專利名稱：高效率微生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微生物燃料電池和用于微生物燃料電池中的改進的陽極。本發(fā)明還涉及從含有可生物降解材料的流體例如廢水產生電的方法。此外，本發(fā)明涉及從含有可生物降解材料的流體例如廢水除去可生物降解材料的方法。
背景技術：
微生物燃料電池是已知的。20世紀60年代授權的披露和涉及在不燃燒的環(huán)境中生產電和使用微生物燃料電池從水中除去有機污染物的方法的專利參見Davis等的US3，331，705;Davis 等的 US 3，301，705 和 Helmuth US3, 340，094。一般地，微生物燃料電池通過使含有可生物降解材料的流體，例如廢水流，與催化可生物降解材料的降解的微生物在陽極存在下接觸而工作。所述廢水流的來源可包括來自商業(yè)或者工業(yè)方法的流體，或者來自水處理工廠。該微生物產生副產物，包括電子。所述電子被從所述微生物傳遞到所述陽極。所述陽極通過電子導管和離子導管二者與陰極接觸。所述電子通過所述電子導管被從陽極傳遞到陰極。這是典型的外部外部回路。通過陽極和陰極之間的電勢差(即電壓)將電子從陽極驅動到陰極。借助于置于外部回路中的合適的裝填物，在陽極和陰極之間的電能，可俘獲一部分所產生的能量用于其它目的。為了保持電中性，電子從陽極至陰極的流動必須也伴隨著離子的流動?；蛘呤顷栯x子將會從陽極移動到陰極，或者陰離子將會從陰極移動到陽極，或者陽離子和陰離子二者都將在陽極和陰極之間移動。離子通過離子導管傳導。理想地，所述離子導管是離子傳導性的而非電子傳導性的。所述微生物催化樣品和復雜有機物分解成水，氫離子(質子)和二氧化碳，和在分解的過程中產生電子。典型的燃料電池具有共同的特征，包括電子供體，在陽極被氧化的燃料，所述陽極是傳導性的固體，其接受來自該供體的電子，在微生物燃料電池中，燃料是可生物降解材料；需要催化劑來進行在陽極上的氧化反應，在微生物燃料電池中微生物用作催化劑；所述電子移動通常通過外部導管從陽極至陰極通過電導管，所述陰極是另一傳導性固體；在陰極上，將電子添加到電子受體上，通常為氧；和任何陽離子，例如質子(H+)，鈉離子(Na+)，鉀離子(K+)，單獨地從陽極移動到陰極，或者陰離子，例如氫氧根離子(0H_)，氯離子(CD從陰極移動至陽極，從而保持陽極隔間中的電中性。在電子從陽極通過外部回路流到陰極時，離子必須也在陽極和陰極之間移動，從而保持電中性。沒有使氫離子從陽極隔間或者氫氧根離子移動到陽極隔間會導致陽極隔間的酸化，和隔間之間的PH梯度。在微生物燃料電池的陽極隔間中使用微生物或者其它生物催化劑通常需要接近中性的PH。pH梯度的實際效果是電壓效率降低，其因此降低發(fā)電。Rittmann等的WO 2010/008836通過將二氧化碳添加到陰極隔間中解決了這個問題。
微生物燃料電池提供了環(huán)境友好地發(fā)電和流體純化的保證，并且除了以上指出的PH梯度問題之外也存在幾個技術上的挑戰(zhàn)。廢水是可以使用微生物燃料電池純化的普通的含有可生物降解材料的流體。大部分廢水流具有有限的導電性，這抑制了離子在陰極和陽極之間的傳輸。在測試系統(tǒng)中，將緩沖液，例如磷酸鹽，添加到水中來同時提高導電性和最小化由于在陽極的附近水的酸化導致的PH值變化。優(yōu)選避免在微生物燃料電池中使用緩沖液。因此需要不需要添加緩沖液的微生物燃料電池和使用微生物燃料電池的方法。用于微生物燃料電池中的典型的陰極使用貴金屬(其中鉬是優(yōu)選的)作為催化劑。貴金屬是非常昂貴的，并且影響微生物燃料電池的成本效率。微生物燃料電池也在陰極需要氧化劑，以便于該系統(tǒng)處于電和化學平衡。許多測試系統(tǒng)使用鐵氰化物作為陰極電解液(catholyte)，氧化劑。具有這種氧化劑的微生物燃料電池不是環(huán)境友好的，它們也不是經濟上可以承受的。微生物燃料電池對化學環(huán)境非常敏感，其中環(huán)境的每個改變都會阻礙該系統(tǒng)以最優(yōu)的方式工作，或者是根本上阻礙該系統(tǒng)工作。以上所述的所有的問題都需要合適地以一種方式解決，從而使得微生物燃料電池能夠高效地工作，然后才能實現商業(yè)系統(tǒng)。微生物燃料
電池，如所有的其它燃料電池一樣，將化學能轉化成電能。從操作電池獲得的電壓小于理論值。理論電池電壓和實際操作電池電壓之間的差由四種主要的原料損失產生，這描述于Larminie and Dicks 的“Fuel Cell Systems Explained” 中；活化作用損失，燃料交疊和內電流，歐姆損失和物質傳遞(或者濃度)損失。活化作用損失是由在電極的表面上發(fā)生的反應變慢導致的。燃料交疊和內電流是由燃料從陽極泄漏到陰極，或者氧化劑從陰極泄露到陽極，以及通過該離子導管的電子傳導導致的。歐姆損失是由于壓降導致的，該壓降是由于對電子通過電極和各種互聯和電子導管的材料流動的直接電阻以及離子流動通過電極和離子導管的電阻導致的。物質傳遞或者濃度損失是在燃料被使用時反應物在電極的表面的濃度變化引起的。因為濃度降低是不能將足夠的反應物傳遞到電極表面導致的，所以這種類型的損失也常常稱為“物質傳遞”損失。在陰極上需要一種氧化劑，其是環(huán)境友好的也是有效的氧化劑。需要這樣的微生物燃料電池，其以一種方式解決了所述問題，從而使得微生物燃料電池能夠用于商業(yè)環(huán)境中。需要這樣的微生物燃料電池和使用這樣的燃料電池的方法，其解決了 PH梯度的問題，其是成本有效的，其不需要在系統(tǒng)中使用緩沖液，其最小化了歐姆損失和物質傳遞損失，和其使用了環(huán)境友好的和有效的氧化劑。

發(fā)明內容
在第一實施方式中，本發(fā)明涉及微生物燃料電池，其包括微生物燃料電池，其包括A)含有一種或者多種導電材料的陽極，該陰極設置用來提供電子穿過該導電材料的流路，并且用來形成流體物質穿過在該導電材料中形成的通道的流路，B)與所述陽極電接觸的生電微生物；C)含有一種或多種導電材料的陰極，該陰極適合于使得該陰極能夠與含氧流體(氣體)接觸，D)置于所述陽極和所述陰極之間的陰離子交換膜，所述膜具有兩個相對的表面；E)電子導管，其與所述陽極和所述陰極二者接觸形成回路；和F)將流體物質引導到陽極的裝置，其中所述流體以基本上平行于所述離子交換膜的一個表面的方向流過所述陽極。所述微生物燃料電池適合于與置于流體中的可生物降解材料一起使用。在使用時，該微生物燃料電池含有置于流體中的可生物降解材料。在一種優(yōu)選的實施方式中，該微生物燃料電池的所述陽極和所述陰極中之一或者二者位于密封的腔室中。在另一實施方式中，所述微生物燃料電池的陽極置于陽極腔室中，其中所述腔室具有適合于引入含有可生物降解材料的流體的入口和用于從所述腔室除去流體的出口。還在另一實施方式中，本發(fā)明是一種微生物燃料電池，其中所述陰極在陰極腔室中，其中所述陰極腔室還含有含氧氣體。優(yōu)選地，所述微生物燃料電池的所述陰極腔室適合于將含氧氣體引入所述腔室，從而使所述含氧氣體置于與所述陰極接觸。在另一優(yōu)選的實施方式中，密封微生物燃料電池的陰極腔室，從而防止所述含有可生物降解材料的流體從微生物燃料電池的外側進入陰極腔室。在另一優(yōu)選的實施方式中，微生物燃料電池適合于置于含有可生物降解材料的流體的容器中。在另一優(yōu)選的實施方式中，密封微生物燃料電池的陽極腔室，從而防止除了所述含有可生物降解材料的流體之外的流體從微生物燃料電池的外側進入陽極腔室。在又一優(yōu)選的實施方式中，微生物燃料電池的陰極是對大氣開放的。在優(yōu)選的實施方式中，根據本發(fā)明的微生物燃料電池的陰極還含有用于氧的還原反應的催化劑。在另一優(yōu)選的實施方式中，所述陽極和/或陰極鄰近所述陰離子交換膜設置。
