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一種微生物燃料電池堆的制作方法

文檔序號:6892355閱讀:161來源:國知局
專利名稱:一種微生物燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領域
本發(fā)明屬于環(huán)境與新能源技術(shù)領域,具體涉及一種微生物燃料電 池堆。 尿伎不能源緊缺與有機廢棄物處置是當今世界面臨的兩大挑戰(zhàn)。微生物燃料電池(MFC)是將有機物中的化學能直接轉(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、高濃度有機廢水、人畜糞便等均可作為MFC的燃料, 它在產(chǎn)電的同時可有效去除有機物,因此是一項發(fā)展?jié)摿薮蟮南冗M 生物質(zhì)能利用技術(shù),有望成為未來有機廢物處理的支柱性技術(shù)。MFC的基本原理是有機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 到達陰極,從而形成回路產(chǎn)生電流,而質(zhì)子通過交換膜到達陰極,與 氧反應生成水。現(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線的設置、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表面與隔膜的一個表面貼合 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遠不能滿足實際應用,因而必須通過串聯(lián)或并聯(lián)方式裝配成電池堆來實現(xiàn)MFC的放大。MFC的放大是MFC工程化應用的關鍵。如何將MFC電池單體 放大到MFC電池堆是一項系統(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。但該設計采用價格昂貴的質(zhì)子交換膜構(gòu)造MFC,成本過高, 尤為關鍵的問題是雖然各單體MFC可堆疊,但堆疊時各單體MFC 分別進出料,其運行方式在實際應用中難以推廣。綜上所述,傳統(tǒng)MFC存在以下缺陷l)設計理念源于質(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個數(shù)量級,使用質(zhì)子交換膜的MFC 顯然不具備實用價值;2)陰極氧還原反應需要持續(xù)通氣供氧,使得 供氧耗能超過產(chǎn)出電能,MFC無法實現(xiàn)自我維持運行。2005年美國 環(huán)境工程學家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 行方式不利于放大。MFC作為一種有潛力的有機廢物處置技術(shù),必 須解決燃料的進/出問題,即有機廢物的進入與處理后的流出方式。 現(xiàn)有已報道的MFC電池堆的最高串聯(lián)數(shù)為6個,但6個單體電池分 別進料、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,實現(xiàn)MFC的放大和工程化應用必須首先解決以下技術(shù)瓶 頸1)大幅度降低MFC造價,改變設計理念,采用低成本膜材料代 替昂貴的質(zhì)子交換膜;2)設計共陽極液的多級串/并聯(lián)的MFC電池 堆,以解決燃料統(tǒng)一進料和出料問題,同時實現(xiàn)電壓/電流的提升。 但目前尚未見到相關的技術(shù)報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)與運行方式不 利于擴展和放大以及成本高的缺點,提供一種微生物燃料電池堆,所 述電池堆具有易擴展、統(tǒng)一進料和出料、結(jié)構(gòu)緊湊、造價低廉、輸出 功率密度高、COD (化學需氧量)去除效果好等優(yōu)點。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來予以實現(xiàn)提供一種微生物燃料電池堆,包括若干個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);分別以導線從膜陰極、 陽極導出;所述若干個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;所述管道設有一個進料口和一個出料口。所述若干個微生物燃料電池單體可以設置于一條直的管道上,管 道一端為進料口, 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);所述若干個微生 物燃料電池單體設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。本發(fā)明優(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(X5 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,本發(fā)明采用低成本膜,如陰/ 陽離子交換膜、納濾膜或高強度微孔徑濾布等。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)或四甲氧基苯基鈷口卜 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電材料,可參照現(xiàn)有技術(shù)選用,例如 石墨顆粒、碳氈、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 導線將陰陽極導出,即得單體MFC。通過管道連接方式的設置實現(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),即得電池堆。廢水由管道進料口泵入,充滿管道后停止進料,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,恢復進料,使廢水經(jīng)過多節(jié) 單體電池逐級處理后由出料口排出。 本發(fā)明的有益效果是(1) 本發(fā)明以膜陰極包裹的管道為陽極室,陰極采用被動曝氣 供氧,可連續(xù)運行、統(tǒng)一進料和出料,廢水從一端以推流的方式進入,經(jīng)多節(jié)單體電池逐級處理至另一端達標排放;同時成功實現(xiàn)電壓或電 流的提升。(2) 本發(fā)明無需通氣耗能、維護簡便;(3) 本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積少,盤管式可擴展。(4) 本發(fā)明造價較低,輸出功率密度高、COD去除效果好適合 工業(yè)推廣應用;綜上所述,本發(fā)明解決了 MFC的放大和工程化應用的技術(shù)瓶頸, 用于廢水或含水量高的有機廢物的處理與能源回收,特別是在高濃度 有機廢水、人畜糞便等廢棄生物質(zhì)能利用方面具有廣闊應用前景。


