电解质增强的微生物燃料电池的制作方法

专利名称：电解质增强的微生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及微生物燃料电池。本发明还涉及改善使用电解质的燃料电池的操作的方法。本发明还涉及从含有可生物降解材料的流体例如废水产生电的方法。此外，本发明涉及从含有可生物降解材料的流体例如废水除去可生物降解材料的方法。此外，本发明涉及减少来自工业方法和废水处理的流出物的电解质水平的方法。
背景技术：
微生物燃料电池是已知的。20世纪60年代授权的披露和涉及在不燃烧的环境中生产电和使用微生物燃料电池从水中除去有机污染物的方法的专利参见Davis等的US3，331，705;Davis 等的 US 3，301，705 和 Helmuth US3, 340，094。一般地，微生物燃料电池通过使含有可生物降解材料的流体，例如废水流，与催化可生物降解材料的降解的微生物在阳极存在下接触而工作。所述废水流的来源可包括来自商业或者工业方法的流体，或者来自水处理工厂。该微生物产生副产物，包括电子。所述微生物催化简单和复杂的有机物分解成水、氢离子(质子)和二氧化碳，并且在分解的过程中产生电子。所述电子被从所述微生物传递到所述阳极。所述阳极通过电子导管和离子导管二者与阴极接触。所述电子通过所述电子导管被从阳极传递到阴极。这是典型的外部外部回路。通过阳极和阴极之间的电势差(即电压)将电子从阳极驱动到阴极。借助于置于外部回路中的合适的装填物，可俘获一部分所产生的在阳极和阴极之间的电能，用于其它目的。为了保持电中性，电子从阳极至阴极的流动必须也伴随着离子的流动。或者是阳离子将会从阳极移动到阴极，或者阴离子将会从阴极移动到阳极，或者阳离子和阴离子二者都将在阳极和阴极之间移动。离子通过离子导管传导。理想地，所述离子导管是离子传导性的而非电子传导性的。典型的燃料电池具有共同的特征，包括电子供体，在阳极被氧化的燃料，所述阳极是导电的固体，其接受来自该供体的电子，在微生物燃料电池中，燃料是可生物降解材料；需要催化剂来进行在阳极上的氧化反应，在微生物燃料电池中微生物用作催化剂；所述电子移动通常通过外部导管从阳极至阴极通过电导管，所述阴极是另一导电固体；在阴极上，将电子添加到电子受体上，通常为氧；和任何阳离子，例如质子(H+)，钠离子(Na+)，钾离子(K+)，单独地从阳极移动到阴极，或者阴离子，例如氢氧根离子(0H—)，氯离子(Cl—)从阴极移动至阳极，从而保持阳极隔间中的电中性。没有使氢离子从阳极隔间或者氢氧根离子移动到阳极隔间会导致阳极隔间的酸化，和隔间之间的PH梯度。在微生物燃料电池的阳极隔间中使用微生物或者其它生物催化剂通常需要接近中性的pH。pH梯度的实际效果是电压效率降低，其因此降低发电。Rittmann等的WO 2010/008836通过将二氧化碳添加到阴极隔间中解决了这个问题。
微生物燃料电池提供了环境友好地发电和流体纯化的保证，并且除了以上指出的PH梯度问题之外也存在几个技术上的挑战。废水是可以使用微生物燃料电池纯化的普通的含有可生物降解材料的流体。大部分废水流具有有限的导电性，这抑制了离子在阴极和阳极之间的传输。在测试系统中，将缓冲液，例如磷酸盐，添加到水中来同时提高导电性和最小化由于在阳极的附近水的酸化导致的PH值变化。添加缓冲液帮助废水的纯化是起反作用的。因此需要不需要添加缓冲液的微生物燃料电池和使用微生物燃料电池的方法。用于微生物燃料电池中的典型的阴极使用贵金属(其中钼是优选的)作为催化剂。贵金属是非常昂贵的，并且影响微生物燃料电池的成本效率。微生物燃料电池也在阴极需要氧化剂，以便于该系统处于电和化学平衡。许多测试系统使用铁氰化物作为阴极电解质(catholyte)，氧化剂。具有这种氧化剂的微生物燃料电池不是环境友好的，它们也不是经济上可以承受的。微生物燃料电池对化学环境非常敏感，其中环境的每个改变都会阻碍该系统以最优的方式工作，或者是根本上阻碍该系统工作。以上所述的所有的问题都需要合适地以一种方式解决，从而使得微生物燃料电池能够高效地工作，然后才能实现商业系统。微生物燃料电池，如所有的其它燃料电池一样，将化学能转化成电能。从操作电池获得的电压小于理 论值。理论电池电压和实际操作电池电压之间的差由四种主要的原料损失产生，这描述于 Larminie and Dicks 的“Fuel Cell Systems Explained” 中；活化作用损失，燃料交叠和内电流，欧姆损失和物质传递(或者浓度)损失。活化作用损失是由在电极的表面上发生的反应变慢导致的。燃料交叠和内电流是由燃料从阳极泄漏到阴极，或者氧化剂从阴极泄露到阳极，以及通过该离子导管的电子传导导致的。欧姆损失是由于压降导致的，该压降是由于对电子通过电极和各种互联和电子导管的材料流动的直接电阻以及离子流动通过电极和离子导管的电阻导致的。物质传递或者浓度损失是在燃料被使用时反应物在电极的表面的浓度变化引起的。因为浓度降低是不能将足够的反应物传递到电极表面导致的，所以这种类型的损失也常常称为“物质传递”损失。一些工业方法制备具有高盐水平的流出物。例如脱盐工厂产生具有浓缩的盐水平的废物流。一些工业方法也制备具有高盐水平的物流。将这些物流直接排出到环境中不是环境友好的。在阴极上需要一种氧化剂，其是环境友好的也是有效的氧化剂。需要这样的微生物燃料电池，其以一种方式解决了所述问题，从而使得微生物燃料电池能够用于商业环境中。需要这样的微生物燃料电池和使用这样的燃料电池的方法，其解决了 PH梯度的问题，其是成本有效的，其不需要在系统中使用缓冲液，其最小化了欧姆损失和物质传递损失，和其使用了环境友好的和有效的氧化剂。进一步需要的是将废物流的盐水平减少至不存在环境问题的水平。

发明内容
在一种实施方式中，本发明涉及一种方法，其包括A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括i)含有一种或多种导电材料的阳极，所述阳极安排用来通过所述导电材料给电子提供流路， )与所述阳极电接触的微生物，iii)含有一种或者多种导电材料的阴极，iv)阴极电解质(catholyte)，v)与阳极和阴极二者接触的电子导管，所述电子导管是回路的一部分；B)引入一种或多种电解质或者溶于第一流体中的一种或多种电解质与含有可生物降解材料的第二流体的混合物；c)使B)的混合物在微生物存在下与所述阳极接触；D)使所述阴极与阴极电解质接触；E)从所述微生物燃料电池取出流体混合物。在一种优选的实施方式中，所述微生物燃料电池使所述阳极和阴极中的一个或者二者位于密封的腔室中。在另一实施方式中，所述微生物燃料电池的阳极置于阳极腔室中，其中所述腔室具有适合于引入含有可生物降解材料和电解质的混合流体的入口，和用于从该腔室取出流体的出口。还在另一实施方式中，本发明是微生物燃料电池，其中所述阴极是阴极腔室，其中所述阴极腔室还含有阴极电解质，本申请所用的阴极电解质是指流体，其含有电子受体，氧化剂。优选地，该微生物燃料电池具有适合于引入阴极电解质从而使阴极电解质置于与阴极接触的阴极腔室。在另一优选的实施方式中，密封该微生物燃料电池的阴极腔室从而防止含有可生物降解材料的流体从微生物燃料电池的外侧进入阴极腔室。在另一优选的实施方式中，所述微生物燃料电池适合于置于含有可生物降解材料和电解质的流体的容器中。