CN104919636A - 微生物燃料电池和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了能够从基于有机燃料产生能源的微生物燃料电池的实施方案。所述微生物燃料电池包括阳极组件、阴极组件和隔膜组件，选择所述隔膜组件以减少阳极和阴极之间的间距从而提高微生物燃料电池的性能。本文还公开了包括特殊组件的阴极组件，所述特殊组件在降低的成本下提高阴性组件的寿命、性能和生产。进一步公开了已公开微生物燃料电池的使用方法的实施方案。

Description

微生物燃料电池和使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的申请号为61/790,195的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
发明领域
本公开涉及微生物燃料电池并且使用所述燃料电池的方法也在本文进行公开。
政府支持感谢
本发明是在美国国家科学基金会授予的CBET0955124和IIP1265144的政府支持下做出的。政府在本发明中享有某些权力。
背景技术
化石燃料的有限储量和对减少温室气体排放不断增长的压力已经产生了对替代能源的迫切需要。在美国和其它发达国家，废水处理占了约3％的电能消耗。据估计废水包含的能源为目前现代废水处理厂用于处理水所消耗能源的9.3倍的量那么多。微生物燃料电池(MFC)技术使用微生物来催化从可生物降解有机物直接发电，在处理废水的同时提供了用于从废水产生能源的全新方法。MFC技术在将废水处理从耗能过程转化为净能源产生过程上具有广阔前景，因此大幅度提高对废水处理和再利用的能源可持续性。
单室空气-阴极微生物燃料电池(MFC)在许多实际应用上较双室系统提供了很大优势，因为1)可以使用被动空气因此不需要曝气，2)不需要阴极电解液的循环或化学再生，因此操作简化，和3)更小的电池体积，因此容易实现更高的体积功率密度。此外，空气-阴极MFCs缺乏质子交换膜(PEM)，由于其低成本、结构简单和相对大的功率密度而具有广阔前景。然而无膜MFCs呈现两个主要挑战：(1)当使用混合培养物时由于氧气扩散穿过阴极而消耗基质，库仑效率比含有膜的MFCs低得多；和(2)由于氧气对阳极上厌氧菌活性的潜在负面影响以及短路的风险，在无膜MFC中阳极和阴极距离被局限于某一范围(大约1-2cm)。相对大的电极间距不仅增加内电阻，也限制了体积功率密度。
常规MFC的另外的限制是单一MFC的输出电压通常低于0.8V，并且在最大输出功率下时常低于0.3V。如此低的输出电压大大限制了MFCs的应用。在常规方法中，输出电压通过将几个MFC连同导体或集电器串联地连接而增加。然而，所述串联连接时常导致诸如电压反转和电压转换等问题，其大大地减少了MFC堆的整体性能。在本领域使用的另外的解决方案是使用DC/DC转换器来增高电压。但是，这种方法不仅增加了MFC堆的复杂性还因此降低其可靠性，而且因为在转换过程中失去很大一部分能源而减少总效率。此外，大的MFC堆仍需要集电器，其不仅增加MFC堆的总成本和尺寸，而且减少了MFC的可靠性和寿命。
发明内容
本文公开了微生物燃料电池的实施方案，所述微生物燃料电池包含阳极组件、阴极组件和配置以减少内电阻和抵抗生物降解的隔膜组件。所述阳极组件和阴极组件与隔膜组件相关联并且可能是直接接触，或者通过另外的组件与隔膜组件相连。
所述隔膜组件是织物或非织物(woven or non-woven fabric)，其包含亲水性纤维、疏水性纤维或它们的组合。所述亲水性纤维通常选自聚丙烯(polypropylene)、人造纤维(rayon)、粘胶纤维(viscose)、醋酸纤维(acetate)、棉、尼龙和它们的组合。所述疏水性纤维通常选自聚酯(polyester)、腈纶(acrylic)、变性腈纶(modacrylic)和它们的组合。在具体公开的实施方案中，所述织物包括构成织物约1％至约100％的疏水性材料，诸如约1％至约90％，或约1％至约80％，或约1％至约70％。在其它公开的实施方案中，所述织物包含聚丙烯。在具体公开的实施方案中，所述织物包含混合聚酯和醋酸纤维、人造纤维或棉。
所述隔膜组件可以被配置为通过提供一个或多个在隔膜组件内的开口以允许气体通过所述隔膜组件而减少内电阻。
所述阴极组件包含催化剂，在具体公开的实施方案中其为活性炭粉末。所述阴极组件可进一步包含粘合剂。所述粘合剂被配置为足够的亲水性以便提供改良的质子运输以及配置为足够的疏水性以便提供改良的空气/氧气运输。在具体公开的实施方案中，所述的亲水性粘合剂包含一个或多个官能团，其选自羟基、氨基、巯基和它们的组合。某些实施方案涉及的亲水性粘合剂为碳水化合物，其选自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它们的组合。粘合剂的示例性实施方案选自亲水性组分，诸如脱乙酰壳多糖、脱乙酰壳多糖衍生物、葡萄糖胺、葡萄糖胺衍生物；疏水聚四氟乙烯(PTFE)和聚二甲硅氧烷(PDMS)；以及它们的组合。
所述阴极组件可进一步包含催化剂增强剂。选择所述催化剂增强剂以提高阴极组件的电导率和减少电阻损失。在具体公开的实施方案中，所述催化剂增强剂是炭黑和/或石墨粉。另外公开的实施方案中，所述阴极组件包含基础材质。所述基础材质是气体扩散层，并且其可选自碳纸、碳布、不锈钢布、不锈钢网和它们的组合。但是在其它实施方案中，所述阴极组件可进一步包含涂层材料，诸如聚四氟乙烯、聚二甲硅氧烷(单独或与固化剂联合)或它们的组合。
在具体公开的实施方案中，所述催化剂和催化剂增强剂作为组合物结合使用。所述组合物包含大约50％至约99％的催化剂和约1％至约50％的催化剂增强剂。在某些实施方案中，所述组合物包含约60％至约99％，约70％至约99％，约80％至约99％，或约90％至约99％的催化剂和约1％到约40％，约1％至约30％，约1％至约20％，或约1％至约10％的催化剂增强剂。
所述微生物燃料电池可包含一根或多根电线。所述的一根或多根电线是导电的且通常是钛丝。所述微生物燃料电池也可以包含一个或多个终板，并且在具体公开的实施方案中，其包含至少一个入口和出口。所述微生物燃料电池可与本文所提供的一个或多个另外的微生物燃料电池在串联或并联方向连接。
本文还公开了串联连接的微生物燃料电池系统，其包含两个或更多的基础材质电气性连接片段，被配置作为阳极组件和阴极组件、隔膜组件，并且在没有集电器组件或转换器组件的情况下，配置其中所述的基础材质和隔膜组件以将基于有机的燃料转换为能源。所述两个或更多的基础材质电气性连接片段通过允许基础材质的两个不同片段之间的物理重叠而被提供。在具体公开的实施方案中，所述基础材质的两个或更多的电气性连接片段包含不同的基础材质组件。每一个所述不同的基础材质组件选自碳纸、碳布、不锈钢布、不锈钢网和它们的组合。但是在其它的实施方案中，基础材质的单一连续薄片被用于提供基础材质的两个或更多的电气性连接片段，以及作为阳极组件的基础材质的一部分和作为阴极组件的基础材质的独立部分。在这样的实施方案中，所述基础材质单一连续薄片是碳布、碳纸或它们的组合。在具体公开的实施方案中，被配置作为包含处理具有催化剂、粘合剂、粘合剂增强剂或它们的组的基础材质片段的阴极组件。
本文也公开的是包含基础材质、涂层、催化剂和粘合剂的阴极组件，如本文所公开的所述粘合剂被配置足够的亲水性以便提供改良的质子运输以及配置足够的疏水性以便提供改良的空气/氧气运输。在具体公开的实施方案中，所述的催化剂和粘合剂用作在涂覆有涂层材料的基础材质上的膜层。在具体实施方案中所述催化剂和粘合剂层使用除加热外的方法干燥(例如：用空气或惰性气体干燥，诸如通过允许组件暴露在空气/惰性气体环境下，或在组件上肯定地流动空气/惰性气体)。所述的催化剂可经过磷酸和硝酸预处理。在具体公开的实施方案中，所述催化剂可经过FeCl3、CoCl2、EDTA、EDA、氨腈或它们的组合进行处理。所述亲水性粘合剂可以被功能化，诸如使用选自戊二醛、聚(乙二醇)、柠檬酸乙二醛、表氯醇和它们的组合的交联剂。
本公开也涉及产生能源的方法，其包括提供本文所公开的微生物燃料电池，引入基于有机的燃料到微生物燃料电池，并且从基于有机的燃料中分离能源。在具体公开的实施方案中，所述的基于有机的燃料选自废水，基于有机的液体和它们的组合。所述的废水可由食物或饮料加工，或市政水源产生。
在具体公开的实施方案中，所述基于有机的燃料通过微生物燃料电池的入口引入到微生物燃料电池。来自所述基于有机的燃料的电子和质子可从燃料中分离和隔离出，并通过电线组件或者通过隔膜组件传到微生物燃料电池的阴极组件，其中所述的电子和质子重组以形成水。在具体公开的实施方案中，所述方法在大气压下执行，或在增加的压力下以保持其中所产生的任何CO2在液体状态下。所述方法也可进一步包括通过测定由微生物燃料电池提供的功率密度来监测微生物燃料电池的性能，以及通过调节一个或多个操作条件来改进微生物燃料电池的性能。在具体公开的实施方案中，调节一个或多个操作条件的行为包括通过给予微生物燃料电池内压缩空气以增加微生物燃料电池内的氧浓度。在其它的实施方案中，调节一个或多个操作条件的行为包括调节微生物燃料电池的温度。所述调节温度的行为也可包括在约4℃至约100℃，或在约25℃至约80℃的温度下操作微生物燃料电池。在另外的实施方案中，调节一个或多个操作条件的行为包括调节微生物燃料电池的pH条件。所述pH值可调节至具有pH值范围从约7至约14模拟碱性条件，诸如约7至约13，约7至约12，约7至约11，或约7至约10。在其它实施方案中，所述pH值可被调节至PH值范围从约1至约7，约2至约7，约3至约7，或约4至约7的模拟酸性条件。
本发明的上述内容和其它的对象、特征和优点将从下面的详细描述将变得更加明显，其参照附图进行。
附图说明
