本发明专利技术公开了新型生物燃料电池，其基于氧化剂即铁离子的微生物再生。该生物燃料电池基于铁离子在正电极被还原成亚铁离子，并伴随在pH小于约1.2下通过氧化亚铁离子的铁离子的微生物再生和在负电极上燃料(例如氢气)的氧化。通过微生物如嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum?ferriphilum)实现铁离子的微生物再生。发电并伴随消耗来自大气的二氧化碳和将其转化入可用作单细胞蛋白质的微生物细胞。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及生物燃料电池，更具体地，本专利技术涉及基于氧化剂即铁离子的微生物再生的生物燃料电池系统，所述微生物再生是通过亚铁离子被化能自养性和 /或混合营养性的微生物需氧性氧化成铁离子的过程，所述微生物是如钩端螺旋菌 (Leptospirillum)属、铁原体(Ferroplasma)属、硫化杆菌(Sulfobacillus)属、嗜酸硫杆菌(AcidithicAacillus)属、脂环酸杆菌(Alicyclobacilus)及它们的任意组合的那些微生物，其可在发电的过程中消耗来自大气的二氧化碳。
技术介绍
氢经济发展的主体是大规模采用燃料电池技术。虽然对于燃料电池的日常应用已有显著进步，但部分由于产电的高成本，尚未实现它们的普及应用，参见Rose，R.，Fuel Cells and Hydrogen The Path Forward,Report Prepared for the Senate of the USA， <http://www. fuelcellpath. org>。在最普遍的质子交换膜(PEM)的氢-氧燃料电池的正极上，氧还原反应的缓慢动力学是该燃料电池本身的成本高(需要Pt作为催化剂)且电燃料效率低的主要原因，如在 Bockris，J. 0.-M.和 R. Abdu，J. Electroanal. Chem.，448，189 (1997)中公开的效率为约 50%。氧化还原燃料电池(其中氧被其它氧化剂如铁离子替代)的使用可使正极反应的速率(或者电化学术语中的交换电流密度)增加若干个数量级，如Bergens，S. H., G. B. Gorman, G. Τ. R. Palmore 和 G. Μ. ffhitesides, Science, 265，1418 (1994) ；Larsson, R.和 B. Folkesson, J. App 1. Electrochem.，20，907 (1990)；和 Kummer，J. Τ.和 D. -G. Oei，J. App 1. Electrochem.，15，619 (1985)中所公开的。此外，氧化剂向电极表面的传质速率(相当于电化学术语中的极限电流密度)也较高，这主要因为与氧气的溶解度相比(取决于分压和温度，在0. 006-0. 04g/L之间)，氧化还原燃料电池中的氧化剂的水溶解度更高(例如对于狗3+是50g/L)。根据热动力学论点，在使用非贵金属的电极下，氧化还原燃料电池的所有这些性质理论上应能够达到80% -90% 的化学能至电能的转换率。但是，氧化还原燃料电池中的主要问题是氧化剂还原形式的再氧化效率(氧化剂再生)，参见 Larsson，R.和 B. Folkesson, J. Appl. Electrochem.，20， 907 (1990)；以及 Kummer, J. Τ.和 D. -G. Oei，J. Appl. Electrochem.，15，619 (1985)。例如,如 Yearger, J. F, R. J. Bennett 禾口 D. R. Allenson, Proc. Ann. Power Sources Conf. ,16,39(1962)中所公开的，已利用Y _射线辐射将H2-Fe3YFe2+氧化还原燃料电池中的1 2+再氧化成狗3+。虽然该燃料电池本身的效率非常高，但是报道的该氧化剂的再生效率远低于15%。在其它情况中，利用氧气经过昂贵的催化剂进行氧化剂的再生 ，其缺少使用非钼正极的优点且仍然缓慢。因此，如在 Larsson, R.和 B. Folkesson, J. Appl. Electrochem.，20，907 (1990)中的建议，为了开发切实可行的总效率高的氧化还原燃料电池，需要开发氧化剂再生的有效方法。在半个世纪多以前发现亚铁离子被如嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)的化能自养性微生物需氧性氧化成铁离子的过程，参见A. R. Colmer, M. E. Hinkle, Science, 106(1947)253-256。这些微生物已在冶金学中广泛地用于浙滤贵金属(Au)、重金属(U)和基础金属(Cu、Ni、Zn、C0)以及环境保护。微生物的铁氧化是基于以下的净反应4Fe2++4H++02 = 4Fe3++2H20 (1)已表明，亚铁离子的微生物氧化速率比通过在pH在1-2之间下与氧气的纯化学反应所得的速率快 500000 倍，参见 D. T. Lacey, F. Lawson, Biotechnology and Bioengineering,12(1970)29-50。当基于亚铁氧化而生长时，嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)利用微生物界中已知的最窄的热力学限制之一，参见W. J. hgledew，Biochimica et Biophysica Acta，683 (198 89-117。通过该微生物的铁氧化电子转移链包括两个半反应4Fe2+ = 4Fe3++4e" (2)其在细胞膜外部发生，和在膜内部的4e>02+4H+ = 2H20 (3)参见 M. Nemati, S. T. L. Harrison, G. S. Hansford, C. Webb, Biochemical Engineering Journal，1 (1998) 171-190。通过三种电子载体rusticyanin、细胞色素 c 和细胞色素a的链，电子转移通过细胞壁。将铁氧化的细菌嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)是自养性微生物，即它利用通常来自大气的二氧化碳(CO2)作为唯一的碳源，同时如亚铁的氧化(1-3)的无机反应为其提供能量。已研究在不同类型的生物反应器中利用嗜酸氧化亚铁硫杆菌 (A. ferrooxidans)的实验室、中试和工业规模的铁氧化。在常规的培养条件下，在包括基于亚铁离子而生长的嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)的生物反应器中，其氧化还原电势值可达到 IOOOmV,参见 M. Boon, K. C. Α. Μ. Luyben, J. J. Heijnen, Hydrometallurgy, 48(1998) 146。因为反应(3)的电势相对于标准氢电极(SHE)为1120mV，至多约90%的反应能用于产生狗3+，而剩余部分(约10% )可用于微生物的生物质形成和维持。出于多种不同目的，已将通过嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)的亚铁离子的生物氧化用于电化学电池中。在所有这些情况中，在正极表面上发生的电化学反应是Fe3++e" = Fe2+ (4)已描述了多个不同的对电极(负极)反应A)按照以下的反应形成氧气2H20 = 4e>02+4H+ (5a)在该情况中，需要施加外部电势以在一个电极上还原铁离子并在另一电极上产生氧气。此系统已用于微生物底物(亚铁离子)的连续再生，其产生非常高的电池效率，参 JAL N. Matsumoto, S. Nakasono, N. Ohmura，H. Saiki, Biotechnology and Bioengineering， 64 本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·G·卡拉马内夫，V·R·普普克维奇，H·霍佳提，
申请(专利权)人：西安大略大学，
类型：发明
国别省市：
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