在另一實施方式中，本發(fā)明涉及一種微生物燃料電池，其包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，通過外部回路將陽極連接至陰極的電子導管，其中所述陽極包括一種或多種導電材料和一種或多種離子交換材料的混合物。優(yōu)選地，所述導電材料形成電子流動到電子導管的路徑。優(yōu)選地，所述離子交換材料形成路徑用于離子流動到陰極的提高的流動性，并且用作離子傳導性材料。一種微生物燃料電池，其包括A)含有一種或者多種導電材料的陽極，其設置用來提供電子穿過該導電材料的流路，并且用來形成流體物質穿過在該導電材料中形成的通道的流路，B)與所述陽極電接觸的生電微生物；C)含有一種或多種導電材料的陰極，該陰極適合于使得該陰極能夠與含氧氣體接觸；D)具有兩個相對的表面置于所述陽極和所述陰極之間的隔板；E)電子導管，其與所述陽極和所述陰極二者接觸形成回路；和，F)將流體物質引導到陽極的裝置，其中所述流體以基本上平行于所述隔板的一個表面的方向流過所述陽極。該微生物燃料電池適合于與置于流體中的可生物降解材料一起使用。在使用時，該微生物燃料電池含有置于流體中的可生物降解材料。優(yōu)選地，所述陽極或者陰極或二者都置于隔板的一個表面上。在更優(yōu)選的實施方式中，所述陽極和陰極置于隔板的相對的表面上。在另一實施方式中，本發(fā)明涉及一種方法，其包括A)提供如上所述的微生物燃料電池；B)將含有可生物降解材料的流體引入到該陽極腔室中；C)使所述含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸；D)向該陰極腔室中引入含氧氣體；和E)從所述陽極腔室除去所述流體。優(yōu)選地，使所述含有可生物降解材料的流體連續(xù)流進所述陽極腔室、通過所述陽極腔室并且流出所述陽極腔室，和使所述含氧氣體連續(xù)流進所述陽極腔室、通過所述陰極腔室和流出所述陰極腔室。優(yōu)選地，使該含有可生物降解材料的流體以平行于置于陽極和陰極之間的隔板的方向流動通過所述陽極。在一種實施方式中，電子導管連接至外部回路，所述外部回路含有電池組(battery)、使用電的設備、或電網(powergrid)的一個或多個。應該理解，以上所述的方面和實例是非限制性的，因為本申請所示和描述的本發(fā)明中存在其它方式。本發(fā)明的微生物燃料電池和使用該微生物燃料電池的方法有助于在這些燃料電池中使用具有低導電性的流體，而不需要緩沖液。本發(fā)明的燃料電池和方法有助于有效地從含有可生物降解材料的流體生產能量，和有效地以環(huán)境友好的方式從流體中除去可生物降解材料。本發(fā)明的微生物燃料電池可以以一種方式操作，從而使得避免流體的顯著酸化。本發(fā)明的微生物燃料電池不需要使用不期望的化學品作為氧化劑。該微生物燃料電池可操作于低的貴金屬加載水平，并且具有高的電流密度例如大于ΙΟΑ/m2，和最優(yōu)選約15A/m2或者更大。本發(fā)明的使用具有低的或者沒有緩沖能力的進料流的微生物燃料電池具有高的電流密度例如約3A/m2或更大，更優(yōu)選7A/m2或更大和最優(yōu)選約15A/m2或更大。本發(fā)明的使用具有低導電性的進料流的微生物燃料電池具有高的電流密度例如約3A/m2或更大，更優(yōu)選7A/m2或更大和最優(yōu)選約15A/m2或更大。本發(fā)明的微生物燃料 電池和本發(fā)明的方法減少歐姆損失，(尤其是由于離子傳遞導致的)和物質傳遞損失。使用多孔的陽極提供高度有效的表面積來最大化與所述陽極接觸的生電的微生物的數目。使用陰離子交換膜與還原氧的(oxygen-reducing)陰極的組合提供一種方式來防止在陰極上產生的氫氧根離子被傳遞通過陰離子交換膜到達陽極隔間時陽極隔間的酸化。通過使該流體在基本上平行于離子交換膜的表面的方向流過多孔的陽極，而獲得了將可生物降解的有機燃料化合物有效地傳遞到陽極上的微生物和從該陽極上的微生物有效地除去它們的氧化產物。


圖I是一種微生物燃料電池的圖示。圖2是一種微生物燃料電池的外觀的圖示。圖3是微生物燃料電池的第二實施方式。圖4是微生物燃料電池的第三實施方式。圖5是微生物燃料電池的第四實施方式。圖6是片材狀陽極腔室與陰極和隔板組合的三維視圖。圖7是微生物燃料電池的電池電壓(cell voltage) V與電流密度A/m2的關系曲線。圖8是微生物燃料電池的功率密度與電流密度的關系曲線。圖9是微生物燃料電池的電池電壓V與電流密度A/m2的關系曲線。圖10是微生物燃料電池的功率密度W/m2與電流密度A/m2的關系曲線。圖11是微生物燃料電池的電池電壓V與電流密度A/m2的關系曲線。圖12是微生物燃料電池的功率密度W/m2與電流密度A/m2的關系曲線。圖13是具有陽極I至4的電池的電池電壓與電流密度的關系曲線。圖14是陽極I至4的電池電壓與電流密度的關系曲線。圖15是對于陽極I至4來說，從功率密度曲線(P curve)獲得的電池電阻和從電池電壓(Vcell)獲得的電池電阻的條形圖。圖16顯示使用陽極1，2和5的電池在K=lmS/cm和在4. 6mS/cm時，電池電壓與電流密度的關系曲線。
圖17顯示對于陽極1，2和5，功率密度與電流密度的關系曲線。圖18是對于陽極1，2和5，從功率密度曲線獲得的電池電阻和從電池電壓獲得的電池電阻的條形圖。
具體實施例方式本申請給出的解釋和說明意圖使本領域的其他技術人員知曉本發(fā)明，它的原理，和它的實際應用。本領域技術人員可能以許多形式采用和應用本發(fā)明，因為這些形式可能最好地適合于具體應用的要求。因此，本申請給出的本發(fā)明的具體實施方式
并不意圖是本發(fā)明的窮舉或者是本發(fā)明的限制。因此，本發(fā)明的范圍應該不參考以上描述確定，而是應該參考所附權利要求，結合這些權利要求所意圖的等價物的全部范圍來確定。所披露的所有文章和參考文獻，包括專利申請和公開，都通過參考并入用于所有的目的。預期權利要求中所述的各種特征都可以以這些特征中的兩種或者更多種的組合使用。以上介紹的每個組件
都將在以下段落中和說明性實施例/實施方式的描述中詳細描述。從所附權利要求中搜集的其它組合也是可能的，也將其通過參考并入本申請的說明書中。本發(fā)明涉及獨特的解決方案，其用于有效的微生物燃料電池和使用這種燃料電池來產生電和/或從流體除去可生物降解材料的方法。本申請所用的傳導的是指所指出的物質提高或者促進指出的物質例如離子或者電子通過它流動。導電的是指指出的物質提高或者促進電子通過該指定的物質流動。離子傳導的是指指出的物質提高或者促進離子通過該指定的物質流動。該陽極適合于與含有可生物降解材料的流體接觸?？蓪⑺鲫枠O置于含有這樣的流體的容器中，或者可容納在腔室，陽極腔室中。在陽極置于陽極腔室中的實施方式中，陽極腔室用于容納陽極，所述微生物和所述含有可生物降解材料的流體。陽極腔室可由任何與陽極，所述微生物和含有可生物降解材料的流體相容的材料制造。在優(yōu)選的實施方式中，陽極腔室可由剛性塑性材料制造?？芍圃礻枠O腔室的優(yōu)選塑料包括聚氯乙烯，聚烯烴，丙烯酸類，聚碳酸酯，苯乙烯類和其共混物，包括聚碳酸酯-ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物)。陽極腔室含有用于引入含有可生物降解材料的流體的入口和用于該流體的出口。當微生物電池正在合適地工作時，從所述出口退出的流體具有比進料到陽極腔室的流體低的可生物降解材料的濃度。陽極腔室可為便于陽極，微生物和含有可生物降解材料的流體接觸的任何形狀或者構型。