在另一优选的实施方式中，密封微生物燃料电池的阳极腔室，从而防止除了所述含有可生物降解材料和电解质的流体之外的流体从微生物燃料电池的外侧进入阳极腔室。还在另一优选的实施方式中，微生物燃料电池的阴极是对大气开放的。在优选的实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池的阴极还含有用于电子受体的还原反应的催化剂。在另一优选的实施方式中，所述阳极和/或阴极邻近所述阴离子交换膜设置。 在另一实施方式中，本发明是一种方法，其包括A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括i)含有一种或多种导电材料的阳极，所述阳极安排用来通过所述导电材料给电子提供流路，ii)与所述阳极电接触的微生物，iii)含有一种或者多种导电材料的阴极，iv)阴极电解质，V)与阳极和阴极二者接触的电子导管，所述电子导管是回路的一部分；B)引入溶于第一流体中的一种或多种盐与含有可生物降解材料的第二流体的混合物；C)使B)的混合物在微生物存在下与所述阳极接触；D)使所述阴极与阴极电解质接触；
E)从所述微生物燃料电池取出流体混合物其中所述第一流体中的盐的浓度高于对于排出到环境中来说可接受的盐浓度，并且从所述微生物燃料电池取出的流体混合物中的盐浓度处于或者低于对于排出到环境中来说可接受的浓度。应该理解，以上所述的方面和实例是非限制性的，因为本申请所示和描述的本发明中存在其它方式。使用本发明的微生物燃料电池的方法有助于在这些燃料电池中使用具有低导电性的流体，而不需要缓冲液。本发明的燃料电池和方法有助于有效地从含有可生物降解材料的流体产生能量，和有效地以环境友好的方式从流体中除去可生物降解材料。本发明的微生物燃料电池可以以一种方式操作，从而使得避免流体的显著酸化。本发明的微生物燃料电池不需要使用不期望的化学品作为氧化剂。该微生物燃料电池可操作于低的贵金属加载水平，并且具有高的电流密度例如大于ΙΟΑ/m2，约15A/m2或者更大。本发明的使用具有低的或者没有缓冲能力的进料流的微生物燃料电池具有高的电流密度例如约3A/m2或更大，更优选7A/m2或更大和最优选约15A/m2或更大。本发明的使用具有低导电性的进料流的微生物燃料电池具有高的电流密度例如约3A/m2或更大，更优选7A/m2或更大和最优选约15A/m2或更大。本发明的微生物燃料电池和本发明的方法减少欧姆(ohmic)，离子和物质的传送阻力。本发明的方法三个提供潜在的环境益处，从废物流产生电，减少废物流中可生物降解材料的量，和将含有环境不可接受的盐的流体转化成满足排放标准的流体。


图I是一种微生物燃料电池的图示。图2是一种微生物燃料电池的外观的图示。图3是微生物燃料电池的第二实施方式的图示。图4是微生物燃料电池的第三实施方式的图示。图5是微生物燃料电池的第四实施方式的图示。图6是片材状阳极腔室与阴极和隔板组合的三维视图。图7是用于本发明的方法的微生物燃料电池的电池电压(cell voltage)V与电流密度A/m2的关系曲线。 图8是用于本发明的方法的微生物燃料电池的功率密度(W/m2)与电流密度A/m2的关系曲线。
具体实施例方式本申请给出的解释和说明意图使本领域的其他技术人员知晓本发明，它的原理，和它的实际应用。本领域技术人员可能以许多形式采用和应用本发明，因为这些形式可能最好地适合于具体应用的要求。因此，本申请给出的本发明的具体实施方式
并不意图是本发明的穷举或者是本发明的限制。因此，本发明的范围应该不参考以上描述确定，而是应该参考所附权利要求，结合这些权利要求所意图的等价物的全部范围来确定。所披露的所有文章和参考文献，包括专利申请和公开，都通过参考并入用于所有的目的。预期权利要求中所述的各种特征都可以以这些特征中的两种或者更多种的组合使用。以上介绍的每个组件都将在以下段落中和说明性实施例/实施方式的描述中详细描述。从所附权利要求中搜集的其它组合也是可能的，也将其通过参考并入本申请的说明书中。本发明涉及独特的解决方案，其用于有效的微生物燃料电池和使用这种燃料电池来产生电和/或从流体除去可生物降解材料的方法。本申请所用的传导的是指所指出的物质提高或者促进指出的物质例如离子或者电子通过它流动。导电的是指指出的物质提高或者促进电子通过该指定的物质流动。离子传导的是指指出的物质提高或者促进离子通过该指定的物质流动。该阳极适合于与含有可生物降解材料的流体接触。可将所述阳极置于含有这样的流体的容器中，或者可容纳在腔室，阳极腔室中。在阳极置于阳极腔室中的实施方式中，阳极腔室用于容纳阳极，所述微生物和所述含有可生物降解材料的流体。阳极腔室可由任何与阳极，所述微生物和含有可生物降解材料的流体相容的材料制造。在优选的实施方式中，阳极腔室可由刚性塑性材料制造。可制造阳极腔室的优选塑料包括聚氯乙烯，聚烯烃，丙烯酸类，聚碳酸酯，苯乙烯类和其共混物，包括聚碳酸酯-ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物)。阳极腔室含有用于引入含有可生物降解材料的流体的入口和用于该流体的出口。当微生物电池正在合适地工作时，从所述出口退出的流体具有比进料到阳极腔室的流体低的可生物降解材料的浓度。阳极腔室可为便于阳极，微生物和含有可生物降解材料的流体接触的任何形状或者构型。在优选的实施方式中，阳极腔室成形为提供用于阳极材料和微生物的基床的外壳，所述含有可生物降解材料的流体能够流过。所述阳极可为任何形状，其发挥收集通过可生物降解材料的降解产生的电子的功能。该形状可为圆柱形的，管状的，矩形的盒子，片材状的等。本申请所用的片材状是指该阴极呈现一种三维片材，其在一个平面上具有较大的尺寸，和在垂直于由该大尺寸限定的平面的方向上较小的尺寸，其可称为厚度。在大尺寸的平面中片材状阳极的形状可为容许阳极发挥本申请所述功能的任何形状。大尺寸的平面中阳极的形状可为不规则的，梯形的，圆形的，椭圆形的，方形的，矩形的等。这些形状不需要是精确的，原因在于梯形、方形和矩形的角可以是导圆的，角度不需要是精确的或者90度。片材状阳极的各边不需要是矩形的或者处于直角，而是可为弯曲的或者部分弯曲。本申请所用的边是该片材状材料的沿着该小尺寸的侧边。选择该腔室的尺寸以使得适合于阳极形状和体积，和期望的微生物燃料电池的容量，这是本领域技术人员能够确定的。在优选的实施方式中，阳极腔室或者阳极具有片材状材料的形状，在两个大尺寸的平面中具有矩形形状。优选地，该腔室或者阳极在最小尺寸的方向上的尺寸，即阳极的厚度，为约IOmm或更小,更优选约5mm或更小。优选地,这一尺寸为约Imm或更大。将该阴极置于与阴极电解质接触。该阴极可以对于含有阴极电解质的环境是敞开 的。在一种实施方式中，微生物燃料电池可位于含有可生物降解材料的流体的容器中，例如可将微生物电池浸没在这样的流体中。在该实施方式中，阴极置于阴极腔室中。阴极腔室用来容纳阴极和阴极电解质。阴极腔室可由与阴极和阴极电解质相容的任何材料制造。在优选的实施方式中，阴极腔室可由针对阳极腔室所描述的刚性塑性材料制造。优选地，阴极腔室由与阳极腔室相同的材料制造。阴极腔室可含有引入阴极电解质的入口和/或用于含有所述阴极电解质的流体的出口。