微生物燃料電池和使用方法
【專利說(shuō)明】微生物燃料電池和使用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年3月15日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/790, 195的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu) 先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本公開設(shè)及微生物燃料電池并且使用所述燃料電池的方法也在本文進(jìn)行公開。
[0004] 政府支持感謝
[0005] 本發(fā)明是在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予的CBET0955124和IIP1265144的政府支持 下做出的。政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)力。
【背景技術(shù)】
[0006] 化石燃料的有限儲(chǔ)量和對(duì)減少溫室氣體排放不斷增長(zhǎng)的壓力已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)替代 能源的迫切需要。在美國(guó)和其它發(fā)達(dá)國(guó)家，廢水處理占了約3%的電能消耗。據(jù)估計(jì)廢水包 含的能源為目前現(xiàn)代廢水處理廠用于處理水所消耗能源的9. 3倍的量那么多。微生物燃料 電池（MFC)技術(shù)使用微生物來(lái)催化從可生物降解有機(jī)物直接發(fā)電，在處理廢水的同時(shí)提供 了用于從廢水產(chǎn)生能源的全新方法。MFC技術(shù)在將廢水處理從耗能過(guò)程轉(zhuǎn)化為凈能源產(chǎn)生 過(guò)程上具有廣闊前景，因此大幅度提高對(duì)廢水處理和再利用的能源可持續(xù)性。
[0007] 單室空氣-陰極微生物燃料電池（MFC)在許多實(shí)際應(yīng)用上較雙室系統(tǒng)提供了很 大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?)可W使用被動(dòng)空氣因此不需要曝氣，2)不需要陰極電解液的循環(huán)或化學(xué) 再生，因此操作簡(jiǎn)化，和3)更小的電池體積，因此容易實(shí)現(xiàn)更高的體積功率密度。此外，空 氣-陰極MFCs缺乏質(zhì)子交換膜（PEM)，由于其低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和相對(duì)大的功率密度而具有 廣闊前景。然而無(wú)膜MFCs呈現(xiàn)兩個(gè)主要挑戰(zhàn)；（1)當(dāng)使用混合培養(yǎng)物時(shí)由于氧氣擴(kuò)散穿過(guò) 陰極而消耗基質(zhì)，庫(kù)侖效率比含有膜的MFCs低得多；和（2)由于氧氣對(duì)陽(yáng)極上厭氧菌活性 的潛在負(fù)面影響W及短路的風(fēng)險(xiǎn)，在無(wú)膜MFC中陽(yáng)極和陰極距離被局限于某一范圍（大約 l-2cm)。相對(duì)大的電極間距不僅增加內(nèi)電阻，也限制了體積功率密度。
[0008] 常規(guī)MFC的另外的限制是單一MFC的輸出電壓通常低于0.8V，并且在最大輸出功 率下時(shí)常低于0.3V。如此低的輸出電壓大大限制了MFCs的應(yīng)用。在常規(guī)方法中，輸出電 壓通過(guò)將幾個(gè)MFC連同導(dǎo)體或集電器串聯(lián)地連接而增加。然而，所述串聯(lián)連接時(shí)常導(dǎo)致諸 如電壓反轉(zhuǎn)和電壓轉(zhuǎn)換等問題，其大大地減少了MFC堆的整體性能。在本領(lǐng)域使用的另外 的解決方案是使用DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)增高電壓。但是，該種方法不僅增加了MFC堆的復(fù)雜性 還因此降低其可靠性，而且因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過(guò)程中失去很大一部分能源而減少總效率。此外，大 的MFC堆仍需要集電器，其不僅增加MFC堆的總成本和尺寸，而且減少了MFC的可靠性和壽 命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本文公開了微生物燃料電池的實(shí)施方案，所述微生物燃料電池包含陽(yáng)極組件、陰 極組件和配置w減少內(nèi)電阻和抵抗生物降解的隔膜組件。所述陽(yáng)極組件和陰極組件與隔膜 組件相關(guān)聯(lián)并且可能是直接接觸，或者通過(guò)另外的組件與隔膜組件相連。
