微生物燃料电池，控制和测量所述燃料电池的氧化还原电位差的方法技术

记载了一种微生物燃料电池(MFC)，其中阳极和/阴极半电池包括至少一个附加电极，所述附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触并设置成与外部电压或电流源连接，其中所述附加电极不包括内部氧化还原系统；MFC的操作方法；以及测量、控制或调制MFC电路的方法。

A method for controlling and measuring the redox potential difference of the fuel cell by a microbial fuel cell

Records of a microbial fuel cell (MFC), wherein the anode and cathode / half cell includes at least one auxiliary electrode, the electrode is insulated without additional direct contact with the working electrode is connected with the external voltage or current source, wherein the auxiliary electrode does not include redox system; operation method MFC the method of measurement, or control; and MFC modulation circuit.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微生物燃料电池，控制和测量所述燃料电池的氧化还原电位差的方法
本专利技术涉及微生物燃料电池(MFC)，MFC的操作方法以及测量、控制或调制MFC电路的方法。特别地，本专利技术涉及提供具有改进的功率输出的MFC和测量MFC或控制电路的方法。
技术介绍
微生物燃料电池是通过微生物的催化反应而将化学能转化电能的装置；实际上，可使用有机材料来供给燃料电池，包括将它们与废水处理装置连接。微生物燃料电池已被关注至少25年，在过去的6年中受到越来越多的关注。其主要驱动因素为——与常规燃料电池相比——连续、长期、恒定的功率输出水平的有利潜能，而这由该技术的核心——活的全细胞生物膜生物催化剂——产生。生物催化剂具有这样的能力，其使化学反应速度加快，而在该过程中不会被消耗。在大多数常规燃料电池中，催化剂可为使燃料分解成其主要成分(其中之一为电子)的特殊金属(exoticmetal)。在微生物燃料电池(MFC)的情况下，生物催化剂通过生活在阳极室中的混合或纯培养物的生长和细胞代谢而再生。只要这些微生物菌群(consortia)在不断“更新的”环境中，它们将保持活力数月或数年，同时具有恒定数量的附着的代谢和生物转化生物膜细胞。MFC的操作原理由控制物质的电氧化还原电位特性的电化学定律来说明，并且是当前该科学领域中的缺点之一。在大多数情况下，MFC由两个单独的半电池组成：阳极(-ve端)和阴极(+ve端)。取决于每个半电池的液体或干混合物的“成分表”，两个半电池之间存在电位差，其为每个半电池的各氧化还原值的组合，所述各氧化还原值由组成这些系统的每个成分的标准氧化还原电位决定。这又称为系统的开路(o/c)或空载电压，因为其只有当两端之间没有连接负载时才能记录，并限定了由微生物生物膜细胞在阳极产生的电子通过电路(电力负载)流入阴极的力。当然，该值越高，其越不可能为限制因素。到目前为止，所记录的平均o/c电压水平为～0.7V，其实际上意味着这些系统的电压-安培(VA)输出总是<1V，对于通常需要3-5V操作范围的应用而言，必须采用并连接许多这样的单元。这种关系与物理大小和体积无关，即无论总工作体积是1mL还是10L，都存在相同的电位差。将多个单元连接在一起以获得一个高输出值可以多种方式完成。例如，像常规电池组一样，可将MFC串联连接或并联连接以分别升高电压或电流。如果这些参数均需放大，则可应用串-并联配置。这些方法纯粹是用功率的电放大来实现的。开路电位测量MFC的阳极电解液和阴极电解液的氧化还原电压之间的电位差。换言之，氧化还原电位差是两种不同物质(氧化还原对)的氧化还原电位之间的差。其为控制MFC系统中的电子流动的力。该力通过微生物的代谢驱动而保持和再生。当在能量产生模式中时，在工作阳极和阴极电极之间连接外部负载，这允许电荷(电子)从阳极流至阴极。为了量化MFC的开路电压性能，通常的方式是断开电路(即断开电阻器)并建立稳态读数或通过使用恒电位仪，所述恒电位仪使用参比电极人工地将系统设置为稳态。然而，达到稳态需要时间(约半小时并不罕见)。不断地断开电路并等待其稳定显著破坏了MFC的功率输出。因此，需要改进MFC的功率输出并提供对应于MFC的开路电位的测量的改进机制以及一种控制或调制工作电极的功率输出的方法。
技术实现思路
出人意料地，本专利技术人发现，MFC的功率输出可通过经由至少一个附加电极将MFC与外部电源连接来改进。实际上，将外部电源(其可为另一个MFC)——称为驱动器——与工作电极和附加电极连接，工作电极和附加电极均位于MFC单元(称为工作单元)的阳极或阴极半电池中。与多个单元之间的常规串联和并联配置相反，这不是直接的电场效应，因为驱动器单元的电压输出影响工作MFC阳极电解液的电化学氧化还原值，这实际上对性能产生有利影响。由于从氧化还原条件的动态偏移获得的长期利益，当将多个MFC单元互相连接时，可具有特别的优势。主(工作)电极响应并通过氧化还原电位的偏移进行调制，所述氧化还原电位又取决于经由附加电极(如第3或第4针(pin))施用的电压-电流的幅值。由增加的功率输出可以看出MFC的性能改进。功率输出为做功的速率，并且在MFC的情况下，其可作为在已知负载下的电流和电压之间的乘积进行计算。本专利技术还提供一种控制微生物燃料电池的氧化还原电位的方法，所述方法包括将至少一个附加电极加入到阳极和/或阴极半电池中，所述附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触并与外部电压或电流源连接。