一種應(yīng)用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(yīng)用微生物燃料電池由有機(jī)廢水產(chǎn)生電能，并將電能升壓存儲(chǔ)到鋰電池中的方法，屬于水處理工藝領(lǐng)域，具體是利用微生物燃料電池氧化有機(jī)廢水產(chǎn)生電能，輸出的電能經(jīng)過DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器升壓到適當(dāng)電壓，然后存儲(chǔ)到鋰電池中。
【專利說明】一種應(yīng)用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水處理工藝領(lǐng)域，具體涉及生物電化學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物作為催化劑，將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其原理是，MFC陽極的厭氧活性微生物可以分解有機(jī)物釋放出電子，電子通過適宜的電子傳遞介體或納米導(dǎo)線等被傳遞到陽極上，然后通過外電路傳遞到陰極形成電流，在陰極與電子受體相結(jié)合，兩極間還有一些離子的平衡移動(dòng)使整個(gè)過程形成一個(gè)完整的回路。
[0003]能源短缺與環(huán)境污染是當(dāng)今人類發(fā)展所面臨的兩個(gè)重大危機(jī)和挑戰(zhàn)，MFC正是針對(duì)這兩大問題的良方。環(huán)境污染中的大多數(shù)的廢水中含有大量的可生物利用的有機(jī)物，可以作為MFC的底物。MFC可以利用這些有機(jī)污染物產(chǎn)生電能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理，既處理了污染又產(chǎn)生了能源。
[0004]然而，目前針對(duì)MFC的大多數(shù)研究都是利用它來處理污染物，MFC可以產(chǎn)生電能，但其產(chǎn)生的電能相當(dāng)微弱，而且電壓也較低，難以被直接利用。例如，以氧氣為電子受體、乙酸鹽作為陽極底物時(shí)，理論上MFC的開路電壓為1.1V，最大功率密度為17Wm_2和1600kWm_3，而目前能達(dá)到的最佳值為0.83V、6.86WnT2、l.55kWnT3。如何將MFC產(chǎn)生的這部分電能收集利用一直是困擾研究者的一個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于建立一種利用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能，并且將產(chǎn)生電能的升壓存儲(chǔ)的方法，實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理有機(jī)廢水和產(chǎn)生可以被直接利用的電能。
[0006]本發(fā)明方法包括利用廢水產(chǎn)生電能、電能的升壓和電能的存儲(chǔ)三部分，可以分別由微生物燃料電池、DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器和鋰電池三部分裝置來實(shí)現(xiàn)。所述微生物燃料電池可以為單室或雙室，兩極間距小于1cm，以保證較低的內(nèi)阻；陽極室中接種有厭氧活性產(chǎn)電微生物，當(dāng)向其中引入有機(jī)廢水時(shí)，活性產(chǎn)電微生物能夠氧化其中的有機(jī)物產(chǎn)生電子，電子被傳遞到陽極上，再經(jīng)過外電路傳遞到陰極與特定的電子受體發(fā)生反應(yīng)。所述的外電路中連接有DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器。所述的DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器能夠利用直流超低電壓，將其升舉到可充入鋰電的電壓水平。DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器的輸出端連接到一個(gè)鋰電池上，升舉后的電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電。所述的鋰電池為可反復(fù)利用的易于充電的鋰電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的微生物燃料電池的連續(xù)運(yùn)行圖(外阻15歐姆)。
[0009]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器示意圖。[0010]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的充電過程中微生物燃料電池隨時(shí)間的輸出電壓變化。
[0011]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的充電過程中鋰電池隨時(shí)間的電壓變化。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面以實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0013]1.微生物燃料電池
(I)構(gòu)造:
本實(shí)例采用單室空氣陰極MFC，反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制作，如圖1所示。陽極室內(nèi)部尺寸為7cm*15cm*2cm,其中設(shè)置有碳租制作的陽極I,其尺寸為7cm*15cm*lcm,用鈦絲連接固定并引出陽極室，加入陽極后陽極室的有效體積為150ml。在陽極室的一側(cè)設(shè)有一個(gè)5cm*7cm的開口，陰極2設(shè)置于這一開口處，其尺寸為6cm*8cm，正好覆蓋于開口上，四周密封，用鈦絲連接陰極并導(dǎo)出；陰極為以碳布4制作的空氣擴(kuò)散陰極，面向陽極室內(nèi)一側(cè)附有
