專利名稱：微生物燃料電池及其提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微生物燃料電池。本發(fā)明也涉及一種提高微生物燃料電池產(chǎn) 電性能的方法。
背景技術(shù)：
為解決日益嚴(yán)峻的能源短缺和化石燃料引起的一系列環(huán)境等問題，人們?cè)诓恍傅?尋找新型可替代能源。微生物燃料電池(MFC)是一種利用微生物將生物質(zhì)中的化學(xué)能直接 轉(zhuǎn)化成電能的新型裝置，作為一類理想的新型清潔能源已成為科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。MFC具有 很多優(yōu)點(diǎn)①直接將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率高；②原料廣泛，理論上任 何有機(jī)物都可以作為MFC的燃料，包括可以利用光合作用或直接利用各種污水等；③操作 條件溫和，可在常溫、常壓下運(yùn)行，使得電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng)；④無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)零排 放。MFC產(chǎn)物是水和C02，生物相容性好。MFC工作原理與傳統(tǒng)的燃料電池相似，以葡萄糖作 底物的燃料電池為例，在陽(yáng)極室厭氧微生物的作用下，葡萄糖被氧化，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子氫(H+) 和電子(e_)，電子被微生物獲取后傳給陽(yáng)極，然后經(jīng)外電路(導(dǎo)線)到達(dá)陰極，質(zhì)子氫通過 質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極表面，并在鉬(Pt)等催化劑作用下與外電路傳來的電子一起將氧氣 還原為水。經(jīng)過這一流程，葡萄糖轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，并形成了閉合回路，釋放化學(xué)能，產(chǎn) 生電流，輸出電壓。一直以來，功率問題是影響MFC發(fā)展的瓶頸，MFC的功率低的主要原因是輸出電流 太小，從微生物燃料電池工作原理來看，電子能否順利地傳遞到陽(yáng)極表面對(duì)于電流的產(chǎn)生 起著關(guān)鍵作用。因?yàn)楫a(chǎn)電微生物的電活性基團(tuán)即酶的氧化還原活性中心存在于微生物細(xì)胞 中，由于細(xì)胞膜含有類脂或肽聚糖等不導(dǎo)電物質(zhì)，阻礙了細(xì)胞和電極間快速的直接電子傳 遞，因而需要通過電子傳遞體將電子從細(xì)胞傳遞到電子受體陽(yáng)極上，此過程也可以看作是 將微生物的氧化呼吸鏈延伸到細(xì)胞外的外界環(huán)境。到目前為止，電子傳遞形式大致分為三 類利用細(xì)胞色素c進(jìn)行電子傳遞；利用納米導(dǎo)線進(jìn)行電子傳遞；利用介體進(jìn)行電子傳遞， 此過程是微生物借助分解基質(zhì)產(chǎn)生的小分子物質(zhì)或是人工投加的可溶性物質(zhì)使電子從呼 吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到電極表面。雖然一些產(chǎn)電微生物在不人工投加氧化還原介體 的情況下，可利用上述途徑將電子直接傳遞給陽(yáng)極，但電子傳遞效率較低，因而輸出功率較 小。在MFC的研究中，研究者常常通過人工投加某些可溶性氧化還原介體作為電子傳遞中 間體，來提高電子由胞內(nèi)傳遞至陽(yáng)極表面的轉(zhuǎn)移速率。較為典型的介體有甲基紫精、中性 紅、硫堇及可溶性醌等。例如美國(guó)專利(US2004/0241528A1)介紹了一種微型生物燃料電 池，用葡萄糖作為基質(zhì)，亞甲基藍(lán)作為電子媒介體，Cr/Au作為陽(yáng)極電極材料，電池的價(jià)格較 貴。美國(guó)專利(US2004/0241771A1)介紹了一種微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)與組成。使用中性 紅作為電子媒介體，但細(xì)菌在中性紅溶液中生長(zhǎng)緩慢。我國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00410066753. 9 的專利申請(qǐng)文件中，公開了一種微生物燃料電池的技術(shù)方案。其采用質(zhì)子交換膜將電池的 陰極室和陽(yáng)極室隔開，使用修飾后的碳紙作電極材料，使用新亞甲基藍(lán)作電子媒介體，提高 了電池性能，降低了電池成本，電池的最大輸出功率達(dá)到123mW/m2。這些研究加入中介體后雖然可以提高電池的輸出功率，但大部分常用的電子傳遞中間體價(jià)格昂貴，相對(duì)于生物燃 料電池提供的功率，添加介體所付出的成本太高，且提高功率幅度有限，而且這些介體大多 對(duì)微生物有毒害作用，不適合在開放環(huán)境中使用。