一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池的制作方法

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池。

背景技术：

微生物燃料电池(microbialfuelcell,mfc)是一种能量的转换器，可将有机物直接转换成电能的一种装置，可应用于污水处理，实现废水处理与电能再生之双重功效。近年来，随着该领域研究的不断深入，逐渐以空气阴极微生物燃料电池为主，因大气中可供应源源不绝的氧气，具有高氧化还原特性，适合作为阴极最常见的电子受体。然而现有的空气阴极微生物燃料电池大多数是以nafion材料作为质子膜，其缺点在于费用过高而限制广大的使用范围。另一类mfc系统则为自分层无膜微生物燃料电池(ssm-mfc)，其阴极仍是使用氧气作为电子受体，且该系统是将阴极放置在顶部，阳极被放在底层，故此类的微生物燃料电池减少了成本和复杂性，降低了功率密度的损失。

然而，目前微生物燃料电池输出的功率密度低、原料成本高等问题而限制了广泛的应用性。尽管目前可选的电极材料众多，如石墨、碳毡、碳纸等，但普遍存在性能较差、制备方法复杂、成本高等问题而限制了规模化的应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池，旨在提供一种成本低廉、制备简单且具有高性能的电极材料，利于微生物燃料电池进一步推广使用需要。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于微生物燃料电池的空气阴极，包括具有一顶部开口的管柱以及设置在所述管柱内部的吸水性水凝胶和导电性多孔陶瓷环；所述管柱包括上半部与下半部，所述下半部的管壁上开设有若干第一小孔；所述吸水性水凝胶充满所述管柱内部，所述导电性多孔陶瓷环位于所述上半部并被所述吸水性水凝胶所包围；导线缠绕在所述导电性多孔陶瓷环上且从所述导电性多孔陶瓷环的中间通道穿过并延伸出所述管柱的开口。

作为进一步优化，所述阴极还包括开设有若干第二小孔的第一顶盖，用于盖合在所述管柱的顶部开口，所述导线能够穿过所述第二小孔；所述管柱为圆柱形。

作为进一步优化，所述第一小孔的直径为0.5-8mm；所述第二小孔的直径为0.1-3mm。

作为进一步优化，所述吸水性水凝胶为琼脂、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸钠和聚乙烯醇中的一种或多种。

作为进一步优化，所述吸水性水凝胶为浓度5％～15％的聚乙烯醇；其中，所述聚乙烯醇先通过-20℃～0℃低温冷冻后在18℃～40℃常温解冻，反复进行1～3次冷冻/解冻步骤获得所述吸水性水凝胶。

作为进一步优化，所述导电性多孔陶瓷环是多孔陶瓷环经有机溶液浸泡后，在100℃～250℃将所述有机溶液浓缩成黏稠状，干燥后经700℃～1500℃高温煅烧所形成。

作为进一步优化，所述有机溶液为葡萄糖液、尿液和食品浓缩废水的一种或多种。

本发明还提供了一种微生物燃料电池，包括阳极、导线、容器、电阻元件以及上述的空气阴极；

其中，所述容器顶部具有一开口、用于盖合在所述开口的第二顶盖以及一腔室，所述腔室用于盛放微生物以及有机污水；所述阳极设置在所述腔室内并浸没于所述有机污水中；所述第二顶盖开设有一与所述空气阴极形状相适配的通孔，所述空气阴极竖直设置，所述下半部浸没在所述有机污水中，所述上半部卡合在所述通孔，用以对所述空气阴极进行固定；所述电阻元件设置于所述腔室外并通过所述导线与所述阳极、阴极电性连接。

作为进一步优化，所述阳极为碳纤维布。

作为进一步优化，所述电阻元件为固定电阻、可变电阻或者低功率的小型电器。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

本发明提供一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池，采用中空的管柱作为空气阴极的支撑架，并于管柱的下半部设置第一小孔，再加入吸水性水凝胶作为隔离层，同时在吸水性水凝胶上层中，将导电性多孔碳化陶瓷环作为阴极使用，达到简化空气阴极微生物燃料电池结构，让微生物燃料电池可达到成本低廉，且制备方法简单，适合推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的用于微生物燃料电池的空气阴极的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的微生物燃料电池的结构示意图。

图中标记：1-阴极；11-管柱；111-上半部；112-下半部；113-第一小孔；12-水凝胶；13-导电性多孔陶瓷环；14-第一顶盖；141-第二小孔；2-阳极；21-垫片；3-导线；4-电阻元件；5-容器；51-第二顶盖；52-水位；53-腔室。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

由图1所示，本发明的第一实施例提供了一种用于微生物燃料电池的空气阴极，包括具有一顶部开口的管柱11以及设置在所述管柱11内部的吸水性水凝胶12和导电性多孔陶瓷环13。所述管柱11包括上半部111与下半部112，所述下半部112的管壁上开设有若干第一小孔113；所述吸水性水凝胶12充满所述管柱11内部，所述导电性多孔陶瓷环13位于所述上半部111并被所述吸水性水凝胶12所包围。导线3缠绕在所述导电性多孔陶瓷环13上且从所述导电性多孔陶瓷环13的中间通道穿过并延伸出所述管柱11的开口。所述吸水性水凝胶12作为隔离层，用于隔离所述空气阴极1位于环境中的有机污水以及微生物进入阴极1内，且吸水性水凝胶12所具备的吸水性能能够吸附阴极1还原反应产生的水，并将水导引至管柱11的下半部112，通过管柱11下半部112的第一小孔113排到空气阴极1位于的环境中。而导电性多孔陶瓷环13则可加快氧气在阴极1的还原速度，提高整个装置的产能效率。需要说明的是，所述导线3可为具有导电性能的钛丝线或者铜丝线。更为优选地，所述导线3为钛丝线，导电性能强，传导效果好。所述导线3未位于所述管柱11内部的部位均包覆热缩膜，用以保护与绝缘导线3。

