专利名称：厌氧折流板式微生物燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及厌氧折流板式微生物燃料电池堆。
背景技术：
微生物燃料电池(MFC)是以微生物为催化剂，在厌氧条件下将有机物中蕴含的化 学能直接转化为电能的装置，典型结构包括阳极室、阴极室和质子交换膜，其产电原理是 微生物在厌氧环境下氧化有机物的过程中，产生的质子通过质子交换膜的扩散作用传递到 阴极，电子则通过介体或细胞表面酶的作用传递给阳极，然后经过外电路传递到阴极，形成 电流。电子、质子与阴极的氧气(或其它电子受体)，在阴极催化剂的作用下反应生成水。 因为MFC可以利用有机废水中的有机物作为燃料，并且产生电能，因此是名副其实的环保 新能源。随着研究的深入和技术进步，MFC将来有可能应用于市政和工业废水的处理领域， 同时实现处理废水和产生电能的双重目的。目前，研究者通过优选产电微生物、改善电极材料、改进电池结构和优化运行条 件等方法，MFC的性能已经取得了较大的提高，由最初Logan设计的MFC产电功率密度为 26mff/m2提高到现在的6860mW/m2。但是仍然存在如下问题第一、输出性能低，生物体系缓慢的电子传递速率是限制MFC产电的主要因素，理 论开路电压最高仅为1. 14V，受电路中的活化损失、欧姆损失和浓差极化等因素影响，实际 输出电压一般都低于0. 8V；第二、虽然可以将电池单体以串联、并联或混联等方式组合构建微生物燃料电池 堆，以获得更高的电压和电流，但是反应器体积放大后，产电性能下降并且产电不稳定，这 是限制MFC工程化应用的关键因素；第三、已报道的MFC串联电池堆结构，各电池单体多数采用分别进水，水流不连 续，电池堆系统复杂；第四、当串联电池堆MFC单体用导线简单连接，以及通过阳极室之间水力相连接 时，均存在非常严重的电压损失，限制了 MFC产电性能的提高；综上所述，提高MFC电池堆输出性能与产电稳定性，实现阳极室间水流的串联，降 低系统的复杂性，以及降低串联电池堆的电压损失，是实现MFC工程化应用的关键因素。虽 然专利申请号为200810029221.6的申请中公开了一种微生物燃料电池堆，实现了提高输 出电压和水流连续的目的，但是仍然存在明显的电压损失，目前尚未有同时克服以上问题 的MFC结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种厌氧折流板式微生物燃料电池堆。本发明所提供的微生物燃料电池堆，包括箱体、至少一个溢流板、至少二个折流 板、阳极和阴极；所述箱体的左右两个侧壁分别设有进水口和出水口 ；所述溢流板与所述 箱体的下底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将所述箱体分成至少两个连通的格室；所述溢流板的高小于所述进水口的高，所述出水口的高小于所述溢流板的高；自所述进水口至所述 出水口方向，所述溢流板的高度逐渐减小；所述每一个格室设有一个所述折流板，所述折流 板与所述箱体的上底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将所述格室分成两个连通的区(上流 区和下流区)，所述折流板与所述溢流板或所述折流板与所述设有出水口的箱体的侧壁之 间的区为上流区；所述折流板的横截面为折角形，所述折流板的夹角的方向为自所述进水 口至所述出水口方向；所述上流区内设置一个阳极，通过导线将阳极引出所述箱体；所述 上流区对应的箱体前侧壁或后侧壁上设有阴极；所述箱体、折流板和溢流板由不导电的物 质制成。其中，所述箱体、折流板和溢流板由有机玻璃制成。所述厌氧折流板微生物燃料电 池堆中，所述溢流板将其分割为四个格室，每个格室为总体积的1/4。每个格室为一个MFC 单体，MFC单体体积越小，MFC单体的产电性能越高并且越稳定。如果将四个MFC单体并联 连接，还可以降低电池堆的内阻。对于体积较大的厌氧折流板式微生物燃料电池反应器，可 将其分割成若干个体积较小的MFC单体，组成微生物燃料电池堆。这样的结构易于放大，并 可提高产电性能及稳定性，并且四个MFC单体结构紧凑，易于将其进行串联、并联或者混联 连接，提高输出电压和输出电流，以满足实际需要。所述的微生物燃料电池堆中，所述溢流板的高小于所述进水口距下底面的距 离，所述出水口距下底面的距离小于所述溢流板的高，相邻的所述溢流板的高度可相差 5-lOcm。这样的结构保证水流由进水口进入，在重力作用下通过溢流依次通过所述的格室， 最后从出水口流出，实现格室间水流连续性，并在格室间产生液面高程差，避免了格室间水 流水力相连，有效降低了因水力相连而导致的电压损失。所述的微生物燃料电池堆中，所述折流板的横截面为折角形，所述折流板的夹角 的方向为自所述进水口至所述出水口方向，所述折流板的夹角可大于等于90度小于180 度，如135度，所述上流区的宽与所述格室宽的比可为4 5。这样的设置使污水通过进水 口首先进入第一个MFC单体的下流区，下流区填料上的微生物代谢部分有机物，并且消耗 进水中溶解氧，满足产电微生物的需要，提高阳极室库仑效率。