專利名稱：一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器及其陽極的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于環境與新能源技術領域，具體涉及一種非曝氣空氣呼吸生物陰極微生物燃料電池反應器及其新型陽極設計。
背景技術：
微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是在微生物的作用下將有機物中的化學能轉化為電能的裝置。由于其具有產電的同時可將污水清潔的優點，微生物燃料電池受到越來越廣泛的關注。微生物燃料電池中用到的電子受體包括高錳酸根、鐵氰化鉀、三價鐵離子、重鉻酸鉀、雙氧水以及氧氣。由于化學電子受體可被消耗而需要補充使其不適于微生物燃料電池的大型化及長期運行。氧氣來源于空氣，不需任何成本且其產物為水不會對環境造成污染。因而氧氣是最適合于微生物燃料電池大型化運行的電子受體。由于較高的還原過電勢，采用氧氣作為電子受體需要使用氧還原催化劑，包括貴金屬鉬、錳氧化物、鈷類及鐵類催化劑等，這些催化劑的使用提高了微生物燃料電池的運行成本。由于微生物的廣泛存在性及自然更新的優勢，利用微生物作為氧還原催化劑引起研究者們的廣泛關注。目前報導的好養微生物陰極微生物燃料電池主要采用曝氣提供氧電子受體，這個過程消耗了電力從而增加了微生物燃料電池的運行成本，這是微生物燃料電池大型化運行的一個瓶頸之一。目前為止未見到采用空氣主動滲透提供電子受體的空氣陰極微生物燃料電池。
發明內容本實用新型的目的是削減傳統好養微生物陰極微生物燃料電池中曝氣所帶來的電力消耗，以及改善傳統反應器及電極構型導致的微生物燃料電池產電性能較低的問題。為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種非曝氣空氣呼吸生物陰極微生物燃料電池反應器及新型陽極，所述微生物燃料電池反應器由內外兩個鏤空的圓筒及錐形帽通過螺栓連接組成，并采用橡膠墊密封；兩電極室通過陽離子交換膜相隔形成陰陽極室。本實用新型微生物燃料電池可通過調整兩圓筒的直徑差設置不同的電極距離達到最優的電池性能；陰極裹覆在外筒外壁通過鏤空與陰極電解液接觸，并使微生物附著其上形成生物陰極，同時空氣中的氧氣通過主動滲透的方式為好養微生物提供電子受體；陰極室下部設有進水口可利用陽極出水作為陰極的電解液；植入型碳纖維電極提供大的表面積為產電微生物附著，并且可以依靠不銹鋼網自身的機械彈性附著于陽極室內壁，達到最佳的電極距離從而提高電池自身的產電性能。與現有技術相比，本實用新型具有以下的有益效果可節約好氧生物陰極微生物燃料電池中曝氣消耗的電力，節約微生物燃料電池的運行成本；陰陽極的距離可通過控制兩圓筒的直徑而得到優化，使微生物燃料電池的產電性能達到最優；陰極的運行方式(連續流或批式)可隨意控制；新型植入式碳纖維電極可為產電微生物提供大的附著面積并且可以方便的控制陰陽極的距離，提高微生物燃料電池的產電效能。

圖1是本實用新型生物陰極微生物燃料電池的結構示意圖圖2是本實用新型生物陰極微生物燃料電池中所用新型陽極結構示意圖附圖標記說明1、電池頂帽，2、、電池外筒，3、好養微生物，4、空氣呼吸陰極，5、 新型陽極，6、電池內筒，7、陽離子交換隔膜，8、閥門，9、水泵，10、陰極室，11、陰極室進水口，12、陽極室入水口，13、陽極室，14、陽極室出水口，15、陰極室出水口，16、碳纖維簇，17、 不銹鋼網。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型做進一步的說明反應器由電池外筒 2和內筒6通過螺栓連接形成陰極室10和陽極室13，電池頂部通過電池頂帽1密封。外筒 2和內筒6皆為鏤空結構，使陰極與陰極電解液、陰陽極通過隔膜7形成通路。陰陽極室上下皆有進出水口 11、12、14和15，部分陽極出水可通過回流泵9進入陰極室作為陰極電解液使用，流量可通過調節閥門8控制。好氧微生物3可附著在空氣呼吸陰極4上面利用主動滲透的氧氣作為電子受體；厭氧微生物附著在陽極5上面降解有機物質同時產生電子。新型陽極的設計方式是將大比表面積的碳纖維簇16植入不銹鋼網17。本實用新型在實際使用過程中，生活污水通過12進入陽極室，在產電微生物的作用下，污水中的有機物被降解產生電子，同時污水得到凈化。產生的電子可通過外電路傳輸到陰極與通過空氣呼吸陰極滲透過來的氧氣在好養微生物的催化作用下生成水，外電路產生電流。陽極出水通過陰極進水口進入陰極可作為陰極電解液使用，同時可利用陰極進水口處的閥門調節流量，同時可根據實際需要決定陰極室的運行方式。
權利要求1.一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器及其陽極，包括陽極室和陰極室，陽極和陰極分別置于所述陽極室和陰極室內，陰陽極室利用陽離子交換膜分隔，其特征在于兩鏤空圓筒相套形成陰陽極室并用陽離子交換膜相分隔；空氣呼吸陰極附著于鏤空陰極室外壁；好養微生物利用透過的氧氣作為電子受體；陰極室配有進出水口。
2.根據權利要求1所述的一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器及其陽極，其特征在于兩鏤空圓筒相套形成陰陽極室并用陽離子交換膜相分隔，反應器整體分為3個部分方便制作及組裝。
3.根據權利要求1所述的一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器及其陽極，其特征在于空氣呼吸陰極附著于鏤空陰極室外壁，好養微生物附著其上并利用主動透過的氧氣作為電子受體。
4.根據權利要求1所述的一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器及其陽極，其特征在于陰極室配有進出水口，可利用陽極出水作為陰極電解液并可利用所設置的閥門調節陰極的運作模式。
專利摘要一種非曝氣生物陰極微生物燃料電池反應器，由陽極室、陰極室組成，陰陽室壁皆為鏤空。陽極室與陰極室由陽離子交換膜隔開。所述陽極室內放置有陽極，所述陰極室內置有生物陰極。該微生物燃料電池的特征在于其主體由兩個直徑不一的圓筒組成；其主體分為三部分，利用方便的制造及組裝；可通過選擇內外圓筒的直徑調節陰極室的徑向尺寸，控制陰陽極的最佳距離使產電量最大化；陰極微生物利用空氣中主動透過的氧氣作為電子受體，節約常規好養生物陰極微生物燃料電池中曝氣帶來的成本；陰極室設有電解液出入口，可利用陽極出水作為陰極電解液；通過開關陰極室進水口設置的閥門方便地轉換陰極室的運作模式(連續流式或批式)；陽極為新構型碳纖維電極，其具體構造為將碳纖維植入不銹鋼網中，既可以為陽極微生物的附著提供大的比表面積，又可通過不銹鋼網自身的彈性將其附著于陽極室壁，方便于控制陰陽極距離。
文檔編號H01M4/86GK202231105SQ201120258879
公開日2012年5月23日 申請日期2011年7月21日 優先權日2011年7月21日
發明者王澤杰, 趙峰 申請人:中國科學院城市環境研究所