利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系及其構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物能源領(lǐng)域，具體涉及一種利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系及其構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全球能源及環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)新型清潔能源及利用可再生能源已成為全世界的共識(shí)。1911年，英國(guó)植物學(xué)家Pottery用酵母和大腸桿菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，宣布利用微生物可以產(chǎn)生電流，生物燃料電池研究由此開(kāi)始。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC)是利用微生物直接將廢水中的有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。MFC可以將廢水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，在獲得電能的同時(shí)可以凈化廢水。微生物燃料電池的一種典型設(shè)計(jì)是采用雙室結(jié)構(gòu)，容納微生物的陽(yáng)極室通過(guò)質(zhì)子交換膜與陰極室隔離，有機(jī)質(zhì)在陽(yáng)極室被厭氧微生物降解過(guò)程中產(chǎn)生的電子由陽(yáng)極經(jīng)外部電路傳輸?shù)疥帢O室，與其同時(shí)，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜也由陽(yáng)極室進(jìn)入陰極室，從而構(gòu)成電流回路，并通過(guò)外部電路連接電氣元件回收或利用電能，氧分子、質(zhì)子與電子在陰極室內(nèi)化合生成水。微生物催化從陽(yáng)極產(chǎn)生電子通過(guò)外電路傳導(dǎo)到陰極被反應(yīng)，回路中產(chǎn)生電流，這就構(gòu)成了微生物燃料電池。典型的MFC不僅構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)與內(nèi)電阻較高，而且還需要消耗許多外部動(dòng)力，限制了其電能產(chǎn)出效率和推廣應(yīng)用。
[0003]微生物燃料電池的發(fā)展目前仍然制約于其較低的產(chǎn)電性能，除了成本較高，最主要的原因是輸出功率密度還比較低，開(kāi)路電壓一般在300mV?400mV左右。決定微生物燃料電池輸出功率密度的因素主要有以下幾個(gè)方面:微生物對(duì)底物的降解速率、電子從微生物到陽(yáng)極的傳遞速率、電池內(nèi)阻、質(zhì)子到達(dá)陰極的傳遞速率、氧化劑的供給和陰極的還原反應(yīng)的速率，陰極材料的催化作用等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系及其構(gòu)造方法，在微生物燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間串聯(lián)P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，構(gòu)成“太陽(yáng)能電池-微生物燃料電池”體系，新型的微生物燃料電池體系充分發(fā)揮太陽(yáng)能電池和微生物燃料電池的協(xié)同作用，提高微生物燃料電池污水處理和產(chǎn)電性會(huì)K。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系。
[0006]本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系包括:微生物、陽(yáng)極室、陰極室、陽(yáng)離子交換膜、陽(yáng)極、陰極、負(fù)載和P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池;其中，在陽(yáng)極室與陰極室之間由陽(yáng)離子交換膜分隔，在陽(yáng)極室中放置能降解污染物并能產(chǎn)電的微生物，陽(yáng)極室和陰極室中均放置電解質(zhì)溶液，陽(yáng)極和陰極分別放置在陽(yáng)極室和陰極室中，在陽(yáng)極室和陰極室外的陽(yáng)極和陰極之間串聯(lián)負(fù)載，構(gòu)成微生物燃料電池;在陽(yáng)極室和陰極室外，串聯(lián)P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，P -η結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的正極與陽(yáng)極連接，P -η結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的負(fù)極與陰極連接，構(gòu)成微生物燃料電池體系；在太陽(yáng)光照條件下，P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池協(xié)同微生物燃料電池共同驅(qū)動(dòng)微生物燃料電池體系運(yùn)轉(zhuǎn)，增大回路中的電流，并提高污水處理性能。
[0007]本發(fā)明在陽(yáng)極室和陰極室外，串聯(lián)p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，構(gòu)造一個(gè)太陽(yáng)能電池和微生物燃料電池協(xié)同作用的微生物燃料電池體系；在陽(yáng)極室，微生物氧化初始電子供體獲取能量，同時(shí)產(chǎn)生電子，電子經(jīng)微生物傳遞到陽(yáng)極，再經(jīng)由陽(yáng)極傳遞至外電路并到達(dá)P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的正極;在太陽(yáng)光照條件下，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，在P-n結(jié)半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)的拉動(dòng)下，光生電子向太陽(yáng)能電池的負(fù)極移動(dòng)，并通過(guò)導(dǎo)線向陰極室的電解質(zhì)溶液移動(dòng)，與電子受體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而光生空穴向太陽(yáng)能電池正極移動(dòng)，與陽(yáng)極來(lái)的電子復(fù)合，從而進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)微生物燃料電池，增大回路中的電流，同時(shí)提高微生物降解污水中的有機(jī)物;本發(fā)明的微生物燃料電池體系充分發(fā)揮太陽(yáng)能電池和微生物燃料電池的協(xié)同作用，提高微生物燃料電池輸出效率，提高微生物燃料電池產(chǎn)電和污水處理性能。P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池采用娃基太陽(yáng)能電池、化合物太陽(yáng)能電池和有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中的一種。
[0008]進(jìn)一步，如果微生物燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間串聯(lián)功率較大的p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，需在陽(yáng)極室和陰極室外同時(shí)串聯(lián)限流電阻，調(diào)節(jié)回路電流。太陽(yáng)能電池與限流電阻的選取條件為，P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池與限流電阻組成一個(gè)回路，該回路的短路電流為微生物燃料電池短路電流的10倍以下，這時(shí)該微生物燃料電池體系能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0009]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系的構(gòu)造方法。
