[发明专利]高效率微生物燃料电池

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年3月19日提交的题为“高效率微生物燃料电池”的美国临时申请61/315,548的优先权，将该申请通过参考并入本申请。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池和用于微生物燃料电池的改进的阳极和阴极。本发明还涉及从含有可生物降解的材料的流体，例如废水产生电的方法。此外，本发明涉及从含有可生物降解的材料的流体，例如废水，除去可生物降解的材料的方法。

背景技术

微生物燃料电池是已知的。20世纪60年代授权的披露和涉及在不燃烧的环境中生产电和使用微生物燃料电池从水中除去有机污染物的方法的专利参见Davis等的US 3,331,705;Davis等的US 3,301,705和Helmuth US3,340,094。一般地，微生物燃料电池通过使含有可生物降解材料的流体，例如废水流，与催化可生物降解材料的降解的微生物在阳极存在下接触而工作。所述废水流的来源可包括来自商业或者工业方法的流体，或者来自水处理工厂。该微生物产生副产物，包括电子。所述电子被从所述微生物传递到所述阳极。所述阳极通过电子导管和离子导管二者与阴极接触。所述电子通过所述电子导管被从阳极传递到阴极。这是典型的外部外部回路。通过阳极和阴极之间的电势差(即电压)将电子从阳极驱动到阴极。借助于置于外部回路中的合适的装填物，在阳极和阴极之间的电能，可俘获一部分所产生的能量用于其它目的。为了保持电中性，电子从阳极至阴极的流动必须也伴随着离子的流动。或者是阳离子将会从阳极移动到阴极，或者阴离子将会从阴极移动到阳极，或者阳离子和阴离子二者都将在阳极和阴极之间移动。离子通过离子导管传导。理想地，所述离子导管是离子传导性的而非电子传导性的。所述微生物催化样品和复杂有机物分解成水，氢离子(质子)和二氧化碳，和在分解的过程中产生电子。典型的燃料电池具有共同的特征，包括:电子供体，在阳极被氧化的燃料，所述阳极是传导性的固体，其接受来自该供体的电子，在微生物燃料电池中，燃料是可生物降解材料;需要催化剂来进行在阳极上的氧化反应，在微生物燃料电池中微生物用作催化剂;所述电子移动通常通过外部导管从阳极至阴极通过电导管，所述阴极是另一传导性固体;在阴极上，将电子添加到电子受体上，通常为氧;和任何阳离子，例如质子(H⁺)，钠离子(Na⁺)，钾离子(K⁺)，单独地从阳极移动到阴极，或者阴离子，例如氢氧根离子(OH^-)，氯离子(Cl^-)从阴极移动至阳极，从而保持阳极隔间中的电中性。在电子从阳极通过外部回路流到阴极时，离子必须也在阳极和阴极之间移动，从而保持电中性。没有使氢离子从阳极隔间或者氢氧根离子移动到阳极隔间会导致阳极隔间的酸化，和隔间之间的pH梯度。在微生物燃料电池的阳极隔间中使用微生物或者其它生物催化剂通常需要接近中性的pH。pH梯度的实际效果是电压效率降低，其因此降低发电。Rittmann等的WO 2010/008836通过将二氧化碳添加到阴极隔间中解决了这个问题。