[發明專利]一種微生物燃料電池及應用

無效

• 申請號: 200810027953.1
• 申請日: 2008-05-08
• 公開（公告）號: CN101267045A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 肖可;周順桂;盧娜
• 申請（專利權）人: 廣東省生態環境與土壤研究所
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M8/02;C02F3/00
• 代理公司: 廣州粵高專利代理有限公司
• 代理人: 陳衛;任重

技術領域

本發明屬于生物能源利用技術領域，具體涉及一種微生物燃料電 池及其應用。

背景技術

當今能源與環境的問題已經與人類的生存息息相關，一方面能源 緊缺呼喚清潔的先進能源技術的出現和優化，一方面是市政、工業、 農業產生的大量有機廢物與廢水的處理急待解決。這種形式下，微生 物燃料電池(Microbial?Fuel?Cell，MFC)的研究顯得尤為重要。

微生物燃料電池是以產電微生物為催化劑，將有機物中化學能直 接轉化為電能的裝置。其基本原理是作為燃料的有機物在厭氧陽極室 中被產電微生物氧化，產生電子與質子，其中電子被微生物捕獲并傳 遞給電池陽極，通過外電路到達陰極，形成回路產生電流。而質子通 過隔膜到達陰極，與氧氣及電子反應生成水。

微生物燃料電池一般分單室型和雙室型。在這兩種構型中，陰極、 陽極、膜材料都是必不可少的構成部分。有機物生物氧化與氧還原反 應分別在陽極和陰極上進行，通過膜材料將兩電極隔開。膜材料的主 要功能有兩個：1)分隔陰、陽兩室，使陽極室中的微生物、燃料基 質不能穿越至陰極室，而且可防止陰極室中氧氣滲透至陽極室；2) 選擇透過質子，為陰極氧還原反應提供氫離子，并且維持陰、陽兩室 的電中和狀態。

微生物燃料電池是設計理念主要來源于質子交換膜燃料電池 (PEMFC)，因而普遍采用質子交換膜為膜材料。如在中國發明專利 “一種雙筒型微生物燃料電池”(公開號CN1937297A)、“一種可堆 疊式MFC”(CN101034754A)、“一種以有機廢水為燃料的單池式微 生物電池”(CN1874040A)等均采用質子交換膜來構造微生物燃料電 池。

目前，國際上通用的質子交換膜是美國杜邦(Du?Pont)公司生 產的全氟磺酸型質子交換膜，即Nafion膜。Nafion膜具有質子電導 率高、化學穩定性好的優點，但是也存在如下缺點：

(1)價格昂貴。一般需要500～600美元/m²，因為MFC的體 積輸出功率約為質子交換膜燃料電池1/100，要達到相同的輸出功率， 勢必需要增加膜的使用面積，從而提高了單位功率的膜成本。一般來 說，質子交換膜的成本可占整個MFC反應器的80％以上，因此，使 用質子交換膜的MFC只局限于實驗室小試研究，不具備實際應用價 值。用于大規模推廣微生物燃料電池(MFC)根本無法實現。

(2)機械強度差。MFC主要用于有機廢棄物(如污水、有機廢 液、糞便等)的處置與產電，因此要求膜的承重性與機械性能足夠高。

(3)未實現國產化。目前，只有美國杜邦等少數幾個國外公司 實現了質子交換膜的規模化生產。

(4)制作過程不夠環保。

因此，低成本膜材料的應用是制約MFC實際應用的技術瓶頸之 一。而長期以來，源于微生物燃料電池的設計理念基于質子交換膜， 至今未見有低成本、機械強度良好、已形成規模化工業生產的膜材料 應用的相關報道，這從某種程度上制約了我國甚至全世界范圍內微生 物燃料電池的普遍推廣應用。

發明內容

本發明的一個目的是克服現有技術的不足，提供一種微生物燃料 電池。

本發明的另一個目的是提供所述微生物燃料電池的應用。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

提供一種微生物燃料電池，以有機物作為燃料，包括陽極室、陰 極室、分隔陽極室與陰極室的膜材料和外電路，所述膜材料采用離子 交換膜。

所述離子交換膜可以為陰離子交換膜或陽離子交換膜。

所述有機物為有機廢水中所含有機物。

本發明同時提供了所述微生物燃料電池在處理有機廢水方面的 應用，包括污水、有機廢液、糞便等。

微生物燃料電池包括交換膜、陽極室、陰極室和外電路四個部分， 其各部分的構造和連接方式可采用現有技術常規的方法。本發明采用 的交換膜使用陽離交換膜或陰離子交換膜中的任意一種，將陽極室與 陰極室分隔開。根據離子交換膜種類的不同，其離子穿越方向與電中 和原理有所不同。

使用陽離子交換膜時：

陽極室燃料基質中的陽離子(H⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺等)在電場與 濃差的驅動下，透過陽離子交換膜擴散至陰極室，從而維持陰、陽兩 室的電中和狀態。