微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供其中MFC為非連續(xù)流動連通的微生物燃料電池（MFC）的裝置、運(yùn)行該裝置的方法、使用該裝置來制備氫氣和產(chǎn)生電能的方法、用于該裝置的消化器以及提高該裝置輸出功率的方法。
【專利說明】微生物燃料電池
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微生物燃料電池(MFC)、MFC的裝置、和MFC的操作方法。特別地，本發(fā)明涉及MFC在例如廢水處理應(yīng)用中的用途。
[0002]發(fā)明背景
[0003]MFC是可將生化能轉(zhuǎn)化為電能的非常成熟的生物電化學(xué)轉(zhuǎn)換器。其通過作為生物催化劑的微生物將有機(jī)原料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電。其基本操作原理——即從水性燃料源提取電子并將其轉(zhuǎn)移至電極表面——與常規(guī)燃料電池具有某些相似之處。
[0004]MFC通常包括殼體、陽極室、陽極、陰極、質(zhì)子交換膜(PEM)窗口(window)、陽極液進(jìn)料和陽極液出料。MFC可以各種方式進(jìn)料，從手動周期性進(jìn)料或自動周期性進(jìn)料(使用簡單的機(jī)械閥)到連續(xù)流入一系列的獨(dú)立MCF之內(nèi)或之間。一般而言，該陽極室除以下部位以外均被密封至外部:PEM窗口 ；連接至陽極的導(dǎo)線，其穿過容器殼體而被密封；陽極進(jìn)料/出料管，其被密封至外部并將MFC單元連接在一起。
[0005]MFC代表用于可持續(xù)能源生產(chǎn)和廢物處理的有前景的技術(shù)。其可以通過利用陽極室中代謝原料中的有機(jī)組分的微生物群落從燃料源例如廢水中提取能量。由該反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外部連接的電路從陽極流向陰極，由此產(chǎn)生電荷或電流。質(zhì)子和電子在陰極處結(jié)合，使氧氣還原為水。存在一些影響能量產(chǎn)生和MFC性能的限制因素。其包括燃料氧化的速率和電子通過微生物向陽極轉(zhuǎn)移的速率、質(zhì)子通過PEM向陰極遷移的速率以及陰極處氧氣供給的速率和還原反應(yīng)的速率。
[0006]大部分已有系統(tǒng)包括具有多個陽極和陰極的單個MFC、或牢固地機(jī)械連接在一起但并非流體分離的堆疊式MFC，這使得單獨(dú)的MFC無法從堆疊中移除。這可能是低效率的，原因是不同的燃料源可能需要不同的時間長度或細(xì)菌群落以確保原料完全分解。因此，MFC或電極裝置的靈活度是有利的。
[0007]水工業(yè)是能源密集型的并且消耗英國所用總能源的約3%。水工業(yè)每年排放約4百萬噸的溫室氣體(CO2等價物)，雖然這僅占小于英國總排放量的1%，但排放量在逐年遞增。水管理和能源管理是相互關(guān)聯(lián)的問題；處理廢水需要大量的能源，并且不斷嚴(yán)格的水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)使能源用量增加。地區(qū)環(huán)境和全球環(huán)境將受益于能源使用的減少和水質(zhì)的提高。就廢水處理過程中可減少能源使用的技術(shù)而言，仍存在明顯不能滿足的需求。
[0008]如上所述，MFC的主要應(yīng)用之一為用于廢物清理，例如得自產(chǎn)生生物能的廢物、堆月巴、城市廢物、食物和生物廢物、填埋場和廢水。另一個可能的應(yīng)用為用于低功率系統(tǒng)的發(fā)電:電子產(chǎn)品、筆記本電腦、LED、小型傳感器、微處理器、腕表、鐘、計算器、驅(qū)動電扇及玩具/機(jī)器人的輪子、為小型裝置例如移動電話和1-Pod充電、為大型裝置例如筆記本電腦、直流(DC-Operated)冰箱/冰柜以及USB供電的顯微鏡充電的直流電動機(jī)?；蛘?，MFC還可以用于對所述裝置的內(nèi)置電池再充電。
[0009]除了對環(huán)境友好以外，MFC的加工成本低，并且由MFC產(chǎn)生的能量可以連續(xù)數(shù)月或數(shù)年。現(xiàn)有的MFC提供了高的基質(zhì)-電轉(zhuǎn)化效率，但能量轉(zhuǎn)化率低(Ieropoulos etal.，2008)。通常具有25毫升陽極室和氧氣擴(kuò)散陰極以及純碳紗電極(carbon veilelectrodeM^MFC的持續(xù)輸出電壓約為0.5V(開路)?，F(xiàn)已報道，在特定條件下由單個MFC得到的更高開路值為IV，其與1.14V的理論最高值最接近。因此，為了產(chǎn)生足夠的電壓(1.5V)和/或功率以位于硅基電路的操作范圍內(nèi)，必須放大單個單元(但這不能增加電壓)或?qū)⒍鄠€單元連接在一起。
