利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系及其構造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物能源領域，具體涉及一種利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系及其構造方法。
【背景技術】
[0002]全球能源及環境問題日益嚴峻，開發新型清潔能源及利用可再生能源已成為全世界的共識。1911年，英國植物學家Pottery用酵母和大腸桿菌進行實驗，宣布利用微生物可以產生電流，生物燃料電池研究由此開始。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，簡稱MFC)是利用微生物直接將廢水中的有機物質的化學能轉變為電能的裝置。MFC可以將廢水中的化學能直接轉化為電能，在獲得電能的同時可以凈化廢水。微生物燃料電池的一種典型設計是采用雙室結構，容納微生物的陽極室通過質子交換膜與陰極室隔離，有機質在陽極室被厭氧微生物降解過程中產生的電子由陽極經外部電路傳輸到陰極室，與其同時，質子通過質子交換膜也由陽極室進入陰極室，從而構成電流回路，并通過外部電路連接電氣元件回收或利用電能，氧分子、質子與電子在陰極室內化合生成水。微生物催化從陽極產生電子通過外電路傳導到陰極被反應，回路中產生電流，這就構成了微生物燃料電池。典型的MFC不僅構造復雜，造價與內電阻較高，而且還需要消耗許多外部動力，限制了其電能產出效率和推廣應用。
[0003]微生物燃料電池的發展目前仍然制約于其較低的產電性能，除了成本較高，最主要的原因是輸出功率密度還比較低，開路電壓一般在300mV?400mV左右。決定微生物燃料電池輸出功率密度的因素主要有以下幾個方面:微生物對底物的降解速率、電子從微生物到陽極的傳遞速率、電池內阻、質子到達陰極的傳遞速率、氧化劑的供給和陰極的還原反應的速率，陰極材料的催化作用等。
【發明內容】
[0004]為了克服以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系及其構造方法，在微生物燃料電池的陰極和陽極之間串聯P-n結半導體太陽能電池，構成“太陽能電池-微生物燃料電池”體系，新型的微生物燃料電池體系充分發揮太陽能電池和微生物燃料電池的協同作用，提高微生物燃料電池污水處理和產電性會K。
[0005]本發明的一個目的在于提出一種利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系。
[0006]本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系包括:微生物、陽極室、陰極室、陽離子交換膜、陽極、陰極、負載和P-n結半導體太陽能電池;其中，在陽極室與陰極室之間由陽離子交換膜分隔，在陽極室中放置能降解污染物并能產電的微生物，陽極室和陰極室中均放置電解質溶液，陽極和陰極分別放置在陽極室和陰極室中，在陽極室和陰極室外的陽極和陰極之間串聯負載，構成微生物燃料電池;在陽極室和陰極室外，串聯P-n結半導體太陽能電池，P -η結半導體太陽能電池的正極與陽極連接，P -η結半導體太陽能電池的負極與陰極連接，構成微生物燃料電池體系；在太陽光照條件下，P-n結半導體太陽能電池協同微生物燃料電池共同驅動微生物燃料電池體系運轉，增大回路中的電流，并提高污水處理性能。
[0007]本發明在陽極室和陰極室外，串聯p-n結半導體太陽能電池，構造一個太陽能電池和微生物燃料電池協同作用的微生物燃料電池體系；在陽極室，微生物氧化初始電子供體獲取能量，同時產生電子，電子經微生物傳遞到陽極，再經由陽極傳遞至外電路并到達P-n結半導體太陽能電池的正極;在太陽光照條件下，太陽能電池產生光生電子空穴對，在P-n結半導體的內建電場的拉動下，光生電子向太陽能電池的負極移動，并通過導線向陰極室的電解質溶液移動，與電子受體發生電化學反應，而光生空穴向太陽能電池正極移動，與陽極來的電子復合，從而進一步驅動微生物燃料電池，增大回路中的電流，同時提高微生物降解污水中的有機物;本發明的微生物燃料電池體系充分發揮太陽能電池和微生物燃料電池的協同作用，提高微生物燃料電池輸出效率，提高微生物燃料電池產電和污水處理性能。P-n結半導體太陽能電池采用娃基太陽能電池、化合物太陽能電池和有機半導體太陽能電池中的一種。
[0008]進一步，如果微生物燃料電池的陰極和陽極之間串聯功率較大的p-n結半導體太陽能電池，需在陽極室和陰極室外同時串聯限流電阻，調節回路電流。太陽能電池與限流電阻的選取條件為，P-n結半導體太陽能電池與限流電阻組成一個回路，該回路的短路電流為微生物燃料電池短路電流的10倍以下，這時該微生物燃料電池體系能夠正常運轉。
[0009]本發明的另一個目的在于提供一種利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系的構造方法。
[0010]本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系的構造方法，包括以下步驟:
