利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系及其构造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系及其构造方法。
【背景技术】
[0002]全球能源及环境问题日益严峻，开发新型清洁能源及利用可再生能源已成为全世界的共识。1911年，英国植物学家Pottery用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是利用微生物直接将废水中的有机物质的化学能转变为电能的装置。MFC可以将废水中的化学能直接转化为电能，在获得电能的同时可以净化废水。微生物燃料电池的一种典型设计是采用双室结构，容纳微生物的阳极室通过质子交换膜与阴极室隔离，有机质在阳极室被厌氧微生物降解过程中产生的电子由阳极经外部电路传输到阴极室，与其同时，质子通过质子交换膜也由阳极室进入阴极室，从而构成电流回路，并通过外部电路连接电气元件回收或利用电能，氧分子、质子与电子在阴极室内化合生成水。微生物催化从阳极产生电子通过外电路传导到阴极被反应，回路中产生电流，这就构成了微生物燃料电池。典型的MFC不仅构造复杂，造价与内电阻较高，而且还需要消耗许多外部动力，限制了其电能产出效率和推广应用。
[0003]微生物燃料电池的发展目前仍然制约于其较低的产电性能，除了成本较高，最主要的原因是输出功率密度还比较低，开路电压一般在300mV?400mV左右。决定微生物燃料电池输出功率密度的因素主要有以下几个方面:微生物对底物的降解速率、电子从微生物到阳极的传递速率、电池内阻、质子到达阴极的传递速率、氧化剂的供给和阴极的还原反应的速率，阴极材料的催化作用等。
【发明内容】
[0004]为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系及其构造方法，在微生物燃料电池的阴极和阳极之间串联P-n结半导体太阳能电池，构成“太阳能电池-微生物燃料电池”体系，新型的微生物燃料电池体系充分发挥太阳能电池和微生物燃料电池的协同作用，提高微生物燃料电池污水处理和产电性會K。
[0005]本发明的一个目的在于提出一种利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系。
[0006]本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系包括:微生物、阳极室、阴极室、阳离子交换膜、阳极、阴极、负载和P-n结半导体太阳能电池;其中，在阳极室与阴极室之间由阳离子交换膜分隔，在阳极室中放置能降解污染物并能产电的微生物，阳极室和阴极室中均放置电解质溶液，阳极和阴极分别放置在阳极室和阴极室中，在阳极室和阴极室外的阳极和阴极之间串联负载，构成微生物燃料电池;在阳极室和阴极室外，串联P-n结半导体太阳能电池，P -η结半导体太阳能电池的正极与阳极连接，P -η结半导体太阳能电池的负极与阴极连接，构成微生物燃料电池体系；在太阳光照条件下，P-n结半导体太阳能电池协同微生物燃料电池共同驱动微生物燃料电池体系运转，增大回路中的电流，并提高污水处理性能。
[0007]本发明在阳极室和阴极室外，串联p-n结半导体太阳能电池，构造一个太阳能电池和微生物燃料电池协同作用的微生物燃料电池体系；在阳极室，微生物氧化初始电子供体获取能量，同时产生电子，电子经微生物传递到阳极，再经由阳极传递至外电路并到达P-n结半导体太阳能电池的正极;在太阳光照条件下，太阳能电池产生光生电子空穴对，在P-n结半导体的内建电场的拉动下，光生电子向太阳能电池的负极移动，并通过导线向阴极室的电解质溶液移动，与电子受体发生电化学反应，而光生空穴向太阳能电池正极移动，与阳极来的电子复合，从而进一步驱动微生物燃料电池，增大回路中的电流，同时提高微生物降解污水中的有机物;本发明的微生物燃料电池体系充分发挥太阳能电池和微生物燃料电池的协同作用，提高微生物燃料电池输出效率，提高微生物燃料电池产电和污水处理性能。P-n结半导体太阳能电池采用娃基太阳能电池、化合物太阳能电池和有机半导体太阳能电池中的一种。
[0008]进一步，如果微生物燃料电池的阴极和阳极之间串联功率较大的p-n结半导体太阳能电池，需在阳极室和阴极室外同时串联限流电阻，调节回路电流。太阳能电池与限流电阻的选取条件为，P-n结半导体太阳能电池与限流电阻组成一个回路，该回路的短路电流为微生物燃料电池短路电流的10倍以下，这时该微生物燃料电池体系能够正常运转。
[0009]本发明的另一个目的在于提供一种利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系的构造方法。
[0010]本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系的构造方法，包括以下步骤:
