一種雙向控溫微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙向控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口；所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有調(diào)溫系統(tǒng)；所述陽極體和所述陰極體均由導(dǎo)熱絕緣體和電極活性體組成。本發(fā)明通過設(shè)置調(diào)溫系統(tǒng)，既可對(duì)電極體升溫也可降溫，用于研究微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，對(duì)人們揭示微生物低溫下的電化學(xué)行為及其規(guī)律、解開低溫動(dòng)物生存之謎具有重要的科學(xué)意義。
【專利說明】
一種雙向控溫微生物燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電池，尤其涉及一種雙向控溫微生物燃料電池，屬于綠色生物能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell ,MFC)由陽極室和陰極室組成，兩極室之間通過離子交換膜相隔。陽極微生物在厭氧環(huán)境下降解有機(jī)物產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳；電子傳輸?shù)疥枠O通過外電路負(fù)載到達(dá)生物陰極，質(zhì)子通過離子交換膜由陽極室到達(dá)陰極室；陰極室電子受體氧氣在陰極得到電子和質(zhì)子而被還原成水，從而產(chǎn)生電流。微生物燃料電池是一種綠色新能源技術(shù)，在近幾年得到廣泛深入地研究，為解決能源短缺和污水處理提供了一條新途徑。
[0003]到目前為止，實(shí)驗(yàn)室里的微生物燃料電池的實(shí)際性能比理想性能還是低很多。微生物燃料電池的產(chǎn)電性能產(chǎn)生受到很多因素的影響。微生物燃料電池的產(chǎn)電包括幾個(gè)主要過程:微生物的代謝、電子從細(xì)胞傳遞到陽極、質(zhì)子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極以及陰極上電子受體的還原反應(yīng)。電池中微生物的低轉(zhuǎn)化效率，即使是在最快的生長(zhǎng)速率下，微生物的轉(zhuǎn)化效率以及與電極之間的電子傳遞依然很慢。而高溫能夠加速幾乎所有的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，包括生物的和化學(xué)的。在微生物燃料電池中通常都是利用氧氣作為陰極中還原反應(yīng)的電子受體，氧氣還原的動(dòng)力學(xué)因素也是微生物燃料電池性能的一個(gè)限制因子。升溫能夠提高物質(zhì)傳輸速率、加速陰極的電極反應(yīng)，從而提高電池的性能。
[0004]水是構(gòu)建地球生命的載體。通常情況下，當(dāng)外界環(huán)境溫度降到(TC以下后，冰晶的形成會(huì)使得細(xì)胞外電解質(zhì)濃度升高導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡[I]。但奇怪的是，某些哺乳動(dòng)物在極端超冷的條件下依然能夠存活。例如，一種極地魚能夠在-1.9°C的環(huán)境中存活[2]，冬眠的北極地松鼠的體內(nèi)溫度在-2.9°C時(shí)也不會(huì)被凍僵[3]，一些哺乳動(dòng)物剝離的外周神經(jīng)在冷至-6 °C的溫度下依然能夠恢復(fù)活性[4]。這些極端環(huán)境下的生物活動(dòng)現(xiàn)象，引起了人們極大的興趣。
[0005]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種雙向控溫微生物燃料電池。利用本發(fā)明，不僅可以監(jiān)測(cè)微生物燃料電池陽極和陰極表面溫度，而且可以通過溫控電路快速準(zhǔn)確調(diào)控陽極和陰極表面溫度。在升溫方面，本發(fā)明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機(jī)污染物所需時(shí)間。在降溫方面，通過對(duì)寒冷地帶的淤泥，海水，南極和北極冰中嗜冷微生物的富集純化以及后續(xù)分離和表征，發(fā)現(xiàn)新菌種有重要的意義。通過研究微生物在零下幾度乃至十幾度的極端低溫下的存活情況以及微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，對(duì)人們揭示微生物低溫下的電化學(xué)行為及其規(guī)律、解開低溫動(dòng)物生存之謎具有重要的科學(xué)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種雙向控溫微生物燃料電池，通過研究微生物在零下幾度乃至十幾度的極端低溫下的存活情況以及微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，對(duì)人們揭示微生物低溫下的電化學(xué)行為及其規(guī)律、解開低溫動(dòng)物生存之謎具有重要的科學(xué)意義。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:一種雙向控溫微生物燃料電池，包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有調(diào)溫系統(tǒng);所述陽極體和所述陰極體均由導(dǎo)熱絕緣體和電極活性體組成。
