微生物燃料电池和使用方法
【专利说明】微生物燃料电池和使用方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的申请号为61/790, 195的美国临时申请的优 先权，其全部内容通过引用并入本文。 发明领域
[0003] 本公开设及微生物燃料电池并且使用所述燃料电池的方法也在本文进行公开。
[0004] 政府支持感谢
[0005] 本发明是在美国国家科学基金会授予的CBET0955124和IIP1265144的政府支持 下做出的。政府在本发明中享有某些权力。
【背景技术】
[0006] 化石燃料的有限储量和对减少温室气体排放不断增长的压力已经产生了对替代 能源的迫切需要。在美国和其它发达国家，废水处理占了约3%的电能消耗。据估计废水包 含的能源为目前现代废水处理厂用于处理水所消耗能源的9. 3倍的量那么多。微生物燃料 电池（MFC)技术使用微生物来催化从可生物降解有机物直接发电，在处理废水的同时提供 了用于从废水产生能源的全新方法。MFC技术在将废水处理从耗能过程转化为净能源产生 过程上具有广阔前景，因此大幅度提高对废水处理和再利用的能源可持续性。
[0007] 单室空气-阴极微生物燃料电池（MFC)在许多实际应用上较双室系统提供了很 大优势，因为1)可W使用被动空气因此不需要曝气，2)不需要阴极电解液的循环或化学 再生，因此操作简化，和3)更小的电池体积，因此容易实现更高的体积功率密度。此外，空 气-阴极MFCs缺乏质子交换膜（PEM)，由于其低成本、结构简单和相对大的功率密度而具有 广阔前景。然而无膜MFCs呈现两个主要挑战；（1)当使用混合培养物时由于氧气扩散穿过 阴极而消耗基质，库仑效率比含有膜的MFCs低得多；和（2)由于氧气对阳极上厌氧菌活性 的潜在负面影响W及短路的风险，在无膜MFC中阳极和阴极距离被局限于某一范围（大约 l-2cm)。相对大的电极间距不仅增加内电阻，也限制了体积功率密度。
[0008] 常规MFC的另外的限制是单一MFC的输出电压通常低于0.8V，并且在最大输出功 率下时常低于0.3V。如此低的输出电压大大限制了MFCs的应用。在常规方法中，输出电 压通过将几个MFC连同导体或集电器串联地连接而增加。然而，所述串联连接时常导致诸 如电压反转和电压转换等问题，其大大地减少了MFC堆的整体性能。在本领域使用的另外 的解决方案是使用DC/DC转换器来增高电压。但是，该种方法不仅增加了MFC堆的复杂性 还因此降低其可靠性，而且因为在转换过程中失去很大一部分能源而减少总效率。此外，大 的MFC堆仍需要集电器，其不仅增加MFC堆的总成本和尺寸，而且减少了MFC的可靠性和寿 命。
【发明内容】
[0009] 本文公开了微生物燃料电池的实施方案，所述微生物燃料电池包含阳极组件、阴 极组件和配置w减少内电阻和抵抗生物降解的隔膜组件。所述阳极组件和阴极组件与隔膜 组件相关联并且可能是直接接触，或者通过另外的组件与隔膜组件相连。
[0010] 所述隔膜组件是织物或非织物（wovenornon-wovenf油ric)，其包含亲水性纤 维、疏水性纤维或它们的组合。所述亲水性纤维通常选自聚丙締（polypropylene)、人造纤 维（rayon)、粘胶纤维（viscose)、醋酸纤维（acetate)、棉、巧龙和它们的组合。所述疏水性 纤维通常选自聚醋（polyester)、膳绝（acirlic)、变性膳绝（modac巧lie)和它们的组合。 在具体公开的实施方案中，所述织物包括构成织物约1%至约100%的疏水性材料，诸如约 1 %至约90 %，或约1 %至约80 %，或约1 %至约70%。在其它公开的实施方案中，所述织 物包含聚丙締。在具体公开的实施方案中，所述织物包含混合聚醋和醋酸纤维、人造纤维或 棉。
[0011] 所述隔膜组件可W被配置为通过提供一个或多个在隔膜组件内的开口W允许气 体通过所述隔膜组件而减少内电阻。
[0012] 所述阴极组件包含催化剂，在具体公开的实施方案中其为活性炭粉末。所述阴极 组件可进一步包含粘合剂。所述粘合剂被配置为足够的亲水性W便提供改良的质子运输W 及配置为足够的疏水性W便提供改良的空气/氧气运输。在具体公开的实施方案中，所述 的亲水性粘合剂包含一个或多个官能团，其选自哲基、氨基、琉基和它们的组合。某些实施 方案设及的亲水性粘合剂为碳水化合物，其选自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它们的组合。粘 合剂的示例性实施方案选自亲水性组分，诸如脱己酷壳多糖、脱己酷壳多糖衍生物、葡萄糖 胺、葡萄糖胺衍生物；疏水聚四氣己締（PT阳）和聚二甲硅氧烷（PDM巧；W及它们的组合。
