專利名稱：一種新型的植物-微生物燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于資源循環(huán)利用的可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種以植物的光合作用為燃料生產(chǎn)者，以供給微生物燃料電池產(chǎn)電的新型的植物-微生物燃料電池裝置。
技術(shù)背景微生物燃料電池是一種利用微生物的作用將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。通常微生物燃料電池可分為陽極室和陰極室，并通過膜將兩室分開。陽極以微生物為催化劑，將進入陽極室的有機質(zhì)進行降解，并將在此過程中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)疥枠O電極上，在通過外電路負(fù)載到達(dá)陰極。細(xì)菌降解有機質(zhì)所產(chǎn)生的質(zhì)子從陽極室通過膜到達(dá)陰極，在陰極上與電子受體反應(yīng)，由此產(chǎn)生電流。早在1910年，英國植物學(xué)家就將鉬作為電極置于大腸桿菌的培養(yǎng)液里，成功地制造出了世界上第一個細(xì)菌電池。1984年，美國科學(xué)家設(shè)計一種用于太空飛船的細(xì)菌電池，其電極的活性物來自宇航員的尿液和活細(xì)菌。植物通過葉綠素進行光合作用，固定(X)2合成碳水化合物。依據(jù)植物的種類及環(huán)境條件，大約有60%的被固定C會輸入到根部。研究表明，土壤有機質(zhì)總數(shù)的30% 40% 來自根分泌物和死亡的根，主要有(1)糖類、有機酸等；( 高分子碳水化合物和酶等；(3) 死亡的細(xì)胞物質(zhì)；(4)乙烯等氣體物質(zhì)。目前的研究表明糖類和有機酸等都可作為微生物燃料電池的燃料。但對于目前的以土壤中有機質(zhì)為燃料微生物燃料電池系統(tǒng)存在的主要問題是由于土壤中傳質(zhì)阻力導(dǎo)致電壓過小。并且由于植物的光合作用對光照依賴較大，導(dǎo)致白天和夜晚的電壓變化比較大。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有植物-微生物燃料電池系統(tǒng)的不足，本實用新型的目的是提出一種新型的植物-微生物燃料電池裝置，該裝置不僅可以避免土壤傳質(zhì)的阻力的影響，而且還可以減少燃料電池裝置對光照的依賴，并且將空氣陰極電極和生物陰極電極結(jié)合，可減少陰極電極對電池產(chǎn)電效率的限制。本實用新型主要是以植物通過光合作用固定合成并釋放到土壤中的有機質(zhì)為燃料，通過將這些有機質(zhì)分離定量輸送到微生物燃料電池系統(tǒng)中，并將空氣陰極電極和生物陰極電極結(jié)合起來共同作為微生物燃料電池的陰極電極，以此提高植物-微生物燃料電池的整體效率，從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。本實用新型的新型的植物-微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)呈底部封閉的雙層圓柱體狀，雙層圓柱體夾層為密封的陽極室，陽極室的側(cè)壁上部設(shè)有進水口，下部設(shè)有出水口，陽極室內(nèi)設(shè)有陽極電極，經(jīng)外電路與陰極電極相連，所述的雙層圓柱體的內(nèi)腔作為陰極室，其與大氣相通，陰極室的壁上設(shè)有空氣陰極電極，所述的雙層圓柱體的外壁上設(shè)有生物陰極電極，所述的生物陰極電極與陽極室，以及陽極室與空氣陰極電極之間由膜分開，由所述的空氣陰極電極和生物陰極電極組成陰極電極；還包括土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)和定量輸送系統(tǒng)，所述的土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道相連的滲水計和集液瓶，在集液瓶上部還連有泵，所述的定量輸送系統(tǒng)包括蠕動泵，所述的蠕動泵一端與集液瓶相連，另外一端的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽極室的進水口相連。所述的滲水計優(yōu)選為多孔陶瓷滲水計。所述的在集液瓶上部還連有泵可為手動或電動的真空泵，泵的作用是使?jié)B水計及其周圍形成負(fù)壓，以便土壤中含有有機質(zhì)的可自由移動的水分透過滲水計的孔進入滲水計中。