CN1889297A - 一种无介体微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本无介体微生物燃料电池，无需添加介体，包括：装有微生物菌液和有机物燃料的阳极室及设在室内的阳极和阴极；阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或板式复合阴极；微生物菌液为取自德国菌种保藏中心(DSMZ)的Gs、Gm或Rf发酵液；有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、从木材头或稻草中提取的含糖副产品、工农业有机废弃物和/或城市生活垃圾。本电池电子直接传递，可提高其电池功率密度；为简单的单室结构，为人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾发电提供了良好的前景，既可为人类增加一种能源，又可以解决部分污染问题。

Description

一种无介体微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池，特别是涉及一种无介体微生物燃料电池。

背景技术

1911年，英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。生物燃料电池是利用生物催化剂将化学能转变为电能，除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的若干特点：①原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等；②操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强；③生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的电源。在这一时期，生物燃料电池的研究得以全面展开，出现了多种类型的电池。但占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质，然后再将这些物质通入燃料电池发电。

Karube和Suzuki(Karubel，Suzuki S.Biochemical energy conversion byimmobilized photosynthetic bacteria[J].Mathods Enzymol，1988，137：668-667)用可以进行光合作用的微生物Rhodospirillumrubrum发酵产生氢，再提供给燃料电池。除光能的利用外，更引人注目的是他们用的培养液是含有乙酸、丁酸等有机酸的污水。发酵产生氢气的速率为19~31ml/min，燃料电池输出电压为0.2-0.35V，并可以在0.5-0.6A的电流强度下连续工作6h。通过比较进出料液中有机酸含量的变化，他们认为氢气的来源可能是这些有机酸。

Habermann和Pommer(Habermann W，Pommer E-H，Biological fuel withsulphide storage capacity[J].Appl Microbiol Biotechnol，1991，35：128-133)进行了直接以含酸废水为原料的燃料电池实验。他们使用了一种可还原硫酸根离子的微生物Desulfovibriodesulfuricans，并制成了管状微生物燃料电池。在对两种污水的实验中，降解率达到35％~75％。此工作显示了生物燃料电池的双重功能，即一方面可以处理污水，另一个方面还可以利用污水中的有害废物作为原料发电。

生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。目前质子交换膜燃料电池的功率密度可达3W/cm²，而生物燃料电池的功率密度还达不到1mW/cm²，可见两者差距之大。制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。由于代谢产生的还原性物质被微生物的膜与外界隔离，从而导致微生物与电极之间的电子传递通道受阻。尽管电池中的微生物可以将电子直接传递至电极，但电子传递量和传递速率很低。自80年代人们开始使用氧化还原介体来构建生物电池并进行了大量的有关研究。电子传递过程中添加介体，穿过封闭空间的薄膜进入容器，把自由电子传输到阳极。

一些有机物(Tokuji Ikeda，Kenji Kano.Bioelectrocatalysis-basedapplicationof quinoproteins and quinoprotein-containing bacterial cellsin biosensors and biofuel cells[J].Biochimica et Biophysica Acta，2003，1647：121-126.)和金属有机物可以用作生物燃料电池的电子传递介体，其中，较为典型的是硫堇类、吩嗪类和一些有机染料。虽然硫堇很适合于用作电子传递介体，但是当以硫堇作介体时，由于其在生物膜上容易发生吸附而使电子传递受到一定程度的抑制，导致生物燃料电池的工作效率降低。

为了将生物燃料电池中的生物催化体系组合在一起，需要将微生物细胞和介体共同固定在阳极表面。有机染料中性红(Park D H，Zeikus J G.Electricitygeneration in microbial fuel cells using neutral red as anelectronophore[J].Appl.Environm.Microbiol.，2000，66：292，Park D H，Kim S K，Shin I H，et al.Electricity production in biofuel cell usingmodified traphite electrode electrode with Neutral Red[J].Biotechnol.Lett.，2000，22：301)是一种具有活性的、能实现从E.coli传递电子的介体。它可通过石墨电极表面的羧基和染料中的氨基共价键合实现固定化，在厌氧条件下与电极键合的染料能促使微生物细胞与电极之间的电子传递，只有那些能到达电极表面的细菌才具有导电性。实验表明微生物细胞的活性组分往往被细胞膜包裹在细胞内部，而介体则又被吸附在细胞膜的表面，因而无法形成有效的电子传递，很难实现共同固定。

