專利名稱：微生物燃料電池和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容一般性涉及燃料電池及其制造方法和用途。更具體地， 本公開內(nèi)容涉及能夠通過電解生物體系中的化合物而工作的燃料電池 及其制造方法和用途。
背景技術(shù)：
長期以來對由利用可在環(huán)境中隨意得到的生物物質(zhì)的電源提供電 能的技術(shù)一直存在關(guān)注。 一個這樣的關(guān)注領(lǐng)域?yàn)檠邪l(fā)微生物燃料電池
(MFC),其通過分解有機(jī)廢物產(chǎn)物和將其化學(xué)鍵能轉(zhuǎn)化為電能和氫氣而 作為更有效處理廢水的方法。根椐2004年5月發(fā)行的Environmental Science & Technology,在美國每年以S250億的代價(jià)處理46兆(trillion)升生 活廢水。重要地，主要用于通風(fēng)所需的電能占該國使用的電能的1.5%。 其它國家具有類似的統(tǒng)計(jì)量。
最近，研究人員已經(jīng)證明使用微生物燃料電池發(fā)電的可行性，其中 電源為包含在作為廢水的基本組分的有機(jī)化合物鍵中的化學(xué)能。使用包 括特殊陽極、簡單陰極和分隔微生物燃料電池的濕潤陽極和陰極區(qū)的合 適質(zhì)子交換膜(PEM)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模微生物燃料電池反應(yīng)器，已經(jīng)產(chǎn)生量 級為30瓦/立方米的能量密度。
該方法使用生活在特殊陽極上的生物膜中的細(xì)菌來分解有機(jī)物，將 電子與質(zhì)子分離。這些電子和質(zhì)子然后移動到陰極，前者經(jīng)由外部線路， 后者經(jīng)由通常為不導(dǎo)電物質(zhì)的電解質(zhì)擴(kuò)散，在發(fā)電微生物燃料電池中， 質(zhì)子和電子在陰極與氧氣結(jié)合形成水。電子的消耗允許更多電子保持從 陽極流動到陰極，只要存在化學(xué)鍵來源(即有機(jī)廢物)為反應(yīng)提供燃料。
第一種微生物燃料電池產(chǎn)生每平方米陽極電極表面積1至40毫瓦的 功率(mW/m2)。去年研究人員已能使其增加大于10倍，證明使用生活污 水它們可以產(chǎn)生最高達(dá)500 mW/m2的功率，和利用包括葡萄糖和空氣的 廢水替代品，產(chǎn)生1,500 mW/n^的功率。這些近來的功率密度的證明已 經(jīng)促使更多地討論有關(guān)能夠有利于商業(yè)電力生產(chǎn)的技術(shù)要求。簡言之， 為了使該技術(shù)在商業(yè)規(guī)模上具有吸引力，將需要輸出功率密度再改善至 少10倍。現(xiàn)在，商業(yè)應(yīng)用的規(guī)模擴(kuò)大具有若干^L戰(zhàn)。例如，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室規(guī)模 原型使用對用于商業(yè)體系并不足夠堅(jiān)固或耐用的材料。此外，實(shí)驗(yàn)性的 微生物燃料電池目前尺寸較小，將需要變得大的多(以彌補(bǔ)低功率密度)， 這一點(diǎn)無庸置疑地和令人遺憾地將極大增加陽極和陰極之間的距離，這 將使氫氣從前者到后者的擴(kuò)散減緩，進(jìn)一步^f吏效率降低。為了具有竟?fàn)?br> 力，功率密度必須超過迄今為止獲得的最大值的兩倍，即8,500 mW/m2。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種包括限定第一和第二室(chamber)的電池室(housing)的微生 物燃料電池。第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體。第二室適合于容納 氧化的流體。陰極延伸進(jìn)入電池室第二室，電極裝置的陽極段延伸進(jìn)入 電池室第一室。電極裝置具有許多基本排列成行的纖維。陽極段從纖維 的第一端延伸到位于纖維第一端和第二端之間的中間位置。陽極段的纖 維的外表面適合于接收生物膜。
