一种基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置的制作方法

本发明涉及一种微生物燃料电池，特别涉及一种基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置。

背景技术：

微生物燃料电池是借助多种微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。相比传统燃料电池，微生物燃料电池利用微生物代替昂贵的化学催化剂，且能在产生能源的同时净化污水，发展前景巨大。微生物燃料电池主要由阳极室、阴极室以及中间的隔膜（多为质子交换膜）组成。微生物燃料电池的基本工作原理是：在厌氧环境下，阳极室内悬浮的微生物将复杂的大分子有机物分解为小分子有机物，附着在阳极表面的微生物群落进一步分解小分子有机物和部分大分子有机物，同时产生电子和质子，其中电子通过不同方式传递到阳极，并经由外电路到达阴极，而质子则通过中间质子交换膜到达阴极室，氧化剂( 一般为氧气或铁氰化钾溶液) 在阴极与电子和质子发生还原反应，构成完整的电流回路。

但现阶段微生物燃料电池产能低下，不足以实际应用和推广。虽然随着微生物燃料电池电极和反应器构型的不断改进，其单体能量密度增长迅速，但是仍然存在以下问题：阳极电极比表面积小，不利于微生物的附着和生长；实验室多外加磁力搅拌装置提高电池性能，但是这无疑增加耗能，且实际应用中不可能外加磁力搅拌装置；阴极室多曝气以促进还原反应，但增加成本；质子交换膜成本太高，且易增加电池内阻；电池多为间歇工作，需周期性更换废水，不利于实际应用；新型电池反应器结构复杂且多不可扩充。

因此，研发一种结构简单、大大降低成本、利于微生物的附着、生长以及大大提升实际应用的基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、大大降低成本、利于微生物的附着、生长以及大大提升实际应用的基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，其创新点在于：所述外壳包括支撑机构和自呼吸式阴极，支撑机构包括一绝缘支撑基底密封盖以及设置于绝缘支撑基底密封盖上的导电支撑体，且在导电支撑体的外侧面紧密贴合有自呼吸式阴极，所述导电支撑体和阴极的底部与绝缘支撑基底密封盖固定连接；在所述外壳侧壁上还分别开有进水口、出水口以及传动轴孔；

所述外壳内设有多个呈阵列排布的阳极，且各阳极底部设有外螺纹圆柱结构，所述外壳包裹各阳极，进而形成一阳极室；

所述传动机构包括传动轴以及驱动传动轴旋转的驱动机构，所述传动轴通过传动轴孔设置于阳极室内，且所述阳极底部设有外螺纹圆柱结构与传动轴组成蜗杆传动机构；

所述自呼吸式阴极和阳极的上端皆设接有导线的导电端子，且阳极端子通过固定装置设置于装置密封盖上，所述阳极导线连接为一体，与自呼吸式阴极各导线构成外接电路。

进一步地，所述自呼吸式阴极为天然植物碳化所制碳材料。

进一步地，所述自呼吸式阴极为碳粉、活性炭或石墨颗粒，阴极材料与聚四氟乙烯或全氟磺酸混合固定到支撑体外侧。

进一步地，所述阳极为碳棒、碳刷、石墨棒或金属基材料。

进一步地，通过进水口的水为有机污水。

进一步地，所述有机污水为生活污水、工业废水、农业废水或禽畜废水中的任一种。

本发明的优点在于：

（1）本发明基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，采用阵列分布多个阳极，大大增加电池单位体积内阳极总比表面积，借助自身能源实现装置内部阳极自搅动，促进微生物的降解，提升电子转移效率；同时，采用自呼吸式空气阴极，无需曝气，结构简单，大大降低成本；此外，该结构的设置，可根据需求选择增加或去除质子交换膜，可根据需求选择序批模式或连续模式，可根据实际应用需求进行尺寸调整并可无限扩充，实际应用价值大；

（2）本发明基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，其中，通过进水口的水以生活污水、工业废水和农业废弃物等各类有机污水为基质，在处理污水的同时产生电能；

（3）本发明基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，以具有较好生物相容性的导电材料或者绿色植物为电极材料，不仅价格低廉，而且产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置中外壳的轴测图。

图2为实施例1基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置中装置密封盖的轴测图。

图3为实施例2基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置中外壳的轴测图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，如图1和图2所示，包括外壳、设置于外壳上端面的装置密封盖11、传动机构和外电路。

