CN107221696A - 一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，包括设有进液孔的第一绝缘板1、设置有阴极池和阳极池的第二绝缘板4，所述阴极池、阳极池呈蛇形通道形式置于第二绝缘板4两侧，两个绝缘板之间设有质子交换膜2和作为阴阳极的两块碳纸3，两块碳纸3分别覆盖在阴极池、阳极池上，质子交换膜2置于阴极池、阳极池之间，所述质子交换膜2与碳纸3呈接触状态。本发明还进一步公开了所述电池的制备方法。本发明公开的微生物燃料电池具有很高的单位电池体积或电极面积产电能力，并且体积很小，可以作为潜在的微型电源。

Description

一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池及其制备方法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，涉及一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池及其制备方法。
背景技术
现代生活生产中，能源占据着重大比例，随着人口增多，需求增大，地球上不可再生的化石能源的储量越来越少，全球性的能源缺口加大，能源危机问题日趋突出。微生物燃料电池就是一种利用自然界中的微生物细菌作为生物催化剂，将有机物中的化学能转化转变为电能的装置。微生物燃料电池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，基本结构为阴极池和阳极池。利用微生物燃料电池不仅可以直接将环境中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢工程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。目前，较为成熟的常规尺寸的微生物燃料电池由于产电效率低下在应用方面存在较大瓶颈。而微型微生物燃料电池的阴阳极池几乎粘在一起可以减小两者之间的距离从而使质子可以最大限度的通过质子交换膜，比传统的两室MFC具有更高的电子传递效率，产电效率也得到了极大的提高。微型微生物燃料电池由于其体积小而产电量高而具有极为广阔的应用前景，有望在军事、国土安全及医学领域发挥重要的作用。
发明内容
鉴于现有技术微生物燃料电池产电效率低下的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池及其制备方法。
为实现上述发明目的，具体提供了如下的技术方案：
一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，包括设有进液孔的第一绝缘板1、设置有阴极池和阳极池的第二绝缘板4，所述阴极池、阳极池呈蛇形通道形式置于第二绝缘板4两侧，两个绝缘板之间设有质子交换膜2和作为阴阳极的两块碳纸3，两块碳纸3分别覆盖在阴极池、阳极池上，质子交换膜2置于阴极池、阳极池之间。
优选的，所述阴极池、阳极池均呈宽1mm，深1mm的折形通道形式。
进一步优选的，所述阴极池、阳极池在同一水平面上。
优选的，所述进液孔有两个，分别连通于在阴极池和阳极池通道的末端。
优选的，所述第一绝缘板、第二绝缘板为PMMA板或亚克力板。
2、所述基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：
1)制备蛇形阴阳极池：在厚度1mm的PMMA板上，根据通道图形，激光加工形成蛇形镂空图案，后将镂空图案用胶粘贴在厚度为1mm的衬底上，形成通道；
2)封合：将设有阳极池、阴极池的PMMA板，用碳纸覆盖在两个池子上方，用钛丝引出成为阴阳极，且在两个碳纸间用质子交换膜来完成阴阳极电子传递；最后覆盖上带有进液孔的PMMA底板；
3)组装：在PMMA底板和带有通道的PMMA板上涂上凡士林；后将进液孔对准通道的末端；用支撑层压紧PMMA板，并用螺丝拧紧固定，得到所述微型微生物燃料电池。此步骤中使用的凡士林，既可以增加PMMA板之间的紧密性，也可以增加通道以外部分的疏水性，使得液体在通道中流动。
优选的，步骤1)中所述通道的宽度为1mm；所述衬底为亚克力板；所述胶为亚克力专用胶。
本发明的有益效果在于：为提高电流密度，有效减少内阻，本发明使用蛇形通道使得流速对内阻的影响降到最小，更为平稳的流速保证了细菌生长附着离子交换的需求。并且，两个电极的位置比传统器件更为贴近，有效的减小了电极距离降低了内阻。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所制备的蛇形通道的阴极池、阳极池示意图；
图2为本发明所制备的微型生物燃料电池组成电池组的结构示意图；
图3为本发明所制备的微型生物燃料电池的照片；
图4为本发明实施例1中微型微生物燃料电池产电性能测试的电流密度-时间曲线；
图5为实施例1中微型微生物燃料电池的扫描电镜图；
图6为另两种电极放置方式的微型微生物燃料电池示意图；
图7为实施例1所制备的微生物电池和另两种电极放置方式的微生物电池的电流密度对比图；
图8为实施例1所制备的微生物电池和Y型微生物电池的电流密度对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，通过具体实施例对本发明的优选实施例进行详细的描述，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1制备微型微生物燃料电池
