CN102893438B - 最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法 - Google Patents

最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102893438B
CN102893438B CN201180024705.1A CN201180024705A CN102893438B CN 102893438 B CN102893438 B CN 102893438B CN 201180024705 A CN201180024705 A CN 201180024705A CN 102893438 B CN102893438 B CN 102893438B
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
fuel cell
microbiological fuel
negative electrode
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201180024705.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102893438A (zh
Inventor
S.A.沃林
J.迈纳斯
郭晓莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dow Global Technologies LLC
Original Assignee
Dow Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dow Global Technologies LLC filed Critical Dow Global Technologies LLC
Publication of CN102893438A publication Critical patent/CN102893438A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102893438B publication Critical patent/CN102893438B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种方法，其包括A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，其中所述导管容纳在所述微生物燃料电池中，或者通过所述导管将电流引入至所述微生物燃料电池;B)使所述含有可生物降解材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触;C)使所述阴极与含氧气体接触;D)从所述阳极的位置取出所述流体。在一种优选的实施方式中，将所述电子导管连接至电流源。在另一实施方式中，所述燃料电池的操作条件使得施加至该燃料电池的电流的电压为大于0和约0.2伏特。优选所述微生物燃料电池产生大于0kWh/kg的化学需氧量至约5kWh/kg的化学需氧量。

