高效率微生物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及微生物燃料电池，其包括:A)含有一种或者多种导电材料的阳极，其设置用来提供电子穿过该导电材料的流路，并且用来形成流体物质穿过在该导电材料中形成的通道的流路，B)与所述阳极电接触的生电微生物，C)置于流体中的可生物降解材料，D)含有一种或多种导电材料的阴极，使该阴极适应使得该阴极能够与含氧气体接触，E)置于所述阳极和所述阴极之间的阴离子交换膜;和，F)电子导管，其与所述阳极和所述阴极二者接触形成回路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及微生物燃料电池和用于微生物燃料电池中的改进的阳极。本专利技术还涉及从含有可生物降解材料的流体例如废水产生电的方法。此外，本专利技术涉及从含有可生物降解材料的流体例如废水除去可生物降解材料的方法。
技术介绍
微生物燃料电池是已知的。20世纪60年代授权的披露和涉及在不燃烧的环境中生产电和使用微生物燃料电池从水中除去有机污染物的方法的专利参见Davis等的US3，331，705;Davis 等的 US 3，301，705 和 Helmuth US3, 340，094。一般地，微生物燃料电池通过使含有可生物降解材料的流体，例如废水流，与催化可生物降解材料的降解的微生物在阳极存在下接触而工作。所述废水流的来源可包括来自商业或者工业方法的流体，或者来自水处理工厂。该微生物产生副产物，包括电子。所述电子被从所述微生物传递到所述阳极。所述阳极通过电子导管和离子导管二者与阴极接触。所述电子通过所述电子导管被从阳极传递到阴极。这是典型的外部外部回路。通过阳极和阴极之间的电势差(即电压)将电子从阳极驱动到阴极。借助于置于外部回路中的合适的装填物，在阳极和阴极之间的电能，可俘获一部分所产生的能量用于其它目的。为了保持电中性，电子从阳极至阴极的流动必须也伴随着离子的流动。或者是阳离子将会从阳极移动到阴极，或者阴离子将会从阴极移动到阳极，或者阳离子和阴离子二者都将在阳极和阴极之间移动。离子通过离子导管传导。理想地，所述离子导管是离子传导性的而非电子传导性的。所述微生物催化样品和复杂有机物分解成水，氢离子(质子)和二氧化碳，和在分解的过程中产生电子。典型的燃料电池具有共同的特征，包括电子供体，在阳极被氧化的燃料，所述阳极是传导性的固体，其接受来自该供体的电子，在微生物燃料电池中，燃料是可生物降解材料；需要催化剂来进行在阳极上的氧化反应，在微生物燃料电池中微生物用作催化剂；所述电子移动通常通过外部导管从阳极至阴极通过电导管，所述阴极是另一传导性固体；在阴极上，将电子添加到电子受体上，通常为氧；和任何阳离子，例如质子(H+)，钠离子(Na+)，钾离子(K+)，单独地从阳极移动到阴极，或者阴离子，例如氢氧根离子(0H_)，氯离子(CD从阴极移动至阳极，从而保持阳极隔间中的电中性。在电子从阳极通过外部回路流到阴极时，离子必须也在阳极和阴极之间移动，从而保持电中性。没有使氢离子从阳极隔间或者氢氧根离子移动到阳极隔间会导致阳极隔间的酸化，和隔间之间的PH梯度。在微生物燃料电池的阳极隔间中使用微生物或者其它生物催化剂通常需要接近中性的PH。pH梯度的实际效果是电压效率降低，其因此降低发电。Rittmann等的WO 2010/008836通过将二氧化碳添加到阴极隔间中解决了这个问题。微生物燃料电池提供了环境友好地发电和流体纯化的保证，并且除了以上指出的PH梯度问题之外也存在几个技术上的挑战。废水是可以使用微生物燃料电池纯化的普通的含有可生物降解材料的流体。大部分废水流具有有限的导电性，这抑制了离子在阴极和阳极之间的传输。在测试系统中，将缓冲液，例如磷酸盐，添加到水中来同时提高导电性和最小化由于在阳极的附近水的酸化导致的PH值变化。优选避免在微生物燃料电池中使用缓冲液。因此需要不需要添加缓冲液的微生物燃料电池和使用微生物燃料电池的方法。用于微生物燃料电池中的典型的阴极使用贵金属(其中钼是优选的)作为催化剂。