所以需要開發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、有效地提高電 子傳遞途徑的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)可行，可強(qiáng)化微生物細(xì)胞內(nèi)電子和電極間快速的 直接電子傳遞過程，提高微生物燃料電池的產(chǎn)電能力的微生物燃料電池。本發(fā)明的目的還 在于提供一種提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的微生物燃料電池的組成包括反應(yīng)器、陰極和陽(yáng)極，陰極和陽(yáng)極中的一極 置于反應(yīng)器的一側(cè)、另一極置于反應(yīng)器內(nèi)部，陽(yáng)極材料采用碳?xì)?，陰極采用含有金屬催化劑 的氣體電極，兩極間距為0. 5-2. 0cm，反應(yīng)器下端有進(jìn)水口、上端有出水口，反應(yīng)器的上部帶 有密封蓋，密封蓋上設(shè)有參比電極插孔，陰極和陽(yáng)極間通過導(dǎo)線連接、并與負(fù)載連接組成閉 合回路，反應(yīng)器中接種厭氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶劑吐溫，吐溫的加入量為 5-80mg/L。陰極含有的金屬催化劑是Pt或Ag催化劑。本發(fā)明的提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法為向微生物燃料電池的燃料中加 入生物溶劑，所述的生物溶劑選用吐溫，吐溫的添加比例為5-80mg/L。所述的燃料是葡萄糖 或機(jī)物廢水。本發(fā)明適用于單室、雙室等各種構(gòu)型的微生物燃料電池的產(chǎn)電性能的提高。本發(fā)明是通過加入生物溶劑，增大細(xì)菌的細(xì)胞膜孔徑，減少微生物的內(nèi)阻，來實(shí)現(xiàn) 電子由胞內(nèi)的快速向外傳遞，提高M(jìn)FC輸出功率的一種方法。本發(fā)明加入的吐溫生物溶劑與加入電子媒介體來提高電子轉(zhuǎn)移效率的方法相比， 具有輸出功率提高幅度大、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境影響小、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。


圖1是本發(fā)明電池的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是本發(fā)明電池的功率曲線；圖3是本發(fā)明電池的極化曲線；圖4是本發(fā)明電池的輸出電流與吐溫加入量的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，構(gòu)建一方形反應(yīng)器即單室無(wú)隔膜無(wú)介體微生物燃料電池，組成包括陰極 6和陽(yáng)極7，兩極分別置于反應(yīng)器2的一側(cè)和內(nèi)部。陽(yáng)極材料采用碳?xì)?，陰極采用含有Ag等 金屬催化劑的氣體電極，兩極間距為0.5-2. 0cm。反應(yīng)器下端有進(jìn)水口 1、上端有出水口 3， 容器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設(shè)有參比電極插孔8，兩極間通過銅導(dǎo)線連接，并與負(fù)載 4連接組成閉合回路，負(fù)載的調(diào)節(jié)范圍為1 10000 Q，電池的產(chǎn)電性能數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集裝 置5自動(dòng)采集記錄。本發(fā)明電池反應(yīng)室為厭氧環(huán)境，可以在陽(yáng)極室設(shè)有攪拌器攪拌或采用上升流，以保證溶液的均勻混合和高效產(chǎn)電。所述的陽(yáng)極為碳纖維、碳紙、碳?xì)?、碳布、碳納 米管、玻璃碳、板狀石墨或泡沫金屬中的一種，所述的陰極為碳纖維、碳紙、碳?xì)?、碳布、碳納 米管、玻璃碳、板狀及顆粒狀石墨、活性炭、泡沫金屬或氣體電極中的一種。所述陰極中含有 Pt、Ag催化劑。本發(fā)明運(yùn)行時(shí)先在反應(yīng)器中接種厭氧污泥，以葡萄糖營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行電池的初步啟 動(dòng)，在以葡萄糖為基質(zhì)的電池運(yùn)行穩(wěn)定后，分別加入不同濃度的吐溫生物溶劑進(jìn)行運(yùn)行，吐 溫濃度的變化范圍(即吐溫占葡萄糖營(yíng)養(yǎng)液的量)為5-80mg/L，每個(gè)濃度進(jìn)行多個(gè)周期的 循環(huán)運(yùn)行，直至電池的產(chǎn)電性能穩(wěn)定，然后進(jìn)行性能測(cè)試和分析。試驗(yàn)結(jié)果如下1、極化曲線和功率輸出曲線當(dāng)本發(fā)明電池有充足的底物并具有穩(wěn)定的產(chǎn)電能力時(shí)，變換外接負(fù)載電阻，通過 記錄電壓，計(jì)算功率和電流，得到微生物燃料電池的極化曲線和功率曲線，如圖2和圖3所 示。