CN102918697A - 高效率微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种微生物燃料电池，其包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，通过外部回路将阳极连接至阴极的电子导管，其中所述阳极，阴极或者二者包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。

Description

高效率微生物燃料电池
相关申请的交叉参考
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”的美国临时申请61/315,548的优先权，将该申请通过参考并入本申请。
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池和用于微生物燃料电池的改进的阳极和阴极。本发明还涉及从含有可生物降解的材料的流体，例如废水产生电的方法。此外，本发明涉及从含有可生物降解的材料的流体，例如废水，除去可生物降解的材料的方法。
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US 3,331,705;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(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(其中铂是优选的)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和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。
发明内容
在第一实施方式中，本发明涉及微生物燃料电池，其包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，通过外部回路将阳极连接至阴极的电子导管，其中所述阳极，阴极或者二者包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。微生物燃料电池适合于与置于流体中的可生物降解的材料一起使用。在一种实施方式中，本发明是阳极，其包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。在另一实施方式中，本发明是阴极，其包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。在优选的实施方式中，本发明是微生物燃料电池，其中所述阳极和阴极都包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。在使用时，所述微生物燃料电池含有置于流体中的可生物降解的材料。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。在优选的实施方式中，所述微生物燃料电池还包括与所述阳极电接触的生电微生物，和用于将流体物质引导到阳极的装置。
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，本发明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流体。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流体引入所述腔室，从而使所述含氧流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。在优选的实施方式中，根据本发明的微生物燃料电池的阴极还含有用于氧的还原反应的催化剂。在另一优选的实施方式中，所述阳极和/或阴极邻近所述阴离子交换膜设置。
在另一实施方式中，本发明涉及到一种方法，其包括A)提供如上所述的微生物燃料电池;B)将含有可生物降解的材料的流体引入到所述阳极腔室中;C)使所述含有可生物降解的材料的流体与所述阳极在微生物存在下接触;D)向阴极腔室中引入含氧气体;和E)从所述阳极腔室取出所述流体。优选地，使所述含有可生物降解的材料的流体连续流入、经过并且流出阳极腔室，并使该含氧流体连续流入，经过并且流出阴极腔室。优选使该含有可生物降解的材料的流体以平行于置于所述阳极和阴极之间的隔板的方向流经该阳极。在一种实施方式中，电子导管连接至外部回路，所述外部回路含有电池组(battery)、使用电的设备、或电网(powergrid)中的一个或多个。
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。本发明的微生物燃料电池和使用该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从含有可生物降解材料的流体生产能量，和有效地以环境友好的方式从流体中除去可生物降解材料。本发明的微生物燃料电池可以以一种方式操作，从而使得避免流体的显著酸化。本发明的微生物燃料电池不需要使用不期望的化学品作为氧化剂。该微生物燃料电池可操作于低的贵金属加载水平，并且具有高的电流密度例如约10A/m2或者更大，和最优选约15A/m2或者更大。本发明的使用具有低的或者没有缓冲能力的进料流的微生物燃料电池具有高的电流密度例如约5A/m2或更大，更优选约7A/m2或更大和最优选约15A/m2或更大。本发明的使用具有低导电性的进料流的微生物燃料电池具有高的电流密度例如约3A/m2或更大，更优选7A/m2或更大和最优选约15A/m2或更大。本发明的微生物燃料电池和本发明的方法减少欧姆损失，(尤其是由于离子传递导致的)和物质传递损失。
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是阳极1至4的电池电压与电流密度的曲线。
图8是阳极1至4的功率密度与电流密度的曲线。
图9是对于阳极1至4来说，从功率密度曲线(P curve)获得的电池电阻和从电池电压(Vcell)获得的电池电阻的条形图。
图10显示使用阳极1，2和5的电池在K=1mS/cm和在4.6mS/cm时，电池电压与电流密度的关系曲线。
图11显示对于阳极1，2和5，电池电压与电流密度的关系曲线。
图12是对于阳极1，2和5，从功率密度曲线获得的电池电阻和从电池电压获得的电池电阻的条形图。
图13是对于使用具有不同的Pt含量的阴极/膜组件的微生物燃料电池而言，电池电压与电流密度的关系曲线。
