阅读说明：本技术 一种单室圆柱型空气阴极mfc (Single-chamber cylindrical air cathode MFC ) 是由 马兆昆 张曼 于 2018-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种新型单室圆柱型空气阴极MFC的构建方法,属于微生物燃料电池反应器设计领域。该电池反应器包括：上下两块圆形板子(其中顶部的板子开有三个圆孔分别用作注水口、放置阳极和放置阴极导体)和四个柱子作为支撑而焊接成的壳体；硅胶板；盖板；螺丝；橡胶塞。本发明圆柱型MFC采用空气阴极,圆柱MFC的中心放置酸处理的碳纤维作为阳极,阴极片包裹住圆柱MFC壳体的整个侧面,并用镂空的硅胶垫和不锈钢盖板固定住,接头处使用螺丝固定,以达到反应器不漏水的目的。阳极碳刷侧面各点到阴极片的距离相等,不但增大了阴极面积,而且将碳刷的优势充分地发挥出来。使用本构型,其微生物燃料电池的最大功率密度最低为1128 mW/m<Sup>2</Sup>。本发明所设计的圆柱型MFC具有较低的电池内阻,可以提高MFC的功率输出,有利于MFC的规模化。(The invention relates to a construction method of a novel single-chamber cylindrical air cathode MFC, and belongs to the field of microbial fuel cell reactor design. The battery reactor includes: the shell is formed by welding an upper circular plate and a lower circular plate (wherein the plate at the top is provided with three circular holes which are respectively used as a water injection port, an anode and a cathode conductor) and four pillars which are used as supports; a silica gel plate; a cover plate; a screw; and a rubber plug. The cylindrical MFC adopts an air cathode, the center of the cylindrical MFC is provided with the carbon fiber subjected to acid treatment as an anode, the cathode piece wraps the whole side face of the cylindrical MFC shell and is fixed by a hollowed silica gel pad and a stainless steel cover plate, and a joint is fixed by a screw so as to achieve the aim of no water leakage of the reactor. The distances from all points on the side surface of the anode carbon brush to the cathode sheet are equal, so that the area of the cathode is increased, and the advantages of the carbon brush are fully exerted. With the configuration, the maximum power density of the microbial fuel cell is 1128 mW/m at the lowest 2 . Book (I)The cylindrical MFC designed by the invention has lower internal resistance of the battery, can improve the power output of the MFC, and is beneficial to the scale production of the MFC.)

一种单室圆柱型空气阴极MFC

技术领域

本发明公开了一种新型单室圆柱型空气阴极MFC，尤其是使用铜绿假单胞菌作为产电菌，可以实现较高的功率输出。本发明圆柱型MFC采用空气阴极，圆柱电池的中心放置酸处理的碳纤维作为阳极，阴极片包裹在圆柱的整个侧面，阳极碳刷侧面各点到阴极片的直线距离皆相等，不但增大了阴极面积，而且将碳刷的优势充分地发挥出来，属于微生物燃料电池反应器构型设计领域。

背景技术

众所周知，自从第三次科技革命以来，能源已经成为国民经济的命脉，而地球上的能源是有限的。为了解决全球能源危机和环境污染问题，人类不断探索和开发新型替代能源，并试图将其大规模化。微生物燃料电池(MFC)是一种污水处理技术，它可以同时处理废水和产生电能，而单室空气阴极MFC通常被认为是一种很有前途的阴极配置。该技术可用于水处理、生物传感技术、环境污染控制等方面。2005年，logan团队宣布开发出了一种高效的微生物燃料电池，用于驱动小型电风扇。随后，微生物燃料电池迅速引起了公众的关注。这种新型技术对资源的可持续发展具有重要的现实意义。目前，低产量的能量输出是MFC实际应用的关键瓶颈。

MFC的性能主要受电极材料、微生物种类以及不同MFC构型等因素的影响。理想的阳极材料应具有高导电性、无腐蚀性、高比表面积、高孔隙度和生物相容性，以促进微生物定植或电子转移。目前，各种碳基材料被广泛用于MFC的阳极，包括碳纸、碳布、碳纤维等。使用碳纤维刷作为电极可以获得最大的比表面积和孔隙度。

此外，电池内阻是影响MFC性能的关键因素之一。为了降低MFC的内阻，研究者们采用了不同的电池配置，如：板型、U型、逆流型、H型和管状。标准立方型MFC是一种被广泛应用的MFC反应器，需要将阳极置于阴极一侧。如果使用碳刷作为MFC的阳极，不能充分发挥它的作用，内部阻力较大。因而，需要设计一款圆柱型MFC，使碳纤维刷的优势充分发挥出来，进而提高MFC的电能输出。