在另一优选的实施方式中，阴极腔室容许含有所述阴极电解质例如氧的流体扩散进入阴极腔室和扩散出阴极腔室。阴极或者阴极腔室的形状可为容许阴极发挥本申请所记载的功能的任何形状。优选地，所述形状为描述为对于阳极和阳极腔室优选的任何形状。选择腔室的尺寸以使得适合于微生物燃料电池的期望容量，这是本领域技术人员能够确定的。优选地，阳极腔室的一部分是朝向阴极敞开的。优选地，阴极腔室的一部分是朝向阳极敞开的。优选地，阴极腔室和阳极腔室的开口彼此匹配。在一种优选的实施方式中，阴极腔室和阳极腔室具有匹配的开口，其适合于配对并形成封闭的腔室。在一种实施方式中，两个腔室对彼此是敞开的。优选地，将隔板置于阳极腔室或阴极腔室的开口上，或者阳极腔室的开口和阴极腔室的开口之间。隔板用于在阳极和阴极之间电绝缘，并容许离子在阴极和阳极之间流动。优选地，隔板也防止微生物和可生物降解材料从阳极流动到阴极。优选地，隔板限制或者防止溶解的气体或者液体从阳极流至阴极，反之亦然。发挥这一功能的任何隔板都可用于本发明中。隔板的优选形式包括丝网(screens)，织物(cloth)，膜材和隔膜。优选地，离子交换膜位于阳极腔室或阴极腔室的开口上，或者在阳极腔室和阴极腔室之间各自的开口上。优选地，将密封件置于阳极腔室，阴极腔室或者阴极和阳极的匹配开口各边的周围，从而抑制、控制或者防止流体被传送进出阳极腔室，阴极腔室或燃料电池，或者阴极腔室和阳极腔室之间。在一种优选的实施方式中，置于阴极和阳极腔室之间的所述丝网，织物，膜材和隔膜也用作两个腔室结合的外周周围的密封件。所述阳极由导电材料组成。可使用与所述微生物相容的、导电的任何材料。与所述微生物相容是指所述阳极材料不杀死所述微生物或者与所述微生物相互作用催化可生物降解材料的分解。所用的导电的是指该材料能够传递在阳极腔室中产生的电子。优选地，所述导电材料是导电的金属，或者导电的碳。优选的导电的金属是钛。导电的任何碳都可用于本发明中。优选的碳类型是炭黑，石墨，石墨烯，石墨氧化物和碳纳米管。碳的另一优选形式包括膨胀石墨的基质，其具有通过所述碳基质的孔。在优选的实施方式中，该导电材料包括碳织物(carbon cloth),复写纸(carbon paper),碳租(carbon felt),碳毛织品(carbon wool)，碳泡沫体，石墨，多孔石墨，石墨粉，石墨颗粒，石墨纤维，聚集的导电炭黑和网状化的玻璃碳(reticulated vitreous carbon)。导电材料可为容许微生物、阳极和含有可生物降解材料的流体之间的有效接触的任何形式，并且其形成到达电子导管并且通过该回路到达阴极的电子流动通道。期望的是，该导电材料提供高效的表面积从而承载该微生物。相关的表面积是可用来与含有可生物降解材料的流体接触的表面积。在一种实施方式中，所述阳极是用该导电材料填充的阳极腔室所限定的基床。该导电材料可为以下形式片材，纸，织物，交织的纤维，无规纤维(random fibers),组织的纤维,粒子,珠,颗粒，粒料，聚集的粒子，泡沫体，具有在其整个中连通的孔的整料，或其任何组合。在导电材料是粒子或颗粒的形式的实施方式中，这些粒子或颗粒优选具有适合于担载置于该粒子或颗粒上的微生物的尺寸。在一种实施方式中，可将该导电材料分散在基体例如与该系统相容的 聚合物中，该基体可为膜、珠、粒料等形式。优选该粒子的尺寸使得该含有可生物降解材料的流体能够流动通过阳极或者阳极基床，并且使得该流体中的可生物降解材料能够与该微生物接触。优选地，该粒子尺寸为约I微米或更大和最优选约10微米或更大。本申请所用的整料是指单块结构(unitary structure),在整个该结构中具有通过该结构的孔,从而使得该含有可生物降解材料的流体能够流动通过该孔。阳极中的孔优选具有以下尺寸，该尺寸使得该含有可生物降解材料的流体能够流过该阳极或者阳极床，而没有过多的背压，该微生物能够停留在该孔的表面上，并且使得该流体中的可生物降解材料能够与该微生物接触。本申请所用的导电材料的基床是指以如下方式包含在受限空间中的任何形状或尺寸的导电材料，该方式使得含有可生物降解材料的流体能够流动通过该基床，并且接触导电材料的表面积的显著部分。优选地，阳极的表面积为约O. 01m2/g或更大，更优选约O. lm2/g或更大和最优选约1.0m2/g或更大。本申请所用的组织的纤维是指该纤维以设计的形状排列，例如以刷状排列，这描述于Logan等的US 2008/0292912中，将该文献通过参考并入本申请，等。通常，该阳极提供表面用于附着和生长微生物，因此该阳极由与微生物生长和保持相容的材料制成。材料与微生物在微生物燃料电池中的生长和保持的相容性可使用标准技术评价，例如使用生存能力标记物(viability marker)例如若丹明123,碘化丙锭,SYTO9和这些或者其它生存能力标记物的组合的测定。包含在根据本发明的微生物燃料电池的实施方式中的阳极的表面积大于约100m2/m3。比表面积在此处描述为每单位阳极体积的阳极的表面积。比表面积大于约IOOm2/m3有助于根据本发明的实施方式的微生物燃料电池的发电。在进一步的实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池包括比表面积大于约1000m2/m3的阳极。仍然在另一实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池包括比表面积大于约5，OOOmVm3的阳极。还在另一实施方式中，根据本发明的燃料电池包括比表面积大于约10，OOOmVm3的阳极。配置为具有高比表面积的阳极容许缩放根据本发明的微生物燃料电池。在一种优选的实施方式中，所述阳极包括一种或多种导电材料和一种或多种离子传导性材料的混合物。优选的离子传导性材料是离子交换材料。安排该混合物，从而使得形成通过阳极的电子流路和离子流路。导电材料形成电子到达电子导管和通过外部回路到达阴极的流路。该离子传导性材料产生离子，优选氢离子到达阴极腔室，或者来自阴极腔室的氢氧根离子的流路。各个材料需要以足够的量存在，并且在合适的排列中从而形成期望的流路。该排列可以类似于互穿网络，或者该材料(优选离子传导性材料)之一能够被置于通过该阳极腔室的多个层或者连续的条中，其中所述层或者条与所述阴极腔室，离子交换膜或者电子导管接触。在优选的实施方式中，使用两种材料的粒子的共混物从而使得存在期望的流路。优选地，导电材料和离子传导性材料的阳极包括约30vol%或更大的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地,导电材料和离子传导材料的阳极包括约70vol%或更小的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。优选地，导电材料和离子传导材料的阳极包括约30vol%或更大的离子交换材料,基于实心材料,更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地,导电材料和离子传导性材料的阳极包括约70vol%或更小的离子交换材料，基于实心材料，更优选约60wt%或更小和最优选约55wt%或更小。“基于实心材料”是指孔和粒子之间的空间的体积不包含在记载的体积中。在优选的实施方式中，该阳极包括阳极中粒子周围的空间和/或 用于形成阳极的材料中的孔。