一种控温微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种控温微生物燃料电池，包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口，所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有控温系统，所述控温系统包括直流电源、温度控制器和温度传感器。本发明能够迅速调控微生物燃料电池阳极体和阴极体表面的温度，提高微生物的生物活性，加速阴极体上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，其结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
【专利说明】
一种控温微生物燃料电池
技术领域
[0001]本发明涉及一种电池，尤其涉及一种控温微生物燃料电池，属于绿色生物能源技术领域。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ,MFC)由阳极室和阴极室组成，两极室之间通过离子交换膜相隔。阳极微生物在厌氧环境下降解有机物产生电子、质子和二氧化碳；电子传输到阳极通过外电路负载到达生物阴极，质子通过离子交换膜由阳极室到达阴极室；阴极室电子受体氧气在阴极得到电子和质子而被还原成水，从而产生电流。微生物燃料电池是一种绿色新能源技术，在近儿年得到广泛深入地研究，为解决能源短缺和污水处理提供了一条新途径。
[0003]到目前为止，实验室里的微生物燃料电池的实际性能比理想性能还是低很多。微生物燃料电池的产电性能产生受到很多因素的影响。微生物燃料电池的产电包括几个主要过程:微生物的代谢、电子从细胞传递到阳极、质子从阳极转移到阴极以及阴极上电子受体的还原反应，这几个部分中每一个微小的细节都直接影响到微生物燃料电池的性能。
[0004]电池中微生物的低转化效率，即使是在最快的生长速率下，微生物的转化效率以及与电极之间的电子传递依然很慢。而高温能够加速几乎所有的反应动力学，包括生物的和化学的。通过升温的方法可以提高电子在微生物中的转化效率，降低电极反应的活化损失。
[0005]在微生物燃料电池中通常都是利用氧气作为阴极中还原反应的电子受体，氧气还原的动力学因素也是微生物燃料电池性能的一个限制因子。升温能够提高物质传输速率、加速阴极的电极反应，从而提高电池的性能。
[0006]将微生物燃料电池整个放置在有控温装置的水槽中，可以获得稳定的恒温环境，中国专利文CN101916871A公开了一种微生物燃料电池的控温装置，由水槽、挡板、钛加热管、热电偶、循环水栗、半导体制冷器和电器控制仪表构成;水槽为长方形结构并设有进水口和出水口，水槽内壁上设有挡板插槽;挡板为长方形板并开有长方形水流孔;钛加热管和热电偶固定在水槽内；循环水栗进水口通过管道与水槽出水口相连，循环水栗出水口通过管道与半导体制冷器进水口相连，半导体制冷器出水口通过管道与水槽进水口相连;钛加热管、热电偶、循环水栗和半导体制冷器分别通过导线与电器控制仪表连接。该装置可以根据反应温度的需要实现温度的上升和降低，为微生物燃料电池运行工艺条件的深入研究提供有力的实验条件，但是当微生物燃料电池体积比较大的情况下，特别是处理城市污水时需要大体积的电池，整体控温获得稳定温度所需要的时间长，让整个微生物燃料电池整体恒温所需要的外加能量巨大。本发明设计了一种控温微生物燃料电池。利用本发明，不仅可以监测微生物燃料电池阳极和阴极表面温度，而且可以通过温控电路快速调控阳极和阴极表面温度。本发明能够提高微生物的生物活性，加速阴极上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间。和加热整个微生物燃料电池相比，本发明所需的能量少，能够大大降低了微生物燃料电池升温的成本。本发明所述的微生物燃料电池装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提出一种控温微生物燃料电池，通过温控电路控制微生物燃料电池的阳极体和阴极体表面温度，提高微生物的生物活性，加速阴极上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间；本发明所需的能量少，能够大大降低了微生物燃料电池升温的成本;本发明所述的微生物燃料电池装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
[0008]本发明所采用的技术方案:一种控温微生物燃料电池，包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口，所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有控温系统。
[0009]优选的，所述控温系统包括直流电源、温度控制器和温度传感器，所述直流电源与所述温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与所述温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度传感器设置在所述阳极体和所述阴极体外表面。
