本发明专利技术公开了一种用于微生物燃料电池的布阴极组件及其制备方法。所述布阴极组件包括防水透气层、布基材料层和导电催化层或者包括防水透气布和导电催化层。本发明专利技术采用低成本的非膜材料代替传统膜材料，采用稳定性好的导电涂层来代替价格昂贵的阴极导电材料作为催化剂载体与电流集流器，与传统膜阴极相比，造价降低近５～２０倍，而且制作过程简单，无需热压设备。所述布阴极组可任意裁剪或折曲，因而可用于管式、方式等各种形态的ＭＦＣ反应器，装配方便。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于环境与新能源
，具体涉及。
技术介绍
微生物燃料电池(MFC)是将有机物中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电与有机废弃物处置双重功效。MFC的燃料种类广泛，生活污水、高浓度有机废水、人畜粪便等均可作为MFC的燃料，它在产电的同时可有效去除有机物，因此是一项发展潜力巨大的先进生物质能利用技术，有望成为未来有机废物处理的支柱性技术。 MFC的基本原理是有机物作为燃料在厌氧阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极，与氧反应生成水。根据电池阴极室结构不同，MFC可分为单室(空气阴极)和双室型(阴极曝气)。其中，双室MFC结构较复杂，且需要曝气以提高阴极反应效率，而单室MFC结构简单，无需曝气耗能，使得MFC净产能与自我维持运行成为可能，同时单室型MFC有利于降低MFC内阻，提高输出功率密度。因此，单室型空气阴极MFC被认为是最具应用前景的电池构型。 构建单室型空气阴极MFC中的最重要组件就是膜阴极组(Membrane cathode assembly)。膜阴极组是由膜材料与阴极导电材料压制在一块，并在阴极表面负载氧还原催化剂，形成集分隔、氧还原催化、离子透过与导电集流于一体的MFC组件。用于膜阴极组制作的膜材料有质子交换膜(Proton Exchange Membrane)、离子交换膜(Ion Exchange Membrane)、超滤膜(Ultrafiltration Membrane)等；用于膜阴极组制作的阴极导电材料有碳纸、碳纤维布、碳毡等。 具体来说，膜阴极组的主要功能有1)分隔阴、阳两室，使阳极室中的燃料基质、产电微生物不能穿越或渗漏至阴极，同时防止氧气不渗透至阳极室；2)作为阴极氧还原催化剂的载体，在膜阴极组的阴极表面利用氧还原催化剂(如铂、热解酞菁铁、四甲基苯卟啉钴、MnO2等)催化氧气的还原反应；3)选择性透过阴、阳离子(包括质子)，为阴极氧还原反应提供氢离子，并且维持阴、阳两室的电中和状态；4)作为阴极的电流集流器。 传统的膜阴极组的制作步骤是1)采用热压的方法将膜材料与阴极材料压制在一块，使两者完全贴合；2)采用喷枪或涂刷的方法在组件的阴极表面负载一层氧还原催化剂。例如，专利CN101034754A采用质子交换膜与载铂碳纸热压制作膜电极组；专利CN101355170A采用离子交换膜与碳纤维布热压，热压条件是100～150℃温度，压强为10～20MPa下热压1～10分钟，制作得到膜与阴极完全贴合的膜阴极组，然后采用涂刷的方法负载MnO2作为氧还原催化剂。 综上所述，传统膜阴极组的制作存在以下缺陷1)材料价格昂贵。作为隔膜材料，质子交换膜、离子交换膜、超滤膜目前的价格大概分别为4000～5000元/m2、100～200元/m2、500～600元/m2；作为阴极导电材料，碳纸、碳纤维布与碳毡的价格大概分别为5000～10000元/公斤、1500～3000元/公斤、500～1000元/公斤，制成的膜阴极组的最低价格都在600元/m2以上，约占MFC反应器总造价的70％以上。以现有报道的MFC最大输出功率(1800mW/m2)来计算，膜阴极组的造价在330元/W以上，显然不具备实用价值。因此，改进膜阴极组的材料、大幅度降低其造价，是MFC工程化应用的当务之急；2)制备过程复杂，需要专门热压设备。膜阴极组的制作工艺中，隔膜与阴极间紧密贴合是影响性能的关键因素，一旦隔膜与阴极间剥离，质子将无法到达阴极，阴极氧还原也将无法进行，因此必需采用专门热压设备在100～150℃的高温、10～20MPa的高压条件下将两者压制成一块，这不仅费时费力，而且可压制膜阴极的面积受到热压设备的局限。