在優(yōu)選的實施方式中，陽極腔室成形為提供用于陽極材料和微生物的基床的外殼，所述含有可生物降解材料的流體能夠流過。所述陽極可為任何形狀，其發(fā)揮收集通過可生物降解材料的降解產生的電子的功能。該形狀可為圓柱形的，管狀的，矩形的盒子，片材狀的等。本申請所用的片材狀是指該陰極呈現一種三維片材，其在一個平面上具有較大的尺寸，和在垂直于由該大尺寸限定的平面的方向上較小的尺寸，其可稱為厚度。在大尺寸的平面中片材狀陽極的形狀可為容許陽極發(fā)揮本申請所述功能的任何形狀。大尺寸的平面中陽極的形狀可為不規(guī)則的，梯形的，圓形的，橢圓形的，方形的，矩形的等。這些形狀不需要是精確的，原因在于梯形、方形和矩形的角可以是導圓的，角度不需要是精確的或者90度。片材狀陽極的各邊不需要是矩形的或者處于直角，而是可為彎曲的或者部分彎曲。本申請所用的邊是該片材狀材料的沿著該小尺寸的側邊。選擇該腔室的尺寸以使得適合于陽極形狀和體積，和期望的微生物燃料電池的容量，這是本領域技術人員能夠確定的。在優(yōu)選的實施方式中，陽極腔室或者陽極具有片材狀材料的形狀，在兩個大尺寸的平面中具有矩形形狀。優(yōu)選地，該腔室或者陽極在最小尺寸的方向上的尺寸，即陽極的厚度，為約IOmm或更小,更優(yōu)選約5mm或更小。優(yōu)選地,這一尺寸,厚度,為約Imm或更大。將該陰極置于與含氧流體(氣體)接觸。該陰極可以對于含有含氧氣體(例如空氣)的環(huán)境是敞開的，或者它可位于陰極腔室中。在一種實施方式中，微生物燃料電池可位于含有可生物降解材料的流體的容器中，例如可將微生物電池浸沒在這樣的流體中。在該實施方式中，陰極置于陰極腔室中。陰極腔室用來容納陰極和含氧氣體。陰極腔室可由與陰極和含氧氣體相容的任何材料制造。在優(yōu)選的實施方式中，陰極腔室可由針對陽極腔室所描述的剛性塑性材料制造。優(yōu)選地，陰極腔室由與陽極腔室相同的材料 制造。陰極腔室可含有引入含氧氣體的入口和/或含氧氣體的出口。當氧氣流經陰極腔室，從該出口退出的氣體具有比進料到陰極腔室的氣體低的氧濃度。所述陰極腔室可為便于陰極與含氧氣體接觸的任何形狀或者構型。在另一優(yōu)選的實施方式中，陰極腔室容許含氧氣體擴散進入陰極腔室和擴散出陰極腔室。陰極或者陰極腔室的形狀可為容許陰極發(fā)揮本申請所記載的功能的任何形狀。優(yōu)選地，所述形狀為描述為對于陽極和陽極腔室優(yōu)選的任何形狀。選擇腔室的尺寸以使得適合于微生物燃料電池的期望容量，這是本領域技術人員能夠確定的。優(yōu)選地，陽極腔室的一部分是朝向陰極敞開的。優(yōu)選地，陰極腔室的一部分是朝向陽極敞開的。優(yōu)選地，陰極腔室和陽極腔室的開口彼此匹配。在一種優(yōu)選的實施方式中，陰極腔室和陽極腔室具有匹配的開口，其適合于配對并形成封閉的腔室。在一種實施方式中，兩個腔室對彼此是敞開的。優(yōu)選地，將隔板置于陽極腔室或陰極腔室的開口上，或者陽極腔室的開口和陰極腔室的開口之間。隔板用于在陽極和陰極之間電絕緣，并容許離子在陰極和陽極之間流動。優(yōu)選地，隔板也防止微生物和可生物降解材料從陽極流動到陰極。優(yōu)選地，隔板限制或者防止氣體或者液體在陽極和陰極腔室之間流動。發(fā)揮這一功能的任何隔板都可用于本發(fā)明中。隔板的優(yōu)選形式包括絲網(screens)，織物(cloth)，膜材和隔膜。優(yōu)選地，離子交換膜位于陽極腔室或陰極腔室的開口上，或者在陽極腔室和陰極腔室之間各自的開口上。優(yōu)選地，將密封件置于陽極腔室，陰極腔室或者陰極和陽極的匹配開口各邊的周圍，從而抑制、控制或者防止流體被傳送進出陽極腔室，陰極腔室、燃料電池、或者陰極腔室和陽極腔室之間。在一種優(yōu)選的實施方式中，置于陰極和陽極腔室之間的所述絲網，織物，膜材和隔膜也用作兩個腔室結合的外周周圍的密封件。所述陽極由導電材料組成。可使用與所述微生物相容的、導電的任何材料。與所述微生物相容是指所述陽極材料不殺死所述微生物或者與所述微生物相互作用催化可生物降解材料的分解。優(yōu)選地，所述導電材料是導電的金屬，或者導電的碳。優(yōu)選的導電的金屬是鈦。導電的任何碳都可用于本發(fā)明中。優(yōu)選的碳類型包括炭黑，石墨，石墨烯，石墨氧化物和碳納米管。碳的另一優(yōu)選形式包括膨脹石墨的基質，其具有通過所述碳基質的孔。導電材料可為容許微生物、陽極和含有可生物降解材料的流體之間的有效接觸的任何形式，并且其形成到達電子導管并且通過該回路到達陰極的電子流動通道。期望的是，該導電材料具有盡可能高的表面積。相關的表面積是可用來與含有可生物降解材料的流體接觸的表面積。在一種實施方式中，所述陽極是用該導電材料填充的陽極腔室所限定的基床。該導電材料可為以下形式片材，紙，織物，交織的纖維，無規(guī)纖維(random fibers),組織的纖維,粒子，珠，顆粒，粒料，聚集的粒子，泡沫體，具有在其整個中連通的孔的整料，或其任何組合。在優(yōu)選的實施方式中，該導電材料包括碳織物(carbon cloth),復寫紙(carbon paper),碳租(carbon felt),碳毛織品(carbon wool),碳泡沫體,石墨,多孔石墨,石墨粉,石墨顆粒，石墨纖維，聚集的導電炭黑和網狀化的玻璃碳(reticulated vitreous carbon)。在導電材料是粒子或顆粒的形式的實施方式中，這些粒子或顆粒優(yōu)選具有適合于擔載置于該粒子或顆粒上的細菌的尺寸。在一種實施方式中，可將該導電材料分散在基體例如與該系統(tǒng)相容的聚合物中，該基體可為膜、珠、粒料等形式。優(yōu)選該粒子的尺寸使得該含有可生物降解材料的流體能夠流動通過陽極或者陽極基床，而沒有過多的背壓，并且使得該流體中的可生物降解材料能夠與該微生物接觸。優(yōu)選地，該粒子尺寸為約I微米或更大和最優(yōu)選約10微米或更大。本申請所用的整料是指單塊結構(unitary structure),在整個該結構中具有該含有可生物降解材料的流體能夠流動通過的孔。陽極中的孔優(yōu)選具有以下尺寸，該尺寸使得該含有可生物降解材料的流體能夠流過該陽極或者陽極床，而沒有過多的背壓，該微生物能夠停留在該孔的表面上，并且使得該流體中的可生物降解材料能夠與該微生物接觸。本申請所用的導電材料的基床是指以如下方式包含在受限空間中的任何形狀或尺寸的導電材料，該方式使得含有可生物降解材料的流體能夠流動通過該基床，并且接觸導電材料的表面積的顯著部分。優(yōu)選地，基床形狀如前對陽極和陽極腔室所述。優(yōu)選地，陽極的表面積為約O. Ol mVg或更大，更優(yōu)選約O. lm2/g或更大和最優(yōu)選約I. 0m2/g或更大。本申請所用的組織的纖維是指該纖維以設計的形狀排列，例如以刷狀排列，這描述于Logan等的US 2008/0292912中，將該文獻通過參考并入本申請，等。通常，該陽極提供表面用于附著和生長微生物，因此該陽極由與微生物生長和保持相容的材料制成。材料與微生物在微生物燃料電池中的生長和保持的相容性可使用標準技術評價，例如使用生存能力標記物(viability marker)例如若丹明123,碘化丙錠,和這些或者其它生存能力標記物的組合的測定。包含在根據本發(fā)明的微生物燃料電池的實施方式中的陽極的表面積大于約100m2/m3。比表面積在此處描述為每單位陽極體積的陽極的表面積。比表面積大于約IOOm2/m3有助于根據本發(fā)明的實施方式的微生物燃料電池的發(fā)電。在進一步的實施方式中，根據本發(fā)明的微生物燃料電池包括比表面積大于約1000m2/m3的陽極。仍然在另一實施方式中，根據本發(fā)明的微生物燃料電池包括比表面積大于約5，OOOmVm3的陽極。