專利名稱：一種多級(jí)微生物燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于環(huán)境與新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多級(jí)微生 物燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
能源緊缺與有機(jī)廢棄物處置是當(dāng)今世界面臨的兩大挑戰(zhàn)。
微生物燃料電池(MFC)是將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能 的發(fā)電裝置，具有發(fā)電與廢棄物處置雙重功效。MFC的燃料種類廣 泛，生活污水、高濃度有機(jī)廢水、人畜糞便等均可作為MFC的燃料， 它在產(chǎn)電的同時(shí)可有效去除有機(jī)物，因此是一項(xiàng)發(fā)展?jié)摿薮蟮南冗M(jìn) 生物質(zhì)能利用技術(shù)，有望成為未來有機(jī)廢物處理的支柱性技術(shù)。
MFC的基本原理是有機(jī)物作為燃料在厭氧陽極室中被微生物 氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路 到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過交換膜到達(dá)陰極，與 氧反應(yīng)生成水?，F(xiàn)有的微生物燃料電池一般結(jié)構(gòu)為陰、陽極兩室， 陰極室采用通氣方式供氧，陽極保持厭氧狀態(tài)，中間由隔膜分開。專 利申請?zhí)枮?00710144804.9和200710144550.0的專利申請中分別公 開了一種微生物燃料電池，并具體涉及電極和導(dǎo)線的設(shè)置、催化劑的 選用；專利申請?zhí)枮?00610104081.5的專利申請中公開了一種微生 物電池裝置，具體涉及了片狀陰極的一個(gè)表面與隔膜的一個(gè)表面貼合 形成膜陰極；等等。但是，現(xiàn)有的MFC電池單體的輸出電壓或電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用，因而必須通過串聯(lián)或并聯(lián)方式裝配成電池堆
來實(shí)現(xiàn)MFC的放大。
MFC的放大是MFC工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。如何將MFC電池單體 放大到MFC電池堆是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
專利CN101034754A公開了一種可堆疊的空氣陰極單室MFC， 為薄板式結(jié)構(gòu)，兩組膜電極共用陽極室，減小了電池厚度，其形狀便 于堆疊。但該設(shè)計(jì)采用價(jià)格昂貴的質(zhì)子交換膜構(gòu)造MFC，成本過高， 尤為關(guān)鍵的問題是雖然各單體MFC可堆疊，但堆疊時(shí)各單體MFC 分別進(jìn)出料，其運(yùn)行方式在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣。
綜上所述，傳統(tǒng)MFC存在以下缺陷1)設(shè)計(jì)理念源于質(zhì)子交換 膜燃料電池(PEMFC)，采用昂貴質(zhì)子交換膜作為隔膜，由于MFC 的輸出功率比PEMFC約低2 3個(gè)數(shù)量級(jí)，使用質(zhì)子交換膜的MFC 顯然不具備實(shí)用價(jià)值；2)陰極氧還原反應(yīng)需要持續(xù)通氣供氧，使得 供氧耗能超過產(chǎn)出電能，MFC無法實(shí)現(xiàn)自我維持運(yùn)行。2005年美國 環(huán)境工程學(xué)家Logan首次提出空氣陰極單室MFC構(gòu)型，省去了陰極 室，采用空氣被動(dòng)曝氣供氧，使得凈產(chǎn)能成為可能，但這種MFC目 前只局限于電池單體，其堆疊與放大都存在難度；3)電池結(jié)構(gòu)與運(yùn) 行方式不利于放大。