JP2017504146A - コスト効果の高い生物電気化学システムのための電極 - Google Patents

Abstract

実質的に平面である電極材料と、非導電性物質を含むフレームと、フレームに連結または固定された１つ以上の第１の導電性物質と、を含む、生物電気化学システムにおいて使用するための電極が、記載される。生物電気化学システム、電極を挿入するためのラック、及びラックを使用する方法も、また記載される。

Description

参照による引用
本明細書に記載される本発明の日付現在で当業者に既知の最新技術をより十分に説明するために、本明細書に引用される全ての特許、特許出願、及び刊行物は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年１１月２２日に出願された米国仮出願第６１／９０７，５２３号に対する優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

歴史的に、水及び他の物質の処理は、エネルギーの消費を必要とする、費用のかかるプロセスである。廃水は、多数の産業プロセスから発生する。特に、飲食料品及び農業のプロセスは、かなりの量の廃水を発生する。さらに、エネルギーのための燃料を得る多くの方法が、例えば、汚染された地下水等の環境危険物質を生じさせる。ほとんどの廃棄物処理プロセスが、標的汚染物質の酸化または還元に関与する。

生物電気化学システム（ＢＥＳ）は、電気、またはメタン及び水素等の他の付加価値生産物を産生する一方で、水を処理することが可能な技術の種類である。新たに発見された微生物（「電気生成微生物」と称される）が、直接的電極接触、可溶性メディエーター、及び導電性の生物学的ナノワイヤを通して電極と電気的に相互作用する能力に基づいて、ＢＥＳは、生きた再生触媒を用いる燃料電池に構成することができる。

生物電気化学システムは、生態を酸化または還元反応のための触媒系として用いる。生物電気化学システムの適用は、いずれかまたは両方の電極反応を特徴とすることができ、とりわけ、廃棄物処理、化学的形成、及びエネルギー産生のためのプロセスを含む。生物電気化学システムの生物学的要素は、２つの（酸化及び還元）半電池反応を合わせる電気回路へのインターフェースとしての役割を果たす電極とインターフェースをとる。そのため、生物電気化学システムの電極の特性は、システムの動作にとって非常に重要である。電極は、最小限の、高い電気伝導率、大きな表面積、及び生体適合性材料を提供するべきである。

本発明は、生物電気化学システム（ＢＥＳ）において使用するのに好適な電極に関する種々の新規概念、そのような電極を製造するための方法、及びそのような電極をより幅広いシステムに組み込むＢＥＳに関与する。

いくつかの実施形態において、ＢＥＳは、陽極及び陰極等の電極を含み、両方とも、または個々に、電極からの電子を移動させるかまたは受容する能力を有する生物膜（すなわち、微生物群）で被覆されている。そのような微生物群を用いた電極は、しばしば、生体電極または生物電極と称される。また、電極は、起こっている反応の１つを触媒するための貴金属を組み込んでもよい。無機触媒を含有する電極は、生物膜なしで使用されてもよく、非生体電極と称される。電極は、それらの間でイオンを伝達する電解質（通常は膜）によって分離することができる。電極、生物膜、電解質、及び触媒は、単数または複数のチャンバを囲む単数または複数の筐体に囲まれていてもよいか、または囲まれていなくてもよい。筐体を含むこれらの要素の各々は、外部回路、制御システム、または組み合わされたシステムに使用するために他の反応器と接続することができる。微生物燃料電池中の要素の幾何学的形状及びそれらの材料の定義は、ともにシステムの「アーキテクチャ」として定義することができる。

ＢＥＳの燃料及び化学製品は、様々な還元有機基質または還元無機基質を含むことができる。燃料の非限定的な例示的な源は、エタノール及び酢酸等の糖類及び低分子量有機分子を含む、廃水中に見出される基質である。これらは、適度な量の電気を発生する一方で、廃水中の生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）を除去することができるため、ＢＥＳは、水処理システムの閉鎖性及びエネルギー論を大幅に高める可能性を有する。ＢＥＳは、複数の有用な生成物の発生、既存の除去システムの効率の改善、及びＣＯ_２の捕捉における補助を含む、多様な能力において機能する可能性を有する。

電極を組み込んだＢＥＳシステムの効率及び経済的な実行可能性を最大化するために、電極の材料及び設計は、材料及び構築のコストを最小限に抑えながら、導電率、表面積、及び生体適合性等の特性を最大化するように設計される。

一態様において、
実質的に平面である電極材料と、
非導電性物質を含むフレームと、
フレームに連結または固定された１つ以上の第１の導電性物質であって、１つ以上の電流コレクタとして平面電極材料に電気接続されている、第１の導電性物質と、を含む電極が記載される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、１つ以上の第１の導電性物質及びフレームは、一緒になって、フレームの一体型本体を形成する。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、１つ以上の第１の導電性物質は、フレームの本体に取り付けられるかまたは固定される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、前記平面の電極材料の外側または外周に取り付けられる。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、剛性である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、平面電極材料は、多孔質である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、平面電極材料は、メッシュである。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、非導電性ポリマー材料を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、電極は、ポリマー材料と第１の導電性物質との間に介在するゴムパッドをさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、平面電極材料の両側に締結された２つの部分を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、電極は、電流コレクタに電気接続され、かつフレームの外側に露出された１つ以上の第２の導電性表面をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、電極は、フレームによって同じ平面内で別の電極または他の複数の電極と接合される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、両面チャネル（Ｈ形チャネルまたは他の好適なチャネル）によって同じ平面内で別の電極または他の複数の電極と接合される。両面チャネルは、フレームに不可欠であっても、またはそうでなくてもよい。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、電極は、実質的に平面である。

