專利名稱：從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種發(fā)電裝置，本實(shí)用新型也涉及一種污水的處理裝置，具體地說(shuō)是一種利用有機(jī)廢水的生物燃料電池。
背景技術(shù)：
地球上的天然氣、石油、煤等一次性能源的數(shù)量是有限的。在將來(lái)的10～20年之間，全球的石油產(chǎn)量將不再能夠滿足人們對(duì)能源的需求，這很可能會(huì)導(dǎo)致繼20世紀(jì)70年代早期后的第二次世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)。另外，當(dāng)前環(huán)境污染日益嚴(yán)重，而全世界每年用于處理廢水消耗的能源十分巨大，給社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。因此，一方面需要尋求新的清潔能源取代一次性能源，另一方面需要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)從廢水中回收能源以降低廢水的處理費(fèi)用。
可以從有機(jī)廢水中回收的能源主要有甲烷，氫氣和電能。
有機(jī)物可以在厭氧條件下被轉(zhuǎn)化成甲烷氣體，作為能源進(jìn)行回收。但是這種方法的主要問(wèn)題有兩個(gè)。一方面，由于產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)環(huán)境條件極為敏感，所以很難控制合適的條件使厭氧處理系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；另一方面，甲烷屬于溫室氣體，大量使用會(huì)加速全球變暖，因此不是環(huán)境友好能源。因此，該方法受到了一定的限制。
氫氣被認(rèn)為是最具開(kāi)發(fā)潛力的清潔能源之一，利用發(fā)酵微生物從廢水中提取氫氣是獲得廉價(jià)氫氣的有效途徑。但是，正如Benemann所指出的那樣，這種方法只有使氫氣的轉(zhuǎn)化率提高到60％-80％才有經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。遺憾的是，目前要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要克服很大的技術(shù)障礙。理論上，如果使用產(chǎn)氫細(xì)菌作為催化劑，以葡萄糖作為底物提取氫氣，每降解1mol的葡萄糖，氫氣的產(chǎn)量為12mol。但實(shí)際上，目前已知的菌種只能使氫氣的產(chǎn)量最大達(dá)到4mol，總效率為33％，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)值還要遠(yuǎn)低于此。利用厭氧發(fā)酵法從有機(jī)廢水中提取氫氣只能使有機(jī)廢水能量中的15％以氫氣的形式存在，換句話說(shuō)，其余85％的能量還是被浪費(fèi)掉了。因此，需要尋求新的途徑來(lái)回收有機(jī)廢水中的能源。
還有一種方法是直接從有機(jī)物中發(fā)電。能夠從有機(jī)物中發(fā)電的裝置叫做生物燃料電池。在生物燃料電池中，有機(jī)物被氧化的過(guò)程要產(chǎn)生電子和質(zhì)子(NADH)，電子在微生物的催化作用下轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，質(zhì)子留在液相中。如果用導(dǎo)線將陽(yáng)極和陰極連接起來(lái)，電子就會(huì)到達(dá)陰極。在陰極，電子和電子受體以及剩余的質(zhì)子會(huì)發(fā)生反應(yīng)，伴隨陽(yáng)極有機(jī)物降解和陰極的反應(yīng)，可以在外電路獲得連續(xù)的電流。事實(shí)上，有機(jī)污染物在微生物作用下分解的過(guò)程就是電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程。如果電子的遷移是在液相內(nèi)部完成，對(duì)應(yīng)的過(guò)程就是污水處理中的活性污泥法；如果能夠?qū)a(chǎn)生的電子導(dǎo)出，使電子在外電路遷移，對(duì)應(yīng)的過(guò)程就是生物燃料電池。
生物燃料電池是在微生物催化劑的作用下，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，這兩個(gè)區(qū)由質(zhì)子交換膜(PEM)隔開(kāi)。在陽(yáng)極區(qū)，微生物以有機(jī)物作為電子供體，以電極作為電子受體將有機(jī)物氧化，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子在陽(yáng)極上富集，通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到陰極上；質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極區(qū)。在陰極區(qū)，電子、質(zhì)子和氧氣結(jié)合，生成水，圖1給出的是生物燃料電池的原理如果以葡萄糖作為發(fā)電底物，氧氣作為電子受體，則兩個(gè)電極上的半反應(yīng)分別為陽(yáng)極半反應(yīng)E0＝0.014V(1)陰極半反應(yīng)E0＝1.23V(2)理論上，每氧化1mol的葡萄糖可以產(chǎn)生1.216V的電壓。
傳統(tǒng)的雙室生物燃料電池一般是由一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)室和一個(gè)陰極反應(yīng)室組成，中間用質(zhì)子交換膜分隔，如圖2所示。但是這種形式的反應(yīng)裝置由于(1)設(shè)備過(guò)于復(fù)雜，運(yùn)行和管理都比較困難；(2)間歇運(yùn)行，實(shí)際中很難連續(xù)發(fā)電；(3)所使用的PEM造價(jià)十分昂貴；(4)向陰極曝氣增加了運(yùn)行費(fèi)用；(5)發(fā)電功率輸出低。這些不足之處限制了其應(yīng)用。
