[发明专利]一种新型微生物燃料电池发生装置及其装配方法

说明书

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种新型微生物燃料电池发生装置及其装配方法，电池本体依次包括固定连接的阳极盖板、阳极碳布、阳极室、质子膜、阴极室、阴极碳布和阴极盖板，阳极室和阴极室顶部均开设加液口，阳极盖板和阴极盖板底部分别固定安装有阳极电极接触片和阴极电极接触片；电池底座包括电池底板座、接线座、电池夹板以及与电池夹板之间铰接导电弹簧的电池活动夹板，接线座上安装电池接线端子和电阻接线端子，电池夹板和电池活动夹板内侧固定安装与阳极电极接触片、阴极电极接触片分别接触的阳极电极接触针和阴极电极接触针，解决了燃料电池换液装配繁琐，阳极室密闭性不好导致燃料电池启动时间长、产电能力低的问题。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种新型微生物燃料电池发生装置及其装配方法。

背景技术

随着城市化进程加快，社会对各类资源的需求量大大的增加，生产生活中不可避免地产生大量的污染物质，环境污染问题日益突显，其中水污染问题尤为严重。据统计，近年来我国废水排放量以每年8％的速度递增，我国80％以上的河流和浅层地下水受到不同程度的污染，严重影响着人类的生存环境。社会经济的高速发展，致使我国每年排放约500亿吨废水，主要为有机废水。有机废水中含有可生化性以及不可生化性有机污染物，其中可生化性有机物在微生物的作用下会大量消耗水体中的溶氧，使水质恶化，它的含量反映了废水的重要理化性质。

微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)是将废水中蕴含的低品位化学能转化为电能的装置。这种装置由负载微生物(主要是产电菌)、阳极和阴极组成，其工作过程可概括为：阳极有机物在微生物的氧化分解作用下，产生质子和电子，电子通过呼吸酶(NADH)与NAD⁺在胞内传递，而后通过纳米导线，膜蛋白接触或电子中介体等胞外电子传递机制到达阳极，经外电路到达阴极，同时电解液中的质子受电场力和浓度差的驱动从阳极室传递到阴极；电子和质子在阴极与电子受体(O₂，Fe(CN)₆^3-)发生还原反应。

MFC中有机物的能量转化分为熵变引起的热能和通过外电路负载获得的电能，外电路负载越大，能够获得的能量越高。当外电路负载趋近无限大时，MFC的能量相当于标准电池电动势中获得的自由能。然而事实上MFC很难达到标准电动势，因为在电极反应与传质过程中存在较大的能量损失，主要包括活化过电势，浓差过电势，欧姆过电势。活化过电势表示在电极表面发生电化学反应(阳极氧化、阴极还原过程)需要消耗的活化能。可从多个方面降低活化过电势：调控微生物生存环境包括pH，温度可保证较高的微生物活性以降低活化能；阳极产电微生物中G.sulfurreducens和S.oneidensis是两类主要的胞外产电菌群，它们既可以通过微生物外层膜上的细胞色素直接将电子传递给阴极，也可以利用自身代谢产生的电子中介体传递电子，外投电子中介体可以降低电子在微生物与电极间的能垒从而提高电子的有效传递；阳极、阴极本身的物理性质(粗糙度，比表面积，导电性等)，以及阴极氧还原催化剂及其载量也是影响活化过电势的重要因素。浓差过电势是当阳极氧化速率大于有机物的扩散速率，或者阴极氧扩散速率小于氧还原速率时，存在因反应物浓度限制造成的浓差极化，主要与电极表面的生物膜，水利条件以及反应器的构型设计有关，可以通过增大电极材料与反应物的接触面积，或者设置搅拌装置以减小浓差极化。欧姆过电势是质子传递阻力决定的，其主要影响因素是膜的尺寸、厚度、孔径以及电解液的电导率，电极间距等，欧姆阻抗与电流密度成线性正相关，通常减小电极间距或增大电导率可减小欧姆损失。

然而现有的微生物燃料电池在换液装配时十分繁琐，而且阳极室的密闭性也不好，其主要原因是现有的微生物燃料电池的阴阳极通过导线导电并用电极夹进行电压采集，导线从阴阳极腔内伸出电池时会导致电池安装不密封，并且电极夹的接触不是十分紧密，长时间的运行后导线和电极夹经腐蚀后电阻会增大，导致所采集的数据不准确，延长了电池启动时间，而且阳极室厌氧环境差，阳极需氧杂菌富集导致厌氧产电菌活性低，进一步导致微生物燃料电池产电能力降低，培养时间长、性能不稳定、易生杂菌、科研效率较低。传统的微生物燃料电池长期严重制约着MFC在水污染控制及水环境管理科学研究领域的深度发展。