別の態様において、本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態の電極と、電極に隣接する１つ以上の平面のプラスチックメッシュとを含む電極アセンブリが記載される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、平面のプラスチックメッシュは、スペーサとして構成される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、１つ以上の溝を含み、平面のプラスチックメッシュは、フレームの１つ以上の溝に挿入される。

さらに別の態様において、
実質的に平面である電極材料、
非導電性物質を含むフレーム、及び
フレームに連結または固定された１つ以上の第１の導電性物質であって、１つ以上の電流コレクタとして平面電極材料に電気接続されている、導電性物質を含む、少なくとも１つの作用電極と、
少なくとも１つの対電極と、
少なくとも１つの絶縁スペーサと、を含む、生物電気化学電極カセットが記載される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、１つ以上の第１の導電性物質及びフレームは、一緒になって、フレームの一体型本体を形成する。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、１つ以上の第１の導電性物質は、フレームの本体に取り付けられるかまたは固定される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、前記平面の電極材料の外側または外周に取り付けられる。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、剛性である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、平面電極材料は、多孔質である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、平面電極材料は、メッシュである。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、非導電性ポリマー材料を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、カセットは、ポリマー材料と第１の導電性物質との間に介在するゴムパッドをさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、フレームは、平面電極材料の両側に締結された２つの部分を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、電流コレクタに電気接続され、かつフレームの外側に露出された１つ以上の第２の導電性表面をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極、対電極、及び絶縁スペーサからなる群から選択される任意の２つ以上の構成要素は、フレームによって接合される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極、対電極、及び絶縁スペーサからなる群から選択される任意の２つ以上の構成要素は、両面チャネル（Ｈ形チャネル）によって接合される。両面チャネルは、フレームに不可欠であってもまたはそうでなくてもよい。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、実質的に平面である。

さらに別の態様において、
少なくとも１つの反応炉チャンバと、
反応炉チャンバ内に配置された少なくとも１つの作用電極と、
少なくとも１つの対電極と、
反応炉チャンバ内に配置され、かつ１つ以上の固定機構を含むラックと、を含み、少なくとも１つの作用電極が、１つ以上の固定機構によってラック内に配置される、生物電気化学システムが記載される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、少なくとも１つの作用電極は、カセットの形態でラック内に配置される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、ラックと電気通信している。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、固定機構は、すり割り付きの溝または締結具である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、導電性物質を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、ステンレススチールを含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、１つ以上の水力学的分配要素を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、混合を強化するための１つ以上の要素を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、１つ以上の流体収集要素を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、巻き上げのための１つ以上の接続点を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、気体注入のための特徴を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、基準電極設置のための特徴を含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、システム情報を収集するための１つ以上のセンサをさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、配線集積化のための１つ以上の要素をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、液体からの固体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、液体からの気体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、反応炉チャンバの上部領域に配置される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、反応炉チャンバの下部領域は、スラッジに基づく消化のために構成される。

さらに別の態様において、
少なくとも１つの反応炉チャンバと、
反応炉チャンバ内に配置された少なくとも１つの作用電極と、
少なくとも１つの対電極と、
反応炉チャンバ内に配置され、かつ１つ以上の固定機構を含むラックと、を含み、少なくとも１つの作用電極が、１つ以上の固定機構によってラック内に配置されるシステムを操作する方法が開示される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、生物電気化学システム内の液体流に垂直に位置付けられる。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、生物電気化学システム内の液体流に平行に位置付けられる。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、生物電気化学システム内の液体流の方向に対して角度を成して位置付けられる。角度の非限定的な例は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、もしくは８５度を含むか、または本明細書に開示される角度のうちのいずれか２つによって境界される範囲内である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極及び／または対電極は、平面電極である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、ラックは、流れを誘導するための１つ以上の水力学的要素をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、システムは、液体からの固体及び／または気体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、作用電極は、水力学的要素の構成要素であるか、または気液分離機及び／もしくは固液分離機の構成要素である。

さらに別の態様において、電流の印加によって被覆物質で導電性基板を電気化学的に被覆することを含む、生物電気化学システムのための電極材料を構築するための方法が記載される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、被覆物質は、粉末である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、被覆物質は、液体に懸濁または溶解される。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、被覆物質は、導電性物質及び高表面積物質からなる群から選択される１つ以上の物質を含浸させたポリマー材料である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、導電性物質は、炭素である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、導電性基板は、アルミニウム、炭素、銅、クロム、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、マグネシウム、それらの合金、及びそれらの混合物からなる群から選択される１つ以上の物質である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、導電性基板は、鋼鉄、ステンレススチール、真鍮、及び青銅からなる群から選択される１つ以上の物質である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、被覆物質は、炭素及びエポキシインキからなる群から選択される１つ以上の物質である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、高表面積物質は、炭素である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、被覆物質は、液状金属である。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、方法は、被覆物質で導電性基板を被覆するステップの前、間、または後に、導電性基板を加熱することをさらに含む。