[0008]進(jìn)一步地，所述調(diào)溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度控制器、冷卻系統(tǒng)、半導(dǎo)體制冷片和溫度傳感器;所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號(hào)接收端與所述溫度傳感器的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度傳感器設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體的電極活性體上，所述半導(dǎo)體制冷片的一端與所述陽極體和所述陰極體的導(dǎo)熱絕緣體連接，所述半導(dǎo)體制冷片的另一端與所述冷卻系統(tǒng)連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體制冷片的另一端通過導(dǎo)熱硅脂與所述冷卻系統(tǒng)連接，并通過環(huán)氧樹脂固定成一個(gè)整體。
[0010]進(jìn)一步地，所述的冷卻系統(tǒng)可以是風(fēng)冷裝置、液冷裝置、相變材料冷卻裝置、導(dǎo)熱管冷卻裝置中的一種或多種的結(jié)合。
[0011]進(jìn)一步地，所述的導(dǎo)熱絕緣體可以是導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱陶瓷片、導(dǎo)熱矽膠片中的一種或多種。
[0012]進(jìn)一步地，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不鎊鋼、欽片材料。
[0013]進(jìn)一步地，所述閉合回路包括導(dǎo)線、外電阻和電壓表。
[0014]進(jìn)一步地，所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。
[0015]進(jìn)一步地，所述溫度傳感器引線的數(shù)量至少為兩根。
[0016]進(jìn)一步地，所述溫度控制器的數(shù)量為一個(gè)或兩個(gè)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:利用本發(fā)明，不僅可以監(jiān)測(cè)微生物燃料電池陽極體和陰極體表面的溫度，而且可以通過調(diào)溫系統(tǒng)快速調(diào)控陽極和陰極表面溫度。本發(fā)明的調(diào)溫系統(tǒng)通過選用半導(dǎo)體制冷片，其既能制冷，又能加熱，在升溫方面，本發(fā)明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機(jī)污染物所需時(shí)間。在降溫方面，通過對(duì)寒冷地帶的淤泥，海水，南極和北極冰中嗜冷微生物的富集純化以及后續(xù)分離和表征，發(fā)現(xiàn)新菌種有重要的意義。通過研究微生物在零下幾度乃至十幾度的極端低溫下的存活情況以及微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，對(duì)人們揭示微生物低溫下的電化學(xué)行為及其規(guī)律、解開低溫動(dòng)物生存之謎具有重要的科學(xué)意義。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明一種雙向控溫微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一一種雙向控溫微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]如圖1所示，一種雙向控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設(shè)置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室4內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室4上端設(shè)置開口 14，用于供大氣氣體進(jìn)入;所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有調(diào)溫系統(tǒng)，所述陽極體和所述陰極體均由導(dǎo)熱絕緣體12和電極活性體13組成。
[0022]所述調(diào)溫系統(tǒng)包括直流電源8、溫度控制器9、冷卻系統(tǒng)16、半導(dǎo)體制冷片11和溫度傳感器10;所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號(hào)接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度傳感器10設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體的電極活性體13上，所述半導(dǎo)體制冷片11的一端與所述陽極體和所述陰極體的導(dǎo)熱絕緣體12連接，所述半導(dǎo)體制冷片11的另一端與所述冷卻系統(tǒng)16連接。
[0023]所述半導(dǎo)體制冷片11的另一端通過導(dǎo)熱硅脂與所述冷卻系統(tǒng)16連接，并通過環(huán)氧樹脂固定成一個(gè)整體，所述的冷卻系統(tǒng)16可以是風(fēng)冷裝置、液冷裝置、相變材料冷卻裝置、導(dǎo)熱管冷卻裝置中的一種或多種的結(jié)合，所述的導(dǎo)熱絕緣體12可以是導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱陶瓷片、導(dǎo)熱矽膠片中的一種或多種，所述電極活性體13可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料，所述閉合回路包括導(dǎo)線7、外電阻6和電壓表15，所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻或熱電偶，所述溫度傳感器10引線的數(shù)量至少為兩根，所述溫度控制器9的數(shù)量為一個(gè)或兩個(gè)。