含有可生物降解材料的流体通过从该粒子周围流过或者流经该孔而流动通过阳极。该粒子之间的空间和该孔的尺寸需要以下尺寸，该尺寸使得该微生物能够停留在粒子或者孔的表面上，并且使得在流体流经该阳极时该可生物降解材料能够接触该微生物。粒子之间的空间最好被描述为空隙空间百分比(percent ofvoid space),未被实心材料占据的空间，优选该空隙空间(void space)为约20vol%或更大,更优选约33vol%或更大,更优选约50vol%或更大。优选,该空隙空间为约96wt%或更小。推论是实心体积为约80vol%或更小，更优选约67vol%或更小,和更优选约50vol%或更小。中值空间(median spaces)或者孔尺寸优选为约5微米或更大，和更优选约10微米或更大。中值空间或者孔尺寸优选为约1000微米或更小和更优选约100微米或更小。优选该实心体积为约4vol%或更大。在另一实施方式中，该阳极和/或阴极腔室具有入口和/或出口，以便于流动通过该阴极和/或阳极腔室。本发明的微生物燃料电池优选包括将流体物质引导到阳极的装置，其中所述流体以基本上平行于离子交换膜的一个表面的方向流经阳极。这种装置能够是将流体以指定的流路引导到阳极的任何装置。在一种优选的实施方式中，这种装置包括一个或多个入口和出口，其排列使得液体以基本上平行于隔板的一个表面的方向流经阳极。在另一实施方式中，产生该流体流动的装置例如吹风机或者推动器(impeller)等用来强制流体在相对于阳极的期望的方向上流动。基本上平行是指流体的流动总体上平行于隔板但是流动的向量角度不是精确的。当阳极为片材状形状时，流体的流动优选垂直于阳极的厚度尺寸。优选地，通过该阳极的流体的流动垂直于阳极的厚度尺寸，和基本上平行于隔板的一个表面。阴极包括能够传递电子的导电材料。该导电材料可以是描述为对于阳极有用的任何导电材料。在优选的实施方式中，阴极还包括用于氧化还原反应的催化剂。优选类型的催化剂是第VIII族金属和氧化酶。优选的金属是贵金属，更优选钼和钯。催化剂可位于阴极上，或者在阴极处于腔室中时它可在阴极腔室中的任何位置。优选地，该催化剂位于该阴极的表面。在催化剂是金属的实施方式中，选择催化剂浓度从而使得阴极腔室中的氧化还原反应以合理的速度进行。优选地，该催化剂存在的量为约O. IOmg金属每平方厘米暴露(projected)的阴极表面积或更小,更优选约O. 05mg金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更小和最优选约O. 02mg的金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更小。优选该催化剂存在的量为约O. OOlmg金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更大,更优选约O. 005mg金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更大，甚至更优选约O. Olmg金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更大和最优选约O. 015mg金属每平方厘米暴露的阴极表面积或更大。该阴极优选为具有大表面积的实心材料。在一种实施方式中，阴极包括一种或多种导电材料和一种或多种离子传导性材料的混合物。优选的离子传导性材料是离子交换材料。所述导电材料还可包括本申请前面所述的催化剂。优选，将该催化剂涂覆到导电材料例如碳的表面。排列该混合物从而使得电子流路和离子流路通过所述阴极建立。导电材料在阴极中产生电子的流路。离子传导性材料产生离子的流路，所述离子优选来自阳极腔室的氢离子或者来自阴极腔室的氢氧根离子。各种材料需要以足够的量和以合适的排列存在，从而形成期望的流路。该排列可以类似于互穿网络，或者该材料(优选离子传导性材料)之一能够被置于通过该阴极腔室的多个层或者连续的条中，其中所述层或者条与所述阳极腔室或者离子交换膜或者电子导管接触。在优选的实施方式中，使用两种材料的粒子的共混物从而使得存在期望的流路。这 些流路容许含氧气体流过阴极。优选地，导电材料和离子传导性材料的阴极包括约30vol%或更大的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地，导电材料和离子传导性交换材料的阳极包括约70vol%或更小的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。优选导电材料和离子传导性材料的阴极包括约30vol%或者更大的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约40vol%或者更大和最优选约45vol%或者更大。优选，导电材料和离子传导性材料的阴极包括约70vol%或者更少的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约60vol%或者更少和最优选约55vol%或者更少。“基于实心材料”是指孔和粒子之间的空间的体积不包含在记载的体积中。在阴极包括一种或多种导电材料和一种或者多种离子传导材料的混合物的方式中，所述阴极包括阴极中粒子周围的空间和/或用于形成阴极的材料中的孔。含氧流体通过从该粒子周围流过或者流经该孔而流动通过阴极。该粒子之间的空间和该孔的尺寸需要为以下尺寸，该尺寸使得该含氧流体能够自由流经该阴极。中值(median)空间或者孔尺寸优选为约5纳米或者更大，和更优选约10纳米或者更大。中值空间或者孔尺寸优选为约100微米或更小和更优选约10微米或更小。这最好被描述为空隙空间百分比，被实心材料占据的空间，优选该空隙空间为约20vol%或者更大，更优选约33vol%或者更大，更优选约50vol%或者更大。优选该空隙空间为约96wt%或更小。推论是实心体积为约80vol%或者更少，更优选约67vol%或者更少和更优选约50vol%或者更少。优选该实心体积是约4vol%或者更大。在另一实施方式中，阳极和/或阴极腔室具有入口和/或出口，以便于流动通过该阴极和/或阳极腔室。优选该阳极腔室和/或阴极腔室可具有位于其开口处的隔板，阻挡物。当阴极和阳极都位于腔室中时，它们可能具有位于其间的隔板，阻挡物。该隔板用于隔开阳极和阴极。隔板优选为不导电的，即其不容许电子穿过隔板。隔板优选容许离子通过隔板。优选该隔板抑制流体，例如水和含氧气体和液体，在通过它的之间流动。隔板优选用于防止固体在腔室之间流动。该隔板优选容许离子在腔室之间通过从而平衡两个腔室中的pH。该隔板可为织物，屏蔽物，膜或者离子交换膜。在优选的实施方式中，该离子交换膜是阴离子交换膜。离子交换膜可为异质的(heterogeneous),勻质的(homogeneous),担载的或者未担载的。需要离子交换膜是生物相容性的，也即不伤害该系统中的生物材料。在一种优选的实施方式中，该离子交换膜是由离子交换树脂和粘合剂的共混物制备的膜。该离子交换树脂可经受操作从而在与粘合剂接触之前减少粒度。阴离子交换膜可含有有助于将阴离子从阳极转移到阴极的任何阳离子部分。