CN102610843A - 一种微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物燃料电池，包括电池容器、阳极液和阴极液；电池容器包括阳极室、阴极室、质子交换膜、紧固装置、第一橡胶垫和第二橡胶垫；阳极室包括第一顶板、第一底板和呈弧面的第一室壁；第一橡胶垫沿着阳极室的开口固定在阳极室的侧壁上；阴极室包括第二顶板、第二底板和呈弧面的第二室壁；第二橡胶垫沿着阴极室的开口固定于阴极室的侧壁上；质子交换膜嵌于第一橡胶垫和第二橡胶垫之间；紧固装置连接阳极室和阴极室；阳极液位于电池容器的阳极室中，阳极导线的一端连接阳极碳布电极；阴极液位于电池容器的阴极室中，阴极导线的一端连接阴极碳布电极。该微生物燃料电池清洗便利，并且产生的电压高。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池，具体来说，涉及一种微生物燃料电池。
背景技术
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传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。用于盛放微生物燃料的容器通常采用双室型，即微生物燃料电池容器包括阳极室和阴极室。例如“H”形的微生物燃料电池容器，在阳极室和阴极室之间设置一个通道，该通道分别连接阳极室和阴极室，同时，该通道中设置有半透膜。阳极室和阴极室均为长方体构型，所以阳极室和阴极室中有多处直角，不方便实验后清洗。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种微生物燃料电池，盛放微生物燃料的电池容器结构牢靠，清洗便利。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种微生物燃料电池，包括电池容器、阳极液和阴极液；其中，所述的电池容器包括阳极室、阴极室、质子交换膜、紧固装置、呈框形的第一橡胶垫和呈框形的第二橡胶垫；阳极室包括设有第一注入孔的第一顶板、第一底板和呈弧面的第一室壁；第一注入孔上设有第一封盖，第一顶板和第一底板相互平行，第一室壁固定连接在第一顶板和第一底板之间，阳极室的一侧为开口，第一橡胶垫沿着阳极室的开口固定在阳极室的侧壁上；阴极室包括设有第二注入孔的第二顶板、第二底板和呈弧面的第二室壁；第二注入孔上设有第二封盖，第二顶板和第二底板相互平行，第二室壁固定连接在第二顶板和第二底板之间，阴极室的一侧为开口，第二橡胶垫沿着阴极室的开口固定于阴极室的侧壁上；质子交换膜嵌至于第一橡胶垫和第二橡胶垫之间；紧固装置连接阳极室和阴极室，使第一橡胶垫和第二橡胶垫相贴合；所述的阳极液位于电池容器的阳极室中，阳极导线穿过第一封盖，阳极导线的一端连接阳极碳布电极，阳极碳布电极位于阳极液中，阳极导线的另一端位于第一封盖外侧；所述的阴极液位于电池容器的阴极室中，阴极导线穿过第二封盖，阴极导线的一端连接阴极碳布电极，阴极碳布电极位于阴极液中，阴极导线的另一端位于第二封盖外侧。
进一步，所述的阳极液由葡萄糖蛋白胨培养基溶液和菌液组成，且阳极液的pH值在7.0至7.2之间；阴极液为铁氰化钾溶液，阳极液和阴极液的体积比为1∶1。
进一步，所述的葡萄糖蛋白胨培养基溶液由质量比为5∶5∶2∶1000的蛋白胨、葡萄糖、磷酸氢二钾和去离子水组成，，菌液由希瓦氏腐生菌和DH5α大肠杆菌组成，铁氰化钾溶液由质量比为16.45∶8.7∶1000的铁氰化钾、磷酸氢二钾和去离子水组成。
进一步，所述的希瓦氏腐生菌的体积量大于DH5α大肠杆菌的体积量。
进一步，所述的第一注入孔的孔壁伸出第一顶板，且第一注入孔的孔壁设有外螺纹，第一封盖设有与第一注入孔的外螺纹相配合的内螺纹；所述的第二注入孔的孔壁伸出第二顶板，且第二注入孔的孔壁设有外螺纹，第二封盖设有与第二注入孔的外螺纹相配合的内螺纹。
进一步，所述的第一注入孔的半径1厘米至1.05厘米之间；所述的第二注入孔的半径1厘米至1.05厘米之间。
