申请日2006.08.01
公开(公告)日2008.02.06
IPC分类号C02F3/00; H01M8/16
摘要
一种微生物燃料电池装置，该装置包括电池外壳(1)、阳极腔室(3)、阳极(13)、阴极腔室(4)、阴极(16)和隔膜(17);所述阳极(13)位于阳极腔室(3)中，隔膜(17)位于阳极腔室(3)及阴极腔室(4)之间，其中，所述阴极(16)为片状阴极，片状阴极的一个表面和隔膜(17)的一个表面贴合形成膜阴极组件(10)，片状阴极不与隔膜(17)贴合的一面位于阴极腔室(4)一侧。由于本发明所述微生物燃料电池装置通过片状阴极和隔膜贴合构成膜阴极组件，从而可以提高质子迁移的效率，继而加快阴极反应速率，使使用该装置的微生物燃料电池的整体反应速率大幅度提高，因此可以实现污水的大规模连续处理。
权利要求书
1.一种微生物燃料电池装置，该装置包括电池外壳(1)、阳极腔室(3)、 阳极(13)、阴极腔室(4)、阴极(16)和隔膜(17);所述阳极(13)位于 阳极腔室(3)中，隔膜(17)位于阳极腔室(3)及阴极腔室(4)之间， 其特征在于，所述阴极(16)为片状阴极，片状阴极的一个表面和隔膜(17) 的一个表面贴合形成膜阴极组件(10)，片状阴极不与隔膜(17)贴合的一 面位于阴极腔室(4)一侧。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池装置，其中，片状阴极表面 的面积是隔膜(17)表面面积的至少75%。
3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池装置，其中，片状阴极表面 的面积是隔膜(17)表面面积的90-100%。
4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池装置，其中，所述片状阴极 选自炭布或炭纸。
5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池装置，其中，所述微生物燃 料电池装置包括外筒和套在外筒中的内筒，所述电池外筒的筒壁为电池外壳 (1);阳极(13)位于所述内筒的筒壁和外筒的筒壁之间的空间内;所述内 筒的筒壁和外筒的筒壁之间的空间为阳极腔室(3);所述内筒的筒壁包括片 状阴极的一个表面和隔膜(17)的一个表面贴合形成的膜阴极组件(10)， 片状阴极不与隔膜(17)贴合的一面位于内筒内;所述内筒内的空间为阴极 腔室(4)。
6.根据权利要求5所述的微生物燃料电池装置，其中，所述套筒的外 筒和内筒的截面为圆形;所述阳极腔室(3)和阴极腔室(4)的体积比大于 1∶1。
7.根据权利要求6所述的微生物燃料电池装置，其中，阳极腔室(3) 和阴极腔室(4)的体积比为2∶1至100∶1。
8.根据权利要求5所述的微生物燃料电池装置，其中，所述阳极腔室 (3)还包括阳极入口(5)和阳极出口(6)，所述阳极入口(5)低于阳极 出口(6);所述阴极腔室(4)还包括阴极入口(7)和阴极出口(8)。
9.根据权利要求5所述的微生物燃料电池装置，其中，所述内筒的筒 壁还包括位于膜阴极组件(10)和阳极腔室(3)之间的金属网(9);所述 金属网(9)与膜阴极组件(10)的隔膜面贴合。
10.根据权利要求5所述的微生物燃料电池装置，其中，所述内筒的筒 壁还包括位于膜阴极组件(10)和阴极腔室(4)之间的内筒支架(11);所 述内筒支架(11)与膜阴极组件(10)的阴极面贴合;该支架为网孔(12) 结构。
11.根据权利要求5所述的微生物燃料电池装置，其中，所述阳极(13) 为石墨棒;所述石墨棒的个数为3-10;所述石墨棒的总体积占所述阳极腔室 (3)的总容积的10-70%。
12.根据权利要求11所述的微生物燃料电池装置，其中，所述石墨棒 在所述阳极腔室(3)中均匀分布。
