到的該些高CE是由于在CEA-MFC中獲得的高電流密度。假設(shè)陽極沒有氧氣 并且非織物在水中的有效擴(kuò)散系數(shù)是其在水中的60%，基于Fick定律，在30°C通過0. 3mm 厚的水層最大氧通量是1.2mmolnT2S4,或等效電流密度為0.42AnT2。在該個(gè)研究中僅是 2. 5%的電流密度（16. 4AnT2)下產(chǎn)生最大功率密度，并且在相同的假設(shè)下2%的最大質(zhì)子 通量（相當(dāng)于20AnT2)通過0. 1M磯酸鹽緩沖液。如果陽極的氧濃度不為零，則氧通量甚 至可W更低，其降低了穿過隔膜的濃度差。盡管由于在陰極和多孔隔膜的生物膜發(fā)展，實(shí)際 的氧濃度可W更高，但是如果氧氣是非流動(dòng)產(chǎn)生的底物消耗的唯一源頭，可W預(yù)期CE超過 95%。在該個(gè)研究中相對(duì)較低的實(shí)際CE巧3. 5 + 10. 6% )表明，在再循環(huán)管線和生物質(zhì)合 成中的底物消耗也應(yīng)考慮。然而，甚至具有低傳質(zhì)阻力的隔膜（0.3mm薄）可能具有高CE。 因此，如果陽極生物膜是耐氧的并且電流密度大于15AnT2,氧氣交叉不應(yīng)該是在選擇隔膜 材料時(shí)主要關(guān)屯、的。
[0116] 緩沖和HRT的影響；緩沖液的濃度在促進(jìn)質(zhì)子在MFC中從陽極運(yùn)輸?shù)疥帢O起了主 要作用，因此大大影響了內(nèi)電阻和MFC的性能。在MFC內(nèi)產(chǎn)生的C〇2可增加碳酸氨鹽的濃度 和另外有效的質(zhì)子載體，從而降低內(nèi)電阻并提高功率密度。如表1所示，在1.22小時(shí)-1. 28 小時(shí)的HRT下當(dāng)醋酸鹽濃度從lOOmM增加至150mM，具有50mM磯酸鹽緩沖液的MFC的功率密 度增加了5%，到達(dá)3. 40WM-2。當(dāng)HRT從1. 22小時(shí)增加至3. 00小時(shí)，醋酸鹽濃度為150mM 時(shí)，它進(jìn)一步增加了9%至3. 70WM^(13AnT2)。該樣的功率密度約為小型MFC(具有50mM磯 酸鹽緩沖液和30mM醋酸鹽）產(chǎn)生的3倍。緩沖液濃度從50增加到lOOmM，功率密度增加至 11%。進(jìn)一步增加磯酸鹽濃度至200mM，僅僅導(dǎo)致到最大功率密度增加5%到達(dá)4. 32WnT2。 當(dāng)緩沖液濃度分別從50增加到100和200mM時(shí)，功率密度的增加相比較于在小型CEA-MFC 中觀察的增長(zhǎng)（45%和11%)小很多。不限于特定的理論，目前認(rèn)為該些結(jié)果表明自產(chǎn)碳 酸氨鹽在降低內(nèi)電阻和提高發(fā)電的作用。盡管在低醋酸鹽濃度和短HRT下，自產(chǎn)碳酸氨鹽 的貢獻(xiàn)可能是微不足道的，但是該些貢獻(xiàn)可W通過控制操作條件大大提高，諸如增加醋酸 鹽濃度，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，及它們的組合。在更高流入醋酸鹽濃度和更長(zhǎng)HRT下，自產(chǎn)碳 酸氨鹽的積累也導(dǎo)致出水抑值升高，該可能由于碳酸氨鹽濃度升高釋放CA。
[0117] 表1 ;基于大規(guī)模MFC和小規(guī)模MFC,磯酸鹽緩沖液，醋酸鹽濃度，HRT，流出物抑 值，內(nèi)電阻和最大功率密度的影響
[011 引
[0119] 擴(kuò)大規(guī)模對(duì)使用MFC技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用是必要的，尤其是對(duì)廢水處理。常規(guī)的，MFC 的規(guī)模擴(kuò)大常常導(dǎo)致功率密度顯著降低。然而，如本文所述，盡管電極面積增加了 14倍（表 2)，但是CEA-MFC的最大功率密度從1. 8增加到4. 3WnT2。該樣的功率密度相比于升-規(guī) 模MFCs(表2)高了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。CEA-MFC的具體陰極面積化67m2nT3)也遠(yuǎn)高于升-規(guī)模 MFC的具體陰極面積（l〇〇m2nr3或W下）（表。?；陉帢O面積的更高功率密度和CEA-MFC 更高的陰極具體面積導(dǎo)致了高了 2-4個(gè)數(shù)量級(jí)的體積功率密度（表2)。在許多其它研究 中，雖然在本文公開的具體實(shí)施方案中的MFC體積（30ml)相比升-規(guī)模MFC小2-3個(gè)數(shù)量 級(jí)，但是它產(chǎn)生相當(dāng)?shù)幕蛏踔粮叩目傒敵龉β驶?. 3mW)(表2)。如果CEA2產(chǎn)生與CEA1 相同的功率，總功率和功率密度可分別提高到約86mW和2. 87kWnT3。此外，在該項(xiàng)研究中的 CEA-MFC的CE也大大高于升-規(guī)模MFC。
[0120] 在更大CEA-MFC中用作集電器的U形鐵絲相比較于在更小CEA-MFC中在每個(gè)電極 面積創(chuàng)造了約4倍更大的接觸面積，該可能有助于減少內(nèi)電阻，從而提高具體公開實(shí)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，耐氧陽 極生物膜的發(fā)展，和提高碳酸氨鹽緩沖液的自產(chǎn)。
[0121]
[012引陰極分析
[0123] 在具體公開的實(shí)施方案中，催化劑可用于促進(jìn)所公開的微生物燃料電池的活性的 增加。W下工作的實(shí)施方案說明所公開的微生物燃料電池比常規(guī)微生物燃料電池的性能增 強(qiáng)。例如，使用活性炭粉末（PAC)作為催化劑，PTFE作為粘合劑，碳布作為基礎(chǔ)材質(zhì)，并且PTFE作為防水涂料，所公開的微生物燃料電池的陰極比常規(guī)銷（Pt)陰極（0.5mg/cm2的Pt 負(fù)載）獲得了類似的甚至更好的性能。
[0124]實(shí)例 1
[01巧]將活性炭粉末和PTFE涂覆在碳布上，不進(jìn)行任何進(jìn)一步的熱處理。常規(guī)的，熱處 理用于完成該項(xiàng)任務(wù)；然而，通常使用的熱處理（例如，約340-380°C，0. 5-1小時(shí)）可顯著 降低陰極的性能。
[0126] 陰極制備與本領(lǐng)域已知的那些方法類似；但制備陰極的內(nèi)部一側(cè)和催化劑層如下 所示。對(duì)于常規(guī)的含Pt陰極，商業(yè)的Pt催化劑（20wt%Pt/C，E-TEK)與化學(xué)粘合劑巧％ Nafion?溶液）混合W形成糊粘合劑/mg-Pt/C催化劑）。將糊應(yīng)用于碳布的一 偵II，并在室溫下干燥24小時(shí)OJafion)。銷含量為0. 5mg/cm2。
[0127] 在一個(gè)實(shí)施方案中，使用如下協(xié)議制備PAC陰極；1.OgPAC(NoritGSX，蒸汽活化， 酸洗）與5ml己醇混合并混合10分鐘，然后浸泡在0.2ml60%PTFE溶液中。隨后，將混合 物加熱到大約80°CW蒸發(fā)己醇并形成糊。然后將所述糊滾動(dòng)到防水碳布的內(nèi)側(cè)上面并在 350°C加熱0. 5小時(shí)（PT陽）。
[012引在另一個(gè)實(shí)施方案中，使用與其它PAC陰極實(shí)施方案相似的過程制備PAC陰極，預(yù) 期陰極在室溫下空氣干燥，而不是加熱在350°C下加熱0. 5小時(shí)（PTFE)。
[0129] 在不加熱情況下，制成的陰極與Pt-陰極（0. 5mg/cm2的Pt負(fù)載）（圖10)相比獲 得相似或者甚至更好的性能（在高電流密度）。
[0130] 實(shí)例 2
[0131] 所公開的陰極的性能可通過在催化層中添加炭黑進(jìn)一步提高。使用實(shí)例1中所用 的同樣的過程制備陰極，除了用0. 9gPAC和0.Ig炭黑代替1.OgPAC。
[013引在電流密度高于0.5mA/cm2(圖11)時(shí)通過添加炭黑提高PAC催化活性。不限于 特定的理論，目前認(rèn)為該種活性改進(jìn)是由于相比PAC的炭黑導(dǎo)電性的增加，其幫助降低了 陰極的電阻損失。
[0133] 實(shí)例 3
[0134] 如本文所公開的粘合試劑，粘合劑化indingagents或binders)通常用于制備陰 極W在陰極基質(zhì)或基層的表面上形成催化劑涂層常規(guī)的方法使用化fion溶液，全氣質(zhì)子 交換樹脂，與Pt/C粉末一起形成糊，然后將其通過涂刷或噴涂到碳布/碳紙的基層得W應(yīng) 用。然而，使用化fion溶液作為粘合劑制備MFC陰極是不可取的，理由如下。首先，化fion 溶液相對(duì)昂貴，該貢獻(xiàn)了MFC陰極總成本的主要部分。第二，在MFC的中性條件下，質(zhì)子主 要是通過陰離子或抑緩沖載體運(yùn)載?；痜ion作為質(zhì)子（陽離子）交換樹脂，可W增加陰極 的離子傳質(zhì)阻力或極化電阻。同時(shí)，粘合劑的親水性也可影響MFC的性能，因?yàn)樗蒞極大 地影響離子和氣體的質(zhì)量輸運(yùn)。相比疏水性PS-0H粘合劑，提高常規(guī)聚苯己締-b-聚己締 氧化粘合劑的親水性可W提高陰極和MFC功率密度的電化學(xué)響應(yīng)~15%。
[0135] 使用脫己酷殼多糖或其衍生物，如PAC催化劑粘結(jié)劑，可提高陰極的性能。脫己酷 殼多糖是甲殼素的N-脫己酷基衍生物，自然豐富的粘多糖，和甲殼類、昆蟲等的支架材料。 商業(yè)上，脫己酷殼多糖W相對(duì)較低成本從甲殼類動(dòng)物的殼體（主要蟹，郵，龍郵和磯郵）和 海產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)的廢棄物中獲得。因此，脫己酷殼多糖不僅是具有成本效益的材料，而且其 制作和使用為處理甲殼類動(dòng)物外殼的廢棄物提供了經(jīng)濟(jì)上有吸引力的方法。
[0136] 選擇脫己酷殼多糖不僅是W其低成本和可持續(xù)性，也為其作為PAC粘合劑的潛在 優(yōu)越性能。脫己酷殼多糖骨架上的哲基和氨基給予了脫己酷殼多糖較高水平的親水性和陰 離子交換能力。正如本文所討論的，脫己酷殼多糖的親水性可導(dǎo)致更好的質(zhì)子運(yùn)輸，從而具 有作為催化劑粘合劑更好的性能。
[0137] 在一個(gè)實(shí)施方案中，將0.3g脫己酷殼多糖溶于5ml去離子水和0.2ml冰醋酸中。 隨后，加入1. 5g活性炭粉末并且充分混合W形成均勻的糊。然后將所述糊棟糊在防水的碳 布基礎(chǔ)材質(zhì)上。
[0138] 在電位高于0V時(shí)，具有脫己酷殼多糖作為粘合劑材料的PAC性能比Pt(0. 5mg/ cm2)和具有PT陽的PAC表現(xiàn)出更高的性能，其中大多數(shù)MFC被運(yùn)行（圖12)。
[0139]實(shí)例 4
[0140] 串行連接CEA-MFC的設(shè)計(jì)與施工：基于先前描述的MFC構(gòu)建具有雙串聯(lián)連接布電 極裝置（CEA)的S室空氣-陰極MFC?？偠灾?，碳布（CCP，fuelcellearth.com)只有一 半用PTFE、炭黑和Pt催化劑（20%的Pt/C催化劑；E-T邸公司，美國(guó)）處理，如之前所描述 的并被用作陰極，而另一半是未經(jīng)處理的，被用作陽極。如圖5所示，非織物層夾在其它部 分的陽極一半和陰極一半之間W形成串聯(lián)連接的CEA。兩組串聯(lián)連接的CEA(每組有3個(gè)單 獨(dú)的CEAs)被放置在具有3個(gè)開口（4cmX20cm)的S個(gè)相同的1cm厚的PVC框架之間，W 形成具有3個(gè)通道（4cmX20cmXlcm)的五層夾層結(jié)構(gòu)。
[014UCEA-MFC運(yùn)行；給MFC接種來自空氣陰極MFC的陽極的混合細(xì)菌培養(yǎng)物，所述空氣 陰極MFC的陽極最初接種來自Corvallis污水處理廠（Corvallis,OR)的生活污水并且運(yùn) 行很長(zhǎng)一段時(shí)間。己酸己醋（lOOmM)被用作底物，W及介質(zhì)溶液（每升）含有W下；已報(bào)道 的畑401，1. 5g;KC1，0. 13g訊a&PO* ? &0,5. 84g;化2冊(cè)04? 7&0,15. 5g;和礦物質(zhì)（12. 5ml) W及維生素（12.5ml)溶液。MFC實(shí)驗(yàn)在溫度為32±rC的溫度控制室內(nèi)進(jìn)行。
[0142] 批處理模式最初被采用并且功率輸出開始顯著增加2天后系統(tǒng)被切換到連續(xù)流 動(dòng)模式。然后通過蠕動(dòng)累給CEA-MFCW1.Oml/min的流速連續(xù)流入。2000ml蓄水池內(nèi)的介 質(zhì)溶液在從反應(yīng)器的下端被送入到MFC之前被高壓蒸汽處理。一部分流出物用另一個(gè)蠕動(dòng) 累W20ml/min的流速再循環(huán)回流入物W取得更均勻分布的介質(zhì)溶液。再循環(huán)管線內(nèi)包括 50ml的蓄水池W收集在MFC中可能產(chǎn)生的氣體。
[0143] 結(jié)果；頂部和底部反應(yīng)器都比單一MFC產(chǎn)生更高的電壓。在100歐姆高電阻時(shí)，頂 部和底部反應(yīng)器均約產(chǎn)生1. 7V的高電壓，每個(gè)CEA個(gè)體約產(chǎn)生0. 6V。在電流密度約為10A/ m2下產(chǎn)生最大功率，對(duì)于頂部反應(yīng)器約3. 3W/m2 (圖13)且對(duì)于底部反應(yīng)器約3. 5W/m2(圖 14)。在運(yùn)行的2個(gè)月內(nèi)功率穩(wěn)定并且沒有發(fā)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)。
[0144] VI.實(shí)施方案概述
[0145] 在本文公開的某些實(shí)施方案中，微生物燃料電池可包括配置成W減少內(nèi)電阻和抗 生物降解的陽極組件、陰極組件和隔膜組件。
[0146] 在某些實(shí)施方案中，隔膜組件是織物或非織物，其包括親水性纖維、疏水性纖維或 它們的組合。在一些實(shí)施方案中，所述親水性纖維選自聚丙締，人造纖維，粘膠纖維，醋酸 纖維，棉，巧龍和它們的組合物。在某些實(shí)施方案中，所述疏水性材料選自聚醋，丙締酸，變 性膳絕和它們的組合物。在某些實(shí)施方案中，所述織物包括的疏水性材料組成約1%至約 100%的織物。在某些實(shí)施方案中，所述織物包括聚丙締。在某些實(shí)施方案中，所述織物包 括混合聚醋和醋酸纖維、人造纖維或棉。
[0147] 在上述任意或者全部實(shí)施方案中，所述隔膜組件包括至少一個(gè)開口，允許氣體通 過隔膜組件W降低內(nèi)電阻。
[0148] 在某些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)開口是線性開口、單一開口、或在一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)相 交、或圓形開口。在某些實(shí)施方案中，所述的線性開口具有的長(zhǎng)度范圍從約0. 5cm至約3畑1。
[0149] 在上述任意或者全部實(shí)施方案中，所述的隔膜組件具有范圍從約0.01mm至約 10mm的厚度。
[0150] 在上述任意或者全部實(shí)施方案中，所述的隔膜組件具有范圍從約0. 1mm至約 0. 5mm的厚度。
[0151] 在上述任意或者全部實(shí)施方案中，所述的陰極組件包括活性炭粉末。
[0152] 在某些實(shí)施方案中，所述的陰極組件進(jìn)一步包括粘合劑，所述粘合劑選自親水性 粘合劑、疏水性粘合劑及它們的組合。在某些實(shí)施方案中，所述的親水性粘合劑包括一個(gè)或 多個(gè)官能團(tuán)，所述官能團(tuán)選自哲基、氨基、琉基和它們的組合，且親水性粘合劑是碳水化合 物，所述碳水化合物選自糖、二糖，或多糖、黏多糖和它們的組合。在某些實(shí)施方案中，所述 的親水性基團(tuán)選自脫己酷殼多糖、脫己酷殼多糖衍生物、葡萄糖胺、葡萄糖胺衍生物和它們 的組合。在某些實(shí)施方案中，所述的陰極組件進(jìn)一步包括選擇W改進(jìn)陰極組件的電導(dǎo)率和 減少其電阻損耗的催化劑增強(qiáng)劑。在某些實(shí)施方案中，所述的催化劑增強(qiáng)劑是炭黑、石墨粉 或它們的組合。
[0153] 在上述任意或者全部實(shí)施方案中，所述的陰極組件包括氣體擴(kuò)散層。
[0154] 在某些實(shí)施方案中，所述的基礎(chǔ)材質(zhì)選自碳紙、碳布、不誘鋼布、不誘鋼網(wǎng)和它們 的組合。