在阴离子交换膜中的优选阳离子部分是含氮阳离子基团，和优选铵阳离子，季铵离子，咪唑鎗离子，吡啶鎗离子，等。该膜容许将期望的材料传递通过该膜。在优选的实施方式中，该膜防止尺寸为约1000纳米的微生物通过该膜。因此，限制水和/或微生物流动通过该膜，以及任何包含的膜涂层。微过滤，纳米过滤和离子交换膜组合物在本领域中是已知的，可使用任何各种膜，其排除微生物并容许期望的气体或者离子通过该膜扩散。微过滤，纳米过滤和/或离子交换膜组合物的说明性实例包括但不限于卤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；聚烯烃例如聚乙烯，聚丙烯和聚丁烯；聚酰胺例如尼龙；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。合适的膜材料的实例是超滤和纳米过滤膜，其通常用于水处理工业中来过滤水同时排除微生物。例如，合适的膜是由X_Flow，The Netherlands制造的超滤膜 B0125。另外的实例包括由 Membranes International, Inc. New Jersey, USA制造的CMI和AMI离子交换膜。该隔板优选为具有两个相对的表面的片材。在一种优选的实施方式中，所述阴极邻近隔板放置。更优选地，阴极位于接近于隔板的一个表面并且与隔板的一个表面接触。在一种实施方式中，阴极被涂覆于或者印刷于隔板的一个表面上。在另一实施方式中，阳极位于接近于隔板。更优选，阳极位于接近于隔板的一个表面并且与隔板的一个表面接触。优选地，阳极和阴极各自接近于隔板的相对的表面并且与隔板的相对的表面接触。在位于所用的阳极腔室中的阳极的周围是生电的(即当使可生物降解材料降解时产生电子的)微生物。该微生物优选可在阳极的表面上。优选它们移植于阳极的表面上并且在阳极的表面上存活。本申请所用的微生物包括细菌，古生菌(Archaea)，真菌和酵母。优选的微生物是依赖阳极生长的细菌(anodophilic bacteria)。本申请所用的术语“亲阳极菌(anodophiles) ”和“依赖阳极生长的细菌(anodophilic bacteria) ”是指直接或者通过内源性生产的介质将电子传递到电极的细菌。经常，亲阳极菌是专性或兼性需氧菌。术语“产电菌群(exoelectrogens) ”也用来描述合适的细菌。依赖阳极生长的细菌的实例包括选自下组的细菌Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae,Comamonadaceae， Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae, Geobacteraceae,Pasturellaceae,和Pseudomonadaceae科。适合用于本发明的系统的细菌的这些和其它实例描述于以下文献中Bond，D.R.，et al.，Science 295，483-485，2002;Bond，D. R. etal.，AppI. Environ. Microbiol. 69，1548-1555，2003;Rabaey，K.，et al.，Biotechnol.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. Biotechnol. , 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，将所有这些文献通过参考并入本申请。依赖阳极生长的细菌优选与阳极接触用于将电子直接传递至阳极。但是，在通过介质传递电子的依赖阳极生长的细菌的情况下，该细菌可存在于反应器中的其他地方，并且仍然用于产生在本发明的方法中有用的电子。依赖阳极生长的细菌可提供为纯化的培养物，富含依赖阳极生长的细菌，或者如果需要，甚至是富含具体种类的细菌。纯的培养物试验已经在以下文献中报道了高达 98. 6% 的库伦效率Bond, D. R. et al.，Appl. Environ. Microbiol. 69,1548-1555, 2003,将其通过参考并入本申请。因此，使用选择的菌株可增加总的电子回收和氢的产生，当这些系统能够在无菌条件下使用时尤其是这样。可选择或者基因工程化细菌，从而使得能够增加库伦效率和在阳极产生的电势。此外，可使用混合的微生物种群，包括依赖阳极生长的厌氧性微生物(anodophilic anaerobes)和其它微生物。
进料到微生物电池的进料包括混合有含有电解质的流体的流体中的可生物降解材料。包含在根据本发明的实施方式的微生物燃料电池中的可生物降解材料是可被依赖阳极生长的细菌氧化的，或者可生物降解从而产生可被依赖阳极生长的细菌氧化的材料。本申请使用的术语“可生物降解的”是指通过生物机理分解的有机物质，所述生物机理说明性地包括微生物作用，热和分解。微生物作用包括水解，例如。该流体优选为液体，更优选水或者有机液体，水是更加优选的。任何各种类型的可生物降解的有机物都可用作MFC中细菌的“燃料”，包括脂肪酸，糖，醇，碳水化合物，氨基酸，脂肪，脂质和蛋白质，以及动物，人类，城市，农业和工业废水。天然产生的和/或合成的聚合物说明性地包括碳水化合物例如壳多糖(chitin)和纤维素，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。可生物降解的塑料的具体实例包括聚羟基链烷酸酯，聚羟基丁酸酯，聚羟基己酸酯，聚羟基戊酸酯，聚乙醇酸，聚乳酸，聚己酸内酯，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，月旨肪族-芳族共聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯和聚亚甲基己二酸/对苯二甲酸酯。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物是本领域已知的。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的说明性实例包括但不限于单糖，二糖，氨基酸，直链或者支化的C1-C7化合物，包括但不限于醇和挥发性脂肪酸。此外，可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物包括芳族化合物例如甲苯，苯酚，甲酚，苯甲酸，苄基醇和苯甲醛。可被依赖阳极生长的细菌氧化的另外的有机物描述于Lovely,D. R. et al. ,Applied and EnvironmentalMicrobiology 56:1858-1864,1990中。此外,一种提供的材料可以以可被依赖阳极生长的细菌氧化的形式提供，或者以可生物降解从而产生可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的形式提供。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的具体实例包括甘油，葡萄糖，乙酸酯(或盐)，丁酸酯，乙醇，半胱氨酸和这些或者其它的可氧化的有机物质的组合。在优选的实施方式中，在流体中的可生物降解材料是含有可生物降解材料的废流(waste stream)。用于该废流的流体可为有机的或者水性的。该废流可为来自化学或者生物方法的废流或者废水流。该废水流可来自化学或者生物方法，城市废水流或者污染的水源。
