CN103367784A - 一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置 - Google Patents

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孙晓杰
赵孝芹
罗洁瑜
张学洪
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Abstract

本发明公开了一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池的装置，包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱；发酵罐顶部的盖子上设置取样口，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，在发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路。本发明的优点：反应器体积小，制作简单，制造成本低，运行周期较短，装卸维护简单，污染物降解效果好，产电功率较高。

Description

一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置
技术领域
本发明属于环保和新能源技术领域，特别涉及一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置。
背景技术
微生物燃料电池，简称MFCs，是一个新生事物，可以把底物所蕴含的化学能直接转化成电能，符合清洁生产的理念，该项技术具有废物处理和电能回收的双重功能，为处理好环境保护与能源消费、环境防治和经济发展之间的矛盾提供一条新途径。
传统的微生物燃料电池的双室的，即一个阳极室，一个阴极室。其工作原理是：在阳极室，可降解的有机物在微生物的作用下生成质子、电子和代谢产物，电子通过载体传输到电极表面；电子通过外电路到达阴极，质子通过溶液迁移到阴极；在阴极表面，氧化态物质与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。
目前，微生物燃料电池在现实生活中有广泛的应用，如废水处理、产氢、生物修复、生物传感器等，并取得了很大的进步。然而微生物燃料电池依然存在很多问题，如功率密度低、材料造价昂贵、反应器型式的不确定等，这就限制了微生物燃料电池的进一步发展，要实现微生物燃料电池在实际工程的大规模应用还有很遥远的距离。
影响微生物燃料电池的产电性能的因素有很多，有电极材料，反应器构型，反应物种类，操作条件等。为了进一步提高微生物燃料电池的产电性能，降低反应器的制作成本， 优化反应装置运行条件是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是克服传统双室微生物燃料电池体积大、操作复杂、成本高和功率密度低等缺点，提供一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置。
本发明的思路：把发酵罐作为反应装置的主体，通过直接使用石墨碳棒作为阳极***有机玻璃罐内，把碳布阴极直接固定在发酵罐的壁面，直接去掉阴极室，使碳布的一侧与底物接触，另外一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，不采用价格高昂的选择性透过膜，达到简化反应装置，降低反应器制作成本的目的，然后通过优化电池装置的运行参数，如阳极面积、导线材料、反应物浓度、离子添加剂浓度等，以达到提高反应装置产电性能的目的。
本发明是这样实现的：一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱；发酵罐顶部的盖子上设置取样口，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，在发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路。
所述发酵罐采用有机玻璃制作，是反应物进行反应的场所。
所述石墨碳棒阳极为市售，是微生物附着的主要场所并实现电子传递。
所述载铂碳布空气阴极是电子受体发生还原反应的场所。
通过参数优化实验，确定出本发明装置的最优运行参数为：在恒温30℃下，石墨碳棒阳极4面积取31.4 平方厘米，阴阳两极距离为0.5厘米，导线5采用铜线，电阻箱6阻值为1000Ω。
本发明装置的优点：装置体积小，制作简单，整个装置无需采用价格高昂的选择性透过膜，直接利用空气中的氧气作为电子受体，极大地降低了制造成本，运行周期较短，装卸、维护简单，污染物降解效果好，产电功率较高。 
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图中标记：1-发酵罐；2-盖子；3-取样口；4-石墨碳棒阳极；5-导线；6-电阻箱；7-载铂碳布空气阴极。
具体实施方式
实施例：
本实施例以污水处理厂产生的剩余污泥为反应物进行厌氧发酵和产电。
如图1所示，一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐1、石墨碳棒阳极4、载铂碳布空气阴极7、导线5和电阻箱6；发酵罐1顶部的盖子2上设置取样口3，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极4设置在发酵罐1内腔中，在发酵罐1的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极7，载铂碳布空气阴极7的一侧置于发酵罐1内腔与微生物燃料电池的底物接触，另外一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极4与载铂碳布空气阴极7之间通过导线5串联电阻箱6构成回路。
所述发酵罐1为有机玻璃罐，其内径为7厘米，高度20 厘米，可用容积为750 毫升，该发酵罐1是反应物进行反应的场所。
所述石墨碳棒阳极4为市售的直径为1厘米的石墨碳棒，该电极是微生物附着的主要场所并实现电子传递。
所述载铂碳布空气阴极7是含空气扩散层并载有0.35毫克/平方厘米铂催化剂且直径为4厘米的圆形碳布电极，该电极是电子受体发生还原反应的场所。
本实施例装置的工作流程为：
首先把本实施例装置的电路连接好，放在恒温培养箱中，然后往发酵罐1中注入720 毫升的反应液作为微生物燃料电池的底物，盖上发酵罐1的盖子2，让发酵罐1在恒温培养箱中静置反应，直至完成反应周期。
所述反应液是浓度为21000 毫克/升的污泥加入200毫摩尔的NaCl离子浓度剂。
设置本实施例装置的运行参数为：在恒温30℃下，石墨碳棒阳极4面积取31.4 平方厘米，阴阳两极距离为0.5厘米，导线5采用铜线，电阻箱6阻值为1000Ω。
在上述运行参数下，本实施例装置产生的最大输出功率密度为301.3 mW/m2，内阻为92.5 Ω，库仑效率为15.7%，COD去除率为17.6%，污泥体积减少了31.25%，与国内研究的以污泥为底物的微生物燃料电池相比，产电性能得到了进一步的提高。

Claims (2)

1.一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐(1)、石墨碳棒阳极(4)、载铂碳布空气阴极(7)、导线(5)和电阻箱(6)；发酵罐(1)顶部的盖子(2)上设置取样口(3)，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极(4)设置在发酵罐(1)内腔中，在发酵罐(1)的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极(7)，载铂碳布空气阴极(7)的一侧置于发酵罐(1)内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极(4)与载铂碳布空气阴极(7)之间通过导线(5)串联电阻箱(6)构成回路;
所述发酵罐(1)采用有机玻璃制作，是反应物进行反应的场所;
所述石墨碳棒阳极(4)为市售，是微生物附着的主要场所并实现电子传递;
所述载铂碳布空气阴极(7)是电子受体发生还原反应的场所。
2.根据权利要求1所述的单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，其特征在于：在恒温30℃下，石墨碳棒阳极(4)面积取31.4 平方厘米，石墨碳棒阳极(4)与载铂碳布空气阴极(7)之间距离为0.5厘米，导线(5)采用铜线，电阻箱(6)阻值为1000Ω。
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