[0010]由于MFC的最大輸出電功率與原料中有機(jī)材料的基質(zhì)利用率直接成比例，因此所有增加堆疊式MFC輸出功率的機(jī)制均可自動地轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒂袡C(jī)廢物轉(zhuǎn)化為危害較小的液體排出物的系統(tǒng)的速率和效率。因此，如上列出的此兩種可能的應(yīng)用是緊密相關(guān)的，并且提高一種應(yīng)用效率即可能提高另一種應(yīng)用的效率。[0011]MFC中的電極可由多種材料制成。所述電極必須具有高電導(dǎo)率和供細(xì)菌建群的高表面積，以及減少擴(kuò)散限制的高孔隙率。鑒于這些原因，通常使用碳纖維紗(carbon-fibreveil)。
[0012]PEM也可以由多種材料制備。不同的材料具有不同的性能，并且一些更易于極性反轉(zhuǎn)，而另一些能夠更好地阻止特定陽離子的流動。這對于僅需要?dú)潆x子到達(dá)陰極的特定應(yīng)用是重要的，但這一應(yīng)用不適于廢水處理。
[0013]用于制備MFC自身殼體的材料可根據(jù)應(yīng)用而改變，但通常使用塑料、陶瓷、軟聚合物和涂覆的金屬合金。塑料材料主要為熱塑性類，原因是這種材料價廉且能夠進(jìn)行快速的大規(guī)模加工。
[0014]如上所述，已表明優(yōu)化輸出功率(由此優(yōu)化“廢物”利用)的方法是通過連接在一起的多個較小的MFC實現(xiàn)的,而非通過更大的單個電池實現(xiàn)的(Ieropoulos et al., 2008)。然而，關(guān)于這一點，在本領(lǐng)域內(nèi)仍存在爭論，有些認(rèn)為更大的電池——其也可以在單電池內(nèi)包括多個電極——更好(Jiang et al.，2011和Scott et al.，2007)。將多個較小的MFC連接的優(yōu)勢在于，較小的MFC的數(shù)量可隨著需求的變化而改變。為了增加現(xiàn)有堆疊式MFC的輸出功率，已將電池串聯(lián)起來，同時有連續(xù)的液體原料流在各個電池之間流動。
[0015]存在多個MFC串聯(lián)連接裝置的多種實例(參見例如W02010/049936、US2007/0048577和US2010/0003543)。然而，在這些文件中公開的裝置中，MFC呈液體連通并因此是流體連接的?，F(xiàn)已表明，如MFC為流體連接的，則無法達(dá)到最大功率。Ieropouloset al.，2008證實，獨(dú)立MFC堆的電壓比流體連接堆的電壓高3倍。該差異的原因可能是因“短路”現(xiàn)象而導(dǎo)致的高分流損耗。這一現(xiàn)象在MFC串聯(lián)電連接(以逐步升高電壓)時發(fā)生，但使MFC連接在一起的流體連接與其相反，使單元處于相當(dāng)于并聯(lián)連接的狀態(tài)。這導(dǎo)致電壓輸出低于預(yù)期值。分流損耗可通過使電池以串聯(lián)/并聯(lián)方式連接而降低，但不能消除。當(dāng)流體介質(zhì)具有高含量的鹽電解質(zhì)時該損耗甚至更大。
[0016]流體連通性還會導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)，極性反轉(zhuǎn)繼而會降低電池的輸出功率(Ieropoulos et al.，2010)。堆中的極性反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的原因是:有缺陷的MFC單元產(chǎn)生比堆中其他MFC更高的內(nèi)阻。這可能是由于燃料饑餓(starvation)、重負(fù)載(heavy loading)引起的，但更經(jīng)常的是由膜污染引起的。此情況下，陽極室中的溶液所帶負(fù)電荷變少。如果連接在陽極和陰極之間的負(fù)載具有足夠低的電阻以使此時稀缺的電子以極低的速率流動，這會使陽極的電負(fù)性進(jìn)一步降低。這對裝置的輸出功率具有不利影響。
[0017]已表明，MFC的陰極鍍銅會增加碳電極的導(dǎo)電性，以及具有其他有益的作用。US2010/0151279公開在MFC中使用鍍銅陰極。然而，該專利公開涉及單個MFC，并未提及或暗示多個MFC連接在一起時銅可能的作用。銅僅作為加強(qiáng)陰極所需反應(yīng)的許多可能的電鍍材料之一提及。US2010/0151279未提供銅作為涂層材料進(jìn)行測試的證據(jù)或使輸出功率提高的證據(jù)。
[0018]發(fā)明概述
[0019]本發(fā)明涉及MFC的裝置，其中MFC呈非連續(xù)流動連通。優(yōu)選地，所述裝置包括置于各個MFC之間的電絕緣材料，其抑制電子流過流體并由此破壞流體的流動連通。優(yōu)選地，所述裝置為級聯(lián)裝置，其中來自一個MFC中的陽極室的流出物流入級聯(lián)裝置的下一個MFC的陽極室。
[0020]在一個優(yōu)選的實施方案中，電絕緣材料為氣隙(gas-gap)。氣體層可通過置于陽極室頂部下方的溢流口溢流產(chǎn)生。當(dāng)一定體積的流體進(jìn)入陽極室時，新的流體將通過溢流管置換等體積的流體。然后該流體進(jìn)入級聯(lián)裝置的下一個MFC，置換該MFC陽極室的流體。這能夠確?？偸怯幸粚託怏w存在于各個陽極室的頂部。在一個實施方案中，所述氣體為空氣。在流體不在MFC間移動的期間，這使各個MFC的流體分離。
