，裝置由雙室微生物電化學裝置組成，裝置由體積均等500mL的陽極室和陰極室構成，中間以6cmX 1cm的陽離子交換膜CEM分隔；陰極和陽極均為0.5cm X 5cm X 7cm(厚度X寬度X長度)的粗糙石墨電極；電極使用前分別在Imo 1/L HCl與ImoI/L NaOH溶液中浸泡Ih，清洗后保存于去離子水中待用;石墨電極使用銅導線(直徑0.2毫米，纏繞20圈)引出，鉆孔周圍用一種不導電環氧樹脂密封以避免腐蝕，兩電極間距約12cm;本實施例中，太陽能電池采用傳統p-n結硅太陽能電池，光源使用風冷Xe燈模擬日光光源，硅太陽能電池與光源之間的距離為100cm，硅太陽能電池上輻照強度為79mW/ cm2，光照面積4mm X 4mm。
[0031]3)陽極室的陽極上接種的10% (體積比)的厭氧活性污泥(采自北京高碑店污水處理廠)，陰極室以lmol/L KCl溶液作為電解質溶液，同時用氣管在陰極室通入空氣，以保證MFC陰極室KCl電解質溶液中的O2含量，使得陰極的還原反應能夠正常運行;所有實驗均于室溫(25±1°C)下進行。
[0032]4)陰極室和陽極室分別放置一飽和甘汞電極(SCE，標準電極電勢0.242V)作為參比電極，分別在“陰極——參比電極” “陽極——參比電極”以及外接負載上加上電壓采集器;微生物燃料電池是一種新型能源，最大輸出功率在mW/m2量級，而太陽能電池則是成熟高效的能源，最大輸出功率能夠達到kw/m2;在微生物燃料電池中，由于受微生物及電解液成分影響，在微生物的作用下，電流存在理論上的極限值。因此當增加串聯的太陽能電池時，由于強光照情況下太陽能電池的內阻很小，輸出功率、電壓、電流遠高于微生物燃料電池體系，產生的電壓、電流將遠超過微生物移動載流子的負載能力，進而導致微生物失去活性不能再正常工作。當外接太陽能電池功率較高時，陽極的電極電勢會受到大幅度的影響，微生物所在的陽極室已經無法提供回路足夠的電子，陽極將成為整個裝置的限制因素。因此需要通過加載限流電阻、遮擋光照面積或者降低光照強度等辦法使得太陽能電池與微生物燃料電池匹配。通過實驗發現，在光照情況下，假定選取的太陽能電池與限流電阻組成一個回路，當該回路的短路電流為微生物燃料電池短路電流的約10倍以下時，該新型微生物燃料電池體系能夠正常運轉。在本實施例中，為了保證實驗的延續性，在硅太陽能電池上串聯1000 Ω的限流電阻。
[0033]在光照硅太陽能電池條件下，改變外接回路上負載的電阻值，記錄不同負載情況下回路各點電勢，形成極化曲線(1-U)與輸出功率密度曲線(1-P)圖，I = UiciadMc1^P =(U1ad*I)/V，其中，I為回路電流，P為MFC體系輸出功率密度，1]1。3(1為負載的電壓，Riciad為負載的電阻大小，V為陰極室電解液體積。本實施例的1-U(回路電流-負載電壓)，1-P(回路電流-輸出功率密度)如圖2所示，當負載電阻與體系內阻相同時，負載電阻上有最大的輸出功率。
[0034]本實施例中，由于串聯了1000 Ω的限流電阻，光照硅太陽能電池新型MFC體系內阻(1280Ω )略大于普通MFC體系內阻(251 Ω )。由于光照硅太陽能電池MFC內阻包括限流電阻1000 Ω，因此，在光照條件下，太陽能電池的引入并沒有給MFC體系帶來較大的額外內阻，如圖3所示。
[0035]圖4表明硅太陽能電池與MFC協同作用體系輸出功率密度(275mff/m3)明顯高于普通MFC體系的輸出功率密度(I40mff/m3)，回路電流從普通MFC體系的0.6ImA提高到0.72mA，而回路電流大小與陰陽極反應速率成正比，所以使用本發明設計的新型微生物燃料電池體系降解污染物，降解速率也將大幅度的提高。我們發現，普通MFC在達到最大輸出功率點以后迅速下降，表明微生物已經無法正常提供更多的電子。當外接太陽能電池響應太大，最后會大幅度影響到陽極的電極電勢，此時表明陽極已經無法提供回路足夠的電子，陽極將成為整個裝置的限制因素。如果太陽能電池響應過大，MFC失去了電化學反應的作用，此時類似于一個普通的電解池裝置，也因如此判斷太陽能電池的引入不僅僅只是簡單電池能量的疊加，更重要的是光催化作用引入使得體系的陽極潛力得到最大的發揮，提高了輸出效率。
[0036]因此在太陽能電池的作用下，本發明的MFC體系改善了陰極的接受電子能力，最大限度的發揮了陽極提供電子的能力。由于本發明中MFC體系使用了限流電阻，所以負載的輸出功率在輸出電流相對較小的情況達到最大值。優選合適的太陽能電池與微生物燃料電池協同體系，將可達到在更高輸出電流密度下，更高輸出功率的目的，同時利用MFC體系降解污染物的降解速率也將大幅度的提高。
[0037]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。新型的微生物燃料電池體系利用了太陽光能以及微生物能兩種清潔能源，相對于普通MFC體系有更高的輸出效率，因而具有重要的研發和實用價值。
[0038]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1.一種利用太陽能提高效率的微生物燃料電池體系，其特征在于，所述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，在陽極室和陰極室中均放置電解質溶液，所述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，所述p-n結半導體太陽能電池的正極與陽極連接，所述P-n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，所述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。2.如權利要求1所述的微生物燃料電池體系，其特征在于，進一步，在陽極室和陰極室外串聯限流電阻，調節回路電流。3.如權利要求1所述的微生物燃料電池體系，其特征在于，所述p-n結半導體太陽能電池采用硅基太陽能電池、化合物太陽能電池和有機半導體太陽能電池中的一種。4.如權利要求1所述的微生物燃料電池體系，其特征在于，所述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。5.—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，其特征在于，所述構造方法包括以下步驟: 1)培養能夠能降解污染物并能產電的微生物； 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； 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-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，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，同時提尚污染物降解效率； 4)在電路中串聯負載實現電能輸出。6.如權利要求5所述的構造方法，其特征在于，在步驟3)中，p-n結半導體太陽能電池采用硅基太陽能電池、化合物太陽能電池和有機半導體太陽能電池中的一種。7.如權利要求5所述的構造方法，其特征在于，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。8.如權利要求7所述的構造方法，其特征在于，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。
【專利摘要】本發明公開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。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，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；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；本發明結構簡單，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。
【IPC分類】H01M8/16, C02F3/34
【公開號】CN105680080
【申請號】CN201610176775
【發明人】陳偉華, 陳釗, 丁竑瑞, 李艷, 魯安懷, 胡曉東, 沈波
【申請人】北京大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月25日