專利名稱：一種微生物燃料電池及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)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。
技術背景當今能源與環(huán)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(yōu)化， 一方面是市政、工業(yè)、 農業(yè)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(tài)。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(fā)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(wěn)定性好的優(yōu)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(guī)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(guī)模化生產。(4) 制作過程不夠環(huán)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(guī)?；I(yè)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(fā)明內容本發(fā)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(fā)明的另一個目的是提供所述微生物燃料電池的應用。 本發(fā)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(fā)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(guī)的方法。本發(fā)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+、 Ca"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(tài)。使用陰離子交換膜時陰極室的陰離子(cr、 so,、 co,、 pcV—等)在電場與濃差的驅動下，透過陰離子交換膜擴散至陽極室，從而維持陰、陽兩室的電 中和狀態(tài)。有機物作為燃料進入陽極室，在密閉厭氧的陽極室中被產電微生 物氧化，產生質子與電子，產電微生物氧化基質產生電子、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，陰極發(fā)生氧化還原反應，生產水。離子交換膜在微生物燃料電池的功能是(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)選擇性透過陽離子或陰離子，維持陰、陽兩室的電中和狀態(tài)。離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過 能力的高分子膜，主要種類有陽離子交換膜、陰離子交換膜，它廣泛 用于海水淡化、放射性廢液處理、純水制備、氨基酸脫鹽等電滲析中， 已實現了國產化。離子交換膜與質子交換膜都屬選擇透過性膜，但前 者既能透過質子，還能透過其它陰、陽離子，而后者只能透過質子。離子交換膜生產過程簡單，價格低廉，只是質子交換膜價格的1/50 1/100。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1) 本發(fā)明提出采用離子交換膜作為MFC的膜材料構造微生物 燃料電池，改變了長期以來微生物燃料電池基于質子交換膜的設計理念；(2) 使用離子交換膜MFC，其單位功率的構造成本只為使用質 子交換膜的1/5至1/10，本發(fā)明可降低微生物燃料電池成本，為微生 物燃料電池的實際推廣應用提供了可能性和技術支持。(3) 本發(fā)明微生物燃料電池其他構造可沿用傳統(tǒng)使用質子交換 膜MFC構造，并具有與傳統(tǒng)使用質子交換膜MFC相當甚至略高的 輸出功率與產電性能，能很好的替代傳統(tǒng)使用質子交換膜MFC。


圖1使用離子交換膜的微生物燃料電池結構示意圖 圖2實施例l 1000Q外阻下使用陽離子交換膜的微生物燃料電 池的電壓變化3實施例1使用陽離子交換膜的微生物燃料電池的極化曲線4實施例2 IOOOQ外阻下使用陰離子交換膜的微生物燃料電 池的電壓變化5實施例2使用陰離子交換膜的微生物燃料電池的極化曲線圖具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例來進一步詳細說明本發(fā)明。 實施例1使用陽離子交換膜的微生物燃料電池結構示意圖見附圖1。微生物燃料電池的陰、陽極室由8cmx8 cm的陽離子交換膜隔 開，陽離子交換膜可采用市購產品，本實施例陽離子交換膜購于浙江 千秋實業(yè)有限公司。陽極室密封，陰極室敞開，陽極室、陰極室以及 外電路的構造和連接方式可采用現有的微生物燃料電池構造和連接 方式，本實施例中陽極采用石墨氈，陰極采用碳布。陽極室中加入有 機廢水(COD為4850mg/L)作為燃料，接種普通厭氧污泥作為產電 微生物，外接電阻1000Q后電池在室溫下運行19天。本實施例中使用陽離子交換膜的MFC，輸出電壓穩(wěn)定在0.30 0.35V之間，并一直持續(xù)了 14天，見附圖2。最大功率密度為4.31W/m3， 見附圖3，廢水COD去除率為97.8%,產電性能與廢水處理效果略 高于質子交換膜MFC。實施例2使用陰離子交換膜的微生物燃料電池結構示意圖見附圖1。 微生物燃料電池的陰、陽極室由8cmx8 cm的陰離子交換膜隔 開，陰離子交換膜可采用市購產品，本實施例陰離子交換膜購于浙江 千秋實業(yè)有限公司，陽極室密封，陰極室敞開。陽極室、陰極室以及 外電路的構造和連接方式可采用現有的微生物燃料電池構造和連接 方式，本實施例中陽極為石墨氈，陰極為碳布。陽極室中加入有機廢 水(COD為4850mg/L)作為燃料，接種普通厭氧污泥作為產電微生 物，外接電阻1000Q后電池在室溫下運行。這種使用陰離子交換膜的MFC，輸出電壓會穩(wěn)定在0.32V左右， 見附圖4所示。最大功率密度為2.64W/m3，見附圖5所示，廢水COD 去除率為97.3%，產電性能與廢水處理效果與質子交換膜MFC相當。
權利要求
1. 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，其特征在于所述膜材料為離子交換膜。
2、 根據權利要求1所述微生物燃料電池，其特征在于所述離子 交換膜為陰離子交換膜。
3、 根據權利要求1所述微生物燃料電池，其特征在于所述離子 交換膜為陽離子交換膜。
4、 根據權利要求1所述的微生物燃料電池，其特征在于所述有 機物為有機廢水中所含有機物。
5、 一種權利要求1所述微生物燃料電池的應用，其特征在于應 用于有機廢水處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了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，所述膜材料為離子交換膜。本發(fā)明提出采用離子交換膜作為MFC的膜材料構造微生物燃料電池，改變了長期以來微生物燃料電池基于質子交換膜的設計理念，本發(fā)明微生物燃料電池構造可沿用傳統(tǒng)使用質子交換膜的MFC構造，具有與傳統(tǒng)使用質子交換膜MFC相當甚至略高的輸出功率與產電性能，能很好的替代傳統(tǒng)使用質子交換膜MFC，并可降低微生物燃料電池成本，為微生物燃料電池的實際推廣應用提供了可能性和技術支持。
文檔編號H01M8/02GK101267045SQ20081002795
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權日2008年5月8日
發(fā)明者娜 盧, 周順桂, 可 肖 申請人:廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所