图1是阐明了功率密度(实方阵)和总电流(开环)读数的图，所述功率密度和总电流读数从本文所公开的微生物燃料电池(MFC)的具体实施方案中得到。
图2是公开的微生物燃料电池组件具体排列的分解透视图。
图3是公开的包括各种组件及其组装的微生物燃料电池的具体实施方案的分解透视图。
图4是用于测试公开的微生物燃料电池实施方案的具体MFC装配的图解。
图5是本文所公开的串联连接的微生物燃料电池的实施方案的原理图。
图6是阐明从公开的微生物燃料电池的具体实施方案产生的数据而获得的极化曲线图。电压值用实心三角形表示，且功率密度值用开环表示。在图形内还阐明了指示用于计算内电阻的极化曲线部分的线性拟合。
图7是阐明从本文公开的阳极生物膜的耐氧测试所获得结果的图形。
图8是阐明水力停留时间对功率密度和库伦效率的影响的数据图。
图9是阐明水力停留时间对PH值和醋酸盐消耗的影响的数据图。
图10是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案涉及常规的基于Pt的阴极(A)，基于PAC的阴极(其中利用加热应用PAC催化剂(B))，和基于PAC的阴极(其中不利用加热应用PAC催化剂(C))。
图11是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案涉及常规的Pt基的阴极(A’)，仅包含PAC催化剂的阴极(B’)，和包含PAC和炭黑混合物的阴极(C’)。
图12是阐明根据本文公开的各种不同实施方案的阴极的线性扫描伏安法的图形。所述图形与从实施方案中获得的结果相比较，其中所述实施方案涉及传统的Pt基的阴极(A”)，使用PTFE作为粘合剂的PAC基的阴极(B”)，和使用脱乙酰壳多糖作为粘合剂的PAC基的阴极(C’)。
图13是阐明通过串联连接MFC组的顶部反应器产生的数据而获得的极化曲线图形，所述MFC组加入(fed with)0.1M的磷酸盐和0.1M的醋酸盐溶液。
图14是阐明通过串联连接MFC组的底部反应器产生的数据的极化曲线图，所述MFC组加入0.1M的磷酸盐和0.1M的醋酸盐溶液。
详细说明
I.简介
如下描述在本质上具有示范性并且不意旨以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。本文所描述的对描述的实施方案在要素的功能和排列上做出各种改变，其没有背离本发明的范围。此外，提供的与一个具体的实施方案相联系的说明书和公开内容并不限制于该实施方案，并且可应用于公开的任何实施方案。
如该申请和权利要求所使用的，单数形式“一个(a)，”“一个(an)，”和“这个(the)”包括复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包含(includes)”意为“包含(comprises)”。并且术语“耦合的”和“关联的”通常意味着电力地、电磁地、和/或物理地(如机械地或化学地)耦合或连接，并且在没有特定的相反语言下不能排除耦合或关联项之间中间要素的存在。
为了方便演示，尽管公开方法的示例性实施方案的操作可以特定顺序描述，但是应该理解的是所公开的实施方案可包含除公开的特定顺序外的操作顺序，除非上下文另有指示。例如，在某些情况下按顺序描述的操作可同时重排或完成。此外，提供的与一个具体的实施方案相联系的说明书和公开并不限制于该实施方案，并且可应用于公开的任何实施方案。
CE：库伦效率
CEA：布电极装置
COD：化学需氧量
MFC：微生物燃料电池
PAC：活性炭粉末
PD：功率密度
II.微生物燃料电池
本文公开了用于基于有机的燃料转换为能源的微生物燃料电池(MFC)的实施方案。在具体公开的实施方案中，所述的微生物燃料电池是适合于直接从基于有机的燃料发电的微生物燃料电池。所述微生物燃料电池包括一个或多个组件，其有助于将基于有机的燃料转换为电力的能力。
微生物燃料电池的一个公开实施方案包括适用于分离阳极和阴极组件，适用于提供减少这两个组件之间的距离能力的隔膜组件。减少这些组件之间的距离减小内电阻并且提高由微生物燃料电池产生的功率和体积功率密度。在微生物燃料电池领域，阴极被广泛认为是限制空气-阴极MFC性能的关键因素，即使当铂被用作催化剂。然而，膜和/或电解液常常对内电阻贡献最多。例如，电解液可以为共同的空气阴极贡献约78.2％的内部阻力，单室MFC(1.7cm阳极-阴极间距，50mM的磷酸盐缓冲液)。相比之下，阴极和阳极分别仅贡献了19.5％和2.2％。提高这类MFC性能的有效途径是降低电解液的电阻，其可以通过减少阳极-阴极间距和/或增加的pH缓冲液的浓度达到。
减小电极间距(例如，阳极-阴极间距)可以按比例减少特定区域的电解液电阻并且转而减小内电阻，因此提高MFC的性能。此外，降低电极间距可以增大电极的表面积/体积比，并且转而增大最大体积功率密度。然而，短路和/或增加的氧扩散的电势常常限制无膜MFC的最小电极间距至约1-2cm，这仍然是太大来保持低电解液电阻。膜电极组(MEA)是一个在PEM燃料电池中使用的夹层结构，相比其它设计其可以有效地减小电极间距和加强MFC的性能。然而，阳离子交换膜(CEM)的内含物，诸如Nafion 117在中性pH条件下给予它的高特定区域电阻可能是不利的，其可能是约3000Ωcm2和贡献双室MFC总内电阻的38-86％，。对MFC中的CEM的高电阻的主要原因是中性的pH值条件，或极低的质子浓度。CEM阻碍质子载体扩散(磷酸盐和/或碳酸氢盐)，导致高的跨膜pH梯度和阻力。所公开的隔膜组件提供了克服许多这些问题的能力。
在具体公开的实施方案中，隔膜组件可以提供微生物燃料电池快速启动的能力。隔膜组件还可提供高功率密度，高库仑效率和高能源效率的能力。
通过包括公开的隔膜组件的微生物燃料电池的实施方案提供的功率密度的范围从约2W m-2至约6W m-2隔膜；通常从约1W m-2至约5W m-2；更通常从约2W m-2至约4.5W m-2。在示例性实施方案中，最大功率密度约为4.3Wm-2。
在某些实施方案中，所述包括公开的隔膜组件的微生物燃料电池隔膜可提供范围从约10％至约100％的库伦效率；通常从约50％至约100％；更通常从约60％至约100％。在示例性实施方案中，所述微生物燃料电池产生的库仑效率为约74％至约98％。
隔膜材料还给微生物燃料电池提供了达到能源效率在范围从约5％至约40％的最大功率的能力；通常从约15％至约35％；更通常所述能源效率大于21％。
在具体公开的实施方案中，隔膜组件是一个织物材料。所述织物的材料可以是包括一个或多个开口适用于释放当使用微生物燃料电池时产生的副产品的织物或非织物，多孔织物。例如，非织物可以包括一个或多个开口其允许阳极和阴极组件之间产生的气体(诸如CO2和CH4)被释放。这些开口提供防止阳极和阴极组件之间的空间增加的能力，从而降低微生物燃料电池的性能。在具体公开的实施方案中，所述开口可以线性槽的形式，其可能是单一的槽或可能在一点或多点相交(例如，形成一个“+”)。当以线性槽的形式时，每个开口可具有足够的尺寸以允许气体通过。在具体公开的实施方案中，所述开口可具有尺寸范围从约0.5cm至约3cm；诸如约0.5cm至约2.5cm；约0.5cm至约2cm；从约0.5cm至约1cm。示例性实施方案涉及一个或多个1cm×1cm的槽。在具体公开的实施方案中，所述开口可以是圆的和以圆形的、椭圆的形式，或其它类似的形状。所述圆的开口可具有的直径范围从约0.1至约1cm，诸如约0.1cm至约0.75cm，或约0.1cm至约0.6cm，或约0.1cm至约0.5cm，或约0.1cm至约0.4cm。在具体公开的实施方案中，所述圆的开口是圆形的并且直径约为0.3cm。
公开的织物可以包括亲水性和/或疏水性纤维、聚合物等等。在具体公开的实施方案中，所述织物实质上由亲水性纤维制成；然而，本公开的特点是由于高性能和长期稳定性是期望得到的特征，织物不会很快降解。本领域所知的可生物降解的织物材料(诸如J-织物)随着时间的推移而降解，所以它单独不适合形成耐用的隔膜。因此，所述织物通常不是仅由生物降解材料制成，公开的隔膜组件是耐用的并且不会随着时间的推移而降解(例如，耐用超过约1年至约10年)。
在具体公开的实施方案中，所述织物可包括亲水性和疏水性材料的混合物。亲水性材料包括但不限于，聚丙烯，人造纤维，粘胶纤维，醋酸纤维，棉，尼龙等等。疏水性材料包括但不限于，聚酯，丙烯酸，变性腈纶等等。所述织物成分可包括一个或多个任何适当量的这些不同材料。在具体公开的实施方案中，所述织物成分包括范围从1％至约100％的量的疏水性材料，诸如约1％至约90％，或约1％至约80％，或约1％至约70％。所述织物成分可进一步包括一个或多个不同的疏水性或亲水性材料，其量的范围从约99％至小于约1％。示例性的实施方案涉及包括100％聚丙烯的织物成分，或包括混合聚酯和醋酸纤维、人造纤维或棉的织物成分。
在具体公开的实施方案中，所述织物成分可以被配置为具有允许阳极和阴极组件的适当间隔留出余地的厚度。例如，所述织物成分可具有的厚度范围从约0.01mm至约10mm；更通常从约0.1mm至约5mm；甚至更通常从约0.1mm至约1mm；甚至更通常从约0.1mm至约0.5mm。示例性的实施方案涉及具有厚度约为0.3mm的织物成分。所述织物成分可包括单层或多层的织物材料。如果使用多层，那么这些层在一起具有本文规定的厚度。
所述隔膜组件可放置在阳极和阴极组件之间以适于保持分离的任何位置。可使用把隔膜组件连接于阳极、阴极或者两个组件的任何合适的方法。在具体公开的实施方案中，使用适合保持组件在一起的方法将所述隔膜组件连接于阳极或阴极，诸如使用胶料，并且将阳极或阴极与隔膜组件缝纫或编织在一起。所述胶料可以应用于部分，或整个隔膜组件，并且可应用于隔膜组件的一侧或两侧。在具体公开的实施方案中，如本文所公开的，阳极可以是碳布，因此可以通过诸如缝纫和或编织组件在一起的方式物理连接隔膜组件。
