳极制作难度和成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中1为不锈钢棒（作用是连接外电路），2为里层碳毡，3为铁网框架，4为外层碳毡。
具体实施方式
下面的实施例说明了复合阳极材料粘结剂的含量和配比对电池性能的影响。制备方法很简单,参照附图制备连接即可。
新型粘结型复合三维阳极制作主要步骤如下：
（1）将碳毡裁成一层纤维结构，铁网的尺寸为相应微生物燃料电池阳极室体积的80%，将铁网、碳毡分别浸泡在1mol/L的盐酸溶液中以去除杂质离子，浸泡24小时后取出，用蒸馏水反复冲洗；
（2） 原PTFE溶液配成30%质量比的PTFE溶液待用，然后将一定量碳粉和30%PTFE溶液混合均匀待用；
（3）将里、外碳毡两层碳毡分别覆盖在铁网的两侧，用刷子将粘结剂均匀地刷在碳毡上，刷一层后在室温下干燥，同时不断搅拌待用的粘结剂；
（3）观察碳毡表面刚出现白色时，再刷第二层，重复上述步骤，直到配制的所有粘结剂均刷至碳毡上，最后将碳毡隔绝水和空气干燥24h以上。
实施例1，不同含量的粘结剂时电池性能的比较。
保持碳粉和PTFE溶液的质量比不变，改变它们的含量，按上述过程制作三维阳极。在对比试验中，其它制备、运行条件均相同，结果如表一。由表一可知，不同的碳粉和PTFE溶液含量，电池的性能有较大的变化。试验结果表明，当碳粉和PTFE溶液的含量分别为750mg和15mL时，用其所组装的MFC产电性能最好，电池表观内阻为304?，最大功率密度为3802.5mW·m-3。
表一
Figure 2011103203678100002DEST_PATH_IMAGE001
实施例2，不同配合比的粘结剂时电池性能的比较
固定碳粉的质量不变，改变PTFE溶液的含量，使碳粉和30%PTFE溶液的配合比为100:1、75:1、50:1和25:1。按上述过程制作三维阳极并且在对比试验中，其它制备、运行条件均相同，电池运行结果如表二。
由表二可知，不同的碳粉和PTFE溶液配合比时，电池的性能有较大的变化。试验结果表明，当碳粉和PTFE溶液的配合比在75:1时，电池的产电性能最好，表观内阻为190?，功率密度最大，为5189.4mW·m-3。由试验还得知，当碳粉和PTFE溶液配合比为100:1时，由于碳粉较多，粘结剂较干燥，粘结性能不好，碳粉在阳极上成团，易于脱落，因此此时虽然电池内阻最小，但产电性能较差。而当碳粉和PTFE溶液配合比为25:1时，粘结剂较稀，制作过程干燥需要的时间长，且PTFE溶液较多时，电子传输困难，电池电阻增大，电池产电性能大幅度下降。
表二
Figure 967641DEST_PATH_IMAGE002

Claims (3)

1.微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极，其特征在于:以铁网（3）为框架，在铁网框架的里、外面分别粘结里层碳毡(2)和外层碳毡(4),内置连接外电路的不锈钢棒(1), 粘结碳毡的粘结剂使用碳粉和30%聚四氟乙烯溶液的混合物。
2.如权利要求1所述的微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极的制备方法，其特征在于:将粘结剂均匀地涂在碳毡表面，使其粘结在铁网上;第一层涂好后，使其在室温下干燥，直至在其表面观察到白色时，刷第二层并使其干燥,重复上述步骤，直到配制的所有粘结剂均刷至碳毡上,最后，将碳毡隔绝水和空气，密闭干燥24h以上。
3.根据权利要求 2所述的微生物燃料电池的粘结型复合三维阳极的制备方法，其特征在于:粘结剂中碳粉和聚四氟乙烯溶液的配合比为75:1，即当碳粉和聚四氟乙烯溶液溶液的含量分别为750mg和10mL时，电池的产电性能最好，表观内阻为190Ω，功率密度最大，为5189.4mW·m-3。
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