韩国科学技术研究院的金炳弘等人申请了专利“一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池”(ZL00810805.6)，该发明使用废水和活性污泥中的电化学活性微生物氧化废水中所含的有机物。生物燃料电池包括仅次于生物燃料电池内部的分别含导电介体的阴极隔室和阳极隔室；安置在阳极隔室中的阳极；安置在阴极隔室中的阴极；和介于阴极隔室和阳极隔室之间用于分隔阳极隔室和阴极隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室含有有机废水和活性污泥并在生物燃料电池的操作过程中维持厌氧条件。根据本发明，使用电化学活性微生物的生物燃料电池可以产生高达0.22mA的电流，并使为燃料的废水的化学需氧量从1900ppm降低到55ppm。此外，生物燃料电池的效率随废水的种类和浓度而变化。

浙江大学刘宜胜等人申请了发明专利“微生物燃料电池”(200410066753.9)，这种微生物燃料电池的箱体内分隔成阳极腔体和阴极隔板，隔板上有孔，孔上设置有氢离子选择膜，阳极腔体内有由葡萄糖、磷酸二氢钠和亚甲基蓝(介体)配置的溶液，阳极腔体上盖有密封盖，密封盖上固定有阳极石墨棒，阳极石墨棒的一端伸入阳极腔体内浸于溶液中，该端具有蜂窝状小孔，蜂窝状小孔中置有啤酒酵母菌及其培养基，阴极腔体内盛有由铁氰化钾和延胡索酸亚铁配置的溶液，在阴极腔体上盖有端盖，端盖上固定有阴极石墨棒，阴极石墨棒的一端伸入阴极腔体内浸于腔体的溶液中。

上述两个专利的微生物燃料电池由阴极室和阳极室组成，阳极都由介体来传递电子。介体的价格非常昂贵，而且需要经常补充，相对于生物燃料电池提供的功率，添加介体所付出的成本极高。且很多氧化还原介体有毒，使其不能在从有机物中获得能量的开放环境中使用。因此有氧化还原介体的微生物燃料电池不适于用做一种简单的长期能源。且浙江大学专利所用的酵母菌的培养基需将阳极取出定时添加，操作不便。

发明内容

本发明目的在于提供一种无介体微生物燃料电池，其电子直接传递，可以提高生物燃料电池的电池功率密度；而且该电池为单室结构，结构简单，使用的有机物燃料为糖，植物秸杆，及工农业有机废弃物，甚至生活有机废物，为人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾发电提供了良好的前景，既可为人类增加一种能源，又可以解决部分污染问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的无介体微生物燃料电池，包括，一带有出水口和进水口的阳极室，以及设置在所述阳极室内的阳极和阴极，所述阳极室内盛装微生物菌液和有机物燃料；所述阳极与阴极通过负载相连；其特征在于，无需添加介体，微生物将电子直接传到阳极；所述阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或者为板式复合阴极；

所述空心棒式复合阴极为由一棒壁上带有小孔的空心非导电棒(孔径为0.2mm-50mm，空心面积占棒表面积的20-70％)，和依次覆在塑料棒外表面上的质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸组成的空心棒式复合阴极(在温度110℃-145℃，1500-2000kPa的压力下，热压1-5分钟而成一体)；

所述板式复合阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸组成的板式复合阴极(在温度110℃-145℃，1500-2000kPa的压力下，热压1-5分钟而成一体)；或者为由陶瓷交换膜和掺入Fe³⁺的石墨板热压而成的板式复合阴极；

所述微生物菌液为Geobacter sulfurreducens、Geobacter metallireducens或Rhodoferax ferrireducens菌种的发酵液；