[0010] 所述隔膜組件是織物或非織物（wovenornon-wovenf油ric)，其包含親水性纖 維、疏水性纖維或它們的組合。所述親水性纖維通常選自聚丙締（polypropylene)、人造纖 維（rayon)、粘膠纖維（viscose)、醋酸纖維（acetate)、棉、巧龍和它們的組合。所述疏水性 纖維通常選自聚醋（polyester)、膳絕（acirlic)、變性膳絕（modac巧lie)和它們的組合。 在具體公開的實(shí)施方案中，所述織物包括構(gòu)成織物約1%至約100%的疏水性材料，諸如約 1 %至約90 %，或約1 %至約80 %，或約1 %至約70%。在其它公開的實(shí)施方案中，所述織 物包含聚丙締。在具體公開的實(shí)施方案中，所述織物包含混合聚醋和醋酸纖維、人造纖維或 棉。
[0011] 所述隔膜組件可W被配置為通過(guò)提供一個(gè)或多個(gè)在隔膜組件內(nèi)的開口W允許氣 體通過(guò)所述隔膜組件而減少內(nèi)電阻。
[0012] 所述陰極組件包含催化劑，在具體公開的實(shí)施方案中其為活性炭粉末。所述陰極 組件可進(jìn)一步包含粘合劑。所述粘合劑被配置為足夠的親水性W便提供改良的質(zhì)子運(yùn)輸W 及配置為足夠的疏水性W便提供改良的空氣/氧氣運(yùn)輸。在具體公開的實(shí)施方案中，所述 的親水性粘合劑包含一個(gè)或多個(gè)官能團(tuán)，其選自哲基、氨基、琉基和它們的組合。某些實(shí)施 方案設(shè)及的親水性粘合劑為碳水化合物，其選自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它們的組合。粘 合劑的示例性實(shí)施方案選自親水性組分，諸如脫己酷殼多糖、脫己酷殼多糖衍生物、葡萄糖 胺、葡萄糖胺衍生物；疏水聚四氣己締（PT陽(yáng)）和聚二甲硅氧烷（PDM巧；W及它們的組合。
[0013] 所述陰極組件可進(jìn)一步包含催化劑增強(qiáng)劑。選擇所述催化劑增強(qiáng)劑W提高陰極組 件的電導(dǎo)率和減少電阻損失。在具體公開的實(shí)施方案中，所述催化劑增強(qiáng)劑是炭黑和/或 石墨粉。另外公開的實(shí)施方案中，所述陰極組件包含基礎(chǔ)材質(zhì)。所述基礎(chǔ)材質(zhì)是氣體擴(kuò)散 層，并且其可選自碳紙、碳布、不誘鋼布、不誘鋼網(wǎng)和它們的組合。但是在其它實(shí)施方案中， 所述陰極組件可進(jìn)一步包含涂層材料，諸如聚四氣己締、聚二甲硅氧烷（單獨(dú)或與固化劑 聯(lián)合）或它們的組合。
[0014] 在具體公開的實(shí)施方案中，所述催化劑和催化劑增強(qiáng)劑作為組合物結(jié)合使用。所 述組合物包含大約50 %至約99 %的催化劑和約1 %至約50 %的催化劑增強(qiáng)劑。在某些實(shí)施 方案中，所述組合物包含約60 %至約99 %，約70 %至約99 %，約80 %至約99 %，或約90 % 至約99 %的催化劑和約1 %到約40 %，約1 %至約30 %，約1 %至約20 %，或約1 %至約10 % 的催化劑增強(qiáng)劑。
[0015] 所述微生物燃料電池可包含一根或多根電線。所述的一根或多根電線是導(dǎo)電的且 通常是鐵絲。所述微生物燃料電池也可W包含一個(gè)或多個(gè)終板，并且在具體公開的實(shí)施方 案中，其包含至少一個(gè)入口和出口。所述微生物燃料電池可與本文所提供的一個(gè)或多個(gè)另 外的微生物燃料電池在串聯(lián)或并聯(lián)方向連接。
[0016] 本文還公開了串聯(lián)連接的微生物燃料電池系統(tǒng)，其包含兩個(gè)或更多的基礎(chǔ)材質(zhì)電 氣性連接片段，被配置作為陽(yáng)極組件和陰極組件、隔膜組件，并且在沒有集電器組件或轉(zhuǎn)換 器組件的情況下，配置其中所述的基礎(chǔ)材質(zhì)和隔膜組件W將基于有機(jī)的燃料轉(zhuǎn)換為能源。 所述兩個(gè)或更多的基礎(chǔ)材質(zhì)電氣性連接片段通過(guò)允許基礎(chǔ)材質(zhì)的兩個(gè)不同片段之間的物 理重疊而被提供。在具體公開的實(shí)施方案中，所述基礎(chǔ)材質(zhì)的兩個(gè)或更多的電氣性連接片 段包含不同的基礎(chǔ)材質(zhì)組件。每一個(gè)所述不同的基礎(chǔ)材質(zhì)組件選自碳紙、碳布、不誘鋼布、 不誘鋼網(wǎng)和它們的組合。但是在其它的實(shí)施方案中，基礎(chǔ)材質(zhì)的單一連續(xù)薄片被用于提供 基礎(chǔ)材質(zhì)的兩個(gè)或更多的電氣性連接片段，W及作為陽(yáng)極組件的基礎(chǔ)材質(zhì)的一部分和作為 陰極組件的基礎(chǔ)材質(zhì)的獨(dú)立部分。在該樣的實(shí)施方案中，所述基礎(chǔ)材質(zhì)單一連續(xù)薄片是碳 布、碳紙或它們的組合。在具體公開的實(shí)施方案中，被配置作為包含處理具有催化劑、粘合 劑、粘合劑增強(qiáng)劑或它們的組的基礎(chǔ)材質(zhì)片段的陰極組件。
