[發明專利]一種自供給水凝膠電解質微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201710297276.4
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN106876761B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 陳水亮;吳世強
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 南昌華成聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 36126
• 代理人: 張建新

本發明公開一種自供給水凝膠電解質微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質微生物燃料電池由多孔微生物陽極、水凝膠電解質、空氣陰極和毛細管束組成；其中，多孔微生物陽極由水凝膠電解質包裹，毛細管與水凝膠電解質相連接；空氣陰極置于電池的一側，形成單空氣陰極水凝膠電解質微生物燃料電池；或空氣陰極置于電池兩側形成雙空氣陰極水凝膠電解質微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質微生物燃料電池可在5～40℃的溫度范圍運行，最大面積功率密度可達1850mWm^?2，最大體積功率密度可達557W m^?3，可為小型電子器件的供電。

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池，具體涉及一種自供給水凝膠電解質微生物燃料電池。

背景技術

微生物燃料電池(microbial fuel cells，以下簡稱MFCs)是利用電活性微生物的新陳代謝氧化化學物質并釋放電子，把化學能轉化為電能的一種電化學裝置。由于MFCs具有“去污”和”產電”雙重功能，因此近年來受到全球科學家們的廣泛關注。MFCs及其相關的微生物電化學體系(bioelectrochemical systems,BES)，如電解池和脫鹽池等，在眾多領域具有廣泛的應用，包括污水處理、產氫、遠程電源，生物傳感器、海水淡化和生物修復等。

然而，目前MFC不僅在污水處理應用受到極大的限制，其在器件化應用方面，如傳感和遠程電源，同樣面臨巨大的挑戰。一方面，傳統的MFC主要以水溶液為電解質，電活性微生物以微生物膜的形式在陽極生長，釋放電子和質子；電子通過外電路傳遞到陰極，質子通過溶液擴散的方式(越過隔膜)傳遞到陰極；在陰極，氧氣結合電子和質子被還原成水。然而，由于水溶液具有良好的流動性和離子遷移性能，在水溶液中的微生物膜容易受到pH值、底物濃度、水力擾動和外部振動等環境因素的影響，因此MFC難以維持穩定的性能。另一方面，MFC需要施加能量向電活性微生物供給營養液。

發明內容

本發明的目的在于提供一種自供給水凝膠電解質微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質微生物燃料電池可以像植物葉片一樣通過蒸騰作用自動供給營養，而不需要借助施加能量；同時自供給水凝膠電解質微生物燃料電池可耐受外部振動等環境因素的影響，具有較好的穩定性。

本發明是這樣實現的：

一種自供給水凝膠電解質微生物燃料電池(AF-HE-MFC)，其特征在于：主要由多孔微生物陽極、水凝膠電解質、空氣陰極和毛細管束組成；其中，多孔微生物陽極被水凝膠電解質包裹，毛細管束與水凝膠電解質相連接；空氣陰極置于水凝膠電解質的一側，形成單空氣陰極AF-HE-MFC；或空氣陰極置于水凝膠電解質兩側形成雙空氣陰極AF-HE-MFC。所述的AF-HE-MFC可以自動吸入營養液實現自動供給；其自動供給的機理與植物葉片的蒸騰作用輸送水分相似，即水凝膠電解質中儲存的水經由空氣陰極蒸發，在水凝膠電解質中形成負壓；在負壓的驅動下，含有微生物所需底物的水溶液(即營養液)經由毛細管束被自動吸入，補充水凝膠電解質中的水分損失，同時實現AF-HE-MFC中微生物的營養供給。

所述的多孔微生物陽極是多孔或網狀的，允許溶液中的底物或離子自由通過；電活性微生物在多孔微生物陽極上生長并形成微生物膜；所述的多孔微生物陽極的形狀包括網、氈、紙、布等；所述的多孔微生物陽極的材料是碳、石墨、表面修飾的金屬等具有導電性和生物相容性的材料。

所述的水凝膠電解質是中性無機鹽水溶液溶脹的水凝膠。所述的水凝膠的材料是具有親水基團、能大量吸收水分而溶脹又能保持住水分不外流的聚合物樹脂，包括丙烯酸鹽類、丙烯酰胺類、交聯羧甲基纖維素類等，可吸收相當于自身體積100倍以上水分的聚合物樹脂；優選可吸收相當于自身體積500倍以上水分的聚合物樹脂。所述的中性無機鹽水溶液，包括磷酸鹽、碳酸鹽緩沖、等中性水溶液。

所述的空氣陰極具有氧氣還原催化性能，同時允許氧氣擴散和水分蒸發。其結構包含氧氣還原催化層、集流體和擴散層；或只包含催化層和集流體；或只包含擴散層和同時具有集流體和氧氣還原催化功能的電極。