CN103262323B - 螺旋缠绕的微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种细菌燃料电池，包括:与待处理液体液体连通的至少一个正极和至少两个负极，至少一个正极通过至少第一和第二电绝缘垫片与至少两个负极分离，并且至少一个正极和至少两个负极越过外部负载电连接;并且至少一个正极和至少两个负极与至少第三电绝缘垫片一起缠绕为大体螺旋结构。
Description
相关申请的引用
特此参见2009年11月1日提交的名称为ELECTRODESFORUSEINBACTERIALFUELCELLSANDBACTERIALELECTROLYSISCELLSANDBACTERIALFUELCELLSANDBACTERIALELECTROLYSISCELLSEMPLOYINGSUCHELECTRODES的PCT公开专利申请号WO2010/049936，通过引用将其公开内容并入。
技术领域
本发明一般涉及生物电化学设备(bioelectricchemicaldevice)并更具体地涉及细菌燃料电池。
背景技术
认为下列出版物代表本领域的目前状态:
MicrobialFuelCells:MethodologyandTechnology,BruceE.Logan等，Environ.Sci.Technol.，40(17)，5181-5192，2006；
MicrobialFuelCells-ChallengesandApplications,BruceE.Logan&JohnM.Regan,Environ.Sci.Tech.，40(17)，5172-5180，2006；
StefanoFreguia,KorneelRabaey,ZhiguoYuan,JurgKeller,Non-catalyzedcathodicoxygenreductionatgraphitegranulesinmicrobialfuelcells,ElectrochimicaActa，53，598-603，2007；
HongLiu等，Quantificationoftheinternalresistancedistributionofmicrobialfuelcells,Environ.Sci.Technol.，42(21)，8101-8107，2008；
美国公开专利申请号20070259217；以及
PCT公开专利申请号WO2010/049936。
发明内容
本发明寻求提供用于在废水处理中使用的改善的细菌燃料电池。
因此，根据本发明的一个优选实施方式提供了细菌燃料电池，包括与待处理液体液体连通(liquidcommunication)的至少一个正极和至少两个负极，该至少一个正极通过至少第一电绝缘垫片(spacer)和第二电绝缘垫片与该至少两个负极分离，并且该至少一个正极和至少两个负极越过外部负载进行电连接，并且该至少一个正极和至少两个负极通常与至少第三电绝缘垫片一起缠绕为大体螺旋结构。
根据本发明的一个优选实施方式，至少一个正极和至少两个负极是由柔性(可变形的，flexible)材料形成的。
优选地，在至少两个负极之间设置密封，借此将至少一个正极封闭在包括该密封和至少两个负极的围封(enclosure)内。
优选地，该电绝缘垫片包括塑料网。
优选地，该至少两个负极是透氧的(oxygenpermeable)。
优选地，将多个电输出接头(connection)沿着螺旋的长度分布。
根据本发明进一步优选的实施方式，至少一个正极和至少两个负极各自至少在金属电导体和待处理液体之间包括金属电导体和导电涂层，操作导电涂层以使液体和电导体彼此相互密封。
优选地，金属电导体包括涂覆的金属电导体并且该导电涂层包括在该金属电导体上形成的导电涂层。
优选地，具有至少两个负极中的至少一个的涂覆的金属电导体是透水的。
优选地，细菌燃料电池还包括在其表面上适合生物膜生长的至少一个导电表面，该导电表面与待处理液体液体连通并经由导电涂层与该金属电导体电连通。
优选地，导电涂层适合生物膜在其表面上生长，并且适合生物膜生长的至少一个导电表面是由叠加在该导电涂层上的结构限定的。
另外或者可替代地，适合生物膜生长的至少一个表面是由导电织物限定的，其中，该金属电导体包括涂覆的金属电导体并且该导电涂层包括在该金属电导体上形成的导电涂层。