[0017] 本文也公開的是包含基礎(chǔ)材質(zhì)、涂層、催化劑和粘合劑的陰極組件，如本文所公開 的所述粘合劑被配置足夠的親水性W便提供改良的質(zhì)子運(yùn)輸W及配置足夠的疏水性W便 提供改良的空氣/氧氣運(yùn)輸。在具體公開的實(shí)施方案中，所述的催化劑和粘合劑用作在涂 覆有涂層材料的基礎(chǔ)材質(zhì)上的膜層。在具體實(shí)施方案中所述催化劑和粘合劑層使用除加熱 外的方法干燥（例如：用空氣或惰性氣體干燥，諸如通過(guò)允許組件暴露在空氣/惰性氣體環(huán) 境下，或在組件上肯定地流動(dòng)空氣/惰性氣體）。所述的催化劑可經(jīng)過(guò)磯酸和硝酸預(yù)處理。 在具體公開的實(shí)施方案中，所述催化劑可經(jīng)過(guò)化CI3X0CI2、邸TA、EDA、氨膳或它們的組合進(jìn) 行處理。所述親水性粘合劑可W被功能化，諸如使用選自戊二醒、聚（己二醇）、巧樣酸己二 醒、表氯醇和它們的組合的交聯(lián)劑。
[001引本公開也設(shè)及產(chǎn)生能源的方法，其包括提供本文所公開的微生物燃料電池，引入 基于有機(jī)的燃料到微生物燃料電池，并且從基于有機(jī)的燃料中分離能源。在具體公開的實(shí) 施方案中，所述的基于有機(jī)的燃料選自廢水，基于有機(jī)的液體和它們的組合。所述的廢水可 由食物或飲料加工，或市政水源產(chǎn)生。
[0019] 在具體公開的實(shí)施方案中，所述基于有機(jī)的燃料通過(guò)微生物燃料電池的入口引入 到微生物燃料電池。來(lái)自所述基于有機(jī)的燃料的電子和質(zhì)子可從燃料中分離和隔離出，并 通過(guò)電線組件或者通過(guò)隔膜組件傳到微生物燃料電池的陰極組件，其中所述的電子和質(zhì)子 重組W形成水。在具體公開的實(shí)施方案中，所述方法在大氣壓下執(zhí)行，或在增加的壓力下W 保持其中所產(chǎn)生的任何C〇2在液體狀態(tài)下。所述方法也可進(jìn)一步包括通過(guò)測(cè)定由微生物燃 料電池提供的功率密度來(lái)監(jiān)測(cè)微生物燃料電池的性能，W及通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作條件 來(lái)改進(jìn)微生物燃料電池的性能。在具體公開的實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作條件的行 為包括通過(guò)給予微生物燃料電池內(nèi)壓縮空氣W增加微生物燃料電池內(nèi)的氧濃度。在其它的 實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作條件的行為包括調(diào)節(jié)微生物燃料電池的溫度。所述調(diào)節(jié) 溫度的行為也可包括在約4°c至約100°C，或在約25°C至約80°C的溫度下操作微生物燃料 電池。在另外的實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作條件的行為包括調(diào)節(jié)微生物燃料電池的 抑條件。所述抑值可調(diào)節(jié)至具有抑值范圍從約7至約14模擬堿性條件，諸如約7至約 13,約7至約12,約7至約11，或約7至約10。在其它實(shí)施方案中，所述抑值可被調(diào)節(jié)至 PH值范圍從約1至約7,約2至約7,約3至約7,或約4至約7的模擬酸性條件。
[0020] 本發(fā)明的上述內(nèi)容和其它的對(duì)象、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述將變得更加明 顯，其參照附圖進(jìn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是闡明了功率密度（實(shí)方陣）和總電流（開環(huán)）讀數(shù)的圖，所述功率密度和 總電流讀數(shù)從本文所公開的微生物燃料電池（MFC)的具體實(shí)施方案中得到。
[0022] 圖2是公開的微生物燃料電池組件具體排列的分解透視圖。
[0023]圖3是公開的包括各種組件及其組裝的微生物燃料電池的具體實(shí)施方案的分解 透視圖。