该方法允许测量在负载下运行的MFC的阳极和阴极半电池(“开路”等效)之间的氧化还原电位差，而无需断开电路并等待达到稳态。在本专利技术的优选实施方案中，附加电极使阳极向更负的氧化还原电位平衡和/或使阴极向更正的氧化还原电位平衡。在本专利技术的优选实施方案中，附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触。电气绝缘可通过端部开口的不渗透涂层或全封闭的半渗透涂层提供。合适的涂层材料包括不渗透或半渗透的陶瓷、聚合塑料、硅树脂或橡胶中的一种或多种，或其混合物。合适的半渗透涂料包括半渗透织物、肠皮、胶原和生物可降解的有机物质如叶材料。在本专利技术的实施方案中，生物可降解的涂层可用作滞后机制，保持附加电极与MFC中的其他电极分离直到生物可降解的涂层降解，从而使得附加电极能够运行。因此附加电极可包括两个涂层，如内部的非生物可降解的涂层和外部的生物可降解的涂层。MFC可为基于直接接触的MFC(即微生物如地杆菌属(Geobacter)、希瓦氏菌属(Shewanella)、红育菌属(Rhodoferax)将电子通过导电蛋白链或纳米线直接传送至电极)或基于介质(mediator)的MFC(藉此，微生物如脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)、希瓦氏菌属排泄电活性代谢物，其被化学还原并可在电极上进行电催化氧化)。所述介质可为天然或合成的且可包括硫酸盐/硫化物、铁/亚铁、硝酸盐/亚硝酸盐、硫堇、甲基紫精、亚甲蓝、腐植酸、中性红、萘醌、吩嗪和吩噻嗪中的一种或多种。MFC优选包括一个或多个离子交换膜。离子交换膜可为阳离子交换膜或阴离子交换膜。合适的离子交换膜还包括离子膜、合成的胶原膜、合成的胶乳膜和动物皮肤膜。优选地，离子交换膜为质子交换膜(PEM)。PEM可为聚合物膜或复合膜，合适的材料包括，但不限于，UltrexTM、陶瓷和陶土。优选地，PEM为陶瓷。在本专利技术的MFC中使用的PEM的形状和排列可根据各MFC的设计而变化，然而，当PEM为陶瓷时，优选平瓦或中空圆柱形结构。当PEM为圆柱形时，阳极可插入圆柱体的内部或外部，阴极可缠绕在圆柱体的外部或内部。工作电极可由以下材料形成或包含以下材料：碳(例如折叠的碳面纱、活性碳或碳棒)、石墨毡、石墨棒、金属(包括铂和金)、金属复合材料、微孔层(MPL)电极或导电陶瓷。工作电极可涂覆有金属。在本专利技术的实施方案中，工作电极可为扁平的、网状的或枝状的(具有棒状表面突起)。扁平或网状电极可以是任何形状，例如矩形或圆形或符合具有多孔内部的圆柱体。电极可由各种厚度的条带、各种直径的线、网状物(mesh)或网(net)等形成。将附加电极放置到与工作电极相同的溶液中，而不与工作电极直接物理接触。附加电极可包含与工作电极相同的导电材料或由与工作电极相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物燃料电池(MFC)，其中阳极和/或阴极半电池包括至少一个附加电极，所述附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触并设置成与外部电压或电流源连接，其中所述附加电极不包括内部氧化还原系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.30 GB 1501570.41.一种微生物燃料电池(MFC)，其中阳极和/或阴极半电池包括至少一个附加电极，所述附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触并设置成与外部电压或电流源连接，其中所述附加电极不包括内部氧化还原系统。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其中所述附加电极的绝缘通过端部开口的不渗透涂层或全封闭的半渗透涂层提供。3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述端部开口的不渗透涂层或全封闭的半渗透涂层包含一种或多种陶瓷、聚合塑料、硅树脂或橡胶，或其中所述全封闭的半渗透涂层包含一种或多种半渗透织物、肠皮、胶原或生物可降解的有机物质。4.根据权利要求1至3中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述附加电极的表面积与工作电极的表面积相同或小于工作电极的表面积。5.根据权利要求1至4中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述附加电极包含与工作电极相同的材料或由与工作电极相同的材料形成。6.根据权利要求1至4中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述附加电极包含与工作电极不同的材料或由与工作电极不同的材料形成。7.根据权利要求1至6中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述外部电压或电流源由一个或多个附加微生物燃料电池或任何其他供应小功率的外部电路提供，所述外部电路包括家用供电电源、风电、光电、水电、电池组、蓄电池或化学燃料电池。8.根据权利要求1至7中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阳极和/阴极半电池包括两个或更多个附加电极。9.根据权利要求1至8中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述附加电极的宏观表面积与含有所述电极的半电池的体...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·耶罗普洛斯，J·格伦曼，
申请(专利权)人：英国西英格兰大学，布里斯托尔，
类型：发明
国别省市：英国,GB