[0021]在另一個優(yōu)選的實施方案中，裝置中的MFC為脈沖進(jìn)料。這產(chǎn)生了確定的時間周期，其中流體不在陽極室之間移動并因此使陽極室流體分離?？烧{(diào)整脈沖寬度和頻率以及由此產(chǎn)生的分離寬度和頻率以使效率最大化，以例如處理非常稀的基質(zhì)。優(yōu)選地，陽極室中約50%的流體每隔幾小時在幾秒內(nèi)被置換。
[0022]在另一個優(yōu)選的實施方案中，級聯(lián)裝置為重力進(jìn)料，由此減少從一個MFC向另一個MFC移動流體所需的能量。在其他實施方案中,裝置可以通過風(fēng)力或電力驅(qū)動。
[0023]根據(jù)系統(tǒng)要求和環(huán)境條件，陰極可以是開放式的或封閉式的，或使用混合陰極。開放式陰極優(yōu)選使用滴注進(jìn)料、優(yōu)選使用雨水保持潮濕。雨水可以自級聯(lián)頂部的水頭(waterhead)供給。盡管滴注進(jìn)料的速率通常設(shè)置為盡可能低以確保陰極無停滯地保持潮濕并確保滴注進(jìn)料包含非連續(xù)的液滴而非連續(xù)流，但是可以對滴注進(jìn)料的速率進(jìn)行調(diào)整以調(diào)節(jié)蒸發(fā)損耗和空氣濕度。
[0024]在至少一個MFC中也可以使用鍍銅陰極，以增加輸出功率。用銅電鍍相對簡單易行、有效且相對價廉。銅的濃度可進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化輸出功率?？梢允褂玫臐舛葹榧s5%至約60%w/v,優(yōu)選約10%至約50%w/v,更優(yōu)選約30%至約45%w/v,在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所用的銅的濃度為約40%w/v。
[0025]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，在至少一個MFC中使用一個或多個離子交換膜。離子交換膜可以是陽離子交換膜或陰離子交換膜。合適的離子交換膜還包括Hyflon?離子膜、合成膠原蛋白膜、合成乳膠膜和動物皮膜。優(yōu)選地，離子交換膜為質(zhì)子交換膜(PEM)。PEM可以是聚合物膜或復(fù)合膜，合適的材料包括但不限于Nafion?、Ultrex?、陶瓷和陶土。優(yōu)選地，PEM為陶瓷。本發(fā)明MFC中所用PEM的形狀和裝置可以根據(jù)各MFC的設(shè)計而變化，然而，當(dāng)PEM為陶瓷時，優(yōu)選平瓦片或中空圓柱結(jié)構(gòu)。當(dāng)PEM為圓柱形時，陽極可以插入圓柱體內(nèi)部并且陰極可以纏繞在圓柱體的外部。
[0026]優(yōu)選地，本發(fā)明的裝置可以通過增加各個級聯(lián)中MFC的數(shù)量或通過增加得自單個原料池的級聯(lián)的數(shù)量而放大。這可以確保在基質(zhì)非常稀的情況下將基質(zhì)完全移除，或可被用以處理更高濃度的基質(zhì)，同時產(chǎn)生更多能量。單個MFC單元可以是定型設(shè)計使得所述單元可以機(jī)械搭接以彼此扣合從而放大所述級聯(lián)裝置。
[0027]已知混合微生物群落優(yōu)于單一培養(yǎng)物?？梢匝刂景l(fā)明的級聯(lián)裝置改變混合微生物群落，使得級聯(lián)裝置中上游的MFC具有與較下游的MFC不同的微生物群落。優(yōu)選地，更有效的耐氧微生物存在于級聯(lián)裝置的較上游(其中流入基質(zhì)具有更高的氧濃度)，而更有效的厭氧微生物存在于較下游?；旌先郝湓谑褂冒鞣N化合物的原料時更有效，而個體物種在分解特定化合物方面更佳。所述群落還可以隨原料中的主基質(zhì)改變。
[0028]單一培養(yǎng)物可優(yōu)選用于某些應(yīng)用，例如當(dāng)試圖清理特定類型的已知原料和/或由特定類型的已知原料生產(chǎn)能量時。根據(jù)應(yīng)用，群落或單一培養(yǎng)物在堆的不同區(qū)域還可以是不同的，可以使用微孔過濾器來確保特定群落或單一培養(yǎng)物不被從級聯(lián)上游位置的MFC進(jìn)入的細(xì)菌改變。
[0029]本發(fā)明還提供分解級聯(lián)裝置上游的較大化合物的方法，其通過包括更有效地分解級聯(lián)裝置上游的較大化合物的細(xì)菌群落，使得原料可被下游的細(xì)菌群落更有效地利用而進(jìn)行。
[0030]本發(fā)明還提供MFC的裝置，其包括用于分解較大化合物、顆粒和固體的消化器。所述消化器的作用為將有機(jī)原料中的較大分子、顆粒和固體分解為較小的分子，隨后該較小的分子在MFC裝置中得到更有效地分解。流入消化器中的流入物可以來自原料池自身(在原料通過MFC級聯(lián)裝置之前)，或可以來自級聯(lián)的MFC之一(當(dāng)較大分子的濃度更高時)。排出物可以經(jīng)由溢流口溢流一其通向級聯(lián)裝置的MFC—從消化器流出。這使消化更有效。
[0031]優(yōu)選地，將混合群落也用在消化器中以提高消化的效率。所述群落優(yōu)選在分解較大分子方面也是有效的。更優(yōu)選地，所述群落在分解較大分子方面比存在于MFC級聯(lián)中的群落更有效。優(yōu)選地，提供一種讓原料在消化器中進(jìn)行混合的設(shè)備。
[0032]優(yōu)選地，級聯(lián)裝置還具有用于動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)例如負(fù)載、流速以及多個MFC的串聯(lián)或并聯(lián)連接的自動控制器，以保持最大功率轉(zhuǎn)化和最大能量提取條件。
[0033]本發(fā)明還提供一種從廢物中除去可能有害的化合物的方法，所述方法包括使廢物通過本發(fā)明的級聯(lián)裝置。還提供一種產(chǎn)生電能的方法，所述方法包括使燃料源通過本發(fā)明的級聯(lián)裝置。所述燃料源可以為尿、污水或食物廢物。優(yōu)選地，可能有害的化合物也被除去?？蓪λ龇椒ㄟM(jìn)行調(diào)整以使用廁所作為原料蓄積池。
[0034]通過從食物廢物、尿或污水產(chǎn)生電能，可從原本不使用的燃料源得到能量?？赡苡泻Φ漠a(chǎn)品的去除是指本發(fā)明MFC級聯(lián)中未得到利用的任何廢物可以安全地丟棄。
[0035]還提供一種制備氫氣的方法，所述方法包括使廢物通過本發(fā)明的級聯(lián)裝置并收集產(chǎn)生的氫氣。優(yōu)選地，裝入陰極半電池且使其缺氧。還優(yōu)選存在用于收集所述裝置中包含的氫氣的特定機(jī)構(gòu)。
[0036]本發(fā)明還提供用于MFC級聯(lián)以提高有機(jī)分子分解效率的消化器。優(yōu)選地，所述消化器包括灌注基質(zhì)生物膜(perfusion matrix biofilm)和消化室(stomach)。所述消化器還優(yōu)選包括混合細(xì)菌群落，其在分解大分子方面是有效的。在另一個實施方案中，可以控制消化器中的環(huán)境以使參數(shù)例如細(xì)菌生長速率和酶產(chǎn)量最大化。
[0037]優(yōu)選地，所述消化器為重力進(jìn)料以降低能量消耗。更優(yōu)選地，消化器的消化室是柔韌的，以使得可混合原料及控制溢流口溢流的高度。還提供了一種混合原料以提高消化速率的方法。甚至更優(yōu)選地，所述消化器為透明的，使得可監(jiān)測沉降。[0038]還提供一種通過選擇特定的細(xì)菌物種使本發(fā)明MFC裝置中的分子水解效率最大化的方法。這可以通過在灌注基質(zhì)生物膜上制備混合細(xì)菌群落實現(xiàn)。所述基質(zhì)還可以是電極。那些在生物膜上生長得最好的物種將滲入消化器中，從而使消化器自身的效率最大化。選擇還可以通過僅在大化合物上進(jìn)料細(xì)菌群落進(jìn)行，原因是那些對于分解大化合物有效的物種會超過對分解大化合物無效的物種。更多輪的生物膜選擇可用于進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)菌群落。還提供了一種可從一個消化器植入另一個消化器以引發(fā)新群落的灌注基質(zhì)生物膜。
[0039]還提供一種提高本發(fā)明MFC裝置輸出功率的方法，所述方法包括使用消化器將待通過MFC裝置的原料進(jìn)行預(yù)消化。還提供一種從原料中除去大化合物的方法，所述方法包括在消化器中對原料進(jìn)行預(yù)消化，然后讓原料通回至本發(fā)明的MFC裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]本發(fā)明的實施方案將僅通過示例的方式參考附圖圖1至11進(jìn)行描述，其中:
[0041]圖1為本發(fā)明的裝置中所用MFC的示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明多個MFC級聯(lián)裝置的橫截面；
[0043]圖3為圖1的MFC陽極室的示意圖，包括氣體收集器和溢流口、PEM和空氣陰極；
[0044]圖4示出了圖2的級聯(lián)裝置可進(jìn)行放大的方式；
[0045]圖5示出了開放式碳紗電極上具有銅鍍層的單個MFC中電流密度變化時，功率密度和電壓如何變化；
[0046]圖6示出了極化試驗產(chǎn)生的功率曲線，所述試驗使用相同的MFC但用不同的銅濃度作為陰極上的催化劑鍍層；
[0047]圖7為可并入圖2的級聯(lián)裝置的消化器的示意圖；且
[0048]圖8為可并入圖2的級聯(lián)裝置的另一種消化器的示意圖。
[0049]圖9示出了 6個MFC的級聯(lián)在不同裝置中測試時產(chǎn)生的功率曲線的對比。
[0050]圖10示出了 7個流體連接的MFC的級聯(lián)以并聯(lián)或串聯(lián)的方式電連接時產(chǎn)生的功率曲線的對比。(a)進(jìn)料5mM乙酸鹽(b) IOmM乙酸鹽。
[0051]圖11示出了由2個設(shè)有氣隙的陶瓷MFC級聯(lián)產(chǎn)生的功率曲線的對比。(a)陽極為間歇進(jìn)料(脈沖進(jìn)料)模式(b)陽極以連續(xù)流進(jìn)料。原料含有5mM乙酸鹽。
[0052]實施方案描述
[0053]微生物燃料電池
[0054]圖1示出了 MFC0，其包括塑料材料制成的殼體1、碳紗陽極2、碳紗陰極3、陽極室