13.一种微生物燃料电池，该电池包括微生物燃料电池装置、位于该装 置中的电化学活性微生物，以及工作液和/或工作气体，其特征在于，所述微 生物燃料电池装置为权利要求1-12中任意一项所述的微生物燃料电池装置。
14.根据权利要求13所述的微生物燃料电池，其中，所述电化学活性 微生物为厌氧微生物。
15.根据权利要求13所述的微生物燃料电池，其中，所述微生物燃料 电池的阳极腔室(3)中还包括阳极工作液;所述阳极工作液为污水或所述 电化学活性微生物的培养液;所述微生物燃料电池的阴极腔室(4)中还包 括阴极工作液或工作气体;所述阴极工作液为氧饱和水或氧化还原电位低于 阳极腔室工作液的溶液;所述工作气体为氧气或空气。
16.权利要求13所述微生物燃料电池的使用方法，该方法包括：
1)将外电路与微生物燃料电池的阴极(16)和阳极(13)连接以构成 回路;
2)向阳极腔室(3)中加入工作液，并使工作液在阳极腔室(3)的停 留时间为20-30小时;向阴极腔室(4)中加入工作液或通入工作气体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述向阳极腔室(3)中加入 工作液为向阳极腔室(3)中连续加入工作液，经电化学活性微生物分解后 的工作液连续排出阳极腔室(3)。
18.一种包括微生物燃料电池的污水处理系统，其中，所述微生物燃料 电池为权利要求13-15中任意一项所述的微生物燃料电池。
说明书
微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统
技术领域
本发明是关于一种燃料电池装置和具有该装置的电池，以及该电池的使 用方法和包括该电池的污水处理系统，尤其是关于一种微生物燃料电池装置 和具有该装置的微生物燃料电池，以及该电池的使用方法和包括该电池的污 水处理系统。
背景技术
水源污染是危害最大最广的污染，出于保护环境的目的，污染物尤其是 污水必须达到国家污染物排放标准，因此必须对污水进行处理。污水处理的 方法包括物理处理法、化学处理法、物理化学处理法、生物处理法及它们的 组合。目前，富含有机物的高化学需氧量(COD)值污水主要通过污水处理 厂利用生物处理法集中处理。污水处理中最常用的生物处理法主要包括两 种：一种是利用好氧微生物在污水池中进行曝气处理，但是曝气属高能耗过 程，使污水处理的成本很高，不利于该方法的推广;另一种是利用厌氧微生 物将污水池中的有机物氧化分解为二氧化碳以及甲烷等小分子物质，但是厌 氧处理过程不能将全部有机物都彻底氧化成二氧化碳，因此该过程产生的小 分子气体如甲烷、一氧化碳等，一旦得不到适当处理会对周围空气产生二次 污染。因此需要更好的处理有机废水的方法，既不需高能耗的曝气过程，同 时又能将有机物彻底氧化。
Chaudhuri和Lovley在Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediator-less microbial fuel cells.Nature Biotechnology 2003，21：1229-1232 中提出可以采用具有特殊代谢特性的异化还原菌，构建微生物燃料电池。该 类异化还原菌广泛存在于海底沉积物、河流底层、沟渠的淤泥中，能以多种 有机物作为代谢底物，例如可以将呼吸作用中的电子供体(如葡萄糖、醋酸 盐、苯甲酸钠等)完全氧化;同时是以固体的金属氧化物(如铁、锰、钴的 氧化物)作为电子受体。在其代谢过程中固体金属氧化物被还原，有机底物 被氧化成二氧化碳。用上述异化菌构建的微生物燃料电池可以利用污水中的 有机物为燃料，将其彻底氧化为二氧化碳，同时产生电能。
