[发明专利]一种微生物燃料电池及应用无效

专利信息
申请号: 200810027953.1 申请日: 2008-05-08
公开(公告)号: CN101267045A 公开(公告)日: 2008-09-17
发明(设计)人: 肖可;周顺桂;卢娜 申请(专利权)人: 广东省生态环境与土壤研究所
主分类号: H01M8/16 分类号: H01M8/16;H01M8/02;C02F3/00
代理公司: 广州粤高专利代理有限公司 代理人: 陈卫;任重
地址: 510650*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 微生物 燃料电池 应用
【说明书】:

技术领域

本发明属于生物能源利用技术领域,具体涉及一种微生物燃料电 池及其应用。

背景技术

当今能源与环境的问题已经与人类的生存息息相关,一方面能源 紧缺呼唤清洁的先进能源技术的出现和优化,一方面是市政、工业、 农业产生的大量有机废物与废水的处理急待解决。这种形式下,微生 物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)的研究显得尤为重要。

微生物燃料电池是以产电微生物为催化剂,将有机物中化学能直 接转化为电能的装置。其基本原理是作为燃料的有机物在厌氧阳极室 中被产电微生物氧化,产生电子与质子,其中电子被微生物捕获并传 递给电池阳极,通过外电路到达阴极,形成回路产生电流。而质子通 过隔膜到达阴极,与氧气及电子反应生成水。

微生物燃料电池一般分单室型和双室型。在这两种构型中,阴极、 阳极、膜材料都是必不可少的构成部分。有机物生物氧化与氧还原反 应分别在阳极和阴极上进行,通过膜材料将两电极隔开。膜材料的主 要功能有两个:1)分隔阴、阳两室,使阳极室中的微生物、燃料基 质不能穿越至阴极室,而且可防止阴极室中氧气渗透至阳极室;2) 选择透过质子,为阴极氧还原反应提供氢离子,并且维持阴、阳两室 的电中和状态。

微生物燃料电池是设计理念主要来源于质子交换膜燃料电池 (PEMFC),因而普遍采用质子交换膜为膜材料。如在中国发明专利 “一种双筒型微生物燃料电池”(公开号CN1937297A)、“一种可堆 叠式MFC”(CN101034754A)、“一种以有机废水为燃料的单池式微 生物电池”(CN1874040A)等均采用质子交换膜来构造微生物燃料电 池。

目前,国际上通用的质子交换膜是美国杜邦(Du Pont)公司生 产的全氟磺酸型质子交换膜,即Nafion膜。Nafion膜具有质子电导 率高、化学稳定性好的优点,但是也存在如下缺点:

(1)价格昂贵。一般需要500~600美元/m2,因为MFC的体 积输出功率约为质子交换膜燃料电池1/100,要达到相同的输出功率, 势必需要增加膜的使用面积,从而提高了单位功率的膜成本。一般来 说,质子交换膜的成本可占整个MFC反应器的80%以上,因此,使 用质子交换膜的MFC只局限于实验室小试研究,不具备实际应用价 值。用于大规模推广微生物燃料电池(MFC)根本无法实现。

(2)机械强度差。MFC主要用于有机废弃物(如污水、有机废 液、粪便等)的处置与产电,因此要求膜的承重性与机械性能足够高。

(3)未实现国产化。目前,只有美国杜邦等少数几个国外公司 实现了质子交换膜的规模化生产。

(4)制作过程不够环保。

因此,低成本膜材料的应用是制约MFC实际应用的技术瓶颈之 一。而长期以来,源于微生物燃料电池的设计理念基于质子交换膜, 至今未见有低成本、机械强度良好、已形成规模化工业生产的膜材料 应用的相关报道,这从某种程度上制约了我国甚至全世界范围内微生 物燃料电池的普遍推广应用。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的不足,提供一种微生物燃料 电池。

本发明的另一个目的是提供所述微生物燃料电池的应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现:

提供一种微生物燃料电池,以有机物作为燃料,包括阳极室、阴 极室、分隔阳极室与阴极室的膜材料和外电路,所述膜材料采用离子 交换膜。

所述离子交换膜可以为阴离子交换膜或阳离子交换膜。

所述有机物为有机废水中所含有机物。

本发明同时提供了所述微生物燃料电池在处理有机废水方面的 应用,包括污水、有机废液、粪便等。

微生物燃料电池包括交换膜、阳极室、阴极室和外电路四个部分, 其各部分的构造和连接方式可采用现有技术常规的方法。本发明采用 的交换膜使用阳离交换膜或阴离子交换膜中的任意一种,将阳极室与 阴极室分隔开。根据离子交换膜种类的不同,其离子穿越方向与电中 和原理有所不同。

使用阳离子交换膜时:

阳极室燃料基质中的阳离子(H+、Na+、K+、Ca2+等)在电场与 浓差的驱动下,透过阳离子交换膜扩散至阴极室,从而维持阴、阳两 室的电中和状态。

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