1、PMMA阳极池、阴极池的制备：
首先切割宽25mm，长40mm，厚1mm的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板，在PMMA板上激光切割出图1所示的两个蛇形通道，两个蛇形通道分别为阴极池和阳极池。用亚克力专用胶将此镂空图案粘贴到同样大小的PMMA板上，形成最终的通道。
2、封合：
将设有阳极池、阴极池的PMMA板，用碳纸覆盖在两个池子上方，用钛丝引出成为阴阳极，且在两个碳纸间用质子交换膜来完成阴阳极电子传递，然后覆盖上带有进液孔的PMMA底板。
3、组装
在PMMA底板和带有通道的PMMA板上涂上凡士林，然后将进液孔对准通道的末端，用支撑层压紧PMMA板，并用螺丝拧紧固定，得到所述微型微生物燃料电池，结构示意图如图2所示，实物照片如图3所示。
电池产电性能测试：
注：以上实施例中步骤1)中的蛇形通道，在最后计算电流密度等数据时，使用的有效面积，是碳纸覆盖的面积，大概36mm2。
采用希瓦氏菌Shewanella oneidensis CN-32野生型为实验菌株(ATCC 700550)。菌株在LB液体培养基(10g L-1蛋白胨，5g L-1酵母抽提物，10g L-1NaCl)中于30℃，220rpm摇床培养12h后，通过蠕动泵持续不间断接入阳极池中。在该微型微生物燃料电池产电性能的测试中，测试外加负载电阻2万欧姆，测试结果如图4所示，由图4可知，本实施例制备的微型微生物燃料电池的最大电流密度可达197mA/m2。为了进一步验证细菌在通道内的附着情况，将通道内的碳纸和通道外的碳纸进行了扫描电镜对比，如图5中a、b所示。从图中可以看出在通道内的碳纸表面覆盖了大量的细菌，保证了较高的发电效益，而通道外的碳纸并没有细菌增长附着，说明在整个电池的效益上，它是没有做出贡献的，在后期功率密度的计算上，通道外面积不视为有效面积。
探索不同电极放置方式对电性能的影响
在实施例1组装中，将电极位置如图6所示的A、B两种形式进行重置，测试微型器件在另两种电极放置方式下的电性能，对比实施例1的器件组装方式，寻找最佳的搭建方式。
图7是图6两种器件与图2器件在8万欧姆外加负载电阻下，电流密度对比图，通过不同电极位置的电流密度测试，可以得出在此外加电阻下，图2器件最高密度可达257mA/m2，图6中A器件最高密度可达154mA/m2，图6中B器件最高密度可达147mA/m2，以上测试可说明，本发明限定的基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池电流密度明显具有更大的优势。
图8为Y型通道与图2器件在8万欧姆外加负载电阻下的电流密度对比图，可以看出，蛇形通道的器件比Y型通道的器件有更好的电化学数据。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，其特征在于，包括设有进液孔的第一绝缘板(1)、设置有阴极池和阳极池的第二绝缘板(4)，所述阴极池、阳极池呈蛇形通道形式置于第二绝缘板(4)两侧，两个绝缘板之间设有质子交换膜(2)和作为阴阳极的两块碳纸(3)，两块碳纸(3)分别覆盖在阴极池、阳极池上，质子交换膜(2)置于阴极池、阳极池之间，所述质子交换膜(2)与碳纸(3)呈接触状态。
2.根据权利要求1所述一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极池、阳极池均呈宽1mm，深1mm的折形通道形式。
3.根据权利要求1所述一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极池、阳极池在同一水平面上。
4.根据权利要求1所述一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，其特征在于，所述进液孔有两个，分别连通于阴极池和阳极池通道的末端。
5.根据权利要求1所述一种基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池，其特征在于，所述第一绝缘板、第二绝缘板为PMMA板或亚克力板。
6.权利要求1～5任一项所述基于蛇形芯片模式的微生物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备蛇形阴阳极池：在厚度1mm的PMMA板上，根据通道图形，激光加工形成蛇形镂空图案，后将镂空图案用胶粘贴在厚度为1mm的衬底上，形成通道；
2)封合：将设有阳极池、阴极池的PMMA板，用碳纸覆盖在两个池子上方，用钛丝引出成为阴阳极，且在两个碳纸间用质子交换膜来完成阴阳极电子传递；最后覆盖上带有进液孔的PMMA底板；
3)组装：在PMMA底板和带有通道的PMMA板上涂上凡士林；后将进液孔对准通道的末端；用支撑层压紧PMMA板，并用螺丝拧紧固定，得到所述微型微生物燃料电池。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述通道的宽度为1mm，所述衬底为PMMA板或亚克力板，所述胶为亚克力胶。
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