用于成本效益好的生物电化学系统的电极技术方案

描述了一种用于生物电化学系统的电极，其包括：基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质。也描述了生物电化学系统，用于插入电极的支架和使用支架的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】援引并入本文引用的所有专利，专利申请和出版物在此通过援引全部并入，以便更充分地描述本领域技术人员在本文描述的专利技术日期之前获知的本领域的状态。相关申请本申请要求2013年11月22日提交的美国临时申请61/907523的优先权，在此通过引用其全部并入本文。
技术介绍
在历史上，水和其他物质的处理一直需要能量消耗并且一直是一个昂贵的过程。污水产生自许多工业过程。尤其是食品饮料和农业过程产生大量的废水。此外，获取能量燃料的许多方法导致环境危害，如，例如，污染的地下水。大多数废物处理过程涉及目标污染物的氧化或还原。生物电化学系统(BES)是一类能够处理水，同时产生电或其它增值产品，如甲烷和氢气的技术。基于新发现的微生物(称为“产电微生物(electricigens)”)通过直接电极接触，可溶性介质和导电生物纳米线与电极电相互作用的能力，BES可以配置到具有活跃的再生催化剂的燃料电池中。生物电化学系统利用生物作为用于氧化或还原反应的催化系统。生物电化学系统应用可以以一种或两种电极反应为特点，并且包括，除其他外，废物处理、化学形成和能量产生过程。生物电化学系统的生物成分与这样的电极接界，所述电极用作到耦合两个(氧化和还原)半电池反应的电路的接口。这样，生物电化学系统的电极的性能对于系统的操作是关键的。电极至少应该提供高导电性、大表面积和生物相容的材料。
技术实现思路
本专利技术涉及适合用于生物电化学系统(BES)中的电极，用于制造这样的电极的方法和将这种电极结合到更广泛的系统的BES的各种新颖的构思。在一些实施方案中，BES包括电极，如阳极和阴极，这两者都或个别地涂覆有具有从电极转移或接受电子的能力的生物薄膜(即，微生物群落)。利用这样的微生物群落的电极通常被称为生物学电极或生物电极。电极也可以包含贵金属以催化所发生的反应之一。含有无机催化剂的电极可以在没有生物薄膜的情况下使用并被称为非生物电极。电极可以由在它们之间传送离子的电解质(通常是一个膜)隔开。电极、生物薄膜、电解质和催化剂可以或可以不被封装在附有单个或多个室的壳体或多个壳体中。每个这些包括壳体的元件，可连接到外部电路、控制系统、或用于组合系统的其它反应器。微生物燃料电池中的元件的几何结构和它们的材料限定可以一起被定义为系统的“架构”。BES的燃料和化学产物可以包括范围广泛的还原的有机或无机基质(substrate)。燃料的非限制性示例性来源是在废水中发现的基质，包括糖和如乙醇和乙酸的低重量有机分子。因为它们可以除去废水中的生物需氧量(BOD)同时产生适量的电力，BES具有大幅提高水处理系统的封闭性和能量学的潜力。BES具有在各种各样的能力中发挥作用的潜力，包括产生多种有用的产物，改善现有清除系统的效率和辅助CO2的捕获。为了最大化纳入电极的BES系统的效率和经济可行性，将电极的材料和设计设计成最大化如导电性、表面积和生物兼容性的特性，同时尽量减少材料和构建费用。在一个方面，描述了用于生物电化学系统的电极，所述电极包括：基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质，其中，所述第一导电物质电连接到作为一个或多个集电体的平面电极材料。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，一种或多种第一导电物质和框架一起形成框架的整体。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，一种或多种第一导电物质附接或固定到框架的主体。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架附接到所述平面电极材料的外部或周边。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架是刚性的。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，平面电极材料是多孔的。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，平面电极材料是网状物。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架包括非导电聚合物材料。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，电极还包括插入聚合物材料和第一导电物质之间的橡胶垫。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架包括紧固在平面电极材料的相对侧上的两部分。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，电极还包括电连接到集电体并暴露于框架外部的一个或多个第二导电表面。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，电极通过框架与另一个电极或其他电极在同一平面上接合。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，电极通过双面通道(H-通道或其它适当的通道)与另一个电极或其他电极在同一平面上接合。所述双面通道可以或可以不被集成到框架。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，电极基本上是平面的。在另一个方面中，描述了一种电极组件，其包括本文公开的任何一种或多种实施方案的电极，以及与电极相邻的一个或多个平面塑料网状物。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，平面塑料网状物被构造成间隔物。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架包括一个或多个凹槽且平面塑料网状物被插入框架的一个或多个凹槽中。在又一个方面中，描述了一种生物电化学电极盒，其包括：至少一个工作电极，其包括基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质，其中，导电物质电连接到作为一个或多个集电体的平面电极材料；至少一个反电极；和至少一个绝缘间隔物。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，一种或多种第一导电物质和框架一起形成框架的整体。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，一种或多种第一导电物质附接或固定到框架的主体。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架附接到所述平面电极材料的外部或周边。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架是刚性的。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，平面电极材料是多孔的。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，平面电极材料是网状物。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架包括非导电聚合物材料。