圖1盤管式微生物燃料電池堆結(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本發(fā)明用于處理啤酒廢水的輸出功率曲線圖具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例來進一步詳細說明本發(fā)明。實施例1本發(fā)明提供一種微生物燃料電池堆,為盤管式結(jié)構(gòu),如附圖l、附圖2和附圖3所示,所述的微生物燃料電池堆由若干個微生物燃料 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11,陽極 10置于陽極室11內(nèi);分別以導線將陰、陽極引出;所述若干個微生 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設有一個進料口 3和一個出料口 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,本發(fā)明優(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9直徑0.5 2cm,密度約為每平方米骨架外表面積100 3000孑L。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選用大比表面積導電材料,如石墨顆粒、碳氈、碳 布、碳纖維刷等。廢水由進料口3進入管道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陰陽極均有導線引出,并可根據(jù)需要進行單體電池的串 聯(lián)或并聯(lián)。盤管式微生物燃料電池堆為空氣陰極構(gòu)造,陰極材料為附載催化200810029221.6說明書第6/9頁實施例1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,從而輸出電流。 實施例2本實施例說明本發(fā)明提供的微生物燃料電池堆及采用該裝置處 理啤酒廢水的方法。(1)電池堆的構(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管布置五個單體微生物燃料電池1,五個 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置為進料口 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 施例給出的PVC管數(shù)目只是一個簡單的例舉,并不因此限定本發(fā)明, 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孑L。單 體MFC陽極室11內(nèi)填入石墨顆粒10作為陽極。如附圖3所示,當 填入的陽極材料是散狀物時,可在陽極室11兩端設置絕緣隔板13, 隔板13可選用PVC板材、有機玻璃板或本領域常規(guī)選用的絕緣板材,隔板13的設置方法沒有特殊要求,采用常規(guī)技術(shù),隔板13應留出水 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,本發(fā)明優(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(購于浙江千秋實業(yè)有限公司)與載鉑碳布在120°C 下熱壓5分鐘獲得。同現(xiàn)有技術(shù)相同,導線從單體MFC l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)量分數(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小時即制得載鉑碳布。導線從單體MFC1的陰、陽極分別引出,各單體MFC串聯(lián)。 (2)電池堆啟動運行與啤酒廢水連續(xù)產(chǎn)電及處理效果本發(fā)明上述電池堆可在室溫15 35。C環(huán)境中啟動運行。啟動電 池堆時,關閉出料口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水,接通電池回路,負載外 阻為1000Q。待輸入電壓升至5V以上時,表明電池堆啟動成功。打 開出料口4,由進料口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間為24小時。為期一年的運行結(jié)果表明,所述電池堆在 處理廢水的同時,可連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。處理后啤酒廢水的出水COD 低于200mg/L, COD去除率最大輸出功率見附圖4所示。同理,本發(fā)明所述為微生物燃料電池堆可適用于人畜糞便、生活 污水等有機廢物的處理中。
權(quán)利要求
1、一種微生物燃料電池堆,包括若干個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);分別以導線從膜陰極、陽極導出;所述若干個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;所述電池堆設有一個進料口和一個出料口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池堆,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 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 分層設置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池堆,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所述微生物燃料電池,其特征在于所述 管道為絕緣管材。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述微生物燃料電池堆,其特征在于所述管 道為PVC管;所述PVC管直徑為5 20cm,所述單體微生物燃料電 池骨架長為10 30cm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述微生物燃料電池堆,其特征在于所 述鏤空采用鉆孔方法。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述微生物燃料電池堆,其特征在于所述孔直徑為0.5 2cm,密度為每平方米骨架外表面積100 3000個孔。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池堆,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。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述微生物燃料電池堆,其特征在于所述熱 壓是在115 12(TC下熱壓5 10分鐘。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述微生物燃料電池堆,其特征在于所述陽 極為石墨顆粒、碳氈、碳布或碳纖維刷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物燃料電池堆,包括若干個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);分別以導線從膜陰極、陽極導出;所述若干個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;所述電池堆設有一個進料口和一個出料口。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)與運行方式不利于擴展和放大以及成本高的缺點,具有易擴展、統(tǒng)一進料和出料、結(jié)構(gòu)緊湊、造價低廉、輸出功率密度高、COD去除效果好等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/16GK101315985SQ20081002922
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4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
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