[0024]在本發(fā)明的具體技術(shù)方案，在調(diào)溫系統(tǒng)中，直流電源8負(fù)責(zé)提供直流電，溫度傳感器10測(cè)定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器9，因?yàn)樗霭雽?dǎo)體制冷片11既能加熱又能制冷，具體為通過調(diào)節(jié)輸入的電流方向進(jìn)行冷熱端切換，因此，溫度控制器9通過調(diào)節(jié)施加在陽極體和陰極體的半導(dǎo)體制冷片11電流大小和方向來控制陽極體和陰極體表面的溫度。
[0025]所述的導(dǎo)熱絕緣體12可以是導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱陶瓷片、導(dǎo)熱矽膠片中的一種或多種，所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料，所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻或熱電偶，所述溫度傳感器10引線的數(shù)量至少為兩根，所述溫度控制器9的數(shù)量為一個(gè)或兩個(gè)。所述的陽極體接種厭氧微生物，厭氧微生物5可以是琥珀酸放線桿菌、嗜水氣單胞菌、拜氏梭菌、腐敗希瓦氏菌等，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物；陽極微生物分解代謝有機(jī)物產(chǎn)生電子，電子通過外電路移動(dòng)到陰極室4，氧氣與電子以及從陽極室3透過的質(zhì)子在陰極室4反應(yīng)生成水，同時(shí)產(chǎn)生電能;所述溫度傳感器10可以是熱敏電阻如Ptl00、Ptl000、Ptl0000、Cu50、NTC、PTC等，也可以是熱電偶如K型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶、S型熱電偶、B型熱電偶等。
[0026]利用本發(fā)明，不僅可以監(jiān)測(cè)微生物燃料電池陽極體和陰極體表面溫度，而且可以通過調(diào)溫系統(tǒng)快速調(diào)控陽極體和陰極體表面溫度。在升溫方面，本發(fā)明能夠提高微生物的生物活性，加速陰極體上電子受體的還原反應(yīng)，從而提高微生物燃料電池的性能，減少分解有機(jī)污染物所需時(shí)間。在降溫方面，通過對(duì)寒冷地帶的淤泥，海水，南極和北極冰中嗜冷微生物的富集純化以及后續(xù)分離和表征，發(fā)現(xiàn)新菌種有重要的意義。通過研究微生物在零下幾度乃至十幾度的極端低溫下的存活情況以及微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，對(duì)人們揭示微生物低溫下的電化學(xué)行為及其規(guī)律、解開低溫動(dòng)物生存之謎具有重要的科學(xué)意義。
[0027]實(shí)施例一
[0028]如圖2所示，一種雙向控溫微生物燃料電池，包括電池本體I和離子交換膜2，所述離子交換膜2設(shè)置于所述電池本體I中部并將所述電池本體I分為陽極室3和陰極室4，所述陽極室3內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室4內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室4上端設(shè)置開口 14，用于供大氣氣體進(jìn)入;所述陽極體接種厭氧微生物5，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻6連接形成閉合回路7，所述陽極體和所述陰極體均連接有調(diào)溫系統(tǒng)，所述陽極體和所述陰極體均由導(dǎo)熱絕緣體12和電極活性體13組成。
[0029]所述調(diào)溫系統(tǒng)包括直流電源8、溫度控制器9、冷卻系統(tǒng)16、半導(dǎo)體制冷片11和溫度傳感器10;所述直流電源8與所述溫度控制器9的電源端連接，所述溫度控制器9的溫度信號(hào)接收端與所述溫度傳感器10的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度傳感器10設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體的電極活性體13上，所述半導(dǎo)體制冷片11的一端與所述陽極體和所述陰極體的導(dǎo)熱絕緣體12連接，所述半導(dǎo)體制冷片11的另一端與所述冷卻系統(tǒng)16連接。