MFC作為一種有潛力的有機(jī)廢物處置技術(shù)，必 須解決燃料的進(jìn)/出問題，即有機(jī)廢物的進(jìn)入與處理后的流出方式。 現(xiàn)有已報(bào)道的MFC電池堆的最高串聯(lián)數(shù)為6個(gè)，但6個(gè)單體電池分 別進(jìn)料、分別出料，這種方式若用于廢水處理，根本不具備操作可行 性。因此，實(shí)現(xiàn)MFC的放大和工程化應(yīng)用必須首先解決以下技術(shù)瓶 頸1)大幅度降低MFC造價(jià)，改變設(shè)計(jì)理念，采用低成本膜材料代 替昂貴的質(zhì)子交換膜；2)設(shè)計(jì)共陽極液的多級(jí)串/并聯(lián)的MFC電池 堆，以解決燃料統(tǒng)一進(jìn)/出問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓池流的提升。但目前 尚未見到能同時(shí)解決所述技術(shù)瓶頸的多級(jí)微生物燃料電池裝置的相 關(guān)技術(shù)報(bào)道。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)不利于擴(kuò) 展和放大以及成本高的缺點(diǎn)，提供一種多級(jí)微生物燃料電池裝置，所 述多級(jí)微生物燃料電池裝置具有易擴(kuò)展、統(tǒng)一進(jìn)料和出料、結(jié)構(gòu)緊湊、 造價(jià)低廉、輸出功率密度高、COD (化學(xué)需氧量)去除效果好等優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來予以實(shí)現(xiàn)提供一種多
級(jí)微生物燃料電池裝置(即MFC電池堆)，包括若干個(gè)微生物燃料電 池單體，所述微生物燃料電池單體包括鏤空的骨架、膜陰極和陽極， 膜陰極包裹鏤空的骨架形成陽極室，陽極置于陽極室內(nèi)；分別以導(dǎo)線 從膜陰極、陽極導(dǎo)出；所述若干個(gè)微生物燃料電池單體通過管道首尾 相接，各陽極室相互連通；所述管道設(shè)有一個(gè)進(jìn)料口和一個(gè)出料口。 所述若干個(gè)微生物燃料電池單體可以設(shè)置于一條直的管道上，管 道一端為進(jìn)料口， 一端為出料口；作為優(yōu)選，所述管道還包括彎管， 若干條管道通過若干彎管依次連接形成盤管式結(jié)構(gòu)；所述若干個(gè)微生 物燃料電池單體設(shè)置于管道并通過盤管式結(jié)構(gòu)的管道連接在空間上 縱向、橫向或分層設(shè)置，獲得更好的放大效果。所述骨架可與管道一體，即在管道上依次取一段鏤空作為骨架，
骨架與骨架之間可間隔2 20cm。管道采用廉價(jià)絕緣管材加工而成， 優(yōu)選PVC管。所述鏤空可采用現(xiàn)有技術(shù)慣用的方式，例如開通槽、 鉆孔等，孔的形狀無特殊要求。本實(shí)用新型優(yōu)選鉆孔，并且可選用直 徑為5 20cm的PVC管，在PVC管上間隔選取長為10 30cm的管 段作為單體MFC骨架，在骨架管段上鉆孔，孔直徑0.5 2cm，密度 約為每平方米100 3000孔。
所述膜陰極可采用附載催化劑的陰極材料(碳布或碳紙，優(yōu)選碳 布)與隔膜熱壓而成，為了降低成本，本實(shí)用新型采用低成本膜，如 陰/陽離子交換膜、納濾膜或高強(qiáng)度微孔徑濾布等。催化劑按照現(xiàn)有 常規(guī)技術(shù)選用，例如鉑、熱解酞菁亞鐵(pyr-FePc)或四甲氧基苯基 鈷卟啉(CoTMPP)。膜陰極制作方法如下稱取適量碳載鉑粉末、 pyr-FePc或CoTMPP加水潤濕，加入分散劑異丙醇和Nafion溶液攪 成糊狀，超聲分散后均勻涂敷于干燥碳布，真空干燥即得載鉑碳布； 將此碳布與隔膜在115 12(TC下熱壓5 10分鐘即得膜陰極。