所述有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、植物秸杆、工农业废弃物和/或城市生活垃圾。

所述阳极室为非导电材料制成的空心筒状体；所述阴极为一设置在所述阳极室内中心处的空心棒式复合阴极；所述阳极为环绕排布在所述空心棒式复合阴极周围的碳棒或碳板式阳极。

所述的阳极室非导电材料制成的空心立方体(多面体)；所述阳极室的一个或二个室壁为板式复合阴极，所述阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸组成的板式复合阴极(在温度110℃-145℃，1500-2000kPa的压力下，热压1-5分钟而成一体)；或者为由陶瓷交换膜和掺入Fe³⁺的石墨板热压而成的板式复合阴极；所述阳极(一个或多个)插于阳极室内。

所述的掺入Fe³⁺的石墨板由下述方法制备：将硫酸铁(2-10％w/w)、纯碳粉(50-70％w/w)、高岭土(25-45％w/w)、氯化镍(0.5-3％w/w)混合均匀后，倒入去离子水(混合物∶去离子水＝1∶3-3∶5)，搅拌使之充分混匀；放入平板膜具中在压力为1.0-5.0kg/cm²下压制成型，在室温下干燥24-72小时，再在1000-1400℃下烧制10-14小时成型；所述陶瓷交换膜为涂抹在掺入Fe³⁺的石墨板内侧面上的高岭土。

所述空心筒状体形阳极室的截面为圆形或方形或多边形。所述空心长方体形阳极室的截面为长方形或正方形或多边形。

本发明的无介体微生物燃料电池，利用降解有机物的微生物和嗜糖微生物Rhodoferax ferrireducens (简称R.f)或Geobacter metallireducens(简称G.m)或Geobacter sulfereducens(简称G.s)，以葡萄糖、果糖、蔗糖，植物秸杆，工农业有机废弃物及城市生活垃圾等有机物作为燃料，电池为单室结构，由阳极室、阳极、微生物、阴极和负载组成。把降解糖、淀粉、深海沉积物、有机废水等有机物过程中产生的电子直接传递到阳极，经过负载传导至阴极产生电流。阴极与空气接触。电子、氢离子与空气中的氧气生成水。由纯碳、高岭土、硫酸铁、氯化镍制成的阴极极板，借助铁离子的变价特点加速阴极反应地进行，提高电能转化速率。本发明无需添加介体，利用G.m、G.s和R.f三种微生物自身的代谢特点，在电极表面吸附成膜来传递电子。按照本发明嗜甜微生物Rhodoferaxferrireducens或Geobacter metallireducens或Geobacter sulfereducens将降解有机物或有机废物产生的电子直接传递到阳极产生电能。

阳极室可为任意形状，阳极室中插入阳极板或阳极棒(数量和形状任意)。阴极为柱状(阳极室中央)或板状(阳极室端口(按需要一端或两端))，燃料连续通入阳极室内，处理后的再连续排出。

本发明的阴极极板，由纯碳、高岭土、硫酸铁、高温下烧制而成，极板的两侧面结构不同，空气可由端口一侧扩散到极板内部，但不能扩散到腔内，水不能通过极板的腔内一侧，但质子可以通过。阴极板随着阳极电子的传递、质子和空气的扩散，发生以下反应：

铁离子的加入提高阴极电位，增大电能输出。同时利用铁的变价特点，铁离子不断循环转化，维持反应连续进行。

这种无介体的微生物燃料电池就是借助微生物的催化作用将生物能能转化为电能的装置。电池为单室开放结构，中间、一端或多端为阴极，阳极由一个或多个阳极棒或阳极板任意排列而成，细菌吸附在阳极表面，降解有机废物，释放出电子和质子。R.f或G.s或G.m将电子转移给阳极，质子通过溶液进入阴极，与空气中的氧结合生成水。电极间的电子转移使电极间产生电压，为外部电路供能。这种单室设计，易于按比例放大。特别是这种烧制的阴极板结构为微生物燃料电池的应用打下了基础。