本明細書に開示される任意の１つ以上の実施形態において、加熱は、導電性基板の電気抵抗、または誘導電流によって発生する熱によって達成される。

以下の図を参照して本発明を説明するが、これらは例示目的のためにのみ提示されるのであって、限定的であることを意図するものではない。

１つ以上の実施形態に従って、フレーム（１０１）、統合型電流コレクタ（１０２）、及びフレームから突出した電気接点（１０３）を有する平面電極（１００）を示す。 １つ以上の実施形態に従って、フレーム（２０１）を有する平面電極（２００）、統合型電流コレクタ（２０２）、及びＨ形チャネル（２０４）によって第２の電極アセンブリに接合された電気接点（２０３）を有する電極アセンブリを示す。 １つ以上の実施形態に従って、作用電極（３０１）、対電極（３０２）、絶縁スペーサ材料（３０３）、及び任意選択的な平面電極フレーム構成要素（３０４）を包含するフレーム（３００）によって辺縁部を囲まれた電極カセットの等角図を示す。 同じ電極の正投影図を示す。 １つ以上の実施形態に従って、作用電極（４０２）及び対電極（４０３）を包含するラックアセンブリ（４０１）を有し、巻上げ機取付け点（４０４）水力学的マニホールド（４０５）統合型機器及び配線（４０６）を特徴とする反応チャンバ（４００）を示す。 １つ以上の実施形態に従って、１２日の期間にわたって行われた４回のバッチサイクルにおける実施において実証された、銅、ステンレススチール、炭素、及びチタンを含む様々な基材の平面生体陽極の性能を示す。 １つ以上の実施形態に従って、１６日の期間にわたって行われた４回のバッチサイクルにおける実施において実証された、ファイバーシート、有孔シート、金属メッシュ、及び可撓性金属シートを含む種々のアーキテクチャの平面生体陽極の性能を示す。

本発明は、ＢＥＳにおいて使用するのに好適な電極に関する種々の新規概念、そのような電極を製造するための方法、及びそのような電極をより幅広いシステムに組み込むＢＥＳに関与する。

電極材料及び製造方法
本発明は、ＢＥＳに使用するための新規電極及びその調製方法を含む。新規電極及びその調製方法は、ＢＥＳに使用するためのコスト効果の高い電極を構築する上で複数の障害に対応することができる。一般的に、電極の導電率が高いほど、それらはより効率的である。しかしながら、ＢＥＳ電極が使用される条件は、多くのコスト効果の高い導電性材料にとって最適ではない。不都合な点は、腐食する傾向及び／または殺生物特性を含む。

いくつかの実施形態において、ＢＥＳシステムに使用するための電極は、前述の障害に対応する、コーティングが施された導電性物質を含んでもよい。コーティングの塗布方法は、電着（電気めっきまたは電気泳動塗装、刷毛塗装、スプレー塗装、及び浸漬）を含む。

特定の実施形態において、コーティングの塗布は、基板を腐食から保護するため、生態を基板の生物学的特性から保護するため、またはその両方のために使用することができる。コーティングの塗布は、電着によって達成することができる：コーティングは、最初に、固体粉末の形態で基板の表面に塗布されてもよい。次いで、電流を印加して、基板の表面に対する被覆物質の電気化学的結合を引き起こす。代替として、コーティングは、電流の印加前に、被覆材料を含有する溶液に基板を浸漬することによって塗布されてもよい。

いくつかの実施形態において、コーティングの塗布はまた、塗装によって達成されてもよく、ブラシもしくは他の同等の道具を用いて液体被覆材料が導電性基板上に塗られるか、または加圧デバイスを用いて液体被覆材料が導電性基板上に塗られる。また、コーティングは、被覆材料の溶液中に基板を浸漬し、あらゆる残留材料を滴下させて除去することによって塗布されてもよい。そのようなコーティングは、被覆された基板を高温まで加熱することによって安定化させるかまたは塗布後硬化させてもよい。熱硬化させたコーティングは、ポリマー、樹脂、エポキシ、またはシリコーンを含むが、これらに限定されない任意の数または化合物からなってもよい。熱硬化させたコーティングは、被覆材料への曝露の前に、被覆材料に浸漬している間に、または被覆材料の層で覆った後に、基板／基材を加熱することによって固化（安定化）させてもよい。基材の加熱に非限定的な例は、電気抵抗（ジュール加熱）または誘導電流（誘導加熱）によって発生する熱によって達成されてもよい。

いくつかの実施形態において、企図される基板材料は、アルミニウム、炭素、銅、クロム、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、またはそれらの合金／混合物、例えば、鋼鉄、ステンレススチール、真鍮、または青銅等の任意の導電性材料を含む。被覆材料は、電着によって塗布される前述の導電性材料のいずれであってもよいか、または本明細書に記載される導電性材料、例えば炭素を含浸させたポリマーであってもよい。いくつかの実施形態において、コーティングはまた、所望の反応のための触媒及び／または基板に対するコーティングの接着を向上させるための結合剤等の他の物質を含んでもよい。触媒材料の非限定的な例は、活性炭、白金、コバルト、金、マンガン、鉄、及びニッケルを含んでもよい。結合剤は、エポキシ、ワニス、ポリマー、または好適な化学特性を有する他の化合物を含んでもよい。

コーティングは、表面積の増加及び高い電気伝導率を促進するように異なるサイズ及び形状の要素を含有してもよい。一例として、炭素系塗料（導電性炭素及び活性炭の両方からなっていてもよい）中の炭素繊維が挙げられる。炭素繊維は、被覆表面からの突出を可能にするように、導電性塗料の塗布に従うステップにおいて塗布することができる。

基板の形状は、任意の所望の形状であり得る。特定の実施形態において、形状は、メッシュまたはシート等の平面形状である。平面電極は、異なる多孔度及び開放表面特性を有してもよい。平面電極は、電流の収集を促進するようにアセンブリに統合された導電性材料を有することができる。

丈夫な電極アーキテクチャ
いくつかの実施形態において、電極は、電流コレクタ（current collector）を支持構造体に組み込む。これは、ＢＥＳに使用するための丈夫な電極のコスト効果の高いアセンブリを促進する。また、これらの電極は、複数電極ＢＥＳにおける個々の電極の容易なメンテナンスまたは交換を促進するためにも構築及び構成され得る。これは、個別に、また最低限の労力で、容易にＢＥＳに挿入するかまたはそこから取り出すことができるラック等の電極保持構造体に適合するように電極を構築することによって達成される。