所述的微生物燃料电池堆中的阳极可为碳纤维毡。碳纤维毡具有更大的比表面 积，可以吸附更多的微生物，而且碳纤维毡的孔径是碳纸的2-5倍，其内部孔径的传质阻力 相对较小，微生物可以更有效地利用其内表面积，可降低活化损失。所述格室内还可填充有 石墨颗粒，所述石墨颗粒与所述阳极接触。所述阳极厚度可为3mm，所述石墨颗粒粒径可为 3-5mm。石墨颗粒与悬浮液中的微生物接触更加充分，电子传递性能增加，提高了电子传递 效率，亦可降低活化损失。同时石墨颗粒与碳纤维毡互相接触加强了电子的传递过程，降低 了阳极电位，可提高电池的输出电压。所述的微生物燃料电池堆中的阴极为载钼碳纸。所述阴极与所述上流区连通处设 有尼龙膜，所述尼龙膜覆盖所述阴极；所述阴极暴露于空气部分覆盖有铜网；所述铜网上 覆盖有机玻璃层；所述有机玻璃层上设有通孔。所述阴极厚度可为0. 3mm。其中，阴极暴露 于空气部分覆盖有铜网，用以采集电流，铜网与阴极接触面积较大，为面面接触，在串联连 接时，降低了阴极表面因电势分布不均勻而导致的电压损失。所述阴极与所述上流区连通 处的尼龙膜，可以有效降低氧气通过阴极碳纸扩散到阳极室，尼龙布面向上流区的侧表面 形成的生物膜，可以消耗扩散到阳极室内氧气，提高阳极室的库仑效率。机玻璃层可将阴极
4固定，有机玻璃层上设有的通孔，使阴极与空气接触。本发明的厌氧折流板式微生物燃料电池堆耐冲击负荷能力强，对有毒物质的适应 性强，可以用来处理高浓度的有机废水，甚至可以用来处理难降解的有机废水，如淀粉废 水、啤酒废水、黄姜废水等。本发明的厌氧折流板式微生物燃料电池堆的独特结构使不同种 群的厌氧微生物在不同格室内生长，并呈现出良好的种群分布，因而处理污水过程中，不同 的格室中会形成与环境相适应的优势菌种，可以降解不同类型有机物，提高有机物的去除 效率。本发明的厌氧折流板式微生物燃料电池堆，具有易于扩展放大、系统设计简单和 降低串联系统电压损失低等特点，克服了 MFC在工程化应用过程中的部分问题。同时其格 室结构，具有耐冲击负荷能力强，对高浓度难降解有机废水处理效率高等特点，因此，可以 应用于城市污水处理厂高浓度回流污水，以及高浓度有机工业废水的处理。
图1为厌氧折流板式微生物燃料电池堆正视图。图2为厌氧折流板式微生物燃料电池堆A-A剖面图。图3为串联与并联电池堆的极化曲线。图4为串联电池堆串联前后的MFC单体分压与总电压。
具体实施例方式实施例1、厌氧折流板式微生物燃料电池堆本实施例的厌氧折流板式微生物燃料电池堆的格室数目，只是一个简单的举例， 并不因此限定本发明，具体的格室数据可根据实际需要确定。该微生物燃料电池堆，为厌氧折流板结构，如图1和2所示，包括箱体1，3个溢流 板11、12和13，四个折流板4-1、4-2、4-3和4-4，四个阳极3-1、3-2、3-3和3-4和四个阴极； 箱体1的左右两个侧壁分别设有进水口 2和出水口 14 ；溢流板11、12和13与箱体1的下 底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将所述箱体分成4个连通的格室6、7、8和9，4个格室的体 积相等；溢流板11、12和13的高小于进水口 2距下底面的距离，出水口 14距下底面的距离 小于溢流板11、12和13的高，溢流板11和12、溢流板12和13间的高度相差5-lOcm ；自进 水口 2至所述出水口 14方向，溢流板11、12和13的高逐渐减小；每一个格室设有一个折流 板，折流板与箱体1的上底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将格室分成两个连通的区，折流 板与溢流板或折流板与设有出水口 14的箱体1的侧壁之间的区为上流区，上流区的宽与格 室宽的比为4 5;折流板4-1、4-2、4-3和4-4的横截面为折角形，折流板4-1、4-2、4-3和 4-4的夹角均为135度，夹角的方向为自所述进水口至所述出水口方向；上流区内设置一个 阳极，通过导线将阳极引出所述箱体；上流区对应的箱体后侧壁上设有阴极；箱体、折流板 4-1、4-2、4-3和4-4和溢流板11、12和13由有机玻璃制成。四个阳极3_1、3_2、3_3和3_4 均为碳纤维毡，格室内还填充有石墨颗粒5，石墨颗粒5与阳极接触；阴极为载钼碳纸17， 阴极与上流区连通处设有尼龙膜16，尼龙膜16覆盖阴极；阴极暴露于空气部分覆盖有铜网 18 ；铜网18上覆盖有机玻璃层19 ；有机玻璃层19上设有通孔。阳极的厚度均为3mm，石墨 颗粒粒径为3-5mm，阴极的厚度为0. 3mm。
