CN104167561A - 生物阴极型微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物阴极型微生物燃料电池，包括多个阴极腔体、多个阳极腔体以及多个离子交换膜，所述多个阴极腔体及多个阳极腔体相互间隔设置，且每一阴极腔体与相邻的阳极腔体通过一离子交换膜隔开。每一阴极腔体包括：一第一腔体；一阴极活性物质；两个第一集电金属网，平行且间隔设置于所述第一腔体中；多个第一电子导出端，间隔设置于所述第一集电金属网上，并与一外部电路相连接；一第一进水口以及一第一出水口；以及一曝气装置。所述阳极腔体的结构所述阴极腔体的结构基本相同，不同之处在于所述阳极腔体中填充一阳极活性物质，且没有设置曝气装置。

Description

生物阴极型微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种生物阴极型微生物燃料电池，尤其涉及一种多电极腔体集成的生物阴极型微生物燃料电池。
背景技术
随着我国经济的快速发展，日益频繁的工业生产活动和人类活动造成了严重的水体污染，同时消耗了大量的能源；当今水体污染与能源紧缺已经成为制约我国可持续发展的关键问题。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,简称MFC）是一种利用产电微生物降解水中有机污染物并将其化学能原位转化为电能的新型污水处理技术。由于MFC在处理污水的过程中产生的剩余污泥量较少，运行能耗较低，而且可以原位产生电能，能量转化效率较高，因此MFC在近十年受到国内外学者的广泛关注和研究，有望成为未来污水厂节能减排的关键性技术。传统的MFC一般由阳极腔体、分隔材料和阴极腔体3部分组成，污水进入厌氧阳极腔体后被产电微生物所分解，产生的电子和质子分别经过外部电路系统和分隔材料最终传递至阴极腔体，并在阴极催化剂的作用下与氧气反应生成水，整个过程形成回路电流被外部用电设备所利用。放大MFC系统是MFC走向污水处理工业化应用的必经之路，但是目前放大MFC系统的输出功率密度一般随着其体积的放大而急剧降低，其成本则随之大幅度升高，而且单纯的厌氧污水处理效果并不理想，因此大大制约了MFC的放大实用化进程。
发明内容
综上所述，有必要提供一种有利于放大实用化的生物阴极型微生物燃料电池。
一种生物阴极型微生物燃料电池，包括多个阴极腔体、多个阳极腔体以及多个离子交换膜，所述多个阴极腔体及多个阳极腔体相互间隔设置，且每一阴极腔体与相邻的阳极腔体通过一离子交换膜隔开。每一阴极腔体包括：一第一腔体；一阴极活性物质填充于所述第一腔体中；两个第一集电金属网，平行且间隔设置于所述第一腔体中，且平行于所述离子交换膜设置；多个第一电子导出端，间隔设置于所述第一集电金属网上，并与一外部电路相连接；一第一进水口以及一第一出水口，分别设置于所述第一腔体的两端；以及一曝气装置，设置于所述第一腔体设置有所述第一进水口的一端。每一阳极腔体包括：一第二腔体；一阳极活性物质填充于所述第二腔体中；两个第二集电金属网，平行且间隔设置于所述第二腔体中，且平行于所述离子交换膜设置；多个第二电子导出端，间隔设置于所述第二集电金属网上，并与一外部电路相连接；以及一第二进水口以及一第二出水口，分别设置于所述第二腔体的两端。
与现有技术相比较，本发明提供的生物阴极型微生物燃料电池具有以下优点。其一，通过简易堆叠集成多个电极腔体，从而便于微生物燃料电池规模的放大。其二，由于每个阴极腔体和每个阳极腔体之间均设置离子交换膜，因此，可以增加离子传递的通道，并降低离子传递的距离及电池的欧姆阻力。故，微生物燃料电池的产电性能和输出功率密度相比其他构型的微生物燃料电池更高。其三、所述生物阴极型微生物燃料电池可以通过并联连接的方式为同一个外部用电设备供电以提供较大的输出电流，也可以独立连接为多个外部用电设备供电，因此，电池的电能利用较为灵活。其四，污水可以同时并行进出阳极腔体和阴极腔体，也可以串联分级进出阳极腔体和阴极腔体，进而可以灵活地调整电池的污水处理效果和产电性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池中阴极腔体的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池中阳极腔体的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池的并行进水方式的示意图。