微生物燃料电池的阳极组件可包括生物膜。所述生物膜是实质上覆盖了阳极组件的膜，并可包括能够将电子从物质转移到其它组件的细菌(或微生物)。在具体的实施方案中，所述生物膜可包括特定比率的细菌成分，其提升生物膜产生高电流的能力。可使用本领域所知方法将生物膜应用于阳极，诸如通过将微生物或细菌手动应用于阳极，或引发微生物或细菌的生长，或通过允许基于有机的燃料经过阳极组件从而促进细菌在阳极组件上累积。常规的生物膜在厌氧条件下运行；然而，本文所公开的生物膜耐氧，如图1证明。如图1所示，通过直接抽气(例如以速度20mL min-1)到微生物燃料电池中对公开的实施方案的微生物燃料电池的性能没有显著影响。图1进一步说明了对公开的实施方案中的功率密度在空气泵停止后迅速恢复。
由于使用耐氧生物膜，在微生物燃料电池中增加氧气浓度的能力可抑制甲烷生成，硫酸盐还原和水生成。在示例性实施方案中使用公开的微生物燃料电池，在持续大约63天的运转时期内没有检测到甲烷或氢气。
本文所公开的阳极组件和阴极组件都可以使用任何合适的导电材料构成。通常选择的阳极材料促进细菌生长和粘附。所述阳极和/或阴极组件可由导电金属制成或涂覆，所述导电金属选自但不限于，银，金，不锈钢，钛，钴，钨和它们的合金。所述阳极和/或阴极组件可包含导电聚合物或导电碳。此外，所述阳极和/或阴极组件可以是分层的，含有本文所公开的相同或不同的材料区域。任何适当数量的阳极和阴极组件可用于公开的微生物燃料电池。在具体公开的实施方案中，阳极和阴极的数量相等，但本公开内容不局限于这些实施方案。例如，可使用一个阳极和多个阴极，或使用多个阳极和一个阴极。
在具体公开的实施方案中，阴极由基础材质制成，诸如本文所公开的那些，并且可包括催化剂。用于燃料电池的铂催化剂是本领域已知的；然而这些催化剂价格昂贵，因此导致了常规燃料电池的整体高成本。公开的催化剂说明了在微生物燃料电池内发生氧还原反应的高催化活性。所述催化剂可与其它组分的结合使用，诸如粘合剂，基础材质，涂层材料和一种或多种催化剂增强剂。在具体公开的实施方案中，所述催化剂是选择包括微小颗粒和具有高导电性的材料。例如，所述催化剂可包括具有平均直径范围从约0.01mm至约0.5mm左右的微粒；更通常从约0.05mm至约0.4mm；更通常从约0.1mm至约0.25mm。催化剂的示例性实施方案包括活性炭粉末，其可包括石墨粉，或可由竹材，煤炭，硬木或椰子制成。在一些实施方案中，所述的活性炭粉末是由竹子制成的。
为了提高性能，可进一步处理催化剂。在具体公开的实施方案中，为了降低灰分含量，用酸处理所述催化剂。在示例性实施方案中，所述催化剂用磷酸处理。在其它实施方案中，所述催化剂用酸处理以提高亲水性。例如，硝酸可用于处理催化剂并提供更多的亲水性催化剂。在其它实施方案中，所述催化剂可经适当的试剂处理以引入另外的元素，提高催化剂促进氧化还原反应的能力。例如，通过曝光和/或用试剂处理催化剂可在催化剂中添加如Fe，Co和氮元素，所述试剂选自硝酸、FeCl3、CoCl2、EDTA、EDA、氰胺和它们的组合。在示例性实施方案中，所述催化剂是经过浓硝酸处理的活性炭；经Fe/Co EDTA处理的活性炭；经Fe/Co EDA处理的活性炭；经FeCl3和氰胺处理的活性炭或经CoCl2和氰胺处理的活性炭。
添加的粘合剂不仅结合所述催化剂，而且也可以是能够提高阴极性能的试剂。例如，所述粘合剂可以是含有一个或多个官能团的化合物，所述官能团促进粘合剂的亲水性和离子交换能力。通常用于微生物燃料电池的合适的粘合剂可以是非离子的以促进电荷转移并且在中性pH条件下稳定性能。另外，粘合剂的亲水性提高阴极的电化学反应，并且从而增加功率密度。
仅仅通过举例的方式，所述粘合剂可以包括一个或多个官能团，其选自羟基，氨基，巯基或它们的组合。在具体公开的实施方案中，所述粘合剂具有足够的亲水性以便提供改进的质子运输。在具体公开的实施方案中，所述粘合剂可选自碳水化合物，诸如糖、二糖，或多糖、或黏多糖。示例性的粘合剂的实施方案包括但不限于，脱乙酰壳多糖，葡萄糖胺和它们的组合及衍生物。在其它公开的实施方案中，所述粘合剂可以是本文所公开的任何涂层材料。在这样的实施方案中，所述粘合剂可选自脱乙酰壳多糖，PTFE，PDMS及其组合。
为了降低结晶度所述粘合剂可交联，从而提高阴极的性能和稳定性。例如，所述粘合剂可以与适合与官能团耦合的一个或多个交联剂交联，诸如胺和/或羟基的反应化合物。示例性的交联剂包括但不限于，戊二醛，聚(乙二醇)，柠檬酸，乙二醛，表氯醇以及它们的组合。
催化剂可结合除粘合剂外的组分。一个组分是基础材质。所述基础材质通常可选自适合作为气体扩散层的任何材料，诸如碳纸、碳布、不锈钢布、不锈钢网和它们的组合。在具体公开的实施方案中，所述基础材质可适合用作阳极和/或阴极组件本身。例如，在实施方案中，其中一个或多个微生物燃料电池串联连接，所述基础材质作为阳极和/或阴极组件。
本文还公开了一种涂层材料，其可用于封装催化剂、粘合剂、基础材质和催化剂增强剂的任意组合。在具体公开的实施方案中，所述涂层材料是一种防水涂层。示例性的涂层材料包括聚四氟乙烯(PTFE)，聚合硅氧烷化合物(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，它可以单独使用或与固化剂结合使用)，或它们的组合作为涂层材料。在一些实施方案中，所述涂层材料是防水涂层，其包含PDMS(单独或与固化剂结合)；这种涂层材料可以在环境温度或高于环境的温度下固化，诸如温度范围从约30至约200℃(例如，约50℃至约180℃，或约100℃至约170℃)。PDMS的实施方案是有用的替代品，其中需要两层以上PTFE涂层以保持高水压(例如，2米的水压)，并且进一步包括在高温下固化或烧结涂层(例：诸如大于约200℃至约400℃)。
包括PDMS化合物的涂层材料也可与催化剂增强剂混合以形成催化剂的导电、防水、吸气式基本层。混合比例可为约1∶10至约10∶1。在使用这种涂层材料的实施方案中，该装置不需要包括碳布基本层。但是在其它的实施方案中，所述涂层材料与不锈钢网或布层(诸如聚丙烯非织物)一起使用以提高涂层的导电性和/或物理强度。图2说明了微生物燃料电池各种组件的分层特征如何结合的实施方案。公开的装置可以包括催化剂层(20)，包括涂层材料的导电涂层(22)，可选的不锈钢网(24)和可选的布层(26)。这些组件可以任意合适的布置方式排列，包括将催化剂层(20)与导电层(22)结合；将催化剂层(20)与导电层(22)和不锈钢网(24)结合；将催化剂层(20)与导电层(22)和布层(26)结合；或如图2所示的顺序结合所有四个组件。
在某些实施方案中，包括聚合硅氧烷化合物的涂层材料可与固化剂结合，按测量重量5∶1至100∶1的比例混合。示例性的聚合硅氧烷通常可包括至少60％的二甲基硅氧烷(二甲基乙烯基-封端)，从约30％至约60％二甲基乙烯化和三甲基化的二氧化硅，和约1％至约5％的四(三甲基硅烷氧基)硅烷；至少60％的二甲基硅氧烷(二甲基乙烯基-封端)和从约30％至约60％二甲基乙烯化和三甲基化的二氧化硅；或它们的组合。示例性固化剂包括但不限于，约40-70％的二甲基、甲基氢硅氧烷；约15-40％二甲基硅氧烷(二甲基乙烯基-封端)；约10-30％二甲基乙烯化和三甲基化的二氧化硅；约1-5％四甲基四乙烯基环四硅氧烷；或它们的组合。示例性的涂层材料是DowCorning公司的Sylgard 184硅树脂，Sylgard 527等等。不同的涂层材料也可以混合在一起以达到更好的氧渗透性。仅仅通过举例的方式，DowCorning公司的Sylgard 184和Sylgard 527可从10∶1至1∶10的比例混合，相比未混合实施方案以提供增加的强度、氧渗透性和增加水压耐受性的混合涂层材料。
所述涂层材料可在室温下固化适当的时间(例如，至少2至约24小时)或可在高于室温的温度下使用适当的凝结系统固化更短的时间。在某些实施方案中，可使用Sn基固化系统和/或室温硫化(RTV)系统。在这些实施方案中，烷氧基交联剂可以暴露于环境湿度或水中从而促进烷氧基水解以提供羟基。然后所述羟基可以与硅酮聚合物的羟基缩合。
所述涂层材料可应用于基础材质，然后添加催化剂和粘合剂。在具体公开的实施方案中，所述粘合剂和催化剂可应用于基础材质，该基础材质上可覆盖或不覆盖涂层材料。可使用加热连接这些组件，或不加热连接这些组件。
催化剂增强剂用于改善催化剂性能。例如，选择的催化剂增强剂以提高导电性，从而减少阴极电阻损失。催化剂增强剂的具体公开的实施方案包括炭黑和/或石墨粉。在具体公开的实施方案中，将催化剂和催化剂增强剂组合在一起作为组合物使用。例如，所述组合物可包括从约50％至约100％的催化剂，诸如约50％，约60％，约70％，约80％，约90％，约95％或约99％；并且所述催化剂增强试剂可组成约1％至约50％的组合物，诸如约1％，约5％，约10％，约20％，约30％，约40％或约50％。
所公开的隔膜组件可与本文公开的任何一个或多个组件相结合。例如，在阴极制作过程中，所述隔膜组可与包括催化剂和粘合剂的层相结合。所述隔膜组件可使用粘合剂试剂与催化剂的层相连接。
所公开的微生物燃料电池也可包括一个或多个终板、一根或多根电线、和一个或多个入口/出口组件。所述终板通常是适合于支持一起的多个组件的塑料终板。本文公开的电线可作为创建较大接触面积的集电器，并可能减少内电阻。所述电线通常由一种材料组成，该材料能够收集来自于微生物燃料电池的阳极/阴极组件的电流。在具体公开的实施方案中电线是钛丝，其可形成任何合适的形状，诸如提供增加的与阳极和/或阴极组件接触表面面积并且减少电线与阳极和/或阴极组件上任意一点之间的最大距离。示例性实施方案涉及使用U形钛丝。所述入口/出口组件通常配置成以允许基于有机的燃料输入和/或输出通过微生物燃料电池(参见图3，其阐明了入口30和出口32)。
