專利名稱：一種微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池，具體涉及一種可利用自然光照再生陰極受 體的微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)以其本身所特有的原 料來源廣泛、反應(yīng)條件溫和，可在常溫常壓下進行反應(yīng)、生物相容性好、 在發(fā)電過程中可同時降解廢水和產(chǎn)生電能的獨特優(yōu)勢，而成為一種極有潛 力的可再生能源。MFC其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括從生物可降解物質(zhì)中產(chǎn)生可 再生能源、生物制氬、生物傳感器、污水處理、欠發(fā)達地區(qū)的分散型能源 等等。在此背景下，許多微生物燃料電池的研究均已開展，但絕大部分研 究仍集中于微生物燃料電池的陽極研究領(lǐng)域。
對于燃料電池而言，決定電池性能不僅應(yīng)考慮陽極因素，而且應(yīng)考慮 陰極因素。就現(xiàn)在的文獻才艮道來說，在采用相同的陽極的條件下，若針對 陰極作出改進，往往能獲得MFC性能方面的很大提升。目前，國內(nèi)外MFC 的陰極可分為生物陰極和非生物陰極。生物陰極一般釆用生長在陰極的生 物膜直接還原空氣中的氧或污水中的氮化合物，但此種陰極存在著反應(yīng)活 性不高，長期運行性能穩(wěn)定性差的缺點。對非生物陰極，在制備過程中， 通常釆用未負載催化劑的碳電極或負載催化劑的電極，使用催化劑能有效 的降低陰極電子受體還原的活化能，大大加快反應(yīng)速度。目前，使用的最
3多的MFC陰極采用的是以碳載鉑作為陰極催化劑，氧氣作為最終電子受體，
其利用形式主要有溶解氧或直接使用氣態(tài)氧，雖然氧作為陰極反應(yīng)電子受
體時，具有氧化還原電位較高、易獲得、產(chǎn)物為H力，無需后處理的優(yōu)勢，
但是氧氣在水中溶解度很低，其傳質(zhì)速率較小，極大的降低了陰極的性能；
而使用氣態(tài)氧，又存在耗能和催化劑過于昂貴的缺陷。因此，各國研究者
們都嘗試使用其它電子受體，如鐵氰根離子、生物礦化的氧化錳、高錳
酸鉀、雙氧水和重#^酸鉀等等，但是上述電子受體均受到某些因素的制約
而不能廣泛的應(yīng)用于MFC的陰極。例如，對于鐵氰根離子，雖然它相對于
氧氣而言，在MFC陰極具有較大的傳質(zhì)系數(shù)，但是由于其無法在在氧氣中
再生，不能持續(xù)工作的缺點限制了它的應(yīng)用；而對于Fe、雖然它能直接
利用空氣中的氧氣或氧化細菌再生，但電子受體再生速率低下、陰極需要
較低pH值才能保持穩(wěn)定工作等缺點也限制了 Fe^乍為陰極電子受體在MFC
中的應(yīng)用；另外鐵離子的通過滲透進入陽極也是采用Fe3+作為陰極電子受
體無法回避的難題；使用雙氧水，高錳酸鉀和重4各酸鉀雖然也有著上述優(yōu)
勢，但同樣存在著無法不耗能再生，需定期更換的問題，這大大的限制了
微生物燃料電池的應(yīng)用。
實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種采用可透光的陰極，以
多碘離子為陰極電子受體，利用自然光照再生陰極受體的微生物燃料電池。 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是，提供一種微生物
內(nèi)部裝有陽極電極，陽極電極完全浸入陽極溶液中；其特點是進水口設(shè)置在陽極室的下部，出水口設(shè)置在陽極室的上部，陰極室的外殼 由透明材料制成，所述陰極室的頂部設(shè)有防塵罩，所述防塵罩上設(shè)有透氣 孔，所述陰極電極固定在防塵罩上，在陰極室內(nèi)裝有易溶于水的捵鹽，陰極 電極完全浸入陰極溶液中，所述陰極電極為碳紙或碳布或碳氈。
