[发明专利]具有导电泡沫电极的微生物燃料电池

说明书

早期国家申请的优先权要求

本申请要求2013年3月5日提交的美国申请No.61/772,834和2013年9月30日提交的美国申请No.14/041,230的优先权。

技术领域

公开的实施方案涉及微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)或生物燃料电池为通过模仿自然界中发现的细菌相互作用产生电流的生物电化学体系。典型的微生物燃料电池包含由阳离子特异性膜分隔的阳极和阴极隔室(或室)。在阳极隔室中，燃料通过微生物(即细菌)氧化，产生二氧化碳(CO₂)、电子和质子。电子通过外部电路转移至阴极隔室中，而质子通过膜转移至阴极隔室中。电子和质子在阴极隔室中被消耗，与氧结合以形成水，或者在某些条件下形成过氧化氢。

有机材料可用作用于MFC的燃料，其中细菌将有机材料氧化。常规MFC主要关注使用石墨、活性炭或碳纤维的固体碳基电池。另外，非腐蚀性金属如不锈钢和金也用作MFC中的阳极，但代表了用于飞行和商业规模MFC的高成本发展。

发明概述

提供该概述以简化形式介绍所述概念的简单选择，其在下文中进一步描述于提供的详细描述，包括附图中。该概述不意欲限制所主张主题的范围。

公开的实施方案包括用于微生物燃料电池(MFC)的阳极和任选阴极用的生物电极，其与常规固体生物电极相比包含提供增加的孔隙率的网状泡沫。作为阳极公开的生物电极容许微生物生物膜更有效地移居在阳极上并有效地将电子通过电路输送至阴极，从而改进MFC的总效率。

如本文所用“网状泡沫”指具有不容易吸收水的网状结构的泡沫材料，在特定实施方案中，例如网状疏水性聚氨酯泡沫。公开的生物电极包含提供流通的聚合物泡沫基质，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂粘附在聚合物泡沫基质上或化学结合在聚合物泡沫基质上的导电材料。

附图简述

图1为根据一个示例实施方案具有阳极和阴极的示例双隔室MFC的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质材料，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。

图2为根据一个示例实施方案具有阳极和阴极的示例单一隔室MFC的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。

发明详述

参考附图描述所公开的实施方案，其中类似的参考数字在整个图中用于表示类似或相同的元件。图不是按比例绘制的，且它们仅用于阐述某些公开的方面。下面参考示例应用描述几个公开的方面以阐述。应当理解描述大量具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施方案的完全理解。

然而，本领域技术人员容易认识到本文公开的主题可以不用一个或多个细节或者用其它方法实践。在其它情况下，不详细显示熟知的结构或操作以避免遮蔽某些方面。该公开内容不受所述动作或事件顺序限制，因为一些动作可以以不同的顺序和/或与其它动作或事件同时进行。此外，不需要所有所述动作或事件执行根据本文所述实施方案的方法。

图1为根据一个示例实施方案具有所公开的生物电极作为所示阳极111a的示例双隔室MFC100的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质材料，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。阳极111a在阳极隔室(或室)111中，其中与阳极111a接触的显示为生物膜116的微生物如细菌和/或海藻在阳极111a的开孔区上和开孔区内。阴极112a显示为常规阴极。然而，阴极112a可以为包含提供流通且具有导电材料的聚合物泡沫基质材料的所公开生物电极。

开孔聚合物泡沫结构可以以包含至少50％至98％的空隙体积和高达2,000ft²/ft³的单位体积表面积的受控孔径大小提供。高孔隙率降低流通电阻并提供微生物如细菌拓殖方面的效率。

然而，通常开孔聚合物泡沫以至多200-300ft²/ft³的相应较低表面积具有较少的孔/英寸(10-15ppi；因此较大的孔)。一般而言，用于包含生物膜的所述阳极具有200-300ft²/ft³的表面积，其中所述流通式阴极(通常不包含生物膜)具有300ft²/ft³至2,000ft²/ft³的表面积。