電極裝置還包括從纖維的第二端延伸到中間位置的結(jié)合段。結(jié)合段 的纖維的外表面用基料浸漬或包覆。
微生物燃料電池進(jìn)一步包括位于結(jié)合段和電池室中間的密封裝置。 結(jié)合段、密封裝置和電池室一起限定不透液邊界。
位于電池室內(nèi)的蛋白交換膜將空腔分隔為第一和第二室。
微生物燃料電池進(jìn)一步包括適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流 的第一室進(jìn)口，和適合于排出第一流體流的第一室出口。至少一個第二 室進(jìn)口適合于接收含有氧氣的第二流體流，至少一個第二室出口適合于 排出第二流體流。


圖1為根椐公開內(nèi)容的微生物燃料電池的第 一種實(shí)施方案的示意
圖2為圖i的微生物燃料電池的電極裝置的放大透視圖； 圖3為根椐公開內(nèi)容的微生物燃料電池的第二種實(shí)施方案的簡化剖 視圖4為沿著圖3的4-4線得到的剖視圖； 圖5為圖3的微生物燃料電池的變體的簡化剖視圖；和 圖6為圖4的區(qū)域VI的放大視圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，其中貫穿若干附圖，相同的數(shù)字表示相同的部分，根據(jù)
本公開內(nèi)容的微生物燃料電池一般由數(shù)字IO、 10'表示。如在此使用的， 術(shù)語纖維(Afiber(g)表示顯示所需導(dǎo)電性水平的非金屬纖維。如在此使用 的，術(shù)語基料(Abinder(g)、基料樹脂(Abinder resin⑥)或樹脂(Aresin(g) 表示將纖維保持就位并可以提供一種或多種機(jī)械或結(jié)構(gòu)特征的基質(zhì)材
料。如在此使用的，術(shù)語生物質(zhì)(Abiomas(g)表示任何有機(jī)物質(zhì)，當(dāng)該有 機(jī)物質(zhì)懸浮或溶于液體時(shí)，電子和質(zhì)子可以從該有機(jī)物質(zhì)分離。如在此 使用的，術(shù)語生物膜(Abiofilm(g)表示可以從生物質(zhì)分離電子和質(zhì)子的任 何試劑或催化劑。
圖1為根椐公開內(nèi)容的微生物燃料電池10的第一種實(shí)施方案的示意 圖。電池室12由蛋白交換膜17分成第一和第二室14、 16。電極裝置20的 陽極段18向下延伸進(jìn)入第一室14內(nèi)部，陰極22向下延伸進(jìn)入第二室16內(nèi) 部。第一室進(jìn)口24連接到廢水離子源(未示出)，用于接收含有廢棄生物 質(zhì)28的廢水流26。第一室出口30從第一室14排出處理過的廢水32。第二 室進(jìn)口34連接到淡水(freshwater)源，用于接收氧化的淡水流36。第二室 出口 38從第二室16排出氧耗盡的淡水40。應(yīng)理解排出的淡水40可以被氧 化和再循環(huán)至第二室進(jìn)口34。分離第一和第二室14、 16的蛋白交換膜17 防止第二室16中存在的較大氧氣分子擴(kuò)散進(jìn)入第一室14，同時(shí)允許蛋白 質(zhì)和氫氣分子通過。其還將可能存在于廢水流26中的固體保留在電池10 的第一室14內(nèi)。從電極裝置20和陰極22延伸的電導(dǎo)體42、 42'連接到負(fù)載 44，完成如以下描迷的電路。由微生物燃料電池驅(qū)動的負(fù)栽44可以包括 例如使廢水和淡水流動的泵。
參考圖2，桿狀電極裝置20包括從第一端46延伸至笫二端48的許多 排列成行的纖維45。第一陽極段18從第一端46延伸至位于第一和第二端 46、 48之間的中間位置52,第二結(jié)合段54從中間位置52延伸至第二端48。 在結(jié)合段54中，纖維45由合適的基料樹脂56浸漬或包覆。在陽極段8中， 纖維45基本未結(jié)合并且從結(jié)合段54自由延伸。如在此使用的，未結(jié)合 (Aunbound⑥)纖維是不由基料浸漬或包覆的纖維，由此每個未結(jié)合纖維 的外表面可以由生物膜沿著纖維的未結(jié)合長度加以覆蓋。在微生物燃料 電池10工作期間，陽極段18中自由或未結(jié)合的纖維45的大表面面積變?yōu)?由生物膜58覆蓋。生物膜58中的細(xì)菌與廢水流26中的生物質(zhì)28之間的化學(xué)反應(yīng)使生物質(zhì)28還原，并且在這種情況下產(chǎn)生電能。
