专利名称：：微生物燃料电池及安有该电池的发电装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种微生物燃料电池及安有该微生物燃料电池的发电装置，以及安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用。
背景技术：
：土壤中具有丰富的碳源，如有机质、人们施的肥料及水稻在生长的过程中根部产生的分泌物。这些有机物在厌氧(淹水)环境下被一类特殊的厌氧微生物(产甲烷菌)转化成甲烷而释放。水稻是重要的粮食作物，其在光合作用中吸收、同化的30-50%的碳，合成糖后，输送到根部而进入土壤，它们中的大部分被转化为甲烷。据报道，地球表面每年向大气释放甲烷约5.15亿吨，其中12%的甲烷来自稻田。环境污染和能源紧缺是当今世界面临的两大挑战。一方面，化石燃料耗竭与全球气候变暖问题的日益严峻，迫使世界各国高度重视可再生能源的研发。构建稳定多样的能源系统，已成为国家战略安全与可持续发展的重要组成部分。另一方面，数量日益庞大的有机废弃物的处置，已成为严重的社会问题。如何可持续地将有机废弃物中的生物质能提取出来，转换成人类能利用的形式，具有重要的科学意义。在这种趋势下，极具潜力的有机废物能源化技术——微生物燃料电池(Microbialfuelcell，简称MFC)，迅速成为国际环境领域、能源领域新兴的研究热点。微生物燃料电池是以微生物为催化剂将化学能直接转化为电能的装置，是微生物技术与电池技术相结合的产物。基本原理由5步骤组成，如图1所示(1)底物于阳极室在微生物催化作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物；(2)产生的电子从微生物细胞传递至阳极；(3)电子经由外电路到达阴极；(4)产生的质子从阳极室扩散至阴极室，到达阴极表面；(5)在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应。由于它在能量转化过程减少了燃烧步骤，因而可大幅提高能量转化效率。以氧气为电子接受体为例，其阳极和阴极反应式如下所示阳极反应(CH2O)η+ηΗ20-—nC02+4ne>4nH+阴极反应02+4H++4e_-—2H20同常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的催化剂，如钼等。除了具有很高的能量转化效率之外，还有其他燃料电池不具备的若干特点(1)燃料来源多样化可以直接利用一般燃料电池所不能利用的多种有机物质作为燃料，甚至可光合作用或直接利用污水等获得能量。(2)操作条件温和一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作，这使得电池维护成本低，安全性强。(3)无污染，可实现零排放微生物燃料电池的唯一产物是水。(4)无需能量输入微生物本身就是能量转化工厂，能把地球上廉价的燃料能源转化为电能，将来可直接为人类提供能源。(5)能量利用的高效性微生物燃料电池是将来热电联用系统的重要组成部分，使能源利用率大大提高。(6)生物相容性利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，可有望作为心脏起搏器等人造器官的电源。理论上，所有可生物降解的有机物都可作为MFC的燃料，MFC在处理有机废物的同时产生电能，相比传统的耗能污水处理工艺将有效降低运行成本，因此利用污水中的有机污染物发电具有非常广阔的应用前景。现有的微生物燃料电池大都是单室型结构，主要采用“质子交换膜+进口碳纸+催化剂Pt”构建MFC阴极组。作为燃料的有机物(如污水)被泵入阳极室中，阳极生物膜上的产电微生物将有机物氧化产生电子并将电子传递到阳极上，电子在阴极上与质子和氧气反应生成水，从而形成电流并完成整个有机物消耗反应。但是这种微生物燃料电池造价高，质子交换膜、进口碳纸、催化剂Pt都是比较贵重的物品，并且如果要想将现有的单室型MFC应用于稻田产电，就必须要将稻田土壤泵进阳极室，这样不仅耗时费力，而且无法同时栽培水稻了。