外壳包括支撑机构和自呼吸式阴极1，该自呼吸式阴极1为中空圆柱形的碳化天然竹炭管；支撑机构包括一绝缘支撑基底密封盖9以及一圆柱形钛网支撑体2，在圆柱形钛网支撑体2的外侧面紧密贴合有自呼吸式阴极1，所述钛网支撑体2和阴极1的底部与绝缘支撑基底密封盖固定连接；自呼吸式阴极1与圆柱形钛网支撑体2之间安置有质子交换膜3，在外壳侧壁上还分别开有进水口7、出水口10以及四个沿外壳圆周方向均匀分布的传动轴孔。

绝缘支撑基底密封盖9上设有多个呈井字形阵列排布的阳极4，阳极4上端为碳纤维刷，且各阳极4底部设有绝缘外螺纹圆柱结构，外壳包裹各阳极4，进而形成一阳极室。

传动机构包括四个传动轴5以及驱动传动轴5旋转的驱动机构，传动轴5通过传动轴孔设置于阳极室内，且阳极底部设有外螺纹圆柱结构与传动轴5组成四组蜗杆传动机构，四组蜗杆传动机构由四个发动机8带动。

自呼吸式阴极1的上端皆设接有导线的导电端子6，阳极端子通过固定装置12设置于装置密封盖11上，装置密封盖11用以保持阳极室厌氧环境，阳极导线连接为一体，与自呼吸式阴极1各导线构成外接电路。

预处理污水经过进水口7流入阳极室内，水中有机物在阳极室内悬浮微生物和阳极4表面附着微生物的协同作用下产生电子和质子，质子经过质子交换膜3迁移至阴极1，电子则通过外电路到达阴极1，自呼吸式阴极1以氧气作为电子受体发生三相还原反应，构成完整电流回路，使得燃料电池装置在处理污水的同时产生电能，产生的电能带动外负载和发动机8运作，发动机8带动蜗杆传动机构使得阳极4轴向转动，促进阳极室内电子转移和微生物的均匀分布，处理后污水或废料经出水口9外排，周期性更换阳极室内污水。

实施例2

本实施例基于阳极阵列分布的自呼吸式微生物燃料电池装置，如图3所示，对于与第一实施方式相同的构成标注相同的符号，并将重复的说明予以省略。

自呼吸式阴极1为中空长方体型石墨板，支撑机构分为导电部分和绝缘部分，导电部分为长方体形钛网2，其外尺寸与自呼吸式阴极1内壁尺寸同，绝缘部分为支撑基底密封盖9，自呼吸式阴极1与支撑体2共同组成电池装置外壳，且上开有进水口7、出水口9和传动轴孔。

阳极室内多个阳极按一字形阵列分布，各阳极4导电部分为碳棒，绝缘底部为外带螺纹的圆柱体，与传动装置中传动轴5构成一组蜗轮蜗杆机构，且蜗轮蜗杆机构由发动机8带动。各电极顶部均设有电极端子，用以接收传递电流经导线给负载和发动机提供电源。密封盖11中置阳极端子及其固定装置12用以保持阳极室厌氧环境。阳极室各阳极导线连接为一体，与自呼吸式阴极1各导线构成外接电路。

预处理污水经过进水口7流入阳极室内，水中有机物在阳极室内悬浮微生物和阳极4表面附着微生物的协同作用下产生电子和质子，质子经过水流迁移至自呼吸式阴极1，电子则通过外电路到达自呼吸式阴极1，自呼吸式自呼吸式阴极1以氧气作为电子受体发生三相还原反应，构成完整电流回路，使得燃料电池装置在处理污水的同时产生电能，产生的电能带动外负载和发动机8运作，发动机8带动蜗杆传动机构使得阳极轴向转动，促进阳极室内电子转移和微生物的均匀分布，处理后污水或废料经出水口9外排，周期性更换阳极室内污水。

为了突出本发明微生物燃料电池装置的优势，将实施例1-2微生物燃料电池装置与传统微生物燃料电池装置进行对比，对比结果如下：

由上表可以看出，本发明采用阵列分布多个阳极，大大增加电池单位体积内阳极总比表面积，借助自身能源实现装置内部阳极自搅动，促进微生物的降解，提升电子转移效率，转移效率可达80%以上；同时，采用自呼吸式空气阴极，无需曝气，结构简单，大大降低成本，成本可降低至800元以下；此外，该结构的设置，可根据需求选择增加或去除质子交换膜，可根据需求选择序批模式或连续模式，可根据实际应用需求进行尺寸调整并可无限扩充，实际应用价值大。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。