[0024] 圖4是用于測(cè)試公開的微生物燃料電池實(shí)施方案的具體MFC裝配的圖解。
[0025] 圖5是本文所公開的串聯(lián)連接的微生物燃料電池的實(shí)施方案的原理圖。
[0026]圖6是闡明從公開的微生物燃料電池的具體實(shí)施方案產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而獲得的極化 曲線圖。電壓值用實(shí)屯、S角形表示，且功率密度值用開環(huán)表示。在圖形內(nèi)還闡明了指示用 于計(jì)算內(nèi)電阻的極化曲線部分的線性擬合。
[0027] 圖7是闡明從本文公開的陽(yáng)極生物膜的耐氧測(cè)試所獲得結(jié)果的圖形。
[002引圖8是闡明水力停留時(shí)間對(duì)功率密度和庫(kù)倫效率的影響的數(shù)據(jù)圖。
[0029] 圖9是闡明水力停留時(shí)間對(duì)PH值和醋酸鹽消耗的影響的數(shù)據(jù)圖。
[0030] 圖10是闡明根據(jù)本文公開的各種不同實(shí)施方案的陰極的線性掃描伏安法的圖 形。所述圖形與從實(shí)施方案中獲得的結(jié)果相比較，其中所述實(shí)施方案設(shè)及常規(guī)的基于Pt的 陰極（A)，基于PAC的陰極（其中利用加熱應(yīng)用PAC催化劑炬)），和基于PAC的陰極（其中 不利用加熱應(yīng)用PAC催化劑（C))。
[0031] 圖11是闡明根據(jù)本文公開的各種不同實(shí)施方案的陰極的線性掃描伏安法的圖 形。所述圖形與從實(shí)施方案中獲得的結(jié)果相比較，其中所述實(shí)施方案設(shè)及常規(guī)的Pt基的陰 極（A')，僅包含PAC催化劑的陰極炬'），和包含PAC和炭黑混合物的陰極（C')。
[0032] 圖12是闡明根據(jù)本文公開的各種不同實(shí)施方案的陰極的線性掃描伏安法的圖 形。所述圖形與從實(shí)施方案中獲得的結(jié)果相比較，其中所述實(shí)施方案設(shè)及傳統(tǒng)的Pt基的陰 極（A")，使用PTFE作為粘合劑的PAC基的陰極炬"），和使用脫己酷殼多糖作為粘合劑的 PAC基的陰極（C')。
[003引圖13是闡明通過(guò)串聯(lián)連接MFC組的頂部反應(yīng)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而獲得的極化曲線圖 形，所述MFC組加入（fedwith) 0. 1M的磯酸鹽和0. 1M的醋酸鹽溶液。
[0034]圖14是闡明通過(guò)串聯(lián)連接MFC組的底部反應(yīng)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的極化曲線圖，所述MFC組加入0. 1M的磯酸鹽和0. 1M的醋酸鹽溶液。
[00對(duì)詳細(xì)說(shuō)明
[0036] I.簡(jiǎn)介
[0037] 如下描述在本質(zhì)上具有示范性并且不意旨W任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性 或配置。本文所描述的對(duì)描述的實(shí)施方案在要素的功能和排列上做出各種改變，其沒有背 離本發(fā)明的范圍。此外，提供的與一個(gè)具體的實(shí)施方案相聯(lián)系的說(shuō)明書和公開內(nèi)容并不限 制于該實(shí)施方案，并且可應(yīng)用于公開的任何實(shí)施方案。
[003引如該申請(qǐng)和權(quán)利要求所使用的，單數(shù)形式"一個(gè)（a),""-個(gè)（an)，"和"該個(gè) (the)"包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。此外，術(shù)語(yǔ)"包含（includes)"意為"包 含（comprises)"。并且術(shù)語(yǔ)"禪合的"和"關(guān)聯(lián)的"通常意味著電力地、電磁地、和/或物理 地（如機(jī)械地或化學(xué)地）禪合或連接，并且在沒有特定的相反語(yǔ)言下不能排除禪合或關(guān)聯(lián) 項(xiàng)之間中間要素的存在。
[0039] 為了方便演示，盡管公開方法的示例性實(shí)施方案的操作可W特定順序描述，但是 應(yīng)該理解的是所公開的實(shí)施方案可包含除公開的特定順序外的操作順序，除非上下文另有 指示。例如，在某些情況下按順序描述的操作可同時(shí)重排或完成。此外，提供的與一個(gè)具體 的實(shí)施方案相聯(lián)系的說(shuō)明書和公開并不限制于該實(shí)施方案，并且可應(yīng)用于公開的任何實(shí)施 方