进一步，所述的紧固装置包括设置在第一顶板上表面的第一立柱，设置在第一底板下表面的第二立柱，设置在第二顶板上表面的第三立柱，设置在第二底板下表面的第四立柱，第一立柱和第三立柱通过上螺栓固定连接，第二立柱和第四立柱通过下螺栓固定连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.清洗便利。现有技术中，阳极室和阴极室中有多处直角，不方便实验后清洗。而本发明的电池在使用完毕需要清洗时，首先卸载紧固装置，从而使得第一橡胶垫和第二橡胶垫相分离，也即阳极室和阴极室分离。因为阳极室的第一室壁和阴极室的第二室壁均呈弧面，所以电池容器的阳极室和阴极室中没有直角。这样便于清洗阳极室和阴极室，且清洗更干净。
2.该电池产生的电压高。本发明提供的阳极液中含有DH5α大肠杆菌。DH5α大肠杆菌和希瓦氏腐生菌混合组成菌液，可以提高微生物燃料电池的电压。在同样条件下，达到电池产电稳定期后，按体积比1：1加入DH5α大肠杆菌和希瓦氏腐生菌的电池产生的电压要高于只加希瓦氏菌的电池产生的电压。
3.不要求无菌环境，制备成本低廉。本发明提供的阳极液中含有DH5α大肠杆菌。整个微生物染料电池的装配不需要一定是在无菌环境中进行。这样，制备微生物染料电池的成本就大大降低。只需要菌液中希瓦氏腐生菌的体积大于DH5α大肠杆菌的体积，即以希瓦氏腐生菌为阳极液里的优势菌，那么以DH5α大肠杆菌为例的非产电杂菌的少量混入，不仅不会造成电池电压降低，反而可以提高电池的电压。
4.封口装置的成本低廉且可以重复使用。现有技术中，微生物燃料电池的阴阳两极都是使用封口膜进行密封。但是封口膜有着密封性不牢靠，受溶液浸泡后易脱落，且价格高，不能重复利用。而本发明采用第一封盖与第一注入孔连接，第二封盖与第二注入孔连接。通过在第一封盖、第一注入孔、第二封盖和第二注入孔上设置螺纹，第一封盖可以非常容易安装在第一注入孔上，或者从第一注入孔上拆卸下来；第二封盖可以非常容易安装在第二注入孔上，或者从第二注入孔上拆卸下来。由第一封盖和第二封盖组成的封口装置可以重复使用，且成本低廉。
5.注入阳极液和阴极液方便，且密封性佳。现有技术中，注入阳极液和阴极液的开口非常小，虽然可以减少阳极液和阴极液泄漏，但是给注入阳极液和阴极液带来了很大麻烦。本发明中的第一注入孔的半径和第二注入孔的半径均1厘米至1.05厘米之间，且设置第一封盖与第一注入孔连接，设置第二封盖与第二注入孔连接。这样，既便于注入阳极液和阴极液，又可以提高密封性，防止阳极液和阴极液泄漏。
6.结构牢靠。本发明的微生物燃料电池，还包括紧固装置，该紧固装置位于阳极室和阴极室之间。通过设置紧固装置，可以加强阳极室、阴极室和橡胶垫之间连接的牢靠性，避免微生物燃料从阳极室和橡胶垫之间，或者从阴极室和橡胶垫之间泄漏。
7. 拆卸方便。本发明提供的电池，阳极室和阴极室通过紧固装置实现连接和拆卸，十分方便。紧固装置采用可拆卸的结构。例如，一种紧固装置结构包括设置在第一顶板上表面的第一立柱，设置在第一底板下表面的第二立柱，设置在第二顶板上表面的第三立柱，设置在第二底板下表面的第四立柱，第一立柱和第三立柱通过上螺栓固定连接，第二立柱和第四立柱通过下螺栓固定连接。通过安装与拆卸上螺栓和下螺栓，可以实现阳极室和阴极室之间的连接和分离。
附图说明
图1是本发明的纵向剖视图。
图2至图1的A-A剖视图。
图中有：阳极室1、第一注入孔101、第一顶板102、第一底板103、第一室壁104、第一封盖105、阴极室2、第二注入孔201、第二顶板202、第二底板203、第二室壁204、第二封盖205、质子交换膜3、第一橡胶垫4、第一立柱5、第二立柱6、第三立柱7、第四立柱8、上螺栓9、下螺栓10、第二橡胶垫11、阳极液12、阴极液13、阳极导线14、阳极碳布电极15、阴极导线16、阴极碳布电极17。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种微生物燃料电池，包括电池容器、阳极液12和阴极液13。电池容器包括阳极室1、阴极室2、质子交换膜3、紧固装置、第一橡胶垫4和第二橡胶垫11。第一橡胶垫4和第二橡胶垫11均呈框形。阳极室1包括第一顶板102、第一底板103和第一室壁104。第一顶板102上设有第一注入孔101。第一注入孔101连通第一顶板102的上部空间和第一顶板102的下部空间。第一注入孔101上设有第一封盖105。第一封盖105可以封住第一注入孔101。第一室壁104呈弧面。