III.微生物燃料电池组装
微生物燃料电池包括至少一个明显的电极装配，所述电极装配包括本文所公开的阳极组件、阴极组件、两个终板，一个或多个入口/出口，两根电线和至少一个隔膜组件。图3说明了多个电极装配相结合的一个具体的实施方案，然而，本文预期也可使用单一的电极装配。参考图3，第一终板(34)形成微生物燃料电池的底部并且阴极组件(36)放置于第一终板上。用作阴极集电器的第一钛丝(38)与阴极电相关联。隔膜组件(40)被放置于第一钛丝上并且也与阴极组件(36)接触。阳极组件(42)被放置在隔膜组件(40)顶上，并与隔膜组件直接接触。适合于从阳极(42)采集电流的第二钛丝(38’)然后与阳极电相关联。最后，第二终板(44)放置在所有组件顶上。终板44和34可包括一个或多个紧固件孔(未示出)以接收紧固件(46)将组件连接在一起。在具体公开的实施方案中，至少一个终板包括一个或多个入口或出口组件。
所述分离组件(40)和/或阳极组件(42)可被改进以包括一个或多个开口，适于释放在阳极和阴极(36)之间所产生的生物气。此改进步骤可包括适于在隔膜组件中引入开口的任何方法，诸如切割狭缝、穿孔等等。在具体的公开实施方案中，本文优选提供的开口尺寸是被给予提升释放更多生物气的能力，从而提高性能。所述改进步骤可发生在添加阳极之前，或在完成装配后。
在具体公开的实施方案中，所述微生物燃料电池可包括2个或多个电极装配。图3说明了一个具体的实施方案，其中如本文所公开的2个电极装配相结合以提供微生物燃料电池的实施方案。当使用2个或多个电极装配时，为了允许微生物燃料电池的组件适当的相互作用，可修改组件的特定顺序。第一电极装配可以以上述方式制造，然而第二电极装配以实质上相反的顺序制造。例如，制造第一电极装配，并且第二电极装配与第一电极装配以连续的方式构建。仅仅通过举例的方式，图3所示的第一电极装配(48)的第二终板(44)被用作第二电极装配(50)的底部。能够从阳极组件收集电流的导线(38’)被放置于第一电极装配的第二终板顶部，随后是第二阳极组件(42)，因此使得两个阳极组件在整个装配内。然后将第二隔膜组件(40’)放置在第二阳极组件(42’)的顶部上并使其与第二阳极组件直接接触。另一根电线(38)被放置于与隔膜组件(40’)电接触以收集来自阴极组件(36)的电流。添加第二阴极组件(36’)，随后是额外的终板(34’)，然后其完成包括两个电极装配的微生物燃料电池的特定层。
为了从基于有机的燃料中获得能源，图4进一步说明了可与微生物燃料电池结合使用的其它组件。根据图4，额外的组件可选自饲料水库(60)，进料泵(62)，循环泵(可选)(64)，再循环水库(66)，微生物燃料电池(68)，微生物燃料电池的倾斜角度调整装置(70)，出口水平控制装置(72)，污水水库(74)，精密电阻箱(76)，气体采样端口(78)和污水出口(80)。
扩充规模是MFCs实际应用的一个重要问题，特别是在污水处理领域。保持在扩充过程中的性能已被证明是本领域目前存在方法的挑战。本领域已知大多数空气-MFCs的体积相对较小但是产生大功率密度。已知大规模的空气阴极MFCs其中液体体积范围从1到20升，或相比毫升-规模MFC大2-4个数量级；然而，这些升-规模MFCs的最大功率密度相比ml-规模版本低2-4个数量级。因此，仅仅将反应器尺寸从毫升-规模增加至升-规模并不一定导致总输出功率的显著增加；然而，本文公开的微生物燃料电池的具体实施方案可以是大规模的并增加总功率和电流输出。
在具体公开的实施方案中，可在小规模(基于液体体积)或在大规模(基于液体体积)上组装微生物燃料电池装置。例如，小规模装配可适合其中使用小体积液体(例如，毫升规模，诸如从约0.1mL至约900mL；更通常从约1mL至约500mL；甚至更通常从约1mL至约250mL)。在大规模组装中，可使用更大体积液体(例如，升规模，诸如从约1L至约100L；更通常从约1L至约75L；甚至更通常从约1L至约50L)。在具体公开的实施方案中，所述微生物燃料电池可以是大规模的微生物燃料电池，其也能够产生增加的功率输出，诸如约86mW至约100mW，所述功率输出可以保持1-24小时，1至7天，或更长的时间。
在具体公开的实施方案中，为了增加总电压输出，可以串联连接一个或多个微生物燃料电池。用于增加从MFC输出电压的常规方法包括使用的导体或集电器串联连接几个MFC在一起，或使用DC/DC转换器来升高电压。然而，这些方法不仅导致增大的复杂性和/或成本，而且会导致如电压反转和/或电压交叉问题，并降低整体效率。本文公开的微生物燃料电池在没有集电器的情况下串联连接，并且不需要DC/DC转换器以升高电压，从而避免了这些问题。
当微生物燃料电池串联连接，它可以包括以下设置。仅仅通过举例的方式，基础材质段的一部分(例如，一侧)经过本文所公开的试剂处理(例如，催化剂，结合剂，催化剂增强剂及其组合)。这种特殊的组合提供了被用作阴极的材料，其中留下未涂覆的基础材质的部分(例如，一侧)可以作为阳极。或者，所述的阳极和阴极组件可由本文所公开的不同的基础材质制成，用具体的实施方案使用的选自碳布、不锈钢布或网，以及它们的组合的基础材质。这些组件电相关联在一起，诸如通过物理关联或每个组件一部分的重叠，和/或通过提供基础材质的连续薄片，其可作为阳极和阴极的基础材质组件。制造和定向两个或多个这些特定的片段，使得隔膜组件能够被放置在一段的阳极部分和另一段的阴极部分之间。所述片段和隔膜组件被定位在特定方向上(例如线性方向)以形成串行连接的电极装置。
图5阐明了串联连接的电极装置。如图5所示，提供了具有隔膜组件(94)的多个阳极部分(90)和阴极(92)部分。这些组件在没有集电器下是以紧凑方式串联连接的。在具体公开的实施方案中，两组串联连接的CEA(每组有3个单独的CEA)被放置在具有3个开口(4cm×20cm)的三个相同的1cm厚的PVC框架之间，以形成具有3个通道(4cm×20cm×1cm)的五层夹层结构。
IV.使用微生物燃料电池的方法
在具体公开的实施方案中，微生物燃料电池用于从基于有机的燃料产生能源。所公开的微生物燃料电池可用于各种不同的情况和/或条件以在常规能源缺乏或不可取的地方提供能源。
具体公开的实施方案涉及产生能源的方法，其包括提供本文所公开的微生物燃料电池，引入基于有机的燃料到微生物燃料电池内并且从基于有机的燃料产生/分离能源。所述方法可以进一步包括一个或多个预处理和/或后处理步骤。预处理可包括筛选、均衡、中和、沉淀、水解、消化和它们的组合。后处理可能包括使用二次沉淀，过滤，吸附，消毒，以及一定的后处理组件可使用的包括活性污泥，生物膜反应器，膜生物反应器，表面曝气池，人工湿地以及它们的组合。
在具体公开的实施方案中，所公开的微生物燃料电池适合将废水转化为能源。例如，典型的生活污水处理厂采用好氧活性污泥处理和厌氧污泥消化的能源需求是0.6kWh m-3，其中大约一半用于电能为曝气池供应空气。空气-阴极MFCs使用被动曝气，假设其它过程需要相同的能源，能源需求可以降低到0.3kWhM-3。在典型的500mg COD l-1生活污水的能量含量估计为1.93kWh m-3，其中1.23kWh m-3可生物降解。假定生活废水的可生物降解COD的30％可以转化为电，0.07kWh m-3的净能源可以与空气-阴极MFC产生。高强度工业废水，尤其是食品或饮料加工废水，可产生更高的净能源。
在另外公开的实施方案中，所述微生物燃料电池可用于从合适的基于有机的流体中产生能源，从而在常规能源不可用的状况下对供应能源提供有效和高效的方法。仅仅通过举例的方式，所公开的微生物燃料电池可用于在环境中产生能源，在当电力不可用时所述环境电力短缺或处于紧急状态的情况下。
本文公开的是使用所公开的微生物燃料电池从基于有机的燃料获得能源的各种条件和操作特性。涉及从基于有机燃料制造能源的方法的实施方案可在成批模式或连续模式下执行。
在具体公开的实施方案中，所述微生物燃料电池可在适合长期使用和能源效率的温度下运行。例如，微生物燃料电池可在从约4℃至约100℃的温度范围下操作。在具体公开的实施方案中，所述微生物燃料电池在从约25℃至约35℃的温度范围下运行。性能也可通过提高温度而改善，诸如通过升高温度到大于约35℃至约100℃，大于约50℃至约100℃，和大于约70℃至约100℃。
此外，所公开的燃料电池可在特定的pH值条件下运行，pH值通过燃料电池内的缓冲条件控制。例如，微生物燃料电池中使用的缓冲液的pH值可被改变，以影响性能。所述pH值可被调节到模拟基本条件(pH值范围从约7至约14，诸如约7至约13，约7至约12，约7至约11，或约7至约10)。在另外的实施方案中，所述pH值可被调节至模拟酸性条件(pH值范围从约1至约7，约2至约7，约3至约7，或约4至约7)。在具体公开的实施方案中，所述pH值可用反应器的压力调节。例如，PH值可从中性pH值调节到在大气压下pH值约7至约9，和在增加的压力下pH从约4至约7。
在一个实施方案中，在大气压力下运行微生物燃料电池。在其他实施方案中，所述微生物燃料电池可以在增加的压力下运行，所述压力足以维持微生物燃料电池中产生的任何CO2在液体状态下。在其中CO2是维持液体的实施方案中，性能可以通过消除微生物燃料电池产生的CO2气体和/或允许CO2(以水状CO2，碳酸盐，碳酸氢盐和碳酸的形式)作为pH缓冲和质子载体来提高。在其它公开的实施方案中，在增加的压力下运行微生物燃料电池可提供增加燃料电池内使用的缓冲液浓度的能力。在具体公开的实施方案中，所述微生物燃料电池的压力范围从约1atm至约1000atm，更通常从约1atm至约100atm，并且甚至更通常从约1atm至约10atm。
本文公开的微生物燃料电池也可在其中使用氧化剂的情况下运行。在具体公开的实施方案中，所述氧化剂可以是空气或氧气。例如，为了增加氧分压，可在所公开的微生物燃料电池中使用压缩空气从而提高氧浓度。