[0011]I)培養能夠能降解污染物并能產電的微生物；
[0012]2)在陽極室中放置培養好的能降解污染物并能產電的微生物，在陽極室和陰極室中均放置電解質溶液，在陽極室與陰極室之間由陽離子交換膜分隔，在陽極室和陰極室中分別放置陽極和陰極；
[0013]3)在陽極室和陰極室外，串聯p-n結半導體太陽能電池，p-n結半導體太陽能電池的正極與陽極連接，p-n結半導體太陽能電池的負極與陰極連接，構造一個太陽能電池協同微生物燃料電池的微生物燃料電池體系;在陽極室，微生物氧化初始電子供體獲取能量，同時產生電子，電子經微生物傳遞到陽極，再經由陽極傳遞至外電路并到達P-n結半導體太陽能電池的正極;在太陽光照條件下，太陽能電池產生光生電子空穴對，在P -η結半導體的內建電場的拉動下，光生電子向太陽能電池的負極移動，并通過導線向陰極室的電解質溶液移動，與電子受體發生電化學反應，而光生空穴向太陽能電池正極移動，與陽極來的電子復合，半導體太陽能電池協同微生物燃料電池共同驅動微生物燃料電池體系運轉，增大回路中的電流，同時提高污染物降解效率；
[0014]4)在電路中串聯負載實現電能輸出。
[0015]其中，在步驟3)中，ρ_η結半導體太陽能電池采用娃基太陽能電池、化合物太陽能電池和有機半導體太陽能電池中的一種。
[0016]進一步，在步驟3)中，如果微生物燃料電池的陰極和陽極之間串聯功率較大的p-n結半導體太陽能電池，需在陽極室和陰極室外同時串聯限流電阻，調節回路電流。太陽能電池與限流電阻的選取條件為，P-n結半導體太陽能電池與限流電阻組成一個回路，該回路的短路電流為微生物燃料電池短路電流的10倍以下，這時該微生物燃料電池體系能夠正常運轉。
[0017]本發明的優點:
[0018](I)增加產電量:此裝置結合了太陽能電池和微生物燃料電池技術，二者發生了協同效應，大大增加了微生物燃料電池的產電量；
[0019](2)結構簡單:本發明的裝置只是將p-n結半導體太陽能電池串聯到微生物燃料電池的陰極和陽極之間即可；
[0020](3)利用了太陽光能和微生物能兩種清潔能源:微生物降解污水中的有機物的同時并產生電子或空穴，P-n結半導體太陽能電池在光照下也產生電子和空穴，二者在電路中是協同的；太陽能電池光催化作用的引入改善了“太陽能電池-微生物燃料電池”體系陰極的接受電子能力，并使得陽極提供電子的能力得到最大限度的發揮;太陽能電池促進了新型微生物燃料電池體系效率的提高，實現了與微生物燃料電池的協同作用。
[0021]本發明中的微生物燃料電池和太陽能電池光催化技術能夠實現優勢互補，功能相互協調，共同完成污水處理和發電的雙重功效。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系的示意圖；
[0023]圖2為本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系的極化曲線(1-U)與輸出功率密度曲線(1-P)圖；
[0024]圖3為本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系與現有的微生物燃料電池的極化曲線對比圖；
[0025]圖4為本發明的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系與現有的微生物燃料電池的負載輸出效率對比圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發明。
[0027]如圖1所示，本實施例的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系包括:微生物
1、陽極室2、陰極室3、陽離子交換膜4、陽極5、陰極6、負載7、p-n結半導體太陽能電池8和限流電阻9;其中，在陽極室2與陰極室3之間由陽離子交換膜4分隔，在陽極室和陰極室中放置能降解污染物并能產電的微生物和電解質溶液，陽極5和陰極6分別放置在陽極室2和陰極室3中，在陽極室2和陰極室3外的陽極5和陰極6之間串聯負載7;在陽極室和陰極室外，串聯p-n結半導體太陽能電池8; p-n結半導體太陽能電池的正極與陽極連接，p_n結半導體太陽能電池的負極與陰極連接;在陽極室和陰極室外，串聯限流電阻9。
[0028]本實施例的利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系的構造方法，包括以下步驟:
[0029]I)微生物由厭氧活性污泥提供，培養基成分為:0.lg/L KCl,0.5g/L NH4Cl,0.1g/L MgC12,0.1g/L CaC12,0.3g/L KH2P04，2.5g/L NaHC03，I.64g/L CH3C00Na，以及lg/L的酵母粉，陽極初始pH值為7.3( ±0.2);培養基用無菌氮氣通氣0.5h除去溶解氧，密封以保持厭氧狀態。
[0030]2)在傳統的雙室MFC體系基礎上，串聯外接一塊硅太陽能電池，即構造一個硅太陽能電池協同MFC的新型的MFC體系，如圖1所示;在本實施例中