CN201270272Y - 一种多功能微生物燃料电池的模块化结构 - Google Patents

一种多功能微生物燃料电池的模块化结构 Download PDF

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蒋海明
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Abstract

一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，易于搭建和拆卸，并且可满足多功能应用的MFCs模块化设计，该设计便于电池装卸与操作及电池功能模块间的组合排布，通过不同模块间的组合搭配，可以获得不同应用类型的MFCs，能实现不同应用功能。通过该模块化的MFCs设计，可实现微生物燃料电池性能研究、生物需氧量测定、微生物检测及环境污染物监测等方面的研究。该设计为开展MFCs的应用研究和拓展MFCs应用功能提供了方便、有效的工具。

Description

一种多功能微生物燃料电池的模块化结构
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池，详细地说，涉及一种多功能微生物燃料电池的模块化结构。
其特点是通过不同模块的组合可以获得不同应用类型的微生物燃料电池，能实现不同功能的应用。
背景技术
从Grove(W.R.Grove.Voltaic series and the combination of gases byplatinum.Philos.Mag.J.Sci.Ser.，1839，14(86)：127-300.)成功地将氢气和氧气重新结合产生水和电流开始，燃料电池就为众人所知。1911年，英国植物学家Potter(M.C.Potter.Electrical effects accompanying thedecomposition of organic compounds.Proc.R.Soc.London Ser.B，1911，84(571)：260-276.)利用大肠杆菌进行实验时观察到电流的产生。但是这些研究结果并没有被广泛地报道，直到1931 Cohen(B.Cohen.The bacterialculture as an electrical half-cell.J.Bacteriol.1931，21(1)：18-19.)在实验中证明利用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)获得了高达35V的电压，从此生物燃料电池(Biological Fuel Cells，BFCs)才被广泛地关注。BFCs是利用生物催化剂将化学能转变为电能的装置，包括基于微生物的MFCs和基于酶的BFCs两大类。前者是以整个微生物作为催化剂，实现化学能到电能的转化，而后者则是以酶为催化剂将化学能转化为电能。BFCs具有普通燃料电池不具备的特点：①操作条件温和，普通燃料电池一般在高温和高压下操作，而BFCs一般在常温、常压及接近中性的环境中工作，这降低了电池的维护成本，提高了安全性。②可减少或避免使用铂等贵金属材料，普通燃料电池一般使用昂贵的p-族金属作为催化剂，而BFCs以微生物或酶作为催化剂，大大降低了电池成本。③原料来源广泛，既可利用普通燃料电池不能利用的许多有机、无机物作为燃料，也可直接利用污水或制糖业等的废弃液。④特殊应用，如将以人体内的葡萄糖和氧作为原料的BFCs植入到人体，可作为心脏起搏器等人造器官的电源，也可将其制成药物释放控制器。
MFCs的研究主要分为两大块：一是产能研究(包括体内电源、废水处理及野外电源)；二是生物传感器研究(包括BOD传感器、微生物检测器及环境污染物检测器等)。MFCs的研究最明显的目标仍集中在体内应用，在这里电池可以从血液中获得持久的原料供应，如心脏起搏器、用于糖尿病的葡萄糖传感器等。具体的研究领域包括微生物或酶的筛选、降低电子传递的阻力、选择合适的电极材料、提高阳极和阴极电极表面的反应活性，以及设计合理的MFCs，其目的都是为了提高MFCs的性能，因为其性能主要取决于微生物的代谢速率、流过电极的电流密度、电极的性质、微生物的电子传递及电池结构。
MFCs的结构对其性能具有很大的影响，因为不同结构的MFCs的内阻大小和阴极的还原效率不同。传统的MFCs由两个隔开的腔体组成，腔体内能注入相应液体，这种MFCs包括一个厌氧的阳极腔体和一个好氧的阴极腔体，且两个腔体通常都被质子交换膜隔开。这种MFCs又可以分为两种类型：一种是通过加入人工介体，将电子转移到电极从而产生电的有介体MFCs；另一种是不需要加入人工介体也能产生电的无介体MFCs。有介体MFCs需要昂贵的介体，且介体又对微生物有毒害，所以无介体MFCs相对来说更具有应用潜能，如Prasad等(D.Prasad，S.Arun，M.Murugesan，et al.Direct electron transfer with yeast cells and construction of a mediator-lessmicrobial fuel cell.Biosensors and Bioelectronics 2007，22(11)：2604-2610.)