一种插入式便捷绿色产电装置的制作方法

本发明涉及一种微生物燃料电池，特别是一种插入式便捷绿色产电装置。

背景技术

微生物燃料电池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，使阳极室内的有机物在微生物的作用下分解并释放出电子和质子；电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过交换膜传递到阴极，并在阴极得到电子后还原组合成水。微生物燃料电池相比常规的产电装置能够将有、无机物所为燃料直接转变为电能，具有能源利用率高、无污染的特点。

由于微生物燃料电池在工作时需要分别将阳极电极和阴极电极处于厌氧和有氧环境下，并将交换膜设置在阳极电极和阴极电极之间，导致常规的微生物燃料电池在安装前需要在淤泥、污水等有机物环境中开发出相应外形和结构的电极室，再将电极分别安装固定在电极室内才能实现对有机物燃料的能源使用。但这种方式需要在安装时对表层土进行开挖，而表层土的外渗则会造成生态破坏、土壤侵蚀和油耗高的缺点，使表层土壤的肥力大大降低。并且电极室的存在还会大大增加微生物燃料电池的占用空间，并提高了微生物燃料电池的生产成本和制作难度，从而增加了微生物燃料电池的使用难度。因此，现有的微生物燃料电池存在环境破坏性大、使用困难的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种插入式便捷绿色产电装置。它具有环境破坏性小和使用方便的特点。

本发明的技术方案：一种插入式便捷绿色产电装置，包括外管，外管内侧设有内管，外管下端连接有底座，底座中部设有镂孔，镂孔内设有交换膜，外管外壁设有阳极电极，阳极电极下端包覆在底座外壁上，外管内壁设有阴极电极，阳极电极和阴极电极上分别缠绕有阳极导线和阴极导线，阳极导线和阴极导线上端延伸至外管顶部。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述底座包括相互连接的上座体和下座体，所述镂孔分别设置在上座体和下座体中部，所述交换膜设置在上座体和下座体之间的镂孔内。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述交换膜包括离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜或多孔滤料所制成的膜。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述底座的材质为塑料、钢材料或钛合金。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述阴极电极和阳极电极的材质为石墨毡、碳纸和碳布中的一种或几种。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述外管的材质为pvc管、双壁波纹管、铝塑复合管或pe管。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述内管的外形为u形结构，内管的材质为硅胶。

前述的一种插入式便捷绿色产电装置中，所述阳极导线和阴极导线的材质为钛丝、铜、银、铝和锡中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明将阳极电极和阴极电极分别设置在外管的外壁和内壁，并使阳极电极包覆在底座外侧，使外管下端和底座内外能够相互隔离形成封闭的空间，从而使阳极电极上的产电细菌营造了良好的厌氧环境，使喜爱厌氧环境的产电细菌能够大量繁殖；通过内管可以将外管顶部开口处的空气吸入外管内，使外管内侧能够形成有氧环境，并配合阳极导线和阴极导线实现电子的传递；从而使本发明能够将阳极和阴极一体化，直接插入湿地、盐沼人工湖等环境中便可进行产电，避免电池在安装时对表层土壤的挖掘和破坏，保护了土壤的生态环境和肥力；并且通过外管、内管和底座的结构配合，可以在节约电极室占用空间的同时进一步降低了自身的截面面积，从而进一步降低对环境的破坏性并方便用户的安装和使用。

此外，本发明根据各结构件和功能件的工作特性设置了相应的结构和材质，使本发明在使用时能够具有良好的工作稳定性和使用寿命，避免外界有机物中的腐蚀性物质影响本发明的正常工作；u形结构的内管还可以作为供养或氧化剂通道使用，从而进一步保证阴极电极附近的好氧环境。所以，本发明具有环境破坏性小和使用方便的特点。

附图说明

图1是发明的结构示意图；

图2是底座的结构示意图；

图3是本实验例中插入式便捷绿色产电装置的电压检测图；

图4是本实验例中插入式便捷绿色产电装置的电流密度检测图。

附图中的标记为：1-外管，2-内管，3-底座，4-交换膜，5-阳极电极，6-阴极电极，7-阳极导线，8-阴极导线，301-镂孔，302-上座体，303-下座体，304-卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种插入式便捷绿色产电装置，构成如图1所示，包括外管1，外管1内侧设有内管2，外管1下端连接有底座3，底座3中部设有镂孔301，镂孔301内设有交换膜4，外管1外壁下端设有阳极电极5，阳极电极5下端包覆在底座3外壁上，外管1内壁下端设有阴极电极6，阳极电极5和阴极电极6上分别缠绕有阳极导线7和阴极导线8，阳极导线7上端延伸至外管1顶部，阴极导线8上端延伸至内管和外管之间的开口顶部。

所述底座3包括经螺栓相互连接的上座体302和下座体303，上座体302顶部设有卡槽304，外管1下端经卡槽304连接座体302，所述镂孔301分别设置在上座体302和下座体303中部，所述交换膜4经螺栓设置在上座体302和下座体303之间的镂孔301内，防止水或化合物从阳极电极5渗透至阴极电极6。

