专利名称：一种厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置，特别是一种微生物燃料电池经串并联的组装堆栈转换装置，适用于在高效处理有机污水的同时得到清洁能源。
背景技术：
目前，世界经济的高速发展带来了能源消耗、环境污染等诸多负面影响，在此背景下世界各国都意识到当今社会能源与环境的重要，合理利用资源，实现废物的资源化利用是节能减排和缓解资源短缺的有效途径。微生物燃料电池作为一种新兴的能源技术，具有其它能源不可比拟的优点一是直接将底物的化学能转化为电能，能量利用率高；二是原料广泛；三是可以在常温常压下的环境中运行，操作条件温和，电池维护成本低，安全性强；四是可利用生物废物等有机物发电，清洁环保；五是采用空气阴极，不需要曝气等能量的输 入。流化床在化工工业中被广泛用作反应器，与传统的固定床与移动床反应器相比，流化床有着明显的优势生产能力大，单位床层面积的生产能力远高于固定床及移动床，其传热传质系数高，比固定床高I 2个数量级；床层温度均匀控制，对于强热效应反应易实现移热或供热；颗粒处于流动状态，便于物料加入与卸出，适用于固相加工或易失活催化剂状态的连续循环再生。微生物燃料电池是微生物技术与电池技术相结合的产物，利用微生物整体为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能；微生物燃料电池工作原理为微生物作为催化剂附着于阳极或者固体颗粒表面，降解葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等有机物产生电子和质子，电子传递到阳极，经过外电路到达阴极，形成电流；产生的质子通过PEM(质子交换膜)或直接通过电解质传递到阴极，在阴极质子与电子、氧化物发生还原反应，从而完成工作；其中，阳极的氧化反应方程式为C6H1206+6H20 — 6C02+24H++24e_ ;阴极的还原反应方程式为602+24H++24e_ — 12H20。
发明内容
本发明的目的在于克服现有微生物燃料电池串联过程中反向电压现象的缺点，寻求设计一种新型厌氧流化床微生物燃料电池串并联堆栈装置，适用于实验室研究，并易于放大和工业化，通过调节进口污水流速和分布板开孔率等改变电池的输出电压，提高废水COD去除效率;MFC堆栈即为微生物燃料电池的串并联，其输出功率并非单个燃料电池的输出功率简单的加减，串联运行时库仑效率只有12%，并联时提高到78% ;监测个体电压，电池电压不平衡，反向电压使得电池产生负电压，底物消耗将导致一个电池产生反向电压；单个电池输出电压的变化会导致总功率快速浮动。为了实现上述目的，本发明的主体结构包括污水入口、预分布室、液体分布板、一号反应器流化颗粒、一二号反应器溢流通道、一号反应器空气阴极、一号反应器流化床体、一号反应器碳棒阳极、导线、密封盖、气体收集口、第一、二、三级流化床扩大段、污水出口、二号反应器流化床体、三号反应器流化床体、二号反应器碳棒阳极、二三号反应器溢流通道、二号反应器空气阴极，二号反应器流化颗粒、三号反应器空气阴极、三号反应器碳棒阳极和三号反应器流化颗粒，各部件配合连通组合构成厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置；污水入口位于一号反应器流化床体的底部中心位置，管径15mm ;污水出口位于第三级流化床体扩大段的壁上距顶部70mm处，管径15mm;气体收集口位于密封盖的顶部，管径为IOmm ;预分布室的直径为40mm,通过法兰与一号反应器流化床体固定连接；液体分布板开孔直径为I. 5-2. 