[0010]优选的，所述阳极体和所述阴极体均由内层加热片，中间层导热绝缘体与外层电极活性体组成。
[0011 ]优选的，所述加热片是金属材料或非金属材料或合金材料。
[0012]优选的，所述的导热绝缘体可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种。
[0013]优选的，所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钦片材料。
[0014]优选的，所述闭合回路包括导线、外电阻和电压表。
[0015]优选的，所述温度传感器可以是热敏电阻或热电偶。
[0016]优选的，所述温度传感器引线的数量至少为两根。
[0017]优选的，所述温度控制器的数量为一个或两个。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明能够迅速调控微生物燃料电池阳极体和阴极体表面的温度，提高微生物的生物活性，加速阴极上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间；与传统的加热整个微生物燃料电池相比，本发明所需的能量少，能够大大降低了微生物燃料电池升温的成本;本发明所述的微生物燃料电池装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
【附图说明】
[0019]图1为本发明一种控温微生物燃料电池的结构示意图。
[0020]图2为本发明实施例一一种控温微生物燃料电池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0022]如图1所示，一种控温微生物燃料电池，包括电池本体I和离子交换膜2，所述离子交换膜2设置于所述电池本体I中部并将所述电池本体I分为阳极室3和阴极室4，所述阳极室3内设置有阳极体，所述阴极室4内设置有阴极体并且所述阴极室4上端设置开口 14，用于供大气气体进入;所述阳极体接种厌氧微生物5，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻6连接形成闭合回路7，所述阳极体和所述阴极体均连接有控温系统。
[0023]所述控温系统包括直流电源8、温度控制器9和温度传感器10，所述直流电源8与所述温度控制器9的电源端连接，所述温度控制器9的温度信号接收端与所述温度传感器10的温度信号输出端连接，所述温度传感器10设置在所述阳极体和所述阴极体外表面，所述阳极体和所述阴极体均由内层加热片11，中间层导热绝缘体12与外层电极活性体13组成，所述加热片11是金属材料或非金属材料或合金材料，所述闭合回路包括导线7、外电阻6和电压表15。
[0024]在本发明的具体技术方案，在控温系统中，直流电源8负责提供直流电，温度传感器10测定阳极体和阴极体表面的温度并反馈给温度控制器9，温度控制器9通过调节施加在阳极体和阴极体的内层加热片11电流大小来控制阳极体和阴极体表面的温度;所述的内层加热片11可以是金属材料如铜片、镍片、铁片等，可以是非金属材料如碳片等，还可以是合金材料如铁镍合金片、镍铬合金片、铁镍铬合金片等。
[0025]所述的导热绝缘体12可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种，所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钛片材料，所述温度传感器10可以是热敏电阻或热电偶，所述温度传感器10引线的数量至少为两根，所述温度控制器9的数量为一个或两个。所述的阳极体接种厌氧微生物，厌氧微生物5可以是琥珀酸放线杆菌、嗜水气单胞菌、拜氏梭菌、腐败希瓦氏菌等，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物；阳极微生物分解代谢有机物产生电子，电子通过外电路移动到阴极室4，氧气与电子以及从阳极室3透过的质子在阴极室4反应生成水，同时产生电能;所述温度传感器10可以是热敏电阻如Ptl00、Ptl000、Ptl0000、Cu50、NTC、PTC等，也可以是热电偶如K型热电偶、J型热电偶、T型热电偶、S型热电偶、B型热电偶等。
[0026]本发明能够迅速调控微生物燃料电池阳极体和阴极体表面的温度，提高微生物的生物活性，加速阴极体上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间；和加热整个微生物燃料电池相比，本发明所需的能量少，能够大大降低了微生物燃料电池升温的成本;本发明所述的微生物燃料电池装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
[0027]实施例一
[0028]如图2所示，一种控温微生物燃料电池，包括电池本体I和离子交换膜2，所述离子交换膜2设置于所述电池本体I中部并将所述电池本体I分为阳极室3和阴极室4，所述阳极室3内设置有阳极体，所述阴极室4内设置有阴极体并且所述阴极室4上端设置开口 14，所述阳极体接种厌氧微生物5，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻6连接形成闭合回路7，所述阳极体和所述阴极体均连接有控温系统。