第一顶板102和第一底板103相互平行，第一室壁104固定连接在第一顶板102和第一底板103之间。阳极室1的一侧为开口。第一橡胶垫4沿着阳极室1的开口固定在阳极室1的侧壁上。阴极室2包括第二顶板202、第二底板203和第二室壁204。第二顶板202上设有第二注入孔201。第二注入孔201连通第二顶板202的上部空间和第二顶板202的下部空间。第二注入孔201上设有第二封盖205，第二封盖205可以封住第二注入孔201。第二室壁204呈弧面。第二顶板202和第二底板203相互平行，第二室壁204固定连接在第二顶板202和第二底板203之间。阴极室2的一侧为开口。第二橡胶垫11沿着阴极室2的开口固定于阴极室2的侧壁上。阳极室1的开口和阴极室2的开口相对。质子交换膜3嵌至于第一橡胶垫4和第二橡胶垫11之间。紧固装置连接阳极室1和阴极室2，使第一橡胶垫4和第二橡胶垫11相贴合。这样，阳极室1和阴极室2之间只隔着一层质子交换膜3。阳极液12位于电池容器的阳极室1中，阳极导线14穿过第一封盖105，阳极导线14的一端连接阳极碳布电极15，阳极碳布电极15位于阳极液12中，阳极导线14的另一端位于第一封盖105外侧。阴极液13位于电池容器的阴极室2中，阴极导线16穿过第二封盖205，阴极导线16的一端连接阴极碳布电极17，阴极碳布电极17位于阴极液13中，阴极导线16的另一端位于第二封盖205外侧。
组装该结构的微生物燃料电池时，首先安装电池容器：先将阳极室1、阴极室2和质子交换膜3用蒸馏水冲洗干净，再将阳极室1、阴极室2和质子交换膜3分别浸泡在3%的双氧水中30分钟，然后将质子交换膜3夹在第一橡胶垫4和第二橡胶垫11之间，接着用上螺栓9紧固位于第一顶板102上的第一立柱5和第三立柱7，用下螺栓10紧固位于第一底板103下的第二立柱6和第四立柱8。组装完成后，继续在操作台上通过第一注入孔101往阳极室1内灌装阳极液12，通过第二注入孔201往阴极室2内灌装阴极液13。灌装完溶液后，用第一封盖105盖好第一注入孔101，第二封盖205盖好第二注入孔201。
本发明提供的电池，阳极室和阴极室通过紧固装置实现连接和拆卸，十分方便。紧固装置采用可拆卸的结构。当拆卸紧固装置后，阳极室1和阴极室2分离。由于第一室壁104和第二室壁204均呈弧面，没有棱角，便于清洗干净电池容器。
进一步，所述的阳极液12由葡萄糖蛋白胨培养基溶液和菌液组成，且阳极液的pH值在7.0至7.2之间。阴极液13为铁氰化钾溶液，阳极液和阴极液的体积比为1∶1。葡萄糖蛋白胨培养基溶液由质量比为5∶5∶2∶1000的蛋白胨、葡萄糖、磷酸氢二钾和去离子水组成，菌液由希瓦氏腐生菌和DH5α大肠杆菌组成，铁氰化钾溶液由质量比为16.45∶8.7∶1000的铁氰化钾、磷酸氢二钾和去离子水组成。希瓦氏腐生菌的体积量大于DH5α大肠杆菌的体积量。
对微生物燃料进行电压测试，将阳极导线14位于第一封盖105外侧的一端连接电压采集器的阳极端口，阴极导线16位于第二封盖205外侧的一端连接电压采集器的阴极端口。被测试的微生物燃料中：葡萄糖蛋白胨培养基溶液由质量为5g的蛋白胨、5 g的葡萄糖、2 g的磷酸氢二钾和1000 g的去离子水混合组成，葡萄糖蛋白胨培养基溶液的PH值为7.1；铁氰化钾溶液由质量为16.45g的铁氰化钾、8.7 g的磷酸氢二钾和1000 g的去离子水混合组成；菌液加入葡萄糖蛋白胨培养基溶液中。通过南京汇驰信息技术有限公司的UDP数据器服务软件，采集电压采集器的电压值，每秒钟采集一次电压值，持续采集3天，试验结果如表1和表2所示。
表1是在不同时间段采集的微生物燃料电池的电压值。在表1中，时间表示采集电压的时间点，单位：小时。S电压表示当菌液为希瓦氏腐生菌时，向葡萄糖蛋白胨培养基溶液中加入 300微升的希瓦氏腐生菌，UDP数据器服务软件所采集的电池电压值，单位：毫伏。混电压表示菌液由希瓦氏腐生菌和DH5α大肠杆菌混合组成时，向葡萄糖蛋白胨培养基溶液中加入150微升的希瓦氏腐生菌和150微升的DH5α大肠杆菌时，UDP数据器服务软件所采集的电池电压值，单位：毫伏。