4、陰極液滴注盤5和進(jìn)口管6。陽極室4內(nèi)為溢流管7，其促使在陽極室4的頂部產(chǎn)生一層電絕緣材料8。此情況下，所述電絕緣材料為空氣。所述MFCO為堆疊式相似MFC (未示出)的一部分，所述MFC在級聯(lián)裝置中排布以使流體可沿著所述級聯(lián)從一個MFC流入另一個MFC。
[0055]操作過程中，液體原料例如廢水從進(jìn)口管6進(jìn)入陽極室4。所述進(jìn)口管6既可以連接自進(jìn)料池也可以連接自級聯(lián)的前一個MFC。所述陽極室4填充有流體至液位到達(dá)溢流管7的水平。然后流體從陽極室4溢出，沿著溢流管7進(jìn)入級聯(lián)的下一個MFC或進(jìn)入廢液輸出口，由此在陽極室4頂部產(chǎn)生一層電絕緣材料8 (此情況下為空氣)。優(yōu)選地，所述陽極室4為脈沖進(jìn)料，以使一定體積的流體通過進(jìn)口管6進(jìn)入并通過溢流管7置換相同體積的流體。[0056]碳紗陰極3在MFCO的外部上并通過流體滴注進(jìn)料9而保持潮濕。當(dāng)處理廢水時，所述流體可以是雨水，并且可以來自蓄水池或來自MFC堆中位于所述MFC上方的MFC。流體滴注進(jìn)料9的速率可以進(jìn)行調(diào)整以使其包括獨(dú)立的液滴而不是連續(xù)的水流。所述流體滴注進(jìn)料9沿著碳紗陰極3流至陰極液滴注盤5上。然后，所述流體滴注進(jìn)料9從陰極液滴注盤5滴至級聯(lián)裝置的下一個MFC的碳紗陰極上。
[0057]微生物燃料電池的一個級聯(lián)裝置
[0058]圖2示出包括圖1的MFCO的級聯(lián)裝置10。電池布置于斜面上并由此進(jìn)行重力進(jìn)料。級聯(lián)的頂部為集水水箱(water header tank) 11和有機(jī)原料池12。所述集水水箱11提供流體滴注進(jìn)料9以使碳紗陰極3保持潮濕。如圖1所示，所述流體滴注進(jìn)料9從集水水箱11沿著碳紗陰極3流至陰極液滴注盤5上，流體滴注進(jìn)料9從陰極液滴注盤5滴至級聯(lián)裝置的下一個MFC上。
[0059]所述有機(jī)原料池12通過進(jìn)口管6將有機(jī)原料進(jìn)料至MFCO的陽極室4中。所述陽極室4的液面上升直至其達(dá)到溢流管7。然后，流體沿著溢流管7由重力驅(qū)動流入級聯(lián)裝置10的下一個MFC的陽極室4中。
[0060]級聯(lián)頂部的MFC自有機(jī)原料池12脈沖進(jìn)料。脈沖進(jìn)料的頻率和體積由操作者使用旋塞或閥門設(shè)定。所述旋塞或閥門可以使用水重力動力、風(fēng)力或由MFC裝置產(chǎn)生的電力控制。例如，每隔幾個小時可以用活塞體積(plug volume)的原料快速置換50%的陽極體積，所述置換僅需要幾秒鐘以脈沖并流入到位。
[0061]當(dāng)所述流體原料的脈沖給予上游的MFC時，流體原料將通過溢流口溢流混入、置換或交換陽極室中預(yù)先存在的等體積流體。流體水平由溢流口的位置而設(shè)定。對溢流口進(jìn)行設(shè)定以在溢流口和陽極室頂部之間留有一層氣體，如圖3所示。
[0062]圖3為MFC的陽極室4的示意圖，更詳細(xì)地示出進(jìn)口管6、電絕緣材料層8、溢流管
7、碳紗陽極2、碳紗陰極3、陰極液滴注盤5和流體滴注進(jìn)料9。圖3還示出PEM窗口 13的位置。水連續(xù)地滴在燃料電池外部的陰極上。液滴盤5 (角度略向下且遠(yuǎn)離陰極)有助于確保流體確實以非連續(xù)的液滴流下而非連續(xù)的流體流。流速可以為補(bǔ)償蒸發(fā)損耗而增加，或在空氣潮濕或濕潤時(例如下雨)降低。
[0063]陽極室4除PEM窗口 13、進(jìn)料/出料管(其雖然也被密封至外部，但將MFC單元連接在一起)和連接至碳紗陽極2的導(dǎo)線(其通過容器壁密封)外均被密封至外部。因此，(除短時間進(jìn)料過程中液體移動的時間外)有大量時間(通常幾小時)使MFC單元通過所有單元之間的氣隙而呈流體分離。這使電子流因各單元之間的流體傳導(dǎo)而得到緩和。
[0064]微生物燃料電池的多個級聯(lián)裝置
[0065]為增加電壓，電極輸出可以串聯(lián)連接，為增加電流，電極輸出可以并聯(lián)連接。為了更有效地分解基質(zhì)以確保更完全地除去基質(zhì)或處理極稀的基質(zhì)，既可以增加級聯(lián)裝置中MFC的數(shù)量也可以降低脈沖進(jìn)料的速率(使得MFC具有在可用原料沿著級聯(lián)移動之前對其進(jìn)行利用的更長的水力停留時間)。根據(jù)所利用的原料的類型，可以通過延長級聯(lián)(增加每個級聯(lián)的MFC的數(shù)量)或從原始的原料池開始增加所述級聯(lián)的數(shù)量來擴(kuò)展所述裝置。
[0066]圖4表明圖1的MFC的級聯(lián)裝置10如何放大。圖4a中，級聯(lián)裝置10通過在級聯(lián)裝置10底部添加額外的MFCO而放大。圖4b示出通過添加均得自單個集水水箱的其他級聯(lián)裝置而放大的級聯(lián)裝置10。圖4b中，所述級聯(lián)通常比圖4a中的級聯(lián)短。[0067]鍍銅陰極
