[发明专利]一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池

说明书

本发明公开一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池。自供给水凝胶电解质微生物燃料电池由多孔微生物阳极、水凝胶电解质、空气阴极和毛细管束组成；其中，多孔微生物阳极由水凝胶电解质包裹，毛细管与水凝胶电解质相连接；空气阴极置于电池的一侧，形成单空气阴极水凝胶电解质微生物燃料电池；或空气阴极置于电池两侧形成双空气阴极水凝胶电解质微生物燃料电池。自供给水凝胶电解质微生物燃料电池可在5～40℃的温度范围运行，最大面积功率密度可达1850mWm^‑2，最大体积功率密度可达557W m^‑3，可为小型电子器件的供电。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池(microbial fuel cells，以下简称MFCs)是利用电活性微生物的新陈代谢氧化化学物质并释放电子，把化学能转化为电能的一种电化学装置。由于MFCs具有“去污”和”产电”双重功能，因此近年来受到全球科学家们的广泛关注。MFCs及其相关的微生物电化学体系(bioelectrochemical systems,BES)，如电解池和脱盐池等，在众多领域具有广泛的应用，包括污水处理、产氢、远程电源，生物传感器、海水淡化和生物修复等。

然而，目前MFC不仅在污水处理应用受到极大的限制，其在器件化应用方面，如传感和远程电源，同样面临巨大的挑战。一方面，传统的MFC主要以水溶液为电解质，电活性微生物以微生物膜的形式在阳极生长，释放电子和质子；电子通过外电路传递到阴极，质子通过溶液扩散的方式(越过隔膜)传递到阴极；在阴极，氧气结合电子和质子被还原成水。然而，由于水溶液具有良好的流动性和离子迁移性能，在水溶液中的微生物膜容易受到pH值、底物浓度、水力扰动和外部振动等环境因素的影响，因此MFC难以维持稳定的性能。另一方面，MFC需要施加能量向电活性微生物供给营养液。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池。自供给水凝胶电解质微生物燃料电池可以像植物叶片一样通过蒸腾作用自动供给营养，而不需要借助施加能量；同时自供给水凝胶电解质微生物燃料电池可耐受外部振动等环境因素的影响，具有较好的稳定性。

本发明是这样实现的：

一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池(AF-HE-MFC)，其特征在于：主要由多孔微生物阳极、水凝胶电解质、空气阴极和毛细管束组成；其中，多孔微生物阳极被水凝胶电解质包裹，毛细管束与水凝胶电解质相连接；空气阴极置于水凝胶电解质的一侧，形成单空气阴极AF-HE-MFC；或空气阴极置于水凝胶电解质两侧形成双空气阴极AF-HE-MFC。所述的AF-HE-MFC可以自动吸入营养液实现自动供给；其自动供给的机理与植物叶片的蒸腾作用输送水分相似，即水凝胶电解质中储存的水经由空气阴极蒸发，在水凝胶电解质中形成负压；在负压的驱动下，含有微生物所需底物的水溶液(即营养液)经由毛细管束被自动吸入，补充水凝胶电解质中的水分损失，同时实现AF-HE-MFC中微生物的营养供给。

所述的多孔微生物阳极是多孔或网状的，允许溶液中的底物或离子自由通过；电活性微生物在多孔微生物阳极上生长并形成微生物膜；所述的多孔微生物阳极的形状包括网、毡、纸、布等；所述的多孔微生物阳极的材料是碳、石墨、表面修饰的金属等具有导电性和生物相容性的材料。

所述的水凝胶电解质是中性无机盐水溶液溶胀的水凝胶。所述的水凝胶的材料是具有亲水基团、能大量吸收水分而溶胀又能保持住水分不外流的聚合物树脂，包括丙烯酸盐类、丙烯酰胺类、交联羧甲基纤维素类等，可吸收相当于自身体积100倍以上水分的聚合物树脂；优选可吸收相当于自身体积500倍以上水分的聚合物树脂。所述的中性无机盐水溶液，包括磷酸盐、碳酸盐缓冲、等中性水溶液。

所述的空气阴极具有氧气还原催化性能，同时允许氧气扩散和水分蒸发。其结构包含氧气还原催化层、集流体和扩散层；或只包含催化层和集流体；或只包含扩散层和同时具有集流体和氧气还原催化功能的电极。