[0029]所述控温系统包括直流电源8、温度控制器9和温度传感器10，所述直流电源8与所述温度控制器9的电源端连接，所述温度控制器9的温度信号接收端与所述温度传感器10的温度信号输出端连接，所述温度传感器10设置在所述阳极体和所述阴极体外表面，所述阳极体和所述阴极体均由内层加热片11，中间层导热绝缘体12与外层电极活性体13组成，所述加热片11是金属材料或非金属材料或合金材料，所述闭合回路包括导线7、外电阻6和电压表15。
[0030]具体实用时:在加热片11外层修饰上一层导热绝缘体12，并在导热绝缘体12上修饰上一层电极活性体13，并将温度传感器10通过环氧树脂胶固定在电极活性体13表面。对于阳极体来说，还需要在阳极体电极活性体接种厌氧微生物5。阳极体和阴极体分别位于阳极室3和阴极室4，两室之间通过阳离子交换膜2隔开。阳极体和阴极体通过导线7和外电阻6连接形成闭合回路，电压表15用于检测和控制闭合回路的电压。输出电压通过数据采集器自动记录到计算机中。控温系统中直流电源8与温度控制器9相连接提供直流电，温度传感器10测定阳极体和阴极体表面的温度并反馈给温度控制器10，温度控制器10通过调节输出电流的大小来控制阳极体和阴极体表面的温度。阴极室4处在敞开的大气环境中，并设导气管供空气从阴极室4上端进入。阳极室3加入可生化处理的有机废水并使其处在密闭的厌氧环境中，阳极室3内的产电微生物通过代谢将废水中的有机物氧化分解并产生电子、质子，电子经外电路转移到阴极，质子经由阳离子交换膜扩散到阴极室4，阴极室4内的氧气与从阳极体通过导线传递到阴极室4的电子和透过阳离子交换膜进入阴极室的质子结合生成水实现产电过程。
[0031 ]在本发明一较佳实施例中，所述加热片11为铜片。
[0032]在本发明一较佳实施例中，所述导热绝缘体12为导热硅脂。
[0033]在本发明一较佳实施例中，所述电极活性体13为碳浆，并通过丝网印刷技术修饰到导热绝缘体12中。
[0034]在本发明一较佳实施例中，所述温度传感器10为PtlOOO，引线为三线制。
[0035]有益效果:利用本发明，不仅可以监测微生物燃料电池阳极体和阴极体表面温度，而且可以通过控温系统快速调控阳极体和阴极体表面温度。本发明能够提高微生物的生物活性，加速阴极体上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间。和加热整个微生物燃料电池相比，本发明所需的能量少，能够大大降低了微生物燃料电池升温的成本。本发明所述的微生物燃料电池装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。
[0036]对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种控温微生物燃料电池，其特征在于:包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口，所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有控温系统。2.根据权利要求1所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述控温系统包括直流电源、温度控制器和温度传感器，所述直流电源与所述温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与所述温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度传感器设置在所述阳极体和所述阴极体外表面。3.根据权利要求2所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述阳极体和所述阴极体均由内层加热片，中间层导热绝缘体与外层电极活性体组成。4.根据权利要求2或3所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述加热片是金属材料或非金属材料或合金材料。5.根据权利要求3所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述的导热绝缘体可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钛片材料。7.根据权利要求1所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述闭合回路包括导线、夕卜电阻和电压表。8.根据权利要求2所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度传感器可以是热敏电阻或热电偶。9.根据权利要求1所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度传感器引线的数量至少为两根。10.根据权利要求1所述的一种控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度控制器的数量为一个或两个。
【文档编号】H01M8/04701GK106058289SQ201610559346
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】施志聪, 黄宗雄, 柯曦, 刘军
【申请人】广东工业大学