5mm,开孔率20-40% ;依次排列连接的第一、第二、第三级流化床扩大段密·切配合连通，确保催化剂颗粒或流化颗粒不随污水流出反应器；一号反应器流化床体顶部制有第一级流化床扩大段，一号反应器流化床体的下部为有机玻璃圆筒结构的反应区，其直径为40mm，高为450mm ;第一级流化床扩大段的直径为70mm，高为300mm ;—号反应器流化颗粒、二号反应器流化颗粒、三号反应器流化颗粒均为厌氧回流段厌氧污泥(驯化30天)与活性炭载体颗粒混合的混合物，分别填充于一、二、三号反应器流化床体的反应区中；一、二、三号反应器碳棒阳极均为直径5mm,长150mm的石墨碳棒,其底部分别插入对应的一、二、三号反应器流化颗粒内，另一端电连通焊接制有导线导出电子；一、二、三号反应器空气阴极均为naf ion膜和载钼碳纸热压复合而成，其外侧均制有丝网为支撑，并用环氧胶密封；一、二号反应器流化床体之间制有一二号反应器溢流通道，二、三号反应器流化床体之间制有二三号反应器溢流通道；一、二、三号反应器流化床体的顶端制有一体式结构的密封
至JHL ο本发明装置采用反应器流化床体的耦合实现燃料电池的串联或并联，通过蠕动泵提供动力和溢流作用，使得污水能在电池之间循环流动；三个反应器流化床体分别设有独立的阴极与阳极，三个反应器流化床体的串联方式为一号反应器碳棒阳极对接二号反应器空气阴极再对接二号反应器碳棒阳极然后对接三号反应器空气阴极后对接三号反应器碳棒阳极再对接外接电阻后对接一号反应器空气阴极然后对接一号反应器碳棒阳极；三个反应器流化床体的并联方式三个反应器碳棒阳极电相连，三个反应器空气阴极电相连后再与外接电阻相连，形成并联回路；通过对反应器流化床体与电池阴极阳极的不同设置，消除普通燃料电池中的MFC堆栈存在的反电压；微生物燃料电池的电压输出与阳极表面积有关，阳极面积大，输出电压会变大，所以在对主反应器流化床体与副反应器的阴极阳极设计上进行区别设计，主反应器阳极表面积大于副反应器阳极表面积；微生物燃料电池的电压输出还与阴极与阳极之间的距离有关，距离越小，越有利于电压的输出，因此减小主反应器的阴极与阳极之间的距离，能保证电子同向传递；通过以上串并联两种方式能有效避免或减小反向电压的影响；采用反应器流化床体为反应装置，保证流化床内流化颗粒充分流化，当流化床中有床高与床径之比较小时，循环运动和混合现象更为激烈的特点，对于主反应器与副反应器的设计时，充分考虑这一流化床特点，使反应器更易流化；第二级和第三级反应器流化床体中流化颗粒浓度小于主反应器，并依次递减，以减小其流化难度；采用侧流式分布板，分布板开孔率范围为20%-40% ;反应器流化床体连接处设置高度差，通过自身势能提供一部分污水流化能量。本发明与现有技术相比，增大反应器的输出电压同时提高污水处理能力，串联电池组输出电压为多个单级电池输出电压之和，污水水处理能力为多个单级电池的累加；开机5小时后输出电压为I. 07V,开机54小时候后输出电压达到2. 04V,并在I. 8-2. 2V电压范围内连续运行30小时；装置连续运行4天后模拟废水的COD去除率达到了 99. 2%，由初
4始的3800mg/L下降为30mg/L，而单级电池连续运行10天后COD去除率才能达到相同的效
果；其结构简单，连接原理可靠，运行安全，污水处理效果好，环境友好。
图I为本发明的主体结构原理示意图。图2为本发明装置的电池启动期电压图。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图作进一步说明。实施例 本实施例主体结构包括污水入口 I、预分布室2、液体分布板3、一号反应器流化颗粒4、一二号反应器溢流通道5、一号反应器空气阴极6、一号反应器流化床体7、一号反应器碳棒阳极8、导线9、密封盖10、气体收集口 11、第一、二、三级流化床扩大段12、13、14、污水出口 15、二号反应器流化床体16、三号反应器流化床体17、二号反应器碳棒阳极18、二三号反应器溢流通道19、二号反应器空气阴极20，二号反应器流化颗粒21、三号反应器空气阴极22、三号反应器碳棒阳极23和三号反应器流化颗粒24，各部件配合连通组合构成厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置；污水入口 I位于一号反应器流化床体7的底部中心位置，管径Φ 15mm ;污水出口 15位于第三级流化床体扩大段14的壁上距顶部70mm处，管径Φ 15mm ;气体收集口 11位于密封盖10的顶部,管径为IOmm ;预分布室2的直径为40mm,通过法兰与一号反应器流化床体7固定连接；液体分布板3开孔直径为I. 