所述的陽極電極和陰極電極可為網(wǎng)狀玻璃碳、石墨電極、石墨棒、石墨電刷、碳布、 石墨板、碳紙、碳棒中的一種或幾種。所述的膜優(yōu)選為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜或陰離子交換膜。在集液瓶和蠕動泵之間優(yōu)選設(shè)有開關(guān)，便于控制。本實用新型的新型的植物-微生物燃料電池裝置是這樣運行的將滲水計放入土壤中，開啟泵，泵使得滲水計及其周圍形成負(fù)壓，一段時間后，土壤中含有有機質(zhì)的可自由移動的水分進入滲水計中，收集到得溶液在集液瓶中貯存，再通過蠕動泵將集液瓶中的溶液定量輸送到微生物燃料電池系統(tǒng)的陽極室內(nèi)進行微生物燃料電池的發(fā)電。本實用新型的新型的植物-微生物燃料電池裝置與常規(guī)的微生物燃料電池相比， 由于本實用新型首先將土壤中的有機質(zhì)進行提取，避免了有機質(zhì)和質(zhì)子在土壤中的傳質(zhì)阻力，同時由于將有機質(zhì)提取減少了光照時間因素對土壤中有機質(zhì)影響的作用，并進而減少了基于土壤中有機質(zhì)的微生物燃料電池的電壓變化因素，有利于電壓的穩(wěn)定輸出。此外，本實用新型同時還將空氣陰極電極和生物陰極電極結(jié)合，減少陰極電極對電池產(chǎn)電效率的限制。

圖1是本實用新型的新型的植物-微生物燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是微生物燃料電池系統(tǒng)的剖面圖；其中1、多孔陶瓷滲水計；2、開關(guān)；3、電動真空泵；4、集液瓶；5、蠕動泵；6、微生物燃料電池系統(tǒng)；7、陽極電極；8、生物陰極電極；9、質(zhì)子交換膜；10、空氣陰極電極；11、進水口 ；12、出水口 ；13、陽極室；14、陰極室；15、外電路。
具體實施方式
以下實施例是對本實用新型的進一步說明，而不是對本實用新型的限制。實施例1 如圖1和圖2所示，本實施例的新型的植物-微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)6、土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)和定量輸送系統(tǒng)，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)6呈底部封閉的雙層圓柱體狀，雙層圓柱體夾層為密封的陽極室13，陽極室13的側(cè)壁上部設(shè)有進水口 11，下部設(shè)有出水口 12，陽極室內(nèi)設(shè)有石墨為電極材料的陽極電極7，經(jīng)外電路15與陰極電極相連，所述的雙層圓柱體的內(nèi)腔作為陰極室14，其與大氣相通，陰極室14的壁上設(shè)有石墨為電極材料的空氣陰極電極10，所述的雙層圓柱體的外壁上設(shè)有石墨為電極材料的生物陰極電極8，所述的生物陰極電極8與陽極室13，以及陽極室13與空氣陰極電極10之間由質(zhì)子交換膜9分開，由所述的生物陰極電極8和空氣陰極電極10組成陰極電極，通過外電路15與陽極電極7相連通。所述的土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道連接的多孔陶瓷滲水計1和集液瓶4，在集液瓶4的上蓋上還連有電動真空泵3，所述的定量輸送系統(tǒng)包括蠕動泵5，所述的蠕動泵5 —端經(jīng)開關(guān)2與集液瓶4相連，另外一端的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)6的陽極室14的進水口 11相連。 本實施例是這樣運行的首先在土壤中鉆取一定直徑的空穴，插入用水潤濕的多孔陶瓷滲水計1，滲水計1尾部根據(jù)需要可連接長度不等的PVC管，通過電動真空泵3的作用使?jié)B水計1周圍形成負(fù)壓，一段時間后，土壤中含有有機質(zhì)的可自由移動的水分滲過多孔陶瓷頭進入多孔陶瓷滲水計1中，將收集到的溶液集中存儲在集液瓶4中，在收集土壤中的水分的過程中，可以將開關(guān)2關(guān)閉，溶液收集后，打開開關(guān)2，再通過蠕動泵5將集液瓶4 中的溶液經(jīng)進水口 11定量輸送到陽極室13中進行微生物燃料電池發(fā)電。陽極室13內(nèi)接種的微生物來源于海底污泥，在陽極電極9上的微生物的作用下反應(yīng)產(chǎn)生電子，電子通過外電路15到達(dá)生物陰極電極8和空氣陰極電極10，空氣陰極電極10在Pt催化劑作用下， 和氧氣反應(yīng)生成水，構(gòu)成回路而產(chǎn)生電流，反應(yīng)后的溶液從出水口 12回流到土壤中。
