一种污水燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种污水燃料电池，发电单元包括阳极、质子交换膜和阴极腔；阳极为放置在第一污水管道中的一封闭的壳状结构，阴极腔位于第一污水管道之外，第一污水管道与阴极腔之间以管道相连并相通，管道中设有质子交换膜；阴极腔内部设有阴极，阳极内部设有紫外线灯；阳极的壳状结构的壁体由内至外分别是玻璃板、网状金属导线、透明硅片、纳米TiO2颗粒涂层，网状金属导线带有外电路接口，外电路接口由导线经外电路后连接阴极；能同时兼顾利用微生物氧化及紫外线激发纳米TiO2氧化污水中有机物产生电子和质子，效率高；将发电单元模块化，通过串联方式的集成，可以将低电压转换成较高电压。
【专利说明】一种污水燃料电池
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池【技术领域】，尤其涉及一种适用于浑浊污水处理及发电的污水燃料电池。
【背景技术】
[0002]由现有技术可知，一些微生物可以不通过氧化还原媒介体，而是直接氧化有机物转移电子，从而获得电能。污水具有源源不断及可生化性强等特点，因而它成为了微生物燃料电池的最佳有机物来源之一。目前，广泛采用的污水处理方法主要是利用好氧生物处理或厌氧生物处理，前者运行费用高，无法普及推广。后者运行费较低，但甲烷的回收利用率低，废气处理困难。
[0003]微生物燃料电池是一种融合了污水处理和生物产电的新技术，它能够在处理污水的同时收获可观电能。但是传统的微生物燃料电池有机物氧化速率低，极大的限制了这种污水处理办法的普及推广。
[0004]纳米Ti02光催化技术是光电化学应用的方法之一，光资源取之不竭，纳米Ti02光催化应用技术工艺简单，成本低廉，具有高催化活性，良好的化学稳定性和热稳定性，无二次污染，安全无毒等特点，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。
[0005]光电化学生物燃料电池使用纳米Ti02颗粒的方式是:将纳米1102颗粒置于经过滤沉淀澄清后的透明污水中形成纳米Ti02颗粒悬浊液，进而通过自然光照射激发其光催化作用。使用该方法有如下缺陷:纳米Ti02颗粒不易回收、污水需经过滤沉淀澄清处理、光来源受太阳日照限制、纳米Ti02颗粒可能直接将有机物催化成氢气。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用紫外线激发纳米二氧化钛作阳极的污水燃料电池，以提高浑浊污水燃料的氧化速率来增加污水燃料电池的适应性、发电功率和效率。
[0007]本发明采用的技术方案是:本发明包括一个发电单元，发电单元包括阳极、质子交换膜和阴极腔；阳极为放置在第一污水管道中的一封闭的壳状结构，阴极腔位于第一污水管道之外，第一污水管道与阴极腔之间以管道相连并相通，管道中设有质子交换膜；阴极腔内部设有阴极，阳极内部设有紫外线灯；阳极的壳状结构的壁体由内至外分别是玻璃板、网状金属导线、透明硅片、纳米Ti02颗粒涂层，网状金属导线带有外电路接口，外电路接口由导线经外电路后连接阴极。
[0008]第一污水管道的旁侧是第二污水管道，第一污水管道和第二污水管道之间具有容纳下阴极腔的空间，若干个发电单元的阳极放置在第一污水管道中，该若干个发电单元的阴极腔均放置在第一污水管道和第二污水管道之间的空间；第二污水管道中放置同样个数的发电单元的阳极，该同样个数的发电单元的阴极腔均放置在第一污水管道和第二污水管道之间的空间且与已有的阴极腔相互间隔交错布置；所有的发电单元由导线串联。[0009]本发明的有益效果是:
1、本发明能同时兼顾利用微生物氧化及紫外线激发纳米Ti02氧化污水中有机物产生电子和质子，效率高。
[0010]2、污水燃料电池电源不受光照条件的影响，发电时不产生污染，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音，是一种清洁、高效的绿色环保电源。
[0011]3、发电单元模块化，通过串联方式的集成，可以将低电压转换成较高电压，可以用来建设大型污水燃料电站，实现为电动汽车等用电负载充电的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明所述一种污水燃料电池中单个发电单元的结构及原理图；
图2是图1中阳极3的结构放大图；
图3是本发明所述污水燃料电池的发电单元模块集成化的工作原理图。
