一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法

摘要

本发明公开了一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法，预处理水流通过进水口连续流入阳极室，进而流经所有阳极室，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道中的水流为载体迁移至阳极室，通过小孔涌进阴极室，使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在净化污水的同时产生电能。本发明可以根据实际需求进行无限扩充，阴极和阳极材料及其安装形式可以根据要求进行变换，使污水得以净化，同时产电。

权利要求

1.一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法，其特征在于：所述方法基于一种可拓展连续流微生物燃料电池装置进行，所述电池装置包括装置外壳、装置密封盖及相间排布的阳极室和阴极室，所述阳极室内或阴极室内安装不同材料电极，所述阳极室间或阴极室间通过带滤网的流道连通，各流道旁设有挡板，各挡板可上下活动，阳极室间流道与阴极室间流道上下错开设置，其中至少一组处于装置最外侧相邻的阳极室与阴极室之间通过带小孔的挡板连通，各挡板可上下活动，挡板上的小孔中通过安装质子交换膜阻隔阳极液与阴极液，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室和阴极室外壳侧壁分别开有进水口和出水口，用于输入和排出有机污水，所述装置外壳在各阴阳极室底部安装有导电线路，连通各阴阳极室与外负载，所述装置密封盖在阴极室上方开有小孔，使得阴极室与外界空气连通，促进阴极反应；

所述阳极室和阴极室皆为大小相等的正多边形棱柱，二者相间排布并组合构成一个多边形棱柱装置，所述阳极室数目大于所述阴极室数目，正多边形为正三边形、正四边形、正五边形，所述阳极室侧壁和底部基底材料皆为绝缘材料，底层设有导线接口，连接阳极电极和外电路，所述阳极室侧壁材料为绝缘材料，底部基底材料上层为导电材料，下层为绝缘材料，导线接口贯穿底部上下层，连接阳极电极和外电路，所述阳极和阴极电极皆为具有较好生物相容性的导电材料，所述导电材料为碳基材料的碳刷、碳布、碳纸或活性炭颗粒，或是阴极为生物阴极，所述电极浸没于流水中，所述电极最小单位的最小直径大于流道滤网最大口径，所述阳极室外接导线连接为一体，与所述阴极室外接导线进行串联构成外接电路，预处理水流通过进水口连续流入阳极室，进而流经所有阳极室，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道中的水流为载体迁移至阳极室，通过小孔涌进阴极室，使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在处理污水的同时产生电能；

所述电池装置将相邻阴阳极室外接导线通过外电路连接构成单一电池组，并将多个单一电池组进行自由串并联，以达到不同输出效果。

说明书

一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法。

背景技术

[0002] 微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池的基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜等中间传递物质传递到阴极，氧化剂( 一般为氧气) 在阴极得到电子被还原并与质子结合成水。微生物燃料电池多采用双室型，即包括阳极室和阴极室，中间常采用质子交换膜隔开。虽然目前随着微生物燃料电池电极和反应器构型的不断改进，其单体能量密度增长迅速，但是仍然存在以下问题：电池能量密度低；可用作底物废水种类较为单一；电池多为间歇式工作，需要不断更换基底；电极材料结构单一，产电微生物量少，不利于能量产生；电池反应器装置结构复杂且不可扩充；各电池组间不能根据需求进行串并联，严重限制其实际推广与应用。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法。

[0004] 本发明的技术方案是：一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法，包括相间排布的阳极室和阴极室，阳极室内或阴极室内可安装不同材料电极，阳极室之间相通，阴极室之间相通，其中至少一组阳极室与阴极室之间相通，通道中均设有滤网，阳极室和阴极室外壳侧壁分别开有进水口和出水口，用于输入和排出有机污水，各阴、阳极室底部安装有导电线路，连通各阴阳极室与外负载，阴极室与外界空气连通，促进阴极反应，阳极和阴极电极皆为导电材料，电极浸没于流水中，阳极室外接导线连接为一体，与阴极室外接导线构成串联外接电路，预处理水流通过进水口连续流入阳极室，进而流经所有阳极室，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道中的水流为载体迁移至阳极室，通过小孔涌进阴极室，使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在处理污水的同时产生电能。该方法中的阳极室和阴极室皆为大小相等的正方体、相间排布并组合构成一个长方体装置，阳极室数目大于等于阴极室数目。

