CN104393309A - 一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统 - Google Patents

一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，它涉及一种电池系统。本发明的目的是要解决现有微生物燃料电池的输出功率密度低、产生电压低、电能难以回收利用，阴极成本高和不能持续降解污水中具有生物毒性的有机物的问题。一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统包括箱体、微生物阳极室、离子交换膜、光催化阳极、电阻、石英玻璃窗口、光源、光阳极室进水口、光阳极室出水口、微生物阳极、阴极、开孔、微生物阳极室进水口、微生物燃料电池出水口、光阳极室、进水管、导管和出水管；本发明同时利用了光能和生物能，提高了29％～65％的系统的产能效能。本发明可获得一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统。

Description

一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种电池系统。
背景技术
微生物燃料电池是一种以微生物为催化剂，利用工业废水和生活污水作为燃料，通过微生物的代谢把储存在生物质内的化学能直接转换成电能的装置，为同步解决环境污染和能源挥发问题提供了新思路。
微生物燃料电池作为一种新兴的能源与环保工艺，距离实际的工业化应用还有很大距离。其一，微生物燃料电池的输出功率密度低、产生电压低、电能难以回收利用。一般认为，阴极反应的速率是微生物燃料电池性能的限制因素。研究者们从阴极材料和阴极催化剂的角度做了大量的工作，以期提高微生物燃料电池中阴极的性能，进而提高微生物燃料电池的功率输出，然而这些工作不可避免的使阴极的制备复杂化，降低实际应用中的可操作性，同时提高了阴极的成本。
其二，微生物燃料电池降解的污染物质主要是无生物毒性的有机物，对持久性有机物的降解效果差。这大大的限制了微生物燃料电池在污染物降解方面的应用。
发明内容
本发明的目的是要解决现有微生物燃料电池的输出功率密度低、产生电压低、电能难以回收利用，阴极成本高和不能持续降解污水中具有生物毒性的有机物的问题，而提供一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统。
一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统包括箱体、微生物阳极室、离子交换膜、光催化阳极、第一电阻、石英玻璃窗口、光源、光阳极室进水口、光阳极室出水口、微生物阳极、第二电阻、阴极、开孔、微生物阳极室进水口、微生物燃料电池出水口、光阳极室、进水管、导管和出水管；
所述的箱体的一侧侧面上镶嵌有石英玻璃窗口，箱体的另一侧侧面上设有开孔，箱体的上表面开设有光阳极室进水口、光阳极室出水口、微生物阳极室进水口和微生物燃料电池出水口；进水管与光阳极室进水口相连通，光阳极室出水口通过导管与微生物阳极室进水口相连通，出水管与微生物燃料电池出水口相连通；
所述的光源设置在石英玻璃窗口的一侧；离子交换膜设置在箱体中，将箱体分隔成光阳极室和微生物阳极室；
所述的光催化阳极设置在光阳极室内，微生物阳极和阴极设置在微生物阳极室内；第一电阻的一端与光催化阳极相连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻及阴极相连接；第二电阻的一端与微生物阳极相连接，第二电阻的另一端分别与第一电阻和阴极相连接。
本发明的原理和优点：
本发明的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统将光电催化技术与微生物燃料电池技术耦合在一起，利用光催化无选择性降解污染物的特性，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，再进行生物降解。同时，根据光催化燃料电池和微生物燃料电池差异较大的功率输出特性，微生物燃料电池的阴极电位得到了大幅度提高，从而使微生物燃料电池的功率密度提高了29％～65％。
本发明可获得一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统的结构示意图；
图2为电流密度随功率密度和电压的变化曲线；图2中1为单独使用光催化燃料电池回路处理污水的功率输出特性，2为单独使用微生物燃料电池回路处理污水的功率输出特性；
图3为功率密度随电位的变化曲线；图3中1为单独使用光催化燃料电池回路处理污水的阴极/阳极电位的变化曲线，2为单独使用微生物燃料电池回路处理污水的阴极/阳极电位的变化曲线；
图4为使用试验一的装置的微生物燃料电池的极化曲线；图1中1为单独使用微生物燃料电池回路的功率输出特性，2为使用试验一的装置第一电阻为1Ω时，微生物燃料电池的输出特性，3为使用试验一的装置第一电阻为100Ω时，微生物燃料电池的功率输出特性，4为使用试验一的装置第一电阻为1000Ω时，微生物燃料电池的功率输出特性；
图5为使用试验一的装置的电极电位曲线；图5中1为单独微生物燃料电池回路的电极电位曲线，2为使用试验一的装置第一电阻为1Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线，3为使用试验一的装置第一电阻为100Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线，4为使用试验一的装置第一电阻为1000Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线；