Description

最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法
本申请要求2010年3月19日提交的题为“高效率微生物燃料电池”的序列号为61/315,548的美国临时申请的优先权，将该申请通过参考并入本申请。
技术领域
本发明涉及使用微生物燃料电池最大化流体流中的可生物降解材料的浓度的降低的系统和方法。
背景技术
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US3,301,705和HelmuthUS3,340,094。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。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(OH-)，氯离子(Cl-)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WO2010/008836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。微生物燃料电池操作起来可能比操作标准的水处理方法更加昂贵。
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，其最大化可生物降解材料的降解，并且最小化成本。所需要的是微生物燃料电池方法，其不需要在系统中使用缓冲液，这最小化欧姆损失和物质传递损失，并且其使用环境友好的和有效的氧化剂。所需要的是这样的微生物燃料电池，其可以以灵活的方式操作，从而最大化流体流中可生物降解材料的降解，同时利用由损失微生物燃料产生的电流，这是可生物降解材料的降解所不需要的。
发明内容
在一种实施方式中，本发明是微生物燃料电池，其包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，其中所述电子导管连接至电流源，连接至电流源和载荷二者，或者直接连接所述阳极和阴极。优选所述微生物燃料电池还包括适合于测定引入到该微生物燃料电池的流体中可生物降解材料的浓度的传感器。优选，所述传感器连接至显示或者说明引入到所述微生物燃料电池的流体中的可生物降解材料的浓度的界面。在优选的实施方式中，所述界面是程序控制的自动控制器，例如微芯片或者计算机，用来调节从该微生物燃料电池取出的电流的水平或者添加至该微生物燃料电池的电流的水平。在另一优选的实施方式中，将电流控制器连接至所述电子导管，该电流控制器适合于调节从该微生物燃料电池取出的电流的量或者添加至该微生物燃料电池的电流的量。
在另一实施方式中，本发明涉及一种方法，其包括A)提供一种微生物燃料电池，所述电池包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，其中没有从所述微生物燃料电池取出电流或者将电流通过所述导管引入到所述微生物燃料电池;B)使含有可生物降解材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触;C)使所述阴极与含氧气体接触;和D)从所述阳极的位置取出所述流体。在实施方式中，使所述电子导管直接接触所述阳极，而没有任何载荷在所述阳极和阴极之间。在一种优选的实施方式中，所述电子导管连接至电流源。在另一实施方式中，所述燃料电池的操作条件使得施加至该燃料电池的电流的电压为大于大于0至约0.4伏特。优选所述微生物燃料电池产生大于0kWh/kg的化学需氧量至约5kWh/kg的化学需氧量。
在另一实施方式中，本发明是一种方法，其包括:A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，确定引入到所述微生物燃料电池中的流体中可生物降解材料的浓度的传感器，和显示或者说明进料到所述微生物燃料电池的流体中的可生物降解材料的浓度的界面;B)使所述含有可生物降解材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触;C)使所述阴极与含氧流体接触;D)测定含有可生物降解材料的流体中可生物降解材料的浓度;E)基于所述流体中可生物降解材料的浓度，调节从所述阴极取出的或者添加至所述阴极的电流的量;和F)从所述阳极的位置取出所述流体。在一种实施方式中，所述界面是显示器，其显示与所述阳极接触的流体中可生物降解材料的浓度，和基于所述显示器手动调节从所述阴极取出的或者添加到所述阴极的电流的量。在另一实施方式中，所述界面是与所述电子导管接触的自动控制器，其适合于说明与所述阳极接触的流体中可生物降解材料的浓度，和基于所述浓度调节从所述阴极取出的或者添加到该阴极的电流的量。优选，选择从所述阴极取出的或者添加到该阴极的电流的量从而最大化在所述流体中分解的可生物降解材料的量。
在另一实施方式中，本发明是一种方法，其包括:A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，其中以大于0至约0.2伏特的水平以约5A/m2或者更大的电流密度从所述微生物燃料电池取出电流;B)使电导率为1豪西门子/cm或者更小的含有可生物降解材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触;C)使所述阴极与含氧流体接触;D)从所述阳极的位置取出所述流体。
应该理解，以上所述的方面和实例是非限制性的，因为本申请所示和描述的本发明中存在其它方式。该微生物燃料电池和使用本发明的微生物燃料电池的方法有助于在这些燃料电池中使用具有低导电性的流体，而不需要缓冲液。本发明的燃料电池和方法有助于有效地和高效地进行可生物降解材料的破坏。可将它们以灵活的方式建立运行，从而最大化可生物降解材料的降解，并且当不需要可生物降解材料的降解时，利用在该燃料电池中产生的电流用于其它目的。使用具有低电导率的进料流的本发明的微生物燃料电池具有高的电流密度例如约3A/m2或者更大，更优选7A/m2或者更大，和最优选约15A/m2或者更大。
附图说明
图1是一种微生物燃料电池的图示。
图2是一种微生物燃料电池的外观的图示。
图3是微生物燃料电池的第二实施方式。
图4是微生物燃料电池的第三实施方式。
图5是微生物燃料电池的第四实施方式。
图6是片材状阳极腔室与阴极和隔板组合的三维视图。
图7显示对于实施例1的电池，对于各种施加的电池电压而言，作为时间的函数的操作电池电压和阳极电势。
图8显示对于实施例2的电池，对于各种施加的电池电压而言，作为时间的函数的操作电池电压和阳极电势。
图9显示对于实施例1的电池，电池电压，阳极电势(相对于Ag/AgCl)，以及阴极电势(相对于Ag/AgCl)。
图10显示对于实施例2的电池，电池电压，阳极电势与Ag/AgCl的关系，和阴极电势与Ag/AgCl的关系。
具体实施方式
本申请给出的解释和说明意图使本领域的其他技术人员知晓本发明，它的原理，和它的实际应用。本领域技术人员可能以许多形式采用和应用本发明，因为这些形式可能最好地适合于具体应用的要求。因此，本申请给出的本发明的具体实施方式并不意图是本发明的穷举或者是本发明的限制。因此，本发明的范围应该不参考以上描述确定，而是应该参考所附权利要求，结合这些权利要求所意图的等价物的全部范围来确定。所披露的所有文章和参考文献，包括专利申请和公开，都通过参考并入用于所有的目的。预期权利要求中所述的各种特征都可以以这些特征中的两种或者更多种的组合使用。以上介绍的每个组件都将在以下段落中和说明性实施例/实施方式的描述中详细描述。从所附权利要求中搜集的其它组合也是可能的，也将其通过参考并入本申请的说明书中。
本发明涉及独特的解决方案，其用于有效的微生物燃料电池和使用这种燃料电池来从流体除去可生物降解材料的方法。在一种实施方式中，本发明涉及微生物燃料电池，其适合于最大化微生物燃料电池中降解的可生物降解材料的量。在另一实施方式中，本发明涉及微生物燃料电池，其可操作用来基于进料到该电池的进料中可生物降解材料的水平，调节从所述电池取出的或添加到该电池的电流的量。在另一实施方式中，本发明涉及一种方法，其用于操作微生物燃料电池，通过在操作过程中调节从该电池取出的或者添加到该电池的电流的量，从而最大化在微生物燃料电池中降解的可生物降解材料的量。在没有从该微生物燃料电池取出电流也没有向其添加电流的实施方式中，没有产生或者消耗净电能。在该实施方式中，使用简化的系统，这减少了复杂性(例如不需要控制电子设备)，和成本。向该微生物燃料电池添加电流能够减少燃料电池和使用的进料槽的尺寸，并且由此减少该系统和可生物降解材料的降解的成本。本发明的微生物燃料电池和本发明的方法可有助于处理进料中可生物降解材料中的难处理物(spikes)，而不需要大的电池和储料槽。
本申请所用的传导的是指所指出的物质提高或者促进指出的物质例如离子或者电子通过它流动。导电的是指指出的物质提高或者促进电子通过该指定的物质流动。离子传导的是指指出的物质提高或者促进离子通过该指定的物质流动。
该阳极适合于与含有可生物降解材料的流体接触。可将所述阳极置于含有这样的流体的容器中，或者可容纳在腔室，阳极腔室中。在阳极置于阳极腔室中的实施方式中，阳极腔室用于容纳阳极，所述微生物和所述含有可生物降解材料的流体。阳极腔室可由任何与阳极，所述微生物和含有可生物降解材料的流体相容的材料制造。在优选的实施方式中，阳极腔室可由刚性塑性材料制造。可制造阳极腔室的优选塑料包括聚氯乙烯，聚烯烃，丙烯酸类，聚碳酸酯，苯乙烯类和其共混物，包括聚碳酸酯-ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物)。阳极腔室含有用于引入含有可生物降解材料的流体的入口和用于该流体的出口。当微生物电池正在合适地工作时，从所述出口退出的流体具有比进料到阳极腔室的流体低的可生物降解材料的浓度。阳极腔室可为便于阳极，微生物和含有可生物降解材料的流体接触的任何形状或者构型。在优选的实施方式中，阳极腔室成形为提供用于阳极材料和微生物的基床的外壳，所述含有可生物降解材料的流体能够流过。所述阳极可为任何形状，其发挥收集通过可生物降解材料的降解产生的电子的功能。该形状可为圆柱形的，管状的，矩形的盒子，片材状的等。本申请所用的片材状是指该阴极呈现一种三维片材，其在一个平面上具有较大的尺寸，和在垂直于由该大尺寸限定的平面的方向上较小的尺寸，其可称为厚度。在大尺寸的平面中片材状阳极的形状可为容许阳极发挥本申请所述功能的任何形状。大尺寸的平面中阳极的形状可为不规则的，梯形的，圆形的，椭圆形的，方形的，矩形的等。这些形状不需要是精确的，原因在于梯形、方形和矩形的角可以是导圆的，角度不需要是精确的或者90度。片材状阳极的各边不需要是矩形的或者处于直角，而是可为弯曲的或者部分弯曲。本申请所用的边是该片材状材料的沿着该小尺寸的侧边。选择该腔室的尺寸以使得适合于阳极形状和体积，和期望的微生物燃料电池的容量，这是本领域技术人员能够确定的。在优选的实施方式中，阳极腔室或者阳极具有片材状材料的形状，在两个大尺寸的平面中具有矩形形状。优选地，该腔室或者阳极在最小尺寸的方向上的尺寸，即阳极的厚度，为约10mm或更小，更优选约5mm或更小。优选地，这一尺寸，厚度，为约1mm或更大。