本发明的无介体微生物燃料电池具有如下优点：

1)阳极室中无需添加介体，Rhodoferax ferrireducens或Geobactermetallireducens或Geobacter sulfereducens将降解有机物或有机废物产生的电子直接传递到阳极产生电能，且电池功率密度高；

2)该电池为单室结构，结构简单，阴极直接与空气接触，加速阴极的反应进程，以提高电能转化率；

3)由纯碳、高岭土、硫酸铁、高温下烧制而成阴极板，由于铁离子的加入，使阴极电位提高，增大电能输出。同时利用铁的变价特点，铁离子不断循环转化，维持反应连续进行。为微生物燃料电池的应用打下了基础。

4)使用的有机物燃料为糖，植物秸杆，及工农业有机废弃物，甚至生活有机废物，为人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾发电提供了良好的前景，既可为人类增加一种能源，又可以解决部分污染问题。

附图说明

附图1本发明一实施例(筒状无介体微生物燃料电池)的结构示意图；

附图2本发明一实施例(长方体无介体微生物燃料电池)的结构示意图；

附图3本发明一实施例(长方体无介体微生物燃料电池)的结构示意图；

附图4本发明一实施例(使用不同COD浓度生活废水作为燃料)的产电情况示意图；

附图5本发明一实施例(使用微生物为G.m，燃料为深海沉积物)产电情况示意图；

附图6本发明一实施例(使用不同COD浓度糕点厂废水作为燃料)的产电情况示意图；

附图7本发明一实施例(使用不同COD浓度淀粉厂废水作为燃料)的产电情况示意图；

附图8本发明一实施例(使用不同COD浓度硫酸软骨素废水作为燃料)的产电情况示意图；

附图9本发明一实施例(使用植物桔杆作为燃料)的产电情况示意图；

具体实施方式

本发明所使用的微生物均购自德国菌种保藏中心(DSMZ)，分别为Geobactersulfurreducens(DSMZ 7210)(简称G.s)、Geobacter metallireducens(DSMZ12127)(简称G.m)和Rhodoferax ferrireducens(DSMZ 15236)(简称R.f)。

G.s厌氧培养箱培养基含量为(L)：

1、基本无机盐：氯化钾——0.1g，氯化铵——0.2g，磷酸二氢钠——0.6g，碳酸氢钠——2.5g；

2、电子供体：乙酸纳；

3、电子受体：氢氧化钾，二氧化锰，氨三乙酸，柠檬酸铁，富马酸盐；

4、维生素溶液(取10ml加入1L培养基)：辅酶R.——2.0mg，叶酸——2.0mg；维生素B6——10.0mg，盐酸硫胺——5.0mg，核黄素——5.0mg，烟酸——5.0mg，泛酸钙——5.0mg，维生素B12——0.1mg，p-氨基苯甲酸——5.0mg，硫辛酸——5.0mg，去离子水——1.0L；

5、矿物质溶液(取10ml加入1L培养基)：硒酸钠——10.0mg，六水合氯化镍——10.0mg，二水合钨酸钠——10.0mg，氨三乙酸——1.5g，七水合硫酸镁——3.0g，水合硫酸锰——0.5g，氯化钠——1.0g，七水合硫酸亚铁——0.1g，六水合氯化钴——0.1g，氯化钙——0.1g，七水合硫酸锌——0.1g，五水合硫酸铜——0.01g，十二水合硫酸铝钾——0.01g，硼酸——0.01g，二水合钼酸钠——0.01g，去离子水——1.0L；

G.m所用厌氧培养基同G.s所用厌氧培养基的组分及含量；

R.f所用厌氧培养基中除电子供体为葡萄糖之外，其它组分均同G.s所用厌氧培养基的组分及含量。

R.f、G.m和G.s为革兰氏阴性杆菌，棒状，带一条极性鞭毛，稳定性强，能够在4℃到30℃之间生长，最佳生长温度为25℃。经过多代培养，菌种密度达到n×10⁸个/ml。实验表明在分解有机底物进行自身代谢过程中，易在固体表面吸附成膜，有直接传递电子的能力。