所述陽極選用大比表面積導(dǎo)電材料，可參照現(xiàn)有技術(shù)選用，例如 石墨顆粒、碳?xì)?、碳布、碳纖維刷等。
將陽極材料置于電池骨架內(nèi)陽極室中，并以膜陰極包裹鉆孔管 材，膜陰極膜側(cè)在內(nèi)，緊貼PVC管，碳布在外，面向空氣，分別以 導(dǎo)線將陰陽極導(dǎo)出，即得單體MFC。通過管道連接方式的設(shè)置實(shí)現(xiàn) 單體MFC于空間縱向、橫向或分層布置，并通過管道將所述各個(gè)單 體MFC首尾相接，從而使所有MFC陽極室連通，并可根據(jù)需要將各單體MFC串聯(lián)或并聯(lián)，即得MFC電池堆。
廢水由管道進(jìn)料口泵入，充滿管道后停止進(jìn)料，接通電池堆回路， 馴化微生物產(chǎn)電；待電池堆產(chǎn)電穩(wěn)定后，恢復(fù)進(jìn)料，使廢水經(jīng)過多節(jié) 單體電池逐級(jí)處理后由出料口排出。
本實(shí)用新型的有益效果是
(1) 本實(shí)用新型以膜陰極包裹的管道為陽極室，陰極采用被動(dòng) 曝氣供氧，可連續(xù)運(yùn)行、統(tǒng)一進(jìn)料和出料，廢水從一端以推流的方式 進(jìn)入，經(jīng)多節(jié)單體電池逐級(jí)處理至另一端達(dá)標(biāo)排放；同時(shí)成功實(shí)現(xiàn)電 壓或電流的提升。
(2) 本實(shí)用新型無需通氣耗能、維護(hù)簡便；
(3) 本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，盤管式可擴(kuò)展。
(4) 本實(shí)用新型造價(jià)較低，輸出功率密度高、COD去除效果好 適合工業(yè)推廣應(yīng)用；
綜上所述，本實(shí)用新型解決了 MFC的放大和工程化應(yīng)用的技術(shù) 瓶頸，用于廢水或含水量高的有機(jī)廢物的處理與能源回收，特別是在 高濃度有機(jī)廢水、人畜糞便等廢棄生物質(zhì)能利用方面具有廣闊應(yīng)用前
學(xué)


圖1盤管式多級(jí)微生物燃料電池裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2單體微生物燃料電池的骨架與膜陰極結(jié)構(gòu)示意圖
圖3單體微生物燃料電池陽極室構(gòu)造示意圖
圖4本實(shí)用新型用于處理啤酒廢水的輸出功率曲線圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型。 實(shí)施例1
本實(shí)用新型提供一種多級(jí)微生物燃料電池裝置，為盤管式結(jié)構(gòu)，
如附圖l、附圖2和附圖3所示，所述的多級(jí)微生物燃料電池裝置由 若干個(gè)微生物燃料電池單體1組成，所述微生物燃料電池單體1包括 鏤空的骨架5、膜陰極8和陽極10，膜陰極8包裹鏤空的骨架5形成 陽極室ll，陽極10置于陽極室11內(nèi)；分別以導(dǎo)線將陰、陽極引出； 所述若干個(gè)微生物燃料電池單體1通過管道2首尾相接，各陽極室相 互連通；所述管道2設(shè)有一個(gè)進(jìn)料口3和一個(gè)出料口4。
所述骨架5可與管道是一體，即在管道上依次取一段鏤空作為骨 架，骨架與骨架之間可間隔2 20cm。管道采用廉價(jià)絕緣管材加工而 成，優(yōu)選PVC管。所述鏤空可采用現(xiàn)有技術(shù)慣用的方式，本實(shí)用新 型優(yōu)選鉆孔，并且可選用直徑為5 20cm的PVC管，在PVC管上間 隔選取長為10 30cm的管段作為單體MFC骨架，在骨架管段上鉆 孑L，孔9直徑0.5 2cm，密度約為每平方米骨架外表面積100 3000 孔。
所述膜陰極8由陰極6和隔膜7熱壓在一起構(gòu)成。 所述陽極10選用大比表面積導(dǎo)電材料，如石墨顆粒、碳?xì)帧⑻?br> 布、碳纖維刷等。
廢水由進(jìn)料口 3進(jìn)入管道2，并充滿單體微生物燃料電池2的陽