将该阴极置于与含氧流体接触。该阴极可以对于含有含氧流体(例如空气)的环境是敞开的，或者它可位于阴极腔室中。在一种实施方式中，微生物燃料电池可位于含有可生物降解材料的流体的容器中，例如可将微生物电池浸没在这样的流体中。在该实施方式中，阴极置于阴极腔室中。阴极腔室用来容纳阴极和含氧流体。阴极腔室可由与阴极和含氧流体相容的任何材料制造。在优选的实施方式中，阴极腔室可由针对阳极腔室所描述的刚性塑性材料制造。优选地，阴极腔室由与阳极腔室相同的材料制造。阴极腔室可含有引入含氧流体的入口和/或含氧流体的出口。
当含氧流体流经阴极腔室，从该出口退出的流体具有比进料到阴极腔室的流体低的氧浓度。所述阴极腔室可为便于阴极与含氧流体接触的任何形状或者构型。在另一优选的实施方式中，阴极腔室容许含氧流体扩散进入阴极腔室和扩散出阴极腔室。阴极或者阴极腔室的形状可为容许阴极发挥本申请所记载的功能的任何形状。优选地，所述形状为描述为对于阳极和阳极腔室优选的任何形状。选择腔室的尺寸以使得适合于微生物燃料电池的期望容量，这是本领域技术人员能够确定的。
优选地，阳极腔室的一部分是朝向阴极敞开的。优选地，阴极腔室的一部分是朝向阳极敞开的。优选地，阴极腔室和阳极腔室的开口彼此匹配。在一种优选的实施方式中，阴极腔室和阳极腔室具有匹配的开口，其适合于配对并形成封闭的腔室。在一种实施方式中，两个腔室对彼此是敞开的。优选地，将隔板置于阳极腔室或阴极腔室的开口上，或者阳极腔室的开口和阴极腔室的开口之间。隔板用于在阳极和阴极之间电绝缘，并容许离子在阴极和阳极之间流动。优选地，隔板也防止微生物和可生物降解材料从阳极流动到阴极。优选地，隔板限制或者防止气体或者液体在阳极和阴极之间流动。发挥这一功能的任何隔板都可用于本发明中。隔板的优选形式包括丝网(screens)，织物(cloth)，膜材和隔膜。优选地，离子交换膜位于阳极腔室或阴极腔室的开口上，或者在阳极腔室和阴极腔室之间各自的开口上。优选地，将密封件置于阳极腔室，阴极腔室或者阴极和阳极的匹配开口各边的周围，从而抑制、控制或者防止流体被传送进出阳极腔室，阴极腔室、燃料电池、或者阴极腔室和阳极腔室之间。在一种优选的实施方式中，置于阴极和阳极腔室之间的所述丝网，织物，膜材和隔膜也用作两个腔室结合的外周周围的密封件。
所述阳极可包括在微生物电池中有用的任何已知阳极。可使用与所述微生物相容的、导电的任何材料。与所述微生物相容是指所述阳极材料不杀死所述微生物或者与所述微生物相互作用催化可生物降解材料的分解。在本实施方式中，优选阳极由导电材料构成。优选地，所述导电材料是导电的金属，或者导电的碳。优选的导电的金属是钛。导电的任何碳都可用于本发明中。优选的碳类型包括炭黑，石墨，石墨烯，石墨氧化物和碳纳米管。碳的另一优选形式包括膨胀石墨的基质，其具有通过所述碳基质的孔。导电材料可为容许微生物、阳极和含有可生物降解材料的流体之间的有效接触的任何形式，并且其形成到达电子导管并且通过回路到达阴极的电子流动通道。期望的是，该导电材料具有尽可能高的表面积。相关的表面积是可用来与含有可生物降解材料的流体接触的表面积。在一种实施方式中，所述阳极是用该导电材料填充的阳极腔室所限定的基床。该导电材料可为以下形式：片材，纸，织物，交织的纤维，无规纤维(randomfibers)，组织的纤维，粒子，珠，颗粒，粒料，聚集的粒子，泡沫体，具有在其整个中连通的孔的整料，或其任何组合。在优选的实施方式中，该导电材料包括碳织物(carboncloth)，复写纸(carbonpaper)，碳毡(carbonfelt)，碳毛织品(carbonwool)，碳泡沫体，石墨，多孔石墨，石墨粉，石墨颗粒，石墨纤维，聚集的导电炭黑和网状化的玻璃碳(reticulatedvitreouscarbon)。在导电材料是粒子或颗粒的形式的实施方式中，这些粒子或颗粒优选具有适合于担载置于该粒子或颗粒上的细菌的尺寸。在一种实施方式中，可将该导电材料分散在基体例如与该系统相容的聚合物中，该基体可为膜、珠、粒料等形式。优选该粒子的尺寸使得该含有可生物降解材料的流体能够流动通过阳极或者阳极基床，而没有过多的背压，并且使得该流体中的可生物降解材料能够与该微生物接触。优选地，该粒子尺寸为约1微米或更大和最优选约10微米或更大。本申请所用的整料是指单块结构(unitarystructure)，在整个该结构中具有该含有可生物降解材料的流体能够流动通过的孔。阳极中的孔优选具有以下尺寸，该尺寸使得该含有可生物降解材料的流体能够流过该阳极或者阳极床，而没有过多的背压，该微生物能够停留在该孔的表面上，并且使得该流体中的可生物降解材料能够与该微生物接触。本申请所用的导电材料的基床是指以如下方式包含在受限空间中的任何形状或尺寸的导电材料，该方式使得含有可生物降解材料的流体能够流动通过该基床，并且接触导电材料的表面积的显著部分。优选地，基床形状如前对阳极和阳极腔室所述。优选地，阳极的表面积为约0.01m2/g或更大，更优选约0.1m2/g或更大和最优选约1.0m2/g或更大。本申请所用的组织的纤维是指该纤维以设计的形状排列，例如以刷状排列，这描述于Logan等的US2008/0292912中，将该文献通过参考并入本申请，等。通常，该阳极提供表面用于附着和生长微生物，因此该阳极由与微生物生长和保持相容的材料制成。材料与微生物在微生物燃料电池中的生长和保持的相容性可使用标准技术评价，例如使用生存能力标记物(viabilitymarker)例如若丹明123，碘化丙锭，和这些或者其它细菌生存能力标记物的组合的测定。
包含在根据本发明的微生物燃料电池的实施方式中的阳极的表面积大于约100m2/m3。比表面积在此处描述为每单位阳极体积的阳极的表面积。比表面积大于约100m2/m3有助于根据本发明的实施方式的微生物燃料电池的发电。在进一步的实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池包括比表面积大于约1000m2/m3的阳极。仍然在另一实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池包括比表面积大于约5,000m2/m3的阳极。还在另一实施方式中，根据本发明的燃料电池包括比表面积大于约10,000m2/m3的阳极。配置为具有高比表面积的阳极容许缩放根据本发明的微生物燃料电池。
在一种优选的实施方式中，所述阳极包括一种或多种导电材料和一种或多种离子传导性材料的混合物。优选的离子传导性材料是离子交换材料。安排该混合物，从而使得形成通过阳极的电子流路和离子流路。导电材料形成电子到达电子导管和通过回路到达阴极的流路。该离子传导性材料产生离子，优选氢离子到达阴极腔室，或者来自阴极腔室的氢氧根离子的流路。各个材料需要以足够的量存在，并且在合适的排列中从而形成期望的流路。该排列可以类似于互穿网络。或者，该材料(优选离子传导性材料)之一能够被置于通过该阳极腔室的多个层或者连续的条中，其中所述层或者条与所述阴极腔室或者离子交换膜或者电子导管接触。在优选的实施方式中，使用两种材料的粒子的共混物从而使得存在期望的流路。优选地，传导材料和离子传导性材料的阳极包括约30vol%或更大的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地，导电材料和离子传导性交换材料的阳极包括约70vol%或更小的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。优选地，导电材料和离子传导性材料的阳极包括约30vol%或更大的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地，导电材料和离子传导性材料的阳极包括约70vol%或更小的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。“基于实心材料”是指孔和粒子之间的空间的体积不包含在记载的体积中。
优选地，该阳极包括阳极中粒子周围的空间和/或用于形成阳极的材料中的孔。含有可生物降解材料的流体通过从该粒子周围流过或者流经该孔而流动通过阳极。该粒子之间的空间和该孔的尺寸需要以下尺寸，该尺寸使得该微生物能够停留在粒子或者孔的表面上，并且使得在流体流经该阳极时该可生物降解材料能够接触该微生物。本质上，优选构建该阳极，从而提供该含有可生物降解材料的流体的流路，从而使得它能够使该阳极与存在于该阳极中的微生物接触。粒子之间的空间最好被描述为空隙空间百分比(percentofvoidspace)，未被实心材料占据的空间，优选该空隙空间(voidspace)为约20vol%或更大，更优选约33vol%或更大，更优选约50vol%或更大。优选，该空隙空间为约96vol%或更小。推论是实心体积为约80vol%或更小，更优选约67vol%或更小，和更优选约50wt%或更小。优选该实心体积为约4wt%或更大。中值空间(medianspaces)或者孔尺寸优选为约5微米或更大，和更优选约10微米或更大。中值空间或者孔尺寸优选为约1000微米或更小和更优选约100微米或更小。在另一实施方式中，该阳极和/或阴极腔室具有入口和/或出口，以便于流动通过该阴极和/或阳极腔室。
本发明的微生物燃料电池优选包括将流体物质引导到阳极的装置。优选，所述流体以基本上平行于离子交换膜的一个表面的方向流经阳极。这种装置能够是将流体以指定的流路引导到阳极的任何装置。在一种优选的实施方式中，这种装置包括一个或多个入口和出口，其排列使得液体流经阳极。优选所述液体流为在基本上平行于隔板的一个表面的方向。在另一实施方式中，产生该流体流动的装置例如吹风机或者推动器(impeller)等用来强制流体在相对于阳极的期望的方向上流动。基本上平行是指流体的流动总体上平行于隔板但是流动的向量角度不是精确的。当阳极为片材状形状时，流体的流动优选垂直于阳极的厚度尺寸。优选地，通过该阳极的流体的流动垂直于阳极的厚度尺寸，和基本上平行于隔板的一个表面。
阴极可包括在微生物电池中有用的任何已知阴极。阴极包括能够传递电子的导电材料。该导电材料可以是描述为对于阳极有用的任何导电材料。在优选的实施方式中，阴极还包括用于氧化还原反应的催化剂。优选类型的催化剂是第VIII族金属和氧化酶。优选的金属是贵金属，更优选铂和钯。催化剂可位于阴极上，或者在阴极置于腔室中时它可在阴极腔室中的任何位置。优选地，该催化剂位于该阴极的表面。在催化剂是金属的实施方式中，选择催化剂浓度从而使得阴极腔室中的氧化还原反应以合理的速度进行。优选地，该催化剂存在的量为约0.10mg金属每平方厘米投影(projected)的阴极表面积或更小，更优选约0.05mg金属每平方厘米投影的阴极表面积或更小和最优选约0.02mg的金属每平方厘米投影的阴极表面积或更小。优选该催化剂存在的量为约0.001mg金属每平方厘米投影的阴极表面积或更大，更优选约0.005mg金属每平方厘米投影的阴极表面积或更大，甚至更优选约0.01mg金属每平方厘米投影的阴极表面积或更大和最优选约0.015mg金属每平方厘米投影的阴极表面积或更大。该阴极优选为具有大表面积的实心材料。