图6为水中COD含量的柱状图；图6中A为原污水中的COD含量，B为第二电阻为1000Ω时单独使用微生物燃料电池回路处理污水后出水中的COD含量，C为第一电阻为1000Ω，第二电阻均为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后出水中的COD含量，D为第一电阻为1Ω，第二电阻为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后出水中的COD含量。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统包括箱体1、微生物阳极室3、离子交换膜5、光催化阳极6、第一电阻7、石英玻璃窗口9、光源10、光阳极室进水口11、光阳极室出水口12、微生物阳极13、第二电阻14、阴极15、开孔17、微生物阳极室进水口18、微生物燃料电池出水口19、光阳极室20、进水管21、导管22和出水管23；
所述的箱体1的一侧侧面上镶嵌有石英玻璃窗口9，箱体1的另一侧侧面上设有开孔17，箱体1的上表面开设有光阳极室进水口11、光阳极室出水口12、微生物阳极室进水口18和微生物燃料电池出水口19；进水管21与光阳极室进水口11相连通，光阳极室出水口12通过导管22与微生物阳极室进水口18相连通，出水管23与微生物燃料电池出水口19相连通；
所述的光源10设置在石英玻璃窗口9的一侧；离子交换膜5设置在箱体1中，将箱体1分隔成光阳极室20和微生物阳极室3；
所述的光催化阳极6设置在光阳极室20内，微生物阳极13和阴极15设置在微生物阳极室3内；第一电阻7的一端与光催化阳极6相连接，第一电阻7的另一端分别与第二电阻14及阴极15相连接；第二电阻14的一端与微生物阳极13相连接，第二电阻14的另一端分别与第一电阻7和阴极15相连接。
图1为具体实施方式一所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统的结构示意图；图1中1为箱体，3为微生物阳极室，5为离子交换膜，6为光催化阳极，7为第一电阻，9为石英玻璃窗口，10为光源，11为光阳极室进水口，12为光阳极室出水口，13为微生物阳极，14为第二电阻，15为阴极，17为开孔，18为微生物阳极室进水口，19为微生物燃料电池出水口，20为光阳极室，21为进水管，22为导管，23为出水管。
本实施方式的原理和优点：
本实施方式的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统将光电催化技术与微生物燃料电池技术耦合在一起，利用光催化无选择性降解污染物的特性，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，再进行生物降解。同时，根据光催化燃料电池和微生物燃料电池差异较大的功率输出特性，微生物燃料电池的阴极电位得到了大幅度提高，从而使微生物燃料电池的功率密度提高了29％～65％。
本实施方式可获得一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：光催化阳极6为半导体材料附着在导电基底上；所述的半导体材料为二氧化钛、ZnO、WO3或MoS2。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：微生物阳极13为微生物阳极13为微生物阳极13为附着在载体上的具有电化学活性生物膜；所述的载体为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：阴极15为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨、石墨烯、不锈钢网、不锈钢板、钛板或钛网。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：阴极15表面负载有阴极催化剂；所述的阴极催化剂为贵金属催化剂、非贵金属催化剂或生物阴极催化剂；所述的金属催化剂为铂、钯、钌和金中的一种或其中几种的合金；所述的非贵金属催化剂为活性炭、碳粉或乙炔黑。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：光源10为太阳光、氙灯或汞灯。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：光催化燃料电池外电路装置7的电阻为1Ω～1000Ω。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：微生物燃料电池外电路装置14的电阻为1Ω～1000Ω。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：光催化阳极6的面积为箱体1的侧面面积的50％～80％；箱体1的侧面上石英玻璃窗口9面积为光催化阳极6面积的1.1倍。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：箱体1的侧面面积与开孔17的面积比为(1.5～2.0):1。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统包括箱体1、微生物阳极室3、离子交换膜5、光催化阳极6、第一电阻7、石英玻璃窗口9、光源10、光阳极室进水口11、光阳极室出水口12、微生物阳极13、第二电阻14、阴极15、开孔17、微生物阳极室进水口18、微生物燃料电池出水口19、光阳极室20、进水管21、导管22和出水管23；