還在另一實施方式中，根據本發(fā)明的燃料電池包括比表面積大于約10，OOOmVm3的陽極。配置為具有高比表面積的陽極容許縮放根據本發(fā)明的微生物燃料電池。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述陽極包括一種或多種導電材料和一種或多種離子傳導性材料的混合物。優(yōu)選的離子傳導性材料是離子交換材料。安排該混合物，從而使得形成通過陽極的電子流路和離子流路。導電材料形成電子到達電子導管和通過回路到達陰極的流路。該離子傳導性材料產生離子，優(yōu)選氫離子到達陰極腔室，或者來自陰極腔室的氫氧根離子的流路。各個材料需要以足夠的量存在，并且在合適的排列中從而形成期望的流路。該排列可以類似于互穿網絡，或者該材料(優(yōu)選離子傳導性材料)之一能夠被置于通過該陽極腔室的多個層或者連續(xù)的條中，其中所述層或者條與所述陰極腔室或者離子交換膜或者電子導管接觸。在優(yōu)選的實施方式中，使用兩種材料的粒子的共混物從而使得存在期望的流路。優(yōu)選地，傳導材料和離子傳導性材料的陽極包括約30wt%或更大的導電材料，基于存在的實心材料，更優(yōu)選約40wt%或更大和最優(yōu)選約45wt%或更大。優(yōu)選地,導電材料和離子傳導性交換材料的陽極包括約70wt%或更小的導電材料，基于存在的實心材料，更優(yōu)選約60wt%或更小和最優(yōu)選約55wt%或更小。優(yōu)選地,導電材料和離子傳導性材料的陽極包括約30wt%或更大的離子傳導性材料,基于實心材料，更優(yōu)選約40wt%或更大和最優(yōu)選約45wt%或更大。優(yōu)選地，導電材料和離子傳導性材料的陽極包括約70wt%或更小的離子傳導性材料，基于實心材料，更優(yōu)選約60wt%或更小和最優(yōu)選約55wt%或更小?！盎趯嵭牟牧稀笔侵缚缀土Ｗ又g的空間的體積不包含在記載的體積中。該陽極包括陽極中粒子周圍的空間和/或用于形成陽極的材料中的孔。含有可生物降解材料的流體通過從該粒子周圍流過或者流經該孔而流動通過陽極。該粒子之間的空間和該孔的尺寸需要以下尺寸，該尺寸使得該微生物能夠停留在粒子或者孔的表面上，并且使得在流體流經該陽極時該可生物降解材料能夠接觸該微生物。粒子之間的空間最好被描述為空隙空間百分比(percent of void space),未被實心材料占據的空間,優(yōu)選該空隙空間(void space)約20vol%或更大,更優(yōu)選約33vol%或更大，更優(yōu)選約50vol% 或更大。優(yōu)選，該空隙空間為約96wt%或更小。推論是實心體積為約80vol%或更小,更優(yōu)選約67vol%或更小,和更優(yōu)選約50vol%或更小。優(yōu)選該實心體積為約4vol%或更大。中值空間(median spaces)或者孔尺寸優(yōu)選為約5微米或更大,和更優(yōu)選約10微米或更大。中值空間或者孔尺寸優(yōu)選為約1000微米或更小和更優(yōu)選約100微米或更小。在另一實施方式中，該陽極和/或陰極腔室具有入口和/或出口，以便于流動通過該陰極和/或陽極腔室。本發(fā)明的微生物燃料電池優(yōu)選包括將流體物質引導到陽極的裝置，其中所述流體以基本上平行于離子交換膜的一個表面的方向流經陽極。這種裝置能夠是將流體以指定的流路引導到陽極的任何裝置。在一種優(yōu)選的實施方式中，這種裝置包括一個或多個入口和出口，其排列使得液體以基本上平行于隔板的一個表面的方向流經陽極。在另一實施方式中，產生該流體流動的裝置例如吹風機或者推動器(impeller)等用來強制流體在相對于陽極的期望的方向上流動?；旧掀叫惺侵噶黧w的流動總體上平行于隔板但是流動的向量角度不是精確的。當陽極為片材狀形狀時，流體的流動優(yōu)選垂直于陽極的厚度尺寸。優(yōu)選地，通過該陽極的流體的流動垂直于陽極的厚度尺寸，和基本上平行于隔板的一個表面。陰極包括能夠傳遞電子的導電材料。該導電材料可以是描述為對于陽極有用的任何導電材料。在優(yōu)選的實施方式中，陰極還包括用于氧化還原反應的催化劑。優(yōu)選類型的催化劑是第VIII族金屬和氧化酶。優(yōu)選的金屬是貴金屬，更優(yōu)選鉬和鈀。催化劑可位于陰極上，或者在陰極置于腔室中時它可在陰極腔室中的任何位置。優(yōu)選地，該催化劑位于該陰極的表面。在催化劑是金屬的實施方式中，選擇催化劑濃度從而使得陰極腔室中的氧化還原反應以合理的速度進行。優(yōu)選地，該催化劑存在的量為約O. IOmg金屬每平方厘米投影(projected)的陰極表面積或更小,更優(yōu)選約O. 05mg金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更小和最優(yōu)選約O. 02mg的金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更小。優(yōu)選該催化劑存在的量為約O. OOlmg金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更大，更優(yōu)選約O. 005mg金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更大，甚至更優(yōu)選約O. Olmg金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更大和最優(yōu)選約O. 015mg金屬每平方厘米投影的陰極表面積或更大。該陰極優(yōu)選為具有大表面積的實心材料。該陽極腔室和/或陰極腔室可具有位于其開口處的隔板，阻擋物。當陰極和陽極都位于腔室中時，它們可能具有位于其間的隔板，阻擋物。該隔板用于隔開陽極和陰極。隔板優(yōu)選為不傳導的，即其不容許電子穿過隔板。隔板優(yōu)選容許離子通過隔板。優(yōu)選該隔板抑制流體，例如水和含氧氣體，通過它流動。隔板優(yōu)選用于防止固體流出腔室或者在腔室之間流動。該隔板優(yōu)選容許離子在腔室之間通過從而平衡兩個腔室中的pH。該隔板可為織物，屏蔽物，膜或者離子交換膜。在優(yōu)選的實施方式中，該離子交換膜是陰離子交換膜。離子交換膜可為異質的(heterogeneous),勻質的(homogeneous),擔載的或者未擔載的。需要離子交換膜是生物相容性的，也即不傷害該系統(tǒng)中的生物材料。在一種優(yōu)選的實施方式中，該離子交換膜是由離子交換樹脂和粘合劑的共混物制備的膜。該離子交換樹脂可經受操作從而在與粘合劑接觸之前減少粒度。陰離子交換膜可含有有助于將陰離子從陰極轉移到陽極的任何陽離子部分。在陰離子交換膜中的優(yōu)選陽離子部分是含氮陽離子基團，和優(yōu)選銨陽離子，季銨離子，咪唑鎗離子，吡啶鎗離子，等。該膜容許將期望的材料傳遞通過該膜。在優(yōu)選的實施方式中，該膜防止尺寸為約1000納米的微生物通過該膜。因此，限制水和/或微生物流動通過該膜，以及任何包含的膜涂層。微過濾，納米過濾和離子交換膜組合物在本領域中是已知的，可使用任何各種膜，其排除微生物并容許期望的流體(氣體)通過該膜擴散。微過濾，納米過濾和/或離子交換膜組合物的說明性實例包括但不限于鹵化的化合物例如四氟乙烯，四氟乙烯共聚物，四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物，聚偏二氟乙烯，聚偏二 氟乙烯共聚物，聚氯乙烯，聚氯乙烯共聚物；聚烯烴例如聚乙烯，聚丙烯和聚丁烯；聚酰胺例如尼龍；砜例如聚砜和聚醚砜；基于腈的聚合物例如丙烯腈；和基于苯乙烯的聚合物例如聚苯乙烯。