通常存在約2至約10,000，或約100至約6,000，或約500至約3,000根 單根纖維45。每個纖維45具有通常約1至10微米的直徑。陽極段18中纖 維45部分的自由長度為約l cm至100或更多米。
使用的纖維45的非限制實(shí)例為填充或未填充的織物纖維，例如含有 例如炭黑、碳納米管、季銨化合物、氮化硼、電離鹽和短長度傳導(dǎo)性纖 維的適當(dāng)傳導(dǎo)性填料的聚酯、人造纖維、聚丙烯與尼龍復(fù)合材料纖維。 在很多情況下，需要纖維具有高拉伸和/或彎曲強(qiáng)度。 一種合適的纖維包 括聚合物基質(zhì)中的多個碳纖維并且被稱為CarbonConXJ (Xerox Corp.)。 碳纖維可以包括碳納米長絲，其每個由單或多壁碳納米管(CNT)束制造。
多段電極裝置20可以通過改進(jìn)任何合適的商業(yè)拉擠成型方法制造， 所述方法使碳纖維45的連續(xù)絲束與基料樹脂56復(fù)合形成富纖維復(fù)合材 料6 0 。當(dāng)定期中斷或關(guān)閉樹脂流向進(jìn)入其中通常將發(fā)生樹脂浸漬的拉擠 成型模具的纖維物質(zhì)時(shí)，纖維45不與樹脂56復(fù)合，并且一定長度的干燥 纖維進(jìn)入、經(jīng)過和離開該工藝。因此，沿著連續(xù)纖維45的長度將存在由 干燥的纖維段分隔的規(guī)則隔開的樹脂浸漬段，所述干燥纖維段可以被切 割形成圖2中示出的電極構(gòu)造。
基料56可以為聚合物、陶乾、玻璃或其它合適的非金屬?；?6通 常為使纖維粘合在 一起具有必要的機(jī)械強(qiáng)度的熱塑性或熱固性聚合物。 通常選擇不影響纖維45的抗性的基料56。合適的聚合物包括但不限于丙 烯酸系、聚酯、聚酰胺、聚酰胺、聚苯乙烯、聚砜和環(huán)氧化物
因?yàn)殡姌O裝置20的結(jié)合段為固體，所以其可以通過與配置在結(jié)合段 和電池10壁之間的密封裝置57整合用作液體或流體密封件。 一部分結(jié)合 段54可以用合適的金屬，例如金、銅、鎳、錫、錫/鉛等通過任何合適的 涂布方法涂布；包括電蝕鍍、電解鍍、真空沉積、氣相沉積或其它沉積 等，并且可以包含機(jī)械部件，例如桿、針、鏟、洞等用作與常規(guī)線路42
或通常在電源電路中使用的其它電路元件的互聯(lián)。
如以上討論的，電極裝置20的陽極段18包括在操作中變?yōu)橛蒙锬?58涂布的高表面面積纖維表面。生物膜58可以包括稱為胞色細(xì)胞的鐵還 原細(xì)菌，其是已知使電子轉(zhuǎn)移至其它蛋白質(zhì)的特化酶。但是通常來自廢 液的細(xì)菌在陽極段上聚集形成具有導(dǎo)電性能的生物膜58。生物質(zhì)28、生 物膜58的細(xì)菌和陽極段18的相互作用產(chǎn)生電能。在電能產(chǎn)生微生物燃料電池IO、 10'中，經(jīng)由電解質(zhì)-膜17流動的質(zhì)子62和經(jīng)由外電路42、 44、 42'流動的電子64在陰極22與由氣氣-水流36攜帶的氧氣結(jié)合形成更多的 水分子。這一點(diǎn)消耗可用電子64，使更多的電子保持經(jīng)由電路42、 44、 42'從陽極段18流動至陰極22,允許在電路中收集能量。
研究已經(jīng)表明常規(guī)微生物燃料電池功率密度低，從生物膜到陽極的 電子轉(zhuǎn)移非常緩慢。這種低功率密度限制可以由微生物燃料電池產(chǎn)生的 電量。僅通過按比例放大微生物燃料電池尺寸并不能令人滿意地增加產(chǎn) 電量。因?yàn)楣β拭芏戎饕巧锬の⑸锖完枠O表面之間界面的函數(shù)， 看起來并非在不改進(jìn)生物膜特性的基礎(chǔ)上不能解決這種不足。但是，在 不按比例放大微生物燃料電池IO、 IO'尺寸的情況下，與常規(guī)/微生物燃料 電池陽極相比，陽極段18中游離或未結(jié)合的纖維45使可用表面面積顯著 增力口。