權(quán)利要求1.一種新型的植物-微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)(6)，其特征在于，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)呈底部封閉的雙層圓柱體狀，雙層圓柱體夾層為密封的陽極室(13)，陽極室的側(cè)壁上部設(shè)有進水口(11)，下部設(shè)有出水口(12)，陽極室內(nèi)設(shè)有陽極電極(7)，經(jīng)外電路(15)與陰極電極相連，所述的雙層圓柱體的內(nèi)腔作為陰極室(14)，其與大氣相通，陰極室的壁上設(shè)有空氣陰極電極(10)，所述的雙層圓柱體的外壁上設(shè)有生物陰極電極⑶，所述的生物陰極電極與陽極室，以及陽極室與空氣陰極電極之間由膜(9)分開，由所述的空氣陰極電極和生物陰極電極組成陰極電極；還包括土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)和定量輸送系統(tǒng)，所述的土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道相連的滲水計(1)和集液瓶G)， 在集液瓶上部還連有泵(3)，所述的定量輸送系統(tǒng)包括蠕動泵(5)，所述的蠕動泵一端與集液瓶相連，另外一端的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽極室的進水口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型的植物-微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的滲水計為多孔陶瓷滲水計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型的植物-微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的集液瓶上部的泵為手動或電動的真空泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型的植物-微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的膜為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜或陰離子交換膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型的植物-微生物燃料電池裝置，其特征在于，在所述的集液瓶和蠕動泵之間還設(shè)有開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型的植物-微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的陽極電極和陰極電極為網(wǎng)狀玻璃碳、石墨電極、石墨棒、石墨電刷、碳布、石墨板、碳紙、碳棒中的一種或幾種。
專利摘要本實用新型公開一種新型的植物-微生物燃料電池裝置。它包括微生物燃料電池系統(tǒng)，其呈底部封閉的雙層圓柱體狀，雙層圓柱體夾層為密封的陽極室，陽極室的側(cè)壁上部設(shè)有進水口，下部設(shè)有出水口，陽極室內(nèi)設(shè)有陽極電極，經(jīng)外電路與陰極電極相連，所述的雙層圓柱體的內(nèi)腔作為陰極室，其與大氣相通，陰極室的壁上設(shè)有空氣陰極電極，所述的雙層圓柱體的外壁上設(shè)有生物陰極電極，所述的生物陰極電極與陽極室，以及陽極室與空氣陰極電極之間由膜分開；還包括土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)和定量輸送系統(tǒng)，所述的土壤有機質(zhì)提取系統(tǒng)包括管道相連的滲水計和集液瓶，在集液瓶上部連有泵，所述的定量輸送系統(tǒng)包括蠕動泵，蠕動泵一端與集液瓶相連，另外一端與進水口相連。
文檔編號H01M8/04GK202339955SQ20112050982
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 李 東, 李連華, 李穎, 楊改秀, 甄峰, 袁振宏 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所