合適的膜材料的實例是超濾和納米過濾膜，其通常用于水處理工業(yè)中來過濾水同時排除微生物。例如，合適的膜是由X-Flow，The Netherlands制造的超濾膜B0125。另外的實例包括由 Membranes International, Inc. New Jersey, USA 制造的 CMI 和 AMI 離子交換膜。該隔板優(yōu)選為具有兩個相對的表面的片材。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述陰極鄰近隔板放置。更優(yōu)選地，陰極位于接近于隔板的一個表面并且與隔板的一個表面接觸。在一種實施方式中，陰極被涂覆于或者印刷于隔板的一個表面上。在另一實施方式中，陽極位于接近于隔板。更優(yōu)選，陽極位于接近于隔板的一個表面并且與隔板的一個表面接觸。優(yōu)選地，陽極和陰極各自接近于隔板的相對的表面并且與隔板的相對的表面接觸。在位于所用的陽極腔室中的陽極的周圍是生電的(即當使可生物降解材料降解時產生電子的)微生物。該微生物優(yōu)選可在陽極的表面上。優(yōu)選它們移植于陽極的表面上并且在陽極的表面上存活。本申請所用的微生物包括細菌，古生菌(Archaea)，真菌和酵母。優(yōu)選的微生物是依賴陽極生長的細菌(anodophilic bacteria)。本申請所用的術語“親陽極菌(anodophiles) ”和“依賴陽極生長的細菌(anodophilic bacteria) ”是指直接或者通過內源性生產的介質將電子傳遞到電極的細菌。經常，親陽極菌是專性或兼性需氧菌。術語“產電菌群(exoelectrogens) ”也用來描述合適的細菌。依賴陽極生長的細菌的實例包括選自下組的細菌Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae,Comamonadaceae， Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae, Geobacteraceae,Pasturellaceae,和Pseudomonadaceae科。適合用于本發(fā)明的系統(tǒng)的細菌的這些和其它實例描述于以下文獻中Bond，D.R.，et al.，Science 295，483-485，2002;Bond，D. R. etal.，App I. Environ. Microbiol. 69，1548-1555，2003 ; Rabaey，K.，et al.，Bio techno I.Lett. 25，1531-1535,2003;U. S. Pat. No. 5，976，719;Kim，H. J.，et al.，Enzyme Microbiol.Tech.30，145-152，2002;Park, H. S.，et al.，Anaerobe 7，297-306，2001;Chauduri，S. K.，et al.，Nat. Biotechno I. , 21:1229-1232，2003 ; Park, D. H. et al.，AppI. Microbiol.Biotechnol· ,59:58-61,2002;Kim, N. et al. , Biotechnol·Bioeng. ,70:109-114,2000 ; Park, D. H. et al.，AppI. Environ. Microbiol.，66，1292-1297，2000 ; Pham，C. A. etal.，Enzyme Microb. TechnoI.，30:145—152，2003;and Logan, B. E.，et al.，TrendsMicrobiol. 14(12) :512-518，將所有這些文獻通過參考并入本申請。依賴陽極生長的細菌優(yōu)選與陽極接觸用于將電子直接傳遞至陽極。但是，在通過介質傳遞電子的依賴陽極生長的細菌的情況下，該細菌可存在于反應器中的其他地方，并且仍然用于產生在本發(fā)明的方法中有用的電子。依賴陽極生長的細菌可提供為純化的培養(yǎng)物，富含依賴陽極生長的細菌，或者如果需要，甚至是富含具體種類的細菌。純的培養(yǎng)物試驗已經在以下文獻中報道了高達 98. 6% 的庫倫效率Bond, D. R. et al.，Appl. Environ. Microbiol. 69,1548-1555, 2003,將該文獻通過參考并入本申請。因此，使用選擇的菌株可增加總的電子回收和氫的產生，當這些系統(tǒng)能夠在無菌條件下使用時尤其是這樣?？蛇x擇或者基因工程化細菌，從而使得能夠增加庫倫效率和在陽極產生的電勢。此外，可使用混合的微生物種群，包括依賴陽極生長的厭氧性微生物(anodophilic anaerobes)和其它微生物。進料到微生物電池的進料包括流體中的可生物降解材料。包含在根據本發(fā)明的實施方式的微生物燃料電池中的可生物降解材料是可被依賴陽極生長的細菌氧化的，或者可生物降解從而產生可被依賴陽極生長的細菌氧化的材料。本申請使用的術語“可生物降解的”是指通過生物機理分解的有機物質，所述生物機理說明性地包括微生物作用，熱和分解。微生物作用包括水解，例如。該流體優(yōu)選為液體，更優(yōu)選水或者有機液體，水是更加優(yōu)選 的。任何各種類型的可生物降解的有機物都可用作微生物燃料電池中微生物的“燃料”，包括脂肪酸，糖，醇，碳水化合物，氨基酸，脂肪，脂質和蛋白質，以及動物，人類，城市，農業(yè)和工業(yè)廢水。天然產生的和/或合成的聚合物說明性地包括碳水化合物例如殼多糖(chitin)和纖維素，和可生物降解的塑料例如可生物降解的脂肪族聚酯，可生物降解的脂肪族-芳族聚酯，可生物降解的聚氨酯和可生物降解的聚乙烯醇?？缮锝到獾乃芰系木唧w實例包括聚羥基鏈烷酸酯，聚羥基丁酸酯，聚羥基己酸酯，聚羥基戊酸酯，聚乙醇酸，聚乳酸，聚己酸內酯，聚丁二酸丁二醇酯，聚丁二酸己二酸丁二醇酯，聚丁二酸乙二醇酯，脂肪族-芳族共聚酯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯和聚亞甲基己二酸/對苯二甲酸酯?？杀灰蕾囮枠O生長的細菌氧化的有機物是本領域已知的?？杀灰蕾囮枠O生長的細菌氧化的有機物的說明性實例包括但不限于單糖，二糖，氨基酸，直鏈或者支化的C1-C7化合物，包括但不限于醇和揮發(fā)性脂肪酸。此外，可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物包括芳族化合物例如甲苯，苯酚，甲酚，苯甲酸，芐基醇和苯甲醛?？杀灰蕾囮枠O生長的細菌氧化的另外的有機物描述于Lovely,D. R. et al. ,Applied and Environmental Microbiology56:1858-1864,1990中，將該文獻通過參考并入本申請。此外，一種提供的物質可以以可被依賴陽極生長的細菌氧化的形式提供，或者以可生物降解從而產生可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物的形式提供。可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物的具體實例包括甘油，葡萄糖，乙酸酯(或鹽)，丁酸酯，乙醇，半胱氨酸和這些或者其它的可氧化的有機物質的組合。