本文公开的微生物燃料电池可在连续流动模式中运行。在具体公开的实施方案中，微生物燃料电池可在流加模式下运行，其中当微生物燃料电池中的液体被排出时，生物膜暴露于空气中。在空气的周期性暴露抑制了生物膜中甲烷微生物的生长。
在具体公开的实施方案中，所述方法可包括使用1个微生物燃料电池。在其他公开的实施方案中，所述方法可包括使用2个或更多的微生物燃料电池，所述多个微生物燃料电池可单独使用或可在串联或并联方向连接。当使用2个或更多的微生物燃料电池时，每个可用于处理基于有机燃料的相同样品，或每个可用于处理基于有机燃料的不同样品。
公开的的微生物燃料电池在其从基于有机的燃料中提取能源的能力上表现出高性能的能力是MFC技术的显着进步。在具体公开的实施方案中，可以产生的可能最大功率密度高于厌氧消化中所产生的。在具体公开的实施方案中，如果MFC在更高的电压下运行微生物燃料电池的能源效率可显著增加。例如，如果MFC在约0.4V下运行，所述能源效率可增加到约30％，或在约0.46V下增加约35％。根据微生物燃料电池的某些实施方案中获得的极化曲线(图6)，在0.4V下可获得约2.13kW m-3的功率密度并且在0.46V下可获得约1.41kW m-3的功率密度，其仍然远高于厌氧消化的功率密度。
除了在可比的能源效率下产生更高的功率，本文公开的微生物燃料电池基于其组件组合和直接发电能力较厌氧消化展现了特定的优势。从甲烷生产产生的生物气中除去H2S以防止燃烧相关副产物是昂贵和能源密集的。可能需要额外的能源从污水中去除CH4以防止溶解的CH4逸入大气中。本文公开的耐氧生物膜允许微生物燃料电池在高阳极氧含量下运行，这不仅实质上消除了H2S和CH4的产生，而且多样化污染物降解途径，因此使得公开的微生物燃料电池比厌氧处理更有效地去除污染。
在具体公开的实施方案中，所使用的基于有机燃料的类型可以影响微生物燃料电池产生的能源的量。在具体公开的实施方案中，在某些实施方案中使用废水，更高的净能量可从高强度工业废水产生，诸如食品或饮料加工废水。在具体公开的实施方案中，基于有机的燃料可以是从中可获得能源的含有机的物质。
公开的微生物燃料电池的具体实施方案能够产生高达约20Am-2的电流密度，这远高于大多数基于生物膜处理的等效电流密度，包括好氧异养生物膜(1.6-2.8A m-3)和产甲烷生物膜(0.5-9.5A m-2)。更高的电流密度说明了微生物电化学技术的竞争优势和巨大潜力，尤其是公开的微生物燃料电池。较高的电流密度表明污水处理更高的COD去除率。仅仅通过举例的方式，大约16.4A m-2(10.9KA m-3)的电流密度可以以转化率为78.1KgCOD m-3d-1的被转化为电流，或假设CE 83.5％时COD去除率总共为93.5KgCOD m-3d-1，其比厌氧消化(25Kg COD m-3d-1)高了近3倍，其说明了公开的MFC对污染物去除的高效率。
对MFC技术在废水处理中商业应用的主要挑战是高资本成本，尤其是阳极，阴极和隔膜的材料成本。然而，如本文公开的低成本，高性能的阴极，阳极和隔膜组件为微生物燃料电池提供类似的(如果没有更好的)输出。
V.工作实施方案
大型CEA-MFC的设计和施工：具有双CEA的单室空气-阴极MFC通过在碳布阳极(CCP，fuelcellearth.com)和碳布/Pt/PTFE阴极(20％的Pt/C催化剂；E-TEK公司，美国)之间放置放置非织物层(Armo Style#6000)而被建造以形成CEA。U型钛丝被用作两个CEA内的阳极和阴极集电器。所述两个CEAS(CFA1和CEA2)被放置在三个相同的0.6cm厚的丙烯酸框(具有5cm×20cm开口)之间以形成五层夹层结构(具有CEA1在最初反应器顶部和CEA2在最初反应器底部)。三个1cm与1cm的交叉穿过阳极和CEA1布层，沿长轴分布均匀以释放阳极和阴极之间可能产生的产生生物气。或者，CEA2(三孔(φ0.3cm))穿通两层以泄出生物气。反应器具有30ml液体容量和总共200cm2的有效表面面积。图2和3说明了双CEA-MFC的装配示意图。
CEA-MFC运行：给MFC接种来自空气阴极MFC的阳极的混合细菌培养物，所述空气阴极MFC的阳极最初接种来自Corvallis污水处理厂(Corvallis，OR)的生活污水并且使用醋酸盐运行超过3年。除非另有规定，乙酸乙酯(100mM)被用作底物，并且介质溶液含有以下(每升)：NH4Cl，1.5g；KCl，0.13g；NaH2PO4·H2O，5.84g；Na2HPO4·7H2O，15.5g；和矿物质(12.5ml)以及维生素(12.5ml)，通过Lovley等人公开的溶液(通过Lovley等人公开的矿物质溶液可包括Na2MoO4，NiCl2·6H2O，及它们的组合，并且维生素溶液可以包括维生素B)。MFC实验在温度为32±1℃的温度控制室内进行。
双CEA-MFC(最初具有CEA-1在顶部和CEA-2在底部)的倾斜角度为5°。批处理模式最初被采用并且当功率输出开始显著增加2天后系统被切换到连续流动模式。然后给CEA-MFCs以0.4ml min-1的流速连续输送污水并通过蠕动泵保持，相应的水力停留时间(HRT)为1.2小时。2000ml蓄水池内的介质溶液在从反应器的下端被送入到MFC之前被高压蒸汽处理。一部分流出物用另一个蠕动泵以20ml min-1的流速再循环回流入物以取得更均匀分布的介质溶液。再循环管线内包括50ml的蓄水池以收集在MFC中可能产生的气体。
当电压输出稳定大约一个星期以内，MFC被认为是启动阶段。一旦启动完成，研究水压的影响(从第2到第4周)，HRT(从第5周到第6周)，和再循环(第6周)。通过螺丝刀装置精细调节硅胶管出口的水位以控制水压。出水水位按以下顺序从-4cm调节至+4cm：0cm、+1cm、-1cm、+2cm、-4cm、+4cm、-2cm、0cm，在反应器快速翻动之前研究CEA的顶部和CEA的底部之间的差异。通过改变流速(从0.15到1.3ml min-1)来调节不同的HRT(0.37-3.4小时)，实际流速基于日常介质消耗来计算。再循环对MFC性能的影响通过添加或去除50ml的再循环蓄水池进行研究。从第七周开始，研究磷酸盐缓冲液浓度(0.05M，0.1M和0.2M)对MFC性能的影响。也改变流速和醋酸盐浓度以研究自制碳酸氢盐对MFC性能的影响。在分析过程中将再循环蓄水池去除。
分析：MFC的两个CEAs分别连接到具有分辨率和0.1Ω最小电阻(602N，General Radio)的精密十进位电阻箱上。使用多通道数据采集系统(2700，Keithly，美国)记录电压(V)，并且基于液体反应器容积(30ml)用其计算体积功率密度以及基于电极投影表面面积(每个CEA 100cm2和每个反应器200cm2)的表面功率密度。在电流(I)计算中考虑了接触电阻和导线电阻(约0.06Ω)，并且其通过测量电阻箱端子上的和集电器(钛丝)端子上的电压来计算。为了制备极化曲线，MFC首先在10kΩ稳定约30分钟。然后两个CEA的外电阻以典型的顺序同时降低：100、50、20、10、5、3、2.4、2、1.6、1.4、1.2和1.0Ω以使电压降低至约0.2V。在各个电阻下，MFC运行大约20分钟以确保达到稳定的输出功率。大约需要运行4小时才能完成极化曲线。每个CEA的内电阻(Rint)是从I-V极化曲线的线性部分计算。与其它研究相比较，也通过内部阻力(Ω)乘以通过投影电极面积(cm2)计算面电阻率(Ωcm2)。
流入物和流出物的醋酸盐浓度都用配备RID检测器和Aminex HPX-87H柱(Bio-Rad实验室，Hercules，加州)的Agilent 1000系列高效液相色谱仪(Agilent Technologies，圣克拉拉，加州)进行分析。5mM/l的H2SO4溶液以0.6mL min-1的流速用作运行缓冲液。摄入醋酸盐样品前1小时，基于平均电流比计算库仑效率(CE)，并且基于醋酸盐去除量计算理论电流。当显著地产生生物气时，表明通过气体积聚在再循环蓄水池，使用注射器从位于反应器出口的气体采样口取出100ml的气体。立即将气体样品注入气相色谱仪(Agilent 6890；J&W Scientific，美国)对气体成分进行分析。所述GC配备有热导检测器和柱(113-3133M，CARBONPLT，30m X 0.32mm X 3μm，J&W Scientific，美国)，用氩气作为载气。
启动阶段结果：几种策略已初步应用，以确保启动阶段包括介质溶液的高压灭菌以除去氧气，更短HRT(4分钟)以确保反应器中的低氧水平，并且使用2层J-织物以减少氧扩散。然而，在公开的微生物燃料电池具体实施方案的启动阶段更加简单和更加快速，诸如大型CEA-MFC，尽管单层非织物层(约0.3mm)薄更多并且HRT(＞75分钟)更长。如图1所示，在不到5天内MFC产生1.8kW m-3的稳定的高功率密度。这个功率密度远高于更小的CEA MFCs(分别包含100mM磷酸盐缓冲液和200mM的碳酸氢盐缓冲液)产生的1.01kW m-3和1.55kW m-3。
在具有更薄隔膜的大型双CEA-MFC中出人意料的更快和更容易的启动阶段，表明阳极生物膜能够耐受高浓度的溶解氧。为了研究在阳极上产电菌群的耐氧性，以速度20ml min-1通过再循环管直接将氧气注入两阳极之间的MFC室中超过一天。在将空气注入MFC后功率密度从～1700W M-3下降至～1400到1600W M-3并且在空气泵停止(图7)一天后恢复。发电的波动可能由于空气流(20ml min-1)比液体流(0.4ml min-1)快很多，这可能影响阳极基质的可用性，尤其是反应器顶部的阳极。结果证实混合细菌培养可以忍耐水中更高浓度的氧气并且甚至直接接触空气。这可能是由于耐氧产电菌群在高氧浓度下不断进化很多年。在双CEA MFC内的高氧浓度可帮助抑制甲烷生成、硫酸盐还原和水生成，因此在运行的63天期间内没有检测到CH4或H2产生并且CO2是唯一产生的生物气。
