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1、(10)申请公布号 CN 102751524 A (43)申请公布日 2012.10.24 C N 1 0 2 7 5 1 5 2 4 A *CN102751524A* (21)申请号 201110095879.9 (22)申请日 2011.04.18 H01M 8/16(2006.01) H01M 4/96(2006.01) (71)申请人中国科学院过程工程研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条1 号 (72)发明人李浩然 唐新华 赖斌 (74)专利代理机构北京法思腾知识产权代理有 限公司 11318 代理人高宇 杨小蓉 (54) 发明名称 一种无膜微生物燃料电池 (57) 摘。
2、要 本发明涉及一种无膜微生物燃料电池。该电 池包括柱形反应器(8)、阴极(1)和阳极(3)，所述 的柱形反应器(8)采用变径结构，所述的阴极(1) 设置于柱形反应器(8)上部变径结构处，该阴极 (1)的上部暴露于空气中，下部浸入反应液中；阳 极(3)设置于柱形反应器(8)下部，其中阴极(1) 横截面面积与阳极(3)横截面面积之比大于2。本 发明的MFC反应器与现有的反应器相比具有以下 几个显著优点：(1)产电功率密度高；(2)构造和 运行成本低；(3)易于模块化放大。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利。
3、要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种无膜微生物燃料电池，该电池包括柱形反应器(8)、阴极(1)和阳极(3)，其特征 在于， 所述的柱形反应器(8)采用变径结构，所述的阴极(1)设置于柱形反应器(8)上部变 径结构处，该阴极(1)的上部暴露于空气中，下部浸入反应液中；阳极(3)设置于柱形反应 器(8)下部，其中阴极(1)横截面面积与阳极(3)横截面面积之比大于2。 2.根据权利要求1所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极(1)采用涂铂 石墨毡。 3.根据权利要求1所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极(3)由若干石 墨毡堆积而成。 4.根据权利。
4、要求1所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的柱形反应器(8)采 用玻璃反应器。 5.根据权利要求1所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的柱形反应器(8)下 端一侧设有出水控制阀(4)。 6.根据权利要求1所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极(1)和阳极 (2)之间通过导线(5)与电阻(6)或用电装置连接构成回路。 7.根据权利要求6所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的导线(5)为防腐蚀 的钛线。 8.根据权利要求7所述的无膜微生物燃料电池，其特征在于，所述的电阻(6)两端并联 接入电压表(7)，用于电阻(6)两端电压的测定。 权 利 要 求 书CN 102751。
5、524 A 1/3页 3 一种无膜微生物燃料电池 技术领域 0001 本发明涉及洁净能源领域，具体地，本发明涉及一种无膜微生物燃料电池。 背景技术 0002 随着经济和社会的发展，一方面，人类社会对能源的需求日益增长；另一方面，工 业和生活废水排放量以及废水中化学需氧量(COD)排放量逐年递增。工业废水和生活污水 的排放，对环境，经济造成了很大的破坏。在常规污水处理中，曝气供氧消耗大量的能量。而 厌氧生物处理技术，产生的甲烷其温室效果是二氧化碳的20倍，并且破坏臭氧层，而回收 燃烧发电，受卡诺循环限制利用率低。 0003 微生物燃料电池(MFC)为废水处理和能源产生提供了一种全新的方法。MFC。
6、是利 用微生物作为催化剂，降解有机物，将化学能直接转化为电能的装置。其最大的优点是实现 了从废水处理到能量回收的一步转化，具有优异的经济效益和良好的环境效益。此外，MFC 产电过程不受卡诺循环的限制，理论转化率高；底物适应范围广，原则上只要是生物可降解 的还原性有机物，无机物均可作为燃料；催化剂为微生物，具有自我复制，更新等优点；操 作条件温和；能量载体清洁等。MFC的这些特点，使得其在废水资源化处理方面有着十分诱 人的应用前景。 0004 目前，限制MFC应用的主要因素是低的产电功率密度和较高的构造成本。因此设 计出高功率密度，低成本和易于放大的MFC具有非常重要的意义。 发明内容 0005。
7、 本发明的目的在于为了克服上述问题，提供了一种无膜微生物燃料电池。 0006 为了实现上述目的，本发明的无膜微生物燃料电池包括：柱形反应器8、阴极1和 阳极3，其特征在于， 0007 所述的柱形反应器8采用变径结构，所述的阴极1设置于柱形反应器8上部变径 结构处，阴极1的上部暴露于空气中，下部浸入反应液中；阳极3设置于柱形反应器8下部， 其中阴极1横截面面积与阳极3横截面面积之比大于2。 0008 所述的阴极1采用涂铂石墨毡，所述的阳极3由若干石墨毡堆积而成。 0009 所述的柱形反应器8采用玻璃反应器，所述的柱形反应器8下端一侧设有出水控 制阀4。 0010 所述的阴极1和阳极2之间通过导线。