在一种优选的实施方式中，所述阴极包括一种或多种导电材料和一种或多种离子传导性材料的混合物。优选的离子传导性材料是离子交换材料。该导电材料还可包括前面所述的催化剂。优选，该催化剂涂布在导电材料例如碳的表面上。安排该混合物，从而使得形成通过阴极的电子流路和离子流路。导电材料形成电子在阴极中的流路。该离子传导性材料产生离子，优选来自阳极腔室的氢离子，或者来自阴极腔室的氢氧根离子的流路。各个材料需要以足够的量存在，并且在合适的排列中从而形成期望的流路。该排列可以类似于互穿网络。优选，该材料(优选离子传导性材料)之一能够被置于通过该阴极腔室的多个层或者连续的条中，其中所述层或者条与所述阳极腔室或者离子交换膜或者电子导管接触。在优选的实施方式中，使用两种材料的粒子的共混物从而使得存在期望的流路。这些流路容许含氧流体流动穿过所述阴极。优选地，传导材料和离子传导性材料的阴极包括约30vol%或更大的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地，导电材料和离子传导性交换材料的阳极包括约70vol%或更小的导电材料，基于存在的实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。优选地，导电材料和离子传导性材料的阴极包括约30vol%或更大的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约40vol%或更大和最优选约45vol%或更大。优选地，导电材料和离子传导性材料的阴极包括约70vol%或更小的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约60vol%或更小和最优选约55vol%或更小。“基于实心材料”是指孔和粒子之间的空间的体积不包含在记载的体积中。
优选地，该阴极包括阴极中粒子周围的空间和/或用于形成阴极的材料中的孔。含氧流体通过从该粒子周围流过或者流经该孔而流动通过阴极。该粒子之间的空间和该孔的尺寸需要以下尺寸，该尺寸使得该含氧流体自由流动通过所述阴极。中值(以体积分数计)空间或者孔尺寸优选为约5纳米或者更大，更优选约10纳米或者更大。中值空间或者孔尺寸优选为约100微米或者更小，更优选约10微米或者更小。粒子之间的空间最好被描述为空隙空间百分比(percentofvoidspace)，未被实心材料占据的空间，优选该空隙空间(voidspace)为约20vol%或更大，更优选约33vol%或更大，更优选约50vol%或更大。优选，该空隙空间为约96wt%或更小。推论是实心体积为约80vol%或更小，更优选约67vol%或更小，和更优选约50vol%或更小。优选该实心体积为约4vol%或更大。在另一实施方式中，该阳极和/或阴极腔室具有入口和/或出口，以便于流动通过该阴极和/或阳极腔室。
该阳极腔室和/或阴极腔室可具有位于其开口处的隔板，阻挡物。当阴极和阳极都位于腔室中时，它们可能具有位于其间的隔板，阻挡物。该隔板用于隔开阳极和阴极。隔板优选为不传导的，即其不容许电子穿过隔板。隔板优选容许离子通过隔板。优选该隔板抑制流体，例如水和含氧气体，通过它流动。隔板优选用于防止固体流出腔室或者在腔室之间流动。该隔板优选容许离子在腔室之间通过从而平衡两个腔室中的pH。该隔板可为织物，屏蔽物，膜或者离子交换膜。在优选的实施方式中，该离子交换膜是阴离子交换膜。离子交换膜可为异质的(heterogeneous)，匀质的(homogeneous)，担载的或者未担载的。需要离子交换膜是生物相容性的，也即不伤害该系统中的生物材料。在一种优选的实施方式中，该离子交换膜是由离子交换树脂和粘合剂的共混物制备的膜。该离子交换树脂可经受操作从而在与粘合剂接触之前减少粒度。阴离子交换膜可含有有助于将阴离子从阴极转移到阳极的任何阳离子部分。在阴离子交换膜中的优选阳离子部分是含氮阳离子基团，和优选铵阳离子，季铵离子，咪唑鎓离子，吡啶鎓离子，等。该膜容许将期望的材料传递通过该膜。在优选的实施方式中，该膜防止尺寸为约1000纳米的微生物通过该膜。因此，限制水和/或微生物流动通过该膜，以及任何包含的膜涂层。微过滤，纳米过滤和离子交换膜组合物在本领域中是已知的，可使用任何各种膜，其排除微生物并容许期望的流体(气体)通过该膜扩散。微过滤，纳米过滤和/或离子交换膜组合物的说明性实例包括但不限于卤化的化合物例如四氟乙烯，四氟乙烯共聚物，四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯共聚物，聚氯乙烯，聚氯乙烯共聚物;聚烯烃例如聚乙烯，聚丙烯和聚丁烯;聚酰胺例如尼龙;砜例如聚砜和聚醚砜;基于腈的聚合物例如丙烯腈;和基于苯乙烯的聚合物例如聚苯乙烯。合适的膜材料的实例是超滤和纳米过滤膜，其通常用于水处理工业中来过滤水同时排除微生物。例如，合适的膜是由X-Flow，TheNetherlands制造的超滤膜B0125。另外的实例包括由MembranesInternational，Inc.NewJersey，USA制造的CMI和AMI离子交换膜。
该隔板优选为具有两个相对的表面的片材。在一种优选的实施方式中，所述阴极邻近隔板放置。更优选地，阴极位于接近于隔板的一个表面并且与隔板的一个表面接触。在一种实施方式中，阴极被涂覆于或者印刷于隔板的一个表面上。在另一实施方式中，阳极位于接近于隔板。更优选，阳极位于接近于隔板的一个表面并且与隔板的一个表面接触。优选地，阳极和阴极各自接近于隔板的相对的表面并且与隔板的相对的表面接触。
在一种实施方式中，催化剂的纳米粒子在碳的细粒的表面上的涂层可置于隔板上。碳的细粒的粒度可为便于该粒子被涂覆到隔板上的任何尺寸。优选该微细碳粒子的尺寸为约1纳米或者更大和更优选约2纳米或者更大。优选该微细碳粒子的尺寸为约50微米或更小和更优选约10微米或更小。催化剂纳米粒子具有的尺寸使得它们被担载在微细碳粒子上。优选催化剂纳米粒子的尺寸为约1纳米或者更大。可将具有催化剂纳米粒子的微细碳粒子涂覆到本领域已知的任何隔板上，包括本申请前面所披露的那些。优选催化剂纳米粒子的尺寸为约100纳米或更小和更优选约50纳米或更小。优选将具有催化剂纳米粒子的微细碳粒子涂覆到离子交换膜上。在优选的实施方式中，将具有催化剂纳米粒子的微细碳粒子在涂覆到隔板上时与离子交换树脂混合。离子交换树脂的粒度优选为约100纳米至约100微米。在用具有催化剂纳米粒子的微细碳粒子和任选的离子交换树脂涂覆隔板时，将该粒子和任选的树脂溶解于或者分散于挥发性溶剂中，并施加至隔板。优选的溶剂是挥发性有机溶剂例如醇，酮和脂肪族或者芳族烃。通常，将该涂层通过将含有催化剂的粒子的溶液与基材接触，和使溶剂挥发掉而施加。优选在施加含催化剂的粒子的溶液之前使该基材，例如离子交换膜，溶胀。
在位于所用的阳极腔室中的阳极的周围是生电的(即当使可生物降解材料降解时产生电子的)微生物。该微生物优选可在阳极的表面上。优选它们移植于阳极的表面上并且在阳极的表面上存活。本申请所用的微生物包括细菌，古生菌(Archaea)，真菌和酵母。优选的微生物是依赖阳极生长的细菌(anodophilicbacteria)。本申请所用的术语“亲阳极菌(anodophiles)”和“依赖阳极生长的细菌(anodophilicbacteria)”是指直接或者通过内源性生产的介质将电子传递到电极的细菌。经常，亲阳极菌是专性或兼性需氧菌。术语“产电菌群(exoelectrogens)”也用来描述合适的细菌。依赖阳极生长的细菌的实例包括选自下组的细菌：Aeromonadaceae，Alteromonadaceae，Clostridiaceae，Comamonadaceae，Desulfuromonaceae，Enterobacteriaceae，Geobacteraceae，Pasturellaceae，和Pseudomonadaceae科。适合用于本发明的系统的细菌的这些和其它实例描述于以下文献中：Bond，D.R.，etal.，Science295，483-485，2002;Bond，D.R.etal.，Appl.Environ.Microbiol.69，1548-1555，2003;Rabaey，K.，etal.，Biotechnol.Lett.25，1531-1535，2003;U.S.Pat.No.5,976,719;Kim，H.J.，etal.，EnzymeMicrobiol.Tech.30，145-152，2002;Park，H.S.，etal.，Anaerobe7，297-306，2001;Chauduri，S.K.，etal.，Nat.Biotechnol.，21:1229-1232，2003;Park，D.H.etal.，Appl.Microbiol.Biotechnol.，59:58-61，2002;Kim，N.etal.，Biotechnol.Bioeng.，70:109-114，2000;Park，D.H.etal.，Appl.Environ.Microbiol.，66，1292-1297，2000;Pham，C.A.etal.，EnzymeMicrob.Technol.，30:145-152，2003;andLogan，B.E.，etal.，TrendsMicrobiol.14(12):512-518，将所有这些文献通过参考并入本申请。依赖阳极生长的细菌优选与阳极接触用于将电子直接传递至阳极。但是，在通过介质传递电子的依赖阳极生长的细菌的情况下，该细菌可存在于反应器中的其他地方，并且仍然用于产生在本发明的方法中有用的电子。依赖阳极生长的细菌可提供为纯化的培养物，富含依赖阳极生长的细菌，或者如果需要，甚至是富含具体种类的细菌。纯的培养物试验已经在以下文献中报道了高达98.6%的库伦效率：Bond，D.R.etal.，Appl.Environ.Microbiol.69，1548-1555，2003，将该文献通过参考并入本申请。因此，使用选择的菌株可增加总的电子回收和氢的产生，当这些系统能够在无菌条件下使用时尤其是这样。可选择或者基因工程化细菌，从而使得能够增加库伦效率和在阳极产生的电势。此外，可使用混合的微生物种群，包括依赖阳极生长的厌氧性微生物(anodophilicanaerobes)和其它微生物。
进料到微生物电池的进料包括流体中的可生物降解材料。包含在根据本发明的实施方式的微生物燃料电池中的可生物降解材料是可被依赖阳极生长的细菌氧化的，或者可生物降解从而产生可被依赖阳极生长的细菌氧化的材料。本申请使用的术语“可生物降解的”是指通过生物机理分解的有机物质，所述生物机理说明性地包括微生物作用，热和分解。微生物作用包括水解，例如。该流体优选为液体，更优选水或者有机液体，水是更加优选的。任何各种类型的可生物降解的有机物都可用作微生物燃料电池中微生物的“燃料”，包括脂肪酸，糖，醇，碳水化合物，氨基酸，脂肪，脂质和蛋白质，以及动物，人类，城市，农业和工业废水。天然产生的和/或合成的聚合物说明性地包括碳水化合物例如壳多糖(chitin)和纤维素，和可生物降解的塑料例如可生物降解的脂肪族聚酯，可生物降解的脂肪族-芳族聚酯，可生物降解的聚氨酯和可生物降解的聚乙烯醇。可生物降解的塑料的具体实例包括聚羟基链烷酸酯，聚羟基丁酸酯，聚羟基己酸酯，聚羟基戊酸酯，聚乙醇酸，聚乳酸，聚己酸内酯，聚丁二酸丁二醇酯，聚丁二酸己二酸丁二醇酯，聚丁二酸乙二醇酯，脂肪族-芳族共聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯和聚亚甲基己二酸/对苯二甲酸酯。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物是本领域已知的。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的说明性实例包括但不限于单糖，二糖，氨基酸，直链或者支化的C1-C7化合物，包括但不限于醇和挥发性脂肪酸。此外，可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物包括芳族化合物例如甲苯，苯酚，甲酚，苯甲酸，苄基醇和苯甲醛。可被依赖阳极生长的细菌氧化的另外的有机物描述于Lovely，D.R.etal.，AppliedandEnvironmentalMicrobiology56:1858-1864，1990中，将该文献通过参考并入本申请。此外，一种提供的物质可以以可被依赖阳极生长的细菌氧化的形式提供，或者以可生物降解从而产生可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的形式提供。可被依赖阳极生长的细菌氧化的有机物的具体实例包括甘油，葡萄糖，乙酸酯(或盐)，丁酸酯，乙醇，半胱氨酸和这些或者其它的可氧化的有机物质的组合。