表2是希瓦氏腐生菌与DH5α大肠杆菌的各种不同体积比，不同时间段采集的电压值。在表2中，体积比表示菌液中希瓦氏腐生菌与DH5α大肠杆菌的体积比，希瓦氏腐生菌与DH5α大肠杆菌的体积总容量是300微升。时间表示采集电压时的时间点，单位：小时。例如第二行第二列的数字661.38，表示体积比为1∶9的希瓦氏腐生菌和DH5α大肠杆菌组成的菌液，即希瓦氏腐生菌的体积是30微升，DH5α大肠杆菌的体积是270微升，在第6小时时采集的电压是661.38毫伏。
表1
表2
从表1中可以看出，本发明提供的微生物燃料电池产生的电压高。本发明提供的阳极液中含有由DH5α大肠杆菌和希瓦氏腐生菌混合组成的菌液，可以提高微生物染料电池的电压。在产电8小时后，电池进入稳定期。阳极液接入由DH5α大肠杆菌和希瓦氏腐生菌组成的菌液时，电池产生的电压比阳极液只接入希瓦氏腐生菌的电池产生的电压要高大约100毫伏，并且在稳定期一直持续。例如，在第16小时采集的电压，S电压为666.86毫伏，混电压为779.14毫伏，混电压比S电压112.28毫伏。
从表2中可以看出，本发明提供的阳极液中含有以DH5α大肠杆菌为代表的非产电菌，并且当菌液中的希瓦氏腐生菌的体积大于DH5α大肠杆菌的体积，即希瓦氏腐生菌为优势菌的时候，电池的产电电压没有明显变化，说明少量非产电菌的混入不会对电池电压有明显影响。而整个微生物染料电池的装配不需要一定是在无菌环境中进行。这样，制备微生物染料电池的成本就大大降低。
进一步，所述的第一室壁104和第二室壁204沿质子交换膜3相互对称。这样，该电池容器结构对称，便于控制和观察微生物燃料的容量。尤其，所述的第一室壁104的横截面和第二室壁204的横截面均呈半圆形。
进一步，为便于安装和拆卸，第一注入孔101的孔壁伸出第一顶板102，且第一注入孔101的孔壁设有外螺纹，第一封盖设有与第一注入孔101的外螺纹相配合的内螺纹；第二注入孔201的孔壁伸出第二顶板202，且第二注入孔201的孔壁设有外螺纹，第二封盖设有与第二注入孔201的外螺纹相配合的内螺纹。这样，通过第一封盖的内螺纹与第一注入孔101的外螺纹之间的配合，可以实现第一封盖安装在第一注入孔101上，或者从第一注入孔101拆卸下来。同样，对于第二封盖和第二注入孔201亦是如此。
进一步，为提高向电池容器中添加微生物燃料的效率，所述的第一注入孔101的半径1厘米至1.05厘米之间；所述的第二注入孔201的半径1厘米至1.05厘米之间。通过增加第一注入孔101的半径和第二注入孔201的半径，可以提高添加微生物燃料的效率。
进一步，紧固装置的结构可以是多种，本发明优选下面三种结构：
第一种结构：所述的紧固装置包括设置在第一顶板102上表面的第一立柱5，设置在第一底板103下表面的第二立柱6，设置在第二顶板202上表面的第三立柱7，设置在第二底板203下表面的第四立柱8，第一立柱5和第三立柱7通过上螺栓9固定连接，第二立柱6和第四立柱8通过下螺栓10固定连接。
这样，上螺栓9、第一立柱5和第三立柱7之间的连接，提高了第一顶板102和第二顶板202连接的紧密性。下螺栓10、第二立柱6和第四立柱8之间的连接，提高了第一底板103和第二底板203连接的紧密性。
第二种结构：与第一种结构相同，不同的是：所述的第一立柱5、第二立柱6、第三立柱7和第四立柱8分别为两根。通过分别设置两根第一立柱5、第二立柱6、第三立柱7和第四立柱8，可以进一步提高阳极室1、阴极室2和橡胶垫4之间连接的牢靠性。
第三种结构：紧固装置为圆环，该圆环固定在第一室壁104和第二室壁204的外侧。圆环对第一室壁104和第二室壁204施加压力，是第一室壁104和第二室壁204之间保持相对的压力，从而提高阳极室1、阴极室2和橡胶垫4之间连接的牢靠性。
Claims (10)
1.一种微生物燃料电池，其特征在于，包括电池容器、阳极液（12）和阴极液（13）；其中，