另外，传统膜阴极先压膜后负载催化剂的方法，也需要耗用价格昂贵的粘结剂与导电碳黑等材料，造成成本进一步上升；3)膜阴极组的机械性能较差。在单室型空气阴极MFC中，膜阴极组需要承载燃料基质(一般是废水或浆液)，因此，它必需具有较好的机械性能，特别是MFC反应器放大时。在这一点上，质子交换膜与超滤膜不太适合，因为质子交换膜较薄，超滤膜较脆。另外，组件的膜侧需要面对溶液，而质子交换膜、离子交换膜等膜材料遇水溶胀，这一方面容易导致膜与阴极的剥离，另一方面也容易导致燃料渗漏。 因此，MFC的推广应用必须首先解决膜阴极组件制备的技术瓶颈，主要包括大幅度降低造价、减少专用设备的使用以及简化制作步骤，同时提高组件的机械性能。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服现有膜阴极组件制备过程复杂且需要专用设备、材料价格昂贵、机械性能较差的缺点，提供一种新的用于微生物燃料电池的布阴极组件，所述布阴极组件具有制作简单、造价低廉、机械性能好、装配方便、运行稳定等优点。 本专利技术的另一个目的是提供所述布阴极组件的制备方法。 本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现 提供一种用于微生物燃料电池的布阴极组件，包括防水透气层、布基材料层和导电催化层。 上述布基材料可以选用一种机械性能较好的微孔材料，微孔材料以透不过水滴为宜，优选结构致密的帆布或者牛仔布，在布的一面均匀涂覆聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液使达到现有防水透气布的效果即可，另一面涂覆氧还原催化剂与导电漆混合浆液制备得到导电催化层。 所述防水透气层聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)的载量优选为1.0～3.0mg/cm2。 所述导电催化层为氧还原催化剂和导电漆的混合涂层，所述氧还原催化剂与导电漆的质量比优选1∶3～25，优选1∶4～15；氧还原催化剂载量参照常规技术催化剂的用量确定即可，优选为0.5～5.0mg/cm2。 所述的导电漆包括石墨基导电漆或金属基导电漆，优选镍基导电漆。 所述氧还原催化剂采用铂、热解酞菁亚铁(pyr-FePc)、四甲氧基苯基钴卟啉(CoTMPP)或电解二氧化锰，催化剂的载量参照现有常规技术。 所述布阴极组件的制备方法包括以下步骤 (1)在布基材料的一面均匀涂刷聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液进行单面防水透气处理； 在布的一面均匀涂刷聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液置于自然条件下风干，通常需要10～12小时风干；再在50℃～90℃下烘干1～2小时，达到防水透气与防腐的功效即可。 (2)氧还原催化剂与导电漆混合均匀得到混合浆液； (3)在布基未做防水处理的那一面均匀涂刷混合浆液，在自然条件下风干后在50℃～90℃下烘干1～2小时即得。 本专利技术所述用于微生物燃料电池的布阴极组件也可以包括防水透气布和导电催化层。 如果上述布基材料采用市购的防水透气布(例如浙江格尔泰斯纺织染整有限公司的 防水透气布及性质类似的布料)，其一面本身带有防水透气处理层，在另一面涂覆氧还原催化剂与导电漆混合浆液即可获得所述布阴极组；所述导电催化层为氧还原催化剂和导电漆的混合涂层，所述氧还原催化剂与导电漆的质量比优选1∶4～15。氧还原催化剂载量参照常规技术催化剂的用量确定即可，优选为0.5～5.0mg/cm2。 所述布阴极组件的制备方法包括以下步骤 (1)氧还原催化剂与导电漆混合均匀本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于微生物燃料电池的布阴极组件，其特征在于包括防水透气层、布基材料层和导电催化层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周顺桂，庄莉，杨一览，
申请(专利权)人：广东省生态环境与土壤研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。