在优选的实施方式中，在流体中的可生物降解材料是含有可生物降解的物质的废流(wastestream)。用于该废流的流体可为有机的或者水性的。该废流可为来自化学或者生物方法的废流或者废水流。该废水流可来自化学或者生物方法，城市废水流或者污染的水源。
用于提高电子到阳极上的传递的电子传递介质可位于阳极的附近，例如在阳极腔室中。本领域已知的实现这一功能的任何化合物都可用于本发明的微生物燃料电池中。优选的介质的实例是氧化铁，中性红，蒽醌-1,6-二磺酸(ADQS)和1,4-萘醌(NQ)。其它已知的介质的实例包括甲基硫酸吩嗪(phenazinemethosulfate)，2,6-二氯苯酚靛酚，亚氨嗪(thionine)，甲苯胺，铁氰酸钾和1,4-萘醌。介质任选地化学键合至阳极，或者通过各种处理(例如涂覆)改性的阳极，从而含有一种或多种介质。
在许多已知的微生物燃料电池方法中的在流体中的可生物降解的物质显示出低的传导性。低的传导性抑制了离子在阳极和阴极之间的流动。为了解决这个问题，许多已知的方法添加缓冲液到该含有可生物降解材料的流体。通常的缓冲液含有磷酸盐。在来自微生物电池的流出物是纯化的废流的实施方式中，存在磷酸盐或者某些其它的缓冲液是所不期望的。在本发明的一种实施方式中，可添加环境友好的缓冲液，例如碳酸盐或者碳酸盐的源例如二氧化碳。在更优选的实施方式中，该微生物燃料电池使用未缓冲化的进料操作。可将该未缓冲化的进料直接进料到燃料电池或者，可添加电解液。通常，进料的传导性(电导率)为10毫西门子/cm或更小，甚至是5毫西门子/cm或更小和甚至是2毫西门子/cm或更小。通常，该进料的导电性为0.5毫西门子/cm或更大，和甚至是0.9毫西门子/cm或更大。
使阴极与含氧流体接触。氧气在阴极附近还原形成水或者氢氧根离子，例如在阴极腔室中。可使任何含有氧的流体与阴极接触。因为成本的原因，空气是优选的。可使用纯氧或者富氧的流体。在优选的实施方式中，可使用到阴极的含氧流体流。在这种实施方式中，可使用吹风机来使该含氧流体与阴极接触。优选的含氧流体是气体。
电子导管连接阳极和阴极，并且用来使电子在阳极和阴极之间流动。所述电子导管可流动通过外部回路，在微生物燃料电池的外部，或可形成内部回路，完全在该微生物燃料电池内部。电子导管可为发挥所记载的功能的任何物质或者形状。优选所述电子导管由导电的金属组成，优选的导电的金属包括铜，银，金或者铁或者含有这些金属的合金，其中铜或者钢是最优选的。优选地，电子导管是线材或者片材的形式，和最优选线材形式。如在常规的微生物燃料电池中的，该电子导管可将电池连接至电力负载(electricalload)。本申请所用的负载是指消耗来自微生物燃料电池的电能的设备或者元件。该负载可为电阻器，其中将来自微生物燃料电池的电能转化成热能(热);或者马达，其中将来自微生物燃料电池的电能转化成机械能(工作)。该负载可通过一种或多种电回路例如电压变极器(voltageinverter)，电网(powergrid)，等与微生物燃料电池隔离。在一种优选的实施方式中，该载荷为所产生的一部分电流可以为它提供动力的电设备。在另一实施方式中，该载荷可为电池组，其适合于存储所产生的电或者电网从而分配电的使用。在另一实施方式中，可将电子导管与电流源接触。通过该电流源提供的电流被该电池用于增加在微生物燃料电池中降解的可生物降解材料的量。本领域已知的任何电流源都可用于本实施方式中，包括直流和交流电流源;电网，发电机，电池组和燃料电池。在一种实施方式中，将所述电子导管直接从阳极连接至阴极。直接连接是指该电子导管不连接至载荷或者电流源。该电子导管可途径该微生物燃料电池的外面然后回到该微生物燃料电池中，或者它可完全位于该燃料电池中。在该阳极和阴极之间有直接连接的情况下，该电池被短接，电子直接从阳极流至阴极。直接从阳极连接至阴极的电子导管可以通过电流控制器，所述电流控制器适合于调节从阳极流向阴极的电流的量。该电流控制器可用于调节流到阴极并且进入微生物燃料电池的电流的量。这容许调节该电流从而匹配使引入到燃料电池的该流体中所述量的可生物降解材料降解所需的电流量。可使用耐微生物燃料电池的环境的任何已知的控制电流的装置，包括可变电阻器，电流控制电子载荷，等。在载荷和/或电流源连接至电子导管的实施方式中，可将电流控制器进一步连接至该电子导管。可操作该电流控制器从而调节引入到该微生物燃料电池的电流量和/或从该电池取出的电流量。该微生物燃料电池可进一步包括测定含在进料到微生物燃料电池的阳极腔室的可生物降解材料的量的传感器。可在本发明中使用本领域已知的任何测定可生物降解材料的浓度的传感器。该微生物燃料电池还可含有界面，所述界面说明或显示传感器的结果。优选该界面是显示器或者电子控制器。在一种优选的实施方式中，该界面是电子控制器，例如计算机或者微芯片，其适合于基于引入到微生物燃料电池中的流体中可生物降解材料的浓度，调节从该微生物燃料电池取出的电流的量或者添加至该微生物燃料电池的电流的量。在一种实施方式中，该界面可为显示进料到该阳极中的可生物降解材料的浓度的显示器。操作者可基于该浓度手动调节从该微生物燃料电池取出的电流或者添加至该微生物燃料电池的电流。
本发明的微生物燃料电池还可包括一种或多种集电器，其形成电子导管的一部分。该集电器可为电子导管，或者可为电子导体的一部分。集电器用来收集来自电极(阴极或者阳极)的电流，将其送至电回路。优选的集电器包括导电金属。集电器优选邻近电极并且与电极紧密接触。集电器可为容许它们邻近电极或与电极紧密接触的任何形状。优选地，集电器是金属的线材，丝网或者片材，其成形为与电极的显著部分接触。
可包含一个或多个调节设备，例如阀，来进一步调节材料流入和流出阳极或阴极腔室。此外，一个或多个盖子或者密封件任选地用于封闭用于将流体引入到阳极腔室或者阴极腔室中的通道。例如，当远程操作燃料电池，或者燃料电池作为单独使用的设备操作使得没有另外的材料添加时，任选地使用一个或多个盖子或者密封件来封闭通道。可使用一个或多个泵来提高液体或者气体流入和/或流出反应腔室。
本发明的微生物燃料电池可通过将阳极，和任选的电子介质，置于与隔板或者阳极腔室接触而组装。将该阴极，和任选的集电器，置于与隔板或者阴极腔室接触。密封件和/或隔板(阻挡材料)置于阳极或阴极腔室的开口周围或者开口上。当阳极和阴极都置于腔室中时，将阴极腔室和阳极腔室沿着它们各自匹配的表面与它们之间的密封件和/或隔板，阻挡材料，例如阴离子交换膜，接触。阳极和阴极腔室通过已知的方式固定就位，例如通过使用机械固定器(fastener)或者粘合剂。为了便于拆卸微生物燃料电池从而维修或者清洗该电池，优选机械固定器，例如螺钉。可使入口和出口流体导管附接至阳极和阴极入口和出口。将该导管进一步连接至用于阳极腔室的进料材料的源，流体中的可生物降解材料，和对于阴极腔室来说，连接至含氧气体。如果需要，可将电池通过电子导管连接至负载、电源、传感器、电流控制器、和/或界面。最初，阳极腔室需要用该细菌接种。这通过如下方法而进行：将该微生物或者含有该微生物的介质添加到阳极，例如添加到阳极腔室，并且将该阳极暴露于使得该微生物的健康菌落停留在该阳极上或者附近的条件。该方法的详细过程对于本领域技术人员来说是已知的。一旦完成接种，就可操作该微生物燃料电池，从而产生电，并且从液体流除去可生物降解材料。
在本发明的微生物燃料电池中存在的具体组分决定操作该微生物燃料电池的一种或多种具体模式。在操作时，可从该电池取出电流，将电流引入到该电池，或者短接用于该电池中。借助于合适的组件，可调节取出和添加的电流的量从而最大化通过该系统降解的可生物降解材料的量。在电子导管直接连接阳极和阴极的实施方式中，电子可以从阳极流向阴极。如果将电子控制器置于阳极和阴极之间，就可调节流到阴极的电流的电压。当该电子控制器是可变电阻器时，转向的电子转化成热。在将电流添加到微生物燃料电池的实施方式中，可如上所述通过将电子导管连接至电流源而引入电流。可调节电流的量从而使其匹配进料到微生物燃料电池的进料中可生物降解材料的水平。当在有一个传感器来判断在该进料中可生物降解材料的水平时，可将结果供给界面，该界面显示该结果或者解释该结果，并且自动调节从该微生物燃料电池取出和/或添加到该微生物燃料电池的电流的水平。当该界面是显示器时，操作者可以基于该显示器调节取出或者添加的电流。如果该界面是电子控制器，例如计算机或者微芯片，那么该电子控制器可以编程来调节添加或者取出的电流的水平，从而最大化在微生物燃料电池中降解的可生物降解材料的量。
一种或多种燃料电池可用来产生电和/或减少流体中可生物降解材料的量。在操作中，含有可生物降解材料的流体与阳极接触，而阴极暴露于含氧流体。可通过将阴极腔室向环境敞开而将含氧流体引入到阴极腔室。或者，可使富含空气或者氧的，较高氧含量的流体流入到与阴极接触，例如通过将含氧流体在阴极上吹过或者吹向阴极。在一种实施方式中，将含有可生物降解材料的流体引入到阳极腔室，而具有较低可生物降解材料含量的流体是来自阳极腔室的流出物。选择插入微生物燃料电池的或者取自微生物燃料电池的电流从而最大化可生物降解材料的降解。如果目的是最大化由该电池产生的电力，那么从该电池取出的电流就使得电池操作电压为优选地约0.2伏特或更大和优选地约0.4伏特或更小。如果该目的是最大化可生物降解材料的降解，那么从微生物燃料电池取出的电流就使得电池操作电压为优选地约0.05伏特或者更大和约0.2伏特或更小。在将电流添加到微生物燃料电池的实施方式中，可使用获得可生物降解材料的期望的减少的一定量的电流。电流的量的上限是实践性的，也即可生物降解材料的降解的成本变得大于其他方法的点。优选该微生物燃料电池的操作条件使得施加到燃料电池的电流的电压为大于0伏特。优选该微生物燃料电池的操作条件使得施加到燃料电池的电流的电压为约0.4伏特或者更小，更优选约0.2伏特或者更小。电池操作电压是由操作条件下单个电池产生的电压。电池电压要求是添加至该微生物燃料电池从而获得可生物降解材料的期望降解的电压。如果将多个电池以电串联的方式连接从而形成堆叠，那么电池操作电压或者电池电压要求就是指组成该堆叠的多个电池的平均电池操作电压或者平均电池电压要求。可将电子导管连接至负载，从而将电流传递至该负载例如电池组，要提供电力的设备，或者传递至电网(powergrid)。可将电子回路连接至电流源，从而将该电流传递至微生物燃料电池。可将根据本发明的两个或者多个微生物燃料电池以串联的方式液压(hydraulically)连接，从而使得来自阳极腔室的流出物可流入用于另一腔室的阳极入口。可将电池以并联的方式连接或者以串并结合的方式连接。来自阴极腔室的流出物可流入另一电池的阴极腔室的入口。当许多电池串联连接时，可能需要在一个或多个下游模块中引入另外的含氧流体，从而保持含氧气体的氧含量在使得该电池有效地工作的水平。可将许多微生物电池连接至相同的载荷，从而提供负载发挥作用所需的电流。