いくつかの実施形態において、電極アセンブリは、種々の機能を有するいくつかの構成要素及び構造体を包含してもよい。上述のように、電極材料は、酸化及び還元反応の触媒を促進する。電流コレクタ（電流収集体）は、電極から外部電気回路への電流の伝達を促進する。電流コレクタは、電極の構造体（例えば、基材）に統合されてもよいか、または別個の材料として統合されてもよい。フレームは、電極に支持及び構造を提供することができる。フレームは、電極材料及び／または電流コレクタと直接組み合わせることができる。他の構成要素への電気的短絡を防止するために、絶縁性材料が電極に加えられてもよい。これらの絶縁性材料は、フレーム材料に組み込むことができるか、または一緒に使用することができる。

電極フレーム：支持構造体、絶縁体、及び／または電流コレクタ
次に、１つ以上の実施形態に従って開示される電極について、図１を参照して説明する。図１は、フレーム（１０１）、統合型電流コレクタ（１０２）、及びフレームから突出した電気接点（１０３）を有する平面電極（１００）を示す。電極フレームはまた、重複機構（１０４）及びさねはぎ機構（１０５）を使用して電極を当接させる機械的接合のための特徴も有するように示されている。いくつかの実施形態において、電極は、外側周辺にフレーム（１０１）を有する、平板、メッシュ、有孔シート、可撓性シートまたはフォーム（１００）等の実質的に平面の多孔形状である。フレームは、平面電極材料に剛性を加えるための支持構造体として、電気的短絡を防止するための電気絶縁体として、及び／または電流コレクタとして機能し得る。これは、陽極及び／または陰極として使用するため、ならびに生物電極及び非生体電極の両方としての電極の構築における使用に好適である。

いくつかの実施形態において、導電性材料が電流コレクタとして機能する一方で、フレームの非導電性部分が絶縁体として機能するように、フレームは、非導電性材料及び導電性材料の組み合わせから構築されてもよい。フレームに使用される材料は、必要な絶縁特性または導電特性を有する任意の材料（または材料の組み合わせ）であってもよい。いくつかの特定の実施形態において、絶縁性材料はプラスチックであり、導電性材料はステンレススチールである。しかしながら、本発明において使用することが企図される他の材料は、絶縁性材料としてゴム、セラミック、またはガラス、また導電性材料として、鉄、銅、アルミニウム、チタン、亜鉛、ニッケル、銅、もしくはそれらの合金等の金属、または導電性塗料もしくはエポキシもしくは炭素（例えば、グラファイト、グラフェン、導電性カーボン、カーボンブラック、活性炭）等の他の導電性材料である。

フレームは、単一部品または複数部品のフレームであってもよい。いくつかの実施形態において、フレームは、平面電極材料をフレーム上に固定することができる１つ以上の固定機構、例えば、すり割り付きの溝（複数可）または締結具を含む。代替として、フレームは、電極材料の両側に締結された２つの部品を含んでもよい（すなわち、電極材料は、フレームの２つの側面の間に「挟まれる」）。フレームは、十分な支持を提供するために構成される任意の形状をとることができる。特定の実施形態において、フレームは、平面電極材料の少なくとも外周周辺に位置する。フレームは、外周部品によって境界される領域にわたってグリッド等の種々のストリップを含んでもよい。当該技術分野で既知の電極をフレーム上に固定する任意の他の方法が企図される。

特定の実施形態において、各電極材料、例えば、平面電極は、絶縁セパレータとしての役割を果たす平面のプラスチックメッシュ（プラスチックで出来たメッシュ）の近傍に保持される。プラスチックメッシュは、例えば、ジップタイ（ケーブルタイ）を使用して、電極メッシュに締結することができる。プラスチックメッシュは、電気的短絡を防止するために、２つの隣接する平面電極間のスペーサとして機能させる。平面のプラスチックメッシュは、フレームの溝に挿入してもよいか、またはカセットアセンブリの一部として挿入してもよい。

特定の実施形態において、電極フレームは、同じフレーム内で当接する電極またはカセットを接合するための機構を含んでもよい。図１に示すように、この機構は、移動を防止するための重複機構（１０４）、連動するさねはぎアセンブリ（１０５）、または他の形態の機械的アセンブリであってもよい。フレーム構成要素は、これらの機械的アセンブリを促進するために、非対称性を用いて構築されてもよい。連動する構成要素は、他の構成要素に当接する側に含まれてもよく、他の構成要素に当接していない側には含まれなくてもよい。アセンブリは、クリップ、締結具、タイ、ラップ、または他の手段を用いて一緒に保持されてもよい。

いくつかの実施形態において、導電性材料、電極（１００）、または電流コレクタ（１０２）は、フレームの外表面に選択的に露出され、それによって電極と残りの電気系統との間の電気接続を可能にする接点（１０３）を作製する（図１）。フレーム内に含まれる電流コレクタは電極の表面にわたってストリップまたはワイヤで増強することができる。いくつかの実施形態において、導電性材料は、特にフレームの外側に露出している場所における短絡を防止するために、絶縁性材料によって保護されてもよい。

いくつかの実施形態において、導電性の接触点は、フレームの辺縁部に位置する不連続な点、または辺縁部の一部もしくは全体に沿った導電性材料のストリップ等の種々の形態をとることができる。導電性の接触点は、平面に垂直な辺縁部または平面に平行な辺縁部のいずれかに沿って位置することができる。