污水由进水口 2首先进入第一格室6下流区，石墨颗粒5表面微生物将消耗污水 中溶解氧，然后污水进入第一格室6上流区，在折流板4的作用下，污水的紊流程度增加，与 碳阳极3-1与石墨颗粒4的接触更加充分，从而提高产电性能。水流充满格室6之后，将在 重力作用下，通过第一溢流板11进入第二格室7，依次通过第三格室8与第四格室9，最后 从出水口 14集中排出，该电池堆不设置任何回流装置。以人工配制的葡萄糖溶液作为有机质，葡萄糖溶液浓度为1000mg/L，在室温条件 下连续流进水，水力停留时间为8h。将四个MFC单体进行串联与并联连接。串联的连接方式为用铜导线将第一MFC单体6的阳极接第二MFC单体阴极，依次 连接四个MFC单体，第一 MFC单体6的阴极与第四MFC单体9的阳极分别为串联电池堆的 正极与负极。并联的连接方式为用铜导线将四个MFC单体的阳极连接在一起，阴极连接在一 起，作为并联电池堆的负极与正极。串联与并联电池堆的极化曲线如图3。比较电池堆串联连接前后四个MFC单体的 分压，以及串联前MFC单体的理论总电压与串联后实际总电压。比较结果如图4，串联后电池堆的电压升高，约为MFC单体的4倍，电流基本保持 不变。并联后电池堆的总电压约等于并联前单体的电压，最大功率密度对应输出电流约为 并联之前的3倍，则说明并联可以明显提高电池堆的输出电流。但是无论串联还是并联，电 池堆系统的输出功率密度均没有提高，较之前略微减低。串联之后，第一 MFC单体无电压损 失，第二、第三与第四MFC单体均存在电压损失，但是比较低。串联前四个MFC单体的理论总 电压为2. 38V，串联之后实际总电压为2. 27V，电压损失率为4. 6%，该电压损失率非常低。
权利要求
一种微生物燃料电池堆，包括箱体、至少一个溢流板、至少二个折流板、阳极和阴极；所述箱体的左右两个侧壁分别设有进水口和出水口；所述溢流板与所述箱体的下底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将所述箱体分成至少两个连通的格室；所述溢流板的高小于所述进水口的高，所述出水口的高小于所述溢流板的高；自所述进水口至所述出水口方向，所述溢流板的高度逐渐减小；所述每一个格室设有一个所述折流板，所述折流板与所述箱体的上底面、前侧壁和后侧壁密闭连接，将所述格室分成两个连通的区，所述折流板与所述溢流板或所述折流板与所述设有出水口的箱体的侧壁之间的区为上流区；所述折流板的横截面为折角形，所述折流板的夹角的方向为自所述进水口至所述出水口方向；所述上流区内设置一个阳极，通过导线将阳极引出所述箱体；所述上流区对应的箱体前侧壁或后侧壁上设有阴极；所述箱体、折流板和溢流板由不导电的物质制成。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池堆，其特征在于相邻的所述溢流板的高度 相差 5-10cm。
3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述折流板的夹角大于等 于90度小于180度。
4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述格室的体积相等；所述 上流区的宽与所述格室宽的比为4 5 ；所述微生物燃料电池堆设有四个格室。
5.根据权利要求4所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述不导电的物质为有机玻璃。
6.根据权利要求5所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述阳极为碳纤维毡。
7.根据权利要求6所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述格室内还填充有石墨 颗粒，所述石墨颗粒与所述阳极接触。
8.根据权利要求7所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述阴极为载钼碳纸。
9.根据权利要求8所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述阴极与所述上流区连 通处设有尼龙膜，所述尼龙膜覆盖所述阴极；所述阴极暴露于空气部分覆盖有铜网；所述 铜网上覆盖有机玻璃层；所述有机玻璃层上设有通孔。
10.根据权利要求8所述的微生物燃料电池堆，其特征在于所述阳极厚度为3mm，所述 石墨颗粒粒径为3-5mm，所述阴极厚度为0. 3mm。
全文摘要
本发明公开了一种厌氧折流板式微生物燃料电池堆。该厌氧折流板式微生物燃料电池堆包括箱体、至少一个溢流板、至少二个折流板、阳极和阴极；所述箱体的左右两个侧壁分别设有进水口和出水口；所述溢流板将所述箱体分成至少两个连通的格室；自所述进水口至所述出水口方向，所述溢流板的高逐渐减小；所述每一个格室设有一个所述折流板，将所述格室分成两个连通的区，所述折流板与所述溢流板或所述设有出水口的箱体的侧壁之间的区为上流区；所述上流区内设置一个阳极，通过导线将阳极引出所述箱体；所述上流区对应的箱体前侧壁或后侧壁上设有阴极。该厌氧折流板式微生物燃料电池堆可用于城市污水处理厂高浓度回流污水，以及高浓度有机工业废水的处理。
文档编号H01M8/04GK101908635SQ20091008586
公开日2010年12月8日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者倪晋仁, 孔令才 申请人:北京大学