图5是本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池的分级串联进水方式的示意图。
图6是本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池中各个电池单元并联对外供电的示意图。
图7是本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池中各个电池单元分别单独对外供电的示意图。
主要元件符号说明
生物阴极型微生物燃料电池 100
阴极腔体 10
第一腔体 11
阴极活性物质 12
第一集电金属网 13
第一电子导出端 14
第一进水口 15
第一出水口 16
曝气装置 17
阳极腔体 20
第二腔体 21
阳极活性物质 22
第二集电金属网 23
第二电子导出端 24
第二进水口 25
第二出水口 26
离子交换膜 30
微生物燃料电池单元 40
外部用电设备 200
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参照图1，本发明实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池100，包括：多个阴极腔体10、多个阳极腔体20以及多个离子交换膜30。所述多个阴极腔体10及多个阳极腔体20相互交替地堆叠设置，且每一阴极腔体10与相邻的阳极腔体20通过一离子交换膜30隔开。所述多个阴极腔体10及多个阳极腔体20的个数不限。本实施例中，包括3个阴极腔体10及3个阳极腔体20。所述离子交换膜30可以是阳离子交换膜或阴离子交换膜。本实施例中，所述离子交换膜30为一阳离子交换膜。
请参照图2，每一阴极腔体10包括：一第一腔体11；一阴极活性物质12填充于所述第一腔体11中；两个第一集电金属网13，平行且间隔设置于所述第一腔体11中并与所述离子交换膜30平行；多个第一电子导出端14，间隔设置于所述第一集电金属网13上，并与一外部电路相连接；一第一进水口15以及一第一出水口16，分别设置于所述第一腔体11的两端；以及一曝气装置17，设置于所述第一腔体11设置有所述第一进水口16的一端。
所述第一腔体11的材料可以是PVC等绝缘材料。所述阴极活性物质12为多个负载有好氧氧气还原生物膜的活性炭颗粒，该多个负载有好氧氧气还原生物膜的活性炭颗粒填充于所述第一腔体11内部。所述负载有好氧氧气还原生物膜的活性炭颗粒12是通过在活性炭颗粒上接种实验室中其他种类的微生物燃料电池的好氧生物阴极出水，并经过培养驯化而得到的。可以理解，所述阴极活性物质12也不限于上述具体实施例，其他现有的阴极活性物质也可以用于本发明。所述两个第一集电金属网13用于收集电流，该两个第一集电金属网13平行且间隔设置于所述第一腔体11的两侧，并与所述阴极活性物质12紧密接触。所述两个第一集电金属网13距离所述第一腔体11两侧的距离不限，优选地，每一第一集电金属网13距离所述第一腔体11一侧的距离为0.5厘米到1.5厘米。本实施例中，每一第一集电金属网13距离所述第一腔体11一侧的距离均约为1厘米。所述第一集电金属网13的材料不限，可以为金、银、铜、钛、不锈钢等导电性良好的金属或合金。本实施例中，所述两片第一集电金属网13的材料为钛金属。所述多个第一电子导出端14间隔设置于所述集电金属网13上，并与外部电路相连接。所述第一电子导出端14的个数不限，可以根据实际需要选择。所述第一电子导出端14优选设置在所述第一集电金属网13的两端及中部，该第一电子导出端14可以用多根导电金属丝编进所述第一集电金属网13内，并在第一腔体11的外部伸出接触端从而作为电子导出的端口。本实施例中，每一第一集电金属网13均等间距设置有3个第一电子导出端14，且每一第一电子导出端14均与外部电路电连接，从而可以降低了电极放大过程中的电子传递距离，降低欧姆阻力。所述第一进水口15及第一出水口16分别设置于所述第一腔体11沿所述第一集电金属网13延伸方向的两端。所述曝气装置17用于保证阴极腔体10内溶液的溶解氧充足，该曝气装置17设置于所述第一腔体11设置有所述第一进水口15的一端。该曝气装置17可以包括一外部鼓风机以及与该鼓风机连接的微孔曝气管。
