一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池的製作方法

2023-05-10 03:44:22 2

本發明涉及微生物燃料電池，具體涉及一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池。

背景技術：

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置，具有燃料來源廣泛、反應條件溫和、生物相容性好、在產生電能的同時進行廢水處理獨特優勢，成為全球可再生能源研究者關注的熱點。影響MFC性能的因素有很多，包括微生物種類、底物、陰極催化劑、陰極電子受體、過程參數優化、電極材料、反應器結構等。研究者正對以上因素開展了大量的實驗研究。其中,以空氣中的氧氣作為陰極電子受體的空氣陰極微生物燃料電池是目前極具規模化應用潛質的一種。國內外學者對於空氣陰極催化劑的優化和材料的優選等方向都展開了深入而廣泛的探究。通過大量的實驗研究,空氣陰極的性能及成本控制都有較大的提升。

然而，目前大部分空氣陰極研究均採用自呼吸式空氣陰極結構，陰極結構為二維平面結構。同時，部分空氣陰極採用了昂貴的金屬催化劑，這對於未來實際應用並不現實。因此，研究學者構造了鼓泡式空氣陰極，陰極採用活性炭顆粒堆積床。這大大提高了陰極電極的比表面積，從而來提升MFC的電池性能。然而，這種顆粒堆積床流動阻力較大，並不利於空氣氣泡的向上運動，會造成空氣泡的堆積，反而降低了反應的有效面積。此外，活性炭顆粒的導電性並不好，會導致電池的內阻較大。

因此，十分有必要尋找一種低成本、導電性好、氣泡流動阻力小等特點的鼓泡空氣陰極結構，以滿足MFC未來實際應用需求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池。

為了解決上述技術問題，根據本發明的技術方案，一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池，包括陽極電極和陰極電極，其特徵在於：陽極電極由若干個垂直排列的碳刷構成，陰極電極由若干個垂直排列的竹炭管構成；陽極電極設置在電池的下部，陰極電極設置在電池的上部，陽極電極和陰極電極之間設置有鼓泡篩，該鼓泡篩通過管路與外部空氣泵連接；在電池的底部設置有陽極液進出口，電池的頂部設置有氣泡出口。

本發明採用碳化後的竹炭管具有多孔的特性，大大的增加了電極與電解液的接觸面積，促進陰極的反應；竹管來源廣泛，價格低廉。碳化工藝成熟、簡單；竹炭管束的垂直布置有利於氣泡在竹炭管內和竹炭管外的向上運動，避免了空氣泡的聚集；並且經過高溫碳化後的竹炭管導電性較佳，降低了電池的內阻；鼓泡增加了擾動，強化了電解液與電極之間的物質傳輸。空氣陰極的採用，在實際應用中不會造成汙染，且空氣方便易得，是一種很理想的電子受體。

本發明所述的一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池的有益效果是：本發明採用竹炭管作為電池陰極，碳刷作為電池陽極，利用空氣泵鼓入空氣，不僅利用了竹炭的優良導電性能和多孔特性，空氣泵鼓入空氣還加快了反應器內物質的傳輸效率，提高了電池的性能；本發明具有成本低、導電性好、氣泡流動阻力小，無汙染等特點，可廣泛應用在能源、化工、環保等領域。

附圖說明

圖1是本發明所述的竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池的結構示意圖。

圖2是碳化後的竹炭管軸向剖面SEM圖。。

圖3是碳化後的竹炭管徑向斷面SEM圖。

圖4是電池的性能比較圖。

具體實施方式

參見圖1，一種竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池，包括陽極電極和陰極電極，其中，陽極電極由若干個垂直排列的碳刷1構成，所有碳刷通過第一鈦絲10相連接；陰極電極由若干個垂直排列的竹炭管2構成，所有竹炭管2的外壁均纏繞第二鈦絲11，並通過第二鈦絲11相連接；陽極電極設置在電池的下部，陰極電極設置在電池的上部，陽極電極和陰極電極之間設置有鼓泡篩4，該鼓泡篩4通過管路5與外部空氣泵6連接，以導入空氣；在電池的底部設置有陽極液進出口7，與外部液體泵9連接，以注入陽極液；電池的頂部設置有氣泡出口8。

本發明陽極液從電池下方陽極液進出口7注入，流經陽極電極；陽極電極上方的鼓泡篩4由外部空氣泵6鼓入空氣，之後空氣通過鼓泡的方式被均勻鼓出形成氣泡3並上升，與鼓泡篩4上方的竹炭管2充分接觸發生反應。鼓泡的方式增加物質的傳輸能力，以此來提高微生物燃料電池的性能。

由圖2和圖3可知，碳化後的竹炭管在沿著軸向分布著很多大孔，而在徑向斷面上也分布著不同大小的孔。可見，碳化後的竹炭管無論在軸向還是徑向都分布著發達的孔隙，這不但有利於物質傳輸，而且較大的比表面積有利於反應的發生。

參見圖4，圖4比較了在有、無緩衝液運行條件下，竹炭管束式鼓泡空氣陰極結構的微生物燃料電池的性能。可知，同一個電池，在有緩衝液和無緩衝液條件下，電池的最大功率分別為1.50mW和1.28mW。