因此，在此公開以下實(shí)施方案。 方案l. 一種微生物燃料電池，包括
限定第一和第二室的電池室，第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流 體，第二室適合于容納氧化的流體； 延伸進(jìn)入電池室第二室的陰極；和
具有許多基本排列成行的纖維的電極裝置，每個纖維從第一端延伸 到第二端并具有外表面，該電極裝置包括從纖維的第一端延伸到位于纖 維第 一和第二端之間的中間位置的陽極段，該陽極段延伸進(jìn)入電池室第 一室，陽極段的纖維的外表面適合于接收生物膜。
方案2.方案l的微生物燃料電池，其中電極裝置還包括從纖維的第 二端延伸到中間位置的結(jié)合段，結(jié)合段的纖維的外表面由基料浸漬或包 覆。
方案3.方案2的微生物燃料電池，其中電極裝置具有2-10,000根纖維。
方案4.方案3的微生物燃料電池，其中電極裝置具有100-6,000根纖維。
方案5,方案4的微生物燃料電池，其中電極裝置具有500-3，000根纖維。
方案6，方案2的微生物燃料電池，其中纖維具有l(wèi)-IO微米的直徑。 方案7.方案2的微生物燃料電池，其中陽極段從結(jié)合段延伸l cm到
8ioo米。
方案8.方案2的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括位于結(jié)合段和電池室 中間的密封裝置，結(jié)合段、密封裝置和電池室限定不透液邊界。
方案9.方案2的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括位于電池室內(nèi)的蛋白 交換膜，該膜將空腔分隔成笫一和第二室。
方案IO.方案9的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流的第一室進(jìn)口，和適合于排出 第一流體流的第一室出口；和
適合于接收含有氣氣的第二流體流的第二室進(jìn)口，和適合于排出第 二流體流的第二室出口。
方案ll.方案2的微生物燃料電池，其中電極裝置具有圓柱形形狀， 結(jié)合段形成電池室，和陽極段從結(jié)合段徑向內(nèi)向延伸，陰極位于由電極 裝置限定的空腔內(nèi)。
方案12.方案ll的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括位于陰極和陽極段 中間空腔內(nèi)的圃柱形形狀蛋白交換膜，該膜將空腔分隔成第 一和第二 室。
方案13.方案12的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
至少一個適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流的第一室進(jìn)口和至 少一個適合于排出第一流體流的第一室出口，第一室進(jìn)口和出口每個與 電極裝置限定一定角度，由此第一流體流在第一室中產(chǎn)生流體環(huán)流；和
至少一個適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口和至少 一個適合于排出第二流體流的第二室出口。
方案14.方案13的微生物燃料電池，其中燃料電池包括許多沿著電 極裝置間隔設(shè)置的第一室進(jìn)口和出口。
方案15.方案13的微生物燃料電池，其中第一室進(jìn)口和出口每個具 有直徑，第一室進(jìn)口的直徑大于第一室出口的直徑。
方案16.方案ll的微生物燃料電池，其中陽極段的纖維在徑向基本 上垂直于結(jié)合段延伸。
方案17. —種微生物燃料電池，包括
電池室；
位于電池室內(nèi)的蛋白交換膜，該膜將電池室分隔成第一和第二室， 第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體，第二室適合于容納氧化的流體；延伸進(jìn)入電池室第二室的陰極；和