功率密度结果：CEA1的功率密度在1.37h的HRT(图1)达到最高4.30W m-2(16.4A m-2)，这是以J-织物作为隔膜的小型MFC内产生(1.8W m-2)的2倍以上。双CEA-MFC的高性能对MFC技术的潜在应用很重要。可能的最大功率密度(2.87kW M-3)高于可在基于25kg COD m-3d-1的转换率和整体30％的能源效率的厌氧消化、商业化污水处理过程中产生的功率(1.1kW M-3)的2倍以上。
HRT在0.7-2.4小时范围内功率密度超过4W M-2，但是超出这个范围，功率密度明显降低(图7和8)。高电流密度有助于高CE，其在测试HRT下在74-98％范围内(图8)。再循环蓄水池的去除率将CE从74％增加至80％，虽然功率密度略微降低了4％。尽管CE进一步增加到85％，再循环的完全除去显著地降低21％的功率密度。这些结果表明再循环可能是提高基质质量输运到电极的一个因素。另一方面，氧扩散和其它非电流产生的过程也可能会受到再循环的影响，导致在一个稍低的CE。如预期(图9)增加的HRT导致增加醋酸盐的消耗。增加的HRT也导致更高的流出物pH值，这表明更长的HRT下释放更高的CO2(图9)。没有再循环会轻微地降低流出物的PH值和醋酸去除，这可能是由于功率密度和电流密度的减少(图8和9)。
库仑效率和能源效率结果：在测试条件下MFC的库仑效率在74-98％的范围之内，这远高于一些其它的MFC(表2)。基于25％的电压效率和83.5％的CE，MFC在最大功率下的能源效率仅为21％，这低于厌氧消化(28-30％)。然而如果MFC已在在更高的电压下运行，能源效率可显著增加。例如，如果MFC已在0.4V下运行，能源效率可提高到比得上30％的，或在0.46V下35％。根据极化曲线(图6)，在0.4V下的功率密度2.13kW M-3和在0.46V下1.41kW M-3仍然远高于厌氧消化。
更薄隔膜和降低电极间距的副作用增强了氧气交叉，其可导致耗氧异养菌的生长。如MFC快速启动阶段(图1)和高耐氧阳极生物膜(图7)所示，尽管产电菌群仍能胜过与其它异养菌，但是更高的氧气交叉可导致CE的下降。然而，在本文公开的实施方案中获得的高CE(83.5±10.6％)另有说明。不限于特定的操作理论，目前认为使用本文公开的实施方案观察到的这些高CE是由于在CEA-MFC中获得的高电流密度。假设阳极没有氧气并且非织物在水中的有效扩散系数是其在水中的60％，基于Fick定律，在30℃通过0.3mm厚的水层最大氧通量是1.2mmol m-2S-1，或等效电流密度为0.42A m-2。在这个研究中仅是2.5％的电流密度(16.4A m-2)下产生最大功率密度，并且在相同的假设下2％的最大质子通量(相当于20A m-2)通过0.1M磷酸盐缓冲液。如果阳极的氧浓度不为零，则氧通量甚至可以更低，其降低了穿过隔膜的浓度差。尽管由于在阴极和多孔隔膜的生物膜发展，实际的氧浓度可以更高，但是如果氧气是非流动产生的底物消耗的唯一源头，可以预期CE超过95％。在这个研究中相对较低的实际CE(83.5±10.6％)表明，在再循环管线和生物质合成中的底物消耗也应考虑。然而，甚至具有低传质阻力的隔膜(0.3mm薄)可能具有高CE。因此，如果阳极生物膜是耐氧的并且电流密度大于15A m-2，氧气交叉不应该是在选择隔膜材料时主要关心的。
缓冲和HRT的影响：缓冲液的浓度在促进质子在MFC中从阳极运输到阴极起了主要作用，因此大大影响了内电阻和MFC的性能。在MFC内产生的CO2可增加碳酸氢盐的浓度和另外有效的质子载体，从而降低内电阻并提高功率密度。如表1所示，在1.22小时-1.28小时的HRT下当醋酸盐浓度从100mM增加至150mM，具有50mM磷酸盐缓冲液的MFC的功率密度增加了5％，到达3.40W M-2。当HRT从1.22小时增加至3.00小时，醋酸盐浓度为150mM时，它进一步增加了9％至3.70W M-2(13A m-2)。这样的功率密度约为小型MFC(具有50mM磷酸盐缓冲液和30mM醋酸盐)产生的3倍。缓冲液浓度从50增加到100mM，功率密度增加至11％。进一步增加磷酸盐浓度至200mM，仅仅导致到最大功率密度增加5％到达4.32W m-2。当缓冲液浓度分别从50增加到100和200mM时，功率密度的增加相比较于在小型CEA-MFC中观察的增长(45％和11％)小很多。不限于特定的理论，目前认为这些结果表明自产碳酸氢盐在降低内电阻和提高发电的作用。尽管在低醋酸盐浓度和短HRT下，自产碳酸氢盐的贡献可能是微不足道的，但是这些贡献可以通过控制操作条件大大提高，诸如增加醋酸盐浓度，延长水力停留时间，及它们的组合。在更高流入醋酸盐浓度和更长HRT下，自产碳酸氢盐的积累也导致出水pH值升高，这可能由于碳酸氢盐浓度升高释放CO2。
表1：基于大规模MFC和小规模MFC，磷酸盐缓冲液，醋酸盐浓度，HRT，流出物pH值，内电阻和最大功率密度的影响
扩大规模对使用MFC技术的商业应用是必要的，尤其是对废水处理。常规的，MFC的规模扩大常常导致功率密度显著降低。然而，如本文所述，尽管电极面积增加了14倍(表2)，但是CEA-MFC的最大功率密度从1.8增加到4.3W m-2。这样的功率密度相比于升-规模MFCs(表2)高了约1个数量级。CEA-MFC的具体阴极面积(667m2m-3)也远高于升-规模MFC的具体阴极面积(100m2m-3或以下)(表2)。基于阴极面积的更高功率密度和CEA-MFC更高的阴极具体面积导致了高了2-4个数量级的体积功率密度(表2)。在许多其它研究中，虽然在本文公开的具体实施方案中的MFC体积(30ml)相比升-规模MFC小2-3个数量级，但是它产生相当的或甚至更高的总输出功率(62.3mW)(表2)。如果CEA2产生与CEA1相同的功率，总功率和功率密度可分别提高到约86mW和2.87kWm-3。此外，在这项研究中的CEA-MFC的CE也大大高于升-规模MFC。
在更大CEA-MFC中用作集电器的U形钛丝相比较于在更小CEA-MFC中在每个电极面积创造了约4倍更大的接触面积，这可能有助于减少内电阻，从而提高具体公开实施方案中的性能。其它也可能有助于提高性能的因素包括使用薄的和高通量隔膜材料，耐氧阳极生物膜的发展，和提高碳酸氢盐缓冲液的自产。
阴极分析
在具体公开的实施方案中，催化剂可用于促进所公开的微生物燃料电池的活性的增加。以下工作的实施方案说明所公开的微生物燃料电池比常规微生物燃料电池的性能增强。例如，使用活性炭粉末(PAC)作为催化剂，PTFE作为粘合剂，碳布作为基础材质，并且PTFE作为防水涂料，所公开的微生物燃料电池的阴极比常规铂(Pt)阴极(0.5mg/cm2的Pt负载)获得了类似的甚至更好的性能。
实例1
将活性炭粉末和PTFE涂覆在碳布上，不进行任何进一步的热处理。常规的，热处理用于完成这项任务；然而，通常使用的热处理(例如，约340-380℃，0.5-1小时)可显著降低阴极的性能。
阴极制备与本领域已知的那些方法类似；但制备阴极的内部一侧和催化剂层如下所示。对于常规的含Pt阴极，商业的Pt催化剂(20wt％Pt/C，E-TEK)与化学粘合剂(5％溶液)混合以形成糊(7μl-粘合剂/mg-Pt/C催化剂)。将糊应用于碳布的一侧，并在室温下干燥24小时(Nafion)。铂含量为0.5mg/cm2。
在一个实施方案中，使用如下协议制备PAC阴极：1.0g PAC(Norit GSX，蒸汽活化，酸洗)与5ml乙醇混合并混合10分钟，然后浸泡在0.2ml 60％PTFE溶液中。随后，将混合物加热到大约80℃以蒸发乙醇并形成糊。然后将所述糊滚动到防水碳布的内侧上面并在350℃加热0.5小时(PTFE)。
在另一个实施方案中，使用与其它PAC阴极实施方案相似的过程制备PAC阴极，预期阴极在室温下空气干燥，而不是加热在350℃下加热0.5小时(PTFE)。
在不加热情况下，制成的阴极与Pt-阴极(0.5mg/cm2的Pt负载)(图10)相比获得相似或者甚至更好的性能(在高电流密度)。
实例2
所公开的阴极的性能可通过在催化层中添加炭黑进一步提高。使用实例1中所用的同样的过程制备阴极，除了用0.9g PAC和0.1g炭黑代替1.0g PAC。
在电流密度高于0.5mA/cm2(图11)时通过添加炭黑提高PAC催化活性。不限于特定的理论，目前认为这种活性改进是由于相比PAC的炭黑导电性的增加，其帮助降低了阴极的电阻损失。
实例3
如本文所公开的粘合试剂，粘合剂(binding agents或binders)通常用于制备阴极以在阴极基质或基层的表面上形成催化剂涂层常规的方法使用Nafion溶液，全氟质子交换树脂，与Pt/C粉末一起形成糊，然后将其通过涂刷或喷涂到碳布/碳纸的基层得以应用。然而，使用Nafion溶液作为粘合剂制备MFC阴极是不可取的，理由如下。首先，Nafion溶液相对昂贵，这贡献了MFC阴极总成本的主要部分。第二，在MFC的中性条件下，质子主要是通过阴离子或pH缓冲载体运载。Nafion作为质子(阳离子)交换树脂，可以增加阴极的离子传质阻力或极化电阻。同时，粘合剂的亲水性也可影响MFC的性能，因为它可以极大地影响离子和气体的质量输运。相比疏水性PS-OH粘合剂，提高常规聚苯乙烯-b-聚乙烯氧化粘合剂的亲水性可以提高阴极和MFC功率密度的电化学响应～15％。
使用脱乙酰壳多糖或其衍生物，如PAC催化剂粘结剂，可提高阴极的性能。脱乙酰壳多糖是甲壳素的N-脱乙酰基衍生物，自然丰富的粘多糖，和甲壳类、昆虫等的支架材料。商业上，脱乙酰壳多糖以相对较低成本从甲壳类动物的壳体(主要蟹，虾，龙虾和磷虾)和海产品加工产业的废弃物中获得。因此，脱乙酰壳多糖不仅是具有成本效益的材料，而且其制作和使用为处理甲壳类动物外壳的废弃物提供了经济上有吸引力的方法。
