专利名称：一种新型的植物-微生物燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于资源循环利用的可再生能源领域，具体涉及一种以植物的光合作用为燃料生产者，以供给微生物燃料电池产电的新型的植物-微生物燃料电池装置。
技术背景微生物燃料电池是一种利用微生物的作用将化学能转化为电能的装置。通常微生物燃料电池可分为阳极室和阴极室，并通过膜将两室分开。阳极以微生物为催化剂，将进入阳极室的有机质进行降解，并将在此过程中产生的电子传输到阳极电极上，在通过外电路负载到达阴极。细菌降解有机质所产生的质子从阳极室通过膜到达阴极，在阴极上与电子受体反应，由此产生电流。早在1910年，英国植物学家就将钼作为电极置于大肠杆菌的培养液里，成功地制造出了世界上第一个细菌电池。1984年，美国科学家设计一种用于太空飞船的细菌电池，其电极的活性物来自宇航员的尿液和活细菌。植物通过叶绿素进行光合作用，固定(X)2合成碳水化合物。依据植物的种类及环境条件，大约有60%的被固定C会输入到根部。研究表明，土壤有机质总数的30% 40% 来自根分泌物和死亡的根，主要有(1)糖类、有机酸等；( 高分子碳水化合物和酶等；(3) 死亡的细胞物质；(4)乙烯等气体物质。目前的研究表明糖类和有机酸等都可作为微生物燃料电池的燃料。但对于目前的以土壤中有机质为燃料微生物燃料电池系统存在的主要问题是由于土壤中传质阻力导致电压过小。并且由于植物的光合作用对光照依赖较大，导致白天和夜晚的电压变化比较大。
发明内容为了克服现有植物-微生物燃料电池系统的不足，本实用新型的目的是提出一种新型的植物-微生物燃料电池装置，该装置不仅可以避免土壤传质的阻力的影响，而且还可以减少燃料电池装置对光照的依赖，并且将空气阴极电极和生物阴极电极结合，可减少阴极电极对电池产电效率的限制。本实用新型主要是以植物通过光合作用固定合成并释放到土壤中的有机质为燃料，通过将这些有机质分离定量输送到微生物燃料电池系统中，并将空气阴极电极和生物阴极电极结合起来共同作为微生物燃料电池的阴极电极，以此提高植物-微生物燃料电池的整体效率，从而实现了本发明的目的。本实用新型的新型的植物-微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统，其特征在于，所述的微生物燃料电池系统呈底部封闭的双层圆柱体状，双层圆柱体夹层为密封的阳极室，阳极室的侧壁上部设有进水口，下部设有出水口，阳极室内设有阳极电极，经外电路与阴极电极相连，所述的双层圆柱体的内腔作为阴极室，其与大气相通，阴极室的壁上设有空气阴极电极，所述的双层圆柱体的外壁上设有生物阴极电极，所述的生物阴极电极与阳极室，以及阳极室与空气阴极电极之间由膜分开，由所述的空气阴极电极和生物阴极电极组成阴极电极；还包括土壤有机质提取系统和定量输送系统，所述的土壤有机质提取系统包括通过管道相连的渗水计和集液瓶，在集液瓶上部还连有泵，所述的定量输送系统包括蠕动泵，所述的蠕动泵一端与集液瓶相连，另外一端的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室的进水口相连。所述的渗水计优选为多孔陶瓷渗水计。所述的在集液瓶上部还连有泵可为手动或电动的真空泵，泵的作用是使渗水计及其周围形成负压，以便土壤中含有有机质的可自由移动的水分透过渗水计的孔进入渗水计中。所述的阳极电极和阴极电极可为网状玻璃碳、石墨电极、石墨棒、石墨电刷、碳布、 石墨板、碳纸、碳棒中的一种或几种。所述的膜优选为质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。在集液瓶和蠕动泵之间优选设有开关，便于控制。本实用新型的新型的植物-微生物燃料电池装置是这样运行的将渗水计放入土壤中，开启泵，泵使得渗水计及其周围形成负压，一段时间后，土壤中含有有机质的可自由移动的水分进入渗水计中，收集到得溶液在集液瓶中贮存，再通过蠕动泵将集液瓶中的溶液定量输送到微生物燃料电池系统的阳极室内进行微生物燃料电池的发电。本实用新型的新型的植物-微生物燃料电池装置与常规的微生物燃料电池相比， 由于本实用新型首先将土壤中的有机质进行提取，避免了有机质和质子在土壤中的传质阻力，同时由于将有机质提取减少了光照时间因素对土壤中有机质影响的作用，并进而减少了基于土壤中有机质的微生物燃料电池的电压变化因素，有利于电压的稳定输出。此外，本实用新型同时还将空气阴极电极和生物阴极电极结合，减少阴极电极对电池产电效率的限制。
图1是本实用新型的新型的植物-微生物燃料电池装置的结构示意图；图2是微生物燃料电池系统的剖面图；其中1、多孔陶瓷渗水计；2、开关；3、电动真空泵；4、集液瓶；5、蠕动泵；6、微生物燃料电池系统；7、阳极电极；8、生物阴极电极；9、质子交换膜；10、空气阴极电极；11、进水口 ；12、出水口 ；13、阳极室；14、阴极室；15、外电路。
具体实施方式