具有許多基本排列成行的纖維的電極裝置，每個纖維從第一端延伸 到第二端并具有外表面，該電極裝置包括陽極段和結(jié)合段，陽極段從纖
維第一端延伸到位于纖維第一和第二端之間的中間位置，結(jié)合段從纖維 第二端延伸到中間位置，陽極段的纖維的外表面適合于接收生物膜，結(jié) 合段的纖維的外表面由基料浸漬或包覆。
方案18.方案17的微生物燃料電池，其中電極裝置具有限定軸的圓 柱形形狀，結(jié)合段形成電池室，和陽極段從結(jié)合段徑向內(nèi)向延伸，陰極 基本上位于電極裝置的軸上，并且膜位于陽極段和陰極中間。
方案19.方案18的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
至少一個適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流的第一室進(jìn)口 ，和至 少一個適合于排出第一流體流的第一室出口 ，第一室進(jìn)口和出口每個具 有直徑，第一室進(jìn)口的直徑大于第一室出口的直徑，第一室進(jìn)口和出口 每個與電極裝置限定一定角度，由此第一流體流在第一室中產(chǎn)生流體環(huán) 流5 和
至少一個適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口和至少 一個適合于排出第二流體流的第二室出口 .
方案20.方案18的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
許多適合于接收含有生物質(zhì).的第 一流體流的第 一 室進(jìn)口 ，和許多適 合于排出第 一流體流的第一室出口，第一室進(jìn)口和出口沿著電極裝置間 隔設(shè)置，第一室進(jìn)口和出口每個與電極裝置限定一定角度，由此第一流 體流在第一室中產(chǎn)生流體環(huán)流；和
適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口 ，和適合于排出第 二流體流的第二室出口。
方案21.方案17的微生物燃料電池，其中陽極段的纖維在徑向基本 上垂直于結(jié)合段延伸。
方案22. —種微生物燃料電池，包括
限定軸和具有許多基本排列成行的纖維的圓柱形形狀電極裝置，每 個纖維從第一端延伸到第二端并具有外表面，該電極裝置包括陽極段和 結(jié)合段，結(jié)合段限定電池室，陽極段從結(jié)合段徑向內(nèi)向延伸，陽極段的 纖維的外表面適合于接收生物膜，結(jié)合段的纖維的外表面由基料浸漬或位于陽極段和陰極中間的蛋白交換膜，該膜將電池室分隔成第 一 和 第二室，第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體，第二室適合于容納氧化 的流體。
方案23.方案22的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
至少一個適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流的第一室進(jìn)口 ，和至 少一個適合于排出第一流體流的第一室出口 ，第一室進(jìn)口和出口每個具 有直徑，第一室進(jìn)口的直徑大于第一室出口的直徑，第一室進(jìn)口和出口 每個與電極裝置限定一定角度，由此第一流體流在第一室中產(chǎn)生流體環(huán) 流；和
至少一個適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口和至少 一個適合于排出第二流體流的第二室出口。
方案24.方案22的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括
許多適合于接收含有生物質(zhì)的第 一 流體流的第 一 室進(jìn)口 ，和許多適
合于排出第一流體流的第一室出口 ，第一室進(jìn)口和出口沿著電極裝置間
