[發(fā)明專(zhuān)利]無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池及性能提升方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610037143.9
• 申請(qǐng)日: 2016-01-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105489919B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張亮;朱恂;李俊;廖強(qiáng);葉丁丁;付乾
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/16
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/16
• 代理公司: 重慶市前沿專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云

本發(fā)明公開(kāi)了無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池及其性能提升的方法；無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池包括陽(yáng)極腔室、陰極腔室、陰極電極、陽(yáng)極電極和收集器；其特征在于：陰極腔室設(shè)置陽(yáng)極腔室的上方，所述陰極腔室與所述陽(yáng)極腔室相連通；陰極腔室一側(cè)設(shè)置有液流口；該液流口與收集器進(jìn)口相對(duì)應(yīng)；陽(yáng)極腔室內(nèi)設(shè)置有玻璃珠；在陽(yáng)極腔室的底部以及與液流口同側(cè)面設(shè)置有多個(gè)電解液入口；每個(gè)電解液入口均通過(guò)管路與收集器出口連通；每個(gè)管路中均設(shè)置有蠕動(dòng)泵；該陰極電極漂浮在陰極腔室液面上；所述陰極電極的表面覆蓋有防水層，且該陰極電極的下表面覆蓋有Pt/C催化層；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低，環(huán)保性好和易于放大等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微生物燃料電池,具體涉及無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池及性能提升方法。

背景技術(shù)

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)以其本身所特有的原料來(lái)源廣泛、反應(yīng)條件溫和，可在常溫常壓下進(jìn)行反應(yīng)、生物相容性好、在發(fā)電過(guò)程中可同時(shí)降解廢水和產(chǎn)生電能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而成為一種極有潛力的可再生能源。在此背景下，微生物燃料電池主要在MFC電池機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電極材料的選擇與優(yōu)化、產(chǎn)電機(jī)制、微生物菌種和過(guò)程參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量研究，極大提高了MFC的功率密度(從0.1mWm^-2增加到6.8Wm^-2)。然而，面向未來(lái)實(shí)際應(yīng)用，MFC仍然存在諸多挑戰(zhàn)。

MFC生物電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極生物膜及電極表面內(nèi)和陰電極表面，在此同時(shí)MFC反應(yīng)器中伴隨著底物和產(chǎn)物的傳輸。相對(duì)于底物傳輸，產(chǎn)物傳輸尤其是氫離子的傳輸對(duì)MFC影響更為重要。產(chǎn)生在陽(yáng)極生物膜內(nèi)的氫離子通過(guò)濃差擴(kuò)散到生物膜外，再經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜擴(kuò)散到陰極電極表面參與電化學(xué)反應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，氫離子的傳輸對(duì)于維持陰、陽(yáng)極電荷平衡和防止陽(yáng)極過(guò)酸及陰極過(guò)堿至關(guān)重要。

目前MFC研究中常采用磷酸緩沖液來(lái)維持陰陽(yáng)極pH，這不但使陽(yáng)極微生物長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于最佳pH生長(zhǎng)微環(huán)境，而且陰極反應(yīng)也不會(huì)受限于氫離子的濃度。然而MFC技術(shù)面臨未來(lái)實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)大批量使用buffer并不可行，這不但會(huì)增加MFC的運(yùn)行成本，而且更關(guān)鍵的是添加buffer會(huì)導(dǎo)致污水的進(jìn)一步污染，比如磷酸buffer會(huì)導(dǎo)致水體中磷元素過(guò)高從而引起水華現(xiàn)象，惡化了水環(huán)境。可見(jiàn)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從環(huán)保角度而言，添加buffer來(lái)強(qiáng)化質(zhì)子參與反應(yīng)的速率是實(shí)際不可行的。同時(shí)采用昂貴的質(zhì)子交換膜并不切實(shí)際，研究者表明長(zhǎng)期運(yùn)行后的質(zhì)子交換膜由于生物結(jié)垢會(huì)堵塞其表面的質(zhì)子傳輸通道，導(dǎo)致質(zhì)子傳輸失效，致使MFC性能降低。

因此，十分有必要結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際污水工藝流動(dòng)的特點(diǎn)去探索新型環(huán)保、無(wú)緩沖液無(wú)膜MFC的運(yùn)行方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池及其性能提升的方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案是，無(wú)緩沖液運(yùn)行下空氣陰極微生物燃料電池，包括陽(yáng)極腔室、陰極腔室、陰極電極、陽(yáng)極電極和收集器；陽(yáng)極電極插設(shè)在陽(yáng)極腔室中；其特點(diǎn)是：陰極腔室設(shè)置陽(yáng)極腔室的上方，所述陰極腔室與所述陽(yáng)極腔室相連通；陰極腔室一側(cè)設(shè)置有液流口；該液流口與收集器進(jìn)口相對(duì)應(yīng)；陽(yáng)極腔室內(nèi)設(shè)置有玻璃珠；在陽(yáng)極腔室的底部以及與液流口同側(cè)面設(shè)置有多個(gè)電解液入口；每個(gè)電解液入口均通過(guò)管路與收集器出口連通；每個(gè)管路中均設(shè)置有蠕動(dòng)泵；該陰極電極漂浮在陰極腔室液面上；所述陰極電極的表面覆蓋有防水層，且該陰極電極的下表面覆蓋有Pt/C催化層。

本發(fā)明將陰極電極直接暴露在空氣中，以空氣中的氧氣作為電子受體，可省去外部能量的供應(yīng)，相對(duì)于主動(dòng)式微生物燃料電池。并且陰極腔室和陽(yáng)極腔室相連通，避免了使用質(zhì)子交換膜這種昂貴的材料，有利于降低微生物燃料電池的成本；同時(shí)，由于不需要使用質(zhì)子交換膜作為隔絕的材料，還有利于提高陰極陽(yáng)極之間質(zhì)子的傳輸速率，降低電池內(nèi)阻。由此構(gòu)建環(huán)保的空氣陰極無(wú)膜通流式MFC，陽(yáng)極腔室內(nèi)設(shè)置玻璃珠保證從底部電解液入口進(jìn)入的電解液勻流。