优选地，导电织物包括碳。
根据本发明另一个优选实施方式，至少两个负极各自还包括邻近导电涂层的透氧的不透液层(oxygenpermeable,liquid-impermeablelayer)，并且将该透氧的不透液层暴露在含氧的气体中。
优选地，透氧的不透液层包括硅橡胶或包括包含聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯的微多孔膜(micro-perforatedfilm)。
根据本发明的又一个优选实施方式，金属电导体包括多孔平面元件。
优选地，至少两个负极中的至少一个包括附着层，并且该附着层优选包括塑料织物。
优选地，导电涂层包括导电塑料。
优选地，金属电导体包括铜或铝。
根据本发明的一个优选实施方式，一种废水处理装置包括多个细菌燃料电池，并且该多个细菌燃料电池以叠层结构(stackedconfiguration)设置。
优选地，多个细菌燃料电池液压串联连接。另外或者可替代地，多个细菌燃料电池液压并联连接。
另外或者可替代地，多个细菌燃料电池是电互联的(electricallyinterconnected)。
附图说明
结合附图，根据下面的详细描述将更充分地理解本发明:
图1A和图1B是根据本发明优选实施方式构造和操作的细菌燃料电池及其放大部分各自的简化图。
图2A和图2B是根据本发明优选实施方式构造和操作的用于图1A和图1B所示类型的细菌燃料电池的正极的两个可替代实施方式的简化放大图。
图3是根据本发明优选实施方式构造和操作的用于图1A和图1B所示类型的细菌燃料电池的负极的简化放大图。
图4是根据本发明优选实施方式构造和操作的使用图1-图3所示的多种类型细菌燃料电池的废水处理装置的简化图。
具体实施方式
现在参见图1A和图1B，其是根据本发明优选实施方式构建和操作的细菌燃料电池及其放大部分各自的简化图。
如图1A和1B所示，提供了细菌燃料电池100，包括正极102，其两侧为第一和第二负极104，各自与待处理液体如工业或市政废水106液体连通。正极102和负极104优选由柔性材料形成并优选与电绝缘垫片110一起缠绕为大体螺旋结构108。电绝缘垫片110的厚度限定了螺旋108的相邻层之间的间隔(间距，separation)，从而使得空气能够在其间流动，因此电绝缘垫片110还可以称为空气侧垫片(air-sidespacer)110。应当理解的是图1A所示的空气侧垫片110与螺旋108的相邻层之间的间隙仅是为了清楚说明的目而示出，因为事实上空气侧垫片110优选构成螺旋108的相邻层之间的整个间隔并且不存在另外的间隔。
优选地，负极104通过优选设置在负极104上缘和下缘的塑性焊接112封正极102，该塑性焊接112用于密封以及使正极102和负极104相互隔离。优选通过至少两个电绝缘垫片114将正极102与负极104等距离间隔。电绝缘垫片114限定了正极102和负极104之间的间隔，从而使得废水106在中心正极102和负极104的任一侧之间流动。因此，电绝缘垫片114还可以称为水侧垫片(water-sidespacer)114。
空气侧垫片110和水侧垫片114各自优选包括高柔性多孔网，根据系统的液压需求确定其厚度。具体地，使用相对较薄的垫片110和114提供了增加的每单位体积的活性表面积，从而使得该系统更紧凑，然而使用相对厚的水侧垫片114导致减少沿废水流动路径的结渣(堵塞，clogging)。考虑到这些因素，在废水106的常规预处理筛选过程后，通常可优选包括具有厚度在4-15mm范围内的垫片110和114，这提供足够大的表面积和对结渣足够低的敏感性。
优选经由电路118横穿外部负载116电连接正极102和负极104。优选沿螺旋108的长度分布多个电输出接头120。电输出接头120优选提供放电(currentdischarge)，借此使电阻和欧姆损失最小。
应该理解的是虽然在图1A和图1B所示的实施方式中仅显示了单一正极和两个负极，但是也可以包括更多的正极和/或负极。通过串联或并联连接多个螺旋108和/或通过使用具有多层正极和负极的螺旋，图1A和图1B所示的实施方式可以包括一个正极和两个负极的另外的组合。