いくつかの実施形態において、電極電流コレクタは、電気回路への伝送のために外部導体に接続される。接続方法は、機械的締結、機械的合体、機械的圧着、溶接、はんだ付け、化学的締結及び接合を含んでもよい。接続は、腐食防止物質、耐薬品性添加剤、接続部用封止剤、及び正常な電気接続を維持するための他の化学物質等の有益な物質を接続部に含めることによって強化されてもよい。また、接続部の外側は、防湿性を確保するために縮小する材料によって保護されてもよい。

特定の実施形態において、電極材料に面する側で摩擦パッドがプラスチックに取り付けられた状態で、平面メッシュ電極材料が２つのプラスチックフレームの間に挟まれていてもよい。ステンレススチールのワイヤまたはストリップが、電流コレクタとして使用され、摩擦パッドによって電極材料に押し付けられる。特定の実施形態において、ステンレススチールのストリップは、平面メッシュに垂直な辺縁部の長さに沿って露出されるように電極の外周に取り付けられる。

特定の実施形態において、電気回路に中間インターフェースを提供するために、単一電極の電流コレクタを導電性の上部構造体に取り付けることができる。

電極対カセット
いくつかの実施形態において、電極カセット（電極収容体）内に２つ以上の電極を対で組み立てることができる（図３Ａ及び３Ｂ）。電極カセットは、生物電気化学活性に必要及び十分ないずれかまたは全ての構成要素を含むアセンブリの最小限のモジュール構成ブロックとして使用されてもよい。これらの構成要素は、限定されないが、作用電極（３０１）、対電極（３０２）、電流コレクタ、電極フレーム（３００）、非導電性スペーサ要素（３０４）、ならびに電気配線及び回路を含んでもよい。特定の実施形態において、カセットは、ＢＥＳシステムにおける電極対の容易な交換を可能にする。カセットは、ラック構造体の中に確実に配置されるように、またはＢＥＳシステム内で独立して支持されるように製造することができる。

いくつかの実施形態において、フレームは、２つの電極、電極対、または電極カセットの間に配置される絶縁構造体を含んでもよい。このように、フレームは、同じ平面内で互いに当接して配置される電極に支持を提供することができる。フレームは、１つの材料であってもよいが、そうである必要はない。必要な機能を実行することができる限り、フレームは、電極または電流コレクタ材料に機械的に取り付けられてもよいかまたはそうでなくてもよい。

電極対カセットフレームは、限定されないが、支持構造、電流収集、電気絶縁、及び機械的アセンブリ特徴を含む、平面電極フレームと同じ機能の全てを包含してもよい。

構成要素アセンブリ及び電極ラック
同じ平面内で互いに当接する平面電極または電極カセットは、アセンブリ内で一緒に締結されてもよい。図２に示すように、いくつかの実施形態において、構成要素は、両面チャネルまたはＨ形チャネルの使用によって締結されてもよい。Ｈ形チャネル（２０４）は、平面電極（２００）の電極アセンブリを、フレーム（２０１）、統合型電流コレクタ（２０２）、及び電気接点（２０３）と接合するために用いられてもよい。Ｈ形チャネル（２０７）は、単一平面電極（２０５）を辺縁部フレーム（２０６）と接合するために使用することができる。代替として、Ｈ形チャネル（２１２）は、２つの電極カセットを、作用電極（２０８）、対電極（２０９）、絶縁スペーサ（２１０）、及びフレーム構成要素（２１１）と接合するために使用することができる。

いくつかの実施形態において、ラックは、１つ以上の固定機構、例えば、すり割り付きの溝（複数可）または締結具を含み、それを用いて電極をラック上に固定することができる。当該技術分野で既知の電極をラック上に固定する任意の他の方法が企図される。

特定の実施形態において、図４に示すように、ＢＥＳによって用いられる場合、電極は、処理チャンバ（４００）内の電極ラック（４０１）に配置されてもよい。ラックは、各作用電極（４０２）及び対電極（４０３）が、別個のスロット、溝、または他の機械的機構によって所定位置に保持されるように構成される。電極は、必要に応じて、各スロットに挿入されてもよいか、またはそこから取り出されてもよい。電極ラックは、電極がラックのスロットに挿入されたときに、電極上の導電点が電極ラック内の導電性材料に接触するように構成されてもよい。陽極及び陰極に別個の接点が提供されてもよい。

電極ラックは、反応チャンバ内に配置される個別の構造体として記載してきたが、これは、反応チャンバ自体（例えば、処理チャンバとして使用されるタンクの側面の溝等）に組み込まれ得ることに留意されたい。

例えば、一実施形態において、ラックは、全てステンレススチール（または別の導電性材料）で作製することができる。導電性ラックとの単一接点から電極に電圧を印加することができる。代替として、単一接点から電流を得ることができる。このように、ラックは、統合型電流コレクタ機構である。代替として、いくつかの実施形態において、対電極を永久的な備品としてラック内に直接組み込むことができる。例えば、取り外し可能な電極が陽極である場合、ラック自体は陰極として機能させることができ、逆の場合も同様である。これは、ラックがステンレススチールである場合に、ラック自体が陰極として機能するため、特に適切である。

電極ラックは、全体的なＢＥＳの構造によって必要とされる通りに、任意の方向でまたは任意の形状もしくはサイズで配向することができる。特定の実施形態で電極を用いるＢＥＳにおいて、ラックは、通常、電極の平面が処理される水の流れに垂直になるように配向される。しかしながら、電極はまた、流れの方向に平行に、または平行と垂直の間のある角度で配向されてもよい。角度の非限定的な例は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、もしくは８５度を含むか、または本明細書に開示される角度のうちのいずれか２つによって境界される範囲内である。