图14是使用具有不同的Pt含量的阴极/膜组件，功率密度与电流密度的关系曲线。
图15是具有含有相同的Pt含量（0.03mg/cm2）和不同的阴离子交换剂的浓度的阴极的微生物燃料电池的最大功率密度曲线。
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产生电和/或从流体除去可生物降解材料的方法。
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气体接触。该阴极可以对于含有含氧气体(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气体。阴极腔室可由与阴极和含氧气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。
当氧气流体经阴极腔室，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腔室之间流动。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。
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。在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的实施方式中，所述阳极可包括任何已知的可用于微生物电池中的阳极。可使用导电性的和与所述微生物相容的任何材料。与所述微生物相容是指该阳极材料不杀死该微生物或者影响该微生物催化可生物降解的材料的分解。在该实施方式中，优选该阳极由导电材料构成。优选，该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。导电性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该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(random fibers)，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(carbon cloth)，复写纸(carbon paper)，碳毡(carbon felt)，碳毛织品(carbon wool)，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(reticulated vitreous carbon)。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(unitary structure)，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US 2008/0292912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(viability marker)例如若丹明123，碘化丙锭，和这些或者其它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，导电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。
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，优选将阳极构建为提供含有可生物降解的材料的流体的流路，从而使得该阳极和存在于阳极中的微生物能够接触。粒子之间的空间最好被描述为空隙空间百分比(percent ofvoid space)，未被实心材料占据的空间，优选该空隙空间(void space)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。中值空间(median spaces)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。优选地，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。优选地，将该液流(fluid flow)排列使得液体以基本上平行于隔板的一个表面的方向流经阳极。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。
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。在其中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的实施方式中，阴极可包括任何已知的可用于微生物电池中的阴极。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，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。所述导电材料还可包括本申请前面所述的催化剂。优选，将该催化剂涂覆到导电材料例如碳的表面。排列该混合物从而使得电子流路和离子流路通过所述阴极建立。导电材料在阴极中产生电子的流路。离子传导性材料产生离子的流路，所述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。各种材料需要以足够的量和以合适的排列存在，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。这些流路容许含氧气体流过阴极。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。优选导电材料和离子传导性材料的阴极包括约30vol%或者更大的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约40vol%或者更大和最优选约45vol%或者更大。优选，导电材料和离子传导性材料的阴极包括约70vol%或者更少的离子传导性材料，基于实心材料，更优选约60vol%或者更少和最优选约55vol%或者更少。“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。