在優(yōu)選的實施方式中，在流體中的可生物降解材料是含有可生物降解的物質的廢流(waste stream)。用于該廢流的流體可為有機的或者水性的。該廢流可為來自化學或者生物方法的廢流或者廢水流。該廢水流可來自化學或者生物方法，城市廢水流或者污染的水源。用于提高電子到陽極上的傳遞的電子傳遞介質可位于陽極的附近，例如在陽極腔室中。本領域已知的實現這一功能的任何化合物都可用于本發(fā)明的微生物燃料電池中。優(yōu)選的介質的實例是氧化鐵，中性紅，蒽醌-1，6-二磺酸(ADQS)和1，4_萘醌(NQ)。其它已知的介質的實例包括甲基硫酸吩嗪(phenazine methosulfate), 2，6_ 二氯苯酹靛酹,亞氨嗪(thionine)，甲苯胺，鐵氰酸鉀和1，4-萘醌。介質任選地化學鍵合至陽極，或者通過各種處理(例如涂覆)改性的陽極，從而含有一種或多種介質。

在許多已知的微生物燃料電池方法中的在流體中的可生物降解的物質顯示出低的傳導性。低的傳導性抑制了離子在陽極和陰極之間的流動。為了解決這個問題，許多已知的方法添加緩沖液到該含有可生物降解材料的流體。通常的緩沖液含有磷酸鹽。在來自微生物電池的流出物是純化的廢流的實施方式中，存在磷酸鹽或者某些其它的緩沖液是所不期望的。在本發(fā)明的一種實施方式中，可添加環(huán)境友好的緩沖液，例如碳酸鹽或者碳酸鹽的源例如二氧化碳。在更優(yōu)選的通過結合陰離子交換膜和還原氧的陰極實現的實施方式中，該微生物燃料電池使用未緩沖化的進料操作?？蓪⒃撐淳彌_化的廢水直接進料到微生物燃料電池或者，任選地，可添加電解液。優(yōu)選地，進料的傳導性(電導率)為10毫西門子/cm或更小，更優(yōu)選5毫西門子/cm或更小和最優(yōu)選2毫西門子/cm或更小。優(yōu)選地，該進料的導電性為O. 5毫西門子/cm或更大，和更優(yōu)選O. 9毫西門子/cm或更大。使陰極與含氧氣體接觸。氧氣在陰極附近還原形成水或者氫氧根離子，例如在陰極腔室中。可使任何含有氧的氣體與陰極接觸。因為成本的原因，空氣是優(yōu)選的?？墒褂眉冄趸蛘吒谎醯牧黧w。在優(yōu)選的實施方式中，可使含氧氣體流到陰極。在這種實施方式中，可使用吹風機來使該含氧氣體與陰極接觸。電子導管連接陽極和陰極，并且用來使電子通過外部回路在陽極和陰極之間流動。電子導管可為發(fā)揮所記載的功能的任何物質或者形狀。優(yōu)選所述電子導管由導電的金屬組成，優(yōu)選的導電的金屬包括銅，銀，金或者鐵或者含有這些金屬的合金，其中銅或者鋼是最優(yōu)選的。優(yōu)選地，電子導管是線材或者片材的形式，和最優(yōu)選線材形式。優(yōu)選地，該導管將電池連接至電力負載(electrical load)。本申請所用的負載是指消耗來自微生物燃料電池的電能的設備或者元件。該負載可為電阻器，其中將來自微生物燃料電池的電能轉化成熱能(熱)；該負載可為馬達，其中將來自微生物燃料電池的電能轉化成機械能(工作)；該負載可通過一種或多種電回路例如電壓變極器(voltage inverter),電網(powergrid),等與微生物燃料電池隔離。在一種優(yōu)選的實施方式中，該載荷為所產生的一部分電流可以為它提供動力的電設備。在另一實施方式中，該載荷可為電池組，其適合于存儲所產生的電或者電網從而分配電的使用。本發(fā)明的微生物燃料電池還可包括一種或多種集電器，其形成電子導管的一部分。該集電器可為電子導管，或者可為電子導體的一部分。集電器用來收集來自電極(陰極或者陽極)的電流，將其送至電回路。優(yōu)選的集電器包括導電金屬。集電器優(yōu)選鄰近電極并且與電極緊密接觸。集電器可為容許它們鄰近電極或與電極緊密接觸的任何形狀。優(yōu)選地，集電器是金屬的線材，絲網或者片材，其成形為與電極的顯著部分接觸?？砂粋€或多個調節(jié)設備，例如一個或多個閥，來進一步調節(jié)材料流入和流出陽極或陰極腔室。此外，一個或多個蓋子或者密封件可任選地用于封閉用于將流體引入到陽極腔室或者陰極腔室中的封閉通道。例如，當遠程操作燃料電池，或者燃料電池作為單獨使用的設備操作使得沒有另外的材料添加時，任選地使用蓋子或者密封件來封閉通道?？墒褂帽脕硖岣咭后w或者氣體流入和/或流出反應腔室。本發(fā)明的微生物燃料電池可通過將陽極，和任選的電子介質，置于與隔板或者陽極腔室接觸而組裝。將該陰極，和任選的集電器，置于與隔板或者陰極腔室接觸。密封件和/或隔板(阻擋材料)置于陽極或陰極腔室的開口周圍或者開口上。當陽極和陰極都置于腔室中時，將陰極腔室和陽極腔室沿著它們各自匹配的表面與它們之間的密封件和/或隔板，阻擋材料，例如陰離子交換膜，接觸。陽極和陰極腔室通過已知的方式固定就位，例如通·過使用機械固定器(fastener)或者粘合劑。為了便于拆卸微生物燃料電池從而維修或者清洗該電池，優(yōu)選機械固定器，例如螺釘。可使入口和出口流體導管附接至陽極和陰極入口和出口。將該導管進一步連接至用于陽極腔室的進料材料的源，流體中的可生物降解材料，和對于陰極腔室來說，連接至含氧氣體。如果需要，可將電池通過電子導管連接至負載。最初，陽極腔室需要用該細菌接種。這通過如下方法而進行將該微生物或者含有該微生物的介質添加到陽極，例如添加到陽極腔室，并且將該陽極暴露于使得該微生物的健康菌落停留在該陽極上或者附近的條件。該方法的詳細過程對于本領域技術人員來說是已知的。一旦完成接種，就可操作該微生物燃料電池，從而產生電，并且從液體流除去可生物降解材料。一種或多種燃料電池可用來產生電和/或減少流體中可生物降解材料的量。在操作中，含有可生物降解材料的流體與陽極接觸，而陰極暴露于含氧氣體。可通過將陰極腔室向環(huán)境敞開而將含氧氣體引入到陰極腔室。或者，可使空氣或者富含氧的，較高氧含量的氣體流入到與陰極接觸，例如通過將含氧氣體在陰極上吹過或者吹向陰極。在一種實施方式中，將含有可生物降解材料的流體引入到陽極腔室，而具有較低可生物降解材料含量的流體是來自陽極腔室的流出物。選擇取自微生物燃料電池的電流從而或者最大化該微生物燃料電池產生的電力，或者最大化可生物降解材料的降解。如果目的是最大化由該電池產生的電力，那么從該電池取出的電流就使得電池操作電壓為優(yōu)選地約O. 2伏特或更大和優(yōu)選地約O. 4伏特或更小。如果該目的是最大化可生物降解材料的降解，那么從微生物燃料電池取出的電流就使得電池操作電壓為優(yōu)選地約O. 001伏特，更優(yōu)選O. 05伏特或更大，和約
O.2伏特或更小。電池操作電壓是由操作條件下單個電池產生的電壓。如果將多個電池以電串聯的方式連接從而形成堆疊，那么電池操作電壓就是指組成該堆疊的多個電池的平均電池操作電壓?？蓪㈦娮訉Ч苓B接至負載，從而將電流傳遞至該負載例如電池組，要提供電力的設備，或者傳遞至電網(power grid)?？蓪⒏鶕景l(fā)明的兩個或者多個微生物燃料電池以串聯的方式液壓(hydraulically)連接,從而使得來自陽極腔室的流出物可流入用于另一腔室的陽極入口?？蓪㈦姵匾圆⒙摰姆绞竭B接或者以串并結合的方式連接。來自陰極腔室的流出物可流入另一電池的陰極腔室的入口。當許多電池串聯連接時，可能需要在一個或多個下游模塊中引入另外的含氧氣體，從而保持含氧氣體的氧含量在使得該電池有效地工作的水平。可將許多微生物電池連接至相同的載荷，從而提供負載發(fā)揮作用所需的電流。在可生物降解的流體是廢流的實施方式中，可使廢流通過許多微生物燃料電池，直到已經除去了足夠量的廢流中的可生物降解材料，從而獲得期望的指定水平的可生物降解材料?；蛘呖赏ㄟ^相同的電池、或者相同的電池系列回收來自陽極腔室的流出物，直到除去所期望的指定水平的可生物降解材料。在廢流加工中，通常說明了流出物中可生物降解材料的水平?？赏ㄟ^許多已知的方式定義指定水平的可生物降解材料，包括化學需氧量和生物需氧量。一旦達到期望水平的可生物降解材料，就可排出該流體，回收用于加工或者經受另外的處理。