一种无介体微生物燃料电池制造技术

本无介体微生物燃料电池，无需添加介体，包括：装有微生物菌液和有机物燃料的阳极室及设在室内的阳极和阴极；阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或板式复合阴极；微生物菌液为取自德国菌种保藏中心（ＤＳＭＺ）的Ｇｓ、Ｇｍ或Ｒｆ发酵液；有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、从木材头或稻草中提取的含糖副产品、工农业有机废弃物和／或城市生活垃圾。本电池电子直接传递，可提高其电池功率密度；为简单的单室结构，为人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾发电提供了良好的前景，既可为人类增加一种能源，又可以解决部分污染问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无介体微生物燃料电池
本专利技术涉及一种微生物燃料电池，特别是涉及一种无介体微生物燃料电池。
技术介绍
1911年，英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。生物燃料电池是利用生物催化剂将化学能转变为电能，除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的若干特点：①原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等；②操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强；③生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的电源。在这一时期，生物燃料电池的研究得以全面展开，出现了多种类型的电池。但占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质，然后再将这些物质通入燃料电池发电。Karube和Suzuki(Karubel，Suzuki S.Biochemical energy conversion byimmobilized photosynthetic bacteria[J].Mathods Enzymol，1988，137：668-667)用可以进行光合作用的微生物Rhodospirillumrubrum发酵产生氢，再提供给燃料电池。除光能的利用外，更引人注目的是他们用的培养液是含有乙酸、丁酸等有机酸的污水。发酵产生氢气的速率为19~31ml/min，燃料电池输出电压为0.2-0.35V，并可以在0.5-0.6A的电流强度下连续工作6h。通过比较进出料液中有机酸含量的变化，他们认为氢气的来源可能是这些有机酸。Habermann和Pommer(Habermann W，Pommer E-H，Biological fuel with-->sulphide storage capacity[J].Appl Microbiol Biotechnol，1991，35：128-133)进行了直接以含酸废水为原料的燃料电池实验。他们使用了一种可还原硫酸根离子的微生物Desulfovibriodesulfuricans，并制成了管状微生物燃料电池。在对两种污水的实验中，降解率达到35％~75％。此工作显示了生物燃料电池的双重功能，即一方面可以处理污水，另一个方面还可以利用污水中的有害废物作为原料发电。生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。目前质子交换膜燃料电池的功率密度可达3W/cm2，而生物燃料电池的功率密度还达不到1mW/cm2，可见两者差距之大。制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。由于代谢产生的还原性物质被微生物的膜与外界隔离，从而导致微生物与电极之间的电子传递通道受阻。尽管电池中的微生物可以将电子直接传递至电极，但电子传递量和传递速率很低。自80年代人们开始使用氧化还原介体来构建生物电池并进行了大量的有关研究。电子传递过程中添加介体，穿过封闭空间的薄膜进入容器，把自由电子传输到阳极。一些有机物(Tokuji Ikeda，Kenji Kano.Bioelectrocatalysis-basedapplicationof quinoproteins and quinoprotein-containing bacterial cellsin biosensors and biofuel cells[J].Biochimica et Biophysica Acta，2003，1647：121-126.)和金属有机物可以用作生物燃料电池的电子传递介体，其中，较为典型的是硫堇类、吩嗪类和一些有机染料。虽然硫堇很适合于用作电子传递介体，但是当以硫堇作介体时，由于其在生物膜上容易发生吸附而使电子传递受到一定程度的抑制，导致生物燃料电池的工作效率降低。为了将生物燃料电池中的生物催化体系组合在一起，需要将微生物细胞和介体共同固定在阳极表面。有机染料中性红(Park D H，Zeikus J G.Electricitygeneration in microbial fuel cells using neutral red as anelectronophore[J].Appl.Environm.Microbiol.，2000，66：292，Park D H，Kim S K，Shin I H，et al.Electricity production in biofuel cell usingmodified traphite electrode electrode with Neutral Red[J].Biotechnol.Lett.，2000，22：301)是一种具有活性的、能实现从E.coli传递电子的介体。