流体中的电解质包括改善与阳极接触的流体混合物的导电性的任何电解质。优选该电解质是环境友好的，因为如果将它释放到环境中它不会损害环境。在另一优选的实施方式中，电解质以天然产生的流体混合物的形式提供，例如海水或者盐水。优选该电解质是盐。更优选该电解质是碱金属盐或者碱土金属盐。优选的盐是氯化钠和氯化钾。可使用盐的混合物，并且当使用天然产生的电解质时，含在其中的盐常常是盐的混合物。提供该电解质的浓度和量以增加给阳极的进料混合物的导电性。在优选的实施方式中，含有电解质的流体和/或流体混合物的浓度为或者低于天然产生的流体的浓度。例如，如果海水用作该电解质流体混合物，那么该电解质混合物的浓度为天然产生的水平。更重要的是来自使用本发明的方法的系统的流出物优选使得电解质的浓度为或者低于含有这些电解质的天然产生的系统中电解质的浓度。优 选选择在含有可生物降解材料的流体混合物中电解质的浓度，从而使得在流体混合物中获得期望的导电性。电解质浓度的上限为这样的浓度，高于该浓度该微生物在该系统中会受损害。优选，流体混合物的电导率为约3豪西门子/cm或者更大，更优选约5豪西门子/cm或者更大，甚至更优选约7豪西门子/cm或者更大，最优选15豪西门子/cm或者更大。用于增强电子到阳极上的传递的电子传递介质可位于阳极的附近，例如在阳极腔室中。本领域已知的实现这一功能的任何化合物都可用于本发明的微生物燃料电池中。优选的介质的实例是氧化铁，中性红，蒽醌-1，6-二磺酸(ADQS)和1，4_萘醌(NQ)。其它已知的介质的实例包括介质，如甲基硫酸吩嗪(phenazine methosulfate) ,2，6_ 二氯苯酹靛酚，亚氨嗪(thionine)，甲苯胺，铁氰酸钾和1，4_萘醌。介质任选地化学键合至阳极，或者通过各种处理(例如涂覆)改性的阳极,从而含有一种或多种介质。在许多已知的微生物燃料电池方法中的在流体中的可生物降解材料显示出低的传导性。低的传导性抑制了离子在阳极和阴极之间的流动。为了解决这个问题，许多已知的方法添加缓冲液到该含有可生物降解材料的流体。通常的缓冲液含有磷酸盐。在来自微生物电池的流出物是纯化的废流的实施方式中，存在磷酸盐或者某些其它的缓冲液是所不期望的。在本发明的一种实施方式中，可添加环境友好的缓冲液，例如碳酸盐或者碳酸盐的源例如二氧化碳。在更优选实施方式中，该微生物燃料电池使用未缓冲化的进料进行操作，其方式使得该电池是使用低电导率的进料有效的。在更优选的实施方式中，该微生物燃料电池使用未缓冲化的进料进行操作，并且取而代之的是，添加电解质。优选地，在添加电解质之前含有可生物降解材料的流体的电导率为2毫西门子/cm或更小，最优选I毫西门子/cm或更小。优选地，在添加电解质之前含有可生物降解材料的流体的电导率为O. 05毫西门子/cm或更大，和更优选O. I毫西门子/cm或更大。使阴极与以上定义的阴极电解质接触。该阴极电解质用于还原氢阳离子从而在阴极的附近例如阴极腔室形成水。可使任何含有氧化剂的流体与该阴极接触。优选的阴极电解质是氧。因为成本的原因，空气是优选的氧来源。可使用纯氧或者富氧的流体。在优选的实施方式中，可使含氧气体流到阴极。在这种实施方式中，可使用吹风机来使该含氧气体与阴极接触。以足够的量提供阴极电解质从而有效地在该阴极上或者附近进行该还原反应。优选地，向该系统提供过量的阴极电解质。电子导管连接阳极和阴极，并且用来使电子通过外部回路在阳极和阴极之间流动。电子导管可为发挥所记载的功能的任何物质或者形状。优选所述电子导管由导电的金属组成，优选的导电的金属包括铜，银，金或者铁或者含有这些金属的合金，其中铜或者钢是最优选的。优选地，电子导管是线材或者片材的形式，和最优选线材形式。该导管将电池连接至电力负载(electrical load)。本申请所用的负载是指消耗来自微生物燃料电池的电能的设备或者元件。该负载可为电阻器，其中将来自微生物燃料电池的电能转化成热能(热)；该负载可为马达，其中将来自微生物燃料电池的电能转化成机械能(工作)；该负载可通过一种或多种电回路例如电压变极器(voltage inverter),电网(power grid),等与微生物燃料电池隔离。在一种优选的实施方式中，该载荷为所产生的一部分电流可以为它提供动力的电设备。在另一实施方式中，该载荷可为电池组，其适合于存储所产生的电或者电网从而分配电的使用本发明的微生物燃料电池还可包括一种或多种集电器，其形成电子导管的一部分。该集电器可为电子导管，或者可为电子导体的一部分。集电器用来收集来自电极(阴极或者阳极)的电流，将其送至电回路。优选的集电器包括导电金属。集电器优选邻近电极并且与电极紧密接触。集电器可为容许它们邻近电极或与电极紧密接触的任何形状。优选地，集电器是金属的线材，丝网或者片材，其成形为与电极的显著部分接触。·可包含一个或多个调节设备，例如一个或多个阀，来进一步调节材料流入和流出阳极或阴极腔室。此外，一个或多个盖子或者密封件可用于封闭用于将流体引入到阳极腔室或者阴极腔室中的通道。例如，当远程操作燃料电池，或者燃料电池作为单独使用的设备操作使得没有另外的材料添加时，任选地使用盖子或者密封件来封闭通道。可使用泵来增强液体或者气体流入和/或流出反应腔室。本发明的微生物燃料电池可通过将阳极，和任选的电子介质，置于与隔板或者阳极腔室接触而组装。将该阴极，和任选的集电器，置于与隔板或者阴极腔室接触。密封件和/或隔板(阻挡材料)置于阳极或阴极腔室的开口周围或者开口上。当阳极和阴极都置于腔室中时，将阴极腔室和阳极腔室沿着它们各自匹配的表面与它们之间的密封件和/或隔板，阻挡材料，例如阴离子交换膜，接触。阳极和阴极腔室通过已知的方式固定就位，例如通过使用机械固定器(fastener)或者粘合剂。为了便于拆卸微生物燃料电池从而维修或者清洗该电池，优选机械固定器，例如螺钉。可使入口和出口流体导管附接至阳极和阴极入口和出口。将该导管进一步连接至用于阳极腔室的进料材料的源，流体中的可生物降解材料，和对于阴极腔室来说，连接至含氧气体。如果需要，可将电池通过电子导管连接至负载。最初，阳极腔室需要用该微生物接种。这通过如下方法而进行将该微生物或者含有该微生物的介质添加到阳极，例如添加到阳极腔室，并且将该阳极暴露于使得该微生物的健康菌落停留在该阳极上或者附近的条件。该方法的详细过程对于本领域技术人员来说是已知的。一旦完成接种，就可操作该微生物燃料电池，从而产生电，并且从液体流除去可生物降解材料。—种或多种燃料电池可用来产生电和/或减少流体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体与阳极接触，而阴极与所述阴极电解质接触。当该阴极电解质置于液体中时，或者将含有该阴极电解质的流体进料到阴极腔室中，并通过它流动，或者将该阴极置于该阴极电解质液体的容器中。当将所述阴极电解质置于气体中时，可通过将该腔室向含有该阴极电解质流体的环境敞开，而将含有该阴极电解质的气体引入到阴极腔室中。或者，可使含有阴极电解质的气体流动，使其与阴极接触，例如通过在阴极上或者向阴极吹阴极电解质。在一种实施方式中，将含有可生物降解材料的流体引入到阳极腔室，而具有较低可生物降解材料含量的流体是来自阳极腔室的流出物。选择取自微生物燃料电池的电流率(current rate)从而或者最大化该电池产生的电力，或者最大化可生物降解材料的降解。如果目的是最大化由该电池产生的电力，那么从该电池取出的电流就使得电池操作电压为优选地约O. 2伏特或更大和优选地约O. 4伏特或更小。如果该目的是最大化可生物降解材料的降解，那么从微生物燃料电池取出的电流就使得电池操作电压为优选地约