將微生物燃料電池的反應腔室中水性介質配制為對于在燃料電池中與該水性介質接觸的微生物是無毒性的。此外，可將該介質或者溶劑調節(jié)為與微生物新陳代謝相容 ，例如通過將PH調節(jié)為約4至約10，優(yōu)選約6至約9，包括端點，通過用酸或者堿調節(jié)pH，如果需要向介質或者溶劑中添加緩沖液，通過稀釋或者添加滲透性活性物質(osmoticallyactive substance)來調節(jié)介質或者溶劑的滲透性(osmolarity),或其任何組合。例如，可通過稀釋或者添加鹽來調節(jié)離子強度。此外，如果需要，可包含營養(yǎng)物，輔助因子(cofactors),維生素和其它的這些添加劑來保持健康的細菌種群,參見例如Lovley andPhillips, Appl. Environ. Microbiol. 54 (6) : 1472-1480 中描述的這些添加劑的實例，將該文獻通過參考并入本申請。任選地，與微生物接觸的水性介質含有溶解的可被該微生物氧化的可生物降解材料。在操作中，反應條件包括變量例如pH，溫度，滲透性，和反應器中的介質中的離子強度。反應溫度通常為約10-40° C (對于非嗜熱的微生物)，但是通過包含適于在所選的溫度生長的微生物，該設備可用于O至100° C范圍內的任何溫度。但是，保持反應溫度高于環(huán)境溫度可能需要能量輸入并且優(yōu)選將反應器溫度保持在約15至約30° C，而不輸入能量。圖I顯示了本發(fā)明的微生物燃料電池10的示意圖。該圖顯示陽極11，其中微生物16置于該陽極11上。也示出了陰極12，其中陽極11和陰極12由隔板15隔開。電子導管13連接至陽極11和陰極12，其中負載14位于陽極11和陰極12之間。該圖顯示出陽離子被從陽極腔室25傳遞至陰極腔室26，而陰離子被從陰極腔室26傳遞至陽極腔室25。該圖也顯示有機物在陽極腔室25中分解成二氧化碳和氫離子，以及在陰極腔室26中分解成水和氫氧根離子。圖2顯示微生物燃料電池10的外觀。顯示的是外殼17，隔板15，含有可生物降解材料的流體出口 19和含有可生物降解材料的流體入口 18。圖3顯示本發(fā)明的簡單的微生物燃料電池10，其具有外殼17、陽極基床20，陰極12和隔板15。陽極基床20和陰極12布置在隔板15的相對表面上。也顯示了含有可生物降解材料的流體的入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示含有可生物降解材料的流體平行于隔板15的平面流動。陰極12對空氣敞開。陽極基床20用作陽極腔室。圖4顯不微生物燃料電池10的另一實施方式,其含有各自置于兩個隔板15的一個面上的兩個陰極12，其中每個隔板15與一個陽極基床20接觸。顯示了含有可生物降解材料的流體的入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示了含有可生物降解材料的流體平行于隔板15的平面流動。陰極12對于空氣敞開。圖5顯示了微生物燃料電池10的另一實施方式，其含有各自置于兩個隔板15的一個表面上的兩個陰極12，其中每個隔板15與兩個陽極基床20中的一個接觸。陰極12置于隔板15的內側，并且形成陰極腔室
26。在陰極腔室26的每一端分別是空氣入口 21和空氣出口 22。對于每個陽極腔室25，顯示了含有可生物降解材料的流體入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示了含有可生物降解材料的流體平行于隔板15的平面流動。圖6顯示出片材狀陽極腔室的3三維圖示。也顯示了陰極12和隔板15，其中陰極12和陽極腔室25置于隔板的相對的表面上。已經披露了本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。但是本領域技術人員會認識到，可以對本發(fā)明的教導進行某些改進。因此，應該研究所附的權利要求來確定本發(fā)明的真實范圍和內容。在以上申請中所記載的任何數值包括從較低的值至較高的值的所有值，增量為一個單位，條件是在任何較低值和較高值之間具有至少2個單位隔開。例如，如果指出了組分的量或者加工變量的值例如，例如，溫度，壓力，時間等為，例如，I至90，優(yōu)選20至80，更優(yōu)選30至70，那么意圖值例如15至85，22至68，43至51，30至32等也明確地列舉在了本說明書中。對于小于I的值，認為一個單位合適地是O. 0001，O. 001，O. 01或者O. I。這些僅是具體 意圖的實例，也考慮所列舉的最低值和最高值之間的數值的所有可能的組合也明確地中本申請中以類似的方式明確提及。除非另外指出，否則所有的范圍都包含端點和兩個端點之間的所有數值。使用“約”或者“大約”與范圍連用則適用于該范圍的兩個端點。因此，“約20至30”意圖覆蓋“約20至約30”，包括至少指出的端點。本申請使用的重量份是指組合物含有100重量份。描述組合的術語“基本上由…組成”應該包含所指出的元件、成分、組件或者步驟，和不明顯地影響基本的和新穎的特性組合的這些其它元件、成分、組件或者步驟。使用描述元件、成分、組件或者步驟的組合的術語“包括”或者“包含”中本申請中也預期基本上由該元件、成分、組件或者步驟組成的實施方式?？赏ㄟ^單個集成的元件、成分、組件或者步驟提供多個元件、成分、組件或者步驟。或者，單個集成的元件、成分、組件或者步驟可分成分開的多個元件、成分、組件或者步驟。描述元件、成分、組件或者步驟的“(a)”或者“一種(one)”不意圖排除另外的元件、成分、組件或者步驟。實施例包含以下實例僅用于說明的目的，不意圖限制本發(fā)明的范圍。除非另外指出，否則所有的分數和百分比都基于重量。組裝微生物燃料電池在3cmx6cmx0. 9cm塊狀透明合成樹脂(Lucite)中加工出I. 5cm寬，約4cm長和O. 45cm深的腔室。在該塊中鉆入端口用作用于溶液流動的入口和出口端。在腔室的底部鉆出兩個用于導線(wire leads)的小洞。一個較長的電線用作電子導管，另一個較短的電線用作未負載的電壓探頭。使用環(huán)氧樹脂將該導線原位密封。將一塊碳氈
I.5cmx3. OcmxO. 45cm置于該腔室中。將陰離子交換膜，一個由聚烯烴粘合劑和磨碎的陰離子交換樹脂制成的膜，置于該氈上，然后將由在復寫紙載體上的Pt/C組成的陰極切至L5Cmx3Cm，并置于與該碳氈陽極相對的膜上。然后陰極用Ni絲網覆蓋作為集電器(具有多個洞來容納電池螺栓)。然后將第二個半電池塊用來將該組件栓在一起?？諝馔ㄟ^該第二個半電池塊的入口和出口擴散到達陰極。操作微生物燃料電池
將該電池置于流動系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使來自儲罐的進料溶液循環(huán)通過該電池。接種緩沖的乙酸酯(或鹽)進料溶液(原始電池用來自家庭的后院或源自它的土壤提取物接種)。使用許多類似的電池進行試驗。在一個試驗中，在相同的電池中通過交換陰極而測試具有不同的鉬(Pt)含量的不同陰極。在第一組試驗中，該進料含有55mM的磷酸鹽緩沖液，和30mM的乙酸酯(或鹽)作為可生物降解材料，和進料溶液的電導率(conductivity)為