选择脱乙酰壳多糖不仅是以其低成本和可持续性，也为其作为PAC粘合剂的潜在优越性能。脱乙酰壳多糖骨架上的羟基和氨基给予了脱乙酰壳多糖较高水平的亲水性和阴离子交换能力。正如本文所讨论的，脱乙酰壳多糖的亲水性可导致更好的质子运输，从而具有作为催化剂粘合剂更好的性能。
在一个实施方案中，将0.3g脱乙酰壳多糖溶于5ml去离子水和0.2ml冰醋酸中。随后，加入1.5g活性炭粉末并且充分混合以形成均匀的糊。然后将所述糊裱糊在防水的碳布基础材质上。
在电位高于0V时，具有脱乙酰壳多糖作为粘合剂材料的PAC性能比Pt(0.5mg/cm2)和具有PTFE的PAC表现出更高的性能，其中大多数MFC被运行(图12)。
实例4
串行连接CEA-MFC的设计与施工：基于先前描述的MFC构建具有双串联连接布电极装置(CEA)的三室空气-阴极MFC。总而言之，碳布(CCP，fuelcellearth.com)只有一半用PTFE、炭黑和Pt催化剂(20％的Pt/C催化剂；E-TEK公司，美国)处理，如之前所描述的并被用作阴极，而另一半是未经处理的，被用作阳极。如图5所示，非织物层夹在其它部分的阳极一半和阴极一半之间以形成串联连接的CEA。两组串联连接的CEA(每组有3个单独的CEAs)被放置在具有3个开口(4cm×20cm)的三个相同的1cm厚的PVC框架之间，以形成具有3个通道(4cm×20cm×1cm)的五层夹层结构。
CEA-MFC运行：给MFC接种来自空气阴极MFC的阳极的混合细菌培养物，所述空气阴极MFC的阳极最初接种来自Corvallis污水处理厂(Corvallis，OR)的生活污水并且运行很长一段时间。乙酸乙酯(100mM)被用作底物，以及介质溶液(每升)含有以下：已报道的NH4Cl，1.5g；KCl，0.13g；NaH2PO4·H2O，5.84g；Na2HPO4·7H2O，15.5g；和矿物质(12.5ml)以及维生素(12.5ml)溶液。MFC实验在温度为32±1℃的温度控制室内进行。
批处理模式最初被采用并且功率输出开始显著增加2天后系统被切换到连续流动模式。然后通过蠕动泵给CEA-MFC以1.0ml/min的流速连续流入。2000ml蓄水池内的介质溶液在从反应器的下端被送入到MFC之前被高压蒸汽处理。一部分流出物用另一个蠕动泵以20ml/min的流速再循环回流入物以取得更均匀分布的介质溶液。再循环管线内包括50ml的蓄水池以收集在MFC中可能产生的气体。
结果：顶部和底部反应器都比单一MFC产生更高的电压。在100欧姆高电阻时，顶部和底部反应器均约产生1.7V的高电压，每个CEA个体约产生0.6V。在电流密度约为10A/m2下产生最大功率，对于顶部反应器约3.3W/m2(图13)且对于底部反应器约3.5W/m2(图14)。在运行的2个月内功率稳定并且没有发现电压反转。
VI.实施方案概述
在本文公开的某些实施方案中，微生物燃料电池可包括配置成以减少内电阻和抗生物降解的阳极组件、阴极组件和隔膜组件。
在某些实施方案中，隔膜组件是织物或非织物，其包括亲水性纤维、疏水性纤维或它们的组合。在一些实施方案中，所述亲水性纤维选自聚丙烯，人造纤维，粘胶纤维，醋酸纤维，棉，尼龙和它们的组合物。在某些实施方案中，所述疏水性材料选自聚酯，丙烯酸，变性腈纶和它们的组合物。在某些实施方案中，所述织物包括的疏水性材料组成约1％至约100％的织物。在某些实施方案中，所述织物包括聚丙烯。在某些实施方案中，所述织物包括混合聚酯和醋酸纤维、人造纤维或棉。
在上述任意或者全部实施方案中，所述隔膜组件包括至少一个开口，允许气体通过隔膜组件以降低内电阻。
在某些实施方案中，一个或多个开口是线性开口、单一开口、或在一个或多个点相交、或圆形开口。在某些实施方案中，所述的线性开口具有的长度范围从约0.5cm至约3cm。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的隔膜组件具有范围从约0.01mm至约10mm的厚度。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的隔膜组件具有范围从约0.1mm至约0.5mm的厚度。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的阴极组件包括活性炭粉末。
在某些实施方案中，所述的阴极组件进一步包括粘合剂，所述粘合剂选自亲水性粘合剂、疏水性粘合剂及它们的组合。在某些实施方案中，所述的亲水性粘合剂包括一个或多个官能团，所述官能团选自羟基、氨基、巯基和它们的组合，且亲水性粘合剂是碳水化合物，所述碳水化合物选自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它们的组合。在某些实施方案中，所述的亲水性基团选自脱乙酰壳多糖、脱乙酰壳多糖衍生物、葡萄糖胺、葡萄糖胺衍生物和它们的组合。在某些实施方案中，所述的阴极组件进一步包括选择以改进阴极组件的电导率和减少其电阻损耗的催化剂增强剂。在某些实施方案中，所述的催化剂增强剂是炭黑、石墨粉或它们的组合。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的阴极组件包括气体扩散层。
在某些实施方案中，所述的基础材质选自碳纸、碳布、不锈钢布、不锈钢网和它们的组合。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的阴极组件进一步包括涂层材料，所述涂层材料选自聚四氟乙烯或聚二甲硅氧烷。
在某些实施方案中，所述的催化剂和催化剂增强剂作为组合物结合使用，所述组合物包括约50％至约99％的催化剂和约1％至约50％的催化剂增强剂。
在上述任意或者全部实施方案中，所述微生物燃料电池进一步包括一根或多根结合到阳极、阴极或两者的导电线。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的微生物燃料电池进一步包括一个或多个终板。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的微生物燃料电池进一步包括至少一个入口和至少一个出口。
本文还公开了多个微生物燃料电池的实施方案，所述多个微生物燃料电池包括至少一个根据上述任意或者全部实施方案的微生物燃料电池，其中多个微生物燃料电池被连接在串联或者并联的方向。
进一步公开了串联连接的微生物燃料电池系统，其包括基础材质的两个或更多的电气性连接片段，其中所述的基础材质的至少一部分用催化剂、粘合剂、催化剂增强剂或它们的组合进行处理；隔膜组件；以及其中所述基础材质和隔膜组件在没有集电器组件或转换器组件的情况下被配置以将基于有机的燃料转换为能源。
在某些实施方案中，所述的基础材质的两个或多个电气性连接片段通过允许基础材质的两个不同片段之间的物理重叠而被提供。在某些实施方案中，所述的基础材质的两个或多个电气性连接片段组成不同的基础材质组件。在某些实施方案中，所述的基础材质的单一连续薄片被用于提供基础材质的两个或更多的电气性连接片段，并且将基础材质的一部分作为阳极组件及基础材质的另一部分作为阴极组件。在某些实施方案中，所述的基础材质的不同基础材质组件或单一连续薄片是碳布、碳纸、不锈钢布，不锈钢网或它们的组合。
本文还公开了阴极组件，包括基础材质，所述基础材质选自碳布、碳纸、不锈钢布，不锈钢网或它们的组合；涂层；催化剂；和在上述任意或者全部实施方案中所描述的粘合剂。
在某些实施方案中，所述的阴极组件包括本文公开的任意或者全部实施方案中的催化剂增强剂。在某些实施方案中，所述的涂层是聚四氟乙烯或聚二甲硅氧烷。在某些实施方案中，所述的催化剂是活性炭粉末。在某些实施方案中，所述的基础材质被涂层材料涂覆。在某些实施方案中，所述的催化剂和粘合剂作为在涂覆有涂层材料的基础材质上的膜层而被应用。在某些实施方案中，所述的催化剂经过磷酸和硝酸的预处理。在某些实施方案中，所述的催化剂经过FeCl3、CoCl2、EDTA、EDA、氨腈或它们的组合处理。在某些实施，所述的粘合剂是功能化的。在某些实施方案中，所述的粘合剂用交联剂功能化，所述交联剂选自戊二醛、聚(乙二醇)、柠檬酸乙二醛、表氯醇和它们的组合。
本文还公开了产生能源的方法，包括提供如上描述的任意或全部实施方案中所述的微生物燃料电池，或如上描述的任意或全部实施方案中所述系统；引入基于有机的燃料到微生物燃料电池或系统内；并从基于有机的燃料分离能源。
在某些实施方案中，所述基于有机的燃料选自于废水、含有有机的液体和它们的组合。在某些实施方案中，所述的废水由食物或饮料加工产生。在某些实施方案中，来自所述基于有机的燃料的电子和质子从燃料分离和隔离出并通过阳极组件，然后通过电线组件或者通过隔膜组件到微生物燃料电池的阴极组件，其中所述的电子和质子重组形成水。在某些实施方案中，所述的方法在大气压下执行。在某些实施方案中，其中所述的方法在高于大气压的压力下执行以保持其中产生的CO2在液体状态。在某些实施方案中，所述方法进一步包括通过测定由微生物燃料电池提供的功率密度来监测微生物燃料电池的性能，以及通过调节一个或多个操作条件来改进微生物燃料电池的性能。在某些实施方案中，调节一个或多个操作条件包括通过引入空气至微生物燃料电池内以增加微生物燃料电池内的氧浓度。在某些实施方案中，调节一个或多个操作条件包括调节微生物燃料电池的温度。在某些实施方案中，调节温度包括在约4℃至约100℃的温度间运行微生物燃料电池。在某些实施方案中，调节温度包括在约25℃至约80℃的温度间运行微生物燃料电池。在某些实施方案中，调节一个或多个操作条件包括调节微生物燃料电池的pH条件。
在上述任意或者全部实施方案中，所述的方法在成批模式或连续模式下执行。