所述的电池容器包括阳极室（1）、阴极室（2）、质子交换膜（3）、紧固装置、呈框形的第一橡胶垫（4）和呈框形的第二橡胶垫（11）；阳极室（1）包括设有第一注入孔（101）的第一顶板（102）、第一底板（103）和呈弧面的第一室壁（104）；第一注入孔（101）上设有第一封盖（105），第一顶板（102）和第一底板（103）相互平行，第一室壁（104）固定连接在第一顶板（102）和第一底板（103）之间，阳极室（1）的一侧为开口，第一橡胶垫（4）沿着阳极室（1）的开口固定在阳极室（1）的侧壁上；阴极室（2）包括设有第二注入孔（201）的第二顶板（202）、第二底板（203）和呈弧面的第二室壁（204）；第二注入孔（201）上设有第二封盖（205），第二顶板（202）和第二底板（203）相互平行，第二室壁（204）固定连接在第二顶板（202）和第二底板（203）之间，阴极室（2）的一侧为开口，第二橡胶垫（11）沿着阴极室（2）的开口固定于阴极室（2）的侧壁上；质子交换膜（3）嵌至于第一橡胶垫（4）和第二橡胶垫（11）之间；紧固装置连接阳极室（1）和阴极室（2），使第一橡胶垫（4）和第二橡胶垫（11）相贴合；
所述的阳极液（12）位于电池容器的阳极室（1）中，阳极导线（14）穿过第一封盖（105），阳极导线（14）的一端连接阳极碳布电极（15），阳极碳布电极（15）位于阳极液（12）中，阳极导线（14）的另一端位于第一封盖（105）外侧；
所述的阴极液（13）位于电池容器的阴极室（2）中，阴极导线（16）穿过第二封盖（205），阴极导线（16）的一端连接阴极碳布电极（17），阴极碳布电极（17）位于阴极液（13）中，阴极导线（16）的另一端位于第二封盖（205）外侧。
2. 按照权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极液（12）由葡萄糖蛋白胨培养基溶液和菌液组成，且阳极液的pH值在7.0至7.2之间；阴极液（13）为铁氰化钾溶液，阳极液和阴极液的体积比为1∶1。
3.按照权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的葡萄糖蛋白胨培养基溶液由质量比为5∶5∶2∶1000的蛋白胨、葡萄糖、磷酸氢二钾和去离子水组成，菌液由希瓦氏腐生菌和DH5α大肠杆菌组成，铁氰化钾溶液由质量比为16.45∶8.7∶1000的铁氰化钾、磷酸氢二钾和去离子水组成。
4.按照权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的希瓦氏腐生菌的体积量大于DH5α大肠杆菌的体积量。
5.按照权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的第一室壁（104）和第二室壁（204）沿质子交换膜（3）相互对称。
6. 按照权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的第一注入孔（101）的孔壁伸出第一顶板（102），且第一注入孔（101）的孔壁设有外螺纹，第一封盖（105）设有与第一注入孔（101）的外螺纹相配合的内螺纹；所述的第二注入孔（201）的孔壁伸出第二顶板（202），且第二注入孔（201）的孔壁设有外螺纹，第二封盖（205）设有与第二注入孔（201）的外螺纹相配合的内螺纹。
7. 按照权利要求6所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的第一注入孔（101）的半径1厘米至1.05厘米之间；所述的第二注入孔（201）的半径1厘米至1.05厘米之间。
8.按照权利要求1至7中任何一项所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的紧固装置包括设置在第一顶板（102）上表面的第一立柱（5），设置在第一底板（103）下表面的第二立柱（6），设置在第二顶板（202）上表面的第三立柱（7），设置在第二底板（203）下表面的第四立柱（8），第一立柱（5）和第三立柱（7）通过上螺栓（9）固定连接，第二立柱（6）和第四立柱（8）通过下螺栓（10）固定连接。
9.按照权利要求8所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的第一立柱（5）、第二立柱（6）、第三立柱（7）和第四立柱（8）分别为两根。
10.按照权利要求1至7中任何一项所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的紧固装置为圆环，该圆环固定在第一室壁（104）和第二室壁（204）的外侧。
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