[0068]圖5示出電壓和功率密度如何隨著電路密度的變化而變化。該試驗在一個碳紗陰極上具有銅涂層的MFC中進(jìn)行。該圖表明，相同的電負(fù)載條件下，銅產(chǎn)生的功率是其他任意所測試催化劑的至少兩倍，由此說明銅作為鍍層材料的適宜性。
[0069]圖6示出由極性試驗——使用相同的MFC但以不同的銅濃度作為陰極上的催化劑涂層——產(chǎn)生的功率曲線。該圖顯示出了最優(yōu)的銅濃度，并顯示出具有8% (w/v)銅的輸出功率和具有53% (w/v)銅的輸出功率是相近的。
[0070]消化器
[0071]圖7示出用于級聯(lián)裝置10中的消化器14，其包括消化室18、進(jìn)料16、出料15和灌注基質(zhì)生物膜17。消化室18的出料15可優(yōu)選隨后通過溢流口溢流進(jìn)料至級聯(lián)裝置10以增加輸出功率，原因是MFC中較難分解的較大的分子已部分消化。在原料通過級聯(lián)裝置10之前，進(jìn)料16可以來自原料池，或者當(dāng)較大分子的濃度較高時進(jìn)料16也可以來自級聯(lián)中的MFC之一通入消化室18。為使消化更有效，出料15可以隨后通回至級聯(lián)裝置10。
[0072]將混合微生物種群接種至灌注基質(zhì)生物膜17上，使有機(jī)原料從生物膜17上方經(jīng)過?；|(zhì)17也可以是電極。使用作為燃料源的原料時生長得最好的細(xì)菌物種以高于功能較弱的少量物種的速率從生物膜17流下。這些物種隨后用于消化室18以使原料部分消化，從而使級聯(lián)裝置10中的消化更有效，由此增加級聯(lián)自身的輸出功率?？梢宰屑?xì)控制這些生物膜17的環(huán)境以使生長速率和酶產(chǎn)率最大化。還可以通過使含有高濃度的這些較大分子的原料從上方通過灌注基質(zhì)生物膜17來選擇有助于使較大的分子水解和解聚的那些物種。
[0073]更多輪的生物膜選擇可以幫助選擇-富集功能菌群并由此提高消化的效率。將生物膜17移植至新啟動的消化器中也可以用于延長富集過程。消化器14還優(yōu)選地具有一種混合原料以增加水解速率的設(shè)備。
[0074]圖8示出另一種消化器的構(gòu)造。消化器19——其接收廢原料——包括透明且柔韌的消化室20。這使得原料的混合——其提高水解速率一一更易于出現(xiàn)。其還能夠監(jiān)測沉降。沉降對移除消化液(fluid digest)的頂層并使其通入下一階段而言是重要的。柔韌且透明的消化室20使得能夠調(diào)節(jié)消化室中溢流管的高度，由此使可除去的消化液的量最大化，而不除去任何固體顆粒。這會提高級聯(lián)裝置10輸出功率的效率，原因是MFC能夠更方便地消化不含大顆粒的液體原料。
[0075]氣隙(陰極半電池)對MFC性能的影響
[0076]MFC由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料制成。陽極體積為6mL和陰極體積為6mL，電極的表面積為180cm2。對于各個測試條件，將6個MFC排布于級聯(lián)內(nèi)并串聯(lián)電連接。隨后產(chǎn)生功率曲線以比較不同測試條件下的性能。
[0077]測試條件如下:
[0078]“連接的”:陰極室為水流過的流體連接；
[0079]“連接的+1個月”:一個月后再次對流體連接的陰極室進(jìn)行測試；
[0080]“連接的+2.5m管”:陰極室為流體連接并且水在各個室之間的長2.5米且內(nèi)徑為3mm的硅膠管中流動；
[0081]“氣隙”:6個陰極室之間的流體連接被中斷并引入約20-30_的氣隙作為6個陰極之間的分離物；
[0082]“氣隙+1個月”:1個月后再次對被氣隙分離的陰極室進(jìn)行測試。
[0083]圖9示出不同流體結(jié)構(gòu)下由相同MFC級聯(lián)產(chǎn)生的功率曲線的對比。左側(cè)的Y軸數(shù)據(jù)來自氣隙分離陰極時的試驗，右側(cè)的Y軸數(shù)據(jù)來自陰極為流體連接時的試驗。陽極始終被氣隙分離。
[0084]空心三角符號(Λ )表示來自MFC級聯(lián)的功率曲線性能，當(dāng)陰極用內(nèi)徑為3mm的硅膠管(長20-30mm)流體連接時，產(chǎn)生6.4uff的輸出功率峰值。倒置的空心三角符號表示相同MFC級聯(lián)的功率性能，當(dāng)I個月后進(jìn)行極性試驗(為了重現(xiàn)性)時，產(chǎn)生4.6uff的輸出功率峰值?？招牧庑畏柋硎鞠嗤询B/級聯(lián)的功率性能，此時MFC的陰極為以長2.5米的硅膠管(內(nèi)徑為3mm)流體連接的。流速足以使相互連接的管保持充滿液體(水)且輸出功率峰值為2.8uW。
[0085]空心方塊符號表示來自相同堆疊的功率性能，此時陰極被20_30mm長的氣隙分離(絕緣)。在此條件下的來自級聯(lián)的輸出功率峰值為175uW?？招膱A符號表示以氣隙分離陰極的MFC級聯(lián)的功率性能，只是該試驗在I個月后進(jìn)行(為了重現(xiàn)性)。該試驗的輸出功率峰值為334uW。
[0086]圖10示出了由7個流體連接的微型MFC (非陶瓷的)級聯(lián)產(chǎn)生的功率曲線。其凸顯了兩種濃度的乙酸鹽原料下串聯(lián)連接和并聯(lián)連接之間因分流損耗而導(dǎo)致了相當(dāng)大的差