極室11，經(jīng)多節(jié)單體電池1逐級(jí)處理后至下部出料口 4排出電池堆。各單體MFC陰陽極均有導(dǎo)線引出，并可根據(jù)需要進(jìn)行單體電池的串 聯(lián)或并聯(lián)。
盤管式多級(jí)微生物燃料電池裝置為空氣陰極構(gòu)造，陰極材料為附 載催化劑的碳布6，而與其熱壓的隔膜7可以采用質(zhì)子交換膜、陽離
子交換膜、陰離子交換膜、納濾膜或高強(qiáng)度微孔徑濾布。膜陰極包裹 鉆有小孔9的PVC管材上(膜在內(nèi)，碳布在外)，陽極室ll中的廢 水可通過小孔與隔膜7直接接觸，陽極液中的質(zhì)子在小孔處穿過隔膜 7與陰極反應(yīng)，從而輸出電流。 實(shí)施例2
本實(shí)施例說明本實(shí)用新型提供的多級(jí)微生物燃料電池裝置及所 述裝置應(yīng)用于處理啤酒廢水的實(shí)驗(yàn)。
(1)多級(jí)微生物燃料電池裝置的構(gòu)建
如附圖1所示，以管徑為5cm的PVC管間隔取段作為骨架5， 骨架5長13cm。每條PVC管布置五個(gè)單體微生物燃料電池1，五個(gè) 單體微生物燃料電池1陽極室相通并通過管道的連接依次首尾相接， 兩條所述的PVC管并列放置組成一層，附圖1中所示采用六條所述 PVC管設(shè)置成三層，通過彎管12依次連通所述的六條PVC管，并將 第一條和第六條的一端分別設(shè)置為進(jìn)料口 3和出料口 4。這樣三十節(jié) 單體微生物燃料電池共三層組成電池堆，各單體MFC間串聯(lián)。本實(shí) 施例給出的PVC管數(shù)目只是一個(gè)簡單的例舉，并不因此限定本實(shí)用 新型，理論上PVC管數(shù)目可以是任意數(shù)字，可視具體需要確定。
骨架5管壁鉆孔9，孔徑lcm，密度約為每平方米2500孔。單體MFC陽極室ll內(nèi)填入石墨顆粒10作為陽極。如附圖3所示，當(dāng) 填入的陽極材料是散狀物時(shí)，可在陽極室11兩端設(shè)置絕緣隔板13， 隔板13可選用PVC板材、有機(jī)玻璃板或本領(lǐng)域常規(guī)選用的絕緣板材， 隔板13的設(shè)置方法沒有特殊要求，采用常規(guī)技術(shù)，隔板13應(yīng)留出水 流通道以供廢水流過，可以在隔板上鉆孔，孔的形狀大小沒有特殊要 求，本實(shí)用新型優(yōu)選隔板孔徑與所述的PVC管的孔徑比為1:10。 MFC鏤空骨架5外周包裹膜陰極8 (膜在內(nèi)側(cè)，緊貼PVC管)，該膜 陰極8由陽離子交換膜(購于浙江千秋實(shí)業(yè)有限公司)與載鉑碳布在 12(TC下熱壓5分鐘獲得。同現(xiàn)有技術(shù)相同，導(dǎo)線從單體MFC 1的陰、 陽極分別引出，各單體MFC串聯(lián)。 其中，載鉑碳布制備步驟如下
1、 剪取碳布(長16cm、寬13cm);
2、 稱取20%碳載鉑粉末0.12g于稱量瓶中，加水0.3mL潤濕， 再加12mL異丙醇分散劑，然后加入5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Nafion溶液 0.46mL攪成糊狀，超聲分散30分鐘；
3、 用刷子將糊狀混合物均勻地涂在干燥的碳布上，于IO(TC真 空干燥3小時(shí)即制得載鉑碳布。
導(dǎo)線從單體MFC1的陰、陽極分別引出，各單體MFC串聯(lián)。 (2)電池堆啟動(dòng)運(yùn)行與啤酒廢水連續(xù)產(chǎn)電及處理效果
本實(shí)用新型所述裝置可在室溫15 35"C環(huán)境中啟動(dòng)運(yùn)行。啟動(dòng) 電池堆時(shí)，關(guān)閉出料口 4，將接種有產(chǎn)電微生物種子的啤酒廢水(COD 為3010mg/L)由進(jìn)料口3泵入管內(nèi)，啤酒廢水在管中沿箭頭方向往出料口4方向推流，充滿電池堆后停止進(jìn)水，接通電池回路，負(fù)載外 阻為1000Q。待輸入電壓升至5V以上時(shí)，表明電池堆啟動(dòng)成功。打 開出料口4，由進(jìn)料口 3持續(xù)泵入啤酒廢水，調(diào)整流量，保持廢水的 水力停留時(shí)間為24小時(shí)。為期一年的運(yùn)行結(jié)果表明，所述電池堆在 處理廢水的同時(shí)，可連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。處理后啤酒廢水的出水COD 低于200 mg/L， COD去除率可達(dá)95%以上，輸出功率見附圖4所示， 最大功率密度為16W/m3。