在其中将低量的电流添加到该电池的实施方式中，选择该电池的电压从而最大化可生物降解材料的降解。通常，该电压为大于0至约2.0伏特或者更小。优选这在约5A/m2或者更大，更优选约8A/m2或者更大，和最优选约10A/m2或者更大的电流密度获得，其中进料到该阳极腔室的流体显示出约1毫西门子/cm或者更小的电导率。优选这在约10A/m2或者更大，更优选约16A/m2或者更大，和最优选约20A/m2或者更大的电流密度获得，其中进料到阳极腔室的流体显示出约2毫西门子/cm或者更小的电导率。优选这在约20A/m2或者更大，更优选约32A/m2或者更大，和最优选约40A/m2或者更大的电流密度获得，其中进料到阳极腔室的流体显示出约4毫西门子/cm或者更小的电导率。
在可生物降解的流体是废流的实施方式中，可使通过的废流通过许多微生物燃料电池，直到已经除去了足够量的废流中的可生物降解材料，从而获得期望的指定水平的可生物降解材料。或者可通过相同的电池、或者相同的电池系列回收来自阳极腔室的流出物，直到除去所期望的指定水平的可生物降解材料。在废流加工中，通常说明了流出物中可生物降解材料的水平。可通过许多已知的方式定义指定水平的可生物降解材料，包括化学需氧量和生物需氧量。一旦达到期望水平的可生物降解材料，就可排出该流体，回收用于加工或者经受另外的处理。
将微生物燃料电池的反应腔室中水性介质配制为对于在燃料电池中与该水性介质接触的微生物是无毒性的。此外，可将该介质或者溶剂调节为与微生物新陈代谢相容，例如通过将pH调节为约4至约10，优选约6至约9，包括端点，通过用酸或者碱调节pH，如果需要向介质或者溶剂中添加缓冲液，通过稀释或者添加渗透性活性物质(osmoticallyactivesubstance)来调节介质或者溶剂的渗透性(osmolarity)，或其任何组合。例如，可通过稀释或者添加盐来调节离子强度。此外，如果需要，可包含营养物，辅助因子(cofactors)，维生素和其它的这些添加剂来保持健康的细菌种群，参见例如LovleyandPhillips，Appl.Environ.Microbiol.54(6):1472-1480中描述的这些添加剂的实例，将该文献通过参考并入本申请。任选地，与微生物接触的水性介质含有溶解的可被该微生物氧化的可生物降解材料。在操作中，反应条件包括变量例如pH，温度，渗透性，和反应器中的介质中的离子强度。反应温度通常为约10-40°C（对于非嗜热的微生物），但是通过包含适于在所选的温度生长的微生物，该设备可用于0至100°C范围内的任何温度。但是，保持反应温度高于环境温度可能需要能量输入并且优选将反应器温度保持在约15至约30°C，而不输入能量。
图1显示了本发明的微生物燃料电池10的示意图。该图显示阳极11，其中微生物16置于该阳极11上。也示出了阴极12，其中阳极11和阴极12由隔板15隔开。电子导管13连接至阳极11和阴极12，其中负载、电流源、界面、和传感器14中的一个或者多个位于阳极11和阴极12之间。该图显示出阳离子被从阳极腔室25传递至阴极腔室26，而阴离子被从阴极腔室26传递至阳极腔室25。该图也显示有机物在阳极腔室25中分解成二氧化碳和氢离子，以及在阴极腔室26中分解成水和氢氧根离子。
图2显示微生物燃料电池10的外观。显示的是外壳17，隔板15，含有可生物降解材料的流体出口19和含有可生物降解材料的流体入口18。图3显示本发明的简单的微生物燃料电池10，其具有外壳17、阳极基床20，阴极12和隔板15。阳极基床20和阴极12布置在隔板15的相对表面上。也显示了含有可生物降解材料的流体的入口18和含有可生物降解材料的流体的出口19。显示含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。阴极12对空气敞开。阳极基床20用作阳极腔室。
图4显示微生物燃料电池10的另一实施方式，其含有各自置于两个隔板15的一个面上的两个阴极12，其中每个隔板15与一个阳极基床20接触。显示了含有可生物降解材料的流体的入口18和含有可生物降解材料的流体的出口19。显示了含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。阴极12对于空气敞开。图5显示了微生物燃料电池10的另一实施方式，其含有各自置于两个隔板15的一个表面上的两个阴极12，其中每个隔板15与两个阳极基床20中的一个接触。阴极12置于隔板15的内侧，并且形成阴极腔室26。在阴极腔室26的每一端分别是空气入口21和空气出口22。对于每个阳极腔室25，显示了含有可生物降解材料的流体入口18和含有可生物降解材料的流体的出口19。显示了含有可生物降解材料的流体平行于隔板15的平面流动。图6显示出片材状阳极腔室的3三维图示。也显示了阴极12和隔板15，其中阴极12和阳极腔室25置于隔板的相对的表面上。
已经披露了本发明的优选的实施方式。但是本领域技术人员会认识到，可以对本发明的教导进行某些改进。因此，应该研究所附的权利要求来确定本发明的真实范围和内容。在以上申请中所记载的任何数值包括从较低的值至较高的值的所有值，增量为一个单位，条件是在任何较低值和较高值之间具有至少2个单位隔开。例如，如果指出了组分的量或者加工变量的值例如，例如，温度，压力，时间等为，例如，1至90，优选20至80，更优选30至70，那么意图值例如15至85，22至68，43至51，30至32等也明确地列举在了本说明书中。对于小于1的值，认为一个单位合适地是0.0001，0.001，0.01或者0.1。这些仅是具体意图的实例，也考虑所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能的组合也明确地中本申请中以类似的方式明确提及。
除非另外指出，否则所有的范围都包含端点和两个端点之间的所有数值。使用“约”或者“大约”与范围连用则适用于该范围的两个端点。因此，“约20至30”意图覆盖“约20至约30”，包括至少指出的端点。本申请使用的重量份是指组合物含有100重量份。描述组合的术语“基本上由…组成”应该包含所指出的元件、成分、组件或者步骤，和不明显地影响基本的和新颖的特性组合的这些其它元件、成分、组件或者步骤。使用描述元件、成分、组件或者步骤的组合的术语“包括”或者“包含”中本申请中也预期基本上由该元件、成分、组件或者步骤组成的实施方式。可通过单个集成的元件、成分、组件或者步骤提供多个元件、成分、组件或者步骤。或者，单个集成的元件、成分、组件或者步骤可分成分开的多个元件、成分、组件或者步骤。描述元件、成分、组件或者步骤的“(a)”或者“一种(one)”不意图排除另外的元件、成分、组件或者步骤。
实施例
包含以下实例仅用于说明的目的，不意图限制本发明的范围。除非另外指出，否则所有的分数和百分比都基于重量。
实施例1
如下组装微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括碳毡阳极，阴离子交换膜和由在复写纸载体上的Pt/C组成的阴极。在5cmx6.4cmx2.5cm块状透明合成树脂(Lucite)中加工出1.5cm宽，约4cm长和0.45cm深的腔室。在该块中钻入端口用作用于溶液流动的入口和出口端。在腔室的底部钻出的小洞用于连接收集电流的导线(wireleads)。使用环氧树脂将该导线密封固定在原地。将该阳极置于该腔室中。阴离子交换膜，由聚烯烃粘着剂和粉碎的阴离子交换树脂制备的膜，置于该毡上(可得自中国浙江千秋环保水处理有限公司)。然后将由在复写纸载体上的Pt/C(ETEKGDE，0.5mgPt/cm2突出区域)组成的阴极切成1.5cmx3cm，并且置于与该膜的与碳毡阳极相反的侧上。然后使用作为集电器的不锈钢丝网(具有洞来容纳电池螺钉(cellbolts))覆盖该阴极。将膨胀的石墨蜗杆(可得自SuperiorGraphite，Chicago，IL)添加到该阴极和该不锈钢丝网之间，从而改善导电性。然后将第二个半电池片用于将该组件栓在一起。空气通过该第二个半电池片的入口和出口洞扩散至阴极。
实施例2
如下组装微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括碳毡阳极，阴离子交换膜和复合阴极(由Pt/C和作为墨水施加到该阴离子交换膜的一侧上的阴离子交换剂组成)。MFC的碳载铂(Pt/C)阴极如下制备:将阴离子交换膜(可得自中国浙江千秋环保水处理有限公司)浸在去离子(DI)水中24小时，和切成3cm×6cm的小片，使其适合于电池体。然后将该膜掩盖，在中间开一个区域(~6cm2)用于阴极涂层。催化剂墨水通过混合以下物质制备：50mg10%，Pt/VulcanXC-72(可得自FuelCellStore，SanDiego，CA)，50mg研磨的DOWEXMARATHONTM11强碱阴离子交换树脂(可得自Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)，和5毫升(mL)异丙醇。将该混合物在去离子水中用声波处理10分钟，并在SpeedMixer(FlaxkTechInc.，Landrum，SC)中以3000rpm混合3分钟。将催化剂墨水的薄涂层直接施加到掩盖的膜的表面（通过将一定量的该墨水置于该膜的表面上而完成）。为了最小化从掩盖的膜流走的催化剂墨水的量，在每次涂覆的过程中，将少于0.5mL的墨水置于该膜上的表面区域(~6cm2)。将该空白膜涂覆一次从而获得Pt含量为约0.03mgPt/cm2投影面积。在两次涂覆之间，可在没有完全干的情况下施涂该墨水。然后使涂覆的膜在空气中完全干燥几个小时。在5cmx6.4cmx2.5cm块状透明合成树脂(Lucite)中加工出1.5cm宽，约4cm长和0.45cm深的腔室。在该块中钻入端口用作用于溶液流动的入口和出口端。在腔室的底部钻出的小洞用于连接收集电流的导线(wireleads)。使用环氧树脂将该导线密封固定在原地。将该阳极置于该腔室中。将具有Pt/C墨水阴极的阴离子交换膜置于该毡上，从而该阴极位于该膜的与碳毡阳极相对的侧上。然后使用作为集电器的不锈钢丝网(具有洞来容纳电池螺钉(cellbolts))覆盖该阴极。将膨胀的石墨蜗杆(可得自SuperiorGraphite，Chicago，IL)添加到该阴极和该不锈钢丝网之间，从而改善导电性。然后将第二个半电池片用于将该组件栓在一起。空气通过该第二个半电池片的入口和出口洞扩散至阴极。
操作微生物燃料电池
将该电池置于流动系统中，该系统使来自储罐的进料溶液循环通过该电池。该进料溶液由5mM乙酸酯(或盐)，5mM碳酸氢盐，1mMNH4Cl组成，pH=8.6，电导率=1mS/cm。使用活化的淤泥和提取的泥土接种该进料溶液。该电池最初使用电阻器作为连接所述阳极和阴极的外部回路中的载荷操作。随着该微生物的适应和在阳极上的生长，可改变该电阻器从而从该MFC取出更大的电流。以增加的电流操作几周之后，将该电池在接近短路状态操作。在这一点，该载荷电阻器使用稳压器代替，该稳压器容许该电池在负的电池电压操作。
该电池在0.020V至-0.400V的电池电压，在稳压器操作下显示出持续的操作，其中阳极电势为约-0.5V（与Ag/AgCl相比）。对于实施例1的电池，图7显示出，对于各种施加的电压，该操作电池电压和阳极电势(与Ag/AgCl参考电极相比)与时间的关系。对于实施例2的电池，图8显示，对于各种施加的电池电压，该操作电池电压和阳极电势(相对于Ag/AgCl参考电极)与时间的关系。通过线性扫描伏安法(linearsweepvoltammetry)测量该微生物燃料电池的电流-电压响应。图9显示出实施例1的电池的电池电压，阳极电势(相对于Ag/AgCl)和阴极电势(相对于Ag/AgCl)。图10显示出实施例2的电池电压，阳极电势(相对于Ag/AgCl)和阴极电势(相对于Ag/AgCl)。