0.5mgcm_2鉬催化劑3，面向空氣一側(cè)附有四層空氣擴(kuò)散層5 (PTFE涂層)。陽極室設(shè)有可開閉的添加和去除廢水的進(jìn)出水口 6。
[0014]兩電極端連接有數(shù)據(jù)采集器(Adam-4017，研華科技，中國)每隔30S記錄電壓值，并將數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)至PC中。
[0015]( 2)陽極液和活性微生物
陽極液采用模擬廢水，主要成分為:葡萄糖(lg/L)，NH4Cl (0.62g/L), NaH2PO4.H2O(4.90g/L),NaH2PO4 (9.15g/L)，KCl (0.26g/L)以及少量微量元素和維生素，使用前曝氮?dú)?0分鐘。
[0016]陽極接種活性微生物為本實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)行的MFC陽極中的微生物。
[0017]( 3 )啟動(dòng)
啟動(dòng)MFC時(shí)，MFC外電路僅連接1000歐姆外阻。接種IOOml含活性微生物的廢水和50ml陽極液到MFC陽極室，保證厭氧環(huán)境，72h后更換50ml新鮮陽極液。之后每隔24h，更換50ml新鮮陽極液，直至產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定。
[0018]電壓穩(wěn)定后，更換外電路電阻為15歐姆，連續(xù)運(yùn)行MFC反應(yīng)器。每當(dāng)電壓降至20mV以下時(shí)，更換50ml新鮮陽極液，直達(dá)電壓穩(wěn)定。見圖2。
[0019]2.升壓存儲(chǔ)裝置
采用LTC3108芯片(凌力爾特，美國)及其輔助電路連接成DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器，如圖3所示。MFC的陽極和陰極引出的導(dǎo)線分別連接DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器電路輸入端的負(fù)極和正極。DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器電路的輸出端連接鋰電池(型號(hào)351015，額定電壓3.7V，容量20mAh)。
[0020]3.電能的升壓存儲(chǔ)
待MFC電壓降至20mV以下時(shí)，更換50ml新鮮陽極液，并將其連接至DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器的輸入端，DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器的輸出端連接有已經(jīng)過一段時(shí)間放電的鋰電池。分別記錄MFC的輸出電壓和鋰電池的電壓。
[0021]經(jīng)過96個(gè)小時(shí)的運(yùn)行，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可見，MFC運(yùn)行了 7個(gè)周期，每當(dāng)加入新鮮陽極液，MFC的輸出電壓都迅速升高，經(jīng)過1-2小時(shí)即可達(dá)到最大值，然后維持電壓較高狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間后再較快速的下降。MFC大部分的時(shí)間的電壓都維持在30-42mV之間。圖5所示的是被MFC升壓充電的鋰電池的電壓變化，可以看出鋰電池的電壓緩慢升高，由3.276V升高至3.724V。并且，鋰電池的電壓變化隨著MFC的周期變化而呈現(xiàn)階段性的變化，當(dāng)MFC的電壓在較高水平時(shí)，鋰電池的電壓升高較快；當(dāng)MFC的電壓在較低水平時(shí)，鋰電的電壓升高緩慢或者保持不變。這證明了 MFC經(jīng)過DC/DC升壓轉(zhuǎn)化器可以將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到鋰電池中。
【權(quán)利要求】
1.一種利用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法，其特征在于，采用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器將微生物燃料電池產(chǎn)生的電能直接升壓存儲(chǔ)到鋰電池中。
2.如權(quán)利要求1所述的利用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法，其特征在于，所述的微生物燃料電池能夠利用有機(jī)廢水產(chǎn)生電能，并且將該電能升壓到可以被正常使用的水平，存儲(chǔ)積累后的電能可以應(yīng)用到生活中的多個(gè)方面，真正實(shí)現(xiàn)廢水處理與產(chǎn)生能源的雙重作用。
3.如權(quán)利要求1所述的利用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法，其特征在于，直接的連續(xù)的運(yùn)用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)MFC的低電壓進(jìn)行升壓，不需要其它轉(zhuǎn)化或者間歇性積累。
4.如權(quán)利要求1所述的利用微生物燃料電池由廢水產(chǎn)生電能及升壓存儲(chǔ)的方法，其特征在于，將微生物燃料電池從廢水中回收的電能存儲(chǔ)到鋰電池中，先蓄積后利用，適合微生物燃料電池產(chǎn)生的電能較微弱的特點(diǎn)，也能保障對(duì)后續(xù)應(yīng)用的有效支持。
【文檔編號(hào)】H01M8/16GK103427101SQ201210160043
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月22日
【發(fā)明者】陶虎春, 丁輝, 李鵬松 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院