[发明专利]一种管式升流式空气阴极微生物燃料电池

说明书

(一)技术领域

本发明涉及电化学能源技术领域，具体涉及一种用于有机物发电的生物燃料电池。

(二)背景技术

随着全球经济的迅猛发展，世界能源消耗急剧增加，能源储量不断减少，另外，当前环境污染日益严重，而全世界每年用于处理废水消耗的能源十分巨大，给社会的发展带来沉重的负担。因此，一方面需要寻求新的清洁能源取代一次性能源，另一方面需要开发新的技术从废水中回收能源以降低废水的处理费用。

微生物燃料电池是一种新型的生物电化学工艺，由于其可以从碳水化合物中直接回收电能，所以在环境技术及电化学能源领域都成为关注的焦点。如果有机污水可以作为阳极燃料，污水中所含的化学需氧量在降解的同时会伴随着电流的产生，这使得微生物燃料电池在污水处理中具有可行性。在生物燃料电池中，有机物被氧化的过程要产生电子和质子(NADH)，电子在微生物的催化作用下转移到阳极，质子留在液相中。如果用导线将阳极和阴极连接起来，电子就会到达阴极。在阴极，电子和电子受体以及剩余的质子会发生反应，伴随阳极有机物降解和阴极的反应，可以在外电路获得连续的电流。

生物燃料电池是在微生物催化剂的作用下，将化学能转化成电能的装置，分为阳极区和阴极区，这两个区由质子交换膜(PEM)隔开。在阳极区，微生物以有机物作为电子供体，以电极作为电子受体将有机物氧化，这个过程会产生质子和电子，电子在阳极上富集，通过外电路转移到阴极上；质子通过质子交换膜进入阴极区。在阴极区，电子、质子和氧气结合，生成水。如果以葡萄糖作为发电底物，氧气作为电子受体，则两个电极上的半反应分别为：

阳极半反应：       E⁰＝0.014V    (1)

阴极半反应：                     E⁰＝1.23V    (2)

理论上，每氧化1mol的葡萄糖可以产生1.216V的电压。

微生物燃料电池(MFC)发电主要是经历以下四个步骤：(1)阳极在生物催化剂作用下将有机物质氧化；(2)电子通过生物自身所产生的中介体、纳米导线或者是具有电化学活性的氧化还原酶转移到电极上，同时质子从阳极转移到阴极；(3)电子由外电路传递；(4)阴极氧化物还原。在微生物燃料电池(MFC)系统中，可以使用液态铁氰化钾或高锰酸钾对阴极进行优化，但是这些液态的电子受体由于需要再生不适合实际应用。相比之下，空气阴极使用空气中的氧气做电子受体，极大地提高了工艺的实用性并降低了电池的运行费用。目前报道的空气阴极生物燃料电池均是以单池为主体，阴阳极分别置于池体两侧，电机材料一般为炭纸或炭布。这种形式的电池为了减小内阻必须使电极距离尽可能小，这就大大降低了池体容积和处理量。另外，这种电池产生的功率也比使用液态电解液的MFC要低。

在微生物燃料电池(MFC)系统中，内部能量的损失是决定系统产电能力的重要因素。微生物燃料电池中能量损失的原因主要是电池内阻，包括极化电阻(R_p)，欧姆电阻(RΩ)和扩散电阻(R_d)，其中欧姆电阻通常是决定燃料电池性能的关键因素。这部分内电阻主要与电池的设计构型有关。降低微生物燃料电池中欧姆电阻的最有效办法是减少电极之间的距离。但是，这会面临着容积缩放的难题，特别是当这种技术应用于污水处理中时，因为电极距离的减少是以系统处理能力的降低为代价的。另一种可行的方法是建立一个上升流形式的微生物燃料电池，这种方法既可以达到降低欧姆电阻的目的同时又不会以牺牲其实际应用性为代价。在上升流微生物燃料电池中，阳极由活性碳组成，阴极放在阳极的外表面或内部。这种改良的设计可以实现连续流运行，进而降低内阻，增大功率输出。据报道，上升流微生物燃料电池阴极通常采用液态铁氰化钾，并且以质子交换膜(PEM)或者阳离子交换膜(CEM)作为隔膜。然而，这种微生物燃料电池仍然需要克服许多技术上的约束，不断消耗的液态氧化剂需要连续的补充；膜材料的使用所导致的成本的增加。相比而言，单池空气阴极微生物燃料电池利用空气中的氧气作为阴极电子受体，并且省去了昂贵的膜材料，可见，对系统进行进一步的改进可以提高电池的整体性能。

目前还没有关于采用空气作为阴极电子受体且无PEM或CEM的上升流微生物燃料电池的连续流发电的报道。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既具备了微生物燃料电池构型的优点，并结合了上升流活性碳阳极和无膜空气阴极于一体的，可以使两电极间距离尽可能最小，同时，阳极采用普通的颗粒碳并且省略了膜材料的管式升流式空气阴极微生物燃料电池。