いくつかの実施形態において、電極ラックは、強化された水力学的分配要素もしくは収集要素（４０５）、またはＢＥＳシステムにおける混合を強化するための要素を提供するように構成することができる（図４）。例えば、一実施形態において、流体分配マニホールドを、ラック構造体に統合することができる。分配マニホールドは、ＢＥＳシステムを通る流体の流れが所与のＢＥＳ形状に対して均一かつ一様であるように、ラック内に、またはラックの一部として位置付けることができる。流体分配マニホールドはまた、ＢＥＳシステムを洗浄するための機構としても使用することができる。別の実施形態において、ラック構造体は、水力学的要素または特徴のための要素、例えば、乱流を誘導してＢＥＳシステム内の混合を強化するバッフルを用いて構成することができる。別の実施形態において、電極ラックは、流体収集要素、例えば、ＢＥＳシステムに収集点を提供するためのマニホールドを用いて構成することができる。いくつかの実施形態において、収集マニホールドは、ラック内に、またはラックの一部として位置付けることができる。

特定の実施形態において、ラックは、ラック及び／または電極を巻き上げるかまたは持ち上げるための１つ以上の接続点を備える。他の実施形態において、ラックは、空気注入のための要素を備える。例えば、ラックは、空気、酸素、窒素、または他の好適な気体を注入するための空気吸入口への１つ以上のポートまたは接続部を含んでもよい。さらに他の実施形態において、ラックは、基準電極設置のための特徴を包含する。他の実施形態において、ラックは、配線集積化のための特徴を包含する。

いくつかの実施形態において、電極ラックは、ＢＥＳシステムにおける固体管理のための特徴及び機構を用いて構成することができる。例えば、一実施形態において、気体注入マニホールドは、ラック構造体に統合されてもよいか、またはラック構造体の一部であってもよい。いくつかの実施形態において、気体注入マニホールドは、空気または他の気体をシステム内に注入するために使用することができ、それによってＢＥＳシステム内の固体及び残渣を除去することができる乱流の源を提供する。いくつかの実施形態において、気体注入マニホールドは、所与のＢＥＳ形状に対して気体乱流を強化する構成であってもよい。いくつかの実施形態において、気体注入システムはまた、ＢＥＳシステム洗浄するための機構としても使用することができる。代替の構成において、気体注入システムは、ＢＥＳシステム内で起こっている反応を強化する気体を注入するために使用することができる。非限定的な例として、ＢＥＳシステムにおけるメタンの変換を強化するための気体源として、ＣＯ_２または同様の気体を使用することができる。代替として、反応器を覆うため、または剥離剤として、Ｎ_２または他の不活性ガスを使用することができる。限定されないが、燃料としてのＨ_２Ｓまたは酸化剤としての酸素を含む他の気体を、プロセスにおける反応物として導入することができる。

いくつかの実施形態において、電極ラックは、反応器にラックを設置するため、または反応器からラックを除去するための手段を提供する特徴及び機構を用いて構成することができる。例えば、一実施形態において、フック、ハトメ、または同様のそのような特徴（４０４）等の接続点は、機械的デバイスによってラックを移動させることができるように、ラックシステムに統合することができる（図４）。

図４に示すように、いくつかの実施形態において、電極ラックは、電極ラック（４０６）の中にまたはラックに基準電極（複数可）を設置することができるように構成することができる。基準電極は、電極に近接して保持されてもよいか、またはさもなければ液体環境に浸漬されてもよい。ラックはまた、限定されないが、温度、ｐＨ、導電率、イオン特異性電極、光学センサ、溶解酸素、及び液体レベルを含む他の機器及びセンサ（４０６）のための取り付け位置及び配線を包含してもよい。機器及びラックの配線は、ローカル論理演算子または中央制御システムに統合されてもよい。

図４に示すように、いくつかの実施形態において、電極ラックは、電極の配線がラックシステム（４０６）と一体であるか、または該システムと一体型本体を形成するように構成することができる。そのような１つの構成において、電極ラックは、ラック構造体において電極を中心接続点まで電極配線の経路を定めるための手段を組み込む。いくつかの実施形態において、プラグ及びワイヤがラックに統合されてもよい。

ラックの機能性は、上記特徴のいずれか１つ、または上記特徴の２つ以上の任意の組み合わせを含むことができる。

嫌気性消化を強化するための適用
いくつかの実施形態において、本明細書に記載される電極は、複数の種類のＢＥＳにおいて使用することができるか、または嫌気性処理システムもしくは嫌気性消化（集合的に「ＡＤ」）システムに統合することができる。

いくつかの実施形態において、電極ラックはＡＤシステムに統合され、上向き、下向き、栓流、静的固定床、動的固定床、流動床、スラッジブランケット、拡張型粒状スラッジ床、内部循環、連続撹拌槽型反応器（「ＣＳＴＲ」）、バッチ、フェドバッチ、逐次バッチ、または膜型ＡＤ反応器のいずれかを強化する。

ＢＥＳの構成要素は、全体的なシステム設計の性能と関連した追加の水力学的特徴を構成してもよい。いくつかの実施形態において、ラックがタンクの上部領域に位置し、下部領域がスラッジに基づく消化に用いられるように、電極ラックを生物反応器内に配置することができる。

改良されたＣＳＴＲまたは他の嫌気性処理システムの一実施形態は、実質的に円形のタンクを含む。この実施形態において、ラック及び電極は、実質的に円形状を有する。この設計は、３つの異なるチャンバを作製するようにさらに改善することができる。各チャンバは、任意の種類の嫌気性処理システムＣＳＴＲ、沈殿槽、または低速消化槽として動作させることができる。各チャンバは、フィルタ、バッフル、膜、及び／または他の分離機構によって分離することができる。より上位にあるチャンバ（一方または両方）は、ＣＴＳＲ反応器として機能してもよく、より下位のチャンバは、沈殿槽、または低速消化槽として機能してもよい。変動する体積レベルは、必要に応じてチャンバごとに水理学的滞留時間を増加させるように制御され得る。