隔設(shè)置，第一室進(jìn)口和出口每個與電極裝置限定一定角度，由此第一流
體流在第一室中產(chǎn)生流體環(huán)流；和
至少一個適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口和至少
一個適合于排出第二流體流的第二室出口 。
方案25.方案22的微生物燃料電池，其中陽極段的纖維在徑向基本 上垂直于結(jié)合段延伸。
權(quán)利要求
1.一種微生物燃料電池，包括限定第一和第二室的電池室，第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體，第二室適合于容納氧化的流體；延伸進(jìn)入電池室第二室的陰極；和具有許多基本排列成行的纖維的電極裝置，每個纖維從第一端延伸到第二端并具有外表面，該電極裝置包括從纖維的第一端延伸到位于纖維第一和第二端之間的中間位置的陽極段，該陽極段延伸進(jìn)入電池室第一室，陽極段的纖維的外表面適合于接收生物膜。
2. 權(quán)利要求l的微生物燃料電池，其中電極裝置還包括從纖維的第 二端延伸到中間位置的結(jié)合段，結(jié)合段的纖維的外表面由基料浸漬或包覆。
3. 權(quán)利要求2的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括位于結(jié)合段和電池室 中間的密封裝置，結(jié)合段、密封裝置和電池室限定不透液邊界。
4. 權(quán)利要求2的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括位于電池室內(nèi)的蛋白 交換膜，該膜將空腔分隔成第一和第二室。
5. 權(quán)利要求4的微生物燃料電池，進(jìn)一步包括 適合于接收含有生物質(zhì)的第一流體流的第一室進(jìn)口 ，和適合于排出第一流體流的第一室出口；和適合于接收含有氧氣的第二流體流的第二室進(jìn)口 ，和適合于排出第 二流體流的第二室出口。
6. —種微生物燃料電池，包括 電池室；位于電池室內(nèi)的蛋白交換膜，該膜將電池室分隔成第一和第二室， 第 一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體，第二室適合于容納氧化的流體； 延伸進(jìn)入電池室第二室的陰極；和具有許多基本排列成行的纖維的電極裝置，每個纖維從第一端延伸 到第二端并具有外表面，該電極裝置包括陽極段和結(jié)合段，陽極段從纖 維第一端延伸到位于纖維第一和第二端之間的中間位置，結(jié)合段從纖維 第二端延伸到中間位置，陽極段的纖維的外表面適合于接收生物膜，結(jié) 合段的纖維的外表面由基料浸漬或包覆。
7. —種微生物燃料電池，包括限定軸和具有許多基本排列成行的纖維的圓柱形形狀電極裝置，每 個纖維從第一端延伸到第二端并具有外表面，該電極裝置包括陽極段和 結(jié)合段，結(jié)合段限定電池室，陽極段從結(jié)合段徑向內(nèi)向延伸，陽極段的 纖維的外表面適合于接收生物膜，結(jié)合段的纖維的外表面由基料浸漬或包覆；基本上位于電極裝置的軸上的陰極；和位于陽極段和陰極中間的蛋白交換膜，該膜將電池室分隔成第 一和 第二室，第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體，第二室適合于容納氧化 的流體。
全文摘要
本發(fā)明涉及微生物燃料電池和方法。微生物燃料電池包括具有第一和第二室的電池室。第一室適合于容納包括生物質(zhì)的流體。第二室適合于容納氧化的流體。陰極延伸進(jìn)入電池室第二室，電極裝置的陽極段延伸進(jìn)入電池室第一室。電極裝置具有許多基本排列成行的纖維。陽極段的纖維的外表面適合于接收生物膜。
文檔編號H01M8/16GK101621128SQ200910151810
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者J·A·斯維夫特, M·A·巴特勒, S·J·懷萊士 申請人:施樂公司