请参照图3，所述阳极腔体20一第二腔体21；一阳极活性物质22填充于所述第二腔体21中；两个第二集电金属网23，平行且间隔设置于所述第二腔体21中；多个第二电子导出端24，间隔设置于所述第二集电金属网23上，并与一外部电路相连接；以及一第二进水口25以及一第二出水口26，分别设置于所述第二腔体21的两端。所述阳极腔体20的结构与所述阴极腔体10的结构基本相同，不同之处在于所述阳极腔体20中填充的阳极活性物质22为多个负载有厌氧产电生物膜的活性炭颗粒，且没有设置所述曝气装置17。所述负载有厌氧产电生物膜的活性炭颗粒是通过在活性炭颗粒上接种实验室中其他种类的微生物燃料电池的厌氧阳极出水，并经过培养驯化而得到的。可以理解，所述阳极活性物质22也不限于上述具体实施例，其他现有的阳极活性物质也可以用于本发明。
请一并参照图1，可以理解，每一离子交换膜30、与该离子交换膜30相邻的一第一集电金属网13、一第二集电金属网23及所述第一集电金属网13和第二集电金属网23之间的活性炭颗粒可以等效看作一个微生物燃料电池单元40。因此，n个电极腔体集成的微生物燃料电池实际上是含有n-1个微生物燃料电池单元40，具有较高的集成效率。本实施例中，包括6个阴极腔体10和阳极腔体20集成的生物阴极型微生物燃料电池100实际上包括5个微生物燃料电池单元。
请参照图4，本发明实施例进一步提供一种所述生物阴极型微生物燃料电池100的并行进水方式。将一污水供给装置（图中未标示）与每一阳极腔体20的第二进水口25相连接，并使用泵将污水通过每一阳极腔体20的第二进水口25送入每一阳极腔体20中；将一阴极溶液供给装置（图中未标示）与每一阴极腔体10的第一进水口15相连接，并同时用泵将一阴极溶液通过每一阴极腔体10的第一进水口15送入每一阴极腔体10中。其中，所述阴极溶液可以是好氧处理后的二沉池出水。这种并行进水方式可以使得所述生物阴极型微生物燃料电池100的有机负荷较高，各个阳极腔体20内的基质浓度充分，从而可以最大限度地避免电极反转现象。而且各个阳极腔体20中的产电菌产电活性较高，使得生物阴极型微生物燃料电池100获得最佳的产电性能。
请参照图5，本发明实施例进一步提供一种所述生物阴极型微生物燃料电池100的分级串联进水方式。将一污水供给装置与一个阳极腔体20的第二进水口25相连接，并通过管道使该阳极腔体20依次与其他阳极腔体20联通后再依次与阴极腔体10联通；从而使污水可以先后流经各个厌氧的阳极腔体20，然后再流经各个好氧的阴极腔体10，最后从阴极腔体10中流出。这种分级串联进水方式可以提高污水的停留时间，而且污水经过厌氧和好氧处理，污水中的有机污染物得到更充分的降解，可以提高所述生物阴极型微生物燃料电池100的COD去除效果，即，提高污水处理效果。
可以理解，污水在流经各个阳极腔体20时，污水中的有机污染物被厌氧分解，其中一部分分解的有机物是被附着生长在活性炭颗粒上的厌氧产电微生物所利用。污水经过多个厌氧阳极腔体20后，COD降解至一定的水平，然后再分级串联流经多个好氧阴极腔体10。此时，一方面，阳极腔体20各处产生的大量电子由第一集电金属网13所收集并经过外部电路和用电设备后传递至阴极腔体10；另一方面，由于阴极腔体10设置了曝气装置17，保证阴极腔体10内溶液的溶解氧充足，故，由阳极腔体20各处产生的质子则通过阳离子交换膜传递至两侧的阴极腔体10并与传递过来的电子和溶解氧反应，最终生成水。污水先后分级经过多个厌氧阳极腔体20再经过多个好氧阴极腔体10，实现了厌氧-好氧环境的处理，污水中的有机物得到充分的降解，并且转化成电能以供外部用电设备利用。
请参照图6，本发明实施例进一步提供一种所述生物阴极型微生物燃料电池100的供电方法。将所有阳极腔体20的第一集电金属网13通过外部导线与一个外部用电设备200的一端相连，并将所有阴极腔体10的第一集电金属网13通过外部导线与所述外部用电设备200的另一端相连，此时，相当于有5个微生物燃料电池单元通过电路并联连接对所述外部用电设备200进行供电，因此，可以对所述外部用电设备200提供较大的电流和输出功率。
请参照图7，本发明实施例进一步提供另一种所述生物阴极型微生物燃料电池100的供电方法。将每一离子交换膜30两侧一第一集电金属网13和一第二集电金属网23分别与一个外部用电设备200的两端电连接。此时，相当于有5个微生物燃料电池单元分别单独对5个外部用电设备200供电，因此，可以同时对多个外部用电设备200进行供电。