[0005] 本发明还公开了一种正多边形可拓展空气阴极微生物燃料电池装置，包括相装置外壳、装置密封盖及相间排布的阳极室和阴极室，阳极室内或阴极室内安装不同材料电极，阳极室间或阴极室间通过带滤网的流道连通，各流道旁设有挡板，各挡板可上下活动，阳极室间流道与阴极室间流道上下错开设置，其中至少一组处于装置最外侧相邻的阳极室与阴极室之间通过带挡板的小孔连通，各挡板可上下活动，小孔可以通过安装质子交换膜阻隔阳极液与阴极液，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室和阴极室外壳侧壁分别开有进水口和出水口，用于输入和排出有机污水，装置外壳在各阴阳极室底部安装有导电线路，连通各阴阳极室与外负载，阳极室外接导线连接为一体，与阴极室外接导线进行串联构成外接电路，装置密封盖在阴极室上方开有小孔，使得阴极室与外界空气连通，促进阴极反应。

[0006] 阳极室和阴极室皆为大小相等的正多边形棱柱、二者相间排布并组合构成一个多边形棱柱装置，装置可以适应不同形状场地，阳极室数目大于等于所述阴极室数目。阳极室间或阴极室间通过带滤网的流道连通，各流道旁设有挡板，各挡板可上下活动，阳极室间流道与阴极室间流道上下错开设置。至少一组处于装置最外侧相邻的阳极室与阴极室之间通过带挡板的小孔连通，各挡板可上下活动，小孔可以通过安装质子交换膜阻隔阳极液与阴极液。若阳极室侧壁和底部基底材料皆为绝缘材料，底层设有导线接口，连接阳极电极和外电路。若阳极室侧壁材料为绝缘材料，底部基底材料上层为导电材料，则下层为绝缘材料，导线接口贯穿底部上下层，连接阳极电极和外电路。阴极室底层设有导线接口，连接阳极电极和外电路。阳极和阴极电极为碳刷、碳布、碳纸、活性炭颗粒等碳基材料，或是具有较好生物相容性的导电材料，或是生物阴极，电极浸没于流水中，电极最小单位的最小直径大于流道滤网最大口径。阳极室外接导线可以连接为一体，与阴极室外接导线构成串联外接电路。电池装置也可以将相邻阴阳极外接导线连接构成单一电池组，并将多个单一电池组并联得到最大外接电路电流。所述电池装置可以将相邻阴阳极室外接导线通过外电路连接构成单一电池组，并可以将多个单一电池组进行自由串并联，以达到不同输出效果。有机污水作为基底材料可以选用生活污水、工业废水和农业废弃物。

[0007] 本发明与现有技术相比的有益效果是：1）采用连续流工作模式，结构简单，不需要人工更换基底材料，大大降低电池内阻和制造维护成本，提高能源利用效率和电池能量密度；2) 以生活污水、工业废水、农业废弃物或禽畜废弃物等各类有机污水为基质，在净化污水的同时产生电能；3) 以具有较好生物相容性的导电材料或者绿色植物为电极材料，不仅价格低廉，而且产电过程中吸收二氧化碳，排出氧气，促进阴极反应的同时减少污染，是一种清洁能源生产装置；4)电池装置可根据实际应用需求进行尺寸调整，以使得整体外形适应不能形状外部环境，并可无限扩充，实际应用价值大；5)可以将相邻阴阳极外接导线连接构成单一电池组，并可以将多个单一电池组进行自由串并联，以达到不同输出效果。