所述的箱体1的一侧侧面上镶嵌有石英玻璃窗口9，箱体1的另一侧侧面上设有开孔17，箱体1的上表面开设有光阳极室进水口11、光阳极室出水口12、微生物阳极室进水口18和微生物燃料电池出水口19；进水管21与光阳极室进水口11相连通，光阳极室出水口12通过导管22与微生物阳极室进水口18相连通，出水管23与微生物燃料电池出水口19相连通；
所述的光源10设置在石英玻璃窗口9的一侧；离子交换膜5设置在箱体1中，将箱体1分隔成光阳极室20和微生物阳极室3；
所述的光催化阳极6设置在光阳极室20内，微生物阳极13和阴极15设置在微生物阳极室3内；第一电阻7的一端与光催化阳极6相连接，第一电阻7的另一端分别与第二电阻14及阴极15相连接；第二电阻14的一端与微生物阳极13相连接，第二电阻14的另一端分别与第一电阻7和阴极15相连接。
试验一中光催化阳极6为半导体材料附着在导电基底上；所述的半导体材料为二氧化钛，导电基底为钛板；
试验一中微生物阳极13为附着在碳纤维刷上的具有电化学活性生物膜；
试验一中阴极15为碳布空气阴极；
试验一中阴极15表面负载有阴极催化剂；所述的阴极催化剂为铂；
试验一中光源10为300W氙灯；
试验一种光阳极6面积为箱体1的侧面面积的50％；
试验一中箱体1的侧面上石英玻璃窗口9的面积为光催化阳极6的面积的1.1倍；
试验一中箱体1的侧面与开孔17的面积比为1.8:1。
试验一一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统中包括光催化燃料电池回路(PEC)和微生物燃料电池回路(MFC)两个部分；
单独光催化燃料电池回路的产电特性，是在微生物燃料电池回路断开的条件下测定的。污水从光阳极室进水口11进入，之后经光阳极室出水口12进入微生物阳极室，最终出水经微生物燃料电池出水口19流出,污水在光阳极室20和微生物阳极室3的停留时间分别为1h和12h。第一电阻为1000Ω时试验中测定了单独光燃料电池的功率输出、阴极和光阳极电位、最终出水COD，如图2和图3所示；
单独微生物燃料电池回路的产电特性，是在光催化燃料电池回路断开的条件下测定的。污水从光阳极室进水口11进入，之后经光阳极室出水口12进入微生物阳极室，最终出水经微生物燃料电池出水口19流出，污水在光阳极室20和微生物阳极室3的停留时间分别为1h和12h。第二电阻14的值为1000Ω时试验中测定了单独微生物燃料电池的功率输出、阴极和微生物阳极电位，如图2和图3所示；最终出水COD，如图6所示。
单独使用光催化燃料电池回路(PEC)处理污水和单独使用微生物燃料电池回路(MFC)处理污水的功率输出特性如图2所示；图2为电流密度随功率密度和电压的变化曲线；图2中1为单独使用光催化燃料电池回路处理污水的功率输出特性，2为单独使用微生物燃料电池回路处理污水的功率输出特性；从图2可以看出，单独使用光催化燃料电池回路(PEC)处理污水的最大功率密度和电流密度分别为291.6mW/m2和1.96A/m2，单独使用微生物燃料电池回路(MFC)处理污水的最大功率密度和电流密度分别为1075.3mW/m2and 6.26A/m2，由此可知，微生物燃料电池回路(MFC)的产能远大于光催化燃料电池回路(PEC)，这是因为对MFC回路和PEC回路产能的限制因素亦有差别，PEC回路的产能主要受光阳极产电子能力的制约，而MFC回路主要受阴极电子消耗速率的制约，如图3所示，图3为功率密度随电位的变化曲线；图3中1为单独使用光催化燃料电池回路处理污水的阴极/阳极电位的变化曲线，2为单独使用微生物燃料电池回路处理污水的阴极/阳极电位的变化曲线；从图3可知，PEC回路的阴极电位在较大电流密度范围内高于MFC回路，因此PEC回路的连接可以有效的提高MFC回路的阴极电位，进而提高MFC回路的产能。
光催化–微生物复合阳极燃料电池系统的产电特性和污水降解性能是使用试验一的光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，在光催化燃料电池回路和微生物燃料电池回路同时连通的情况下测定的。
污水从光阳极室进水口11进入，之后经光阳极室出水口12进入微生物阳极室，最终出水经微生物燃料电池出水口19流出，污水在光阳极室20和微生物阳极室3的停留时间分别为1h和12h。
依次将第一电阻7的电阻设定为1Ω、100Ω和1000Ω，将第二电阻14设定为1000Ω时测试复合阳极系统中微生物燃料电池回路的功率密度、阴极和光阳极电位；如图4和图5所示；
将第二电阻14设定为1000Ω，依次将第一电阻7的外阻设定为1Ω和1000Ω，测试经过试验一的光催化和微生物复合阳极燃料电池系统处理后的出水COD，如图6所示。
微生物燃料电池回路(MFC)的产能在与光催化燃料电池回路(PEC)连接的情况下，即为使用试验一的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统后，产能大幅提高，如图4和图5所示，图4为使用试验一的装置的微生物燃料电池的极化曲线；图1中1为单独使用微生物燃料电池回路的功率输出特性，2为使用试验一的装置第一电阻为1Ω时，微生物燃料电池的输出特性，3为使用试验一的装置第一电阻为100Ω时，微生物燃料电池的功率输出特性，4为使用试验一的装置第一电阻为1000Ω时，微生物燃料电池的功率输出特性；图5为使用试验一的装置的电极电位曲线；图5中1为单独微生物燃料电池回路的电极电位曲线，2为使用试验一的装置第一电阻为1Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线，3为使用试验一的装置第一电阻为100Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线，4为使用试验一的装置第一电阻为1000Ω时，微生物燃料电池的电极电位曲线；
