專利名稱：一種堿性微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種在堿性條件下工作的微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池是利用微生物氧化有機物將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它可以應(yīng)用于對廢水的處理，實現(xiàn)回收廢水中的能量同時又凈化污水，達到環(huán)境和能源的雙贏效果。由于微生物接種來源和生長條件的限制，微生物燃料電池大多工作在中性或弱酸性的電解質(zhì)。在這種條件下，空氣陰極上發(fā)生的氧還原反應(yīng)動力學(xué)較差。因此，為了達到良好的陰極性能，陰極催化劑大多使用貴重金屬鉬。如中國專利“一種用于廢水處理的使用廢水和活性污泥的生物燃料電池”(公開號CN1164509C)、“一種以有機廢水為燃料的單池式微生物電池”(CN1874040A)、“一種無介體微生物燃料電池”(CN1889297A)、“一種連續(xù)折流式直接微生物燃料電池”(CN201117727Y)、“折流板空氣陰極微生物燃料電池”(CN101227008A)、“無膜和無介體的微生物燃料電池” (CN1659734)、“生物反應(yīng)器-直接微生物燃料電池及其用”(CN1949577)、“可堆疊式單室微生物燃料電池”(CN101034754A)、 “微生物燃料電池裝置和電池及用法以及水處理系統(tǒng)”(CN101118973)、“微生物燃料電池及其處理啤酒廢水的方法”(CN101145620)“一種雙筒型微生物燃料電池“(CN1937297A)。金屬鉬不僅價格昂貴而且資源有限，極大地限制了微生物燃料電池在廢水處理上的推廣應(yīng)用。 研發(fā)的過度金屬大環(huán)絡(luò)合物，如酞箐鐵(FePC)、四苯基啉(COTMPP)替代貴金屬鉬催化劑， 雖獲得了與鉬催化劑相當?shù)拇呋阅?，也解決了資源短缺的問題，但其催化劑制造復(fù)雜，成本仍高，實際應(yīng)用也存在困難。其它相對便宜的陰極催化材料如二氧化錳、鐵離子和錳離子也有研究，但這些催化材料不穩(wěn)定，長時間運行會溶解到溶液中，需要再生或替換，不但使運行工藝復(fù)雜化，而且金屬離子溶出造成二次污染。提高陰極性能是目前微生物燃料電池亟待解決的關(guān)鍵問題。除需要開發(fā)成本低廉、穩(wěn)定性高、催化活性高的空氣陰極催化劑外，改變微生物燃料電池的運行條件來提高陰極性能也是另一種途徑。在堿性介質(zhì)中，氧還原反應(yīng)具有較高的動力學(xué)，即使使用成本低廉的非貴金屬催化劑作陰極材料也能獲得較高的陰極性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種堿性微生物燃料電池。其特點在于陰極催化劑使用成本低廉的非貴金屬材料，堿性介質(zhì)實現(xiàn)高的陰極氧還原性能，從而達到微生物燃料電池的高性能、低成本。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為提供一種堿性微生物燃料電池，包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極，所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆?；钚蕴看呋瘜拥奶疾技婓w，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置于容器兩側(cè)；
該燃料電池啟動時的電解液的配制方式為將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，并按1克/升的比例加入有機物基質(zhì)，混合溶液用堿性溶液調(diào)節(jié)PH值為9 12 ；該燃料電池產(chǎn)電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種第一種電解液的配制方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質(zhì)形成溶液B，溶液B用堿性溶液調(diào)節(jié)PH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，有機廢水用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ；所述的溶液A的組成為 每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、 2ml微量元素溶液，余量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg 維生素B、1 Omg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 ‘ H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。本發(fā)明中，所述有機廢水是城市生活污水、啤酒廢水、食品加工廢水或畜牧業(yè)廢水中的任意一種。本發(fā)明中，所述堿性溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其濃度為1Μ。本發(fā)明中，所述有機物基質(zhì)是乙酸鈉、乙酸、葡萄糖、乙醇或甲酸中的任意一種。本發(fā)明中，所述電池殼體為圓柱腔體的立方形塑料容器。本發(fā)明的電極材質(zhì)中不含任何金屬催化劑，電解液為含有堿性介質(zhì)、有機基質(zhì)和微生物的有機廢水。微生物在堿性條件下生長，并在陽極上成膜形成具有產(chǎn)電活性的生物陽極。本發(fā)明采用價格低廉、高比表面的顆粒狀活性炭為催化劑的空氣陰極，不用金屬催化齊U，降低了電池的制造成本，電池在堿性條件下運行使陰極達到高性能。同時在堿性條件下馴化、生長微生物，并使微生物在陽極上成膜形成具有產(chǎn)電特性的生物陽極。能夠有效地處理廢水并獲得高的電能輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于(1)陰極催化材料是采用來源廣泛、價格低廉的活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低了電池構(gòu)造成本。在堿性條件下運行，陰極氧還原性能得到提高。(2)電池在堿性環(huán)境下接種和運行，微生物在堿性環(huán)境下馴化、生長，并直接在陽極上成膜形成具有產(chǎn)電活性的生物陽極。堿性環(huán)境不僅抑制非產(chǎn)電微生物的生長，而且可以降低因體系中發(fā)酵細菌降解基質(zhì)導(dǎo)致PH下降而降低產(chǎn)電功率。從而提高有機物的能量轉(zhuǎn)化效率。(3)在高濃度有機物的條件下，電池能穩(wěn)定運行，且有機物利用率高。