发明内容本发明的目的是提供一种成本低的微生物燃料电池。本发明的微生物燃料电池，包括阳极、阴极和质子交换膜，所述的阴极包括催化剂、导电材料和粘结剂，所述的催化剂为二氧化锰，所述的质子交换膜为防水透气布，所述的阴极中的导电材料为镍基导电漆，该阴极为由二氧化锰、镍基导电漆和粘结剂按照质量比652015混合，加入溶剂后，涂布于防水透气布的防水层的背面而形成，所述的阳极为碳毡。本发明的另外一个目的是提供一种安有上述微生物燃料电池的发电装置，包括固定管和微生物燃料电池，所述的固定管一端密闭，另一端敞口，在固定管的周侧外表具有一层微生物燃料电池的阴极层，在阴极层的外侧具有一层的微生物燃料电池的防水透气布层，在防水透气布层的外侧具有一层微生物燃料电池的阳极层，至少在与所述的阴极层相接触的固定管的周侧表面上具有若干透气孔，阴极层和阳极层都安有导线。所述的固定管优选为PVC塑料管。本发明的第三个目的是提供安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用，从而减少稻田的甲烷排放。本发明的防水透气布属于公知的产品，该布是一种新型的纺织面料制成的布，该纺织面料的成份由的高分子防水透气材料(PTFE膜)加上布料复合而成。本发明的微生物燃料电池，其阴极采用二氧化锰代替昂贵的碳纸和Pt作为催化剂，以防水透气布代替常规使用的Nafion膜作为质子交换膜。将二氧化锰、镍基导电漆和粘结剂混合后，加入溶剂后，涂覆于防水透气布的防水层的背面，形成阴极，该阴极与防水透气布一起构成了本发明的阴极组件。与传统的质子交换膜+进口碳纸+催化剂Pt的微生物燃料电池相比，本发明使用催化剂、导电漆和粘结剂形成的混合物，只需将上述混合物涂布于防水透气布上即可，制备方法简单，成本低，有着很大的工业化价值。表1不同阴极组的构建及材料<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>a材料价格基于市场销售价；b每平米阴极组的造价元/m2通过表1和表2的比较可知，可知膜阴极组的制备要消耗21080元/m2，并且制作过程相当复杂；相反，防水透气布的阴极组的制备过程是在廉价防水透气布上直接涂刷导电漆与Mn02催化剂，打破了传统的制作方法，不但大大降低了阴极组生产成本，而且简化了制作过程，制备出的“布+镍基导电漆”阴极组集催化氧还原与导电集流功能于一体。因此本发明的微生物燃料电池不但成本很低，而且效果很好。本发明的安有微生物燃料电池的发电装置，将微生物燃料电池有机的安装于周侧具有透气孔的管中，透气孔使空气与阴极充分接触，而且又避免了稻田中的植物如藻类或者杂草在阴极上生长，大大影响了阴极与空气的充分接触，而造成燃料电池的效率下降的缺点。将本发明的安有微生物燃料电池的发电装置用于稻田中，可以跟稻田中的产甲烷菌竞争稻田中的有机物，从而减少稻田的甲烷排放量，降低温室气体的排放，对全球气候做出贡献。图1是微生物燃料电池原理图2是本发明的安有微生物燃料电池的发电装置的剖视示意图；1、PVC塑料管；2、阴极层；3、防水透气布层；4、碳毡层；5、透气孔；图3是本发明的安有微生物燃料电池的发电装置插入稻田后的电池的极化曲线图；图4是传统的质子交换膜+进口碳纸+催化剂Pt的微生物燃料电池埋入稻田后的电池的极化曲线具体实施例方式以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。实施例1秤取电解二氧化锰(购于浙江格尔泰斯纺织染整有限公司)为氧化还原催化剂，镍基导电漆(购于无锡曙光造漆厂)为导电涂层材料。将二氧化锰、镍基导电漆、粘结剂按652015的质量比混勻。向混合物中加入溶剂(N-甲基吡咯烷酮)，搅拌成糊状并超声分散15分钟后，将调制好的混合浆液均勻涂刷于防水透气布(浙江格尔泰斯纺织染整有限公司，G0RE-TEX)防水层的背面，在自然条件下风干12小时，再在90°C下烘干1小时，制成本实施例的阴极层2，该阴极层2与防水透气布层3构成阴极组件。选一根内径4.6cm、长35cm厚0.2cm的圆柱形PVC塑料管1为MFC建材，该PVC塑料管1一端封闭，一端敞口，在PVC塑料管1周侧表面上钻若干个直径1.Ocm的透气孔5，将阴极组件包覆于PVC塑料管的周侧表面，使PVC管的周侧表面的透气孔5都被阴极组件包裹住，阴极层2与PVC塑料管1的周侧表面接触，防水透气布层3位于阴极层2的外侧，防水透气布层3将阴极层2紧密的包裹于PVC塑料管周侧表面，使其与PVC外侧表面不透水，用一根钛丝作为阴极导线，然后截取14cmX18cm的碳毡(购自北京卡博赛科技有限公司)包裹阴极组件，形成碳毡层4，碳毡层4作为阳极，用钛丝缠绕，该钛丝作为阳极导线。