所述交换膜4包括离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜或多孔滤料所制成的膜。

所述底座3的材质为塑料、钢材料或钛合金。

所述阴极电极6和阳极电极5的材质为石墨毡、碳纸和碳布中的一种或几种。

所述外管1的材质为pvc管、双壁波纹管、铝塑复合管或pe管。

所述内管2呈u形结构直接插入外管1内，并使u形折弯位于阴极电极6内侧，内管2和外管1之间不形成固定连接，内管2为硅胶材料管材。

所述阳极导线5和阴极导线6的材质为钛丝、铜、银、铝和锡中的一种或几种。

本发明的工作原理：本发明通过外管1、交换膜4和包覆在底座3外壁的阳极电极5的配合，使阳极电极5外侧处于良好的厌氧环境，使产电细菌大量繁殖，电细菌把植物光合作用产生的有机质分解为电子，并被阳极电极5所吸收，再依次经阳极导线7和阴极导线8传递给阴极电极6，从而实现阳极电极5和阴极电极6的电流传递；通过由硅胶材料管材制成的内管2具有良好的耐老化性和透气性，可以将外界氧气、氧化剂或其他电子受体扩散到阴极电极6附近，使阴极电极6内侧形成良好的有氧环境。阳极电极5处的有机质在产电细菌的作用下产生的离子可通过底座3中部的镂孔301和交换膜4与阴极电极6处的离子进行交换，阳极电极5可选用石墨毡、碳纸和碳布等网状材质，从而使离子能够稳定穿过阳极电极5。用户还可以通过更换不同材质的交换膜4来改变交换膜4的跨膜内阻和离子交换能力，从而使本发明可以适用于不同工作环境和产电介质。本发明不需要额外接种微生物，就地使用现有的微生物和营养物质，通过将阳极和阴极一体化使其直接插入湿地或盐沼人工湖等环境中便可进行产电，降低了对土壤环境的破坏并方便用户的使用，具有良好的适用性。

实验例：一种荷塘景观灯，包括呈荷叶外形的led灯，led灯连接有漂浮在水面上的储能元件，储能元件分别连接有光控开关和插入式便捷绿色产电装置，插入式便捷绿色产电装置可选用多个依次串联后对储能元件进行储电，从而实现对led灯的照明；所述储能元件和光控开关均为常规功能元件。本实验例所用的插入式便捷绿色产电装置中，交换膜4的大小为40*40mm，阳极电极5和阴极电极6均采用3mm厚，大小为500mm*96mm的碳毡；阳极导线7和阴极导线8均选用钛丝分别穿在碳毡内。

本发明记录并整理了荷塘景观灯前25天的实验数据，表明了插入式便捷绿色产电装置能够持续稳定的提供电压、电流输出，保证其稳定产电的可行性。电压，也称作电势差或电位差，可以作为衡量管状电池性能的一个指标，也可反映插入式便捷绿色产电装置的运行情况。本次试验设置三组平行试验，将插入式便捷绿色产电装置置于荷塘中进行，插入式便捷绿色产电装置开始运行的时间记为第1天。实验过程中所产生的电压通过数字万用表进行采集，从运行第一天起至结束，测量电压，25天后，停止运行。绘制插入式便捷绿色产电装置在实验期间的电压情况示意图。检测结果如图3所示，本发明在搭建后能够持续为荷塘景观灯提供工作电压，并且电压强度在20天后趋于稳定。

测定植物电池的电压和内阻后，通过计算可以得到产电装置的电流密度、电池功率等指标，来研究本发明的产电效率。通过数据采集仪在线测量了电池电位、阳极电位和温度后，经计算得出其电流密度；计算公式为其中i-膜面积的电流密度(ma/m²)，u-细胞单位(mv)，r-外部阻力(ω)，a-膜的膜面积(m²)。检测结果如图4所示，三个应用于荷塘的插入式便捷绿色产电装置在12天之后开始产生正电流，然后能够持续产生电流输出，并随时间逐步提升其电流强度，装置在搭建20天后电流稳定在38ma/m²。

插入式便捷绿色产电装置的总内阻计算为阳极电极5、阴极电极6和交换膜4的电阻之和，其电阻可通过万用表来获取。采用改变可变外电阻阻值的方法测量功率密度。当反应器以外电阻0ω时运行稳定后，记录稳定电压，将电路断开形成开路，连上外电阻，待其稳定，约20min,记录电压值，而后依次递减电阻阻值进行测试，本实验选取的阻值具体为100k，50k，10k，8k，6k,5k，4k，3k，2k,1k，750ω，500ω，250ω，100ω，50ω，25ω，10ω。功率密度的计算公式为：其中p-功率密度(mw/m²)，u-细胞电位(mv)，r-外电阻阻值(ω)，a-膜的膜面积(m²)。

功率，表征作功快慢程度的物理量，可以作为衡量发电装置性能的一个指标。我们使用了三个相同的插入式便捷绿色产电装置应用于荷塘并测量了它们的电压和内阻，然后根据公式计算出它们的功率，表1为发电量两周时插入式便捷绿色产电装置的电位，功率和内阻：

表1插入式便捷绿色产电装置的电位、功率、内阻参数

在本实验中经过长期数据处理，证明插入式便捷绿色产电装置的日平均发电量能够达到21mw/m²。从而使本发明能够作为一种荷塘景观灯的产电装置并满足led灯的用电需求。