[0030]具體為:將半導(dǎo)體制冷片11的一端通過導(dǎo)熱硅脂與冷卻系統(tǒng)16連接在一起，并通過環(huán)氧樹脂固定成一個(gè)整體。在半導(dǎo)體制冷片11的另一端修飾上一層導(dǎo)熱絕緣層12，并在導(dǎo)熱絕緣層12上修飾上一層電極活性體13，并將溫度傳感器10通過環(huán)氧樹脂膠固定在電極活性體13表面。對(duì)于陽極體來說，還需要在電極活性體13接種厭氧微生物5。陽極體和陰極體分別位于陽極室3和陰極室4，兩室之間通過陽離子交換膜2隔開。陽極體和陰極體通過導(dǎo)線和外電阻6連接形成閉合回路7。調(diào)溫電路中直流電源8與溫度控制器9相連接提供直流電，溫度傳感器10測(cè)定陽極體和陰極體表面的溫度并反饋給溫度控制器9，溫度控制器9通過調(diào)節(jié)輸出電流的大小和方向來控制陽極體和陰極體表面的溫度。陰極室4處在敞開的大氣環(huán)境中，并設(shè)導(dǎo)管供空氣吹入。陽極室3處在密閉的厭氧環(huán)境中，室內(nèi)的產(chǎn)電微生物通過代謝將廢水中的有機(jī)物氧化分解并產(chǎn)生電子、質(zhì)子，電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，質(zhì)子經(jīng)由陽離子交換膜2擴(kuò)散到陰極室4，陰極室4內(nèi)的氧氣與從陽極體通過導(dǎo)線傳遞到陰極室的電子和透過陽離子交換膜2進(jìn)入陰極室的質(zhì)子結(jié)合生成水實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電過程。
[0031 ]在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述冷卻系統(tǒng)16為風(fēng)冷與導(dǎo)熱管冷卻相結(jié)合。
[0032]在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述導(dǎo)熱絕緣體12為導(dǎo)熱硅脂。
[0033]在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述電極活性體13為碳漿，并通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)修飾到導(dǎo)熱絕緣體12中。
[0034]在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述溫度傳感器為PtlOOO，引線為三線制。
[0035]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:包括電池本體和離子交換膜，所述離子交換膜設(shè)置于所述電池本體中部并將所述電池本體分為陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極體，所述陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極體并且所述陰極室上端設(shè)置開口，所述陽極體接種厭氧微生物，陰極體接種好氧微生物或不接種微生物，所述陽極體和所述陰極體通過外電阻連接形成閉合回路，所述陽極體和所述陰極體均連接有調(diào)溫系統(tǒng);所述陽極體和所述陰極體均由導(dǎo)熱絕緣體和電極活性體組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述調(diào)溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度控制器、冷卻系統(tǒng)、半導(dǎo)體制冷片和溫度傳感器;所述直流電源與所述溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號(hào)接收端與所述溫度傳感器的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度傳感器設(shè)置在所述陽極體和所述陰極體的電極活性體上，所述半導(dǎo)體制冷片的一端與所述陽極體和所述陰極體的導(dǎo)熱絕緣體連接，所述半導(dǎo)體制冷片的另一端與所述冷卻系統(tǒng)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述半導(dǎo)體制冷片的另一端通過導(dǎo)熱硅脂與所述冷卻系統(tǒng)連接，并通過環(huán)氧樹脂固定成一個(gè)整體。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述的冷卻系統(tǒng)可以是風(fēng)冷裝置、液冷裝置、相變材料冷卻裝置、導(dǎo)熱管冷卻裝置中的一種或多種的結(jié)合。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述的導(dǎo)熱絕緣體可以是導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱陶瓷片、導(dǎo)熱矽膠片中的一種或多種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述電極活性體可以是碳漿、碳布、石墨片、碳糊、碳納米管、石墨烯、不銹鋼、鈦片材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述閉合回路包括導(dǎo)線、外電阻和電壓表。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器可以是熱敏電阻或熱電偶。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度傳感器引線的數(shù)量至少為兩根。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向控溫微生物燃料電池，其特征在于:所述溫度控制器的數(shù)量為一個(gè)或兩個(gè)。
【文檔編號(hào)】H01M8/04701GK106058286SQ201610559075
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】施志聰, 黃宗雄, 劉軍, 柯曦, 王誠(chéng)文
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)