水処理用微生物の成長により有利な表面を提供するために、充填材等の生物膜成長のための支持構造体が、反応器の任意の領域、特に、電極ラックの下の上部領域（複数可）に導入されてもよい。また、支持構造体は、電極を収容するものと同様のラック内に挿入されるカートリッジもしくはモジュール内に構築もしくは充填することができるか、または単一のラックが電極及び支持構造体に使用されてもよい。これにより、支持構造体の容易なメンテナンスまたは交換が可能になる。
（実施例）

図５は、１２日の期間にわたって行われた４回のバッチサイクルにおける実施において実証された、銅、ステンレススチール、炭素、及びチタンを含む様々な基材の平面生体陽極の性能を示す。人工廃水の燃料を用いた同一のベンチスケール反応器において、一貫した非生体陰極を用いてシステムを操作した。金属基部を同じ導電性コーティングで被覆し、炭素には被覆しなかった。銅ベースの基板材料が最も高い電流レベルを示すことが分かった。

図６は、１６日の期間にわたって行われた４回のバッチサイクルにおける実施において実証された、ファイバーシート、有孔シート、金属メッシュ、及び可撓性金属シートを含む種々のアーキテクチャの平面生体陽極の性能を示す。人工廃水の燃料を用いた同一のベンチスケール反応器において、一貫した非生体陰極を用いてシステムを操作した。全ての金属シート（有孔、メッシュ、可撓性シート）を同じ導電性コーティングで被覆した。

上記は、本発明の１つ以上の特定の実施形態を例示するものである。本発明の他の修正例及び変形例は、本明細書に提示される教示を鑑みれば、当業者には容易に明らかとなるであろう。上記は、本発明を実施する上で、例示となることを意図しているのであって、限定するものではない。

Claims (68)

