微生物燃料电池单元、其用途和微生物燃料电池布置制造技术

本发明专利技术涉及一种微生物燃料电池(MFC)单元，其包括至少一个阴极，至少一个阳极，该阳极优选在重力方向上布置为与阴极相距一定距离，所述阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接。燃料电池单元还包括用于将单元定位在周围介质内的定位装置，并且所述燃料电池单元在阴极和阳极之间没有任何膜。

Microbial fuel cell unit, its use and microbial fuel cell arrangement

The invention relates to a microbial fuel cell (MFC) unit, which comprises at least one cathode and at least one anode. The anode is preferably arranged in a gravity direction to a certain distance from the cathode, and the anode is in free contact with the surrounding medium. If more than one is the cathode or anode, the anode and the cathode pass through the external electricity. The road connects to each other. The fuel cell unit also includes a positioning device for locating the unit in the surrounding medium, and the fuel cell unit has no film between the cathode and the anode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微生物燃料电池单元、其用途和微生物燃料电池布置
本专利技术涉及根据所附独立权利要求的前序部分的微生物燃料电池单元及其用途、以及微生物燃料电池布置。
技术介绍
微生物燃料电池(MFC)为水处理和能源生产提供了一种替代方案。它提供了通过使用微生物将化学能转换成电能的可能性。典型的微生物燃料电池包括具有通过外部电路彼此连接的阳极和阴极的电池反应器。在电池反应器的阳极侧，水性液体介质中的有机物质被微生物氧化。氧化产生二氧化碳、电子和质子。被称为胞外产电微生物(exoelectrogen)的一些微生物将由细胞呼吸产生的一些电子释放到阳极。电子通过外部电路转移到阴极，并且质子通过液体介质转移到阴极。然后电子和质子在阴极处的化学反应中被消耗。例如，在废水处理中，电子和质子在阴极处被消耗，与氧气(例如来自空气)结合，并且根据以下反应形成水：O2+4H++4e-→2H2O目前许多微生物燃料电池结构旨在用于实验室，并且由于其复杂的机械结构而不容易适用于实际应用。此外，用于实验室微生物燃料电池的膜可能引起在阳极和阴极之间转移离子中的问题，尤其是如果液体介质包含有机和无机物质的复合基质时更是如此。还期望微生物燃料电池也可用于大规模处理废水或天然水库。为了实现这一期望，微生物燃料电池必须具有低构建成本，易于维护，并且可以在现场或在自然环境中的远程处理单元中应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是最小化甚至消除现有技术中存在的缺点。本专利技术的一个目的是提供一种微生物燃料电池单元，该微生物燃料电池单元具有简单且鲁棒的结构，没有体积限制。本专利技术的另一个目的是提供一种微生物燃料电池布置，其根据需要易于扩展(scale)。这些目的通过独立权利要求中公开的特征来实现，并且本专利技术由所附独立权利要求的特征来限定。本专利技术的一些优选实施例在从属权利要求中给出。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可相互自由组合。在本文中给出的示例性实施例及其优点通过MFC单元的可应用部分以及根据本专利技术的用途来实现，尽管并非总是单独提及。根据本专利技术的典型微生物燃料电池单元包括：-至少一个阴极，-至少一个阳极，阳极优选在重力方向上布置为与所述阴极相距一定距离，阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接，-用于将单元定位在周围介质内的定位装置，其中所述燃料电池单元在阴极和阳极之间没有任何膜。本专利技术的典型布置包括至少两个根据本专利技术的微生物燃料电池单元。现在令人惊讶地发现，根据本专利技术的微生物燃料电池单元提供了鲁棒的结构，其制造和维护简单且便宜。MFC单元的阳极与周围介质自由接触，MFC单元没有任何膜。这意味着MFC单元是无反应器和无膜的，这使得与周围介质的有效的阳极接触。由于各个单元很容易附接在一起形成一个布置，因此该布置很容易按需扩展。此外，本专利技术使构建微生物燃料电池单元所需的材料最小化，从而导致更低的成本和有效的资源利用。在本上下文中，术语“周围介质”被理解为包含有机物质的水性介质。在此，水性介质被理解为包含游离水的介质，诸如水性液体、水性溶液或水性悬浮液，或者在一些实施例中被理解为包含结合水的湿润介质，诸如湿润或潮湿的土壤。水性介质优选为水性液体、水性溶液或水性悬浮液。介质可以包含固体无机和/或有机物质和/或颗粒。周围介质可以是水、废水、污水、泥浆、泥水、沉积物或任何无机和/或有机颗粒的水性悬浮液。水性介质可以包含重量小于80％，优选重量小于60％，更优选重量小于50％的固体。根据本专利技术的一个实施例，周围介质是包含重量小于30％固体的水或水性悬浮液。根据一个实施例，水性介质可以包含重量0.1-80％，优选重量0.5-60％，更优选重量0.5-50％，甚至更优选重量1-30％的固体。MFC单元包括至少一个阴极。