发明内容

本发明的目的在于设计一款新型圆柱型MFC，充分发挥出碳刷阳极的优势，提高MFC的功率输出。本发明所设计的圆柱型MFC，它具有圆柱状的侧壁空气阴极。设计原理是扩大阴极面积，减少阳极和阴极之间的距离。在圆柱型MFC中，阳极垂直地放置在MFC的中心位置，用阴极片将整个电池的侧面包裹住，使阳极碳刷与阴极碳布之间的距离都相等。更重要的是，我们设计的圆柱型MFC容易构建和拆卸，不需要额外的电源输入。

本发明公开了一种新型单室圆柱型空气阴极MFC，该电池反应器包括：上下两块圆形板子(其中顶部的板子开有三个圆孔分别用作注水口、放置阳极和放置阴极导体)和四个柱子作为支撑而焊接成的壳体；硅胶板；盖板；螺丝；橡胶塞。本发明圆柱型MFC采用空气阴极，圆柱MFC的中心放置酸处理的沥青碳纤维作为阳极，阴极片包裹住圆柱MFC壳体的整个侧面，并用镂空的硅胶垫和盖板固定住，接头处使用螺丝固定，以达到反应器不漏水的目的。阳极碳刷侧面各点到阴极片的距离相等，不但增大了阴极面积，而且将碳刷的优势充分地发挥出来。本发明所设计的MFC具有较低的电池内阻，可以提高MFC的功率输出。

本发明方法与现有的MFC反应器相比，具有以下有益效果：

(1)本发明圆柱型MFC反应器通过改变构型而巧妙地扩大了阴极面积，从而增加了阴极与周围氧气的接触。

(2)本发明将碳纤维刷的优势充分发挥出来，使阳极碳刷***到阴极距离皆相等，降低电池内阻，提高产电能力。

(3)本发明若采用铜绿假单胞菌作为产电菌，可以将两者的优势结合起来，进一步提高MFC的功率输出。目前，铜绿假单胞菌的产电性能较低。由于圆柱MFC阴极面积扩大，溶解氧含量增加，厌氧菌需要厌氧的氛围，铜绿假单胞菌是一种兼性厌氧菌，耐氧性好。这样可以充分发挥出圆柱MFC的优势。另外，铜绿假单胞菌除了可以进行直接电子转移，还可以产生氧化还原性介质进行胞外传递电子，如吩嗪化合物。

附图说明

图1为新型单室圆柱型空气阴极MFC的外观图和示意图。

图2为实施例1和实施例2使用本发明圆柱MFC所得的输出电压随时间变化曲线。

图3为实施例1和实施例2所得的功率密度曲线。

图4为实施例1和实施例2所得的极化曲线。

图5为实施例1和实施例2所测得的阴阳极电极电势曲线。

图6为实施例1和实施例2所测得的溶解氧含量。

图7为实施例1和实施例2所测得的电池内阻及内阻分配。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

1)阳极碳纤维刷的制备：称取0.5 g酸处理碳纤维(直径2.5 cm，长2.5 cm，重0.5 mg)，用钛丝将其做成碳刷状；

2)阴极片的制备：称取一定质量的Fe-N/CB催化剂，加入异丙醇、去离子水和nafion超声10分钟，涂在带有扩散层的碳布的催化层，并在空气中放置24小时。其中Fe-N/CB催化剂的浓度为3 mg/cm²；

3)电池组装：圆柱MFC的有效高度(壳体上下两块圆形板子的内侧距离)为30 mm，圆柱MFC的有效直径(圆柱MFC腔体的直径)为45 mm，阴阳极距离为10 mm，阴极面积为42.4 cm²，有效体积为48 mL。将步骤1)得到的碳刷放在圆柱电池的正中央，然后用步骤2)制备好的阴极片包裹住电池的壳体，外接电阻为1000 Ω；

4)接种：步骤3)组装好的电池注水口注入污水(混合厌氧菌)以及配制好的营养液。污水和营养液的体积比为1:1，命名为AMB-Cylindrical-MFC；

5)对步骤4)组装好的圆柱MFC进行电化学性能测试。

由图2和图3可以看出，实施例1应用新型单室圆柱型空气阴极MFC时，得到的最大输出电压为625±5 mV，最大功率密度为1426 mW/m²；AMB-Cubic-MFC得到的最大输出电压为554±7 mV，在电流密度2736 mA/m²时，有最大输出功率密度936±26 mW/m²。将图4中的电池极化曲线经线性拟合后得到的斜率(即电池内阻)汇总如表1所示，AMB-Cylindrical-MFC的电池内阻和欧姆内阻分别为49.7±1.5 Ω和28.4±0.9 Ω，AMB-Cubic-MFC电池内阻和欧姆内阻分别为127.2±3.0 Ω和61.4±0.1 Ω。当使用厌氧混合菌作为产电菌时，电池构型由立方型MFC改为圆柱型MFC后，电池内阻(主要是非欧姆内阻)明显降低，最大功率密度随之增加。显然，它们的性能主要受MFC构型的影响，因为此时它们的微生物种类、电解质、电极材料甚至阴极催化剂的浓度都是相同的。这表明圆柱型MFC具有较低的电池内阻和较高的能量输出。

然而，在接种厌氧混合细菌时，圆柱型MFC构型存在着缺陷。如图3所示，圆柱型MFC的功率密度曲线出现了回折，可能导致所测得的功率输出比实际的要低。从图5可知，功率密度迅速下降的原因主要是由阳极引起的。图6可知，AMB-Cubic-MFC和AMB-Cylindrical-MFC的溶解氧含量分别为3.07±0.36 mg/L和6.19±0.13 mg/L。阴极由于要发生氧还原反应，因而需要较高的氧含量。而阳极厌氧产电菌是厌氧的，较高的氧含量会影响产电菌的活性。圆柱型MFC由于阴极面积的增大，溶解氧含量增加了两倍左右，因而抑制了阳极细菌的活性，尽管电池内阻降低了61 %，功率输出却未显著提升。

实施例2

操作方法同实施例1，不同之处在于阳极产电菌变为铜绿假单胞菌。命名为PA-Cylindrical-MFC。

由图2和图3可以看出，实施例2应用新型单室圆柱型空气阴极MFC，最大输出电压为638±9 mV，电池内阻为34.0±1.1 Ω。在电流密度8.81 A/m²时，有最大输出功率密度3322±38 mW/m²，功率密度回折现象也得到改善。图6可知溶解氧含量为6.19±0.13 mg/L

与实施案例1相比，溶解氧含量几乎相等。需要注意的是，AMB-Cylindrical-MFC和PA-Cylindrical-MFC两种电池，除了阳极接种菌不同，其他所有条件都相同。接种铜绿假单胞菌后，圆柱型MFC的电池内阻(主要是非欧姆内阻)降低的原因可能是铜绿假单胞菌除了可以直接进行电子转移，还可以产生氧化还原性介质进行胞外电子转移，如吩嗪化合物。

由于圆柱MFC阴极面积扩大，溶解氧含量增加，厌氧菌需要厌氧的氛围，而铜绿假单胞菌是一种兼性厌氧菌，耐氧性好。这样可以充分发挥出圆柱MFC的优势。

实施例3

操作方法同实施例1，不同之处在于圆柱MFC腔体直径为65 mm，阴阳极距离为20 mm，阴极有效面积为61.2 cm²，MFC有效体积为100 mL。

实施例3应用新型单室圆柱型空气阴极MFC时，最大输出电压为610±21 mV，电池内阻和欧姆内阻分别为68.0±0.8 Ω和39.2±0.2 Ω。在电流密度2613 mA/m²时，有最大输出功率密度1128±12 mW/m²。

与实施例1相比，增加阴阳极距离，传质阻力较大，欧姆内阻较高，产电密度较低。因而，设计MFC反应器时，阴阳极距离需要最优化，找到最佳的阴阳极距离，降低欧姆内阻。

实施例4

操作方法同实施例1，不同之处在于阳极碳刷的高度为50 mm，质量为1.0 g，圆柱MFC的有效高度为55 mm，阴极有效面积为77.7 cm²，MFC有效体积为87 mL。

实施例4应用新型单室圆柱型空气阴极MFC时，最大输出电压为620±9 mV，电池内阻为63.0±0.8 Ω。在电流密度2098 mA/m²时，有最大输出功率密度1398±12 mW/m²。

与实施例1相比，将圆柱MFC的高度增加(规模扩大化)后，电池内阻增加，产电能力没有进一步提高。这也是目前限制MFC工业化的主要原因。

实施例5

操作方法同实施例1，不同之处在于圆柱MFC的空气阴极由碳布空气阴极改为铜网和碳材料制成的空气阴极。

实施例5应用新型单室圆柱型空气阴极MFC时，最大输出电压为601±8 mV，电池内阻为52.0±1.4 Ω。在电流密度2613 mA/m²时，有最大输出功率密度1401±22 mW/m²。

与实施例1相比，空气阴极的种类改变后，电池内阻和产电能力差不多。

以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。