1. 生物電気化学システムにおいて使用するための電極であって、
   実質的に平面の電極材料と、
   非導電性物質を含むフレームと、
   前記フレームに連結または固定された１つ以上の第１の導電性物質であって、１つ以上の電流コレクタとして前記平面の電極材料に電気接続されている、第１の導電性物質と、を備える、電極。
2. 前記１つ以上の第１の導電性物質と前記フレームは共に、前記フレームの一体型の本体を形成する、請求項１に記載の電極。
3. 前記１つ以上の第１の導電性物質は、前記フレームの前記本体に取り付けられるかまたは固定される、請求項１に記載の電極。
4. 前記フレームは、前記平面の電極材料の外側または外周に取り付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電極。
5. 前記フレームは、剛性である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電極。
6. 前記平面の電極材料は、多孔質である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極。
7. 前記平面の電極材料は、メッシュである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電極。
8. 前記フレームは、非導電性ポリマー材料を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電極。
9. 前記ポリマー材料と前記第１の導電性物質との間に介在するゴムパッドをさらに備える、請求項８に記載の電極。
10. 前記フレームは、前記平面の電極材料の両側に締結された２つの部分を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電極。
11. 電極は、前記電流コレクタに電気接続され、かつ前記フレームの前記外側に露出された１つ以上の第２の導電性表面をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電極。
12. 電極は、前記フレームによって同じ平面内で別の電極または他の複数の電極と接合される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電極。
13. 電極は、両面のチャネルによって同じ平面内で別の電極または他の複数の電極と接合される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電極。
14. 電極は、実質的に平面である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電極。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電極と、当該電極に隣接する１つ以上の平面のプラスチックメッシュと、を備える、電極アセンブリ。
16. 前記平面のプラスチックメッシュは、スペーサとして構成される、請求項１５に記載の電極アセンブリ。
17. 前記フレームは、１つ以上の溝を備え、前記平面のプラスチックメッシュは、前記フレームの前記１つ以上の溝に挿入される、請求項１５または１６に記載の電極アセンブリ。
18. 実質的に平面の電極材料、
    非導電性物質を含むフレーム、及び
    前記フレームに連結または固定された１つ以上の第１の導電性物質であって、１つ以上の電流コレクタとして前記平面の電極材料に電気接続されている、導電性物質を備える、少なくとも１つの作用電極と、
    少なくとも１つの対電極と、
    少なくとも１つの絶縁スペーサと、を備える、生物電気化学電極カセット。
19. 前記１つ以上の第１の導電性物質と前記フレームは共に、前記フレームの一体型の本体を形成する、請求項１８に記載のカセット。
20. 前記１つ以上の第１の導電性物質は、前記フレームの前記本体に取り付けられるかまたは固定される、請求項１８に記載のカセット。
21. 前記フレームは、前記平面の電極材料の外側または外周に取り付けられる、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のカセット。
22. 前記フレームは、剛性である、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載のカセット。
23. 前記平面の電極材料は、多孔質である、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載のカセット。
24. 前記平面の電極材料は、メッシュである、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載のカセット。
25. 前記フレームは、非導電性ポリマー材料を含む、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載のカセット。
26. 前記ポリマー材料と前記第１の導電性物質との間に介在するゴムパッドをさらに備える、請求項２５に記載のカセット。
27. 前記フレームは、前記平面の電極材料の両側に締結された２つの部分を備える、請求項１８〜２６のいずれか一項に記載のカセット。
28. 前記作用電極は、前記電流コレクタに電気接続され、かつ前記フレームの前記外側に露出された１つ以上の第２の導電性表面をさらに備える、請求項１８〜２７のいずれか一項に記載のカセット。
29. 前記作用電極、前記対電極、及び前記絶縁スペーサからなる群から選択される任意の２つ以上の構成要素は、前記フレームによって接合される、請求項１８〜２８のいずれか一項に記載のカセット。
30. 前記作用電極、前記対電極、及び前記絶縁スペーサからなる群から選択される任意の２つ以上の構成要素は、両面のチャネルによって接合される、請求項１８〜２９のいずれか一項に記載のカセット。
31. 前記作用電極は、実質的に平面である、請求項１８〜３０のいずれか一項に記載のカセット。
32. 少なくとも１つの反応炉チャンバと、
    前記反応炉チャンバ内に配置された少なくとも１つの作用電極と、
    少なくとも１つの対電極と、
    前記反応炉チャンバ内に配置され、かつ１つ以上の固定機構を備えるラックと、を備え、前記少なくとも１つの作用電極は、前記１つ以上の固定機構によって前記ラック内に配置される、生物電気化学システム。
33. 前記少なくとも１つの作用電極は、カセットの形態で前記ラック内に配置される、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記作用電極は、前記ラックと電気通信している、請求項３２または３３に記載のシステム。
35. 前記固定機構は、すり割り付きの溝または締結具である、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載のシステム。
36. 前記ラックは、導電性物質を含む、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記ラックは、ステンレススチールを含む、請求項３２〜３６のいずれか一項に記載のシステム。
38. 前記ラックは、１つ以上の水力学的分配要素を備える、請求項３２〜３７のいずれか一項に記載のシステム。
39. 前記ラックは、混合を強化するための１つ以上の要素を備える、請求項３２〜３８のいずれか一項に記載のシステム。
40. 前記ラックは、１つ以上の流体収集要素を備える、請求項３２〜３９のいずれか一項に記載のシステム。
41. 前記ラックは、巻き上げのための１つ以上の接続点を備える、請求項３２〜４０のいずれか一項に記載のシステム。
42. 前記ラックは、気体注入のための特徴を備える、請求項３２〜４１のいずれか一項に記載のシステム。
43. 前記ラックは、基準電極設置のための特徴を備える、請求項３２〜４２のいずれか一項に記載のシステム。
44. 前記ラックは、システム情報を収集するための１つ以上のセンサをさらに備える、請求項３２〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
45. 前記ラックは、配線集積化のための１つ以上の要素をさらに備える、請求項３２〜４４のいずれか一項に記載のシステム。
46. 前記ラックは、液体からの固体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに備える、請求項３２〜４５のいずれか一項に記載のシステム。
47. 前記ラックは、液体からの気体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに備える、請求項３２〜４６のいずれか一項に記載のシステム。
48. 前記ラックは、前記反応炉チャンバの上部領域に配置される、請求項３２〜４７のいずれか一項に記載のシステム。
49. 前記反応炉チャンバの下部領域は、スラッジに基づく消化のために構成される、請求項４８に記載のシステム。
50. 請求項３２に記載のシステムを操作する方法。
51. 前記作用電極は、前記生物電気化学システム内の液体流の方向に垂直に位置付けられる、請求項５０に記載の方法。
52. 前記作用電極は、前記生物電気化学システム内の前記液体流の方向に平行に位置付けられる、請求項５０に記載の方法。
53. 前記作用電極は、前記生物電気化学システム内の前記液体流の方向に対して角度を成して位置付けられる、請求項５０に記載の方法。
54. 前記作用電極及び／または対電極は、平面電極である、請求項５０〜５３のいずれか一項に記載の方法。
55. 前記ラックは、流れを誘導するための１つ以上の水力学的要素をさらに備える、請求項５０〜５４のいずれか一項に記載の方法。
56. 前記システムは、液体からの固体及び／または気体の分離を強化するように構成される１つ以上の構成要素をさらに備える、請求項５０〜５５のいずれか一項に記載の方法。
57. 電流の印加によって被覆物質で導電性基板を電気化学的に被覆することを含む、生物電気化学システムのための電極材料を構築するための方法。
58. 前記被覆物質は、粉末である、請求項５７に記載の方法。
59. 前記被覆物質は、液体に懸濁または溶解される、請求項５７に記載の方法。
60. 前記被覆物質は、導電性物質及び高表面積物質からなる群から選択される１つ以上の物質を含浸させたポリマー材料である、請求項５７〜５９のいずれか一項に記載の方法。
61. 前記導電性物質は、炭素である、請求項６０に記載の方法。
62. 前記導電性基板は、アルミニウム、炭素、銅、クロム、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、マグネシウム、それらの合金、及びそれらの混合物からなる群から選択される１つ以上の物質である、請求項５７〜６１のいずれか一項に記載の方法。
63. 前記導電性基板は、鋼鉄、ステンレススチール、真鍮、及び青銅からなる群から選択される１つ以上の物質である、請求項５７〜６２のいずれか一項に記載の方法。
64. 前記被覆物質は、炭素及びエポキシインキからなる群から選択される１つ以上の物質である、請求項５７〜６３のいずれか一項に記載の方法。
65. 前記高表面積物質は、炭素である、請求項５７〜６４のいずれか一項に記載の方法。
66. 前記被覆物質は、液状金属である、請求項５７〜６５のいずれか一項に記載の方法。
67. 前記被覆物質で前記導電性基板を被覆するステップの前、間、または後に、前記導電性基板を加熱することをさらに含む、請求項５７〜６６のいずれか一項に記載の方法。
68. 加熱は、前記導電性基板の電気抵抗、または誘導電流によって発生する熱によって達成される、請求項６７に記載の方法。