设计了一个利用酵母细胞直接将电子转移到电极表面的无介体MFCs，利用循环伏安法研究了电子的转移，实验结果表明酵母细胞可以利用其外膜上的氧化还原酶直接将电子转移到电极的表面。在无介体MFCs和其他MFCs中，质子交换膜将阳极和阴极隔开，膜的作用是作为电解液充当电子绝缘体和质子通道的角色，但膜却存在一定的内阻。有质子交换膜MFCs的制造成本高，且阻碍了质子的迁移，而无膜MFCs不但可以降低成本，而且能减少能量损失，所以越来越受到关注。如Jang等(D.Prasad，S.Arun，M.Murugesan，et al.Direct electron transfer with yeast cells and constructionof a mediator-less microbial fuel cell.Biosensors and Bioelectronics 2007，22(11)：2604-2610.)设计了一个无介体、无膜的MFCs；Scott等(K.Scott，C.Murano，G.Rimbu.A tubular microbial fuel cell.J Appl Electrochem.2007，37(9)：1063-1068.)设计了一个无介体、无催化剂及无质子交换膜的管状MFCs，该电池的峰值功率密度超过了3W·cm-2，且通过有效设计阳极腔体和阴极腔体的接触面能进一步提高电池的性能。Ghangrekar等(M.M.Ghangrekar，V.B.Shinde.Performance of membrane-less microbial fuel celltreating wastewater and effect of electrode distance and area on electricityproduction.Bioresource Technology.2007，98(15)：2879-2885.)设计了一个无介体、无膜的双室MFCs，并评价了不同电极间距时电池的产能情况。在外电阻变化时，功率密度随着两电极间距的减小而增大，当电极间距为20、24和28cm时，分别获得了10.9、8.6和7.4mW·m-2的最大功率密度。但是双室MFCs的最大不足是阴极腔体需要装满溶液，且需要不断通气来为阴极提供氧。为了消除为阴极液体充气所需能量，Logan等(Lui，H.，Logan，B.E..Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cellin the presence and absence of a proton exchange membrane.Environ.Sci.Tech.2004，38(14)：4040-4046.)建议设计单室MFCs，利用气体扩散层将阳极腔体和空气阴极腔体隔开，且该气体扩散层允许氧被动扩散到阴极，这样可以直接利用空气中的氧作为电子受体。如Zielke(Eric A.Zielke.Designof a single chamber Microbial Fuel Cell.December，2005.)设计许多单室MFCs，研究了不同燃料电池结构对电池性能的影响。Fan等(Yanzhen Fan，Hongqiang Hu，Hong Liu.Enhanced Coulombic efficiency and power densityof air-cathode microbial fuel cells with an improved cell configuration.Joumalof Power Sources.2007，171(2)：348-354.)将J-Cloth覆盖在阴极朝水的一面上，设计了一个无膜单室MFCs，将电池结构通过这样的改造后大大地降低了电池的内阻，使电池的功率密度分别达到了627W·m-3(批次给料)和1010W·m-3(连续给料)，比使用相类似电极材料的单室电池功率密度的15倍还大。You等(Shijie You，Qingliang Zhao，Jinna Zhang，Increasedsustainable electricity generation in up-flow air-cathode microbial fuel cells.Biosensors and Bioelectronics.2008，23(7)：1157-1160.)设计了一个流体向上流的单室电池，该电池的阴极和阳极分别为碳布和颗粒碳，以塑料筛网代替膜将阴、阳两极分开。当原料为1g/L的葡萄糖时分别获得25±4W·m-3(塑料筛网面积为30cm2)和49±3W·m-3(塑料筛网面积为60cm2)的最大容积功率密度，功率密度的增大是由于电池内阻的减小。
目前，MFCs大部分的研究工作都集中在选择合适的微生物和电极材料来降低电子传递的阻力，从而提高电池的功率密度，很少关注电池不同组件间的空间距离、排布方式对MFC的内阻、电流输出效率及应用功能等方面的影响，且在同一电池装置中难以实现电池不同组件间的空间距离及排布方式的改变和组合，不能满足MFCs不同应用研究的需要。
实用新型内容
鉴于MFCs有许多方面应用的可能性，而且电池不同组件间的空间距离、排布方式对MFCs的内阻、电流输出效率及应用功能等方面有显著影响，本实用新型的目的在于提供一种多功能微生物燃料电池的模块化结构。
