[发明专利]基于石墨电极的无膜微流体微生物电池

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池,具体涉及基于石墨电极的无膜微流体微生物电池。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial fuel cell）具有原料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好，是一种在处理污水的同时可以产电的新型燃料电池。一方面，微生物燃料电池可以作为放大化的废水处理以及可再生能源产生装置；另一方面，微小型微生物燃料电池可以为便携式电子设备供电或者作为生物传感器来快速检测水环境指标。然而，由于性能较低、制作过程昂贵，微型微生物燃料电池的发展受到了制约。

在现有微型微生物燃料电池中，电池通常采用光刻（Chen,Y.P.,Y.Zhao,et al.(2011).Biosensors and Bioelectronics26(6):2841-2846）和软光刻(Hou,H.,L.Li,et al.(2009).PLoS ONE4(8):e6570)的技术加工。虽然光刻可以精确控制微通道的形状、大小，但大多数的研究中不得不采用易于光刻的金作为电极材料。除了成本高昂，金电极还会导致生物相容性较差，即由于电子传输损失而造成电池内阻增加，电池功率密度下降，直接限制了微型微生物燃料电池的使用。由于出色的导电性、极好地生物相容性及化学稳定性，石墨电极被广泛用于放大化的微生物燃料电池。目前还为见到将石墨运用到微型微生物燃料电池的报道。不像其它微型微生物燃料电池采用质子交换膜分隔阴阳极，基于层流的微流体概念被引入到微生物燃料电池中。

微流体燃料电池（Microfluidic fuel cell）是利用流体在微尺度下层流流动的特点，使得分别包含燃料和氧化剂的两股流体自然分开，可在常温常压下工作。基于层流的微流体燃料电池广泛采用甲酸、甲醇等作为化学燃料，Li,Z.,Y.Zhang,et al首次将基于层流的微流体概念引入微生物燃料电池中。与传统的微型微生物燃料电池相比，微流体控制下的微生物燃料电池不需要质子交换膜，避免了与膜相关的燃料渗透、膜干涸、膜退化以及阴极水管理等问题，

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供基于石墨电极的无膜微流体微生物电池，以获得更高的燃料利用率及电池性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，基于石墨电极的无膜微流体微生物电池，包括底板，顶板，阳极电极，阴极电极，前隔离板和后隔离板；其特征在于：阳极电极和阴极电极平行设置，同时，在阳极电极和阴极电极之间设有前隔离板和后隔离板，使阳极电极和阴极电极之间形成微流体流动通道，并采用慢走丝线切割的方式在电极发生生化反应面加工微槽道；在阳极电极和阴极电极的上方设置有上垫片，上垫片的上方设置顶板；在阳极电极和阴极电极的下方设置有下垫片，下垫片的下方设置底板；在顶板的前端靠近阳极侧设有培养液进口，在顶板的前端靠近阴极侧设有电子受体进口，培养液进口和电子受体进口均与微流体流动通道相通，底板的后端设有出口，该出口与微流体流动通道相通，生物培养基溶液和电子受体分别通过培养液进口和电子受体进口进入微流体流动通道层流流动，生物培养基溶液被阳极电极上的微生物所降解，降解产物通过出口排出电池外。

其中，前隔离板和后隔离板起到阻隔阴阳极短路、在起始段引导流体以平行层流的方式流动的作用；垫片起到密封作用，防止氧气泄露到生物膜表面，造成电池性能下降。

培养基溶液和电子受体在电极间的微小槽道内流动，在形成的液/液界面处靠扩散作用混合，控制培养基溶液和电子受体的流速和浓度使得两股流体在槽道内形成层流流动，并隔离了阳极电极和阴极电极，从而避免了使用质子交换膜这种昂贵的材料，有利于降低微生物燃料电池的成本；同时，由于不需要使用质子交换膜作为阴极与阳极隔绝的材料，还有利于提高阴极阳极之间质子的传输速率，降低电池内阻，取代了质子交换膜，降低了电池成本，并且避免了由质子交换膜引起的燃料渗透、膜干涸、膜退化以及阴极水管理等问题一系列问题；培养基在阳极电极表面被微生物消耗，微生物通过直接接触的方式将电子释放到阳极电极，电子通过外电路到达阴极电极，未反应完的培养基、反应产物及电子受体通过底板上的出口排出电池；同时，流体在微生物表面流动，培养基沿切向在生物膜表面流过的同时起到了筛选优势微生物的作用，使得微生物与电极表面紧密结合，减小了电池内阻，提高了电池性能；

根据本发明所述的基于石墨电极的无膜微流体微生物电池的优选方案，所述阳极电极为石墨片、碳布、碳毡、碳纸、碳刷或石墨棒；所述阴极电极为石墨片、碳布、碳毡、碳纸、碳刷或石墨棒。