实施例1

本实施例所使用的有机物燃料为生活污水；

本实施例所使用的微生物及其培养：

所用微生物为G.s和污泥中的菌群。微生物G.s接入电池阳极前，在含有可作为电子受体的不定形三价铁氧化物的培养基中培养。为了除去Fe²⁺或Fe³⁺离子对电极反应可能的干扰，将细胞从以Fe(OH)₃作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作电子受体的培养基，整个培养过程须在严格厌氧条件下进行，培养温度：室温。培养基灭菌前通入N₂-CO₂(体积比N₂∶CO₂＝80∶20)除去其中氧气，再分装入厌氧培养管中，121℃灭菌15分钟。G.s经上述两种培养基培养后，按10％接入阳极室1；

无介体微生物燃料电池装置：

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图1所示，其阳极室1为长形的筒状结构，阳极室1轴向中心处设有一由塑料制做的空心棒形阴极2，其棒壁上有小孔(孔径为10mm，小孔的面积之和占棒外表面积的50％)，所述空心棒形阴极2的外表面上依次覆有质子交换膜、碳载铂催化剂和碳布/碳纸(在温度120℃，1800kPa的压力下，热压3分钟而成一体)，围绕空心棒形阴极2的周围设有多个阳极3(本实施例为8个阳极，当然，也可以为5个、6个或9个，视需要而定)。阳极均为不抛光的高纯石墨电极，使用前用1M HCl浸泡去处杂质离子，使用完后再用1.0M的NaOH浸泡以除去其表面吸附的细胞。所述阳极室1内装有生活污水(COD为0-2000mg/L)、电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)，磷酸缓冲液(50mM)和微生物菌液，其注入阳极室之前通N₂-CO₂(体积比80∶20)混合气除尽其中氧气。混合液从底部注入，处理后顶部流出，不仅可加速阳极反应的进程，又可及时降低元素含量(如氮、碳磷和金属元素)。所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。

8个阳极3排列在阴极2周围，污泥中的微生物将生活污水中大分子物质降解，吸附在阳极3表面的G.s将小分子的有机物降解，释放出电子和质子；并将电子转移给阳极，质子通过溶液进入位于中心的阴极2附近；在阴极，空气中的氧结合质子和电子产生水；电极间的电子转移使电极间产生电压，为外部负载R供电。

分析方法及数据采集设备：

金属离子浓度：原子吸收法；

CODcr：重铬酸钾法；

pH：pH计

电池阳极内细胞浓度测定：考马斯亮兰法(Bradford法)测细胞破碎后对应蛋白质浓度；

电流采集：数据采集卡瑞博华AD8201H，16位，32通道，编程双端方式工作，采集精度0.1mV。

附图4本实施例(使用不同COD浓度生活废水作为燃料)的产电情况示意图；电流输出功率密度随生活污水COD浓度的增大而增大；最大输出功率密度达120mW/m²，电子回收率最大为85％。

实施例2

本实施例所使用的有机物燃料为深海沉积物，由中国“大洋一号”考察船DY105-13航次MHD66站位获取；

本实施例所使用的微生物及其培养：

本实施例所用微生物为G.m和深海沉积物中的菌群。其他同实施例1；

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图2所示，其阳极室1为方形的筒状结构，阳极电极3为平板状石墨，交错插于阳极室1内。所述板状阴极2从内到外依次由质子交换膜和碳纸(附着碳载铂催化剂)热压而成(温度140℃，压力1700kPa，时间1分钟)，为阳极室1的一个侧面，所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。

所述阳极室1内溶液为微生物菌液，电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)，磷酸缓冲液(50mM)和电子供体(燃料)深海沉积物的混合物。深海沉积物中的微生物将沉积物中大分子物质降解，吸附在阳极3表面的G.m将小分子的有机物降解。其他同实施例1。