巳
[0087]兩個具有圓柱形陶瓷PEM的MFC以并聯(lián)或串聯(lián)的方式電連接并將分批進(jìn)料模式或在級聯(lián)方式下進(jìn)行連續(xù)流操作以使離開一個MFC的排出液進(jìn)入下一個MFC進(jìn)行對比。在這些MFC中形成30mm的氣隙，從而無需流體連接。圖11表明，與使用流體連接的MFC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相比(圖10)，串聯(lián)和并聯(lián)連接情況下的性能無論是分批進(jìn)料還是以連續(xù)流進(jìn)料均更具可比性。
[0088]參考文獻(xiàn)
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【權(quán)利要求】
1.一種多個微生物燃料電池(MFC)的裝置，其中，所述MFC是非連續(xù)流動連通的。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述流動連通的非連續(xù)性來自相鄰MFC之間的電絕緣材料層。
3.權(quán)利要求1或2的裝置，其中，單個MFC置于級聯(lián)裝置中，所述級聯(lián)裝置中的上游MFC陽極室的流出物進(jìn)入下游MFC的陽極室。
4.權(quán)利要求2或3的裝置，其中，所述電絕緣材料為氣體。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中所述氣體為空氣。
6.權(quán)利要求4或5的裝置，其中，溢流口溢流將過量的原料由陽極室移除并使所述原料流入級聯(lián)中下一個MFC的陽極室，由此在各陽極室頂部產(chǎn)生空氣層。
7.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其包括連接單個MFC的設(shè)備，該設(shè)備使得所述連接能夠由使用者控制。
8.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，所述MFC為脈沖進(jìn)料。
9.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，所述裝置中的MFC為重力進(jìn)料。
10.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，所述裝置中的至少一個陰極是開放式的且所述裝置中的至少一個陰極是封閉式的。
11.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，使用至少一個開放式陰極且所述開放式陰極保持潮濕。`
12.權(quán)利要求11的裝置，其中，所述開放式陰極使用滴注進(jìn)料保持潮濕。
13.權(quán)利要求12的裝置，其中所述滴注進(jìn)料包括雨水。
14.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，所述陰極是鍍銅的。
15.權(quán)利要求14的裝置，其中，調(diào)節(jié)銅的濃度以優(yōu)化輸出功率。
16.權(quán)利要求15的裝置，其中，銅的濃度為約40%。
17.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，至少一個MFC包括陶瓷質(zhì)子交換膜(PEM)。
18.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，單個MFC裝配在一起。
19.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，上游MFC的細(xì)菌群落構(gòu)成不同于下游MFC中的細(xì)菌群落構(gòu)成。
20.權(quán)利要求19的裝置，其中，所述上游MFC的細(xì)菌群落中存在更多的耐氧細(xì)菌，且所述下游MFC的細(xì)菌群落中存在更多的厭氧細(xì)菌。
21.權(quán)利要求19或20的裝置，其中，所述上游MFC的細(xì)菌分解原料中的大化合物，使得所述大化合物可以被級聯(lián)裝置中更下游的細(xì)菌群落更有效地分解。
22.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其包括含有細(xì)菌群落的消化器，所述消化器進(jìn)料至級聯(lián)裝置中。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中，所述細(xì)菌群落為混合的。
24.權(quán)利要求22或23的裝置，其中，所述消化器用于分解較大的分子。
25.權(quán)利要求22至24中任一項的裝置，其中，所述消化器直接從原料池進(jìn)料。
26.權(quán)利要求22至24中任一項的裝置，其中，所述消化器從級聯(lián)裝置中的MFC進(jìn)料。
27.權(quán)利要求22至26中任一項的裝置，其中，流體原料可以用溢流口溢流而從消化器中移除，然后導(dǎo)入至級聯(lián)裝置的MFC。
28.權(quán)利要求22至27中任一項的裝置，其中，所述消化器中的原料可以是混合的。