為了克服傳統(tǒng)雙室燃料電池的缺點(diǎn)，人們研發(fā)了空氣陰極生物燃料電池。這種形式的燃料電池是單池形式，以空氣作為陰極，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為(1)陽(yáng)極和陰極處于同一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)；(2)陰極省去了昂貴的質(zhì)子交換膜。和傳統(tǒng)的雙室燃料電池相比，它具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)(1)設(shè)計(jì)極其簡(jiǎn)單；(2)由于陰極用空氣擴(kuò)散取代了曝氣，減少了曝氣消耗的運(yùn)行費(fèi)用，另外由于空氣的氧化還原電位高于液相曝氣，可以提高陰極電位，進(jìn)而增大電池的電動(dòng)勢(shì)和功率輸出；(3)去掉了質(zhì)子交換膜可以大大降低系統(tǒng)的基建投資。但是，目前國(guó)際上已經(jīng)報(bào)道的這種形式的生物燃料電池具有相同的陽(yáng)極和陰極面積，其最大的缺點(diǎn)是由于省去了質(zhì)子交換膜，大大增加了陰極氧氣的擴(kuò)散速率，從陰極透過(guò)的氧氣進(jìn)入到反應(yīng)器后破壞了厭氧條件，大大的降低了系統(tǒng)的電子回收率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能增大電池功率輸出的同時(shí)提高電子回收的從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極和陰極分別置于圓柱形反應(yīng)器的兩端，反應(yīng)器的上端的中部設(shè)有取樣口，兩端分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口，陽(yáng)極材料為碳紙，陰極材料為含有金屬Pt催化劑的碳布，陽(yáng)極面積大于陰極面積，陽(yáng)極與陰極之間用銅導(dǎo)線相連接。
在傳統(tǒng)的廢水好氧處理中，如果按照處理1m3的生活污水消耗0.5kWh電能計(jì)算，一個(gè)中等規(guī)模的污水處理廠(處理量3.0×105m3)每天處理污水消耗的電能為1.5×105kWh，如果1度電按照0.6元計(jì)算，這樣規(guī)模的污水處理廠每年要消耗近3500萬(wàn)元的電費(fèi)。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的加大，污水處理廠的數(shù)量將不斷增加，處理規(guī)模將繼續(xù)加大，這對(duì)政府和社會(huì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。生物燃料電池可以以微生物作為催化劑將廢水中碳水化合物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為最清潔的能源—電能。和傳統(tǒng)的方法相比，它具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)。第一，它可以在中溫甚至低溫條件下運(yùn)行；第二，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)空氣有污染的氣體，如硫化氫；第三，污泥產(chǎn)量少，降低了污泥處理的費(fèi)用；第四，發(fā)電的同時(shí)能夠處理污水。因此利用生物燃料電池從有機(jī)廢水中發(fā)電可以最大限度的實(shí)現(xiàn)污水和廢水處理的可持續(xù)性發(fā)展，一旦實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生不可估量的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明的陽(yáng)極陰極面積不等的空氣陰極生物燃料電池，是對(duì)傳統(tǒng)生物燃料電池的重大改進(jìn)，除了具備一般生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)以外，它還有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)第一，去掉了質(zhì)子交換摸，大大降低了基建投資；第二，具有更低的內(nèi)電阻，因此可以獲得更高的功率輸出；第三，有效地提高了系統(tǒng)的電子回收。因此可以在提高功率輸出的同時(shí)，高效率的回收有機(jī)物中的電子，運(yùn)行更加穩(wěn)定。


圖1生物燃料電池工作原理；圖2是傳統(tǒng)雙室生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是啟動(dòng)期電壓輸出；圖5是體積功率密度隨電流密度的變化；圖6是電壓和電流強(qiáng)度的線性回歸曲線圖7是電壓輸出和電子回收(葡萄糖作為底物，650mg/L)。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖3，從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池的組成包括陽(yáng)極1和陰極2，陽(yáng)極和陰極分別置于圓柱形反應(yīng)器3的兩端，兩端分別設(shè)有進(jìn)水口4和出水口5，陽(yáng)極材料為碳紙，陰極材料為含有金屬Pt催化劑的碳布，陽(yáng)極面積大于陰極面積，一般陽(yáng)極面積∶陰極面積＝(3-6)∶1，最佳為陽(yáng)極面積∶陰極面積＝3∶1，陽(yáng)極與陰極之間用銅導(dǎo)線6相連接。陽(yáng)極和陰極之間連有電阻7，電壓用萬(wàn)用表8進(jìn)行測(cè)定。
