CN221508244U - 微生物阳极和微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微生物燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种微生物阳极和微生物燃料电池；微生物燃料电池包括多个阵列分布的微生物阳极；微生物燃料电极包括微生物负载阳极层、分隔膜和阴极层，分隔膜设置于微生物负载阳极层的一侧；阴极层设置于分隔膜背离微生物负载阳极层的一侧；其中，微生物负载阳极层的面积大于阴极层的面积。该微生物阳极的产电效率能够提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及微生物燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种微生物阳极和微生物燃料电池。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)技术不仅可以借用微生物产生能量，还允许其利用栖息地维持新陈代谢活动和生长，以消除污染物，并在消除污染物的同时，持续产生电流，实现可持续化生产。MFC在发电、污染物处理和生物制氢、生物传感器、生物电子学和生物修复等方面都具有潜在应用价值。
但是，相关技术提供的传统微生物燃料电池需要反应室结构，效率以及应用场景有限，难以在环境位点实际应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种微生物阳极和微生物燃料电池，该微生物燃料电池电极的产电效率能够提高，并且能原位应用预期环境位点。
本实用新型的实施例是这样实现的：
第一方面，本实用新型提供一种微生物阳极，包括：
微生物负载阳极层；
分隔膜，分隔膜设置于微生物负载阳极层的一侧；以及，
阴极层，阴极层设置于分隔膜背离微生物负载阳极层的一侧；其中，
微生物负载阳极层的面积大于阴极层的面积。
在可选的实施方式中，微生物负载阳极层与阴极层的面积比为(3～5):(2～4)，且分隔膜的面积大于或等于阴极层的面积。
在可选的实施方式中，微生物负载阳极层与阴极层的面积比为4:3。
在可选的实施方式中，微生物阳极还包括集流体，集流体穿设于微生物负载阳极层和阴极层两者中的至少一者。
在可选的实施方式中，集流体的宽度为0.3mm-3mm；集流体的穿设密度被配置为每平方米的微生物负载阳极层和阴极层两者分别穿设0.2-0.6平方米的集流体。
在可选的实施方式中，微生物阳极包括两个分隔膜和两个阴极层，两个分隔膜分别设置于微生物负载阳极层的两侧，两个阴极层和两个分隔膜一一对应地设置。
在可选的实施方式中，微生物负载阳极层的厚度为5-25mm，分隔膜的厚度为0.1-1mm，阴极层的厚度为1-10mm。
在可选的实施方式中，微生物阳极还包括两个集流层，其中一个集流层设置于微生物负载阳极层背离分隔膜的一侧，另一个集流层设置于阴极层背离分隔膜的一侧。
在可选的实施方式中，集流层的厚度为1-2mm。
第二方面，本实用新型提供一种微生物燃料电池，其包括多个前述实施方式任一项的微生物阳极，多个微生物阳极阵列分布。
本实用新型实施例的微生物阳极的有益效果包括：本实用新型实施例提供的微生物阳极的微生物负载阳极层的面积大于阴极层的面积，能够通过相比于阴极增大阳极的方式，相对增加阳极微生物量，提高产电效率。
本实用新型实施例的微生物燃料电池包括前述的微生物阳极的全部有益效果，例如：通过相比于阴极增大阳极的方式，相对增加阳极微生物量，提高产电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例微生物燃料电池的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中微生物阳极的分解结构示意图；
图3为本实用新型其他实施方式中微生物阳极的分解结构示意图；
图4为本实用新型其他实施例中微生物阳极的分解结构示意图；
图5为本实用新型其他实施例的其他实施方式中微生物阳极的分解结构示意图。
图标：010-微生物燃料电池；200-微生物阳极；210-微生物负载阳极层；220-分隔膜；230-阴极层；240-集流层；250-集流体。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实施例提供一种微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)，且是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的新型装置组装方式；基本工作原理是：有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠微生物纳米导线或电子中介体从微生物细胞传至阳极，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过纤维素膜等膜层传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