5-2. 5mm,开孔率20-40% ;依次排列连接的第一、第二、第三级流化床扩大段12、13、14密切配合连通，确保催化剂颗粒或流化颗粒不随污水流出反应器；一号反应器流化床体7顶部制有第一级流化床扩大段12，一号反应器流化床体7的下部为有机玻璃圆筒结构的反应区，其直径为40_，高为450mm ;第一级流化床扩大段12的直径为70mm，高为300mm ;—号反应器流化颗粒4、二号反应器流化颗粒21、三号反应器流化颗粒24均为厌氧回流段厌氧污泥(驯化30天)与活性炭载体颗粒混合的混合物，分别填充于一、二、三号反应器流化床体7、16、17的反应区中；一、二、三号反应器碳棒阳极8、18、23均为直径为5mm,长为150mm的石墨碳棒,其底部分别插入对应的一、二、三号反应器流化颗粒4、21、24内，另一端电连通焊接制有导线9导出电子；一、二、三号反应器空气阴极6、20、22均为nafion膜和载钼碳纸热压复合而成，其外侧均制有丝网为支撑，并用环氧胶密封；一、二号反应器流化床体7和16之间制有一二号反应器溢流通道，二、三号反应器流化床体16和17之间制有二三号反应器溢流通道19 ;一、二、三号反应器流化床体7、16、17的顶端制有一体式结构的密封盖10。本实施例实施过程中，先开启外接的蠕动泵通过管径为15mm的污水入口 I进入预分布室2，穿过液体分布板3进入一号反应器流化床体7顶部的反应区中，污泥和载体颗粒填充于该反应区内，在污水流场的作用下流化，污泥中的混合菌作为催化剂将污水中的有机物直接氧化为二氧化碳；微生物作为催化剂附着于一、二、三号反应器碳棒阳极或一、二、三号反应器流化颗粒的表面形成生物膜，通过代谢降解葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等有机物产生电子和质子；电子传递到一、二、三号反应器碳棒阳极，然后经过外电路到达一、二、三号反应器空气阴极形成电流；产生的质子通过质子交换膜(PEM)或直接通过电解质传递到一、二、三号反应器空气阴极，并在各阴极处质子与电子、氧化物发生还原反应；一号反应器流化床体7中的污水通过一二号溢流通道5相继进入二号反应器流化床体16和三号反应器流化床体17继续反应；最终，污水通过污水出口 15流出而完成循环过程；通过三级串联结构的一、二、三号反应器流化床体，污水处理效果得到加强，污水处理周期缩短，通过三级一、二、三号反应器碳棒阳极和一、二、三号反应器空气阴极的首尾不同的连接关系实现串并联，串联时输出电压提闻。本实施例在实践应用中的二、三级反应器流化床体的流化是靠液位差实现的，液位差的大小和流化颗粒的粒径及装填高度相关，颗粒粒径为O.装填高度为60mm,一、二级反应器流化床体和二、三级反应器流化床体的液位差为170mm ;为保证流化颗粒或催化剂颗粒不进入溢流通道而导致通道堵塞，溢流通道的入口设在各反应器流化床体的扩大段；在污水分布板下附加一层丝网，防止流化颗粒的流失。本实施例适于不同COD浓度的污水处理，COD去除率可达99%，具有良好的污水处理效果，附图2为本实施例电池启动期电压变化曲线，系统温度在28±3°C条件下运行时，电池启动较快，系统运行5个小时后电压为I. 07V，运行至54小时后电压达到2. 04V,并在I. 8-2. 2V范围内运行30个小时后开始下降；表明本实施例采用多级厌氧流化床微生物燃料电池串联可以显著提高输出电压，同时提高污水处理效率，而且利用液位差实现二、三级反应器流化床体的流化问题，节约能源。
权利要求