本发明实施例提供的多电极腔体集成的生物阴极型微生物燃料电池具有如下优点。其一，通过简易堆叠集成多个电极腔体，从而便于微生物燃料电池规模的放大。其二，由于阴极腔体和阳极腔体之间均设置离子交换膜，因此，可以增加离子传递的通道，并降低离子传递的距离及电池的欧姆阻力。故，微生物燃料电池的产电性能和功率密度相比其他构型的微生物燃料电池更高。其三、所述生物阴极型微生物燃料电池可以通过并联连接的方式为同一个外部用电设备供电以提供较大的输出电流，也可以独立连接为多个外部用电设备供电，因此，电池的电能利用较为灵活。其四，污水可以同时并行进出阳极腔体和阴极腔体，也可以串联分级进出阳极腔体和阴极腔体，进而可以灵活地调整电池的污水处理效果和产电性能。最后、本发明中电极腔体的填充材料为廉价的颗粒活性炭，来源广泛易得，而不需要昂贵的阴极氧气还原催化剂；且电极腔体材料为PVC材料，因此，整个电池的成本较低。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，包括多个阴极腔体、多个阳极腔体以及多个离子交换膜，所述多个阴极腔体及多个阳极腔体相互间隔设置，且每一阴极腔体与相邻的阳极腔体通过一离子交换膜隔开；
每一阴极腔体包括：
一第一腔体；
一阴极活性物质填充于所述第一腔体中；
两个第一集电金属网，平行且间隔设置于所述第一腔体中，且平行于所述离子交换膜设置；
多个第一电子导出端，间隔设置于所述第一集电金属网上，并与一外部电路相连接；
一第一进水口以及一第一出水口，分别设置于所述第一腔体的两端；以及
一曝气装置，设置于所述第一腔体设置有所述第一进水口的一端；
每一阳极腔体包括：
一第二腔体；
一阳极活性物质填充于所述第二腔体中；
两个第二集电金属网，平行且间隔设置于所述第二腔体中，且平行于所述离子交换膜设置；
多个第二电子导出端，间隔设置于所述第二集电金属网上，并与一外部电路相连接；以及
一第二进水口以及一第二出水口，分别设置于所述第二腔体的两端。
2.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，所述第一腔体和第二腔体的材料为绝缘PVC材料。
3.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，所述第一集电金属网和第二集电金属网上均设置3个电子导出端，且所述3个电子导出端等间距间隔设置于所述集电金属网的两端及中心。
4.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，进一步包括一污水供给装置与每一阳极腔体的第二进水口相连接；以及一阴极溶液供给装置与每一阴极腔体的第一进水口相连接。
5.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，进一步包括一污水供给装置与一个阳极腔体的第二进水口相连接，且该阳极腔体的第二出水口通过管道依次与其他阳极腔体联通后，再依次与阴极腔体联通。
6.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，进一步包括一个外部用电设备，所有阳极腔体的第二集电金属网通过外部导线与所述外部用电设备的一端相连，且所有阴极腔体的第一集电金属网通过外部导线与所述外部用电设备的另一端相连。
7.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，进一步包括多个外部用电设备，且每一离子交换膜两侧的一第一集电金属网和一第二集电金属网分别与其中一个外部用电设备的两端电连接。
8.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，所述离子交换膜为阳离子交换膜或阴离子交换膜。
9.如权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池，其特征在于，所述第一电子导出端为用多根导电金属丝编进所述第一集电金属网内，并在所述第一腔体的外部伸出接触端从而作为电子导出的端口。
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