包括正极102、负极104和介于其间的水侧垫片114的螺旋108可以通过卷对卷式(roll-to-roll)工艺法制造，该方法在本领域中是熟知的。接着可以将螺旋108与空气侧垫片110一起辊轧，如上文所述，其厚度限定了螺旋108相邻圈(turn)之间的间隔。
以连续卷(辊，roll)而不是如多个分立元件的形式生产正极102、负极104、空气侧垫片110和水侧垫片114显著地降低了生产成本并提高生产效率。此外，简化了螺旋108的维护和质量控制，因为螺旋根据需要可以简单地展开(unroll)以便纠正操作期间可能发生的任何不足。
在细菌燃料电池100的操作中，废水106在螺旋108的内端(innerend)经由入口122进入电池并且优选借助流量分布元件(flowdistributionelement)均匀分布。水侧垫片114用来维持废水的均匀分布并维持充足的湍流度。空气优选进入细菌燃料电池100的顶部并且向下流动通过电池。空气优选借助可以安装在细菌燃料电池100附近的风扇124或类似的通风装置横穿螺旋108均匀分布，并且空气侧垫片110用于维持空气的均匀分布并维持充足的湍流度。当废水106流过细菌燃料电池100时对其进行生物学处理以降低其有机物的浓度，下文将更详细地说明。经处理的废水在该螺旋108的外端(outerend)经由出口126流出并且优选将废气自由排放至大气中。优选将细菌燃料电池100封闭在圆柱形的围封(外壳，enclosure)128内。
应当理解的是也可以逆转上述废水流方向，废水106在螺旋108的外端进入该细菌燃料电池100并且经处理的废水在螺旋108的内端流出。
如在图1B中很清楚地看出，正极102和负极104各自优选包括多层结构，其包括由导电涂层包围的金属电导体。参见图1B中放大部分130可很好的理解正极102的结构。可以看出优选由铜或铝形成的金属导体132由导电涂层134包围。优选通过层积一对不透液（liquidimpermeable)导电塑料薄片形成导电涂层134以封闭金属导体132或通过将金属导体与导电塑料共挤出以形成圆形或带状电缆。优选地，导电塑料涂层由塑料如聚乙烯、聚丙烯或EVA或它们的组合形成，将其与导电粉末如碳和/或石墨粉混合，以产生经处理的涂覆金属的导电化合物。
优选在导电涂层134的外表面上支持生物膜生长。可选地在导电涂层134的至少一个外表面上设置生物膜生长支撑136。生物膜生长支撑136优选由非编织塑料或碳织物形成，并且还优选地起附着层的作用。
正极102的各种元件的典型厚度如下:
金属导体13220-200微米;
导电涂层13450-400微米;以及
生物膜生长支撑13610-50微米。
此外，参见图2A和图2B，其描述了正极102的两个可替代实施方式。在图2A的实施方式中，导体132优选是多孔平面元件的形式并通过其他参考标号指定，导电涂层134优选是导电塑料的薄片或薄膜的形式。在图2B的实施方式中，导体132优选是多孔平面金属元件140的形式，其所有的表面通过不透液导电涂层142涂覆，如放大部分144所示。基于碳的织物涂层134优选附着至导体132的任一侧。附着层和生物膜生长支撑层136优选由非织造塑料制成。
参见图1B中的放大部分150能够很好的理解负极104的结构。应该理解的是虽然放大部分150显示的是源自左手侧的负极104，但其中显示的结构同样适用于右手侧的负极104。可以看出优选由铜或铝形成的多孔金属导体152由导电涂层包围，该导电涂层优选通过用不透液导电塑料涂覆金属导体152并在具有导电层154的其朝向液体侧上嵌入该涂覆的金属导体。导电层154优选由导电多孔塑料形成，通过将塑料如聚乙烯、聚丙烯或EVA或它们的组合物与导电性粉末如碳和/或石墨粉混合而生产。可替代地，导电层154可以由基于碳的织物形成。
优选在涂覆的金属导体152和导电层154上支撑生物膜生长。可选地，在导电层154的至少一个外表面上提供附着层和生物膜生长支撑156。附着层和生物膜生长支撑156优选由非织造塑料织物形成。
不透液的透氧层158优选设置在涂覆的金属导体152的相对的、面向空气一侧，该不透液的透氧层158优选由硅橡胶或微多孔聚烯烃如聚丙烯或聚乙烯形成。不透液的透氧层158的外部可选地设置有附着层160，其典型地包括织造或非织造塑料织物如聚雕或聚丙烯，该附着层160用来增强负极104的结构。