8、5与电阻6或用电装置连接构成回路；所述 的导线5为钛线，所述的电阻6两端并联接入电压表7，用于电阻6两端电压的测定。 0011 本发明为了提高MFC的功率密度，降低构造成本和运行成本，采取了以下技术方 案： 0012 (1)本发明的反应器为上部大，小部小的圆柱形玻璃反应器，反应器的阴极横截面 积远大于阳极横截面积，从而有利于阴极氧气的还原反应，大大提高了MFC的产电功率密 度。 说 明 书CN 102751524 A 2/3页 4 0013 (2)本发明的阴极材料为表面载有铂的石墨毡，阴极石墨毡孔隙率较大，有利于氧 气的扩散；同时，阴极直接暴露在空气当中，无需曝气，这极大地降低MFC的运行成本。
9、。 0014 (3)本发明的阳极为堆叠石墨毡，石墨毡堆有较大的比表面积，不仅易于为产电菌 所吸附，而且有良好的抗腐蚀能力；石墨毡堆叠起来，增大了阳极上的产电菌数量，进而提 高了MFC的产电功率密度；石墨毡在使用前，其表面需要接种厌氧消解污泥中富集的产电 菌。 0015 (4)本发明阴极和阳极之间无膜，离子交换膜的去除，不仅降低了MFC的构造成 本，同时也加速了质子从阳极到阴极的扩散，减少了MFC的内阻，提高了输出电压，阳极和 阴极之间采用具有良好防腐蚀作用的钛线连接。 0016 此外，本发明的外电路上为一可变电阻，通过电阻上的电压表读书来计算电路中 的电流大小，电压数据通过数据采集卡保存在系统。
10、之中，改变电阻的大小，可以计算出MFC 的极化曲线和最大功率密度。本发明的反应器底部有出水控制阀，用于控制反应器内的液 面高度和排除反应器内的废液。 0017 本发明的反应器采用圆柱形结构，易于通过串联和并联进行模块化放大，适用于 处理各种有机废水并且同时产电。同时，该反应器具构造简单，易于清洗，适用于分批进液 进行废水处理和产电。 0018 本发明采用了柱形玻璃反应器上部大，下部小，阴极横截面积远大于阳极横截面 积的特点，大大提高了电池的输出功率；同时该反应器阴极室和阳极室之间无膜，既降低了 构造成本，又便于模块化放大。阴极直接暴露在空气中，无需曝气，减少了运行成本；阳极由 石墨毡堆叠而成，。
11、更多产电菌吸附其上，提高了产电功率密度。本发明成本低，产电功率密 度大，易于通过串联和并联进行模块化放大，适用于处理多种有机废水并且同时产电，因此 通过以上改进提高MFC的功率密度，降低构造成本和运行成本， 0019 总之，本发明的MFC反应器与现有的反应器相比具有以下几个显著优点：(1)产电 功率密度高；(2)构造和运行成本低；(3)易于模块化放大。 附图说明 0020 图1为本发明的无膜微生物燃料电池的结构示意图。 0021 附图标识 0022 1、阴极 2、有机废水 3、阳极 0023 4、出水控制阀 5、导线 6、电阻 0024 7、电压表 8、柱形反应器 具体实施方式 0025 实施。
12、例1 0026 如图1所示，将阳极3置于MFC柱形反应器8内部，将阴极1(涂铂石墨毡)置于 MFC反应器上部，然后通过导线5将阴阳极连接起来，外电路通过电阻6，将电压表7接到电 阻6的两端，电阻值固定为100，电压表输出数值通过数据采集卡保存于存储系统中。关 闭出水控制阀4，将10mL从厌氧消解污泥中富集的产电菌接种到MFC阳极3(石墨毡堆积电 极)。按表1配方配置100mL有机废水2，通过曝氮气除去废水中的溶解氧，用注射器将废 说 明 书CN 102751524 A 3/3页 5 水加入到反应器中，反应器内液面应刚好到达阴极，开始MFC处理废水产电实验。通过电压 表7来测量外电路上电阻6两端。
13、的电压。阳极微生物降解醋酸钠为二氧化碳、电子和质子， 电子通过外电路传递到阴极，质子通过溶液的扩散作用到达阴极；到达阴极的电子、质子和 氧气反应生成水，电子和质子的移动形成电流。实验中输出电压会慢慢增大，2-4天内输出 电压会达到稳定，并且电压会在稳定的状态下持续1-2天，当废水中的COD浓度降低到一定 水平时，输出电压会迅速降低，这时停止实验。打开出水控制阀4，测定处理后废水的COD浓 度。由存储系统内的电压数据，计算电路中的电流，库仑效率和反应器产电功率密度。该电 池的输出电压在240mV左右，COD去除率达到87.6，库仑效率为31.8。和其他的一些 微生物燃料电池相比，其输出电压、CO。
14、D去除率和库仑效率提高较为显著，这主要是因为阴 极面积的增大加速了氧气的还原速率。 0027 表1 人工废水配方 0028 0029 实施例2 0030 如实施1的反应器和反应条件，当MFC输出电压稳定是，改变电阻6的电阻值为 10、20、30、40、50、60、80、100、200、400、600，测定电压表7的电压 值。由这些电压值计算MFC的最大产电功率密度，电池内阻。得出该电池的最大功率密度 为7.6W/m 3 ，电池内阻为60。和目前的微生物燃料电池相比，其最大功率密度增加了一倍 以上，电池内阻降低了一半左右。内阻的减小是由于电池的无膜结构，而功率密度的提高则 是来自于增大的阴极横截。
15、面和减小的内阻。 0031 实施例3 0032 如实施1的反应器和反应条件，当外电路电流明显下降时，打开出水控制阀4，排 尽MFC反应器内废水，关闭出水控制阀4，然后从反应器上部加人工废水至液面到达阴极， 开始另一批次的废水处理和产电实验。所得输出电压、COD去除率、电池的库仑效率、最大 功率密度以及电池内阻可以重复以上结果。 0033 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说 明 书CN 102751524 A 1/1页 6 图1 说 明 书 附 图CN 102751524 A 。