[发明专利]一种A/O式无膜生物阴极微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学能源技术领域，具体涉及一种用于有机物发电的微生物燃料电池。 

背景技术

全球经济快速发展，全球化的能源短缺问题日益严重，致使全世界不顾环境污染问题，大力开发能源，由此引起的环境问题已经与当代的可持续发展相违背了，给社会的发展带来沉重的负担。因此，一方面需要寻求新的清洁能源取代一次性能源，另一方面需要开发新的技术从废水中回收能源以降低废水的处理费用。 

一般的，微生物燃料电池是一种能够将有机物中的化学能在微生物的作用下直接转化为电能的装置。作为高效催化剂，微生物能够将有机物氧化，并将氧化过程释放出来的电子转移到电极材料上，进而以电流的形式从外电路输出。微生物的生长环境必须是厌氧，这样才能保证最终电子受体是电极而不是氧气，否则电子将直接参与氧气的化学还原生成水。如果将有机废水作为微生物燃料电池(MFC)阳极的底物，废水中的有机物也同样能够被微生物降解，这样便完成了有机物的氧化分解和电流转化。 

传统的微生物燃料电池(MFC)由一个阳极室和一个阴极室组成，两极室之间通过质子交换膜(PEM)相隔。以经典的双室微生物燃料电池(MFC)为例，其主要原理是以阳极微生物作为催化剂氧化底物(如葡萄糖、乙酸钠等)，产生电子、质子和二氧化碳。电子通过介体传递到阳极(负极)极板，并通过外电路负载到达阴极(正极)，质子通过PEM由阳极到达阴极，氧化剂(以O₂为例)在阴极得到电子而被还原，从而形成回路，产生电流，阳极半反应和阴极半反应分别为： 

阳极半反应：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e^-    E⁰＝0.014V 

阴极半反应：6O₂+24H⁺+24e^-→12H₂O            E⁰＝1.23V 

理论上，每氧化1mol的葡萄糖可以产生1.216V的电压。 

微生物燃料电池(MFC)发电主要是经历以下四个步骤：(1)、阳极在生物催化剂作用下将有机物质氧化；(2)、电子通过生物自身所产生的中介体、纳米导线或者是具有电化学活性的氧化还原酶转移到电极上，同时质子从阳极转移到阴极；(3)、电子由外电路传递；(4)、阴极氧化物还原。在微生物燃料电池(MFC)系统中，可以使用液态铁氰化钾或高 锰酸钾对阴极进行优化，但是这些液态的电子受体由于需要再生不适合实际应用。 

发明内容

本发明的目的是为解决传统的微生物燃料电池(MFC)由一个阳极室和一个阴极室组成，两极室之间通过质子交换膜(PEM)相隔，需要添加重金属催化材料和电子传递介体，由此导致微生物燃料电池(MFC)的构建和运行成本高，同时，液态的电子受体由于需要再生而不适合实际应用的问题，提供一种A/O式无膜生物阴极微生物燃料电池。 

本发明的一种A/O式无膜生物阴极微生物燃料电池包括阴极室、阳极室、筛孔板、阀门、阳极碳棒、阴极碳棒、铜导线、空气泵、曝气头和颗粒活性碳，阴极室为锥筒形，阴极室的上端直径大于下端直径，阴极室的上端为敞口端，阴极室的上部侧壁上设有出液口，阴极室的底部设有排放口，阀门安装在排放口处，阳极室为圆筒形，阳极室设置在阴极室内中心部位，阳极室的顶部设有进液口，阳极室的下端侧壁上沿圆周均匀钻有两排传递孔，阳极室内装有颗粒活性碳，阳极室内的颗粒活性碳作为电池阳极的阳极区，阳极碳棒的一端插入阳极区内，筛孔板设置在阴极室与阳极室之间，筛孔板的下端面与阳极室的底面之间的距离为8cm～12cm，阴极室内位于筛孔板上面装有颗粒活性碳，筛孔板上面的颗粒活性碳作为电池阴极的阴极区，阴极碳棒的一端插入阴极区内，阳极碳棒的另一端与阴极碳棒的另一端通过铜导线连接，曝气头设置在阴极区的底部，曝气头通过管路与空气泵连接。 

本发明包含以下有益效果：