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，所述盒进一步包括插入在聚合物材料和第一导电物质之间的橡胶垫。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，框架包括紧固在平面电极材料的相对侧上的两部分。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，工作电极还包括电连接至集电体并暴露于框架外部的一个或多个第二导电表面。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，选自由工作电极、反电极和绝缘间隔物组成的组中的任意两个或多个部件由框架接合在一起。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，选自由工作电极、反电极和绝缘间隔物组成的组中的任意两个或多个部件由双面通道(H-通道)接合在一起。所述双面通道可以或可以不被集成到框架。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，工作电极基本上是平面的。在又一方面，描述了一种生物电化学系统，其包括：至少一个反应器室；设置在反应器室中的至少一个工作电极；至少一个反电极；和设置在反应器室中并包括一个或多个固定机构的支架；其中，所述至少一个工作电极通过一个或多个固定机构设置在支架中。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，至少一个工作电极设置在盒形式的支架中。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，工作电极与支架电通信(electricalcommunication)。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，固定机构是开槽的凹槽或紧固件。在本文公开的任何一种或多种实施方案中，支架包括导电物质。在本文公开的任何一个或多个实施方案中，支架包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生物电化学系统的电极，所述电极包括：基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质，其中，所述第一导电物质电连接到作为一个或多个集电体的平面电极材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.22 US 61/907,5231.一种用于生物电化学系统的电极，所述电极包括：基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质，其中，所述第一导电物质电连接到作为一个或多个集电体的平面电极材料。2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述一种或多种第一导电物质和框架一起形成框架的整体。3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述一种或多种第一导电物质附接或固定到框架的主体。4.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述框架附接到所述平面电极材料的外部或周边。5.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述框架是刚性的。6.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述平面电极材料是多孔的。7.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述平面电极材料是网状物。8.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述框架包括非导电聚合物材料。9.根据权利要求8所述的电极，其还包括插入聚合物材料和第一导电物质之间的橡胶垫。10.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述框架包括紧固在平面电极材料的相对侧上的两部分。11.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述电极还包括电连接到集电体并暴露于框架外部的一个或多个第二导电表面。12.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述电极通过框架与另一个电极或其他电极在同一平面上接合。13.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述电极通过双面通道与另一个电极或其他电极在同一平面上接合。14.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述电极基本上是平面的。15.一种电极组件，其包括前述权利要求中的任一项的电极，以及与电极相邻的一个或多个平面塑料网状物。16.根据权利要求15所述的电极组件，其中，所述平面塑料网状物被构造成间隔物。17.根据权利要求15或16所述的电极，其中，所述框架包括一个或多个凹槽且所述平面塑料网状物被插入框架的所述一个或多个凹槽中。18.一种生物电化学电极盒，其包括：至少一个工作电极，其包括基本为平面的电极材料；包括非导电物质的框架；和连接或固定到框架上的一种或多种第一导电物质，其中，所述导电物质电连接到作为一个或多个集电体的平面电极材料；至少一个反电极；和至少一个绝缘间隔物。19.根据权利要求18所述的盒，其中，所述一种或多种第一导电物质和框架一起形成框架的整体。20.根据权利要求18所述的盒，其中，所述一种或多种第一导电物质附接或固定到框架的主体。21.根据权利要求18-20中的任一项所述的盒，其中，所述框架附接到所述平面电极材料的外部或周边。22.根据权利要求18-21中的任一项所述的盒，其中，所述框架是刚性的。23.根据权利要求18-22中的任一项所述的盒，其中，所述平面电极材料是多孔的。24.根据权利要求18-23中的任一项所述的盒，其中，所述平面电极材料是网状物。25.根据权利要求18-24中的任一项所述的盒，其中，所述框架包括非导电聚合物材料。26.根据权利要求25所述的盒，其进一步包括插入在聚合物材料和第一导电物质之间的橡胶垫。27.根据权利要求18-26中的任一项所述的盒，其中，所述框架包括紧固在平面电极材料的相对侧上的两部分。28.根据权利要求18-27中的任一项所述的盒，其中，所述工作电极还包括电连接至集电体并暴露于框架外部的一个或多个第二导电表面。29.根据权利要求18-28中的任一项所述的盒，其中，选自由工作电极、反电极和绝缘间隔物组成的组中的任意两个或多个部件由框架接合在一起。30.根据权利要求18-29中的任一项所述的盒，其中，选自由工作电极、反电极和绝缘间隔物组成的组中的任意两个或多个部件由双面通道接合在一起。31.根据权利要求18-30中的任一项所述的盒，其中，所述工作电极基本上是平面的。32.一种生物电化学系统，其包括：至少一个反应器室；设置在反应器室中的至少一个工作电极；至少一个反电极；和设置在反应器室中并包括一个或多个固定机构的支架；其中，所述至少一个工作电极通过一个或多个固定机构设置在支架中。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·西尔弗，贾斯汀·巴克，凯西·夏蒂尔，马克·巴罗斯凯，詹姆斯·赖安·霍金斯，黄振，琼·英·莱·德兰，齐波拉·瓦格纳，
申请(专利权)人：凯博瑞创新公司，
类型：发明
国别省市：美国;US