1.一种厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置，其特征在于主体结构包括污水入口、预分布室、液体分布板、一号反应器流化颗粒、一二号反应器溢流通道、一号反应器空气阴极、一号反应器流化床体、一号反应器碳棒阳极、导线、密封盖、气体收集口、第一、二、三级流化床扩大段、污水出口、二号反应器流化床体、三号反应器流化床体、二号反应器碳棒阳极、二三号反应器溢流通道、二号反应器空气阴极，二号反应器流化颗粒、三号反应器空气阴极、三号反应器碳棒阳极和三号反应器流化颗粒，各部件配合连通组合构成厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置；污水入口位于一号反应器流化床体的底部中心位置；污水出口位于第三级流化床体扩大段的壁上距顶部70mm处；气体收集口位于密封盖的顶部；预分布室通过法兰与一号反应器流化床体固定连接；液体分布板开孔直径为I. 5-2. 5mm,开孔率20-40% ;依次排列连接的第一、第二、第三级流化床扩大段密切配合连通，确保催化剂颗粒或流化颗粒不随污水流出反应器；一号反应器流化床体顶部制有第一级流化床扩大段，一号反应器流化床体的下部为有机玻璃圆筒结构的反应区；第一级流化床扩大段的直径为70mm,高为300mm ;—号反应器流化颗粒、二号反应器流化颗粒、三号反应器流化颗粒均为厌氧回流段厌氧污泥(驯化30天)与活性炭载体颗粒混合的混合物，分别填充于一、二、三号反应器流化床体的反应区中；一、二、三号反应器碳棒阳极均为直径5mm,长150_的石墨碳棒，其底部分别插入对应的一、二、三号反应器流化颗粒内，另一端电连通焊接制有导线导出电子；一、二、三号反应器空气阴极均为nafion膜和载钼碳纸热压复合而成，其外侧均制有丝网为支撑，并用环氧胶密封；一、二号反应器流化床体之间制有一二号反应器溢流通道，二、三号反应器流化床体之间制有二三号反应器溢流通道；一、二、三号反应器流化床体的顶端制有一体式结构的密封盖。
2.根据权利要求I所述的厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置，其特征在于实施过程中，先开启外接的蠕动泵通过管径为15mm的污水入口进入预分布室，穿过液体分布板进入一号反应器流化床体顶部的反应区中，污泥和载体颗粒填充于该反应区内，在污水流场的作用下流化，污泥中的混合菌作为催化剂将污水中的有机物直接氧化为二氧化碳；微生物作为催化剂附着于一、二、三号反应器碳棒阳极或一、二、三号反应器流化颗粒的表面形成生物膜，通过代谢降解葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等有机物产生电子和质子；电子传递到一、二、三号反应器碳棒阳极，然后经过外电路到达一、二、三号反应器空气阴极形成电流；产生的质子通过质子交换膜或直接通过电解质传递到一、二、三号反应器空气阴极，并在各阴极处质子与电子、氧化物发生还原反应；一号反应器流化床体中的污水通过一二号溢流通道5相继进入二号反应器流化床体和三号反应器流化床体继续反应；最终，污水通过污水出口流出而完成循环过程；通过三级串联结构的一、二、三号反应器流化床体，污水处理效果得到加强，污水处理周期缩短，通过三级一、二、三号反应器碳棒阳极和一、二、三号反应器空气阴极的首尾不同的连接关系实现串并联，串联时输出电压提高。
全文摘要
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种厌氧流化床微生物燃料电池堆栈装置，污水入口位于一号反应器流化床体的底部中心位置，污水出口位于第三级流化床体扩大段的壁上；气体收集口位于密封盖的顶部，预分布室通过法兰与一号反应器流化床体固定连接；依次排列连接的三级流化床扩大段密切配合连通，一号反应器流化床体顶部制有第一级流化床扩大段，一号反应器流化床体的下部为有机玻璃圆筒结构的反应区；反应器流化颗粒为厌氧回流段厌氧污泥与活性炭载体颗粒混合的混合物填充于反应器流化床体的反应区中；反应器碳棒阳极均为石墨碳棒，底部插入对应的反应器流化颗粒内；其结构简单，连接原理可靠，运行安全，污水处理效果好，环境友好。
文档编号H01M8/24GK102916208SQ201210407900
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者刘新民, 郭庆杰, 王振, 宫本月, 王许云 申请人:青岛科技大学