[0010]本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系的構(gòu)造方法，包括以下步驟:
[0011]I)培養(yǎng)能夠能降解污染物并能產(chǎn)電的微生物；
[0012]2)在陽(yáng)極室中放置培養(yǎng)好的能降解污染物并能產(chǎn)電的微生物，在陽(yáng)極室和陰極室中均放置電解質(zhì)溶液，在陽(yáng)極室與陰極室之間由陽(yáng)離子交換膜分隔，在陽(yáng)極室和陰極室中分別放置陽(yáng)極和陰極；
[0013]3)在陽(yáng)極室和陰極室外，串聯(lián)p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的正極與陽(yáng)極連接，p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的負(fù)極與陰極連接，構(gòu)造一個(gè)太陽(yáng)能電池協(xié)同微生物燃料電池的微生物燃料電池體系;在陽(yáng)極室，微生物氧化初始電子供體獲取能量，同時(shí)產(chǎn)生電子，電子經(jīng)微生物傳遞到陽(yáng)極，再經(jīng)由陽(yáng)極傳遞至外電路并到達(dá)P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的正極;在太陽(yáng)光照條件下，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，在P -η結(jié)半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)的拉動(dòng)下，光生電子向太陽(yáng)能電池的負(fù)極移動(dòng)，并通過(guò)導(dǎo)線向陰極室的電解質(zhì)溶液移動(dòng)，與電子受體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而光生空穴向太陽(yáng)能電池正極移動(dòng)，與陽(yáng)極來(lái)的電子復(fù)合，半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池協(xié)同微生物燃料電池共同驅(qū)動(dòng)微生物燃料電池體系運(yùn)轉(zhuǎn)，增大回路中的電流，同時(shí)提高污染物降解效率；
[0014]4)在電路中串聯(lián)負(fù)載實(shí)現(xiàn)電能輸出。
[0015]其中，在步驟3)中，ρ_η結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池采用娃基太陽(yáng)能電池、化合物太陽(yáng)能電池和有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中的一種。
[0016]進(jìn)一步，在步驟3)中，如果微生物燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間串聯(lián)功率較大的p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，需在陽(yáng)極室和陰極室外同時(shí)串聯(lián)限流電阻，調(diào)節(jié)回路電流。太陽(yáng)能電池與限流電阻的選取條件為，P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池與限流電阻組成一個(gè)回路，該回路的短路電流為微生物燃料電池短路電流的10倍以下，這時(shí)該微生物燃料電池體系能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)增加產(chǎn)電量:此裝置結(jié)合了太陽(yáng)能電池和微生物燃料電池技術(shù)，二者發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，大大增加了微生物燃料電池的產(chǎn)電量；
[0019](2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:本發(fā)明的裝置只是將p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池串聯(lián)到微生物燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間即可；
[0020](3)利用了太陽(yáng)光能和微生物能兩種清潔能源:微生物降解污水中的有機(jī)物的同時(shí)并產(chǎn)生電子或空穴，P-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池在光照下也產(chǎn)生電子和空穴，二者在電路中是協(xié)同的；太陽(yáng)能電池光催化作用的引入改善了“太陽(yáng)能電池-微生物燃料電池”體系陰極的接受電子能力，并使得陽(yáng)極提供電子的能力得到最大限度的發(fā)揮;太陽(yáng)能電池促進(jìn)了新型微生物燃料電池體系效率的提高，實(shí)現(xiàn)了與微生物燃料電池的協(xié)同作用。
[0021]本發(fā)明中的微生物燃料電池和太陽(yáng)能電池光催化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，功能相互協(xié)調(diào)，共同完成污水處理和發(fā)電的雙重功效。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系的示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系的極化曲線(1-U)與輸出功率密度曲線(1-P)圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系與現(xiàn)有的微生物燃料電池的極化曲線對(duì)比圖；
[0025]圖4為本發(fā)明的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系與現(xiàn)有的微生物燃料電池的負(fù)載輸出效率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系包括:微生物
1、陽(yáng)極室2、陰極室3、陽(yáng)離子交換膜4、陽(yáng)極5、陰極6、負(fù)載7、p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池8和限流電阻9;其中，在陽(yáng)極室2與陰極室3之間由陽(yáng)離子交換膜4分隔，在陽(yáng)極室和陰極室中放置能降解污染物并能產(chǎn)電的微生物和電解質(zhì)溶液，陽(yáng)極5和陰極6分別放置在陽(yáng)極室2和陰極室3中，在陽(yáng)極室2和陰極室3外的陽(yáng)極5和陰極6之間串聯(lián)負(fù)載7;在陽(yáng)極室和陰極室外，串聯(lián)p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池8; p-n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的正極與陽(yáng)極連接，p_n結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的負(fù)極與陰極連接;在陽(yáng)極室和陰極室外，串聯(lián)限流電阻9。
[0028]本實(shí)施例的利用太陽(yáng)能提高效率的微生物燃料電池體系的構(gòu)造方法，包括以下步驟:
[0029]I)微生物由厭氧活性污泥提供，培養(yǎng)基成分為:0.lg/L KCl,0.5g/L NH4Cl,0.1g/L MgC12,0.1g/L CaC12,0.3g/L KH2P04，2.5g/L NaHC03，I.64g/L CH3C00Na，以及l(fā)g/L的酵母粉，陽(yáng)極初始pH值為7.3( ±0.2);培養(yǎng)基用無(wú)菌氮?dú)馔?.5h除去溶解氧，密封以保持厭氧狀態(tài)。
[0030]2)在傳統(tǒng)的雙室MFC體系基礎(chǔ)上，串聯(lián)外接一塊硅太陽(yáng)能電池，即構(gòu)造一個(gè)硅太陽(yáng)能電池協(xié)同MFC的新型的MFC體系，如圖1所示;在本實(shí)施例中