以下实施例是对本实用新型的进一步说明，而不是对本实用新型的限制。实施例1 如图1和图2所示，本实施例的新型的植物-微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统6、土壤有机质提取系统和定量输送系统，所述的微生物燃料电池系统6呈底部封闭的双层圆柱体状，双层圆柱体夹层为密封的阳极室13，阳极室13的侧壁上部设有进水口 11，下部设有出水口 12，阳极室内设有石墨为电极材料的阳极电极7，经外电路15与阴极电极相连，所述的双层圆柱体的内腔作为阴极室14，其与大气相通，阴极室14的壁上设有石墨为电极材料的空气阴极电极10，所述的双层圆柱体的外壁上设有石墨为电极材料的生物阴极电极8，所述的生物阴极电极8与阳极室13，以及阳极室13与空气阴极电极10之间由质子交换膜9分开，由所述的生物阴极电极8和空气阴极电极10组成阴极电极，通过外电路15与阳极电极7相连通。所述的土壤有机质提取系统包括通过管道连接的多孔陶瓷渗水计1和集液瓶4，在集液瓶4的上盖上还连有电动真空泵3，所述的定量输送系统包括蠕动泵5，所述的蠕动泵5 —端经开关2与集液瓶4相连，另外一端的输出口与微生物燃料电池系统6的阳极室14的进水口 11相连。 本实施例是这样运行的首先在土壤中钻取一定直径的空穴，插入用水润湿的多孔陶瓷渗水计1，渗水计1尾部根据需要可连接长度不等的PVC管，通过电动真空泵3的作用使渗水计1周围形成负压，一段时间后，土壤中含有有机质的可自由移动的水分渗过多孔陶瓷头进入多孔陶瓷渗水计1中，将收集到的溶液集中存储在集液瓶4中，在收集土壤中的水分的过程中，可以将开关2关闭，溶液收集后，打开开关2，再通过蠕动泵5将集液瓶4 中的溶液经进水口 11定量输送到阳极室13中进行微生物燃料电池发电。阳极室13内接种的微生物来源于海底污泥，在阳极电极9上的微生物的作用下反应产生电子，电子通过外电路15到达生物阴极电极8和空气阴极电极10，空气阴极电极10在Pt催化剂作用下， 和氧气反应生成水，构成回路而产生电流，反应后的溶液从出水口 12回流到土壤中。
权利要求1.一种新型的植物-微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统(6)，其特征在于，所述的微生物燃料电池系统呈底部封闭的双层圆柱体状，双层圆柱体夹层为密封的阳极室(13)，阳极室的侧壁上部设有进水口(11)，下部设有出水口(12)，阳极室内设有阳极电极(7)，经外电路(15)与阴极电极相连，所述的双层圆柱体的内腔作为阴极室(14)，其与大气相通，阴极室的壁上设有空气阴极电极(10)，所述的双层圆柱体的外壁上设有生物阴极电极⑶，所述的生物阴极电极与阳极室，以及阳极室与空气阴极电极之间由膜(9)分开，由所述的空气阴极电极和生物阴极电极组成阴极电极；还包括土壤有机质提取系统和定量输送系统，所述的土壤有机质提取系统包括通过管道相连的渗水计(1)和集液瓶G)， 在集液瓶上部还连有泵(3)，所述的定量输送系统包括蠕动泵(5)，所述的蠕动泵一端与集液瓶相连，另外一端的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室的进水口相连。
2.根据权利要求1所述的新型的植物-微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的渗水计为多孔陶瓷渗水计。
3.根据权利要求1所述的新型的植物-微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的集液瓶上部的泵为手动或电动的真空泵。
4.根据权利要求1所述的新型的植物-微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的膜为质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。
5.根据权利要求1所述的新型的植物-微生物燃料电池装置，其特征在于，在所述的集液瓶和蠕动泵之间还设有开关。
6.根据权利要求1所述的新型的植物-微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的阳极电极和阴极电极为网状玻璃碳、石墨电极、石墨棒、石墨电刷、碳布、石墨板、碳纸、碳棒中的一种或几种。
专利摘要本实用新型公开一种新型的植物-微生物燃料电池装置。它包括微生物燃料电池系统，其呈底部封闭的双层圆柱体状，双层圆柱体夹层为密封的阳极室，阳极室的侧壁上部设有进水口，下部设有出水口，阳极室内设有阳极电极，经外电路与阴极电极相连，所述的双层圆柱体的内腔作为阴极室，其与大气相通，阴极室的壁上设有空气阴极电极，所述的双层圆柱体的外壁上设有生物阴极电极，所述的生物阴极电极与阳极室，以及阳极室与空气阴极电极之间由膜分开；还包括土壤有机质提取系统和定量输送系统，所述的土壤有机质提取系统包括管道相连的渗水计和集液瓶，在集液瓶上部连有泵，所述的定量输送系统包括蠕动泵，蠕动泵一端与集液瓶相连，另外一端与进水口相连。
文档编号H01M8/04GK202339955SQ20112050982
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者孔晓英, 孙永明, 李 东, 李连华, 李颖, 杨改秀, 甄峰, 袁振宏 申请人:中国科学院广州能源研究所