[发明专利]一种微生物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池堆。

背景技术

能源紧缺与有机废弃物处置是当今世界面临的两大挑战。

微生物燃料电池(MFC)是将有机物中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电与废弃物处置双重功效。MFC的燃料种类广泛，生活污水、高浓度有机废水、人畜粪便等均可作为MFC的燃料，它在产电的同时可有效去除有机物，因此是一项发展潜力巨大的先进生物质能利用技术，有望成为未来有机废物处理的支柱性技术。

MFC的基本原理是：有机物作为燃料在厌氧阳极室中被微生物氧化，产生的电于被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极，与氧反应生成水。现有的微生物燃料电池一般结构为：阴、阳极两室，阴极室采用通气方式供氧，阳极保持厌氧状态，中间由隔膜分开。专利申请号为200710144804.9和200710144550.0的专利申请中分别公开了一种微生物燃料电池，并具体涉及电极和导线的设置、催化剂的选用；专利申请号为200610104081.5的专利申请中公开了一种微生物电池装置，具体涉及了片状阴极的一个表面与隔膜的一个表面贴合形成膜阴极；等等。但是，现有的MFC电池单体的输出电压或电流远远不能满足实际应用，因而必须通过串联或并联方式装配成电池堆来实现MFC的放大。

MFC的放大是MFC工程化应用的关键。如何将MFC电池单体放大到MFC电池堆是一项系统工程，面临着巨大的挑战。

专利CN101034754A公开了一种可堆叠的空气阴极单室MFC，为薄板式结构，两组膜电极共用阳极室，减小了电池厚度，其形状便于堆叠。但该设计采用价格昂贵的质子交换膜构造MFC，成本过高，尤为关键的问题是虽然各单体MFC可堆叠，但堆叠时各单体MFC分别进出料，其运行方式在实际应用中难以推广。

综上所述，传统MFC存在以下缺陷：1)设计理念源于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，采用昂贵质子交换膜作为隔膜，由于MFC的输出功率比PEMFC约低2～3个数量级，使用质子交换膜的MFC显然不具备实用价值；2)阴极氧还原反应需要持续通气供氧，使得供氧耗能超过产出电能，MFC无法实现自我维持运行。2005年美国环境工程学家Logan首次提出空气阴极单室MFC构型，省去了阴极室，采用空气被动曝气供氧，使得净产能成为可能，但这种MFC目前只局限于电池单体，其堆叠与放大都存在难度；3)电池结构与运行方式不利于放大。MFC作为一种有潜力的有机废物处置技术，必须解决燃料的进/出问题，即有机废物的进入与处理后的流出方式。现有已报道的MFC电池堆的最高串联数为6个，但6个单体电池分别进料、分别出料，这种方式若用于废水处理，根本不具备操作可行性。

因此，实现MFC的放大和工程化应用必须首先解决以下技术瓶颈：1)大幅度降低MFC造价，改变设计理念，采用低成本膜材料代替昂贵的质子交换膜；2)设计共阳极液的多级串/并联的MFC电池堆，以解决燃料统一进料和出料问题，同时实现电压/电流的提升。但目前尚未见到相关的技术报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有的微生物燃料电池结构与运行方式不利于扩展和放大以及成本高的缺点，提供一种微生物燃料电池堆，所述电池堆具有易扩展、统一进料和出料、结构紧凑、造价低廉、输出功率密度高、COD(化学需氧量)去除效果好等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来予以实现：

提供一种微生物燃料电池堆，包括若干个微生物燃料电池单体，所述微生物燃料电池单体包括镂空的骨架、膜阴极和阳极，膜阴极包裹镂空的骨架形成阳极室，阳极置于阳极室内；分别以导线从膜阴极、阳极导出；所述若干个微生物燃料电池单体通过管道首尾相接，各阳极室相互连通；所述管道设有一个进料口和一个出料口。

所述若干个微生物燃料电池单体可以设置于一条直的管道上，管道一端为进料口，一端为出料口；作为优选，所述管道还包括弯管，若干条管道通过若干弯管依次连接形成盘管式结构；所述若干个微生物燃料电池单体设置于管道并通过盘管式结构的管道连接在空间上纵向、横向或分层设置，获得更好的放大效果。