同理，本實(shí)用新型所述為多級(jí)微生物燃料電池裝置可適用于人畜 糞便、生活污水等有機(jī)廢物的處理中。
權(quán)利要求1、一種多級(jí)微生物燃料電池裝置，包括若干個(gè)微生物燃料電池單體，其特征在于所述微生物燃料電池單體包括鏤空的骨架、膜陰極和陽極，膜陰極包裹鏤空的骨架形成陽極室，陽極置于陽極室內(nèi)；分別以導(dǎo)線從膜陰極、陽極導(dǎo)出；所述若干個(gè)微生物燃料電池單體通過管道首尾相接，各陽極室相互連通；所述電池堆設(shè)有一個(gè)進(jìn)料口和一個(gè)出料口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征在于 所述管道還包括彎管，管道通過彎管依次連接形成盤管式結(jié)構(gòu)；所述 若干個(gè)微生物燃料電池單體通過盤管式結(jié)構(gòu)管道連接在空間上縱向、 橫向或分層設(shè)置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征在于 所述骨架與管道一體，在管道上依次取段鏤空作為骨架，單體微生物 燃料電池骨架與骨架之間間隔2 20cm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征 在于所述管道為PVC管；所述PVC管直徑為5 20cm，所述微生物 燃料電池單體骨架長為10 30cm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征 在于所述鏤空為通孔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征在于 所述通孔直徑為0.5 2cm，數(shù)量為每平方米骨架外表面積100 3000 個(gè)孔。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述多級(jí)微生物燃料電池裝置，其特征在于所述膜電極由附載催化劑的碳布與離子交換膜熱壓而成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多級(jí)微生物燃料電池裝置，包括若干個(gè)微生物燃料電池單體，所述微生物燃料電池單體包括鏤空的骨架、膜陰極和陽極，膜陰極包裹鏤空的骨架形成陽極室，陽極置于陽極室內(nèi)；分別以導(dǎo)線從膜陰極、陽極導(dǎo)出；所述若干個(gè)微生物燃料電池單體通過管道首尾相接，各陽極室相互連通；所述電池堆設(shè)有一個(gè)進(jìn)料口和一個(gè)出料口。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)不利于擴(kuò)展和放大以及成本高的缺點(diǎn)，具有易擴(kuò)展、統(tǒng)一進(jìn)料和出料、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉、輸出功率密度高、COD去除效果好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/16GK201229964SQ20082005019
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月7日
發(fā)明者周順桂 申請人:廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所