由此而制成本发明的安有微生物燃料电池的发电装置。将上述安有微生物燃料电池的发电装置的封闭端插于稻田中，发电装置的管的敞口端高于稻田的水面，使得管内的阴极暴露于空气中，在阴极导线，阳极导线中串联一个1000欧姆的电阻。电压稳定后，将固定外电阻换为一个变阻箱，通过改变电池外电阻，测量外电阻电压后可以算出外电路功率并绘制出电池的极化曲线，如图3所示。从图3可以看出，该电池开路电压可达0.75V，稳定输出功率密度为78mW/m2。与将传统的质子交换膜+进口碳纸+催化剂Pt的微生物燃料电池埋入稻田相比较，其电池的极化曲线如图4所示，其开路电压为0.77V，最大输出功率密度为55mW/m2，因此本发明的安有微生物燃料电池的发电装置不但克服了阳极埋入土壤底部的复杂过程，及阴极长藻的问题，而且产电量有很大提高。由此表明该装置可以方便地插入水稻植株旁边，利用土壤有机质与水稻根系分泌物为燃料产生电力，并且不影响水稻生长，具有操作简单，自我维持运行的优点，便于广泛应用。利用手动密封箱法(公知方法)对稻田生态系统CH4排放进行检测。设置四个组，两个未放安有微生物燃料电池的发电装置的对照组，即对照组1和2，两个放有安有微生物燃料电池的发电装置的实验组，即实验组1和2。表3微生物燃料电池减排甲烷对比实验数据<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3表示两个放有安有微生物燃料电池的发电装置的实验组和未放安有微生物燃料电池的发电装置的对照组，随水稻生长期的季节变化，014排放变化数据。可以看出，安有MFC的发电装置可以持续抑制稻田甲烷气体的排放。在水稻生育期内，随着水稻植株的生长，甲烷气体的排放量逐渐增加，在90天时达到最大值，其中未放安有微生物燃料电池的发电装置对照组的甲烷排放通量为33.2mg/m2h，放有安有微生物燃料电池的发电装置的实验组甲烷排放通量降为17.6mg/m2h。在整个水稻整个生育期内，放有安有微生物燃料电池的发电装置的实验组对稻田甲烷气体排放的抑制率可达33-48%。权利要求一种微生物燃料电池，包括阳极、阴极和质子交换膜，所述的阴极包括催化剂、导电材料和粘结剂，其特征在于，所述的催化剂为二氧化锰，所述的质子交换膜为防水透气布；所述的阴极中的导电材料为镍基导电漆，该阴极为由二氧化锰、镍基导电漆和粘结剂按照质量比65∶20∶15混合，加入溶剂后，涂布于防水透气布的防水层的背面而形成；所述的阳极为碳毡。2.一种安装权利要求1所述的微生物燃料电池的发电装置，其特征在于，包括固定管和微生物燃料电池，所述的固定管一端密闭，另一端敞口，在固定管的周侧外表面具有一层微生物燃料电池的阴极层，在阴极层的外侧具有一层微生物燃料电池的防水透气布层，在防水透气布层的外侧具有一层微生物燃料电池的阳极层，至少在与所述的阴极层相接触的固定管的周侧表面上具有若干透气孔，阴极层和阳极层都安有导线。3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述的固定管为PVC塑料管。4.权利要求2所述的安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用。全文摘要本发明公开一种微生物燃料电池及安有该微生物燃料电池的发电装置，以及安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用。该微生物燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜，所述的阴极包括催化剂、导电材料和粘结剂，所述的催化剂为二氧化锰，所述的质子交换膜为防水透气布。应用该微生物燃料电池制成发电装置，将发电装置用于稻田中，可以跟稻田中的产甲烷菌竞争稻田中的有机物，从而减少稻田的甲烷排放量，降低温室气体的排放，对全球气候做出贡献。文档编号H01M8/16GK101800327SQ20101014660公开日2010年8月11日申请日期2010年4月8日优先权日2010年4月8日发明者刘忠毅,吕梓滇,周顺桂,张子力,游泽龙申请人:刘忠毅;周顺桂;游泽龙;吕梓滇;张子力