放大部分150中所示的负极104的各种元件的典型厚度如下:
多孔涂覆的导体152100-600微米;
导电层15420-250微米;
生物膜生长支撑15610-50微米;
透氧的不透液层15820-500微米;以及
附着层16010-50微米。
另外参见图3，其描述了负极104的一个实施方式，如图3所示，多孔导体152包括多孔平面金属元件162，其所有表面部由不透液的导电涂层164涂覆，如放大部分166所示。
参见图1B的放大部分170能很好的理解细菌燃料电池100的操作。如放大部分170所示，表示为化学需氧量(COD)的废水106中的有机物，被通常存在于生物膜172中的电源性细菌(electrogenicbacteria)如地杆菌属和斯瓦尼菌属氧化，生物膜172优选由设置在正极102表面上的生物膜生长支撑136(放大部分130)支撑。
氧化产生二氧化碳(CO2)、质子和电子。质子通过废水106朝负极104扩散，电子由细菌提供至正极102，并从正极102经由电路118移动至负极104。
在负极104，大气中的氧(O2)渗透通过透氧层，如放大部分150中所示的层158。在导电塑料层的面朝废水的一侧，O2与质子和电子反应以产生水(H2O)。该反应通常需要优选由生物膜174提供的催化，生物膜174优选由生物膜生长支撑156(放大部分150)支撑，其优选设置在负极104的表面上。可以将用于氧化还原中催化或调解(mediation)的材料另外附着于生物膜支撑层156。
因此，理解图1-3中的细菌燃料电池的操作以提供电能和其中具有有机物质的液体的处理。
现在参见图4，其是根据本发明的优选实施方式构建和操作的采用多个图1-3中所示类型的细菌燃料电池的紧凑低能耗废水处理装置的简图。
如图4所示，紧凑低能耗废水处理装置400包括多个堆叠的模块化细菌燃料电池100，优选将细菌燃料电池100设置为限定其线圈之间大体垂直的气流通道402。
优选地，使细菌燃料电池100相互堆叠以便它们各自的垂直气流通道402相互对齐。废水通过废水供给歧管(多支管，manifold)404进入各个细菌燃料电池100，废水供给歧管404优选是模块化的，并且经处理的废水通过经处理的废水歧管406流出各个细菌燃料电池100，经处理的废水歧管406优选也是模块化的。
优选地，通过多个细菌燃料电池100的气流通道402的垂直气流是由风扇408产生的，风扇408可以通过直通连接至逆变器(invener)410的系统或由任何其它合适电源产生的电流供电。可替代地，通过加热或风可以实现充足的气流(draft)，可以完全或部分地避免使用风扇408。在图4示出的实施方式中，显示出各个堆叠的细菌燃料电池100是并联的。然而，应当理解的是它们可以替代为串联的。
优选地，将每一个细菌燃料电池100电连接至电源管理系统(PMS)412，PMS412依次与逆变器410电接触。在逆变器410处，多个PMS412可以以串联或并联组合，这取决于系统的电需求。
因此，应当理解的是多个细菌燃料电池100可以以串联和/或并联进行液压互连和电互联。还应当理解的是多个装置400可以以串联或并联相互连接，这取决于废水和处理需求的性质。并联液压互连提高了可以处理的废水的体积，而串联液压互连提高了经由处理的净化程度。类似地，并联电互联提供了增加的电流输出，而串联电互联提供了增加的电压输出。应当注意的是不管它们是电连接或相反，都可以实施燃料电池的液压互连。
本领域技术人员应当理解的是并未将本发明限制于上文已经特别示出和描述的内容。相反地，本发明的范围包括上文所述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读上述说明书后能够想到且不属于现有技术的其修改和变化。
Claims (26)
1.一种细菌燃料电池，包括：
与待处理液体液体连通的至少一个正极和至少两个负极，所述至少一个正极通过至少第一和第二电绝缘水侧垫片与所述至少两个负极分离，并且所述至少一个正极和所述至少两个负极越过外部负载电连接；并且，所述至少一个正极和所述至少两个负极与至少第三电绝缘空气侧垫片一起缠绕为大体螺旋结构，所述空气侧垫片提供螺旋的相邻层之间的间隔，螺旋的层由至少一个正极和它的侧面负极限定；其中，