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为以下尺寸，该尺寸使得该含氧流体能够自由流经该阴极。中值(median)空间或者孔尺寸优选为约5纳米或者更大，和更优选约10纳米或者更大。中值空间或者孔尺寸优选为约100微米或更小和更优选约10微米或更小。这最好被描述为空隙空间百分比，被实心材料占据的空间，优选该空隙空间为约20vol%或者更大，更优选约33vol%或者更大，更优选约50vol%或者更大。优选该空隙空间为约96wt%或更小。推论是实心体积为约80vol%或者更少，更优选约67vol%或者更少和更优选约50vol%或者更少。优选该实心体积是约4vol%或者更大。在另一实施方式中，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，The Netherlands制造的超滤膜B0125。另外的实例包括由Membranes International，Inc.New Jersey，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。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。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(anodophilic bacteria)。本申请所用的术语“亲阳极菌(anodophiles)”和“依赖阳极生长的细菌(anodophilic bacteria)”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.，et al.，Science 295，483-485，2002;Bond，D.R.et al.，Appl.Environ.Microbiol.69，1548-1555，2003;Rabaey，K.，et al.，Biotechnol.Lett.25，1531-1535，2003;U.S.Pat.No.5,976,719;Kim，H.J.，et al.，Enzyme Microbiol.Tech.30，145-152，2002;Park，H.S.，et al.，Anaerobe 7，297-306，2001;Chauduri，S.K.，et al.，Nat.Biotechnol.，21:1229-1232，2003;Park，D.H.et al.，Appl.Microbiol.Biotechnol.，59:58-61，2002;Kim，N.et al.，Biotechnol.Bioeng.，70:109-114，2000;Park，D.H.et al.，Appl.Environ.Microbiol.，66，1292-1297，2000;Pham，C.A.et al.，EnzymeMicrob.Technol.，30:145-152，2003;and Logan，B.E.，et al.，Trends Microbiol.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.et al.，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C 1-C 7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.et al.，Applied and Environmental Microbiology 56:1858-1864，1990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材料的废流(waste stream)。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(phenazine methosulfate)，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材料显示出低的传导性。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。一般地，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。一般地，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(气体)接触。氧气在阴极附近还原形成水或者氢氧根离子。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，可使含氧气体流到阴极。在这种实施方式中，可使用吹风机来使该含氧气体与阴极接触。
电子导管连接阳极和阴极，并且用来使电子通过外部回路在阳极和阴极之间流动。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。优选地，该导管将电池连接至电力负载(electrical load)。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);该负载可为马达，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(power grid)，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。
本发明的微生物燃料电池还可包括一个或多个集电器，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/或流出阳极和/或阴极腔室。
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。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。
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，而阴极暴露于含氧气体。可通过将阴极腔室向环境敞开而将含氧气体引入到阴极腔室。或者，可使空气或者富含氧的，较高氧含量的气体流入到与阴极接触，例如通过将含氧气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。选择取自微生物燃料电池的电流从而或者最大化该微生物燃料电池产生的电力，或者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伏特或更大，和约0.2伏特或更小。电池操作电压是由操作条件下单个电池产生的电压。如果将多个电池以电串联的方式连接从而形成堆叠，那么电池操作电压就是指组成该堆叠的多个电池的平均电池操作电压。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(power grid)。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气体，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。