请参照图1，本实施例的微生物燃料电池010包括多个微生物阳极200，例如：两个、三个、六个等，且多个微生物阳极200呈阵列分布，且通过导线连接。阵列式的设置多个微生物阳极200，可以极大提高产电、净化效率，在一些实施方式中，可以直接将微生物燃料电池010集成于污水处理设备中，不需要进行额外的改造，其中，微生物燃料电池010所产生的电流可用于供给自身连接的监测设备，也可驱动污水处理设备中的曝气装置。
需要说明的是，微生物燃料电池010还可以连接蓄电池、需要供电的电器设备等，或者，微生物燃料电池010还可以连接无线传输装置作为传感器指示相应环境位点水质质量信息，在此不作具体限定。
还需要说明的是，单个的微生物阳极200也可以独立使用。
进一步地，多个微生物阳极200可以通过导线串联或并联，具体地连接方式与相关技术类似，在此不再赘述。
请参照图2，微生物阳极200包括微生物负载阳极层210、分隔膜220和阴极层230，微生物负载阳极层210和阴极层230分别设置于分隔膜220的两侧，分隔膜220为绝缘材料，以隔离阳极层和阴极层230。阳极、阴极集成设计，使用时不需要相应的阴极室和阳极室，即不需要反应室。
可选地，分隔膜220为多孔绝缘材料，例如：纤维素膜、尼龙膜等，在此不作具体限定。
可选地，微生物负载阳极层210包括阳极层和负载于阳极层的微生物，其中，阳极层包括但不限于金属泡沫材料，例如：镍泡沫、铝泡沫、钛泡沫等，或者碳基材料，例如：碳毡、碳布、石墨板、碳基气凝胶等，在此不作具体限定。
需要说明的是，微生物负载于阳极层的方式与相关技术类似，在此不再赘述。
可选地，阴极层230的制备材料包括但不限于碳基材料或铁镍等过渡金属基材料，也可为碳基材料负载金属材料的复合材料等，在此不作具体限定。
本实施例中，微生物负载阳极层210的面积大于阴极层230的面积。如此设置，能够通过相比于阴极增大阳极的方式，相对增加阳极微生物量，提高产电效率。
可选地，微生物负载阳极层210与阴极层230的面积比为(3～5):(2～4)，例如：3:2、4:2、4:3、5:2、5:3、5:4等，且分隔膜220的面积大于或等于阴极层230的面积。优化微生物负载阳极层210和阴极层230之间的面积比，能够确保良好的电性能；将分隔膜220的面积配置为等于或大于阴极层230的面积，能够保证良好的阳极和阴极的分隔作用，并保证阴极ORR过程(氧还原反应)中充足电子供应。
在较优的实施方式中，微生物负载阳极层210与阴极层230的面积比为4:3。在保证微生物负载阳极层210的面积大于阴极层230的情况下，适当的增大阴极层230的面积，能够进一步提高产电效率。
请继续参照图2，本实施例中，微生物阳极200还包括两个集流层240，其中一个集流层240设置于微生物负载阳极层210背离分隔膜220的一侧，另一个集流层240设置于阴极层230背离分隔膜220的一侧。通过将作为导体的集流层240紧密的设置于微生物负载阳极层210和阴极层230，能够保证良好的导电性。而且，本实施例的微生物阳极200呈层叠状的“三明治”构型，能够有效地减小电极的体积，并通过微生物阳极200紧凑、致密的结构限制微生物负载阳极层210的生物膜持续增厚，确保了营养物质沿微生物阳极200的剖面的输送，微生物负载阳极层210的微生物菌群保持了较高代谢活性，即降低了传质的内阻，提高输出效率。
可选地，集流层240可以是由导电材料制备的，包括但不限于导电金属或导电碳材料等。
需要说明的是，前述多个微生物阳极200通过导线连接，具体可以是指：多个微生物阳极200的集流层240通过导线连接，且连接方式为并联或串联与相关技术类似，在此不再赘述。
可选地，集流层240的厚度为1-2mm，例如：1mm、1.5mm、2mm等；微生物负载阳极层210的厚度为5-25mm，例如：5mm、10mm、15mm、20mm、25mm等；分隔膜220的厚度为0.1-1mm，例如：0.1mm、0.5mm、1mm等；阴极层230的厚度为1-10mm，例如：1mm、3mm、5mm、7mm、10mm等。其中，分隔膜220在满足绝缘性能的前提下，可以尽可能的设置的较薄，以保证传质的效果，并同时防止短路。
可选地，集流层240可以设置成网状结构。
可选地，两个集流层240通过导线和用电器(外电阻)连接形成闭合回路。