12.4毫西門子每厘米。測試的催化劑含量為O. 5mg/cm2,0. 125mg/cm2和O. 04mg/cm2。圖7是在所記載的催化劑含量，這些系統(tǒng)的電池電壓V與電流密度A/m2的關系曲線。圖8是在所記載的催化劑含量，這些系統(tǒng)的功率密度W/m2與電流密度A/m2的關系曲線。在另一組試驗中，進料含有IOmM磷酸鹽緩沖液和6. 6mM的乙酸酯(或鹽)作為該可生物降解材料，進料溶液的電導率為2. 3毫西門子每厘米。測試的鉬催化劑含量水平為O. 5mg/cm2,0. 125mg/cm2,0. 04mg/cm2和0. 02mg/cm2。圖9是在所記載的催化劑含量，這些系統(tǒng)的電池電壓V與電流密度A/m2的關系曲線。圖10是在所記載的催化劑含量，這些系統(tǒng)的功率密度W/m2與電流密度A/m2的關系曲線。在另一試驗中，測試溶液電導率和緩沖能力對電池性能的影響。 測試了三組系統(tǒng)。在一個系統(tǒng)中，磷酸鹽緩沖液(縮寫為Pi)以2mM存在，可生物降解材料為3mM乙酸酯(或鹽)，電導率為O. 99毫西門子每厘米。在第二系統(tǒng)中，磷酸鹽緩沖液Pi以50mM存在，可生物降解材料為20mM乙酸酯(或鹽)，電導率為7. 47毫西門子每厘米。在第三系統(tǒng)中，磷酸鹽緩沖液Pi以2mM存在，可生物降解材料是3mM乙酸酯(或鹽)，和59mM氯化鈉作為(非緩沖)電解質存在，電導率為7. 39毫西門子每厘米。圖11顯示這些系統(tǒng)的電池電壓V與電流密度A/m2的關系曲線。圖12顯示這些系統(tǒng)的功率密度W/m2與電流密度A/m2的關系曲線。有數據表明操作過程中溶液的pH不隨時間顯著改變。有數據表明，使用O. 5mg/cm2Pt的MFC能夠處理城市廢水。復合材料陽極制備1，陽極I用去離子水(DI)洗漆石墨租。用DI水洗漆膨脹石墨蝸桿(worms) (SuperiorGraphite)。用DI水洗滌Dow MARATHONtm 11陰離子交換珠。磨碎的珠通過在小的咖啡研磨器中研磨Dow MARATHONtm 11陰離子交換珠，接著用DI水洗滌而制備。等份的潮濕的膨脹石墨和陰離子交換珠用抹刀混合成均勻的糊劑。陽極腔室用一部分這種糊劑填充。膨脹石墨陽極制備1，陽極2陽極腔室用一陽極腔室體積的潮濕膨脹石墨填充。復合材料陽極制備2，陽極3用抹刀將等體積的潮濕膨脹石墨和陰離子交換珠混合成均勻的糊劑。陽極腔室用一部分這種糊劑填充。石墨氈陽極制備，陽極4和5將I. 5cmx3cmx0. 5cm的石墨租的片置于陽極腔室中。將使用如上所述的陽極如上所述組裝的電池置于流動系統(tǒng)中，該系統(tǒng)將來自儲罐的5mM乙酸酯(或鹽)，5mM碳酸氫鹽，ImM NH4Cl，ρΗ=8· 9，電導率=lmS/cm的進料溶液循環(huán)通過電池。具有陽極I和陽極2的電池以串聯的方式液壓(hydraulically)連接(即，來自第一個的流出物是去第二個的流入物)，和將具有陽極3和陽極4的電池以串聯的方式液壓連接。也將陽極溶液循環(huán)通過充分開發(fā)的微生物燃料電池，其具有第三石墨陽極，陽極5，以與兩對電池并聯的方式連接。在整個5天的期限里，從該電池取出的電流隨著該電池的開始而穩(wěn)定增加。在第7天，記錄該電池的電池電壓和電流數據。圖13顯示了使用陽極I至4的電池的電池電壓與電流密度的關系曲線。圖14顯示了陽極I至4的電池電壓與電流密度的關系。圖15是對于陽極I至4而言，從功率密度曲線獲得的電池電阻與從電池電壓獲得的電池電阻的條形圖。使用陽極5的電池在IOmM乙酸酯(或鹽)，IOmM碳酸氫鹽，IOmMNaCl, IOmM KCl，ImM NH4Cl，pH=8. 9，電導率=4. 6mS/cm的進料溶液上操作。圖16顯示具有陽極I，2和5的
電池在lmS/cm和4. 6mS/cm的電導率時，電池電壓與電流密度的關系曲線。圖17顯示出陽極1，2和5的功率密度與電流密度的關系曲線。圖18是對于陽極1，2和5，從功率密度曲線得到的電池電阻和從電池電壓得到的電池電阻的條形圖。
權利要求
1.一種微生物燃料電池，其包括 A)含有一種或者多種導電材料的陽極，其設置用來提供電子穿過該導電材料的流路，并且用來形成流體物質穿過在該導電材料中形成的通道的流路； B)與所述陽極電接觸的生電微生物； C)含有一種或多種導電材料的陰極，該陰極適合于使得該陰極能夠與含氧流體接觸； D)置于所述陽極和所述陰極之間的陰離子交換膜； E)電子導管，其與所述陽極和所述陰極二者接觸形成回路；和， F)將流體物質引導到陽極的裝置，其中所述流體以基本上平行于所述離子交換膜的一個表面的方向流過所述陽極。
2.根據權利要求I的微生物燃料電池，其中所述陽極和所述陰極中之一或者二者位于密封的腔室中。
3.根據權利要求2的微生物燃料電池，其中所述陽極在陽極腔室中，其中所述腔室具有適合于引入含有可生物降解材料的流體的入口和用于從所述腔室除去流體的出口。
4.根據權利要求2的微生物燃料電池，其中所述陰極腔室適合于將含氧氣體引入所述腔室，從而使所述含氧氣體置于與所述陰極接觸。
5.根據權利要求I的微生物燃料電池，其適合于置于含有可生物降解材料的流體的容器中。
6.根據權利要求I的微生物燃料電池，其中所述陰極是對空氣敞開的。
7.根據前述權利要求中任一項的微生物燃料電池，其中所述陰極還含有用于氧的還原反應的催化劑。
8.根據前述權利要求中任一項的微生物燃料電池，其中所述陽極和陰極鄰近所述陰離子交換膜放置。
9.根據權利要求I的微生物燃料電池，其中所述膜具有兩個表面，所述陰極支撐于所述膜的一個表面上，其中該膜的支撐陰極的表面與含氧氣體接觸。
10.根據前述權利要求中任一項的微生物燃料電池，還包括連接至該回路的負載。
11.根據前述權利要求中任一項的微生物燃料電池，其中在所述陰極上的催化劑裝載量為約O. IOmg或更少的催化劑每平方厘米所述陰極的投影表面積。
12.根據前述權利要求中任一項的微生物燃料電池，其能夠在不添加緩沖液的情況下工作。
13.根據權利要求I或2中任一項的微生物燃料電池，其中所述陽極是厚度為約I至約10毫米的片材狀形狀。
14.一種微生物燃料電池，其包括 A)含有一種或者多種導電材料的陽極，其設置用來提供電子穿過該導電材料的流路，并且用來形成流體物質穿過在該導電材料中形成的通道的流路； B)與所述陽極電接觸的生電微生物； C)含有一種或多種導電材料的陰極，該陰極適合于使得該陰極能夠與含氧氣體接觸； D)具有兩個相對的表面的置于所述陽極和所述陰極之間的隔板； E)電子導管，其與所述陽極和所述陰極二者接觸形成回路；和， F)將流體物質引導到陽極的裝置，其中所述流體以基本上平行于所述隔板的一個表面的方向流過所述陽極。
15.—種方法,其包括 A)提供根據權利要求I至14中任一項的微生物燃料電池； B)使所述含有可生物降解材料的流體在微生物存在下流過所述陽極； O使所述陰極與含氧氣體接觸； D)從所述陽極的位置除去所述流體。
16.根據權利要求15的方法，其中使所述含有可生物降解材料的流體連續(xù)流過所述陽極，和使所述陰極與所述含氧氣體持續(xù)接觸。
17.權利要求15或16的方法，其中所述燃料電池在使得燃料電池電壓在O.2至O. 4伏特之間的條件下操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及微生物燃料電池，其包括:A)含有一種或者多種導電材料的陽極，其設置用來提供電子穿過該導電材料的流路，并且用來形成流體物質穿過在該導電材料中形成的通道的流路，B)與所述陽極電接觸的生電微生物，C)置于流體中的可生物降解材料，D)含有一種或多種導電材料的陰極，使該陰極適應使得該陰極能夠與含氧氣體接觸，E)置于所述陽極和所述陰極之間的陰離子交換膜;和，F)電子導管，其與所述陽極和所述陰極二者接觸形成回路。
文檔編號H01M8/16GK102893437SQ201180024690
公開日2013年1月23日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月19日
發(fā)明者S.A.沃林, S.T.馬圖希 申請人:陶氏環(huán)球技術有限責任公司