[0013] 所述阴极组件可进一步包含催化剂增强剂。选择所述催化剂增强剂W提高阴极组 件的电导率和减少电阻损失。在具体公开的实施方案中，所述催化剂增强剂是炭黑和/或 石墨粉。另外公开的实施方案中，所述阴极组件包含基础材质。所述基础材质是气体扩散 层，并且其可选自碳纸、碳布、不诱钢布、不诱钢网和它们的组合。但是在其它实施方案中， 所述阴极组件可进一步包含涂层材料，诸如聚四氣己締、聚二甲硅氧烷（单独或与固化剂 联合）或它们的组合。
[0014] 在具体公开的实施方案中，所述催化剂和催化剂增强剂作为组合物结合使用。所 述组合物包含大约50 %至约99 %的催化剂和约1 %至约50 %的催化剂增强剂。在某些实施 方案中，所述组合物包含约60 %至约99 %，约70 %至约99 %，约80 %至约99 %，或约90 % 至约99 %的催化剂和约1 %到约40 %，约1 %至约30 %，约1 %至约20 %，或约1 %至约10 % 的催化剂增强剂。
[0015] 所述微生物燃料电池可包含一根或多根电线。所述的一根或多根电线是导电的且 通常是铁丝。所述微生物燃料电池也可W包含一个或多个终板，并且在具体公开的实施方 案中，其包含至少一个入口和出口。所述微生物燃料电池可与本文所提供的一个或多个另 外的微生物燃料电池在串联或并联方向连接。
[0016] 本文还公开了串联连接的微生物燃料电池系统，其包含两个或更多的基础材质电 气性连接片段，被配置作为阳极组件和阴极组件、隔膜组件，并且在没有集电器组件或转换 器组件的情况下，配置其中所述的基础材质和隔膜组件W将基于有机的燃料转换为能源。 所述两个或更多的基础材质电气性连接片段通过允许基础材质的两个不同片段之间的物 理重叠而被提供。在具体公开的实施方案中，所述基础材质的两个或更多的电气性连接片 段包含不同的基础材质组件。每一个所述不同的基础材质组件选自碳纸、碳布、不诱钢布、 不诱钢网和它们的组合。但是在其它的实施方案中，基础材质的单一连续薄片被用于提供 基础材质的两个或更多的电气性连接片段，W及作为阳极组件的基础材质的一部分和作为 阴极组件的基础材质的独立部分。在该样的实施方案中，所述基础材质单一连续薄片是碳 布、碳纸或它们的组合。在具体公开的实施方案中，被配置作为包含处理具有催化剂、粘合 剂、粘合剂增强剂或它们的组的基础材质片段的阴极组件。
[0017] 本文也公开的是包含基础材质、涂层、催化剂和粘合剂的阴极组件，如本文所公开 的所述粘合剂被配置足够的亲水性W便提供改良的质子运输W及配置足够的疏水性W便 提供改良的空气/氧气运输。在具体公开的实施方案中，所述的催化剂和粘合剂用作在涂 覆有涂层材料的基础材质上的膜层。在具体实施方案中所述催化剂和粘合剂层使用除加热 外的方法干燥（例如：用空气或惰性气体干燥，诸如通过允许组件暴露在空气/惰性气体环 境下，或在组件上肯定地流动空气/惰性气体）。所述的催化剂可经过磯酸和硝酸预处理。 在具体公开的实施方案中，所述催化剂可经过化CI3X0CI2、邸TA、EDA、氨膳或它们的组合进 行处理。所述亲水性粘合剂可W被功能化，诸如使用选自戊二醒、聚（己二醇）、巧樣酸己二 醒、表氯醇和它们的组合的交联剂。
[001引本公开也设及产生能源的方法，其包括提供本文所公开的微生物燃料电池，引入 基于有机的燃料到微生物燃料电池，并且从基于有机的燃料中分离能源。在具体公开的实 施方案中，所述的基于有机的燃料选自废水，基于有机的液体和它们的组合。所述的废水可 由食物或饮料加工，或市政水源产生。
[0019] 在具体公开的实施方案中，所述基于有机的燃料通过微生物燃料电池的入口引入 到微生物燃料电池。来自所述基于有机的燃料的电子和质子可从燃料中分离和隔离出，并 通过电线组件或者通过隔膜组件传到微生物燃料电池的阴极组件，其中所述的电子和质子 重组W形成水。在具体公开的实施方案中，所述方法在大气压下执行，或在增加的压力下W 保持其中所产生的任何C〇2在液体状态下。所述方法也可进一步包括通过测定由微生物燃 料电池提供的功率密度来监测微生物燃料电池的性能，W及通过调节一个或多个操作条件 来改进微生物燃料电池的性能。在具体公开的实施方案中，调节一个或多个操作条件的行 为包括通过给予微生物燃料电池内压缩空气W增加微生物燃料电池内的氧浓度。在其它的 实施方案中，调节一个或多个操作条件的行为包括调节微生物燃料电池的温度。所述调节 温度的行为也可包括在约4°c至约100°C，或在约25°C至约80°C的温度下操作微生物燃料 电池。在另外的实施方案中，调节一个或多个操作条件的行为包括调节微生物燃料电池的 抑条件。所述抑值可调节至具有抑值范围从约7至约14模拟碱性条件，诸如约7至约 13,约7至约12,约7至约11，或约7至约10。在其它实施方案中，所述抑值可被调节至 PH值范围从约1至约7,约2至约7,约3至约7,或约4至约7的模拟酸性条件。
