CN102916211A - 一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池 - Google Patents

一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池 Download PDF

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赵峰
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Abstract

本发明公开了一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池。所述电池包括接种厌氧活性污泥的阳极室和好氧生物阴极的阴极室，两室之间由阳离子交换膜分隔。阳极室内设置有阳极；阴极通过开口挡板固定于反应器形成阴极室。好氧微生物在阴极表面附着形成生物阴极；生物阴极另一面与空气相通以使氧气渗透到阴极电解液为生物阴极提高电子供体。阳极微生物分解代谢有机物产生电子，电子通过外电路移动到生物阴极；在微生物的作用下氧气与电子以及从阳极透过的质子反应生成水，同时产生电能。本发明为避免了机械曝气增加的运行成本；微生物取代贵金属氧还原催化剂，降低了微生物燃料电池的构造成本，同时提供较高的电能密度。

Description

一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池，透过的空气提供充足的氧气作为生物阴极的电子受体，属于绿色生物能源技术领域。
背景技术
传统的生物阴极微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, MFC) 由阳极室和阴极室组成，两极室之间通过离子交换膜相隔。其产电过程是阳极微生物厌氧降解有机物产生电子、质子和二氧化碳；电子传输到阳极通过外电路负载到达生物阴极，质子通过离子交换膜由阳极室到达阴极室；阴极室电子受体（以O2为例）在阴极微生物的作用下得到电子和质子而被还原成水，从而产生电流。微生物燃料电池是一种绿色新能源技术，在近几年得到广泛深入地研究，为解决能源短缺和污水处理提供了一条新途径。
MFC 反应器从结构上分可以分为单室 MFC 和双室 MFC ；阴极的设计形式决定了 MFC 反应器的设计形式。氧气被认为是最佳的电子受体，但其过高的过电势影响了MFC的产电性能。化学催化剂的应用可有效降低氧气还原的过电势，但是化学催化剂价格较贵，且长时间运行后性能会下降。生物催化剂作为化学催化剂的替代受到广泛关注。在目前报道的生物阴极MFC中，氧气主要是以曝气的方式提供，这提高了其运行成本；在开口式生物阴极MFC中，氧气以主动扩散的方式进入生物膜，这种方式可以削减曝气带来的成本，但是容易在生物膜内部产生溶解氧梯度，影响生物阴极的性能。因此有必要提供一种结构简单又能实现空气自然进入阴极的微生物燃料电池。
发明内容
1、技术方案：本发明的目的是提供一种空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池，省去生物阴极常用的机械曝气，节省耗能，降低操作成本，同时避免了微生物膜内部的溶解氧梯度，实现真正意义上可持续性的 MFC；该生物阴极结构具有设计简单，可操作性强，基础和运行费用大大降低等优点。
2、具体的运用方法：本发明提供一种空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间由阳离子交换膜隔开；阴极室设有开口挡板；阳极和阴极分别位于阳极室和阴极室，并通过导线和外电阻连成闭合回路。
阴极挡板为边长同阴极室裙边长相等的、中间带有开口的正方形有机玻璃板，并带有与阴极室裙边对应的螺孔；阴极为载有PTFE空气扩散层的碳布，氧气通过PTFE扩散层进入阴极室为阴极微生物膜提供电子受体。
阳极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L，NaAc 0.82 g/L；阴极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L 。
3、有益效果：本发明采用获取方便，取之不尽的氧气作为微生物燃料电池的电子受体；空气透过阴极为阴极生物膜提供电子受体，避免了机械曝气和阴极生物膜内部溶解氧的浓度梯度；节约了操作成本，实现了真正意义上可持续的 MFC；该阴极结构具有设计简单，可操作性强，基础和运行费用大大降低等优点。
附图说明:
图1为本发明所述空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池示意图；1为生物阴极，2为开口挡板。
图2 为本发明所述空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池和对照电池的极化曲线（a）和电极电势（b）曲线 
具体实施方式
本发明提供了一种空气透过阴极双室微生物燃料电池，以下结合附图对具体实施方式加以说明。
本发明提供了一种空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池，以下结合附图对具体实施方式加以说明。
装置实施例：本实施例一种空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池包括厌氧阳极室和好氧阴极室两个腔室；阳极室和阴极室之间采用阳离子交换膜(CEM)进行分隔；阳极和阴极通过导线和外电阻（R）连成闭合回路；阴极挡板设有开口供氧气渗入。在密闭的阳极厌氧环境中，阳极室内的产电微生物通过代谢将废水中的有机物氧化分解并产生电子、质子，电子经外电路转移到阴极，质子经由阳离子交换膜扩散到阴极，空气透过PTFE和碳粉修饰的碳布进入阴极室，阴极室内的氧气与从阳极通过导线传递到阴极室的电子和透过阳离子交换膜进入阴极室的质子在阴极好氧微生物的作用下结合生成水实现产电过程。
 [0013] 实施例：本实施例一种空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池。阳极包括碳布，阴极包括PTFE和碳粉修饰的碳布，碳布与阴极电解液接触的一侧附着有好氧微生物膜(1),氧气通过开口挡板(2)渗入到阴极生物膜内，作为生物阴极的电子受体。电路中设有外电阻，输出电压通过数据采集器（Keithley Intruments Inc., USA）自动记录到计算机中。
阳极液为KH2PO4 6.28g/L，K2HPO4 10.08 g/L，NaHCO3 2.0 g/L，NaCl 0.5 g/L，Na2SO4 0.5 g/L，MgSO4.7H2O 0.2 g/L，NaAc 0.82 g/L，阴极液除不添加乙酸钠，其它成分同阳极液。
保持阳极室厌氧环境，在基质充足并且该空气透过阴极双室微生物燃料电池处于稳定产电能力时改变外电阻大小，记录电池电压以及电极电势。该空气呼吸生物阴极双室微生物燃料电池的开路电压为792.2mV, 生物阴极开电路电势为274.8mV (相对于Ag/AgCl 参比电极),最大输出功率为102.9mW/m2阴极面积;同时，以同样方法修饰但不附着微生物膜的阴极的对照电池的开路电压为577.5mV,阴极开路电位为23.6mV (相对于Ag/AgCl 参比电极)，最大输出功率为7.3mW/m2阴极面积。以上结果表明空气呼吸生物阴极可以有效提高阴极电势，从而提高微生物燃料电池的产电密度。 

Claims (2)

1.一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室；阴极室设有空气透过开口挡板；阳极和阴极分别位于阳极室和阴极室，并通过导线和外电阻连成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的一种空气呼吸生物阴极微生物燃料电池，其特征在于生物阴极利用通过挡板开口渗入的氧气作为电子受体产生电流。
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