[发明专利]卷式微生物燃料电池

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种能够提高微生物燃料电池产电的结构，该电池通过大大提高 电池单位体积的阴、阳极面积来增加其体积功率密度的结构。

背景技术

微生物燃料电池是一种利用微生物将储存在有机物质中的化学能转化成电 能的装置。它在常温常压下能够利用一些简单的有机物来产生电能，在产电的过 程中和电池失效后不会产生有毒有害物质，运行管理简单，因此在对野外和缺乏 电力设施地区的小型用电器供电方面有着广泛的应用前景。

但是目前微生物燃料电池的研究还处于起步阶段，其产电的效率还比较低， 不能满足实际应用的需求，如何提高电池的产电效率是目前研究微生物燃料电池 的重点。有研究表明提高微生物燃料电池的阴、阳极的面积可提高其产电效率， 其原因在于：增大阳极的表面积可增加微生物和电极的接触面积，使得微生物氧 化有机物产生的电子有更多的机会流入电极，进而流过用电器，从而提高电池的 产电；增大阴极的表面积可增加阴极催化反应的表面积，使得流过用电器的电子 能够尽快被消耗，而不会抑制阳极反应的进一步进行。

除了产电效率低外，微生物燃料电池的发展还受到成本的制约，其成本主要 来自于两方面：一是电池的阴极反应需要催化剂才能迅速进行，而目前许多微生 物燃料电池电池的催化剂用了Pt这种贵金属，从而大大增加了电池的成本；二 是为了阳极反应产生的质子到达阴极，同时防止阴极的氧化性物质流入阳极，需 要在阴、阳极之间放置合适的膜，目前许多微生物燃料电池用的是成本较高的质 子交换膜，在成本上限制了微生物燃料电池的应用。

此外，目前微生物燃料电池的结构还有待进一步优化。一些研究发现，微生 物燃料电池的产电仅与电极表面及电极附近的微生物有关，因此目前许多微生物 燃料电池远离电极的部分是无用的，反而增加了电池的体积和重量，设法降低这 部分无用的体积并提高阳极溶液中有机物的利用率是十分必要的。

发明内容

本发明通过新的结构设计，改善了目前微生物燃料电池低产电、高成本的缺 点。这种结构的电池有很大的阴、阳极面积，因此提高了电池的产电；同时通过 将电极卷成桶状，减少了电池的体积；并且电极中省去了质子交换膜和Pt，因此 降低了电池的成本。

本发明的具体方案是：

卷式微生物燃料电池由电池壳体、多孔配水盘、两张三合一柔性电极、支撑 网、多孔集水管、多孔配水管和导线组成。

三合一柔性电极由柔性的阴、阳极和其间的隔膜组成。柔性的阴、阳极可以 是碳布、碳毡或导电复合材料，利用这种电极一方面能够提供很大的比表面积供 微生物附着，另一方面它们是电的良导体，适合做电极，此外他们非常柔软，适 合做卷式的电极；隔膜可以是微滤膜、超滤膜或聚四氟乙烯，它可以涂覆在电极 表面，也可以涂覆在其他膜载体上，夹在两电极之间，一方面起到隔开阴、阳极 防止短路的作用，另一方面阻碍了阴、阳极溶液之间的相互流动，同时允许阳极 液中产生的氢离子透过隔膜到达阴极，这些膜的成本都远低于质子交换膜，因此 很大程度的降低了这种电池的成本。将阴、阳极和其中间的隔膜通过合适的粘结 剂粘附在一起，并在阴、阳极最上端用导线引出，构成三合一柔性电极。

将两层这样的柔性三合一电极的两端分别粘接一根多孔配水管和多孔集水 管，然后通过合适的胶将电极的四周密封起来，两根管和两层电极之间的通道构 成阴极(阳极)溶液通道，再将柔性电极绕其中一根多孔管卷成圆筒状，圆筒之 间的间隙构成阳极(阴极)溶液通道。为保证阴、阳极溶液能够顺利流动而不被 微生物堵塞，需要在所有电极之间搁置一定厚度的隔网。

电池壳体为一下端封口的中空圆柱状容器和上端盖组成。将上述绕成卷式的 电极放入圆柱容器内后，再将上端盖通过法兰和容器连接起来，构成卷式微生物 燃料电池。电池壳体上有两个接口和两个孔，其中两个孔接柔性电极的多孔管， 作为阴极(阴极)溶液的进、出口，另外两个接口为阳极(阴极)溶液的进、出 口。另外为了使加入的电极液时分布更为均匀，需要在电极的上放设置一配水盘。

本发明的有益效果是：采用三合一的柔性电极卷成圆筒状，大大增加了单位体 积的电极面积，提高了单位体积微生物燃料电池的产电。电极制作时采用微滤、 超滤或聚四氟乙烯膜来代替质子交换膜作为阴、阳极之间的隔膜，采用生物酶来 代替Pt做催化剂，大大降低了微生物燃料电池的成本。电池使用操作简便，维 持电池的产电只需要补充阴、阳极溶液中的营养物质即可。