一种双向控温微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向控温微生物燃料电池，包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口；所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有调温系统；所述阳极体和所述阴极体均由导热绝缘体和电极活性体组成。本发明通过设置调温系统，既可对电极体升温也可降温，用于研究微生物燃料电池的产电性能，对人们揭示微生物低温下的电化学行为及其规律、解开低温动物生存之谜具有重要的科学意义。
【专利说明】
一种双向控温微生物燃料电池
技术领域
[0001]本发明涉及一种电池，尤其涉及一种双向控温微生物燃料电池，属于绿色生物能源技术领域。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ,MFC)由阳极室和阴极室组成，两极室之间通过离子交换膜相隔。阳极微生物在厌氧环境下降解有机物产生电子、质子和二氧化碳；电子传输到阳极通过外电路负载到达生物阴极，质子通过离子交换膜由阳极室到达阴极室；阴极室电子受体氧气在阴极得到电子和质子而被还原成水，从而产生电流。微生物燃料电池是一种绿色新能源技术，在近几年得到广泛深入地研究，为解决能源短缺和污水处理提供了一条新途径。
[0003]到目前为止，实验室里的微生物燃料电池的实际性能比理想性能还是低很多。微生物燃料电池的产电性能产生受到很多因素的影响。微生物燃料电池的产电包括几个主要过程:微生物的代谢、电子从细胞传递到阳极、质子从阳极转移到阴极以及阴极上电子受体的还原反应。电池中微生物的低转化效率，即使是在最快的生长速率下，微生物的转化效率以及与电极之间的电子传递依然很慢。而高温能够加速几乎所有的反应动力学，包括生物的和化学的。在微生物燃料电池中通常都是利用氧气作为阴极中还原反应的电子受体，氧气还原的动力学因素也是微生物燃料电池性能的一个限制因子。升温能够提高物质传输速率、加速阴极的电极反应，从而提高电池的性能。
[0004]水是构建地球生命的载体。通常情况下，当外界环境温度降到(TC以下后，冰晶的形成会使得细胞外电解质浓度升高导致细胞脱水死亡[I]。但奇怪的是，某些哺乳动物在极端超冷的条件下依然能够存活。例如，一种极地鱼能够在-1.9°C的环境中存活[2]，冬眠的北极地松鼠的体内温度在-2.9°C时也不会被冻僵[3]，一些哺乳动物剥离的外周神经在冷至-6 °C的温度下依然能够恢复活性[4]。这些极端环境下的生物活动现象，引起了人们极大的兴趣。
[0005]本发明设计了一种双向控温微生物燃料电池。利用本发明，不仅可以监测微生物燃料电池阳极和阴极表面温度，而且可以通过温控电路快速准确调控阳极和阴极表面温度。在升温方面，本发明能够提高微生物的生物活性，加速阴极上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间。在降温方面，通过对寒冷地带的淤泥，海水，南极和北极冰中嗜冷微生物的富集纯化以及后续分离和表征，发现新菌种有重要的意义。通过研究微生物在零下几度乃至十几度的极端低温下的存活情况以及微生物燃料电池的产电性能，对人们揭示微生物低温下的电化学行为及其规律、解开低温动物生存之谜具有重要的科学意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种双向控温微生物燃料电池，通过研究微生物在零下几度乃至十几度的极端低温下的存活情况以及微生物燃料电池的产电性能，对人们揭示微生物低温下的电化学行为及其规律、解开低温动物生存之谜具有重要的科学意义。
[0007]本发明所采用的技术方案:一种双向控温微生物燃料电池，包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口，所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有调温系统;所述阳极体和所述阴极体均由导热绝缘体和电极活性体组成。
[0008]进一步地，所述调温系统包括直流电源、温度控制器、冷却系统、半导体制冷片和温度传感器;所述直流电源与所述温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与所述温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度传感器设置在所述阳极体和所述阴极体的电极活性体上，所述半导体制冷片的一端与所述阳极体和所述阴极体的导热绝缘体连接，所述半导体制冷片的另一端与所述冷却系统连接。
[0009]进一步地，所述半导体制冷片的另一端通过导热硅脂与所述冷却系统连接，并通过环氧树脂固定成一个整体。
[0010]进一步地，所述的冷却系统可以是风冷装置、液冷装置、相变材料冷却装置、导热管冷却装置中的一种或多种的结合。
[0011]进一步地，所述的导热绝缘体可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种。
[0012]进一步地，所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不镑钢、钦片材料。
[0013]进一步地，所述闭合回路包括导线、外电阻和电压表。
[0014]进一步地，所述温度传感器可以是热敏电阻或热电偶。
[0015]进一步地，所述温度传感器引线的数量至少为两根。