-->它可通过石墨电极表面的羧基和染料中的氨基共价键合实现固定化，在厌氧条件下与电极键合的染料能促使微生物细胞与电极之间的电子传递，只有那些能到达电极表面的细菌才具有导电性。实验表明微生物细胞的活性组分往往被细胞膜包裹在细胞内部，而介体则又被吸附在细胞膜的表面，因而无法形成有效的电子传递，很难实现共同固定。韩国科学技术研究院的金炳弘等人申请了专利“一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池”(ZL00810805.6)，该专利技术使用废水和活性污泥中的电化学活性微生物氧化废水中所含的有机物。生物燃料电池包括仅次于生物燃料电池内部的分别含导电介体的阴极隔室和阳极隔室；安置在阳极隔室中的阳极；安置在阴极隔室中的阴极；和介于阴极隔室和阳极隔室之间用于分隔阳极隔室和阴极隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室含有有机废水和活性污泥并在生物燃料电池的操作过程中维持厌氧条件。根据本专利技术，使用电化学活性微生物的生物燃料电池可以产生高达0.22mA的电流，并使为燃料的废水的化学需氧量从1900ppm降低到55ppm。此外，生物燃料电池的效率随废水的种类和浓度而变化。浙江大学刘宜胜等人申请了专利技术专利“微生物燃料电池”(200410066753.9)，这种微生物燃料电池的箱体内分隔成阳极腔体和阴极隔板，隔板上有孔，孔上设置有氢离子选择膜，阳极腔体内有由葡萄糖、磷酸二氢钠和亚甲基蓝(介体)配置的溶液，阳极腔体上盖有密封盖，密封盖上固定有阳极石墨棒，阳极石墨棒的一端伸入阳极腔体内浸于溶液中，该端具有蜂窝状小孔，蜂窝状小孔中置有啤酒酵母菌及其培养基，阴极腔体内盛有由铁氰化钾和延胡索酸亚铁配置的溶液，在阴极腔体上盖有端盖，端盖上固定有阴极石墨棒，阴极石墨棒的一端伸入阴极腔体内浸于腔体的溶液中。上述两个专利的微生物燃料电池由阴极室和阳极室组成，阳极都由介体来传递电子。介体的价格非常昂贵，而且需要经常补充，相对于生物燃料电池提供的功率，添加介体所付出的成本极高。且很多氧化还原介体有毒，使其不能在从有机物中获得能量的开放环境中使用。因此有氧化还原介体的微生物燃料电池不适于用做一种简单的长期能源。且浙江大学专利所用的酵母菌的培养基需将阳极取出定时添加，操作不便。-->
技术实现思路
本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无介体微生物燃料电池，包括，一带有出水口和进水口的阳极室，以及设置在所述阳极室内的阳极和阴极，所述阳极室内盛装微生物菌液和有机物燃料；所述阳极与阴极通过负载相连；其特征在于，所述阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或者为板式复合阴极；　　所述空心棒式复合阴极为由一棒壁上带有小孔的空心非导电棒，和依次热压覆在塑料棒外表面上的质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布／碳纸组成的空心棒式复合阴极；所述小孔的孔径为０．２ｍｍ－５０ｍｍ，小孔的面积之和占棒体表面积的２０－７０％；　 　所述板式复合阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布／碳纸热压而成的板式复合阴极；或者为由陶瓷交换膜和掺入Ｆｅ↑［３＋］的石墨板热压而成的板式复合阴极；所述微生物菌液为Ｇｅｏｂａｃｔｅｒｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓ、Ｇｅｏｂａ ｃｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ或Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ菌种的发酵液；所述有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、从木材头或稻草中提取的含糖副产品、工农业有机废弃物和／或城市生活垃圾。

【技术特征摘要】
1、一种无介体微生物燃料电池，包括，一带有出水口和进水口的阳极室，以及设置在所述阳极室内的阳极和阴极，所述阳极室内盛装微生物菌液和有机物燃料；所述阳极与阴极通过负载相连；其特征在于，所述阴极为与空气相接触的空心棒式复合阴极或者为板式复合阴极；所述空心棒式复合阴极为由一棒壁上带有小孔的空心非导电棒，和依次热压覆在塑料棒外表面上的质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸组成的空心棒式复合阴极；所述小孔的孔径为0.2mm-50mm，小孔的面积之和占棒体表面积的20-70％；所述板式复合阴极为由质子交换膜、碳载铂催化剂层和碳布/碳纸热压而成的板式复合阴极；或者为由陶瓷交换膜和掺入Fe3+的石墨板热压而成的板式复合阴极；所述微生物菌液为Geobacter sulfurreducens、Geobacter metallireducens或Rhodoferax ferrireducens菌种的发酵液；所述有机物燃料为葡萄糖、果糖、蔗糖、从木材头或稻草中提取的含糖副产品、工农业有机废弃物和/或城市生活垃圾。2、按权利要求1所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室为非导电料制成的空心筒状体；所述阴极为一设置在所述阳极室内中心处的空心棒式复合阴极；所述阳极为环绕排布在所述空心棒式复...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雅丽，连静，张文明，周良，祝学远，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]