一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池的制作方法

本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池。

背景技术：

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好、在产生电能的同时进行废水处理独特优势，成为全球可再生能源研究者关注的热点。影响MFC性能的因素有很多，包括微生物种类、底物、阴极催化剂、阴极电子受体、过程参数优化、电极材料、反应器结构等。研究者正对以上因素开展了大量的实验研究。其中,以空气中的氧气作为阴极电子受体的空气阴极微生物燃料电池是目前极具规模化应用潜质的一种。国内外学者对于空气阴极催化剂的优化和材料的优选等方向都展开了深入而广泛的探究。通过大量的实验研究,空气阴极的性能及成本控制都有较大的提升。

然而，目前大部分空气阴极研究均采用自呼吸式空气阴极结构，阴极结构为二维平面结构。同时，部分空气阴极采用了昂贵的金属催化剂，这对于未来实际应用并不现实。因此，研究学者构造了鼓泡式空气阴极，阴极采用活性炭颗粒堆积床。这大大提高了阴极电极的比表面积，从而来提升MFC的电池性能。然而，这种颗粒堆积床流动阻力较大，并不利于空气气泡的向上运动，会造成空气泡的堆积，反而降低了反应的有效面积。此外，活性炭颗粒的导电性并不好，会导致电池的内阻较大。

因此，十分有必要寻找一种低成本、导电性好、气泡流动阻力小等特点的鼓泡空气阴极结构，以满足MFC未来实际应用需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池。

为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池，包括阳极电极和阴极电极，其特征在于：阳极电极由若干个垂直排列的碳刷构成，阴极电极由若干个垂直排列的竹炭管构成；阳极电极设置在电池的下部，阴极电极设置在电池的上部，阳极电极和阴极电极之间设置有鼓泡筛，该鼓泡筛通过管路与外部空气泵连接；在电池的底部设置有阳极液进出口，电池的顶部设置有气泡出口。

本发明采用碳化后的竹炭管具有多孔的特性，大大的增加了电极与电解液的接触面积，促进阴极的反应；竹管来源广泛，价格低廉。碳化工艺成熟、简单；竹炭管束的垂直布置有利于气泡在竹炭管内和竹炭管外的向上运动，避免了空气泡的聚集；并且经过高温碳化后的竹炭管导电性较佳，降低了电池的内阻；鼓泡增加了扰动，强化了电解液与电极之间的物质传输。空气阴极的采用，在实际应用中不会造成污染，且空气方便易得，是一种很理想的电子受体。

本发明所述的一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池的有益效果是：本发明采用竹炭管作为电池阴极，碳刷作为电池阳极，利用空气泵鼓入空气，不仅利用了竹炭的优良导电性能和多孔特性，空气泵鼓入空气还加快了反应器内物质的传输效率，提高了电池的性能；本发明具有成本低、导电性好、气泡流动阻力小，无污染等特点，可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

附图说明

图1是本发明所述的竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池的结构示意图。

图2是碳化后的竹炭管轴向剖面SEM图。。

图3是碳化后的竹炭管径向断面SEM图。

图4是电池的性能比较图。

具体实施方式

参见图1，一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池，包括阳极电极和阴极电极，其中，阳极电极由若干个垂直排列的碳刷1构成，所有碳刷通过第一钛丝10相连接；阴极电极由若干个垂直排列的竹炭管2构成，所有竹炭管2的外壁均缠绕第二钛丝11，并通过第二钛丝11相连接；阳极电极设置在电池的下部，阴极电极设置在电池的上部，阳极电极和阴极电极之间设置有鼓泡筛4，该鼓泡筛4通过管路5与外部空气泵6连接，以导入空气；在电池的底部设置有阳极液进出口7，与外部液体泵9连接，以注入阳极液；电池的顶部设置有气泡出口8。

本发明阳极液从电池下方阳极液进出口7注入，流经阳极电极；阳极电极上方的鼓泡筛4由外部空气泵6鼓入空气，之后空气通过鼓泡的方式被均匀鼓出形成气泡3并上升，与鼓泡筛4上方的竹炭管2充分接触发生反应。鼓泡的方式增加物质的传输能力，以此来提高微生物燃料电池的性能。

由图2和图3可知，碳化后的竹炭管在沿着轴向分布着很多大孔，而在径向断面上也分布着不同大小的孔。可见，碳化后的竹炭管无论在轴向还是径向都分布着发达的孔隙，这不但有利于物质传输，而且较大的比表面积有利于反应的发生。

参见图4，图4比较了在有、无缓冲液运行条件下，竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池的性能。可知，同一个电池，在有缓冲液和无缓冲液条件下，电池的最大功率分别为1.50mW和1.28mW。