基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池及方法与流程

本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池及方法。

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。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MFC的输出功率较低，距离实际应用还有很大的距离。影响MFC性能的因素有很多，包括微生物种类、基质、细胞内部和外部的阻力、电极材料、反应器结构等。其中反应器结构和阴极电极材料是影响电池性能的重要因素。

Cho，MH团队发明了一种利用空气泵与废水泵来进行循环的新型空气阴极微生物燃料电池结构，具有了成本低、传质能力好等优点，但在实际运行中，多个泵的使用会使得能耗增加，在实际处理中会带来不必要的能量损失。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池。

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个技术方案，基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池，包括阳极腔室和阴极腔室；所述阴极腔室位于阳极腔室的上方，且阴极腔室与阳极腔室相连通；阳极腔室内设置有阳极电极，该阳极电极由若干个垂直排列的碳刷构成；阴极腔室内设置有阴极电极，该阴极电极由若干个垂直排列的竹炭管构成；阳极腔室和阴极腔室之间设置有鼓泡筛；其特征在于：阴极腔室的上部具有上小下大的锥度，且在阴极腔室的顶端设置汽液出口，该汽液出口通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器相连通；管路一的内径与鼓泡筛鼓出的气泡直径相同存储器通过管路二与阳极腔室相连通。

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；鼓泡增加了扰动，强化了电解液与电极之间的物质传输，促进了电化学反应的进行；同时，本发明依靠工质的密度差来作为物质的传输动力，充分利用空气泵以及存储器与阳极腔室的高度差来实现物质的自然循环，提高了电池的性能并减少了运行成本，达到降低能耗的目的。另外，本发明的阳极液和阴极液为相同的电解液，很好的调节了阴、阳极液的PH值，提高了电池性能，同时在实际中可以用于处理低浓度无缓冲液废水。

根据本发明所述的基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池的优选方案，该阴极腔室的上部设置多个汽液出口，每个汽液出口分别通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器相连通。通过调整汽液出口数量，达到调整液体流速的目的。

根据本发明的第二个技术方案，一种利用气泡浮升力实现空气阴极微生物燃料电池自循环的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一、建立空气阴极微生物燃料电池，该电池包括阳极腔室和阴极腔室；所述阴极腔室位于阳极腔室的上方，且阴极腔室与阳极腔室相连通；阳极腔室内设置有阳极电极，该阳极电极由若干个垂直排列的碳刷构成；阴极腔室内设置有阴极电极，该阴极电极由若干个垂直排列的竹炭管构成；阳极腔室和阴极腔室之间设置有鼓泡筛；阴极腔室的上部具有上小下大的锥度，且在阴极腔室的顶端设置汽液出口，该汽液出口通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器相连通；所述管路一的内径与鼓泡筛鼓出的气泡直径相同；存储器通过管路二与阳极腔室相连通；

第二、在电池的阳极腔室和阴极腔室内注入电解液；

第三、向鼓泡筛鼓入空气，鼓泡筛将空气鼓出形成气泡，气泡上升与竹炭管发生反应；

第四、气泡进入管路一并带动电解液向上流动，气泡和电解液均通过管路一进入存储器；

第五、存储器内的电解液通过管路二回流入阳极腔室。

根据本发明所述的利用气泡浮升力实现空气阴极微生物燃料电池自循环的方法的优选方案，该阴极腔室的上部设置多个汽液出口，每个汽液出口分别通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器相连通。

本发明所述的基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池及方法的有益效果是：本发明依靠工质的密度差来作为物质的传输动力，充分利用空气泵和高度差来实现物质的自然循环，提高了电池的性能并减少了运行成本，达到降低能耗的目的；另外，本发明的阳极液和阴极液为相同的电解液，很好的调节了阴阳极液的PH值，提高了电池性能，同时在实际中可以用于处理低浓度无缓冲液废水；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是本发明所述的基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池的结构示意图。

图2是具体实施例中基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池的结构示意图。

图3是本发明所述的基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池的cv极化曲线。

图4是本发明所述的基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池的功率密度曲线。

具体实施方式

参见图1，一种基于气泡浮升力的自循环空气阴极微生物燃料电池，包括阳极腔室12和阴极腔室13；所述阴极腔室13位于阳极腔室12的上方，且阴极腔室13与阳极腔室12相连通；阳极腔室12内设置有阳极电极，该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；阴极腔室13内设置有阴极电极，该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；阳极腔室12和阴极腔室13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；阴极腔室13的上部具有上小下大的锥度，且在阴极腔室13的顶端设置汽液出口，该汽液出口通过管路一8与阴极腔室上方设置的存储器9相连通；管路一的内径与鼓泡筛4鼓出的气泡直径相同；存储器9通过管路二与阳极腔室12底部的电解液进口7相连通。

参见图2，在具体实施例中，该阴极腔室13的上部设置多个汽液出口，每个汽液出口分别通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器9相连通。通过调整汽液出口的数量以及外部空气泵6的功率，达到调整液体流速的目的。

一种利用气泡浮升力实现空气阴极微生物燃料电池自循环的方法，包括如下步骤：

第一、建立空气阴极微生物燃料电池，该电池包括阳极腔室12和阴极腔室13；所述阴极腔室13位于阳极腔室12的上方，且阴极腔室13与阳极腔室12相连通；阳极腔室12内设置有阳极电极，该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；阴极腔室13内设置有阴极电极，该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；阳极腔室12和阴极腔室13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；阴极腔室13的上部具有上小下大的锥度，且在阴极腔室13的顶端设置汽液出口，该汽液出口通过管路一8与阴极腔室上方设置的存储器9相连通；管路一的内径与鼓泡筛4鼓出的气泡直径相同；存储器9通过管路二与阳极腔室12底部的电解液进口7相连通。

在具体实施例中，在该阴极腔室13的上部设置多个汽液出口，每个汽液出口分别通过管路一与阴极腔室上方设置的存储器9相连通。

第二、在电池的阳极腔室12和阴极腔室13内注入电解液。

第三、利用空气泵6向鼓泡筛4鼓入空气，鼓泡筛4将空气鼓出形成气泡3，气泡3上升与竹炭管2发生反应。

第四、气泡3进入管路一8并带动电解液向上流动，气泡3和电解液均通过管路一8进入存储器9。

第五、存储器9内的电解液通过管路二14回流入阳极腔室12。

本发明实现自循环的工作原理是：本发明利用空气泵6向鼓泡筛4鼓入空气，鼓泡筛4将空气鼓出形成气泡3，气泡3上升进入管路一8，由于气泡直径与管道一直径相同，管道一中气泡受到浮升力、重力和表面张力作用，由于浮升力远大于重力与表面张力，使得气泡逐渐上升，气泡带动反应器内电解液向上传输，气泡3和电解液均通过管路一8进入存储器9，由于存储器9与阳极腔室12的高度差，存储器9内的电解液通过管路二14回流入阳极腔室12，实现自循环过程。

由图3和图4可知，当鼓泡筛4鼓出气泡的流速为52ml/min，最大功率密度达到1.27w/m³，增加流速，当流速增大到72ml/min，最大功率密度增加到1.40w/m³，当流速增加到92ml/min，最大功率密度有1.56w/m³，进一步增加流速至112ml/min时，最大功率密度却下降为0.7w/m³。