分析方法及数据采集设备：同实施例1；

附图5本实施例微生物G.m以深海沉积物为燃料的产电情况。

实施例3

本实施例所使用的有机物燃料为糕点厂废水，取自某糕点厂；

本实施例所使用的微生物及其培养：

所用微生物为R.f和糕点厂废水中富集出的菌群，微生物R.f在厌氧培养箱中培养的电子供体为葡萄糖，其他同实施例1；

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图3所示，其阳极室1为方形的筒状结构，阳极电极3为平板状石墨，交错插于阳极室1内。所述板状复合阴极为掺入Fe³⁺的石墨板用以下方法制成：将硫酸铁(4％w/w)、纯碳粉(55％w/w)、高岭土(40％w/w)、氯化镍(1％w/w)混合均匀后，倒入去离子水(混合物与去离子水的重量份配比＝3∶5)，搅拌使之充分混匀；放入平板膜具中在压力为2.0kg/cm²下压制成型。室温下干燥48小时，在1200℃下烧制12小时而成；所述陶瓷隔膜由100％高岭土涂抹于做好的阴极一侧。阴极2置于电池腔体的侧面。所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。

6个阳极板3交错在阳极室1内，糕点厂废水中富集出的微生物将糕点厂废水中大分子物质降解，吸附在阳极3表面的R.f将小分子的有机物降解，阳极成份为微生物菌液，电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)，磷酸缓冲液(50mM)和电子供体(燃料)糕点厂废水(COD为0-2000mg/L)的混合物。其他同实施例1。

分析方法及数据采集设备：同实施例1。

附图6本实施例(使用不同COD浓度糕点厂废水作为燃料)的产电情况示意图；电流输出功率密度随生活污水COD浓度的增大而增大；最大输出功率密度达290mW/m²，电子回收率最大为82％。

所述的板状复合阴极也可为掺入Fe³⁺的石墨板用以下方法制成：将硫酸铁(2％w/w)、纯碳粉(50％w/w)、高岭土(25％w/w)、氯化镍(0.5％w/w)混合均匀后，倒入去离子水(混合物与去离子水的重量份配比＝3∶7)，搅拌使之充分混匀；放入平板膜具中在压力为1.0kg/cm²下压制成型。室温下干燥24小时，在1000℃下烧制10小时而成；

所述的板状复合阴极还可为掺入Fe³⁺的石墨板用以下方法制成：将硫酸铁(10％w/w)、纯碳粉(70％w/w)、高岭土(45％w/w)、氯化镍(3％w/w)混合均匀后，倒入去离子水(混合物与去离子水的重量份配比＝3∶9)，搅拌使之充分混匀；放入平板膜具中在压力为5.0kg/cm²下压制成型。室温下干燥72小时，在1400℃下烧制14小时而成；

实施例4

本实施例所使用的有机物燃料为蔗糖厂废水，取自某制糖厂；

本实施例所使用的微生物及其培养：

所用微生物为G.m和蔗糖厂废水中富集出的菌群，其他同实施例2；

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图2所示。所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。6个阳极板3交错在阳极室1内，蔗糖厂废水中富集出的微生物将糕点厂废水中大分子物质降解，吸附在阳极3表面的G.m将小分子的有机物降解，阳极成份为微生物菌液，电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)，磷酸缓冲液(50mM)和电子供体(燃料)糕点厂废水(COD为0-2000mg/L)的混合物。其他同实施例2。

分析方法及数据采集设备：同实施例1。

附图7本实施例(使用不同COD浓度蔗糖厂废水作为燃料)的产电情况示意图；电流输出功率密度随生活污水COD浓度的增大而增大；最大输出功率密度达112mW/m²,电子回收率最大为75％。

