專利名稱：卷式微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠提高微生物燃料電池產(chǎn)電的結(jié)構(gòu)，該電池通過大大提高電
池單位體積的陰、陽極面積來增加其體積功率密度的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池是一種利用微生物將儲存在有機(jī)物質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。它在常溫常壓下能夠利用一些簡單的有機(jī)物來產(chǎn)生電能，在產(chǎn)電的過程中和電池失效后不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，運(yùn)行管理簡單，因此在對野外和缺乏電力設(shè)施地區(qū)的小型用電器供電方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 但是目前微生物燃料電池的研究還處于起步階段，其產(chǎn)電的效率還比較低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，如何提高電池的產(chǎn)電效率是目前研究微生物燃料電池的重點(diǎn)。有研究表明提高微生物燃料電池的陰、陽極的面積可提高其產(chǎn)電效率，其原因在于增大陽極的表面積可增加微生物和電極的接觸面積，使得微生物氧化有機(jī)物產(chǎn)生的電子有更多的機(jī)會流入電極，進(jìn)而流過用電器，從而提高電池的產(chǎn)電；增大陰極的表面積可增加陰極催化反應(yīng)的表面積，使得流過用電器的電子能夠盡快被消耗，而不會抑制陽極反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。 除了產(chǎn)電效率低外，微生物燃料電池的發(fā)展還受到成本的制約，其成本主要來自于兩方面 一是電池的陰極反應(yīng)需要催化劑才能迅速進(jìn)行，而目前許多微生物燃料電池電池的催化劑用了Pt這種貴金屬，從而大大增加了電池的成本；二是為了陽極反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子到達(dá)陰極，同時(shí)防止陰極的氧化性物質(zhì)流入陽極，需要在陰、陽極之間放置合適的膜，目前許多微生物燃料電池用的是成本較高的質(zhì)子交換膜，在成本上限制了微生物燃料電池的應(yīng)用。 此外，目前微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。 一些研究發(fā)現(xiàn)，微生物燃料電池的產(chǎn)電僅與電極表面及電極附近的微生物有關(guān)，因此目前許多微生物燃料電池遠(yuǎn)離電極的部分是無用的，反而增加了電池的體積和重量，設(shè)法降低這部分無用的體積并提高陽極溶液中有機(jī)物的利用率是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善了目前微生物燃料電池低產(chǎn)電、高成本的缺點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的電池有很大的陰、陽極面積，因此提高了電池的產(chǎn)電；同時(shí)通過將電極巻成桶狀，減少了電池的體積；并且電極中省去了質(zhì)子交換膜和Pt，因此降低了電池的成本。 本發(fā)明的具體方案是 巻式微生物燃料電池由電池殼體、多孔配水盤、兩張三合一柔性電極、支撐網(wǎng)、多孔集水管、多孔配水管和導(dǎo)線組成。 三合一柔性電極由柔性的陰、陽極和其間的隔膜組成。柔性的陰、陽極可以是碳布、碳?xì)只驅(qū)щ姀?fù)合材料，利用這種電極一方面能夠提供很大的比表面積供微生物附著，另一方面它們是電的良導(dǎo)體，適合做電極，此外他們非常柔軟，適合做巻式的電極；隔膜可以是微濾膜、超濾膜或聚四氟乙烯，它可以涂覆在電極表面，也可以涂覆在其他膜載體上，夾在兩電極之間， 一方面起到隔開陰、陽極防止短路的作用，另一方面阻礙了陰、陽極溶液之間的相互流動，同時(shí)允許陽極液中產(chǎn)生的氫離子透過隔膜到達(dá)陰極，這些膜的成本都遠(yuǎn)低于質(zhì)子交換膜，因此很大程度的降低了這種電池的成本。將陰、陽極和其中間的隔膜通過合適的粘結(jié)劑粘附在一起，并在陰、陽極最上端用導(dǎo)線引出，構(gòu)成三合一柔性電極。 將兩層這樣的柔性三合一電極的兩端分別粘接一根多孔配水管和多孔集水管，然后通過合適的膠將電極的四周密封起來，兩根管和兩層電極之間的通道構(gòu)成陰極(陽極)溶液通道，再將柔性電極繞其中一根多孔管巻成圓筒狀，圓筒之間的間隙構(gòu)成陽極(陰極)溶液通道。為保證陰、陽極溶液能夠順利流動而不被微生物堵塞，需要在所有電極之間擱置一定厚度的隔網(wǎng)。 電池殼體為一下端封口的中空圓柱狀容器和上端蓋組成。將上述繞成巻式的電極放入圓柱容器內(nèi)后，再將上端蓋通過法蘭和容器連接起來，構(gòu)成巻式微生物燃料電池。