在可生物降解的流体是废流的实施方式中，可使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(osmotically active substance)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Lovley andPhillips，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14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。
组装微生物燃料电池
在3cmx6cmx0.9cm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。在腔室的底部钻出两个用于导线(wire leads)的小洞。一个较长的电线用作电子导管，另一个较短的电线用作未负载的电压探头。使用环氧树脂将该导线原位密封。将后面描述的阳极置于该腔室中。将阴离子交换膜，一个由聚烯烃粘合剂和磨碎的阴离子交换树脂制成的膜，置于该毡上，然后将由在复写纸载体上的Pt/C组成的阴极切至1.5cmx3cm，并置于与该碳毡阳极相对的膜上。然后阴极用Ni丝网覆盖作为集电器(具有多个洞来容纳电池螺栓)。然后将第二个半电池块用来将该组件栓在一起。空气通过该第二个半电池块的入口和出口洞扩散到达阴极。
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。接种缓冲的乙酸酯(或盐)进料溶液(原始电池用来自家庭的后院或源自它的土壤提取物接种)。使用许多类似的电池进行试验。
复合材料阳极制备1，阳极1
用去离子水(DI)洗涤石墨毡。用DI水洗涤膨胀石墨蜗杆(worms)(Superior Graphite)。用DI水洗涤Dow MARATHONtm 11阴离子交换珠。磨碎的珠通过在小的咖啡研磨器中研磨Dow MARATHONtm 11阴离子交换珠，接着用DI水洗涤而制备。等份的潮湿的膨胀石墨和阴离子交换珠用抹刀混合成均匀的糊剂。阳极腔室用一部分这种糊剂填充。
膨胀石墨阳极制备1，阳极2
阳极腔室用一阳极腔室体积的潮湿膨胀石墨填充。
复合材料阳极制备2，阳极3
用抹刀将等体积的潮湿膨胀石墨和阴离子交换珠混合成均匀的糊剂。阳极腔室用一部分这种糊剂填充。
石墨毡阳极制备，阳极4和5
将1.5cmx3cmx0.5cm的石墨毡的片置于阳极腔室中。
将使用如上所述的阳极如上所述组装的电池置于流动系统中，该系统将来自储罐的5mM乙酸酯(或盐)，5mM碳酸氢盐，1mM NH4Cl，pH=8.9，电导率=1mS/cm的进料溶液循环通过电池。具有阳极1和阳极2的电池以串联的方式液压(hydraulically)连接(即，来自第一个的流出物是去第二个的流入物)，和将具有阳极3和阳极4的电池以串联的方式液压连接。也将阳极电解液溶液循环通过充分开发的微生物燃料电池，其具有第三石墨阳极，阳极5，以与两对电池并联的方式连接。在整个5天的期限里，从该电池取出的电流随着该电池的开始而稳定增加。在第7天，记录该电池的电池电压和电流数据。图7显示了使用阳极1至4的电池的电池电压与电流密度的关系曲线。图8显示了阳极1至4的电池电压与电流密度的关系。图9是对于阳极1至4而言，从功率密度曲线获得的电池电阻与从电池电压获得的电池电阻的条形图。
使用阳极5的电池在10mM乙酸酯(或盐)，10mM碳酸氢盐，10mMNaCl，10mM KCl，1mM NH4Cl，pH=8.9，电导率=4.6mS/cm的进料溶液上操作。图10显示具有阳极1，2和5的电池在1mS/cm和4.6mS/cm的电导率时，电池电压与电流密度的关系曲线。图11显示出阳极1，2和5的电池电压与电流密度的关系曲线。图12是对于阳极1，2和5，从功率密度曲线得到的电池电阻和从电池电压得到的电池电阻的条形图。
涂覆在阴离子交换膜上的阴极
如下制备MFC的铂碳(Pt/C)阴极: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：50mg 10%，20%或者50%Pt/Vulcan XC-72(可得自Fuel Cell Store，San Diego，CA)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(FlaxkTech Inc.，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)。可用该催化剂墨水将空白的膜涂几次从而获得不同的Pt含量。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。通过这种方法，该阴极的Pt含量可为0.01-0.5mg/cm2。
所述阳极是一片厚度为0.45cm的碳毡。将该阳极置于0.45cm深的阳极腔室中。该毡的表面积通过Kr BET测定为0.46m2/g。该投影的阳极区域为~4.8cm2。将阴极/膜组件通过不锈钢丝网置于该阳极的附近，所述不锈钢丝网也用作阴极的集电体。将膨胀的石墨蜗杆(可得自Superior Graphite，Chicago，IL)添加到该阴极和该不锈钢丝网之间，从而改善导电性。该阴极腔室用于将整个电池夹持在一起。