Claims (4)

1.一种操作微生物燃料电池以最大化在微生物燃料电池中降解的可生物降解材料的量的方法，其包括：
A)提供微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，将所述阳极连接至阴极的电子导管，用于测定引入到该微生物燃料电池的流体中可生物降解材料的浓度的传感器，以及与该传感器连接的、显示或说明该传感器的结果的界面，其中没有从所述微生物燃料电池取出电流或者将电流通过所述导管引入到所述微生物燃料电池；
B)使含有可生物降解材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触；
C)使所述阴极与含氧流体接触；
D)使用传感器来判断在该流体中可生物降解材料的水平，并且使用所述界面显示该结果或者解释该结果，
E)基于流体中可生物降解材料的浓度调节电池的电压，从而获得可生物降解材料的期望降解，
F)从所述阳极的位置取出所述流体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述电子导管直接连接至所述阳极和阴极；所述电子导管还包括位于所述阳极和阴极之间的可变电阻器；或者所述电子导管连接至电流源。
3.根据权利要求1的方法，其中基于引入到所述微生物燃料电池中的流体中可生物降解材料的浓度，调节引入到所述微生物燃料电池的电流的量。
4.根据权利要求1的方法，其中所述界面包括通过所述传感器测定的进料到所述微生物燃料电池的流体中的可生物降解材料的浓度的显示器，并且所述界面包括电子控制器，其适合于基于通过所述传感器测定的进料到所述微生物燃料电池的流体中的可生物降解材料的浓度，调节添加到该微生物燃料电池的电流的水平。
CN201180024705.1A 2010-03-19 2011-03-18 最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法 Active CN102893438B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US31554810P 2010-03-19 2010-03-19
US61/315,548 2010-03-19
PCT/US2011/028971 WO2011116272A1 (en) 2010-03-19 2011-03-18 Microbial fuel cell process which maximizes the reduction of biodegradable materials contained in a fluid stream