電池殼體上有兩個(gè)接口和兩個(gè)孔，其中兩個(gè)孔接柔性電極的多孔管，作為陰極(陰極)溶液的進(jìn)、出口，另外兩個(gè)接口為陽極(陰極)溶液的進(jìn)、出口。另外為了使加入的電極液時(shí)分布更為均勻，需要在電極的上放設(shè)置一配水盤。 本發(fā)明的有益效果是采用三合一的柔性電極巻成圓筒狀，大大增加了單位體積的電極面積，提高了單位體積微生物燃料電池的產(chǎn)電。電極制作時(shí)采用微濾、超濾或聚四氟乙烯膜來代替質(zhì)子交換膜作為陰、陽極之間的隔膜，采用生物酶來代替Pt做催化劑，大大降低了微生物燃料電池的成本。電池使用操作簡便，維持電池的產(chǎn)電只需要補(bǔ)充陰、陽極溶液中的營養(yǎng)物質(zhì)即可。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。 圖1是巻式微生物燃料電池剖面示意圖 圖2是巻式微生物燃料電池立體示意圖 圖3是巻式微生物燃料電池的電極示意圖 圖4是巻式微生物燃料電池電極展開示意圖 圖5是三合一 電極示意圖
具體實(shí)施例方式
在圖5中，在碳布、碳?xì)只驅(qū)щ姀?fù)合材料8上涂覆或粘附一層隔膜10，隔膜10可以是微濾、超濾膜或聚四氟乙烯膜，再將另一層碳布、碳?xì)只驅(qū)щ姀?fù)合材料8粘接到隔膜10上，組成三合一柔性電極4。 兩層三合一柔性電極4的兩端分別粘接一根多孔配水管6和一根多孔集水管5，再將兩層柔性電極4的四周全部用膠封死，形成一個(gè)封閉的口袋狀，兩電極之間形成陰極(陽極)溶液通道15，陰極(陽極)液可從多孔管流入該通道，通道之間放置一層隔網(wǎng)4，以利于液體流動。再將電極繞多孔配水管6巻起來，巻繞時(shí)相鄰的兩層電極形成陽極 (陰極)通道14，通道之間亦放入隔網(wǎng)保證陽極(陰極)液的流動，同時(shí)在碳布、碳?xì)只?導(dǎo)電復(fù)合材料8上各引出導(dǎo)線7接入外電路，如圖4所示，最終成型的巻式電極如圖3所 示。 將巻繞成型的電極放入圖2中的電池殼體1中，將電極的多孔集水管5和配水管 6分別插入上端蓋的孔11、 10處，并將上端蓋和殼體通過法蘭連接起來，導(dǎo)線7從上端蓋 引出接外電路。電池運(yùn)行時(shí)，只需要從入口 6和13處注入陰極、陽極溶液，從出口5和 12處排出廢液，即可以維持其產(chǎn)電。
權(quán)利要求
一種卷式微生物燃料電池，其特征是由電池殼體1、多孔配水盤2、兩張三合一柔性電極3、支撐網(wǎng)4、多孔集水管5、多孔配水管6和導(dǎo)線7組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巻式微生物燃料電池，其特征在于兩張三合一柔性 電極3之間設(shè)置支撐網(wǎng)4，兩張三合一柔性電極3的兩端分別粘有多孔配水管5和多孔集 水管6，兩張柔性電極3四周用膠密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巻式微生物燃料電池，其特征在于兩張四邊粘接的三合 一柔性電極繞多孔配水管6巻繞2-50周，在巻繞的每一層之間同樣設(shè)置支撐網(wǎng)4。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巻式微生物燃料電池，其特征在于三合一柔性電極3是由 兩張柔性導(dǎo)體8和之間的隔膜9粘結(jié)而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的三合一柔性電極3，其特征在于柔性導(dǎo)體8可以是碳布、 碳?xì)只蚓哂袑?dǎo)電涂層的復(fù)合材料，隔膜9可以是微濾、超濾或聚四氟乙烯，三層結(jié)構(gòu)的 總厚度在0.5-5mm之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巻式微生物燃料電池，其特征在于支撐網(wǎng)4孔徑在 0.5-5mm之間，厚度在l-20mm之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巻式微生物燃料電池，其特征在于電池殼體l為中空的圓 柱形，殼體上設(shè)置孔IO、 11和接口12、 13，其中孔IO、 11分別用來接多孔集水管5和多 孔配水管6，接口12、 13分別為電池的陰極或陽極溶液的進(jìn)、出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種卷式微生物燃料電池，該電池通過大幅度提高單位體積的陰陽極面積來增加其電能輸出。它將碳布或碳?xì)旨暗统杀镜母裟ねㄟ^膠粘結(jié)在一起，組成柔性電極，再將兩層這樣的柔性電極四周用膠密封后卷繞成圓筒狀放入電池殼體，大大提高了單位體積的電極面積，從而提高了微生物燃料電池的體積功率密度。
文檔編號H01M4/96GK101692499SQ20091023602
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者劉紅, 賈伯陽 申請人:北京航空航天大學(xué)