作为进一步优化，所述阴极1还包括开设有若干第二小孔141的第一顶盖14，用于盖合在所述管柱11的顶部开口，所述导线3能够穿过所述第二小孔141；所述管柱11为圆柱形。圆柱形的管柱11更易设置，且对管柱11添加开设第二小孔141的顶盖，一是确保管柱11内的物质不会轻易被倒出，二是保证留有第二小孔141让导线3与氧气进入阴极1内部。

作为进一步优化，所述管柱11的材料可为硬质塑料制成，材料更为易得且价格低廉。

作为进一步优化，所述第一小孔113的直径为0.5-8mm，便于阴极1生成水的排出；所述第二小孔141的直径为0.1-3mm，便于引出导线3。

作为进一步优化，所述吸水性水凝胶12为琼脂、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸钠和聚乙烯醇中的一种或多种。需要说明的是，选用的琼脂一般为浓度为1％～5％琼脂溶液制备形成的琼脂凝胶。

作为进一步优化，在本发明的一较佳实施例中，所述吸水性水凝胶12为浓度5％～15％的聚乙烯醇。其中，所述聚乙烯醇先通过-20℃～0℃低温冷冻后在18℃～40℃常温解冻，反复进行1～3次冷冻/解冻步骤获得所述吸水性水凝胶12。这样步骤获得的吸水性凝胶吸水效果好，且不会溶化在水中，还可为上半部111的导电性多孔陶瓷环13提供支撑。

作为进一步优化，所述导电性多孔陶瓷环13是多孔陶瓷环经有机溶液浸泡后，在100℃～250℃将所述有机溶液浓缩成黏稠状，干燥后经700℃～1500℃高温煅烧所形成。将有机溶液浓缩成粘稠状后，有机溶液可以有效的包裹在多孔陶瓷环的表面和孔洞表面，而后干燥后再进行煅烧，是有机溶液进行性碳化，在多孔陶瓷环表面与孔洞表面修饰上具有导电性的多孔碳结构，为氧气提供了更多的反应位点，加快阴极1的氧化还原反应，提高产能效率。需要说明的是，本发明提供的导电性多孔陶瓷环13的电阻需小于1000ω以下方可使用。

作为进一步优化，所述有机溶液为葡萄糖液、尿液和食品浓缩废水的一种或多种，只要所述有机溶液含有碳元素，可进行碳化即可。

作为进一步优化，在本发明的一较佳实施例中，如图1所示，所述管柱11内部设置有多个所述导电性多孔陶瓷环13并呈竖直布置，更多地为氧气提供反应位点，进一步加快阴极1的氧化还原反应，提高产能效率。

请参考图2，本发明的第二实施例提供了一种微生物燃料电池，包括阳极、导线3、容器5、电阻元件4以及第一实施例中的空气阴极1。

其中，所述容器5顶部具有一开口、用于盖合在所述开口的第二顶盖51以及一腔室53，所述腔室53用于盛放微生物以及有机污水；所述阳极设置在所述腔室53内并浸没于所述有机污水中；所述第二顶盖51开设有一与所述空气阴极1形状相适配的通孔，所述空气阴极1竖直设置，所述下半部112浸没在所述有机污水中，所述上半部111卡合在所述通孔，用以对所述空气阴极1进行固定；所述电阻元件4设置于所述腔室53外并通过所述导线3与所述阳极、阴极1电性连接。

其中，在本实施例中，所述导线3与阳极、阴极1和电阻的电性连接可如图2所示，待腔室53内的微生物与有机污水反应数日后即会有电能产生并为低功率小型电器提供电源。这是由于，在腔室53的厌氧环境下，有机污水中的有机物在微生物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，并通过导线3传递到阴极1形成电流，为电阻元件4提供电源，而质子则传递到阴极1，与电子受体(氧气)反应生成水。需要说明的是，本实施例提供的微生物燃料电池运行数天后，其输出电压介于0.5～1.0v间，可采取串联方式来提升电压，或采取并联方式来提升电流，或采取串并联方式来达到所需要低功率电器所需的电压、电流及功率来启动电器，可实际作为低功率电器的电源供应源。

作为进一步优化，所述容器5所填装的有机污水的水位52高度不得没过所述导电性多孔碳化陶瓷环；因而，所述容器5的水位52限制高度为距离所述导电多孔碳化陶瓷环0.5-5cm的位置上，用于确保阴极1的正常运行。

作为进一步优化，所述阳极为碳纤维布。碳纤维布所具备的碳纤维能较好的传递电流。碳纤维布与导线3缠绕连接后，所述导线3通过开设在第二顶盖51的通孔和固定在第二顶盖51上的高密度柱型垫片21引出容器5外部，而后在位于容器5外部的导线3外周包覆热缩膜用以绝缘导线3。

作为进一步优化，所述容器5可为塑料瓶、保特瓶、玻璃瓶、铝罐、铁罐、试管、陶罐等，但此不做限制，容器5的外型、大小、材料也不受限制。

作为进一步优化，所述电阻元件4为固定电阻、可变电阻或者低功率的小型电器。其中，所述低功率小型电器为计时器，小型闹钟，小型马达、小型灯泡等。

本发明提供一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池，采用中空的管柱11作为空气阴极1的支撑架，并于管柱11的下半部112设置第一小孔113，再加入吸水性水凝胶12作为隔离层，同时在吸水性水凝胶12上层中，将导电性多孔碳化陶瓷环作为阴极1使用，达到简化空气阴极微生物燃料电池结构，让微生物燃料电池可达到成本低廉，且制备方法简单，适合推广使用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。