[0020] 本发明的上述内容和其它的对象、特征和优点将从下面的详细描述将变得更加明 显，其参照附图进行。
【附图说明】
[0021] 图1是阐明了功率密度（实方阵）和总电流（开环）读数的图，所述功率密度和 总电流读数从本文所公开的微生物燃料电池（MFC)的具体实施方案中得到。
[0022] 图2是公开的微生物燃料电池组件具体排列的分解透视图。
[0023]图3是公开的包括各种组件及其组装的微生物燃料电池的具体实施方案的分解 透视图。
[0024] 图4是用于测试公开的微生物燃料电池实施方案的具体MFC装配的图解。
[0025] 图5是本文所公开的串联连接的微生物燃料电池的实施方案的原理图。
[0026]图6是阐明从公开的微生物燃料电池的具体实施方案产生的数据而获得的极化 曲线图。电压值用实屯、S角形表示，且功率密度值用开环表示。在图形内还阐明了指示用 于计算内电阻的极化曲线部分的线性拟合。
[0027] 图7是阐明从本文公开的阳极生物膜的耐氧测试所获得结果的图形。
[002引图8是阐明水力停留时间对功率密度和库伦效率的影响的数据图。
[0029] 图9是阐明水力停留时间对PH值和醋酸盐消耗的影响的数据图。
[0030] 图10是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图 形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案设及常规的基于Pt的 阴极（A)，基于PAC的阴极（其中利用加热应用PAC催化剂炬)），和基于PAC的阴极（其中 不利用加热应用PAC催化剂（C))。
[0031] 图11是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图 形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案设及常规的Pt基的阴 极（A')，仅包含PAC催化剂的阴极炬'），和包含PAC和炭黑混合物的阴极（C')。
[0032] 图12是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图 形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案设及传统的Pt基的阴 极（A")，使用PTFE作为粘合剂的PAC基的阴极炬"），和使用脱己酷壳多糖作为粘合剂的 PAC基的阴极（C')。
[003引图13是阐明通过串联连接MFC组的顶部反应器产生的数据而获得的极化曲线图 形，所述MFC组加入（fedwith) 0. 1M的磯酸盐和0. 1M的醋酸盐溶液。
[0034]图14是阐明通过串联连接MFC组的底部反应器产生的数据的极化曲线图，所述MFC组加入0. 1M的磯酸盐和0. 1M的醋酸盐溶液。
[00对详细说明
[0036] I.简介
[0037] 如下描述在本质上具有示范性并且不意旨W任何方式限制本发明的范围、适用性 或配置。本文所描述的对描述的实施方案在要素的功能和排列上做出各种改变，其没有背 离本发明的范围。此外，提供的与一个具体的实施方案相联系的说明书和公开内容并不限 制于该实施方案，并且可应用于公开的任何实施方案。
[003引如该申请和权利要求所使用的，单数形式"一个（a),""-个（an)，"和"该个 (the)"包括复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语"包含（includes)"意为"包 含（comprises)"。并且术语"禪合的"和"关联的"通常意味着电力地、电磁地、和/或物理 地（如机械地或化学地）禪合或连接，并且在没有特定的相反语言下不能排除禪合或关联 项之间中间要素的存在。
[0039] 为了方便演示，尽管公开方法的示例性实施方案的操作可W特定顺序描述，但是 应该理解的是所公开的实施方案可包含除公开的特定顺序外的操作顺序，除非上下文另有 指示。例如，在某些情况下按顺序描述的操作可同时重排或完成。此外，提供的与一个具体 的实施方案相联系的说明书和公开并不限制于该实施方案，并且可应用于公开的任何实施 方