根據(jù)本實用新型所述的一種微生物燃料電池的優(yōu)選方案，所述構(gòu)成陰 極室的外殼由玻璃或聚碳酸酯或聚曱基丙稀酸曱酯制成。
根據(jù)本實用新型所述的一種微生物燃料電池的優(yōu)選方案，在所述陽極 室和陰極室的底部設(shè)置有^f茲轉(zhuǎn)子。
本實用新型所述的一種微生物燃料電池的有益效果是所述陰極為完
全透明的開放型結(jié)構(gòu)，不僅克服了一般^f敖生物燃料電池陰極電子受體必須
定期更換的缺點，同時也不需要向陰極電極上添加催化劑，不但大大降低
了電池的生產(chǎn)成本、避免了催化劑中毒現(xiàn)象，而且還降低了電池的運行成
本與復(fù)雜度，由于碘有殺菌作用，因而在陰極還不會造成電極堵塞問題，
使電池的運行穩(wěn)定性提高；同時，本實用新型所涉及的微生物燃料電池可
以作為一種輔助電源，為偏遠山區(qū)的家庭或公用設(shè)施供電，而且還能作為
一種污水處理技術(shù)，處理生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的高化學(xué)需氧量污水，具有良
好的應(yīng)用前景。

圖一是本實用新型所述的一種孩克生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖二是本實用新型所述的 一種;f鼓生物燃料電池在其陰極加入碘化鉀溶
液后功率的增加趨勢圖。
圖三是本發(fā)明所述的 一種微生物燃料電池其陰極加入硪化鈉溶液后功
率的增加以及與其他常見電子受體性能比較圖。
具體實施方式
參見圖1, 一種可利用自然光照再生陰極受體的微生物燃料電池，由
陽極室2、陰極室6、質(zhì)子交換膜7、陽極電極3、陰極電極9、進水口 1、 出水口 4、防塵罩8、磁轉(zhuǎn)子10構(gòu)成，i茲轉(zhuǎn)子10設(shè)置在所述陽極室2和陰 極室6的底部，進水口 1設(shè)置在陽極室2的下部，出水口 4設(shè)置在陽極室 2的上部，陰極室6和陽極室2用質(zhì)子交換膜7分隔開，陽極室2為密閉 結(jié)構(gòu)，在陽極室2的內(nèi)部裝有陽極電極3,陽極電極3完全浸入陽極溶液 中；陰極室6的外殼由透明材料制成，所述陰極室6的頂部設(shè)有防塵罩8， 所述防塵罩8上設(shè)有透氣孔，所述陰極電極9固定在防塵罩8上，陰極室 6內(nèi)的陰極溶液是易溶于水的碘鹽，陰極電極9完全浸入陰極溶液中，所述 陰極電極9為不添加任何其他物質(zhì)的碳紙或碳布或碳氈，陽極電極3采用 的是日本東麗公司的碳紙，質(zhì)子交換膜7采用的是美國杜邦公司的Nafion 膜。
其中，所述陰極室6內(nèi)裝的含碘的陰極溶液是碟化鉀溶液或石jH匕鈉溶液。
其中，所述構(gòu)成陰極室6的外殼的透明材料是玻璃或聚碳酸酯或聚曱 基丙稀酸甲酯。
其中，所述陽極溶液采用污水和磷酸二氳鈉的緩沖溶液。 本實用新型所涉及的一種微生物燃料電池，污水通過微生物燃料電池 進口 1進入微生物燃料電池陽極中，并被陽極電極3上的微生物所降解， 并同時釋放出電子，H+，降解產(chǎn)物。降解產(chǎn)物通過微生物燃料電池出口 4 排出電池外，電子通過外電路用電器5到達陰極6， H+通過質(zhì)子交換膜7到 達陰極。
在陰極內(nèi)，預(yù)先加入的碘化鉀溶液可在光照的條件下，與通過防塵罩8 擴散來的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成多碘離子，而多碘離子在陰極電極9表面發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，反應(yīng)生成的碘離子又在氧氣和光照的條件下再生為多 碘離子，從而完成整個陰極受體的消耗-再生過程。多碘離子在陰極的消