29.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其包括一個用于控制參數(shù)的自動控制器，所述參數(shù)例如為負(fù)載、流速以及多個MFC以串聯(lián)或并聯(lián)連接。
30.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其還包括一個用于收集氫氣的機(jī)構(gòu)。
31.權(quán)利要求1至9和14至30中任一項的裝置，其中，所有陰極半電池均為封閉式的。
32.權(quán)利要求31的裝置，其中，所述陰極半電池為缺氧的。
33.上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中，所述MFC的陽極體積為0.1至10ml。
34.運(yùn)行上述任一項權(quán)利要求的裝置的方法，所述方法包括隨著條件的改變而監(jiān)控和調(diào)節(jié)參數(shù)，例如負(fù)載和流速。
35.運(yùn)行上述任一項權(quán)利要求的裝置的方法，所述方法包括通過連接或斷開串聯(lián)或并聯(lián)的MFC來改變所述裝置以適應(yīng)變化的運(yùn)行要求。
36.運(yùn)行上述任一項權(quán)利要求的裝置的方法，所述方法包括對上游MFC進(jìn)行脈沖進(jìn)料以使級聯(lián)中的MFC為非連續(xù)流動連通。
37.從廢物中除去可能有害的化合物的方法，其中，使所述廢物通過權(quán)利要求1至33中任一項的裝置。
38.權(quán)利要求37的從廢物中除去可能有害的化合物的方法，其中，所述廢物得自生物能產(chǎn)生、堆肥、城市廢物、食物和生物廢物、填埋滲濾液、廢水或尿。
39.一種產(chǎn)生電能的方法，其中所述電能通過使原料通過權(quán)利要求1至33中任一項的裝置而產(chǎn)生。`
40.一種制備氫氣的方法，所述方法包括使廢物通過權(quán)利要求1至33中任一項的裝置并收集產(chǎn)生的氣體。
41.一種消化器，其用于權(quán)利要求1至33中任一項的裝置。
42.權(quán)利要求41的消化器，其包括一個或多個灌注基質(zhì)生物膜。
43.權(quán)利要求42的消化器，其中所述基質(zhì)也為電極。
44.權(quán)利要求41至43中任一項的消化器，其包括混合的細(xì)菌群落。
45.權(quán)利要求44的消化器，其中，優(yōu)化所述混合細(xì)菌群落以分解大分子。
46.權(quán)利要求41至45中任一項的消化器，其中，仔細(xì)控制所述消化器的環(huán)境以使參數(shù)例如細(xì)菌生長速率和酶產(chǎn)率最大化。
47.權(quán)利要求41至46中任一項的消化器，所述消化器從原料池直接進(jìn)料。
48.權(quán)利要求41至46中任一項的消化器，所述消化器從權(quán)利要求1至32中任一項的裝置中的MFC進(jìn)料。
49.權(quán)利要求41至48中任一項的消化器，其中，所述消化器的流出物進(jìn)料至權(quán)利要求1至32中任一項的裝置中的MFC中。
50.權(quán)利要求41至49中任一項的消化器，所述消化器為重力進(jìn)料。
51.權(quán)利要求41至50中任一項的消化器，所述消化器是透明的。
52.權(quán)利要求41至51中任一項的消化器，所述消化器是柔韌的。
53.權(quán)利要求41至52中任一項的消化器，其包括溢流口溢流出料口。
54.一種提高輸出功率的方法，所述方法包括在原料通過權(quán)利要求1至33中任一項的裝置之前，使用權(quán)利要求41至53中任一項的消化器對該原料進(jìn)行預(yù)消化。
55.一種從原料中除去較大化合物的方法，所述方法包括在權(quán)利要求41至53中任一項的消化器中對所述原料進(jìn)行預(yù)消化。
56.一種提高消化速率的方法，所述方法包括在消化器中混合所述原料。
57.一種優(yōu)化權(quán)利要求44或45的混合細(xì)菌群落的方法，使用灌注基質(zhì)生物膜。
58.一種優(yōu)化權(quán)利要求44或45的混合細(xì)菌群落的方法，所述方法包括將僅含大分子的原料供給至所述群落。
59.一種優(yōu)化權(quán)利要求44或45的混合細(xì)菌群落的方法，所述方法包括使用另一輪生物膜選擇來選擇細(xì)菌物種。
60.一種灌注基質(zhì)生物膜，其可從一個消化器移植至另一個消化器以引發(fā)新的細(xì)菌種群。
61.權(quán)利要求60的灌注基質(zhì)生物膜，其中，所述基質(zhì)為可從一個消化器移植至另一個消化器以引發(fā)新的細(xì)菌種群的電極。
62.一種微生`物燃料電池(MFC)，其包括陶瓷質(zhì)子交換膜(PEM)。
【文檔編號】H01M8/16GK103518282SQ201280022758
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月9日
【發(fā)明者】J·格倫曼, A·I·耶羅普洛斯 申請人:英國西英格蘭大學(xué)，布里斯托爾