CN1164509C公开了一种生物燃料电池，如图4所示，该电池包括位于 生物燃料电池内部的分别含导电介质的阳极腔室3和阴极腔室4;安置在阳 极腔室3中的阳极13;安置在阴极腔室4中的阴极16;以及介于阳极腔室3 和阴极腔室4之间的隔膜17(即离子交换膜);其中阳极腔室3含有有机废 水和活性污泥并在生物燃料电池的操作过程中维持厌氧条件。该生物燃料电 池能够使用废水和活性污泥中的电化学活性微生物氧化废水中的有机物，氧 化所产生的电子流出细胞外，直接转移到电极上，从而在产生电流的同时处 理废水。但是该电池阴极腔室4内的溶液需要持续通入达到饱和的氧气才能 工作，而氧气在水中的溶解度低，并会造成阴极腔室4的浓差极化，所以既 耗费能量又不能有效利用氧气的有效电势，同时还会增大电池的内阻，最终 导致质子迁移效率低;另外，该生物燃料电池只能对污水进行批式间歇处理， 即一批污水处理完毕，需先通过阀门2排出阳极腔室溶液，再注入下一批污 水，不能连续大规模地处理污水;同时因为该电池需大面积的价格昂贵的质 子交换膜，因此成本很高。
CN 2745229Y中公开了一种微生物燃料电池，该电池主要由阳极腔体、 阴极腔体以及它们之间的隔板构成，利用啤酒酵母菌代谢有机底物葡萄糖， 以铁氰化钾和延胡索酸亚铁作为电子受体，以石墨棒作为阳极和阴极，从而 利用微生物消耗葡萄糖放出的能量产生电能。但是该电池隔板上同样也需要 大的质子交换膜，成本较高;同时该电池所选的啤酒酵母菌的电化学活性低， 不容易失去其细胞膜外表面的电子，使得该电池的电动势偏低，必须利用铁 氰化钾和延胡索酸亚铁等物质来替代氧气，提高阴极室的氧化还原电位，才 会有明显的电流，质子迁移效率低;而铁氰化钾有很强的毒性，不适合应用 于实际的微生物燃料电池中。而且由于啤酒酵母对培养条件的要求很严格， 因此该实用新型不能用于有机废水处理。
综上所述，现有的微生物燃料电池存在质子迁移效率低的缺陷，不能用 于大规模连续处理污水而且成本高，因此，需要一种能克服现有技术前述缺 陷的微生物燃料电池，质子迁移效率高，既能大规模连续无二次污染地处理 污水，同时又能低成本高效产生电能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术微生物燃料电池存在质子迁移效率低的 缺点，提供一种能使微生物燃料电池的质子迁移效率提高的微生物燃料电池 装置。
本发明的第二个目的是提供包括该微生物燃料电池装置的微生物燃料 电池。
本发明的第三个目的是提供上述微生物燃料电池的使用方法。
本发明的第四个目的是提供一种包括上述微生物燃料电池的污水处理 系统。
本发明提供了一种微生物燃料电池装置，该装置包括电池外壳1、阳极 腔室3、阳极13、阴极腔室4、阴极16和隔膜17;所述阳极13位于阳极腔 室3中，隔膜17位于阳极腔室3及阴极腔室4之间，其中，所述阴极16为 片状阴极，片状阴极的一个表面和隔膜17的一个表面贴合形成膜阴极组件 10，片状阴极不与隔膜17贴合的一面位于阴极腔室4一侧。
本发明还提供了一种微生物燃料电池，该电池包括微生物燃料电池装 置、位于该装置中的电化学活性微生物，以及工作液和/或工作气体，其中， 所述微生物燃料电池装置为本发明提供的微生物燃料电池装置。
本发明提供了上述微生物燃料电池的使用方法，该方法包括：
1)将外电路与微生物燃料电池的阴极16和阳极13连接以构成回路;
2)向阳极腔室3中加入工作液，并使工作液在阳极腔室3的停留时间 为20-30小时;向阴极腔室4中加入工作液或通入工作气体。
本发明还提供了一种包括微生物燃料电池的污水处理系统，其中，所述 微生物燃料电池为本发明提供的微生物燃料电池。
按照本发明，由于所述微生物燃料电池装置通过片状阴极和隔膜贴合构 成膜阴极组件，从而可以提高质子迁移的效率，继而加快阴极反应速率，使 使用该装置的微生物燃料电池的整体反应速率大幅度提高，因此可以实现污 水的大规模连续处理。