圖1為本發(fā)明所述微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中附圖標記1電池殼體、2碳纖維刷陽極、3空氣陰極。圖2電池在pH = 10時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關(guān)系。圖3電池在pH = 9時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關(guān)系。圖4電池在pH = 12時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關(guān)系。
具體實施方式
下面通過具體實施例，對本發(fā)明的實現(xiàn)方式進行詳細描述。本發(fā)明中的堿性微生物燃料電池由電池殼體、陽極和空氣陰極構(gòu)成的單室電池， 其陽極是由鈦絲和活性炭纖維制成的活性碳刷，空氣陰極是兩面分別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆?；钚蕴看呋瘜拥奶疾迹⒁詳U散層朝向空氣、活性炭催化層朝向電解液。陰極導(dǎo)線和陽極與外電路連接。電路上連接電阻測試電池性能。本發(fā)明中的堿性微生物燃料電池的啟動和運行是在相同堿性pH值條件下進行， 實施步驟包括(1)微生物燃料電池的啟動將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，并按1克/升的比例加入有機物基質(zhì)，混合溶液用堿性溶液調(diào)節(jié)PH值為9 12 ；將調(diào)節(jié)pH值后的混合液加入電池中，在系統(tǒng)的閉合回路中接入1000歐姆電阻，當電池電壓低于20mV時，用調(diào)解pH值后的混合液更換電池中的溶液；持續(xù)更換電池溶液直到兩批次間隙式運行時電池電壓大致重復(fù)，電池啟動完畢。(2)微生物燃料電池的產(chǎn)電運行

該燃料電池產(chǎn)電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種第一種電解液的配制方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質(zhì)形成溶液B，溶液B用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，有機廢水用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ；電池在外接1000歐姆電阻和恒溫條件下間隙式運行，每當電池電壓低于50mV時， 完全更換電池的溶液，注入新鮮溶液進行新的試驗。所述的溶液A的組成為每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、 2ml微量元素溶液，余量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg 維生素B、1 Omg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 ‘ H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。各實施例在微生物燃料電池模式下產(chǎn)電時的數(shù)據(jù)如下。表1在第一種電解液下產(chǎn)電時的各實施例數(shù)據(jù)
具體實施例序號~~ΓΙΓ~2Γ^ΓΙ ΓΙ Γ~6
Μ氫氧化鈉11111
IM氫氧化鉀ν
pH10109121010
乙酸鈉2克/升 8克/升
0.5克/升
權(quán)利要求
1.一種堿性微生物燃料電池，包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極，其特征在于， 所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆?；钚蕴看呋瘜拥奶疾技婓w，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置于容器兩側(cè)；該燃料電池啟動時的電解液的配制方式為將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，并按1克/升的比例加入有機物基質(zhì)，混合溶液用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ； 該燃料電池產(chǎn)電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種 第一種電解液的配制方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質(zhì)形成溶液B， 溶液B用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，并用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為9 12 ； 所述的溶液A的組成為每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、2ml 微量元素溶液，余量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg維生素B、10mg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 ‘ H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性微生物燃料電池，其特征在于，所述有機廢水是城市生活污水、啤酒廢水、食品加工廢水或畜牧業(yè)廢水中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性微生物燃料電池，其特征在于，所述堿性溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其濃度為1Μ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性微生物燃料電池，其特征在于，所述有機物基質(zhì)是乙酸鈉、乙酸、葡萄糖、乙醇或甲酸中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明屬于微生物電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種堿性微生物燃料電池。該電池包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極；所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置于容器兩側(cè)；該燃料電池的電解液分為啟動時的電解液和產(chǎn)電運行時的電解液，其中產(chǎn)電運行時的電解液又分為有機物基質(zhì)和有機廢水兩種主要成分。本發(fā)明陰極催化材料是采用活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低成本。在堿性條件下運行，陰極氧還原性能得到提高，可提高有機物的能量轉(zhuǎn)化效率。在高濃度有機物的條件下，電池能穩(wěn)定運行，且有機物利用率高。
文檔編號H01M8/16GK102368559SQ201110340069
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者岑可法, 成少安 申請人:浙江大學(xué)