[0008] 附图说明：

[0009] 图1为本发明中使用的奇数外壳的结构示意图。

[0010] 图2为本发明中使用的偶数外壳的结构示意图。

[0011] 图3为发明中阳极室和阴极室均为正三角形棱柱的局部立体结构示意图；

[0012] 图4为发明中阳阳极室和阴极室均为正五边形棱柱的结构示意图；

[0013] 图1中标号：1-阳极室（a-h）、2-阴极室（a-h）、3-装置外壳、4-阳极室间流道、5-阴极室间流道、6-流道两侧滤网、7-进水口、8-出水口、9-一组阴阳极室间通孔、10-外接线路通道、11-微生物燃料电池装置密封盖、12-密封盖上阴极室上方对应通孔、13-挡板；

[0014] 图中“+”代表阳极室，“-”代表阴极室。

[0015] 具体实施方式：

[0016] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0017] 下面就本实施方式的一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法的使用方法进行详细的说明。

[0018]  [第一实施方式]

[0019]  本实施方式的微生物燃料电池装置外壳的一个例子如图1所示，包括阳极室1（a-e）、阴极室2（a-d）、装置外壳3、阳极室间流道4、阴极室间流道5、流道两侧滤网6、进水口7、出水口8、一组阴阳极室间通孔9和外接线路通道10。

[0020] 阳极室1（a-e）或阴极室2（a-d）皆为大小相等的正方体、相间排布并组合构成一个3×3长方体九宫格的装置外壳3，阳极室数目大于阴极室数目。阳极室1（a-e）间通过流道4连通，所述阴极室2（a-d）间通过流道5连通，阳极室间流道4与阴极室间流道5上下错开设置，阳极室间流道4和阴极室间流道5两侧均设有滤网6，其中处于装置最外侧相邻的阳极室
1（b）与阴极室2（a）之间通过小孔9连通，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室1（d）和阴极室2（d）外壳侧壁分别开有进水口7和出水口8，使得电池装置可以连续运行。阳极室侧壁和底部基底材料皆为绝缘材料，底层设有导线接口10，连接阳极电极和外电路。阳极和阴极电极皆为碳刷，构建材料阳极，电极浸没于流水中。阳极室外接导线连接为一体，与阴极室外接导线构成串联外接电路。预处理水流通过进水口7连续流入阳极室1（d），进而流经所有阳极室，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道4中的水流为载体迁移至阳极室1（b），通过小孔9涌进阴极室2（a），使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道10流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在处理污水的同时产生电能。装置密封盖对应阴极中心处开有通孔用以连接外界氧气，促进阴极反应。

[0021] 由此实施方式可以推导出5×5长方体装置外壳、7×7长方体装置外壳……的结构，此结构统称为奇数外壳。

[0022]  [第二实施方式]

[0023]  本实施方式的微生物燃料电池装置外壳的一个例子的俯视图如图2所示，对于与第一实施方式相同的构成标注相同的符号，并将重复的说明予以省略。

[0024] 阳极室1（a-h）或阴极室2（a-h）皆为大小相等的正方体、相间排布并组合构成一个4*4长方体装置3，阳极室数目等于阴极室数目。阳极室1（a-h）间通过流道4连通，阴极室2（a-h）间通过流道5连通，阳极室间流道4与阴极室间流道5上下错开设置，阳极室间流道4和阴极室间流道5两侧均设有滤网6，其中处于装置最外侧相邻的阳极室1（b）与阴极室2（b）之间通过小孔9连通，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室1（g）和阴极室2（g）外壳侧壁分别开有进水口7和出水口8，使得电池装置可以连续运行。阳极室侧壁材料为绝缘材料，底部基底材料上层为导电材料，下层为绝缘材料，导线接口10贯穿底部上下层，连接阳极电极和外电路。阳极为活性炭颗粒，构建材料阳极，电极浸没于流水中，所述阴极电极为生物阴极，可以产生氧气，促进所在阴极室反应，实现自给自足。电池装置将相邻阴阳极外接导线连接构成单一电池组，即1（a）与2（a）为一组、1（b）与2（b）为一组、1（c）与2（c）为一组……并将a-h组8个单一电池组并联得到最大外接电路电流。

[0025] 本实施方式装置运行流程与第一实施方式类似，将重复说明予以省略。

[0026] 由此实施方式可以推导出6×6长方体装置外壳、8×8长方体装置外壳……的结构，此结构统称为偶数外壳。

[0027] [第三实施方式]