阴极可以由诸如碳、石墨、催化剂涂覆的碳、催化剂涂覆的石墨或其它相应的导电材料的导电材料制成。阴极可以是布、纤维、颗粒或纤维毡的形式。合适的阴极材料的示例是碳布、碳毡、碳纤维、碳纸和石墨纤维。根据本专利技术的一个实施例，所述至少一个阴极是平坦且片状的，具有第一水平大表面，所述第一水平大表面可布置成与阴极电解液(优选空气)接触。阴极的第二水平大表面可以至少部分地布置成与周围介质接触，该周围介质优选是液体介质。根据一个实施例，阴极的比面积(即阴极表面积与体积的比率)可以是0.3-1000m2/m3，优选0.5-500m2/m3，更优选为0.5-250m2/m3。MFC单元还包括至少一个阳极，其布置为在重力方向上与阴极相距一定距离。当阳极和阴极在垂直方向上彼此叠置时，单个MFC单元所需的空间减小。至少一个阳极布置为与周围介质自由接触，这意味着MFC单元没有围绕阳极并限定MFC单元体积的壁、框架或壳体。周围介质能够自由地绕阳极流动并与其接触。这意味着根据本专利技术的单个MFC单元不具有任何体积限制。所述至少一个阳极可以是碳或石墨电极，或者催化剂涂覆的碳电极，例如Pt涂覆的碳电极。优选地，阳极具有尽可能高的表面积，以便为产电微生物提供有效的支撑。阳极的比表面积可以在10-25000m2/m3，优选100-20000m2/m3的范围内。根据本专利技术的一个实施例，单独的至少一个阳极是刷状的或具有蜂窝结构，以使阳极的表面积最大化。刷状阳极包括轴，例如，钛、以及石墨或碳纤维的轴。纤维附着在轴上并从轴径向延伸。轴竖直延伸到周围介质中。刷状阳极的比表面积可以在1000-25000m2/m3，优选3000-20000m2/m3的范围内。可替代地，至少一个阳极可以是中空多孔体的形式，诸如中空多孔球体、中空多孔立方体或中空多孔圆柱体。本体壁的孔眼实现周围介质进出本体的有效传递。中空多孔体可以填充有碳或石墨微粒或颗粒，在这种情况下，中空体可以被认为是填充的粒状床。由石墨微粒或颗粒形成的阳极的比表面积可以在100-5000m2/m3，优选500-3000m2/m3的范围内。此外，所述至少一个阳极可以是平板状阳极。在阴极也是平坦且片状的情况下，阳极可以与阴极(这些阴极)相距一定距离平行布置。阳极和阴极可布置成与布置在它们之间的可渗透分离器接触。分离器是非膜材料。或者，阳极可以围绕中心阴极成角度布置。阳极和阴极的表面积可以彼此不同。根据本专利技术的一个实施例，MFC单元中的阴极和阳极的数量可以彼此不同。例如，一个MFC单元中的阴极的数量可以在1至15，优选1至5，更优选1至3的范围内。一个MFC单元中的阳极的数量可以在1至15，优选2至10，更优选4至7的范围内。根据本专利技术的一个优选实施例，MFC单元中的阳极的数量多于阴极的数量。优选地，MFC单元包括一个阴极和多个阳极，诸如1至7或2至7。MFC单元在阴极和阳极之间没有任何透水膜。这意味着该单元在阴极和阳极之间不包含可以限制离子从阳极转移到阴极的可渗透或半渗透膜。这提高了电能生产的效率。因为MFC单元不会遭受膜污染或与膜相关的其它问题，所以它也更强健且更容易维护。根据本专利技术的一个实施例，每个MFC单元与至少一个其它单元物理连接，优选可拆卸地连接，以形成包括至少两个MFC单元，优选多个MFC单元的布置。例如，多个MFC单元可以可拆卸地附接到网状结构，或者MFC单元可以通过诸如配件、绳索、链条、线、棒、管等连接器可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微生物燃料电池(MFC)单元，其包括：‑至少一个阴极，‑至少一个阳极，阳极优选在重力方向上布置为与所述阴极相距一定距离，所述阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接，‑定位装置，用于将单元定位在所述周围介质内，其中所述燃料电池单元在阴极与阳极之间没有任何膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.16 FI 20155955;2015.11.20 US 62/257,8011.一种微生物燃料电池(MFC)单元，其包括：-至少一个阴极，-至少一个阳极，阳极优选在重力方向上布置为与所述阴极相距一定距离，所述阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接，-定位装置，用于将单元定位在所述周围介质内，其中所述燃料电池单元在阴极与阳极之间没有任何膜。2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述至少一个阴极是平坦的且片状的，具有能够布置成与阴极电解液接触的第一水平大表面和至少部分布置为与所述周围介质接触的第二水平大表面。3.根据权利要求1或2所述的单元，其特征在于，所述至少一个阳极是刷状的，具有蜂窝结构或呈中空多孔体的形式。4.根据权利要求1、2或3所述的单元，其特征在于，所述至少一个阳极能够是与所述至少一个阴极平行布置的平坦片状阳极。5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的单元，其特征在于，阳极的数量大于阴极的数量。6.根据权利要求5所述的单元，其特征在于，所述单元包括一个阴极和多个阳极。7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的单元，其特征在于，所述单元包括多个阳极，所述多个阳极布置为与一个公共阳极集流器连接，或者每个单独的阳极布置为与其自己的阳极集流器连接。8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的单元，其特征在于，所述单元包括至少两个阳极，所述至少两个阳极与公共阳极集流器接触。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·佩莱斯，L·巴瓦，A·卡萨叙，
申请(专利权)人：凯米罗总公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI