[實用新型]一種微生物燃料電池換液裝置

有效

• 申請號: 201920459561.6
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN209592199U
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 宋誠;劉鴻;王廈;殷逢俊;黃秋云
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M8/04186
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 陰知見

本實用新型涉屬于生物燃料電池技術領域，涉及一種微生物燃料電池換液裝置，電極液配置器頂部參數調控裝置上依次安裝帶調節閥的參數調節管、酸堿調節管、進氣管、進液管、第一排氣管、第一排液管、第二排氣管和壓力管，燃料電池上依次安裝帶調節閥的第二氣液管、第三排氣管和第二排液管，第二氣液管上端通過魯爾接頭連接第一氣液管，進氣管的底部安裝與電極液配置器底部留有間隙的砂芯曝氣管，第一排液管與第二排氣管、第一氣液管連接于三通對接頭，壓力管連接帶調節閥的壓力球，解決現有技術中的微生物燃料電池陰陽極換液厭氧環境操作難度大、換液不徹底，容易傷害陽極電極上產電菌生物膜，影響水污染控制和水環境管理科學研究進度的問題。

技術領域

本實用新型屬于生物燃料電池技術領域，涉及一種微生物燃料電池換液裝置。

背景技術

水體污染狀況隨著社會經濟的發展日益嚴重，我國每年排放約500億噸廢水，主要為有機廢水。有機廢水中含有可生化性以及不可生化性有機污染物，其中可生化性有機物在微生物的作用下會大量消耗水體中的溶氧，使水質惡化，它的含量反映了廢水的重要理化性質。

微生物燃料電池(microbial fuel cell，簡稱MFC)是一種產生電能的新方法，通過將廢水中蘊含的低品位化學能轉化為電能的裝置。這種裝置由負載微生物(主要是產電菌)、陽極和陰極組成，其工作過程可概括為：陽極有機物在微生物的氧化分解作用下，產生質子和電子，電子通過呼吸酶(NADH)與NAD⁺在胞內傳遞，而后通過納米導線，膜蛋白接觸或電子中介體等胞外電子傳遞機制到達陽極，經外電路到達陰極，同時電解液中的質子受電場力和濃度差的驅動從陽極室傳遞到陰極；電子和質子在陰極與電子受體(O₂，Fe(CN)₆^3-)之間發生還原反應。

MFC中有機物的能量轉化分為熵變引起的熱能和通過外電路負載獲得的電能，外電路負載越大，能夠獲得的能量越高。當外電路負載趨近無限大時，MFC的能量相當于標準電池電動勢中獲得的自由能。然而事實上MFC很難達到標準電動勢，因為在電極反應與傳質過程中存在較大的能量損失，主要包括活化過電勢，濃差過電勢，歐姆過電勢?；罨^電勢表示在電極表面發生電化學反應(陽極氧化、陰極還原過程)需要消耗的活化能?？蓮亩鄠€方面降低活化過電勢：調控微生物生存環境包括pH，溫度可保證較高的微生物活性以降低活化能；陽極產電微生物中G.sulfurreducens和S.oneidensis是兩類主要的胞外產電菌群，它們既可以通過微生物外層膜上的細胞色素直接將電子傳遞給陰極，也可以利用自身代謝產生的電子中介體傳遞電子，外投電子中介體可以降低電子在微生物與電極間的能壘從而提高電子的有效傳遞；陽極、陰極本身的物理性質(粗糙度，比表面積，導電性等)，以及陰極氧還原催化劑及其載量也是影響活化過電勢的重要因素。濃差過電勢是當陽極氧化速率大于有機物的擴散速率，或者陰極氧擴散速率小于氧還原速率時，存在因反應物濃度限制造成的濃差極化，主要與電極表面的生物膜，水利條件以及反應器的構型設計有關，可以通過增大電極材料與反應物的接觸面積，或者設置攪拌裝置以減小濃差極化。歐姆過電勢是質子傳遞阻力決定的，其主要影響因素是膜的尺寸、厚度、孔徑以及電解液的電導率，電極間距等，歐姆阻抗與電流密度成線性正相關，通常減小電極間距或增大電導率可減小歐姆損失。

然而，微生物燃料電池陰陽極換液給諸多科研工作者帶來困擾，尤其陽極換液需要厭氧環境，否則陽極厭氧產電菌很快被氧氣殺死，導致換液后電池產電能力降低，傳統的換液方式長期嚴重制約著MFC在水污染控制及水環境管理科學研究領域的深度發展。

針對傳統MFC換液的的滯后性，有必要設計出一種既能保證整個換液過程處于厭氧環境中又能快速精準的換液裝置；MFC換液裝置設計首先要解決的問題是既要整個陽極換液過程的厭氧環境，又要精準快速換液，同時保證換液徹底，還要不傷害陽極電極上的產電菌生物膜，解決傳統方法換液厭氧環境操作難度大、換液不徹底、破壞生物膜，換液速度慢等問題，對于推動水污染控制和水環境管理科學研究有重要意義。

實用新型內容