为实现上述目的，本实用新型提供的多功能微生物燃料电池的模块化结构，不仅易于搭建和拆卸，并且可满足多功能应用的MFCs模块化设计，该设计便于电池装卸与操作及电池功能模块间的组合排布，通过不同模块间的组合搭配，可以获得不同应用类型的MFCs，能实现不同应用功能。通过该模块化的MFCs设计，可实现微生物燃料电池性能研究、生物需氧量测定、微生物检测及环境污染物监测等方面的研究。该设计为开展MFCs的应用研究和拓展MFCs应用功能提供了方便、有效的工具。
具体地说，本实用新型提供的多功能微生物燃料电池的模块化结构，包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜，固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在阳极腔体和阴极腔体内。
本实用新型提供多功能微生物燃料电池的模块化结构，还包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
两个质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，其顶部开设有电极导线引出孔；两个质子交换膜隔板相平行地固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一质子交换膜，固定在两个质子交换膜隔板中间；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在两个质子交换膜隔板内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
本实用新型提供多功能微生物燃料电池的模块化结构，还包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，其顶部开设有电极导线引出孔；质子交换膜隔板平行地固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一质子交换膜，固定在质子交换膜隔板和阳极腔体开口中间；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在腔体内和质子交换膜隔板内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
本实用新型提供多功能微生物燃料电池的模块化结构，还包括：
一阳极腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处；
一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在腔体开口与质子交换膜隔板中间；
一阳极电极插设在阳极腔体内。
本实用新型提供多功能微生物燃料电池的模块化结构，还包括：
一阳极腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
—质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处，质子交换膜隔板的顶部开设有电极导线引出孔；
一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在质子交换膜隔板一侧；
一阳极电极插设在质子交换膜隔板内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
本实用新型提供多功能微生物燃料电池的模块化结构，还包括：
一阳极腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处，质子交换膜隔板的顶部开设有电极导线引出孔；
一固定微生物膜、一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在质子交换膜隔板的另一侧；
一阳极电极插设在质子交换膜隔板内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
本实用新型提供的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其相互之间的固定是用螺栓固定。
本实用新型提供的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其固定结合处设有密封圈。
本实用新型的有益效果是，通过不同模块的组合装配可以获得不同应用类型的MFCs，可实现许多普通双室MFCs不能实现的功能，具有功能多和操作简便的特点，并大大减少的MFCs的重复设计工作，为MFCs的功能开发和应用拓展提供了便利和可能。
附图说明
附图1是本实用新型的多功能应用微生物燃料电池的模块化设计的所有模块结构示意图；
附图2是利用图1所示的部分模块组装获得的普通双室微生物燃料电池示意图；
附图3是利用图1所示的部分模块组装获得的阳极和阴极电极相距较近的双室微生物燃料电池示意图；
附图4是利用图1所示的部分模块组装获得的阴极电极位置变化的双室微生物燃料电池示意图；
附图5是利用图1所示的部分模块组装获得的单室微生物燃料电池示意图；
附图6是利用图1所示的部分模块组装获得的阳极电极位置变化的单室微生物燃料电池示意图；