O.05伏特或更大，和约O. 2伏特或更小。电池操作电压是由操作条件下单个电池产生的电压。如果将多个电池以电串联的方式连接从而形成堆叠，那么电池操作电压就是指组成该堆叠的多个电池的平均电池操作电压。可将电子导管连接至负载，从而将电流传递至该负载例如电池组，要提供电力的设备，或者传递至电网(power grid)。可将根据本发明的两个或者多个微生物燃料电池以串联的方式液压(hydraulically)连接,从而使得来自阳极腔室的流出物可流入用于另一腔室的阳极入口。可将电池以并联的方式连接或者以串并结合的方式连接。来自阴极腔室的流出物可流入另一电池的阴极腔室的入口。当许多电池串联连接时，可能需要在一个或多个下游模块中引入另外的含氧气体，从而保持含氧气体的氧含量在使得该电池有效地工作的水平。可将许多微生物电池连接至相同的载荷，从而提供·负载发挥作用所需的电流。在可生物降解的流体是废流的实施方式中，可使废流通过许多微生物燃料电池，直到已经除去了足够量的废流中的可生物降解材料，从而获得期望的指定水平的可生物降解材料。或者可通过相同的电池、或者相同的电池系列回收来自阳极腔室的流出物，直到除去所期望的指定水平的可生物降解材料。在废流加工中，通常说明了流出物中可生物降解材料的水平。可通过许多已知的方式定义指定水平的可生物降解材料，包括化学需氧量和生物需氧量。一旦达到期望水平的可生物降解材料，就可排出该流体，回收用于加工或者经受另外的处理。在优选的实施方式中，含有电解质的流体是天然产生的流体，例如盐水或者盐的水溶液。在该实施方式中，来自电池的流出物可排出到电解质流体的来源例如大海中。在另一实施方式中，含有该电解质的流体含有电解质的水平高于可将流体排出到环境中的水平，例如废物流或者来自脱盐工厂的流出物。在这种实施方式中，优选操作该方法，从而使得来自微生物燃料电池的流出物的电解质浓度满足排放要求。换句话说，在微生物燃料电池中使用这种流体会将电解质的浓度稀释至满足排放规定的水平。将微生物燃料电池的反应腔室中水性介质配制为对于在燃料电池中与该水性介质接触的细菌是无毒性的。此外，可将该介质或者溶剂调节为与细菌新陈代谢相容，例如通过将PH调节为约4至约10，优选约6至约9，包括端点，通过用酸或者碱调节pH，如果需要向介质或者溶剂中添加缓冲液，通过稀释或者添加渗透性活性物质(osmotically activesubstance)来调节介质或者溶剂的渗透性(osmolarity)。例如，可通过稀释或者添加盐来调节离子强度。此外，如果需要，可包含营养物，辅助因子(cofactors)，维生素和其它的这些添加剂来保持健康的细菌种群，参见例如Lovley and Phillips, Appl. Environ.Microbiol. 54(6) :1472-1480中描述的这些添加剂的实例，将该文献通过参考并入本申请。任选地，与亲阳极的微生物接触的水性介质含有溶解的可被该微生物氧化的物质。在操作中，反应条件包括变量例如PH，温度，渗透性，和反应器中的介质中的离子强度。反应温度通常为约10-40° C (对于非嗜热的微生物)，但是通过包含适于在所选的温度生长的微生物，该设备可用于O至100° C范围内的任何温度。但是，保持反应温度高于环境温度可能需要能量输入并且优选将反应器温度保持在约15至约30° C，而不输入能量。图I显示了本发明的微生物燃料电池10的示意图。该图显示阳极11，其中微生物16置于该阳极11上。也示出了阴极12，其中阳极11和阴极12由隔板15隔开。电子导管13连接至阳极11和阴极12，其中负载14位于阳极11和阴极12之间。该图显示出阳离子被从阳极腔室25传递至阴极腔室26，而阴离子被从阴极腔室26传递至阳极腔室25。该图也显示有机物在阳极腔室25中分解成二氧化碳和氢离子，以及在阴极腔室26中分解成水和氢氧根离子。图2显示微生物燃料电池10的外观。显示的是外壳17，隔板15，含有可生物降解材料的流体出口 19和含有可生物降解材料的流体入口 18。图3显示本发明的简单的微生物燃料电池10，其具有外壳17、阳极基床20，阴极12和隔板15。阳极基床20和阴极12布置在隔板15的相对表面上。也显示了含有可生物降解材料的流体的入口 18和含有可生物 降解材料的流体的出口 19。显示含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。阴极12对空气敞开。阳极基床20用作阳极腔室。图4显不微生物燃料电池10的另一实施方式,其含有各自置于两个隔板15的一个面上的两个阴极12，其中每个隔板15与一个阳极基床20接触。显示了含有可生物降解材料的流体的入口 18和含有可生物降解材料的流体的出口 19。显示了含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。阴极12对于空气敞开。图5显示了微生物燃料电池10的另一实施方式，其含有各自置于两个隔板15的一个表面上的两个阴极12，其中每个隔板15与两个阳极基床20中的一个接触。阴极12置于隔板15的内侧，并且形成阴极腔室26。在阴极腔室26的每一端分别是空气入口 21和空气出口 22。对于每个阳极腔室25，显示了含有可生物降解材料的流体入口 18和含有可生物降解材料的流体的出口 19。显示了含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。图6显示出片材状阳极腔室的3三维图示。也显示了阴极12和隔板15，其中阴极12和阳极腔室25置于隔板的相对的表面上。已经披露了本发明的优选的实施方式。但是本领域技术人员会认识到，可以对本发明的教导进行某些改进。因此，应该研究所附的权利要求来确定本发明的真实范围和内容。在以上申请中所记载的任何数值包括从较低的值至较高的值的所有值，增量为一个单位，条件是在任何较低值和较高值之间具有至少2个单位隔开。例如，如果指出了组分的量或者加工变量的值例如，例如，温度，压力，时间等为，例如，I至90，优选20至80，更优选30至70，那么意图值例如15至85，22至68，43至51，30至32等也明确地列举在了本说明书中。对于小于I的值，认为一个单位合适地是O. 0001，O. 001，O. 01或者O. I。这些仅是具体意图的实例，也考虑所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能的组合也明确地中本申请中以类似的方式明确提及。除非另外指出，否则所有的范围都包含端点和两个端点之间的所有数值。使用“约”或者“大约”与范围连用则适用于该范围的两个端点。因此，“约20至30”意图覆盖“约20至约30”，包括至少指出的端点。本申请使用的重量份是指组合物含有100重量份。