為了比較本發(fā)明的燃料電池的發(fā)電性能，設(shè)計(jì)兩個(gè)空氣陰極生物燃料電池分別為ACMFC1和ACMFC2。將ACMFC1的陽(yáng)極和陰極分別置于有機(jī)玻璃制成的圓柱形反應(yīng)器(有效容積60mL)兩端，上端的中部設(shè)有取樣口，兩端分別設(shè)有進(jìn)水和出水口。陽(yáng)極使用碳紙(有效面積13cm2，E-TEK)制成，陰極由含有金屬Pt催化劑的碳布制成。ACMFC2是我們自行設(shè)計(jì)的燃料電池，有效容積為80mL，陽(yáng)極為碳紙(有效面積40cm2，E-TEK)，陰極為涂有Pt催化劑的碳布電極材料(有效面積12.56cm2)，兩個(gè)燃料電池的陽(yáng)極和陰極都用銅導(dǎo)線相連接。
試驗(yàn)結(jié)果如下1、電壓輸出將生活污水(COD＝314.67～327.75mg/L，pH＝7.0～7.5)與乙酸鈉(1.0mM)營(yíng)養(yǎng)液[3]的混合物和培養(yǎng)好的厭氧污泥(MLSS＝4000mg/L)投加到反應(yīng)器中，間歇運(yùn)行。經(jīng)過(guò)5次更換生活污水和活性污泥，ACMFC1產(chǎn)生了0.301V的電壓；ACMFC2產(chǎn)生了0.364V的電壓(外電阻1000Ω)，如圖4所示。
2、功率輸出如圖5所示，使用葡萄糖(650mg/L)作為底物發(fā)電時(shí)，ACMFC1的最大功率輸出為3070mW/m3(電流密度為13mA/dm3)；ACMFC2的最大功率密度達(dá)到了9800mW/m3(電流密度為35mA/dm3)，是ACMFC1的3倍左右。
3、內(nèi)阻及電動(dòng)勢(shì)從圖6中可以看出，ACMFC1的內(nèi)阻為307.72Ω，ACMFC2的內(nèi)阻更小，為107.79Ω。這是導(dǎo)致ACMFC2的功率密度大于ACMFC1的直接原因。因此，可以通過(guò)設(shè)計(jì)減小電池兩電極之間的距離，同時(shí)增大反應(yīng)器的橫截面積來(lái)降低內(nèi)阻。原因是，r=ρlA---(5)]]>其中，r(Ω)為電池內(nèi)阻，ρ(Ωm)為電阻率，l(cm)為兩極距離；A(cm2)為橫截面積。ACMFC2的l/A值為0.37m-1，小于ACMFC(0.05m-1)，因此具有更小的內(nèi)阻。
此外，ACMFC1的電動(dòng)勢(shì)為0.4665V，ACMFC2電動(dòng)勢(shì)為0.5894V。這主要是因?yàn)锳CMFC2的陽(yáng)極面積大于ACMFC1的陽(yáng)極面積，從而為轉(zhuǎn)移電子微生物的生長(zhǎng)提供了充足的面積，更多的轉(zhuǎn)移電子的細(xì)菌可以完成電壓的升高。
4、電子回收ACMFC1的運(yùn)行時(shí)間僅不到50h，電子回收為9.78％；而ACMFC2可以連續(xù)運(yùn)行220h以上，電子回收率為30.1％；(均以電壓輸出小于0.05V作為反應(yīng)終點(diǎn))，如圖7所示。這個(gè)結(jié)果要比Liu等人報(bào)道的結(jié)果高出10％～20％。
權(quán)利要求
1.一種從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池，它包括陽(yáng)極和陰極，其特征是陽(yáng)極和陰極分別置于圓柱形反應(yīng)器的兩端，反應(yīng)器的上端的中部設(shè)有取樣口，兩端分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口，陽(yáng)極材料為碳紙，陰極材料為含有金屬Pt催化劑的碳布，陽(yáng)極面積大于陰極面積，陽(yáng)極與陰極之間用銅導(dǎo)線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池，其特征是陽(yáng)極面積∶陰極面積＝(3-6)∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池，其特征是陽(yáng)極面積∶陰極面積＝3∶1。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種從有機(jī)廢水中發(fā)電空氣陰極生物燃料電池。它包括陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極和陰極分別置于圓柱形反應(yīng)器的兩端，反應(yīng)器的上端的中部設(shè)有取樣口，兩端分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口，陽(yáng)極材料為碳紙，陰極材料為含有金屬Pt催化劑的碳布，陽(yáng)極面積∶陰極面積＝3∶1，陽(yáng)極與陰極之間用銅導(dǎo)線相連接。是對(duì)傳統(tǒng)生物燃料電池的重大改進(jìn)，除了具備一般生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)以外，它還有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)第一，去掉了質(zhì)子交換摸，大大降低了基建投資；第二，具有更低的內(nèi)電阻，因此可以獲得更高的功率輸出；第三，有效地提高了系統(tǒng)的電子回收。因此可以在提高功率輸出的同時(shí)，高效率的回收有機(jī)物中的電子，運(yùn)行更加穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1776950SQ20051001059
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者尤世界 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)