从图4和图5可以看出，第一电阻为1Ω时使用试验一的装置的最大功率密度和电流密度分别提高到1388.4mW/m2和8.73A/m2；第一电阻为100Ω时使用试验一的装置的最大功率密度和电流密度分别提高到1589.5mW/m2和9.25A/m2；第一电阻为1000Ω时使用试验一的装置的最大功率密度和电流密度分别提高到1781.6mW/m2和9.57A/m2。
图6为水中COD含量的柱状图；图6中A为污水中的COD含量，B为第二电阻为1000Ω时单独微生物燃料电池回路处理污水后出水中的COD含量，C为第一电阻为1000Ω，第二电阻均为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后出水中的COD含量，D为第一电阻为1Ω，第二电阻为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后出水中的COD含量；
从图6可知，单独使用微生物燃料电池回路，污水中的COD经微生物阳极的降解，从污水中COD的含量1119mg/L降低到318mg/L；第一电阻为1000Ω和第二电阻均为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后，出水中COD的值为162mg/L；第一电阻为1Ω，第二电阻为1000Ω时使用试验一的装置处理污水后，出水中COD的值为184mg/L，可见，试验一中一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统提高了14％污水的处理效果。

Claims (10)

1.一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统包括箱体(1)、微生物阳极室(3)、离子交换膜(5)、光催化阳极(6)、第一电阻(7)、石英玻璃窗口(9)、光源(10)、光阳极室进水口(11)、光阳极室出水口(12)、微生物阳极(13)、第二电阻(14)、阴极(15)、开孔(17)、微生物阳极室进水口(18)、微生物燃料电池出水口(19)、光阳极室(20)、进水管(21)、导管(22)和出水管(23)；
所述的箱体(1)的一侧侧面上镶嵌有石英玻璃窗口(9)，箱体(1)的另一侧侧面上设有开孔(17)，箱体(1)的上表面开设有光阳极室进水口(11)、光阳极室出水口(12)、微生物阳极室进水口(18)和微生物燃料电池出水口(19)；进水管(21)与光阳极室进水口(11)相连通，光阳极室出水口(12)通过导管(22)与微生物阳极室进水口(18)相连通，出水管(23)与微生物燃料电池出水口(19)相连通；
所述的光源(10)设置在石英玻璃窗口(9)的一侧；离子交换膜(5)设置在箱体(1)中，将箱体(1)分隔成光阳极室(20)和微生物阳极室(3)；
所述的光催化阳极(6)设置在光阳极室(20)内，微生物阳极(13)和阴极(15)设置在微生物阳极室(3)内；第一电阻(7)的一端与光催化阳极(6)相连接，第一电阻(7)的另一端分别与第二电阻(14)及阴极(15)相连接；第二电阻(14)的一端与微生物阳极(13)相连接，第二电阻(14)的另一端分别与第一电阻(7)和阴极(15)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于光催化阳极(6)为半导体材料附着在导电基底上；所述的半导体材料为二氧化钛、ZnO、WO3或MoS2。
3.根据权利要求1所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于微生物阳极(13)为微生物阳极(13)为附着在载体上的具有电化学活性生物膜；所述的载体为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于阴极(15)为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨、石墨烯、不锈钢网、不锈钢板、钛板或钛网。
5.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于阴极(15)表面负载有阴极催化剂；所述的阴极催化剂为贵金属催化剂、非贵金属催化剂或生物阴极催化剂；所述的金属催化剂为铂、钯、钌和金中的一种或其中几种的合金；所述的非贵金属催化剂为活性炭、碳粉或乙炔黑。
6.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于光源(10)为太阳光、氙灯或汞灯。
7.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于第一电阻(7)的电阻为1Ω～1000Ω。
8.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于第二电阻(14)的电阻为1Ω～1000Ω。
9.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于光催化阳极(6)的面积为箱体(1)的侧面面积的50％～80％；箱体(1)的侧面上石英玻璃窗口(9)面积为光催化阳极(6)面积的1.1倍。
10.根据权利要求1或4所述的一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统，其特征在于箱体(1)的侧面面积与开孔(17)的面积比为(1.5～2.0):1。
CN201410680823.3A 2014-11-24 2014-11-24 一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统 Active CN104393309B (zh)

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