[0013]图中:1.发电单元；2.紫外线灯；3.阳极；4.导线；5-1.第一污水管道；5_2.第二污水管道；6.空气输入管；7.阴极；8.阴极腔；9.质子交换膜；10.玻璃板；11.外电路接口；12.网状金属导线；13.透明硅片；14.纳米Ti02颗粒涂层；15.用电负载；16.控制开关。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，本发明包括一个发电单元1，发电单元1结构主要包括:阳极3、质子交换膜9和阴极腔8。其中，阳极3为一封闭的壳状结构，放置在第一污水管道5-1中，在阳极3的内部设有紫外线灯2 ;阴极腔8位于第一污水管道5-1之外。在第一污水管道5-1上开孔，在第一污水管道5-1与阴极腔8之间以管道相连，在相连的管道中设有质子交换膜9。
[0015]如图2所示，封闭壳状结构的阳极3的壳状壁体由普通的玻璃板10、网状金属导线
12、透明硅片13、纳米1102颗粒涂层14组成，透明硅片13可以是硅膜，硅也可以由其他透明的且在水中稳定导电或半导电材料替换。壳状壁体由内至外分别是普通的玻璃板10、网状金属导线12、透明硅片13、纳米1102颗粒涂层14。在玻璃板10的外表面上紧贴网状金属导线12，网状金属导线12的外表面上紧贴透明硅片13，在透明硅片13的外表面上经过毛化处理，然后涂上纳米Ti02颗粒涂层14。透明硅片13的作用是透光并作为基底涂有纳米1102颗粒涂层14，透明硅片13经毛化处理可以提高纳米1102颗粒涂层14与污水的接触面积而加快反应速度。网状金属导线12带有外电路接口 11，外电路接口 11经导线4连接外电路，最终到达阴极腔8中的阴极7。
[0016]阴极腔8内设有普通微生物燃料电池的阴极7，空气输入管6 —端连接阴极腔8，另一端连通外部。
[0017]发电单元1工作时，内置的紫外线灯2发出紫外线，通过普通的玻璃板10、网状金属导线12、透明硅片13照射并激发纳米1102颗粒涂层14，可以加快第一污水管道5-1中污水中有机物氧化速度。以氧化葡萄糖为例，阳极反应按式(1)进行，从而达到提高污水燃料电池发电功率的目的。由于设有专门内置的紫外线灯2，使本发明不受太阳日照条件的限制，并可直接使用浑浊污水作为燃料电池的氧化物来源。经上述光催化反应的电子经过外电路到达阴极腔8中的阴极7，同时产生的质子经质子交换膜9达到阴极7附近，按照式
(2)完成阴极反应，实现氧化污水中的有机物并通过外电路提供电能。
【权利要求】
1.一种污水燃料电池，其特征是:包括一个发电单元(1)，发电单元(1)包括阳极(3)、质子交换膜(9)和阴极腔(8);阳极(3)为放置在第一污水管道(5-1)中的一封闭的壳状结构，阴极腔(8)位于第一污水管道(5-1)之外，第一污水管道(5-1)与阴极腔(8)之间以管道相连并相通，管道中设有质子交换膜(9);阴极腔(8)内部设有阴极(7)，阳极(3)内部设有紫外线灯(2);阳极(3)的壳状结构的壁体由内至外分别是玻璃板(10)、网状金属导线(12)、透明硅片(13)、纳米Ti02颗粒涂层(14)，网状金属导线(12)带有外电路接口( 11)，外电路接口(11)由导线(4)经外电路后连接阴极(7)。
2.根据权利要求1所述一种污水燃料电池，其特征是:第一污水管道(5-1)的旁侧是第二污水管道(5-2),第一污水管道(5-1)和第二污水管道(5-2)之间具有容纳下阴极腔(8)的空间，若干个发电单元(1)的阳极(3)放置在第一污水管道(5-1)中，该若干个发电单元(1)的阴极腔(8)均放置在第一污水管道(5-1)和第二污水管道(5-2)之间的空间；第二污水管道(5-2)中放置若干个发电单元(1)的阳极(3)，对应的阴极腔(8)均放置在第一污水管道(5-1)和第二污水管道(5-2)之间的空间且与已有的阴极腔(8)相互间隔交错布置；所有的发电单元(1)由导线(4)串联。
3.根据权利要求1所述一种污水燃料电池，其特征是:玻璃板(10)的外表面上紧贴网状金属导线(12)，网状金属导线(12)的外表面上紧贴透明硅片(13)，透明硅片(13)的外表面经毛化处理并涂有纳米Ti02颗粒涂层(14)。
4.根据权利要求1所述一种污水燃料电池，其特征是:阴极腔(8)连接空气输入管(6)一端，空气输入管(6)另一端连通外部。
5.根据权利要求1所述一种污水燃料电池，其特征是:根据外电路的用电负载的功率及发电单元(1)的输出电压确定发电单元(1)的数量。
【文档编号】H01M8/16GK103647098SQ201310582034
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】陈士安, 王骏骋, 游专, 祖广浩, 姚明, 彭佳鑫, 张晓娜, 武晓晖 申请人:江苏大学