贵金属是非常昂贵的，并且影响微生物燃料电池的成本效率。微生物燃料电池也在阴极需要氧化剂，以便于该系统处于电和化学平衡。许多测试系统使用铁氰化物作为阴极电解液(catholyte)，氧化剂。具有这种氧化剂的微生物燃料电池不是环境友好的，它们也不是经济上可以承受的。微生物燃料电池对化学环境非常敏感，其中环境的每个改变都会阻碍该系统以最优的方式工作，或者是根本上阻碍该系统工作。以上所述的所有的问题都需要合适地以一种方式解决，从而使得微生物燃料电池能够高效地工作，然后才能实现商业系统。微生物燃料电池，如所有的其它燃料电池一样，将化学能转化成电能。从操作电池获得的电压小于理论值。理论电池电压和实际操作电池电压之间的差由四种主要的原料损失产生，这描述于Larminie and Dicks 的“Fuel Cell Systems Explained” 中；活化作用损失，燃料交叠和内电流，欧姆损失和物质传递(或者浓度)损失。活化作用损失是由在电极的表面上发生的反应变慢导致的。燃料交叠和内电流是由燃料从阳极泄漏到阴极，或者氧化剂从阴极泄露到阳极，以及通过该离子导管的电子传导导致的。欧姆损失是由于压降导致的，该压降是由于对电子通过电极和各种互联和电子导管的材料流动的直接电阻以及离子流动通过电极和离子导管的电阻导致的。物质传递或者浓度损失是在燃料被使用时反应物在电极的表面的浓度变化引起的。因为浓度降低是不能将足够的反应物传递到电极表面导致的，所以这种类型的损失也常常称为“物质传递”损失。在阴极上需要一种氧化剂，其是环境友好的也是有效的氧化剂。需要这样的微生物燃料电池，其以一种方式解决了所述问题，从而使得微生物燃料电池能够用于商业环境中。需要这样的微生物燃料电池和使用这样的燃料电池的方法，其解决了 PH梯度的问题，其是成本有效的，其不需要在系统中使用缓冲液，其最小化了欧姆损失和物质传递损失，和其使用了环境友好的和有效的氧化剂。
技术实现思路
在第一实施方式中，本专利技术涉及微生物燃料电池，其包括微生物燃料电池，其包括A)含有一种或者多种导电材料的阳极，该阴极设置用来提供电子穿过该导电材料的流路，并且用来形成流体物质穿过在该导电材料中形成的通道的流路，B)与所述阳极电接触的生电微生物；C)含有一种或多种导电材料的阴极，该阴极适合于使得该阴极能够与含氧流体(气体)接触，D)置于所述阳极和所述阴极之间的阴离子交换膜，所述膜具有两个相对的表面；E)电子导管，其与所述阳极和所述阴极二者接触形成回路；和F)将流体物质引导到阳极的装置，其中所述流体以基本上平行于所述离子交换膜的一个表面的方向流过所述阳极。所述微生物燃料电池适合于与置于流体中的可生物降解材料一起使用。在使用时，该微生物燃料电池含有置于流体中的可生物降解材料。在一种优选的实施方式中，该微生物燃料电池的所述阳极和所述阴极中之一或者二者位于密封的腔室中。在另一实施方式中，所述微生物燃料电池的阳极置于阳极腔室中，其中所述腔室具有适合于引入含有可生物降解材料的流体的入口和用于从所述腔室除去流体的出口。还在另一实施方式中，本专利技术是一种微生物燃料电池，其中所述阴极在阴极腔室中，其中所述阴极腔室还含有含氧气体。优选地，所述微生物燃料电池的所述阴极腔室适合于将含氧气体引入所述腔室，从而使所述含氧气体置于与所述阴极接触。在另一优选的实施方式中，密封微生物燃料电池的阴极腔室，从而防止所述含有可生物降解材料的流体从微生物燃料电池的外侧进入阴极腔室。在另一优选的实施方式中，微生物燃料电池适合于置于含有可生物降解材料的流体的容器中。在另一优选的实施方式中，密封微生物燃料电池的阳极腔室，从而防止除了所述含有可生物降解材料的流体之外的流体从微生物燃料电池的外侧进入阳极腔室。在又一优选的实施方式中，微生物燃料电池的阴极是对大气开放的。在优选本文档来自技高网...

【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：SA沃林，ST马图希，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，
类型：
国别省市：