[0016]进一步地，所述温度控制器的数量为一个或两个。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:利用本发明，不仅可以监测微生物燃料电池阳极体和阴极体表面的温度，而且可以通过调温系统快速调控阳极和阴极表面温度。本发明的调温系统通过选用半导体制冷片，其既能制冷，又能加热，在升温方面，本发明能够提高微生物的生物活性，加速阴极体上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间。在降温方面，通过对寒冷地带的淤泥，海水，南极和北极冰中嗜冷微生物的富集纯化以及后续分离和表征，发现新菌种有重要的意义。通过研究微生物在零下几度乃至十几度的极端低温下的存活情况以及微生物燃料电池的产电性能，对人们揭示微生物低温下的电化学行为及其规律、解开低温动物生存之谜具有重要的科学意义。
【附图说明】
[0018]图1为本发明一种双向控温微生物燃料电池的结构示意图。
[0019]图2为本发明实施例一一种双向控温微生物燃料电池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0021]如图1所示，一种双向控温微生物燃料电池，包括电池本体I和离子交换膜2，所述离子交换膜2设置于所述电池本体I中部并将所述电池本体I分为阳极室3和阴极室4，所述阳极室3内设置有阳极体，所述阴极室4内设置有阴极体并且所述阴极室4上端设置开口 14，用于供大气气体进入;所述阳极体接种厌氧微生物5，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻6连接形成闭合回路7，所述阳极体和所述阴极体均连接有调温系统，所述阳极体和所述阴极体均由导热绝缘体12和电极活性体13组成。
[0022]所述调温系统包括直流电源8、温度控制器9、冷却系统16、半导体制冷片11和温度传感器10;所述直流电源8与所述温度控制器9的电源端连接，所述温度控制器9的温度信号接收端与所述温度传感器10的温度信号输出端连接，所述温度传感器10设置在所述阳极体和所述阴极体的电极活性体13上，所述半导体制冷片11的一端与所述阳极体和所述阴极体的导热绝缘体12连接，所述半导体制冷片11的另一端与所述冷却系统16连接。
[0023]所述半导体制冷片11的另一端通过导热硅脂与所述冷却系统16连接，并通过环氧树脂固定成一个整体，所述的冷却系统16可以是风冷装置、液冷装置、相变材料冷却装置、导热管冷却装置中的一种或多种的结合，所述的导热绝缘体12可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种，所述电极活性体13可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钛片材料，所述闭合回路包括导线7、外电阻6和电压表15，所述温度传感器10可以是热敏电阻或热电偶，所述温度传感器10引线的数量至少为两根，所述温度控制器9的数量为一个或两个。
[0024]在本发明的具体技术方案，在调温系统中，直流电源8负责提供直流电，温度传感器10测定阳极体和阴极体表面的温度并反馈给温度控制器9，因为所述半导体制冷片11既能加热又能制冷，具体为通过调节输入的电流方向进行冷热端切换，因此，温度控制器9通过调节施加在阳极体和阴极体的半导体制冷片11电流大小和方向来控制阳极体和阴极体表面的温度。
[0025]所述的导热绝缘体12可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种，所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钛片材料，所述温度传感器10可以是热敏电阻或热电偶，所述温度传感器10引线的数量至少为两根，所述温度控制器9的数量为一个或两个。所述的阳极体接种厌氧微生物，厌氧微生物5可以是琥珀酸放线杆菌、嗜水气单胞菌、拜氏梭菌、腐败希瓦氏菌等，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物；阳极微生物分解代谢有机物产生电子，电子通过外电路移动到阴极室4，氧气与电子以及从阳极室3透过的质子在阴极室4反应生成水，同时产生电能;所述温度传感器10可以是热敏电阻如Ptl00、Ptl000、Ptl0000、Cu50、NTC、PTC等，也可以是热电偶如K型热电偶、J型热电偶、T型热电偶、S型热电偶、B型热电偶等。
[0026]利用本发明，不仅可以监测微生物燃料电池阳极体和阴极体表面温度，而且可以通过调温系统快速调控阳极体和阴极体表面温度。在升温方面，本发明能够提高微生物的生物活性，加速阴极体上电子受体的还原反应，从而提高微生物燃料电池的性能，减少分解有机污染物所需时间。在降温方面，通过对寒冷地带的淤泥，海水，南极和北极冰中嗜冷微生物的富集纯化以及后续分离和表征，发现新菌种有重要的意义。通过研究微生物在零下几度乃至十几度的极端低温下的存活情况以及微生物燃料电池的产电性能，对人们揭示微生物低温下的电化学行为及其规律、解开低温动物生存之谜具有重要的科学意义。
[0027]实施例一