实施例5

本实施例所使用的有机物燃料为硫酸软骨素废水，取自山东某生化制品有限公司；

本实施例所使用的微生物及其培养：

所用微生物为R.f和硫酸软骨素废水富集出的菌群，其他同实施例3；

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图3所示，所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。所述阳极室1内溶液为硫酸软骨素废水(COD为0-2000mg/L)、微生物菌液、电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)和磷酸缓冲液(50mM)。6个阳极板3交错在阳极室1内，酸软骨素废水中富集出的微生物将酸软骨素废水中大分子物质降解，吸附在阳极3表面的R.f将小分子的有机物降解。其他同实施例3。

分析方法及数据采集设备：同实施例1。

附图8本实施例(使用不同COD浓度酸软骨素废水作为燃料)的产电情况示意图；电流输出功率密度随生活污水COD浓度的增大而增大；最大输出功率密度达265mW/m²，电子回收率最大为60％。

实施例6

本实施例所使用的有机物燃料为桔杆，取自北京闭郊区的玉米桔杆；

本实施例所使用的微生物及其培养：

所用微生物为R.f，其他同实施例3；

本实施例的无介体微生物燃料电池，如图1所示，所述阴极2和阳极3通过负载R(R的电阻500Ω)连接。所述阳极室1内溶液为微生物菌液、电解质NaCl(2.5-3.5g·L^-1)和磷酸缓冲液(50mM)。桔杆捣碎处理制成一定COD溶液后注入阳极，吸附在阳极3表面的R.f将桔杆中的木糖降解。其他同实施例1。

分析方法及数据采集设备：同实施例1。

附图9本实施例的产电情况示意图；电流输出功率密度随生活污水COD浓度的增大而增大；最大输出功率密度达324mW/m²，电子回收率最大为85％。

Claims (6)

1、一种无介体微生物燃料电池，包括，一带有出水口和进水口的阳极室，以及设置在所述阳极室内的阳极和阴极，所述阳极室内盛装微生物菌液和有机物燃料；所述阳极与阴极通过负载相连；其特征在于，所述阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或者为板式复合阴极；

所述空心棒式复合阴极为由一棒壁上带有小孔的空心非导电棒，和依次热压覆在塑料棒外表面上的质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸组成的空心棒式复合阴极；所述小孔的孔径为0.2mm-50mm，小孔的面积之和占棒体表面积的20-70％；

所述板式复合阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸热压而成的板式复合阴极；或者为由陶瓷交换膜和掺入Fe³⁺的石墨板热压而成的板式复合阴极；

所述微生物菌液为Geobacter sulfurreducens、Geobacter metallireducens或Rhodoferax ferrireducens菌种的发酵液；

所述有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、从木材头或稻草中提取的含糖副产品、工农业有机废弃物和/或城市生活垃圾。

2、按权利要求1所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：

所述阳极室为非导电料制成的空心筒状体；所述阴极为一设置在所述阳极室内中心处的空心棒式复合阴极；

所述阳极为环绕排布在所述空心棒式复合阴极周围的碳棒或碳板式阳极。

3、按权利要求1所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：

所述的阳极室非导电材料制成的空心立方体或空心多面体；

所述阳极室的一个或二个室壁为板式复合阴极，所述板式阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸热压而成的板式复合阴极；或者为由陶瓷交换膜和掺入Fe³⁺的石墨板热压而成的板式复合阴极；

一个或多个所述阳极插于阳极室内。

4、按权利要求1或3所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：

所述的掺入Fe³⁺的石墨板由下述方法制备：将2-10％w/w的硫酸铁、50-70％w/w的纯碳粉、25-45％w/w高岭土和0.5-3％w/w氯化镍混合均匀后，倒入去离子水，所述混合物与去离子水的重量份配比＝3∶5∶9，搅拌使之充分混匀，放入平板膜具中在压力为1.0-5.0kg/cm²下压制成型，再在室温下干燥24-72小时，1000-1400℃下烧制10-14小时；

所述陶瓷交换膜为涂抹在掺入Fe³⁺的石墨板内侧面上的100％高岭土。

5、按权利要求2所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：所述空心筒状体形阳极室的截面为圆形或方形或多边形。

6、按权利要求3所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：所述空心长方体形阳极室的截面为长方形或正方形或多边形。

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