附图7是利用图1所示的部分模块组装获得的用于检测BOD的单室微生物燃料电池示意图
具体实施方案
本实用新型把普通可拆分、组装的双室MFCs的组件设计成易于组装的模块，同时于阳极、阴极两个腔体之间添加可放置质子交换膜或平面电极的隔板，以及两个磁力搅拌子。设计带有腔体隔板的目的是为了易于改变电池组件空间距离、排布方式、改变两电极间距，并满足微生物膜或平面电极的固定和安装，同时设计的模块式MFCs可实现双室MFCs向单室MFCs转变，而磁力搅拌子可以促进MFCs内物质的扩散与传递。
本实用新型的多功能微生物燃料电池的模块化设计主要由有机玻璃加工而成，包括密封盖(1、10)、阳极电极(2)、阳极腔体(3)、质子交换膜(4)、隔板(5、6、7)、阴极腔体(8)、阴极电极(9)、密封圈(11)、磁力搅拌子(12)及固定微生物膜(13)等模块。隔板(5、6、7)上开有开口，该开口上可固定质子交换膜，其中隔板(6、7)上还有一孔可引出连接电极的导线，所有模块其形状如图1所示，其相互之间用不锈钢螺栓(14)连接固定。
下面举若干实施例进行说明。
实施例1
将阳极电极(2)置于阳极腔体(3)内，阴极电极(9)置于阴极腔体(8)内，用密封盖(1、10)分别密封住阳极腔体和阴极腔体的顶部。阳极腔体和阴极腔体内的底部放置有磁力搅拌子(12)。将质子交换膜(4)两侧套设密封圈(11)置于阳极腔体和阴极腔体的下部开设的开口处，用不锈钢螺栓(14)穿过腔体开口的边缘螺孔连接固定，构成了普通双室微生物燃料电池(如图2所示)。此MFCs可用于厌氧条件下微生物的筛选和检测、电极材料研究、电极表面反应活性研究及电子传递研究。
实施例2
用密封盖(1、10)分别密封住阳极腔体和阴极腔体的顶部。阳极腔体和阴极腔体内的底部放置有磁力搅拌子(12)。将质子交换膜(4)两侧套设密封圈(11)置于两个质子交换膜隔板(6、7)中间，并将两个质子交换膜隔板套设密封圈后置于阳极腔体和阴极腔体的下部开设的开口处，用不锈钢螺栓(14)穿过腔体开口的边缘螺孔连接固定，将阳极电极(2)置于质子交换膜隔板(6)的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板(6)顶部的电极导线引出孔引出，阴极电极(9)置于质子交换膜隔板(7)的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板(7)顶部的电极导线引出孔引出，构成了阳极电极和阴极电极相距较近的改进型双室微生物燃料电池(如图3所示)。与普通双室MFCs相结合，可用于研究电极间距对MFCs性能的影响。
实施例3
将阳极电极(2)置于阳极腔体中，用密封盖(1、10)分别密封住阳极腔体和阴极腔体的顶部。阳极腔体和阴极腔体内的底部放置有磁力搅拌子(12)。将质子交换膜(4)两侧套设密封圈(11)置于一个质子交换膜隔板(7)上，质子交换膜隔板套设密封圈后置于阳极腔体和阴极腔体的下部开设的开口处，用不锈钢螺栓(14)穿过腔体开口的边缘螺孔连接固定。阴极电极(9)置于质子交换膜隔板(7)的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板(7)顶部的电极导线引出孔引出，构成了阳极电极和阴极电极相距较近的改进型双室微生物燃料电池。如图4所示。
实施例4
将阳极电极(2)置于阳极腔体中，用密封盖(1)密封住阳极腔体的顶部。阳极腔体的底部放置有磁力搅拌子(12)。将质子交换膜(4)和阴极平面电极(9＇)两侧套设密封圈(11)置于阳极腔体的下部开口处，阴极平面电极(9′)一侧固定一隔板(5)，然后用不锈钢螺栓(14)穿过隔板(5)和阳极腔体开口的边缘螺孔相互连接固定，构成单室微生物燃料电池(如图5所示)。此MFCs可以用于微生物数量检测及环境有毒污染物的监测等。
实施例5
用密封盖(1)密封住阳极腔体(3)的顶部。阳极腔体的底部放置有磁力搅拌子(12)。阳极电极置于质子交换膜隔板(6)的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板(6)顶部的电极导线引出孔引出。阳极腔体的开口处与质子交换膜隔板(6)连接，质子交换膜(4)和阴极平面电极(9′)两侧套设密封圈(11)置于质子交换膜隔板(6)的开口处，阴极平面电极(9′)一侧固定一隔板(5)，然后用不锈钢螺栓(14)穿过隔板(5)和阳极腔体开口的边缘螺孔相互连接固定，构成了阳极电极位置变化的单室微生物燃料电池。如图6所示。
实施例6
用密封盖(1)密封住阳极腔体(3)的顶部。阳极腔体的底部放置有磁力搅拌子(12)。阳极电极置于质子交换膜隔板(6)中间，电极导线自质子交换膜隔板(6)顶部的电极导线引出孔引出。阳极腔体的开口处与质子交换膜隔板(6)连接，固定微生物膜(13)、质子交换膜(4)和阴极平面电极(9′)合并后的两侧套设密封圈(11)置于质子交换膜隔板(6)开口处，阴极平面电极(9′)一侧固定一隔板(5)，然后用不锈钢螺栓(14)穿过隔板(5)和阳极腔体开口的边缘螺孔相互连接固定，可用于生物需氧量(Biological Oxygen Demand，BOD)测定。如图7所示。
本实用新型的多功能微生物燃料电池的模块化设计通过不同模块的装配，可以构成不同应用类型的微生物燃料电池，能实现不同的应用功能，且易于组合搭建。

Claims (18)