[0028]如图2所示，一种双向控温微生物燃料电池，包括电池本体I和离子交换膜2，所述离子交换膜2设置于所述电池本体I中部并将所述电池本体I分为阳极室3和阴极室4，所述阳极室3内设置有阳极体，所述阴极室4内设置有阴极体并且所述阴极室4上端设置开口 14，用于供大气气体进入;所述阳极体接种厌氧微生物5，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻6连接形成闭合回路7，所述阳极体和所述阴极体均连接有调温系统，所述阳极体和所述阴极体均由导热绝缘体12和电极活性体13组成。
[0029]所述调温系统包括直流电源8、温度控制器9、冷却系统16、半导体制冷片11和温度传感器10;所述直流电源8与所述温度控制器9的电源端连接，所述温度控制器9的温度信号接收端与所述温度传感器10的温度信号输出端连接，所述温度传感器10设置在所述阳极体和所述阴极体的电极活性体13上，所述半导体制冷片11的一端与所述阳极体和所述阴极体的导热绝缘体12连接，所述半导体制冷片11的另一端与所述冷却系统16连接。
[0030]具体为:将半导体制冷片11的一端通过导热硅脂与冷却系统16连接在一起，并通过环氧树脂固定成一个整体。在半导体制冷片11的另一端修饰上一层导热绝缘层12，并在导热绝缘层12上修饰上一层电极活性体13，并将温度传感器10通过环氧树脂胶固定在电极活性体13表面。对于阳极体来说，还需要在电极活性体13接种厌氧微生物5。阳极体和阴极体分别位于阳极室3和阴极室4，两室之间通过阳离子交换膜2隔开。阳极体和阴极体通过导线和外电阻6连接形成闭合回路7。调温电路中直流电源8与温度控制器9相连接提供直流电，温度传感器10测定阳极体和阴极体表面的温度并反馈给温度控制器9，温度控制器9通过调节输出电流的大小和方向来控制阳极体和阴极体表面的温度。阴极室4处在敞开的大气环境中，并设导管供空气吹入。阳极室3处在密闭的厌氧环境中，室内的产电微生物通过代谢将废水中的有机物氧化分解并产生电子、质子，电子经外电路转移到阴极，质子经由阳离子交换膜2扩散到阴极室4，阴极室4内的氧气与从阳极体通过导线传递到阴极室的电子和透过阳离子交换膜2进入阴极室的质子结合生成水实现产电过程。
[0031 ]在本发明一较佳实施例中，所述冷却系统16为风冷与导热管冷却相结合。
[0032]在本发明一较佳实施例中，所述导热绝缘体12为导热硅脂。
[0033]在本发明一较佳实施例中，所述电极活性体13为碳浆，并通过丝网印刷技术修饰到导热绝缘体12中。
[0034]在本发明一较佳实施例中，所述温度传感器为PtlOOO，引线为三线制。
[0035]对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:包括电池本体和离子交换膜，所述离子交换膜设置于所述电池本体中部并将所述电池本体分为阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极体，所述阴极室内设置有阴极体并且所述阴极室上端设置开口，所述阳极体接种厌氧微生物，阴极体接种好氧微生物或不接种微生物，所述阳极体和所述阴极体通过外电阻连接形成闭合回路，所述阳极体和所述阴极体均连接有调温系统;所述阳极体和所述阴极体均由导热绝缘体和电极活性体组成。2.根据权利要求1所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述调温系统包括直流电源、温度控制器、冷却系统、半导体制冷片和温度传感器;所述直流电源与所述温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与所述温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度传感器设置在所述阳极体和所述阴极体的电极活性体上，所述半导体制冷片的一端与所述阳极体和所述阴极体的导热绝缘体连接，所述半导体制冷片的另一端与所述冷却系统连接。3.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述半导体制冷片的另一端通过导热硅脂与所述冷却系统连接，并通过环氧树脂固定成一个整体。4.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述的冷却系统可以是风冷装置、液冷装置、相变材料冷却装置、导热管冷却装置中的一种或多种的结合。5.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述的导热绝缘体可以是导热硅脂、导热胶带、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述电极活性体可以是碳浆、碳布、石墨片、碳糊、碳纳米管、石墨烯、不锈钢、钛片材料。7.根据权利要求1所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述闭合回路包括导线、外电阻和电压表。8.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度传感器可以是热敏电阻或热电偶。9.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度传感器引线的数量至少为两根。10.根据权利要求2所述的一种双向控温微生物燃料电池，其特征在于:所述温度控制器的数量为一个或两个。
【文档编号】H01M8/04701GK106058286SQ201610559075
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】施志聪, 黄宗雄, 刘军, 柯曦, 王诚文
【申请人】广东工业大学