專利名稱：微生物燃料電池及其提高微生物燃料電池產電性能的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微生物燃料電池。本發明也涉及一種提高微生物燃料電池產 電性能的方法。
背景技術：
為解決日益嚴峻的能源短缺和化石燃料引起的一系列環境等問題，人們在不懈地 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中的化學能直接 轉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家的研究熱點。MFC具有 很多優點①直接將有機物中的化學能轉化為電能，能量利用率高；②原料廣泛，理論上任 何有機物都可以作為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、常壓下運行，使得電池維護成本低、安全性強；④無污染，可實現零排 放。MFC產物是水和C02，生物相容性好。MFC工作原理與傳統的燃料電池相似，以葡萄糖作 底物的燃料電池為例，在陽極室厭氧微生物的作用下，葡萄糖被氧化，同時產生質子氫(H+) 和電子(e_)，電子被微生物獲取后傳給陽極，然后經外電路(導線)到達陰極，質子氫通過 質子交換膜到達陰極表面，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。經過這一流程，葡萄糖轉化為二氧化碳和水，并形成了閉合回路，釋放化學能，產 生電流，輸出電壓。一直以來，功率問題是影響MFC發展的瓶頸，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極表面對于電流的產生 起著關鍵作用。因為產電微生物的電活性基團即酶的氧化還原活性中心存在于微生物細胞 中，由于細胞膜含有類脂或肽聚糖等不導電物質，阻礙了細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胞傳遞到電子受體陽極上，此過程也可以看作是 將微生物的氧化呼吸鏈延伸到細胞外的外界環境。到目前為止，電子傳遞形式大致分為三 類利用細胞色素c進行電子傳遞；利用納米導線進行電子傳遞；利用介體進行電子傳遞， 此過程是微生物借助分解基質產生的小分子物質或是人工投加的可溶性物質使電子從呼 吸鏈及內部代謝物中轉移到電極表面。雖然一些產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，來提高電子由胞內傳遞至陽極表面的轉移速率。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，亞甲基藍作為電子媒介體，Cr/Au作為陽極電極材料，電池的價格較 貴。美國專利(US2004/0241771A1)介紹了一種微生物燃料電池的結構與組成。使用中性 紅作為電子媒介體，但細菌在中性紅溶液中生長緩慢。我國專利申請號為200410066753. 9 的專利申請文件中，公開了一種微生物燃料電池的技術方案。其采用質子交換膜將電池的 陰極室和陽極室隔開，使用修飾后的碳紙作電極材料，使用新亞甲基藍作電子媒介體，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格昂貴，相對于生物燃 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 對微生物有毒害作用，不適合在開放環境中使用。所以需要開發經濟、實用、有效地提高電 子傳遞途徑的新方法。
發明內容
本發明的目的在于提供一種經濟可行，可強化微生物細胞內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電能力的微生物燃料電池。本發明的目的還 在于提供一種提高微生物燃料電池產電性能的方法。本發明的目的是這樣實現的本發明的微生物燃料電池的組成包括反應器、陰極和陽極，陰極和陽極中的一極 置于反應器的一側、另一極置于反應器內部，陽極材料采用碳氈，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，反應器下端有進水口、上端有出水口，反應器的上部帶 有密封蓋，密封蓋上設有參比電極插孔，陰極和陽極間通過導線連接、并與負載連接組成閉 合回路，反應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。本發明的提高微生物燃料電池產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 或機物廢水。本發明適用于單室、雙室等各種構型的微生物燃料電池的產電性能的提高。本發明是通過加入生物溶劑，增大細菌的細胞膜孔徑，減少微生物的內阻，來實現 電子由胞內的快速向外傳遞，提高MFC輸出功率的一種方法。本發明加入的吐溫生物溶劑與加入電子媒介體來提高電子轉移效率的方法相比， 具有輸出功率提高幅度大、價格低廉、對環境影響小、易于實現的優勢。
圖1是本發明電池的結構原理示意圖；圖2是本發明電池的功率曲線；圖3是本發明電池的極化曲線；圖4是本發明電池的輸出電流與吐溫加入量的關系曲線。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1，構建一方形反應器即單室無隔膜無介體微生物燃料電池，組成包括陰極 6和陽極7，兩極分別置于反應器2的一側和內部。陽極材料采用碳氈，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。反應器下端有進水口 1、上端有出水口 3， 容器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設有參比電極插孔8，兩極間通過銅導線連接，并與負載 4連接組成閉合回路，負載的調節范圍為1 10000 Q，電池的產電性能數據由數據采集裝 置5自動采集記錄。本發明電池反應室為厭氧環境，可以在陽極室設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電。所述的陽極為碳纖維、碳紙、碳氈、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、碳氈、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。本發明運行時先在反應器中接種厭氧污泥，以葡萄糖營養液進行電池的初步啟 動，在以葡萄糖為基質的電池運行穩定后，分別加入不同濃度的吐溫生物溶劑進行運行，吐 溫濃度的變化范圍(即吐溫占葡萄糖營養液的量)為5-80mg/L，每個濃度進行多個周期的 循環運行，直至電池的產電性能穩定，然后進行性能測試和分析。試驗結果如下1、極化曲線和功率輸出曲線當本發明電池有充足的底物并具有穩定的產電能力時，變換外接負載電阻，通過 記錄電壓，計算功率和電流，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)吐溫為混合基質的 微生物燃料電池的內阻。隨著吐溫加入量的增加，電池的表觀內阻逐漸降低，不加入吐溫， 以1000mg/L葡萄糖為純基質的生物燃料電池的內阻為26 Q，吐溫加入量為40mg/L時內阻 為6 Q，吐溫加入量為80mg/L時內阻為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，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，生物燃料電池的最大輸出體積功率為186W/m3，此時，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系曲線圖4為本發明吐溫的加入量與MFC的輸出電流之間的關系曲線。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，本發明提供的這種提高微生物燃料電池產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移效率的方法相 比，具有輸出功率高、價格低廉、易于實現的優勢。
權利要求
一種微生物燃料電池，包括反應器、陰極和陽極，其特征是陰極和陽極中的一極置于反應器的一側、另一極置于反應器內部，陽極材料采用碳氈，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，反應器下端有進水口、上端有出水口，反應器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設有參比電極插孔，陰極和陽極間通過導線連接、并與負載連接組成閉合回路，反應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.根據權利要求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.根據權利要求3所述的提高微生物燃料電池產電性能的方法，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.根據權利要求4所述的提高微生物燃料電池產電性能的方法，其特征是所述的燃料 是葡萄糖或機物廢水。
6.根據權利要求4或5所述的提高微生物燃料電池產電性能的方法，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電性能的方法。包括反應器、陰極和陽極，陰極和陽極中的一極置于反應器的一側、另一極置于反應器內部，陽極材料采用碳氈，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，反應器下端有進水口、上端有出水口，反應器的上部帶有密封蓋，密封蓋上設有參比電極插孔，陰極和陽極間通過導線連接、并與負載連接組成閉合回路，反應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。本發明具有輸出功率提高幅度大、價格低廉、對環境影響小、易于實現的優勢。
文檔編號H01M4/92GK101859908SQ20101020358
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者任月明, 劉偉龍, 夏淑梅, 孔凡英, 李凱峰, 溫青, 潘忠誠, 王彥博 申請人:哈爾濱工程大學