所述空气侧垫片具有的厚度允许在所述螺旋的层之间的大体垂直的气流通道；并且所述水侧垫片限定所述正极和所述侧面负极之间的所述待处理液体流过的间隔；并且其中，
在所述至少两个负极之间设置密封，借此将所述至少一个正极封闭在包括所述密封和所述至少两个负极的围封内。
2.根据权利要求1所述的细菌燃料电池，其中，所述至少一个正极和所述至少两个负极是由柔性材料形成的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的细菌燃料电池，其中，电绝缘垫片包括塑料网。
4.根据权利要求1所述的细菌燃料电池，其中，所述至少两个负极是透氧的。
5.根据权利要求1所述的细菌燃料电池，其中，多个电输出接头沿着所述螺旋的长度分布。
6.根据权利要求1所述的细菌燃料电池，其中，所述至少一个正极和所述至少两个负极各自包括：
金属电导体，以及
导电涂层，至少在所述金属电导体和所述待处理液体之间，操作所述导电涂层以使所述液体和所述电导体彼此相互密封。
7.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述金属电导体包括涂覆的金属电导体，并且所述导电涂层包括在所述金属电导体上形成的导电涂层。
8.根据权利要求7所述的细菌燃料电池，其中，所述至少两个负极中至少一个的所述涂覆的金属电导体是透水的。
9.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，包括适于生物膜在其上生长的至少一个导电表面，所述导电表面与所述待处理液体液体连通并经由所述导电涂层与所述金属电导体电联通。
10.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述导电涂层在其表面上适于生物膜生长。
11.根据权利要求9所述的细菌燃料电池，其中，适于生物膜生长的所述至少一个导电表面是由叠加在所述导电涂层表面的织物限定的。
12.根据权利要求9所述的细菌燃料电池，其中，适于生物膜生长的所述至少一个导电表面是由导电织物限定的，其中，所述金属电导体包括涂覆的金属电导体，并且所述导电涂层包括在所述金属电导体上形成的导电涂层。
13.根据权利要求12所述的细菌燃料电池，其中，所述导电织物包括碳。
14.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述至少两个负极中的每一个包括邻近所述导电涂层的透氧的不透液层，所述透氧的不透液层暴露于含氧气体中。
15.根据权利要求14所述的细菌燃料电池，其中，所述透氧的不透液层包括硅橡胶。
16.根据权利要求14所述的细菌燃料电池，其中，所述透氧的不透液层包括含有聚烯烃的微多孔膜。
17.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述金属电导体包括多孔平面元件。
18.根据权利要求1所述的细菌燃料电池，其中，所述至少两个负极中的至少一个包括附着层。
19.根据权利要求18所述的细菌燃料电池，其中，所述附着层包括塑料织物。
20.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述导电涂层包括导电塑料。
21.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述金属电导体包括铜。
22.根据权利要求6所述的细菌燃料电池，其中，所述金属电导体包括铝。
23.一种废水处理装置，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的细菌燃料电池，其中，多个所述细菌燃料电池以叠层结构设置。
24.根据权利要求23所述的废水处理装置，其中，多个所述细菌燃料电池是液压串联连接的。
25.根据权利要求23所述的废水处理装置，其中，多个所述细菌燃料电池是液压并联连接的。
26.根据权利要求23-25中任一项所述的废水处理装置，其中，多个所述细菌燃料电池是电互联的。
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