[0011]I)培养能够能降解污染物并能产电的微生物；
[0012]2)在阳极室中放置培养好的能降解污染物并能产电的微生物，在阳极室和阴极室中均放置电解质溶液，在阳极室与阴极室之间由阳离子交换膜分隔，在阳极室和阴极室中分别放置阳极和阴极；
[0013]3)在阳极室和阴极室外，串联p-n结半导体太阳能电池，p-n结半导体太阳能电池的正极与阳极连接，p-n结半导体太阳能电池的负极与阴极连接，构造一个太阳能电池协同微生物燃料电池的微生物燃料电池体系;在阳极室，微生物氧化初始电子供体获取能量，同时产生电子，电子经微生物传递到阳极，再经由阳极传递至外电路并到达P-n结半导体太阳能电池的正极;在太阳光照条件下，太阳能电池产生光生电子空穴对，在P -η结半导体的内建电场的拉动下，光生电子向太阳能电池的负极移动，并通过导线向阴极室的电解质溶液移动，与电子受体发生电化学反应，而光生空穴向太阳能电池正极移动，与阳极来的电子复合，半导体太阳能电池协同微生物燃料电池共同驱动微生物燃料电池体系运转，增大回路中的电流，同时提高污染物降解效率；
[0014]4)在电路中串联负载实现电能输出。
[0015]其中，在步骤3)中，ρ_η结半导体太阳能电池采用娃基太阳能电池、化合物太阳能电池和有机半导体太阳能电池中的一种。
[0016]进一步，在步骤3)中，如果微生物燃料电池的阴极和阳极之间串联功率较大的p-n结半导体太阳能电池，需在阳极室和阴极室外同时串联限流电阻，调节回路电流。太阳能电池与限流电阻的选取条件为，P-n结半导体太阳能电池与限流电阻组成一个回路，该回路的短路电流为微生物燃料电池短路电流的10倍以下，这时该微生物燃料电池体系能够正常运转。
[0017]本发明的优点:
[0018](I)增加产电量:此装置结合了太阳能电池和微生物燃料电池技术，二者发生了协同效应，大大增加了微生物燃料电池的产电量；
[0019](2)结构简单:本发明的装置只是将p-n结半导体太阳能电池串联到微生物燃料电池的阴极和阳极之间即可；
[0020](3)利用了太阳光能和微生物能两种清洁能源:微生物降解污水中的有机物的同时并产生电子或空穴，P-n结半导体太阳能电池在光照下也产生电子和空穴，二者在电路中是协同的；太阳能电池光催化作用的引入改善了“太阳能电池-微生物燃料电池”体系阴极的接受电子能力，并使得阳极提供电子的能力得到最大限度的发挥;太阳能电池促进了新型微生物燃料电池体系效率的提高，实现了与微生物燃料电池的协同作用。
[0021]本发明中的微生物燃料电池和太阳能电池光催化技术能够实现优势互补，功能相互协调，共同完成污水处理和发电的双重功效。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系的示意图；
[0023]图2为本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系的极化曲线(1-U)与输出功率密度曲线(1-P)图；
[0024]图3为本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系与现有的微生物燃料电池的极化曲线对比图；
[0025]图4为本发明的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系与现有的微生物燃料电池的负载输出效率对比图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0027]如图1所示，本实施例的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系包括:微生物
1、阳极室2、阴极室3、阳离子交换膜4、阳极5、阴极6、负载7、p-n结半导体太阳能电池8和限流电阻9;其中，在阳极室2与阴极室3之间由阳离子交换膜4分隔，在阳极室和阴极室中放置能降解污染物并能产电的微生物和电解质溶液，阳极5和阴极6分别放置在阳极室2和阴极室3中，在阳极室2和阴极室3外的阳极5和阴极6之间串联负载7;在阳极室和阴极室外，串联p-n结半导体太阳能电池8; p-n结半导体太阳能电池的正极与阳极连接，p_n结半导体太阳能电池的负极与阴极连接;在阳极室和阴极室外，串联限流电阻9。
[0028]本实施例的利用太阳能提高效率的微生物燃料电池体系的构造方法，包括以下步骤:
[0029]I)微生物由厌氧活性污泥提供，培养基成分为:0.lg/L KCl,0.5g/L NH4Cl,0.1g/L MgC12,0.1g/L CaC12,0.3g/L KH2P04，2.5g/L NaHC03，I.64g/L CH3C00Na，以及lg/L的酵母粉，阳极初始pH值为7.3( ±0.2);培养基用无菌氮气通气0.5h除去溶解氧，密封以保持厌氧状态。
[0030]2)在传统的双室MFC体系基础上，串联外接一块硅太阳能电池，即构造一个硅太阳能电池协同MFC的新型的MFC体系，如图1所示;在本实施例中