一種控溫微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內設置有陽極體，所述陰極室內設置有陰極體并且所述陰極室上端設置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統，所述控溫系統包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器。本發明能夠迅速調控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，其結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
【專利說明】
一種控溫微生物燃料電池
技術領域
[0001]本發明涉及一種電池，尤其涉及一種控溫微生物燃料電池，屬于綠色生物能源技術領域。
【背景技術】
[0002]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell ,MFC)由陽極室和陰極室組成，兩極室之間通過離子交換膜相隔。陽極微生物在厭氧環境下降解有機物產生電子、質子和二氧化碳；電子傳輸到陽極通過外電路負載到達生物陰極，質子通過離子交換膜由陽極室到達陰極室；陰極室電子受體氧氣在陰極得到電子和質子而被還原成水，從而產生電流。微生物燃料電池是一種綠色新能源技術，在近兒年得到廣泛深入地研究，為解決能源短缺和污水處理提供了一條新途徑。
[0003]到目前為止，實驗室里的微生物燃料電池的實際性能比理想性能還是低很多。微生物燃料電池的產電性能產生受到很多因素的影響。微生物燃料電池的產電包括幾個主要過程:微生物的代謝、電子從細胞傳遞到陽極、質子從陽極轉移到陰極以及陰極上電子受體的還原反應，這幾個部分中每一個微小的細節都直接影響到微生物燃料電池的性能。
[0004]電池中微生物的低轉化效率，即使是在最快的生長速率下，微生物的轉化效率以及與電極之間的電子傳遞依然很慢。而高溫能夠加速幾乎所有的反應動力學，包括生物的和化學的。通過升溫的方法可以提高電子在微生物中的轉化效率，降低電極反應的活化損失。
[0005]在微生物燃料電池中通常都是利用氧氣作為陰極中還原反應的電子受體，氧氣還原的動力學因素也是微生物燃料電池性能的一個限制因子。升溫能夠提高物質傳輸速率、加速陰極的電極反應，從而提高電池的性能。
[0006]將微生物燃料電池整個放置在有控溫裝置的水槽中，可以獲得穩定的恒溫環境，中國專利文CN101916871A公開了一種微生物燃料電池的控溫裝置，由水槽、擋板、鈦加熱管、熱電偶、循環水栗、半導體制冷器和電器控制儀表構成;水槽為長方形結構并設有進水口和出水口，水槽內壁上設有擋板插槽;擋板為長方形板并開有長方形水流孔;鈦加熱管和熱電偶固定在水槽內；循環水栗進水口通過管道與水槽出水口相連，循環水栗出水口通過管道與半導體制冷器進水口相連，半導體制冷器出水口通過管道與水槽進水口相連;鈦加熱管、熱電偶、循環水栗和半導體制冷器分別通過導線與電器控制儀表連接。該裝置可以根據反應溫度的需要實現溫度的上升和降低，為微生物燃料電池運行工藝條件的深入研究提供有力的實驗條件，但是當微生物燃料電池體積比較大的情況下，特別是處理城市污水時需要大體積的電池，整體控溫獲得穩定溫度所需要的時間長，讓整個微生物燃料電池整體恒溫所需要的外加能量巨大。本發明設計了一種控溫微生物燃料電池。利用本發明，不僅可以監測微生物燃料電池陽極和陰極表面溫度，而且可以通過溫控電路快速調控陽極和陰極表面溫度。本發明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間。和加熱整個微生物燃料電池相比，本發明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本。本發明所述的微生物燃料電池裝置結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提出一種控溫微生物燃料電池，通過溫控電路控制微生物燃料電池的陽極體和陰極體表面溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；本發明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發明所述的微生物燃料電池裝置結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
[0008]本發明所采用的技術方案:一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內設置有陽極體，所述陰極室內設置有陰極體并且所述陰極室上端設置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統。
[0009]優選的，所述控溫系統包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器，所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號接收端與所述溫度傳感器的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器設置在所述陽極體和所述陰極體外表面。
[0010]優選的，所述陽極體和所述陰極體均由內層加熱片，中間層導熱絕緣體與外層電極活性體組成。
[0011 ]優選的，所述加熱片是金屬材料或非金屬材料或合金材料。
[0012]優選的，所述的導熱絕緣體可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種。
[0013]優選的，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、欽片材料。
[0014]優選的，所述閉合回路包括導線、外電阻和電壓表。
[0015]優選的，所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。
[0016]優選的，所述溫度傳感器引線的數量至少為兩根。
[0017]優選的，所述溫度控制器的數量為一個或兩個。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明能夠迅速調控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；與傳統的加熱整個微生物燃料電池相比，本發明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發明所述的微生物燃料電池裝置結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明一種控溫微生物燃料電池的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明實施例一一種控溫微生物燃料電池的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
[0022]如圖1所示，一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內設置有陽極體，所述陰極室4內設置有陰極體并且所述陰極室4上端設置開口 14，用于供大氣氣體進入;所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統。
[0023]所述控溫系統包括直流電源8、溫度控制器9和溫度傳感器10，所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器10設置在所述陽極體和所述陰極體外表面，所述陽極體和所述陰極體均由內層加熱片11，中間層導熱絕緣體12與外層電極活性體13組成，所述加熱片11是金屬材料或非金屬材料或合金材料，所述閉合回路包括導線7、外電阻6和電壓表15。