鉴于可在许多合适的实施方案中应用所公开发明的原理，应该认识到阐述的实施方案仅仅是本发明优选的例子并且不应被认为限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附权利要求定义。因此，我们宣称我们的发明都在这些权利要求的范围和精神内。

Claims (54)

1.微生物燃料电池，包括：
阳极组件；
阴极组件；和
配置以减少内电阻和抗生物降解的隔膜组件。
2.根据权利要求1所述微生物燃料电池，其中所述的隔膜组件是包括亲水性纤维、疏水性纤维或它们的组合的织物或非织物。
3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述亲水性纤维选自聚丙烯、人造纤维、粘胶纤维、醋酸纤维、棉、尼龙和它们的组合。
4.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述疏水性纤维选自聚酯、腈纶、变性腈纶和它们的组合。
5.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述织物包括疏水性材料，其构成所述织物的约1％至约100％。
6.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述织物包括聚丙烯。
7.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其中所述织物包括混合的聚酯和醋酸纤维、人造纤维或棉。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述隔膜组件包括至少一个开口以允许气体通过所述隔膜组件而减少内电阻。
9.根据权利要求8所述的微生物燃料电池，其中所述一个或多个开口为线性开口、单一开口、或其在一个或多个点相交、或圆形开口。
10.根据权利要求9所述的微生物燃料电池，其中所述线性开口具有范围从约0.5cm至约3cm的长度。
11.根据权利要求1-11中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述隔膜组件具有范围从约0.01mm至约10mm的厚度。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述隔膜组件具有范围从约0.1mm至约0.5mm的厚度。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阴极组件包括活性炭粉末。
14.根据权利要求13所述的微生物燃料电池，其中所述阴极组件进一步包括粘合剂，所述粘合剂选自亲水性粘合剂、疏水性粘合剂及它们的组合。
15.根据权利要求14所述的微生物燃料电池，其中所述亲水性粘合剂包括一个或多个官能团，所述官能团选自羟基、氨基、巯基和它们的组合，且所述亲水性粘合剂是碳水化合物，所述碳水化合物选自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它们的组合。
16.根据权利要求14所述的微生物燃料电池，其中所述亲水性粘合剂选自脱乙酰壳多糖、脱乙酰壳多糖衍生物、葡萄糖胺、葡萄糖胺衍生物和它们的组合。
17.根据权利要求13所述的微生物燃料电池，其中所述阴极组件进一步包括催化剂增强剂，选择所述催化剂增强剂以改进所述阴极组件的电导率和减少其电阻损耗。
18.根据权利要求17所述的微生物燃料电池，其中所述催化剂增强剂是炭黑、石墨粉或它们的组合。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阴极组件包括气体扩散层。
20.根据权利要求19所述的微生物燃料电池，其中所述基础材质选自碳纸、碳布、不锈钢布、不锈钢网和它们的组合。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阴极组件进一步包括涂层材料，所述涂层材料选自聚四氟乙烯或聚二甲硅氧烷。
22.根据权利要求21所述的微生物燃料电池，其中所述催化剂和所述催化剂增强剂作为组合物结合使用，所述组合物包括约50％至约99％的催化剂和约1％至约50％的催化剂增强剂。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的微生物燃料电池，进一步包括一根或多根耦合到所述阳极、所述阴极或两者的导电线。
24.根据权利要求1-22中任一项所述的微生物燃料电池，进一步包括一个或多个终板。
25.根据权利要求1-22中任一项所述的微生物燃料电池，进一步包括至少一个入口和至少一个出口。
26.多个微生物燃料电池包括至少一个根据权利要求1-25中任一项的微生物燃料电池，其中所述多个微生物燃料电池以串联或者并联的方向连接。
27.串联连接的微生物燃料电池系统，包括：
基础材质的两个或更多的电气性连接的片段，其中所述基础材质的至少一部分用催化剂、粘合剂、催化剂增强剂或它们的组合进行处理；
隔膜组件；和
其中在没有集电器组件或转换器组件时配置所述基础材质和隔膜组件以将基于有机的燃料转换为能源。
28.根据权利要求27所述的串联连接的微生物燃料电池系统，其中所述基础材质的两个或多个电气性连接的片段通过允许基础材质的两个不同片段之间的物理重叠而被提供。
29.根据权利要求28所述的串联连接的微生物燃料电池系统，其中所述基础材质的两个或多个电气性连接的片段包括不同的基础材质组件。
30.根据权利要求27所述的串联连接的微生物燃料电池系统，其中所述基础材质的单一连续薄片被用于提供所述基础材质的两个或更多的电气性连接的片段，并且将所述基础材质的一部分作为所述阳极组件及所述基础材质的另一部分作为所述阴极组件。
31.根据权利要求29或30所述的串联连接的微生物燃料电池系统，其中所述基础材质的所述不同基础材质组件或所述单一连续薄片是碳布、碳纸、不锈钢布，不锈钢网或它们的组合。
32.阴极组件，包括：
基础材质，其选自碳布、碳纸、不锈钢布，不锈钢网或它们的组合；
涂层；
催化剂；和
如权利要求14-16中任一项所描述的粘合剂。
33.根据权利要求32所述的阴极组件，进一步包括权利要求17或18中任一项所述的催化剂增强剂。
34.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述涂层是聚四氟乙烯或聚二甲硅氧烷。
35.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述催化剂是活性炭粉末。
36.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述基础材质被涂层材料涂覆。
37.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述催化剂和所述粘合剂作为膜层施用在涂覆有所述涂层材料的所述基础材质上。
38.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述催化剂使用磷酸和硝酸预处理。
39.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述的催化剂使用FeCl3、CoCl2、EDTA、EDA、氨腈或它们的组合处理。
40.根据权利要求32所述的阴极组件，其中所述的粘合剂是功能化的。
41.根据权利要求40所述的阴极组件，其中所述的粘合剂使用交联剂功能化，所述交联剂选自戊二醛、聚(乙二醇)、柠檬酸乙二醛、表氯醇和它们的组合。
42.用于产生能源的方法，包括：
提供权利要求1的所述微生物燃料电池或权利要求27的所述系统；
引入基于有机的燃料到所述微生物燃料电池或所述系统内；和
从所述基于有机的燃料中分离能源。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述基于有机的燃料选自于废水、含有有机的液体和它们的组合。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述废水由食物或饮料加工产生。
45.根据权利要求42所述的方法，其中来自所述基于有机的燃料的电子和质子从所述燃料分离和隔离出并通过阳极组件，然后通过电线组件或者通过隔膜组件到所述微生物燃料电池的阴极组件，其中所述的电子和质子重组形成水。
46.根据权利要求42所述的方法，其中所述方法在大气压下执行。
47.根据权利要求42所述的方法，其中所述方法在高于大气压的压力下执行以保持其中产生的CO2在液体状态。
48.根据权利要求42所述的方法，进一步包括通过测定由所述微生物燃料电池提供的功率密度来监测所述微生物燃料电池的性能，以及通过调节一个或多个操作条件来改进所述微生物燃料电池的性能。
49.根据权利要求48所述的方法，其中调节一个或多个操作条件包括通过引入空气至所述微生物燃料电池内增加所述微生物燃料电池内的氧浓度。
50.根据权利要求48所述的方法，其中调节一个或多个操作条件包括调节所述微生物燃料电池的温度。
51.根据权利要求50所述的方法，其中调节所述温度包括在约4℃至约100℃的温度之间运行所述微生物燃料电池。
52.根据权利要求50所述的方法，其中调节所述温度包括在约25℃至约80℃的温度之间运行所述微生物燃料电池。
53.根据权利要求42所述的方法，其中调节一个或多个操作条件包括调节所述微生物燃料电池的pH条件。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述的方法在成批模式或连续模式下执行。
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