描述组合的术语“基本上由…组成”应该包含所指出的元件、成分、组件或者步骤，和不明显地影响基本的和新颖的特性组合的这些其它元件、成分、组件或者步骤。使用描述元件、成分、组件或者步骤的组合的术语“包括”或者“包含”中本申请中也预期基本上由该元件、成分、组件或者步骤组成的实施方式。可通过单个集成的元件、成分、组件或者步骤提供多个元件、成分、组件或者步骤。或者，单个集成的元件、成分、组件或者步骤可分成分开的多个元件、成分、组件或者步骤。描述元件、成分、组件或者步骤的“(a)”或者“一种(one)”不意图排除另外的元件、成分、组件或者步骤。实施例包含以下实例仅用于说明的目的，不意图限制本发明的范围。除非另外指出，否则所有的分数和百分比都基于重量。组装微生物燃料电池在3cmx6cmx0. 9cm块状透明合成树脂(Lucite)中加工出I. 5cm宽，约4cm长 和O. 45cm深的腔室。在该块中钻入端口用作用于溶液流动的入口和出口端。在腔室的底部钻出两个用于导线(wire leads)的小洞。一个较长的线材，Au，用作集电器，另一个较短的线材，Pt，用作未负载的电压探头。使用环氧树脂将该导线原位密封。将一块碳毡I. 52cmx3. OcmxO. 45cm置于该腔室中。将阴离子交换膜,一个由聚烯烃粘合剂和磨碎的阴离子交换树脂制成的膜，置于该毡上，然后将由在复写纸载体上的Pt/C组成的阴极切至
I.5cmx3cm,并置于与该碳毡阳极相对的膜上。然后阴极用Ni丝网覆盖作为集电器(具有多个洞来容纳电池螺栓)。然后将第二个半电池块用来将该组件栓在一起。空气通过该第二个半电池块的入口和出口扩散到达阴极。操作微生物燃料电池用来自另一微生物燃料电池的流出物接种在中性磷酸盐缓冲液中含有乙酸酯(或盐)的阳极电解液。该电池如下操作将该阳极电解液以约lOmL/min的流动速度循环通过该电池。在开始并且操作几周之后，将该电池在以下条件操作等于约7. I的pH，20mM乙酸酯(或盐)、35mM磷酸盐缓冲液的电导率为7. 47mS/cm的溶液，约3mL/min的流动速率。通过如下步骤收集极化曲线(polarization curve):改变电池上的载荷电阻,并且记录该载荷电阻的电压。电池电流通过载荷电压除以载荷电阻给出。该电池产生的功率密度通过载荷电压和电池电流密度的乘积给出。电池面积比电阻(ASRrall)通过拟合功率密度和电流密度至在Fan, Sharbrough and Liu中描述的二次方程，P= (ASRcell · J2) +Eb · J确定。电池电阻测定为199 Ω-cm2。然后改变阳极电解质进料，从而在以下条件操作该电池I天pH等于约7. 4，对于3mM乙酸酯(或盐)，2mM磷酸盐缓冲液的电导率为O. 99mS/cm的溶液。通过如下步骤收集极化曲线(polarization curve):改变电池上的载荷电阻,并且记录该载荷电阻的电压。电池电阻测定为459 Ω-cm2。将NaCl添加至阳极电解液容器中至59mM NaCl的浓度。由于海水为0.6M NaCl，代表性的是用I份海水稀释9份低电阻率进料。将该电池在以下条件操作3天该pH等于6. 8,对于3mM乙酸酯(或盐)，59mM NaCl, 2mM磷酸盐缓冲液的电导率为7. 39mS/cm的溶液。通过如下步骤收集极化曲线改变电池上的载荷电阻，并且记录该载荷电阻的电压。电池电阻测定为214 Ω-cm2。图7是电池电压V，与电流密度A/m2的关系曲线。图8是功率密度W/m2与电流密度A/m2的曲线。
权利要求
1.一种方法，其包括 A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括 i)含有一种或多种导电材料的阳极，所述阳极安排用来通过所述导电材料给电子提供流路， )与所述阳极电接触的生电微生物， iii)含有一种或者多种导电材料的阴极， iv)阴极电解质， V)与阳极和阴极二者接触的电子导管，所述电子导管是回路的一部分； B)引入一种或多种电解质或者溶于第一流体中的一种或多种电解质与含有可生物降解材料的第二流体的混合物； C)使B)的混合物在微生物存在下与所述阳极接触； D)使所述阴极与阴极电解质接触； E)从所述微生物燃料电池取出流体混合物。
2.权利要求I的方法，其中所述阳极位于含有流体的入口和流体的出口的阳极腔室中，其中所述阴极位于阴极腔室中，和将所述阴极电解质引入所述阴极腔室中。
3.权利要求I或2的方法，其中将步骤B的流体混合物引入所述阳极腔室的流体入口中。
4.权利要求I至3中任一项的方法，其中所述第一和第二流体是水。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述电解质是一种或者多种盐。
6.权利要求8的方法，其中所述盐含有一种或多种碱金属或者碱土金属。
7.前述权利要求中任一项的方法，其中所述一种或多种电解质的溶液是盐水，海水，来自水脱盐工艺的废物流或者工艺废物流。
8.前述权利要求中任一项的方法，其中选择电解质在所述混合物中的浓度从而使得所述流体混合物的电导率为约3豪西门子。
9.前述权利要求中任一项的方法，其中所述阴极电解质是含氧气体。
10.前述权利要求中任一项的方法，其中所述电子导管连接至电池组、使用电的设备、或电网。
11.前述权利要求中任一项的方法，其中所述含有可生物降解材料的流体是含有有机化合物的混合物的废水流。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述微生物燃料电池的阳极和阴极邻近所述阴离子交换膜放置。
13.权利要求I的方法，其中步骤B)包括引入溶于第一流体中的一种或多种盐与含有可生物降解材料的第二流体的混合物；和其中所述第一流体中的盐的浓度高于对于排出到环境中来说可接受的盐浓度，并且从所述微生物燃料电池取出的流体混合物中的盐浓度处于或者低于对于排出到环境中来说可接受的浓度。
14.根据前述权利要求中任一项的方法，其中产生电并且俘获该电用于使用，在微生物燃料电池流出物中可生物降解材料和电解质的浓度处于对于排出到环境中来说可接受的水平。
15.根据前述权利要求中任一项的方法，其中含有该可生物降解材料的流体的电导率为约 O. 05至约2豪西门子，和流体混合物的电导率大于约3豪西门子。
全文摘要
本发明涉及一种方法，其包括A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括i)含有一种或多种导电材料的阳极，所述阳极安排用来通过所述导电材料给电子提供流路，ii)与所述阳极电接触的微生物，iii)含有一种或者多种导电材料的阴极，iv)阴极电解质，v)与阳极和阴极二者接触的电子导管，所述电子导管是回路的一部分；B)引入一种或多种电解质或者溶于第一流体中的一种或多种电解质与含有可生物降解材料的第二流体的混合物；C)使B)的混合物在微生物存在下与所述阳极接触；D)使所述阴极与阴极电解质接触；E)从所述微生物燃料电池取出所述流体混合物。
文档编号H01M8/16GK102906924SQ201180024684
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年3月19日
发明者S.A.沃林, S.T.马图希 申请人:陶氏环球技术有限责任公司