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102893438A CN102893438A (zh) 2013-01-23
CN102893438B true CN102893438B (zh) 2016-06-15

Family

ID=44064881

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180024690.9A Expired - Fee Related CN102893437B (zh) 2010-03-19 2011-03-18 高效率微生物燃料电池
CN201180024705.1A Active CN102893438B (zh) 2010-03-19 2011-03-18 最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法
CN201180024710.2A Active CN102918697B (zh) 2010-03-19 2011-03-18 微生物燃料电池

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180024690.9A Expired - Fee Related CN102893437B (zh) 2010-03-19 2011-03-18 高效率微生物燃料电池

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180024710.2A Active CN102918697B (zh) 2010-03-19 2011-03-18 微生物燃料电池

Country Status (4)

Country Link
US (4) US20130011697A1 (zh)
EP (3) EP2548252A1 (zh)
CN (3) CN102893437B (zh)
WO (3) WO2011116272A1 (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130011697A1 (en) * 2010-03-19 2013-01-10 Dow Global Technologies Llc High efficiency microbial fuel cell
CN103843184B (zh) * 2011-06-14 2016-09-14 凯博瑞创新公司 生物需氧量传感器
AU2014228812A1 (en) 2013-03-15 2015-07-23 Oregon State University Microbial fuel cell and methods of use
WO2014196825A1 (ko) 2013-06-07 2014-12-11 한국에너지기술연구원 다가 이온 제거 기능을 갖는 생물전기화학 시스템
JP6128978B2 (ja) 2013-06-14 2017-05-17 パナソニック株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システム用モジュール
CN103872347A (zh) * 2014-03-27 2014-06-18 武汉纺织大学 一种多孔纳米纤维基微生物燃料电池用阳极膜的制备方法
US10439898B2 (en) * 2014-12-19 2019-10-08 Infosys Limited Measuring affinity bands for pro-active performance management
US10230122B2 (en) * 2015-07-09 2019-03-12 Srm University Microbrial fuel cells
CN108699711B (zh) * 2015-10-31 2020-06-05 华烯科技有限公司 一种生产氧化石墨烯和氢气的高效生物电化学方法和系统
CN105489919B (zh) * 2016-01-20 2018-08-21 重庆大学 无缓冲液运行下空气阴极微生物燃料电池及性能提升方法
CN106058292A (zh) * 2016-02-03 2016-10-26 万向A二三系统有限公司 一种制备锂离子扣式电池的方法
CN109792061A (zh) * 2016-09-30 2019-05-21 松下电器产业株式会社 碳系材料以及具有该碳系材料的电极和微生物燃料电池
US20190301029A1 (en) * 2016-11-03 2019-10-03 Musc Foundation For Research Development Bioelectrosynthesis of organic compounds
JP7174521B2 (ja) * 2017-12-05 2022-11-17 住友重機械工業株式会社 微生物活性測定センサ及び微生物活性の評価方法
JP6624470B1 (ja) * 2018-07-05 2019-12-25 日本工営株式会社 微生物燃料電池、発電装置および下水処理システム
JP7212345B2 (ja) * 2018-07-05 2023-01-25 国立大学法人 宮崎大学 発電菌並びにそれを用いた微生物燃料電池及び発電方法
CN111138058A (zh) * 2019-12-16 2020-05-12 广东省微生物研究所（广东省微生物分析检测中心） 一种污染水体底泥环境修复的简便方法
CN111003794B (zh) * 2019-12-25 2022-10-04 广州市环境保护工程设计院有限公司 一种处理农村生活污水的人工湿地系统
US20230417722A1 (en) * 2020-11-18 2023-12-28 National Research Council Of Canada Biosensor for water toxicity monitoring
CN113461138A (zh) * 2021-06-25 2021-10-01 江西师范大学 用于污水处理的装置和污水处理方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1360677A (zh) * 1999-07-07 2002-07-24 韩国科学技术研究院 一种富集微生物的电化学方法,用于分析有机物和生化需氧量的生物传感器
CN101317297A (zh) * 2005-09-28 2008-12-03 株式会社荏原制作所 生物发电装置和利用该生物发电装置处理含有有机固体污染物质的废弃物的方法、处理含有有机聚合物的废液的方法、处理含有有机物质的废液的方法以及实施这些处理方法的装置

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3331705A (en) 1962-07-11 1967-07-18 Mobil Oil Corp Biochemical fuel cell
US3340094A (en) 1963-04-26 1967-09-05 Phillips Petroleum Co Biochemical fuel cell and method of generating electric current using bacteria
US3301705A (en) 1963-09-17 1967-01-31 Radames K H Gebel Interference photocathode sensitive to multiple bands
US4187350A (en) * 1978-09-05 1980-02-05 The Dow Chemical Company Porous catalyzed electrode provision and technique
KR100224381B1 (ko) 1996-08-29 1999-10-15 박호군 금속염 환원 세균을 사용한 생물연료전지
JP4773736B2 (ja) * 2004-03-29 2011-09-14 水ｉｎｇ株式会社 有機性物質を利用する発電方法及び装置
US20080292912A1 (en) * 2006-05-02 2008-11-27 The Penn State Research Foundation Electrodes and methods for microbial fuel cells
US8277984B2 (en) * 2006-05-02 2012-10-02 The Penn State Research Foundation Substrate-enhanced microbial fuel cells
EP1742288A1 (en) * 2005-07-08 2007-01-10 Universiteit Gent Microbial fuel cells for oxidation of electron donors
WO2007037261A1 (ja) * 2005-09-28 2007-04-05 Ebara Corporation 生物発電装置及び該生物発電装置を利用する有機性固形汚濁物質含有廃棄物の処理方法、有機性高分子物質含有廃液の処理方法、有機性物質含有廃液の処理方法並びにこれらの処理方法を行う装置
EP1947716A4 (en) * 2005-09-28 2009-09-23 Ebara Corp BIOLOGICAL ENERGY PRODUCTION ANODE AND METHOD FOR PRODUCING BIOLOGICAL ENERGY USING THE ANODE
EP1873860A1 (en) * 2006-06-28 2008-01-02 Solvay Solexis S.p.A. Catalyst-Polymer Liquid Dispersion for Fuel Cell Applications
US20090017512A1 (en) * 2006-12-06 2009-01-15 May Harold D Apparatus and methods for the production of ethanol, hydrogen and electricity
US8283076B2 (en) * 2007-05-18 2012-10-09 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Microbial fuel cells
CN201134469Y (zh) * 2007-09-26 2008-10-15 合肥工业大学 从废水处理中回收电能的微生物燃料电池
US9142852B2 (en) * 2008-06-23 2015-09-22 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Bicarbonate and carbonate as hydroxide carriers in a biological fuel cell
NL1035728C2 (en) * 2008-07-21 2010-01-22 Magneto Special Anodes B V Device and method for improved electrochemical cell.
US20100252443A1 (en) * 2009-04-07 2010-10-07 Ut-Battelle, Llc Bioelectrochemical treatment of gaseous byproducts
US20130011697A1 (en) * 2010-03-19 2013-01-10 Dow Global Technologies Llc High efficiency microbial fuel cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1360677A (zh) * 1999-07-07 2002-07-24 韩国科学技术研究院 一种富集微生物的电化学方法,用于分析有机物和生化需氧量的生物传感器
CN101317297A (zh) * 2005-09-28 2008-12-03 株式会社荏原制作所 生物发电装置和利用该生物发电装置处理含有有机固体污染物质的废弃物的方法、处理含有有机聚合物的废液的方法、处理含有有机物质的废液的方法以及实施这些处理方法的装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102893438A (zh) 2013-01-23
CN102918697A (zh) 2013-02-06
EP2548252A1 (en) 2013-01-23
EP2548254A1 (en) 2013-01-23
CN102893437B (zh) 2016-06-08
US20130011697A1 (en) 2013-01-10
WO2011116266A1 (en) 2011-09-22
EP2548253A1 (en) 2013-01-23
CN102893437A (zh) 2013-01-23
CN102918697B (zh) 2015-09-30
US20130059169A1 (en) 2013-03-07
EP2548253B1 (en) 2016-08-17
US20160329585A1 (en) 2016-11-10
WO2011116272A1 (en) 2011-09-22
WO2011116269A1 (en) 2011-09-22
US20130011696A1 (en) 2013-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102893438B (zh) 最大化含在流体流中的可生物降解材料的减少的微生物燃料电池方法
CN102906924B (zh) 电解质增强的微生物燃料电池
Peera et al. A review on carbon and non-precious metal based cathode catalysts in microbial fuel cells
US8962165B2 (en) Materials and configurations for scalable microbial fuel cells
US20080292912A1 (en) Electrodes and methods for microbial fuel cells
Rahimnejad et al. A review on the effect of proton exchange membranes in microbial fuel cells
Sharif et al. Recent innovations for scaling up microbial fuel cell systems: Significance of physicochemical factors for electrodes and membranes materials
US20110311887A1 (en) Microbial desalination cells
EP2269258A1 (en) Device and method for performing a biologically catalyzed electrochemical reaction
Wang et al. Power performance improvement in sediment microbial fuel cells: Recent advances and future challenges
Abdulwahhab et al. Microbial fuel cell review: thermodynamic and infuencing factors, exoelectrogenic bacteria, anode and cathode configuration
Mohanakrishna et al. Reactor design for bioelectrochemical systems
CN107112565A (zh) 微生物燃料电池系统
KR101863651B1 (ko) 미생물 연료전지 및 이를 이용한 미생물의 실시간 분석방법
Raychaudhuri et al. Microbial fuel cell
Anwer et al. Polymer‐Supported Nanocomposite‐Based Nanomaterials for Removal and Recovery of Pollutants and Their Application in Bio‐Electrochemical System
Fink Fuel Cells, Solar Panels, and Storage Devices: Materials and Methods
Rathod et al. Smart Materials in Energy Storage Devices: Fuel Cells and Biofuel Cells
BEHRING Bacteria entrapment engineering for flow microbial fuel cells
JP2020099854A (ja) 液体処理システム
Abbas Membrane biofouling and Biofilm effects on Nanocomposite Electrodes in Microbial Fuel Cell System

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant