[发明专利]利用电容性阳极储存生物电能的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体是一种利用电容性阳极存储生物电能的方法和装置。

背景技术

日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类在可持续发展道路上面临的两大根本性问题。随着经济的发展，废弃物的处理成为一个重要难题。其中工业废水成分复杂，毒性强，对环境影响恶劣，处理起来难度极大。然而，能耗是污水处理中的一个重要影响因素。在美国，全国5%的电力被用于输水基础设施的运行，而1.5%电力被单独用于污水处理。

化石燃料的枯竭，人类不得不寻找新的替代能源。环境问题的日益严重，人类必须审视和调整能源结构。而废弃物并非毫无价值，关键在于人类如何利用。在这样的大背景下，微生物燃料电池（Microbial fuel cells，简称MFCs）应运而生。微生物燃料电池是以微生物为催化剂把有机物中的化学能直接转化为电能的装置，从而达到同时处理污染物和产生能量的目的，因此吸引了众多研究者的关注。

尽管发展至今，MFCs在产能上有了显著的提高。但遗憾的是，MFCs仍未有大规模的工业应用，原因在于较低的能量难以直接驱动商业化的电子设备。例如用于环境监测的电化学传感器通常需要 50 mW，根据文献这样的传感器很难被MFC直接驱动。为了能为那些能量需求高于MFC产能的装置提供能量，我们必须改变从MFC收集能量的方式，发明一种加载在MFC上的储存可再生生物电的装置，来实现MFC暂态的功率提升，驱动功率较大的电子设备，从而拓宽其应用范围有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用电容性阳极存储生物电能的方法和装置，本发明通过微生物的代谢，将MFC电池阳极室中产电细菌产生的生物电储存在电极上，实现可再生生物电的存储，使用这种电容性电极MFC可以同时生产和储存可再生电能，扩宽MFC的应用范围，促进MFC发展应用。

实现本发明目的所采用的技术方案包括：

利用电容性阳极储存生物电能的装置，包括阳极室、阴极室和离子交换膜，阳极室和阴极室由离子交换膜分隔开，其特征在于所述阳极室中的阳极采用电容性电极；所述电容性电极由如下方法制得：在经过预处理的基材电极上修饰超级电容材料制作具有超级电容性的电容性电极；在所述阳极室中加入产电细菌和有机物形成微生物燃料电池MFC阳极室。

进一步的，所述阴极室中加入的阴极液为浓度为50-100 mmol/L的铁氰化钾水溶液或通入空气的水溶液。

   进一步的，所述预处理是指将基材置于质量分数为10-30 %的双氧水溶液中，在温度为60-90 ℃条件下水浴煮1-4小时，接着用去离子水在同一温度下水浴煮1-4小时，再用烘箱烘干。

进一步的，所述预处理的基材电极上修饰超级电容材料的方法包括：电化学修饰（包括恒电位、恒电压、循环伏安法电镀）、化学沉积法修饰（溶胶凝胶法）以及物理粘结法（包括利用聚四氟乙烯热压粘结、Nafion粘结）修饰。

进一步的，所述基材电极包括碳布、石墨毡、碳毡、不锈钢网或泡沫镍。

进一步的，所述超级电容材料包括双电层电容电极材料或赝电容电极材料中一种以上。

进一步的，所述产电细菌包括具有产电能力的希瓦氏菌、地杆菌或大肠杆菌中一种以上，所述有机物包括乳酸、乙酸、葡萄糖、柠檬酸以及他们的对应的盐中一种以上。

进一步的，所述双电层电容电极材料，为利用材料本身较大比表面积，在电极/电解质界面积累电荷的材料，包括活性碳、介孔碳、石墨烯及其氧化物或碳纳米管。

进一步的，所述赝电容电极材料，为依靠材料本身快速高度可逆的法拉第反应实现储电的材料，包括二氧化钌、二氧化锰、铁氧化物、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔或聚噻吩。

利用电容性阳极储存生物电能的方法：在开路条件下，利用电容性电极的电容性，将具有超级电容性的电极装入装置的MFC阳极室，在电池内部形成内置的电容系统，作为装置的储电系统，当细菌与具有超级电容性的电极产生接触，细菌消耗有机物产生的电子传递到阳极，利用具有超级电容性的电极的电容特性，储存MFC阳极室中产电细菌传递电子到电极上产生的生物电；在接入负载的条件下，连通阴阳极电路，装置对外放电，实现存储生物电的再生放电；利用修饰阳极在开路条件下储存的生物电，装置接入电路连通时，实现MFC暂态的输出功率提升。

        与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明采用阳极修饰超级电容器材料，使得阳极具有电容特性，可用于储存MFC电池阳极室中产电细菌传递电子到电极上的生物电。