1、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜，固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在阳极腔体和阴极腔体内。
2、如权利要求1所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
3、如权利要求1所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
4、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
两个质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，其顶部开设有电极导线引出孔；两个质子交换膜隔板相平行地固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一质子交换膜，固定在两个质子交换膜隔板中间；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在两个质子交换膜隔板的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
5、如权利要求4所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
6、如权利要求4所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
7、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一阳极腔体和一阴极腔体，顶部设有密封盖，两个腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，其顶部开设有电极导线引出孔；质子交换膜隔板固定在两个腔体开口的对合处，两个腔体开口的边缘处固定为一体；
一质子交换膜，固定在质子交换膜隔板和阳极腔体开口中间；
一阳极电极和一阴极电极分别插设在阳极腔体内和质子交换膜隔板的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
8、如权利要求7所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
9、如权利要求7所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
10、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一阳极腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处；
一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在腔体开口与质子交换膜隔板中间；
一阳极电极插设在阳极腔体内。
11、如权利要求10所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
12、如权利要求10所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
13、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一阳极腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处，质子交换膜隔板的顶部开设有电极导线引出孔；
一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在质子交换膜隔板一侧；
一阳极电极插设在质子交换膜隔板的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
14、如权利要求13所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
15、如权利要求13所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
16、一种多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，包括：
一腔体，顶部设有密封盖，腔体的下部侧面开设有相对应的开口，底部设有磁力搅拌子；
一质子交换膜隔板，其中央开口与腔体开口同径，固定在腔体开口处，质子交换膜隔板的顶部开设有电极导线引出孔；
一固定微生物膜、一质子交换膜与一阴极平面电极平行地固定在质子交换膜隔板的另一侧；
一阳极电极插设在质子交换膜隔板的腔体内，电极导线自质子交换膜隔板顶部的电极导线引出孔引出。
17、如权利要求16所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定是螺栓固定。
18、如权利要求16所述的多功能微生物燃料电池的模块化结构，其特征在于，所述的固定结合处设有密封圈。
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