由極化曲線擬合可得以1000mg/L葡萄糖和不同濃度的(5-80mg/L)吐溫為混合基質(zhì)的 微生物燃料電池的內(nèi)阻。隨著吐溫加入量的增加，電池的表觀內(nèi)阻逐漸降低，不加入吐溫， 以1000mg/L葡萄糖為純基質(zhì)的生物燃料電池的內(nèi)阻為26 Q，吐溫加入量為40mg/L時(shí)內(nèi)阻 為6 Q，吐溫加入量為80mg/L時(shí)內(nèi)阻為5 Q。輸出功率亦隨吐溫加入量的增加而增大，不加 入吐溫，以1000mg/L葡萄糖為純基質(zhì)的生物燃料電池的最大輸出體積功率為21. 5ff/m3,吐 溫加入量為40mg/L時(shí)，生物燃料電池的最大輸出體積功率為143W/m3，吐溫加入量為80mg/ L時(shí)，生物燃料電池的最大輸出體積功率為186W/m3，此時(shí)，與不加入吐溫的MFC相比，最大 輸出功率提高近9倍左右。由此可見由于電子傳遞阻力的減小，大大提高了電子轉(zhuǎn)移能力， 從而提高了輸出功率。2、電池的輸出電流與吐溫加入量的關(guān)系曲線圖4為本發(fā)明吐溫的加入量與MFC的輸出電流之間的關(guān)系曲線。由圖4可知，隨 著吐溫加入量的增加，MFC輸出電流逐漸增大。以上研究表明，本發(fā)明提供的這種提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的新方法可以大 幅度的提高電池的輸出電流和輸出功率，與加入電子媒介體來提高電子轉(zhuǎn)移效率的方法相 比，具有輸出功率高、價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
一種微生物燃料電池，包括反應(yīng)器、陰極和陽(yáng)極，其特征是陰極和陽(yáng)極中的一極置于反應(yīng)器的一側(cè)、另一極置于反應(yīng)器內(nèi)部，陽(yáng)極材料采用碳?xì)?，陰極采用含有金屬催化劑的氣體電極，兩極間距為0.5-2.0cm，反應(yīng)器下端有進(jìn)水口、上端有出水口，反應(yīng)器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設(shè)有參比電極插孔，陰極和陽(yáng)極間通過導(dǎo)線連接、并與負(fù)載連接組成閉合回路，反應(yīng)器中接種厭氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶劑吐溫，吐溫的加入量為5-80mg/L。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物燃料電池，其特征是陰極中含有的金屬催化劑是Pt 或Ag催化劑。
3.一種提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法，其特征是向微生物燃料電池的燃料中加 入生物溶劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法，其特征是所述的生物 溶劑選用吐溫，吐溫的添加比例為5-80mg/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法，其特征是所述的燃料 是葡萄糖或機(jī)物廢水。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法，其特征是吐溫的 添加比例為80mg/L。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種微生物燃料電池及其提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法。包括反應(yīng)器、陰極和陽(yáng)極，陰極和陽(yáng)極中的一極置于反應(yīng)器的一側(cè)、另一極置于反應(yīng)器內(nèi)部，陽(yáng)極材料采用碳?xì)?，陰極采用含有金屬催化劑的氣體電極，兩極間距為0.5-2.0cm，反應(yīng)器下端有進(jìn)水口、上端有出水口，反應(yīng)器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設(shè)有參比電極插孔，陰極和陽(yáng)極間通過導(dǎo)線連接、并與負(fù)載連接組成閉合回路，反應(yīng)器中接種厭氧污泥并引入燃料，燃料中添加有生物溶劑吐溫，吐溫的加入量為5-80mg/L。本發(fā)明具有輸出功率提高幅度大、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境影響小、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H01M4/92GK101859908SQ20101020358
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者任月明, 劉偉龍, 夏淑梅, 孔凡英, 李凱峰, 溫青, 潘忠誠(chéng), 王彥博 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)