[发明专利]一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池

说明书

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，涉及微生物燃料电池技术领域。其中，这种阴极包括具有一顶部开口的管柱以及设置在管柱内部的吸水性水凝胶和导电性多孔陶瓷环；管柱包括上半部与下半部，下半部的管壁上开设有若干第一小孔；吸水性水凝胶充满管柱内部，导电性多孔陶瓷环位于上半部并被吸水性水凝胶所包围；导线缠绕在导电性多孔陶瓷环上且从导电性多孔陶瓷的中间通道穿过并延伸出管柱的开口。本发明提供的一种用于微生物燃料电池的空气阴极及微生物燃料电池结构简单，成本低廉，且制备方法简单，适合推广使用。

技术领域

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(Microbial Fuel Cell,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。

发明内容

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；