耗與再生過程的化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示 多硪離子的消耗/3- + — 3廠 多石典離子的再生3/-+02+4//+光照>I3+2H20
為加強微生物燃料電池內(nèi)部的傳質(zhì)過程，陽極和陰極室內(nèi)均有一個磁轉(zhuǎn) 子IO進行攪拌。
為保證陰極室內(nèi)多碘離子的再生所必須的光照條件，本實用新型所采用 的陰極室可以由玻璃或聚碳酸酯或聚曱基丙稀酸曱酯等透明材料構(gòu)成，陰 極電極材料為不添加任何其他物質(zhì)的碳紙、碳布或碳氈。
圖二為本實用新型在陰極加入濃度為0. 2M的碘化鉀溶液后，電池的功
率變化圖。從圖二中可以看出，在沒有任何附加能量輸入，僅靠光照，采 用本實用新型的微生物燃料電池由于生成了多碘離子，因而功率密度在三 天內(nèi)/人剛加入^^f匕鉀后的30mW/n^增加到400mW/m2。
圖三為本實用新型在陰極加入濃度為0. 2M的多輿化鈉溶液后，電池的功 率變化圖。從圖三中可以看出，釆用本發(fā)明的多硤化鈉為電子受體的微生 物燃料電池性能比采用Pt催化的氧氣性能高約一倍，比采用六氰合^U III) 酸鉀為電子受體的微生物燃料電池性能高兩倍以上。
權(quán)利要求1、一種微生物燃料電池，包括陽極室(2)、陰極室(6)、質(zhì)子交換膜(7)、陽極電極(3)、陰極電極(9)、進水口(1)、出水口(4)，陰極室(6)和陽極室(2)用質(zhì)子交換膜(7)分隔開，陽極室(2)為密閉結(jié)構(gòu)，在陽極室(2)的內(nèi)部裝有陽極電極(3)，陽極電極(3)完全浸入陽極溶液中；其特征在于進水口(1)設(shè)置在陽極室(2)的下部，出水口(4)設(shè)置在陽極室(2)的上部，陰極室(6)的外殼由透明材料制成，所述陰極室(6)的頂部設(shè)有防塵罩(8)，所述防塵罩(8)上設(shè)有透氣孔，所述陰極電極(9)固定在防塵罩(8)上，在陰極室(6)內(nèi)裝有易溶于水的碘鹽，陰極電極(9)完全浸入陰極溶液中，所述陰極電極(9)為碳紙或碳布或碳氈。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池，其特征在于所 述陰極室(6)的外殼由玻璃或聚碳酸酯或聚曱基丙稀酸曱酯制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微生物燃料電池，其特征在于在 所述陽極室(2)和陰極室(6)的底部設(shè)置有磁轉(zhuǎn)子(10)。
專利摘要一種微生物燃料電池，包括陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜、陽極電極、陰極電極、進水口、出水口，陰極室和陽極室用質(zhì)子交換膜分隔開，陽極室為密閉結(jié)構(gòu)，在陽極室的內(nèi)部裝有陽極電極，陽極電極完全浸入陽極溶液中；其特征在于進水口設(shè)置在陽極室的下部，出水口設(shè)置在陽極室的上部，陰極室的外殼由透明材料制成，所述陰極室的頂部設(shè)有防塵罩，所述防塵罩上設(shè)有透氣孔，所述陰極電極固定在防塵罩上，在陰極室內(nèi)裝有易溶于水的碘鹽，陰極電極完全浸入陰極溶液中，所述陰極電極為碳紙或碳布或碳氈。本實用新型所述的微生物燃料電池的陰極電子受體不需定期更換，同時也不需要向陰極電極上添加催化劑，大大降低了電池的生產(chǎn)成本，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01M8/16GK201340872SQ20082023852
公開日2009年11月4日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者丁玉棟, 強 廖, 恂 朱, 俊 李, 宏 王, 王永忠, 鑫 田 申請人:重慶大學(xué)