[0028]  本实施方式的微生物燃料电池装置外壳的一个例子局部示意图如图3所示，包括多个正三角形棱柱的阳极室和正三角形棱柱的阴极室、阳极室间流道、阴极室间流道、各流道挡板和滤网、进水口、出水口、一组阴阳极室间通孔。

[0029] 阳极室1或阴极室2皆为大小相等的正三角形棱柱，二者相间排布，阳极室1数目大于阴极室2数目。阳极室1内或阴极室2内安装不同材料电极，阳极室1间或阴极室2间通过带滤网6的流道连通，各流道旁设有挡板13，各挡板13可上下活动，阳极室间流道4与阴极室间流道5上下错开设置，其中一组处于装置最外侧相邻的阳极室1与阴极室2之间通过带小孔的挡板13连通，挡板13上的小孔中无质子交换膜阻隔阳极液与阴极液，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室1和阴极室2外壳侧壁分别开有进水口7和出水口8，用于输入和排出有机污水，使得电池装置可以连续运行。装置密封盖在阴极室上方开有小孔，使得阴极室与外界空气连通，促进阴极反应。阳极室侧壁和底部基底材料皆为绝缘材料，底层设有导线接口，连接阳极电极和外电路。阳极和阴极电极皆为碳刷，构建材料阳极，电极浸没于流水中。所有阳极室外接导线连接为一体，与阴极室外接导线构成串联外接电路。预处理水流通过进水口连续流入阳极室，进而流经所有极室，下推挡板阻断所有阳极室间或者阴极室间通道，使得各极室内相关反应得以自我催化进行。一段时间后上拉挡板，使得污水得以连续流通，各极室基底得以更新。连通阳极室与阴极室的带小孔的挡板也随着上述阶段下推或上拉，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道中的水流为载体迁移至阳极室，并通过上拉挡板使得质子涌进阴极室，使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在处理污水的同时产生电能。

[0030] [第四实施方式]

[0031]  本实施方式的微生物燃料电池装置外壳的一个例子的俯视图如图4所示，对于与第一实施方式相同的构成标注相同的符号，并将重复的说明予以省略。

[0032] 阳极室1或阴极室2皆为大小相等的正五边形棱柱相间排布，阳极室数目等于阴极室数目。阳极室间或阴极室间通过带滤网的流道连通，各流道旁设有挡板13，各挡板13可上下活动，阳极室间流道4与阴极室间流道5上下错开设置，其中多组阳极室1与阴极室2之间通过带小孔的挡板13连通，各挡板13可上下活动，挡板上的小孔中通过安装质子交换膜阻隔阳极液与阴极液，与之相对的一组处于装置最外侧相邻的阳极室和阴极室外壳侧壁分别开有进水口7和出水口8，用于输入和排出有机污水，使得电池装置可以连续运行。阳极室侧壁材料为绝缘材料，底部基底材料上层为导电材料，下层为绝缘材料，导线接口贯穿底部上下层，连接阳极电极和外电路。阳极为活性炭颗粒构建材料阳极，，电极浸没于流水中，阴极电极为生物阴极，可以产生氧气，促进所在阴极室反应，实现自给自足。预处理水流通过进水口连续流入阳极室，进而流经所有阳极室，水中有机物在微生物催化作用下产生电子和质子，质子以阳极室间流道中的水流为载体迁移至阳极室，再通过质子交换膜涌进阴极室，使得阳极室组与阴极室组在装置内部电性连通，电子通过阳极室底部外接线路通道流经负载到达阴极，并使燃料电池装置在处理污水的同时产生电能。本发明可以将相邻阴阳极外接导线连接构成单一电池组，并可以将多个单一电池组进行自由串并联，以达到不同输出效果。

[0033] 本发明结构简单，可以根据实际需求进行无限扩充，阴极和阳极材料及其安装形式可以根据要求进行变换，各阴阳极室间外电路的任意连通可以利用流道挡板得以实现，使污水得以净化，同时产电。

[0034] 最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。