在室温测量该微生物燃料电池的电流-电压响应。在操作过程中，使用蠕动泵(peristaltic pump)将该阳极电解液溶液从3.5L储槽连续再循环通过阳极腔室。穿过阳极的流动速率为约8mL/min。阳极电解液含有5mM乙酸钠三水合物(可得自Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)，5mM碳酸氢钠(可得自Fisher Scientific，Pittsburgh，PA)，和1mM氯化铵(可得自Fisher Scientific，Pittsburgh，PA)。该阳极电解液溶液的pH为约8.6，和电导率为约1.15mS/cm。将维生素/矿物溶液添加至该阳极电解液中从而提供痕量的营养。将允许选择具体的电阻值的电阻器接入器(resistor substitute)用作电池的外部载荷。电池电压通过测量阳极和阴极之间的电压获得。电池电流通过电池电压除以电阻获得。电池电流密度基于阳极投影面积计算。图13和14中所示的性能数据使用数据采集板:NI 6225USB板(National Instruments)采集，该板具有40个DI通道和1GΩ输入阻抗。定制的执行程序能够处理来自NI6225的数据采集。在数据点之间的时间间隔为3min。将使用通过如上所述的方法制备的阴极/膜组件的微生物燃料电池(MFC)的性能与使用商业气体扩散电极(ETEK GDE LT 120EW)的MFC设备比较，所述电极含有担载在碳布(available from Fuel Cell Store，San Diego，CA)上的0.5mg Pt/cm2。0.03mgPt/cm2的样品已经能够获得1.27W/m2的峰值功率，并且电流密度高于10A/m2，这与商业ETEK GDE相当，然而仅含有商业ETEK GDE的5.8%的Pt。
涂覆在阴离子交换膜上的复合材料阴极
复合材料阴极如下制备：将阴离子交换剂添加到Pt/C催化剂墨水中，然后将该混合物施涂到阴离子交换膜的表面上。该阴离子交换剂通过冷冻研磨(freeze milling)DOWEX MARATHONTM11强碱阴离子交换树脂(可得自Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)而制备。粒度小于20微米。阴离子交换剂的重量浓度可为0-80%。然后根据以上所述的过程测试该电池，电池的性能数据示于图15中。在没有阴离子交换剂的情况下(DOWEX Marathon 11浓度为0)，具有含有0.03mg Pt/cm2的阴极的MFC的最大输出功率为1.27W/m2。通过添加阴离子交换剂到Pt/C墨水中获得的复合材料阴极提高了阴极的离子传导率，因此改善了电池性能。通过具有50wt%的DOWEX Marathon 11的催化剂墨水制备的样品显示出最好的最大输出功率密度(1.75W/m2)。
涂覆在离子交换膜上的复合材料阴极
制备并测试了一系列阴极(阴极A至M)。制备三种催化剂涂覆溶液并将其涂于阴离子交换膜上。涂覆溶液1是20毫克10wt%的活性炭担载的铂在2毫升异丙醇中的溶液。涂覆溶液2是20毫克50wt%活性炭上担载的铂在2毫升异丙醇中的溶液。涂覆溶液3是20毫克10wt%活性炭上担载的铂和25毫克碳在2毫升异丙醇中的溶液。施加到膜的每种涂料的体积和测量的参数总结于表1中。将不同体积的涂层施加至阴离子交换膜。每个膜上的铂的量根据中子活化分析测定。该铂含量水平由膜的面积和存在的铂的量计算。使用前述制备的膜组装微生物燃料电池。测量通过该微生物燃料电池产生的峰值功率，并将其示于表1中。
表1
Figure BDA00002425700600251
在阴离子交换膜上含有离子交换树脂的阴极涂层
由涂料1和研磨的离子交换树脂Marathon 11离子交换膜的不同的混合物制备几种涂料。将0.25毫升的各种涂料施加至阴离子交换树脂上。如上所述，该膜上的涂料用作结合的隔板和阴极，用于微生物燃料电池。该膜上的铂的量通过中子活化分析测定。该膜的铂含量和面积用来计算铂含量水平。将该膜组装成微生物燃料电池，并测定微生物燃料电池的峰值功率。数据编入表2中。
表2

Claims (15)

1.一种微生物燃料电池，其包括阳极，阴极，与所述阳极接触的微生物，通过外部回路将阳极连接至阴极的电子导管，其中所述阳极，阴极或者二者包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
2.根据权利要求1的微生物燃料电池，其中排列所述混合物使得，通过该阳极、阴极或者二者形成至电子导管的电子流路和至阴极的增强的离子流路。
3.根据权利要求1或2的微生物燃料电池，其中将隔板置于所述阳极和阴极之间。
4.根据权利要求1至3的微生物燃料电池，其中导电材料的体积分数为约30至约70%，而离子材料的体积分数为约30至约70%，基于阳极，阴极或者二者的实心体积。
5.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其中所述阳极和阴极邻近所述阴离子交换膜放置。
6.根据权利要求5的微生物燃料电池，其中所述膜具有两个表面，所述阴极支撑于所述膜的一个表面上，其中该膜的支撑阴极的表面与含氧气体接触。
7.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其中所述阳极包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
8.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其中所述阴极包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
9.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其中所述阳极和阴极包括一种或者多种导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
10.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其在没有添加缓冲液的情况下操作。
11.根据前述权利要求中任一项的微生物燃料电池，其中所述阴极包括载体，所述载体具有沉积在它的表面上的微细的活性炭，其中在微细的活性炭的表面上有催化剂的纳米粒子。
12.一种方法，其包括
A)提供根据权利要求1至11中任一项的微生物燃料电池;
B)在微生物存在下，使含有可生物降解的材料的流体流过所述阳极;
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。
13.根据权利要求12的方法，其中使含有所述可生物降解的材料的流体连续流经所述阳极，并且所述阴极持续与所述含氧气体接触。
14.用于微生物燃料电池的阳极，其包括一种或多种电子导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
15.用于微生物燃料电池的阴极，其包括一种或多种电子导电材料和一种或多种离子交换材料的混合物。
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