本实施例的微生物阳极200为平板状结构，即其中一个集流层240、微生物负载阳极、分隔膜220、阴极层230和另一个集流层240依次紧密层叠设置即可。
当然，在其他实施方式中，请参照图3，微生物阳极200还可以为筒/柱状结构，即阴极层230、分隔膜220和微生物负载阳极层210均为筒状，且从内至外依次为其中一个集流层240、阴极层230、分隔层、微生物负载阳极层210和另一个集流层240；筒状结构的微生物阳极200结构更加稳定，有利于应对更加湍急水流等复杂环境；而且，在微生物阳极200的宽度尺寸一定的情况下，筒状的微生物阳极200的表面积相比于平板状更大，即在筒状的微生物阳极200的直径等于平板状的微生物阳极200的宽度的情况下，筒状的微生物阳极200的表面积更大，有利于提高效率。可选地，阴极层230、分隔膜220和微生物负载阳极层210均先卷成筒状，再从内至外的依次套设；或者先依次层叠设置其中一个集流层240、阴极层230、分隔层、微生物负载阳极层210和另一个集流层240，再整体卷成筒状，并通过卡接的方式或利用扎带绑扎，将筒状结构的接缝固定连接起来。
请参照图4，在其他实施例中，微生物阳极200还包括集流体250，集流体250穿设于微生物负载阳极层210和阴极层230两者中的至少一者。将集流体250穿设于微生物负载阳极层210和阴极层230两者中的至少一者，可以减少集流层240的额外设置，并使微生物阳极200的结构更加的紧凑，进一步确保内阻的减小，提高效率。
可选地，穿设于微生物负载阳极层210或阴极层230的集流体250包括但不限于不锈钢丝/片、钛丝/片、铜丝/片等可塑金属线材。集流体250穿设于微生物负载阳极层210或阴极层230的方式包括但不限于内嵌、压制、穿插。
可选地，集流体250的粗细可以根据微生物阳极200的体积、或微生物负载阳极层210、或阴极层230的面积灵活调整，集流体250的宽度为0.3mm-3mm，例如：0.3mm、1mm、2mm、3mm等，在此不作具体限定。
需要说明的是，当集流体250的截面呈圆形时，集流体250的宽度是指其截面的直径尺寸。当集流体250的截面呈矩形时，集流体250的宽度是指其截面的宽度方向的尺寸。
还需要说明的是，请参照图4和图5，微生物负载阳极层210和阴极层230均穿设有集流体250。
可选地，集流体250的穿设密度被配置为每平方米的微生物负载阳极层210和阴极层230两者中的至少一者穿设0.2-0.6平方米的集流体250，例如：每平方米的微生物负载阳极层210穿设0.2平方米的集流体250、每平方米的阴极层230穿设0.2平方米的集流体250，每平方米的微生物负载阳极层210穿设0.4平方米的集流体250、每平方米的阴极层230穿设0.4平方米的集流体250，或者每平方米的微生物负载阳极层210穿设0.6平方米的集流体250、每平方米的阴极层230穿设0.6平方米的集流体250等，在此不作具体限定。
可选地，微生物负载阳极层210上穿设的集流体250占微生物负载阳极层210的10％-50％，例如：10％、30％、50％等；具体地，可以是指：穿设于微生物负载阳极层210的集流体250的重量占微生物负载阳极层210的重量的10％-50％，或者，穿设于微生物负载阳极层210的集流体250的表面积占微生物负载阳极层210的表面积的10％-50％。
可选地，阴极层230上穿设的集流体250占阴极层230的10％-50％，例如：10％、30％、50％等；具体地，可以是指：穿设于阴极层230的集流体250的重量占阴极层230的重量的10％-50％，或者，穿设于阴极层230的集流体250的表面积占阴极层230的表面积的10％-50％。
可选地，微生物阳极200包括两个分隔膜220和两个阴极层230，两个分隔膜220分别设置于微生物负载阳极层210的两侧，两个阴极层230和两个分隔膜220一一对应地设置。通过双阴极的设置，能够仅以提高产电效率和有机物降解速率。
可选地，在一些实施方式中，微生物阳极200为平板状结构，即其中一个阴极层230、其中一个分隔膜220、微生物负载阳极层210、另一个分隔膜220和另一个阴极层230依次紧密层叠设置即可。
请参照图5，在另一些实施方式中，微生物阳极200还可以为筒状结构，即阴极层230、分隔膜220和微生物负载阳极层210均为筒状，且从内至外依次为其中一个阴极层230、其中一个分隔膜220、微生物负载阳极层210、另一个分隔膜220和另一个阴极层230。可选地，阴极层230、分隔膜220和微生物负载阳极层210均先卷成筒状，再从内至外的依次套设；或者先依次层叠设置其中一个阴极层230、其中一个分隔膜220、微生物负载阳极层210、另一个分隔膜220和另一个阴极层230，再整体卷成筒状，并通过卡接的方式或利用扎带绑扎，将筒状结构的接缝固定连接起来。
需要说明的是，在微生物阳极200呈筒状的实施方式中，微生物负载阳极层210的面积大于阴极层230的面积，可以是指：微生物负载阳极层210的面积大于最内层的阴极层230的面积，或者，也可以是指：微生物负载阳极层210的面积大于任意一层阴极层230的面积。
还需要说明的是，在微生物阳极200呈筒状的实施方式中，为了使微生物负载阳极层210的面积大于位于最外侧的阴极层230的面积，可以减小最外层的阴极层230沿微生物阳极200轴向的宽度，以减小最外层的阴极层230的面积。
综上所述，本实用新型的微生物阳极200能够用于微生物燃料电池010，且该微生物阳极200的微生物负载阳极层210的面积大于阴极层230的面积，能够通过相比于阴极增大阳极的方式，相对增加阳极微生物量，提高产电效率。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微生物阳极，其特征在于，包括：
微生物负载阳极层(210)；
分隔膜(220)，所述分隔膜(220)设置于所述微生物负载阳极层(210)的一侧；以及，
阴极层(230)，所述阴极层(230)设置于所述分隔膜(220)背离所述微生物负载阳极层(210)的一侧；其中，
所述微生物负载阳极层(210)的面积大于所述阴极层(230)的面积。
2.根据权利要求1所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物负载阳极层(210)与所述阴极层(230)的面积比为3～5:2～4，且所述分隔膜(220)的面积大于或等于所述阴极层(230)的面积。
3.根据权利要求2所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物负载阳极层(210)与所述阴极层(230)的面积比为4:3。
4.根据权利要求1所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物阳极还包括集流体(250)，所述集流体(250)穿设于所述微生物负载阳极层(210)和所述阴极层(230)两者中的至少一者。
5.根据权利要求4所述的微生物阳极，其特征在于，所述集流体(250)的宽度为0.3mm-3mm；所述集流体(250)的穿设密度被配置为每平方米的所述微生物负载阳极层(210)和所述阴极层(230)两者分别穿设0.2-0.6平方米的所述集流体(250)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物阳极包括两个所述分隔膜(220)和两个所述阴极层(230)，两个所述分隔膜(220)分别设置于所述微生物负载阳极层(210)的两侧，两个所述阴极层(230)和两个所述分隔膜(220)一一对应地设置。
7.根据权利要求1-3任一项所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物负载阳极层(210)的厚度为5-25mm，所述分隔膜(220)的厚度为0.1-1mm，所述阴极层(230)的厚度为1-10mm。
8.根据权利要求1所述的微生物阳极，其特征在于，所述微生物阳极还包括两个集流层(240)，其中一个所述集流层(240)设置于所述微生物负载阳极层(210)背离所述分隔膜(220)的一侧，另一个所述集流层(240)设置于所述阴极层(230)背离所述分隔膜(220)的一侧。
9.根据权利要求8所述的微生物阳极，其特征在于，所述集流层(240)的厚度为1-2mm。
10.一种微生物燃料电池，其特征在于，包括多个权利要求1-9任一项所述的微生物阳极，多个所述微生物阳极阵列设置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202323517346.2U CN221508244U (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 微生物阳极和微生物燃料电池 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN221508244U true CN221508244U (zh) | 2024-08-09 |
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-12-21 CN CN202323517346.2U patent/CN221508244U/zh active Active
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