[发明专利]一种基于石墨板的串型及阵列型沉积物微生物燃料电池阳极构型

说明书

本发明提供一种基于石墨板的串型及阵列型沉积物微生物燃料电池阳极构型，属于微生物燃料电池技术领域。串型阳极结构由多块小尺寸电极组成，阵列型阳极结构由多条串型阳极结构组成。电极主体材料为石墨板，石墨板之间通过防水导线或尼龙绳进行连接。石墨板之间存在多根导线进行连接，以提高电极的电子收集效率。本发明能够在提高阳极面积的同时，避免过多的欧姆损失，提高电池的电能收集效率。此外，使用小尺寸电极能够显著降低表面修饰的难度。该串型及阵列型阳极能够通过预先固定在框架上或埋置在容器内，依靠重力作用实现自主布放。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种沉积物微生物燃料电池用串型及阵列型排布的阳极构型。

背景技术

沉积物微生物燃料电池（Sediment Microbial Fuel Cells, SMFCs）是利用天然水体沉积物（例如海洋、湖泊以及河流等）中的产电微生物进行发电的生物电化学装置。SMFCs装置主要由埋置在沉积物中的阳极、放置在上覆水中的阴极以及外电路三部分组成。产电微生物能够将氧化有机物过程中产生的电子沿呼吸链传递至阳极。电子沿外电路到达阴极后，与氧气及质子结合生成水。沉积物中的产电微生物及有机物储量丰富且可再生，为SMFCs的长期运行提供了充足的物质基础。

SMFCs的开路电位为0.6-0.8V，其工作电压仅能达到0.25-0.5V，并且由于处在同一电解质溶液中，无法通过串联或并联的方式，提高电池的输出电压或输出电流。由于SMFCs的内阻较大，电池之间串联往往会导致产电性能的显著降低。因此，SMFCs装置往往与电源管理系统配合使用以达到微弱电能收集、升压以及储能等作用。中国专利201510125385.9公开的一种海洋监测仪器用海底沉积层燃料电池电源长期供电系统，主要由正极模块、负极模块、升压模块、储能模块、海洋监测仪器模块、信息转化与传输模块、控制模块组成。将海泥电池布放在海水/海泥界面后，电池的正负极与升压转换器相连接，实现低电压向高电压的转换，然后将电能储存在超级电容中，储存在电容器内的电能可直接供给用电器。但是，目前SMFCs仍然存在电能收集效率低以及输出功率低等问题，降低了其运行稳定性。

阳极的构型直接影响电池的电子收集效率，从而直接决定了电池的输出功率。目前，SMFCs的输出功率密度在10-20mW/m²左右。Hsu等人研究表明，SMFCs的输出功率不随电极面积的增大而线性增加。这主要是由于随着电极面积的增加，内阻也在显著增大，导致输出功率密度显著下降。Ewing等人的研究表明，在相同的面积下，多阳极的性能要优于单个大阳极。此外，Liu等人的研究表明，提高阳极上的集流体的数量能够显著提升阳极的电子收集效率。因此，开发高效的阳极构型，对提高电池的输出功率至关重要。此外，阳极正常工作时，必须完全埋置在沉积物中。因此，阳极构型的设计还要考虑其在实海环境中的易布放性。

中国专利201410054687.7公开的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，主体框架为单层或多层中空的圆柱体金属（钛或316不锈钢）框架结构。电池的正负极材料均为导电碳纤维刷，并均匀焊接在金属结构框架周围。正负电极之间以绝缘的、高强度的环氧玻璃钢纤维棒连接，以防止正负极之间短路。该电池框架的阳极结构，材料选用厚度为6mm、宽为25mm的纯钛板条或316不锈钢板条。内外框架之间起连接作用的钛棒或316不锈钢棒，一方面起到电子传递的作用，另一方面起到加固电池框架的作用，避免在起吊电池框架的过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。

为了便于装置的实海布放，在电池框架的底部安装了4根环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架，让其插入海底沉积物中。在框架上还装配了坠石，以增大装置的重量，使其依靠自身重力插入海底沉积物中。此外，为了保证电池在海底中长期工作时的稳定性，框架的正负极之间还设计了一种由纯钛、316不锈钢或有机玻璃制作的呈裙子状的衬板结构，以防止框架在水流冲击下发生摆动或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中。该装置的体积和重量太大，导致布放困难且极易受到水流冲击。此外，金属框架也大大增加了电池的制作成本。