[0024]在本發明的具體技術方案，在控溫系統中，直流電源8負責提供直流電，溫度傳感器10測定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器9，溫度控制器9通過調節施加在陽極體和陰極體的內層加熱片11電流大小來控制陽極體和陰極體表面的溫度;所述的內層加熱片11可以是金屬材料如銅片、鎳片、鐵片等，可以是非金屬材料如碳片等，還可以是合金材料如鐵鎳合金片、鎳鉻合金片、鐵鎳鉻合金片等。
[0025]所述的導熱絕緣體12可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料，所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻或熱電偶，所述溫度傳感器10引線的數量至少為兩根，所述溫度控制器9的數量為一個或兩個。所述的陽極體接種厭氧微生物，厭氧微生物5可以是琥珀酸放線桿菌、嗜水氣單胞菌、拜氏梭菌、腐敗希瓦氏菌等，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物；陽極微生物分解代謝有機物產生電子，電子通過外電路移動到陰極室4，氧氣與電子以及從陽極室3透過的質子在陰極室4反應生成水，同時產生電能;所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻如Ptl00、Ptl000、Ptl0000、Cu50、NTC、PTC等，也可以是熱電偶如K型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶、S型熱電偶、B型熱電偶等。
[0026]本發明能夠迅速調控微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間；和加熱整個微生物燃料電池相比，本發明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本;本發明所述的微生物燃料電池裝置結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
[0027]實施例一
[0028]如圖2所示，一種控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內設置有陽極體，所述陰極室4內設置有陰極體并且所述陰極室4上端設置開口 14，所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統。
[0029]所述控溫系統包括直流電源8、溫度控制器9和溫度傳感器10，所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器10設置在所述陽極體和所述陰極體外表面，所述陽極體和所述陰極體均由內層加熱片11，中間層導熱絕緣體12與外層電極活性體13組成，所述加熱片11是金屬材料或非金屬材料或合金材料，所述閉合回路包括導線7、外電阻6和電壓表15。
[0030]具體實用時:在加熱片11外層修飾上一層導熱絕緣體12，并在導熱絕緣體12上修飾上一層電極活性體13，并將溫度傳感器10通過環氧樹脂膠固定在電極活性體13表面。對于陽極體來說，還需要在陽極體電極活性體接種厭氧微生物5。陽極體和陰極體分別位于陽極室3和陰極室4，兩室之間通過陽離子交換膜2隔開。陽極體和陰極體通過導線7和外電阻6連接形成閉合回路，電壓表15用于檢測和控制閉合回路的電壓。輸出電壓通過數據采集器自動記錄到計算機中。控溫系統中直流電源8與溫度控制器9相連接提供直流電，溫度傳感器10測定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器10，溫度控制器10通過調節輸出電流的大小來控制陽極體和陰極體表面的溫度。陰極室4處在敞開的大氣環境中，并設導氣管供空氣從陰極室4上端進入。陽極室3加入可生化處理的有機廢水并使其處在密閉的厭氧環境中，陽極室3內的產電微生物通過代謝將廢水中的有機物氧化分解并產生電子、質子，電子經外電路轉移到陰極，質子經由陽離子交換膜擴散到陰極室4，陰極室4內的氧氣與從陽極體通過導線傳遞到陰極室4的電子和透過陽離子交換膜進入陰極室的質子結合生成水實現產電過程。
[0031 ]在本發明一較佳實施例中，所述加熱片11為銅片。
[0032]在本發明一較佳實施例中，所述導熱絕緣體12為導熱硅脂。
[0033]在本發明一較佳實施例中，所述電極活性體13為碳漿，并通過絲網印刷技術修飾到導熱絕緣體12中。
[0034]在本發明一較佳實施例中，所述溫度傳感器10為PtlOOO，引線為三線制。
[0035]有益效果:利用本發明，不僅可以監測微生物燃料電池陽極體和陰極體表面溫度，而且可以通過控溫系統快速調控陽極體和陰極體表面溫度。本發明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機污染物所需時間。和加熱整個微生物燃料電池相比，本發明所需的能量少，能夠大大降低了微生物燃料電池升溫的成本。本發明所述的微生物燃料電池裝置結構簡單，便于擴大化工業生產與應用。
[0036]對于本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬于本發明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內設置有陽極體，所述陰極室內設置有陰極體并且所述陰極室上端設置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有控溫系統。2.根據權利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述控溫系統包括直流電源、溫度控制器和溫度傳感器，所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號接收端與所述溫度傳感器的溫度信號輸出端連接，所述溫度傳感器設置在所述陽極體和所述陰極體外表面。3.根據權利要求2所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述陽極體和所述陰極體均由內層加熱片，中間層導熱絕緣體與外層電極活性體組成。4.根據權利要求2或3所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述加熱片是金屬材料或非金屬材料或合金材料。5.根據權利要求3所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述的導熱絕緣體可以是導熱硅脂、導熱膠帶、導熱云母片、導熱陶瓷片、導熱矽膠片中的一種或多種。6.根據權利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料。7.根據權利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述閉合回路包括導線、夕卜電阻和電壓表。8.根據權利要求2所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。9.根據權利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器引線的數量至少為兩根。10.根據權利要求1所述的一種控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度控制器的數量為一個或兩個。
【文檔編號】H01M8/04701GK106058289SQ201610559346
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】施志聰, 黃宗雄, 柯曦, 劉軍
【申請人】廣東工業大學