[發明專利]利用電容性陽極儲存生物電能的方法和裝置

有效

• 申請號: 201310328037.2
• 申請日: 2013-07-31
• 公開（公告）號: CN103401008A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 馮春華;呂志盛;謝道海;衛恒臣;韋朝海
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/86
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池領域，具體是一種利用電容性陽極存儲生物電能的方法和裝置。

背景技術

日趨嚴重的環境污染問題和探尋新的能源是人類在可持續發展道路上面臨的兩大根本性問題。隨著經濟的發展，廢棄物的處理成為一個重要難題。其中工業廢水成分復雜，毒性強，對環境影響惡劣，處理起來難度極大。然而，能耗是污水處理中的一個重要影響因素。在美國，全國5%的電力被用于輸水基礎設施的運行，而1.5%電力被單獨用于污水處理。

化石燃料的枯竭，人類不得不尋找新的替代能源。環境問題的日益嚴重，人類必須審視和調整能源結構。而廢棄物并非毫無價值，關鍵在于人類如何利用。在這樣的大背景下，微生物燃料電池（Microbial?fuel?cells，簡稱MFCs）應運而生。微生物燃料電池是以微生物為催化劑把有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，從而達到同時處理污染物和產生能量的目的，因此吸引了眾多研究者的關注。

盡管發展至今，MFCs在產能上有了顯著的提高。但遺憾的是，MFCs仍未有大規模的工業應用，原因在于較低的能量難以直接驅動商業化的電子設備。例如用于環境監測的電化學傳感器通常需要?50?mW，根據文獻這樣的傳感器很難被MFC直接驅動。為了能為那些能量需求高于MFC產能的裝置提供能量，我們必須改變從MFC收集能量的方式，發明一種加載在MFC上的儲存可再生生物電的裝置，來實現MFC暫態的功率提升，驅動功率較大的電子設備，從而拓寬其應用范圍有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種利用電容性陽極存儲生物電能的方法和裝置，本發明通過微生物的代謝，將MFC電池陽極室中產電細菌產生的生物電儲存在電極上，實現可再生生物電的存儲，使用這種電容性電極MFC可以同時生產和儲存可再生電能，擴寬MFC的應用范圍，促進MFC發展應用。

實現本發明目的所采用的技術方案包括：

利用電容性陽極儲存生物電能的裝置，包括陽極室、陰極室和離子交換膜，陽極室和陰極室由離子交換膜分隔開，其特征在于所述陽極室中的陽極采用電容性電極；所述電容性電極由如下方法制得：在經過預處理的基材電極上修飾超級電容材料制作具有超級電容性的電容性電極；在所述陽極室中加入產電細菌和有機物形成微生物燃料電池MFC陽極室。

進一步的，所述陰極室中加入的陰極液為濃度為50-100?mmol/L的鐵氰化鉀水溶液或通入空氣的水溶液。

???進一步的，所述預處理是指將基材置于質量分數為10-30?%的雙氧水溶液中，在溫度為60-90?℃條件下水浴煮1-4小時，接著用去離子水在同一溫度下水浴煮1-4小時，再用烘箱烘干。

進一步的，所述預處理的基材電極上修飾超級電容材料的方法包括：電化學修飾（包括恒電位、恒電壓、循環伏安法電鍍）、化學沉積法修飾（溶膠凝膠法）以及物理粘結法（包括利用聚四氟乙烯熱壓粘結、Nafion粘結）修飾。

進一步的，所述基材電極包括碳布、石墨氈、碳氈、不銹鋼網或泡沫鎳。

進一步的，所述超級電容材料包括雙電層電容電極材料或贗電容電極材料中一種以上。

進一步的，所述產電細菌包括具有產電能力的希瓦氏菌、地桿菌或大腸桿菌中一種以上，所述有機物包括乳酸、乙酸、葡萄糖、檸檬酸以及他們的對應的鹽中一種以上。

進一步的，所述雙電層電容電極材料，為利用材料本身較大比表面積，在電極/電解質界面積累電荷的材料，包括活性碳、介孔碳、石墨烯及其氧化物或碳納米管。

進一步的，所述贗電容電極材料，為依靠材料本身快速高度可逆的法拉第反應實現儲電的材料，包括二氧化釕、二氧化錳、鐵氧化物、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔或聚噻吩。

利用電容性陽極儲存生物電能的方法：在開路條件下，利用電容性電極的電容性，將具有超級電容性的電極裝入裝置的MFC陽極室，在電池內部形成內置的電容系統，作為裝置的儲電系統，當細菌與具有超級電容性的電極產生接觸，細菌消耗有機物產生的電子傳遞到陽極，利用具有超級電容性的電極的電容特性，儲存MFC陽極室中產電細菌傳遞電子到電極上產生的生物電；在接入負載的條件下，連通陰陽極電路，裝置對外放電，實現存儲生物電的再生放電；利用修飾陽極在開路條件下儲存的生物電，裝置接入電路連通時，實現MFC暫態的輸出功率提升。

????????與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：

（1）本發明采用陽極修飾超級電容器材料，使得陽極具有電容特性，可用于儲存MFC電池陽極室中產電細菌傳遞電子到電極上的生物電。