[发明专利]一种立体阳极电极及其应用的微生物燃料电池及启动方法

说明书

本发明公开了一种立体阳极电极及其应用的微生物燃料电池及启动方法。微生物燃料电池包括池体、污水泵、阴极液泵和阴极液罐。池体包括阳极腔和阴极腔以及阳离子交换膜。阳极腔内设置有包括立体层状结构的基底层和若干延伸层的立体阳极电极，且基底层紧贴着阳离子交换膜设置。延伸层之间设有阳极电路线。阴极液罐与阴极腔之间形成阴极液的循环。阴极腔设置有阴极电极，阴极电极选用碳棒或碳刷或包括通过钛片相互连接的至少两片金属网且金属网间填充颗粒活性炭。启动过程将厌氧污泥注入阳极腔内实现基底层和延伸层微生物的接种、培养、富集和驯化，实现产电。本发明立体阳极电极结构有利于电子收集传输，具有产电效果好、结构简单、制作方便等优点。

技术领域

本发明涉及一种立体阳极电极和微生物燃料电池及其启动方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

随着社会和经济的不断发展，人们对传统化石燃料的需求不断提升。然而化石燃料的有限大量使用和其存储量有限的特点，导致能源危机的不断加剧。因此，人们对新能源的需求不断迫切。同时，环境污染的日趋加剧也对人们日常生活造成困难，如何寻找有效解决环境污染，并将污染物转化为可再生能源，将对解决能源危机起着重要作用。

微生物燃料电池技术(MFC)是一种融合了污水处理和生物产电的新技术。这种能在污水处理过程中同时实现能源回收的功能，得到大众的广泛关注。其工作原理是利用微生物燃料电池的阳极细菌作为阳极的催化剂，降解有机物的同时将电子传递到阳极，再将阳极连接到外电路负载到达阴极。而阳极细菌降解有机物产生的质子，通过阳离子交换膜传递到阴极，在阴极表面上，外电路传递过来的电子，与通过阳离子交换膜过来的氢离子和阴极中的还原剂反应生成水，完成微生物燃料电池的氧化还原反应过程和电子循环回路。其中，在微生物燃料电池运行产电过程中，阳极腔体内的阳离子会通过阳离子交换膜的离子交换作用转移到阴极，以保持阳极液和阴极液的电荷平衡。因此，为实现上述反应过程，常规MFC完整结构和组件包括阳极电极材料，阴极电极材料，外电路，阳离子交换膜和催化剂(包括微生物)。然而，目前MFC的实际产电能力偏低，离实际应用尚有较大的距离。因此，现阶段如何进一步提升MFC的污染物降解和产电转化能力将是未来需要攻克的难题。

阳极电极材料的结构设计和制备，对促进微生物附着生长，有机物降解和电子传递过程至关重要，而阳极材料的优化将有望提升MFC的产电能力。传统碳电极材料结构在设计和使用上依然存在多方面问题，包括电极结构在阳极腔体内填充体积不足，微生物附着量有限等。或者阳极材料填充阳极腔体比例较大时，微生物附着量过多，造成水流堵塞以及电极颗粒分散产生的电子传递受阻碍等问题。第一，传统碳电极材料，例如碳纤维布，因本身为平面结构，造成阳极腔体内电极填充率有限，电极表面积有限，阳极腔体内有较大的死体积，从而使污染物降解率较低的情况下难以保障电流的最大产出，且传质效率受限，进一步约束电化学反应活性的提高。第二，电极材料的立体化可提升电极表面积以提升微生物附着量和传质效率。但是立体分散填充式的电极颗粒，例如颗粒活性炭，由于电极面积过大且孔隙率较小，碳颗粒表面易被生物膜包裹，互相接触困难从而影响电子传递。而碳刷虽可融合钛棒和碳纤维电极材料，将电极表面集合为整体保障电子传递，但其碳纤维毛填充于阳极腔体的比例有限，并与阳离子交换膜存在空隙，最终加大传质阻力，提升系统内阻，限制电化学活性。以上问题均阻碍了微生物燃料电池的应用与推广。

发明内容

本发明旨在提供一种立体阳极电极和微生物燃料电池及其制备运行方法，通过改良阳极材料结构，将多片碳纤维布编织连接组合为立体电极材料，提升电极表面积和微生物附着量；并利用阴极中活性炭分散填充率和钛片形成电极整体的优势，解决电极材料在电子传递，物质传输和内阻较大等问题，从而提高微生物燃料电池的污水处理效果和产电强度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种立体阳极电极，包括基底层和设置在所述基底层上的延伸层，所述基底层和所述延伸层均选用碳纤维布；所述延伸层设置两个以上，每个延伸层均以其一端固定连接在所述基底层上且形成相互平行的连接线；所述基底层和两个以上延伸层之间形成立体层状结构；两个以上延伸层之间设有阳极电路线相连。