[发明专利]微生物燃料电池，控制和测量所述燃料电池的氧化还原电位差的方法

说明书

记载了一种微生物燃料电池(MFC)，其中阳极和/阴极半电池包括至少一个附加电极，所述附加电极被绝缘而不与工作电极直接接触并设置成与外部电压或电流源连接，其中所述附加电极不包括内部氧化还原系统；MFC的操作方法；以及测量、控制或调制MFC电路的方法。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池(MFC)，MFC的操作方法以及测量、控制或调制MFC电路的方法。特别地，本发明涉及提供具有改进的功率输出的MFC和测量MFC或控制电路的方法。

背景技术

微生物燃料电池是通过微生物的催化反应而将化学能转化电能的装置；实际上，可使用有机材料来供给燃料电池，包括将它们与废水处理装置连接。微生物燃料电池已被关注至少25年，在过去的6年中受到越来越多的关注。其主要驱动因素为——与常规燃料电池相比——连续、长期、恒定的功率输出水平的有利潜能，而这由该技术的核心——活的全细胞生物膜生物催化剂——产生。生物催化剂具有这样的能力，其使化学反应速度加快，而在该过程中不会被消耗。在大多数常规燃料电池中，催化剂可为使燃料分解成其主要成分(其中之一为电子)的特殊金属(exotic metal)。在微生物燃料电池(MFC)的情况下，生物催化剂通过生活在阳极室中的混合或纯培养物的生长和细胞代谢而再生。只要这些微生物菌群(consortia)在不断“更新的”环境中，它们将保持活力数月或数年，同时具有恒定数量的附着的代谢和生物转化生物膜细胞。

MFC的操作原理由控制物质的电氧化还原电位特性的电化学定律来说明，并且是当前该科学领域中的缺点之一。在大多数情况下，MFC由两个单独的半电池组成：阳极(-ve端)和阴极(+ve端)。取决于每个半电池的液体或干混合物的“成分表”，两个半电池之间存在电位差，其为每个半电池的各氧化还原值的组合，所述各氧化还原值由组成这些系统的每个成分的标准氧化还原电位决定。这又称为系统的开路(o/c)或空载电压，因为其只有当两端之间没有连接负载时才能记录，并限定了由微生物生物膜细胞在阳极产生的电子通过电路(电力负载)流入阴极的力。当然，该值越高，其越不可能为限制因素。到目前为止，所记录的平均o/c电压水平为～0.7V，其实际上意味着这些系统的电压-安培(VA)输出总是1V，对于通常需要3-5V操作范围的应用而言，必须采用并连接许多这样的单元。这种关系与物理大小和体积无关，即无论总工作体积是1mL还是10L，都存在相同的电位差。

将多个单元连接在一起以获得一个高输出值可以多种方式完成。例如，像常规电池组一样，可将MFC串联连接或并联连接以分别升高电压或电流。如果这些参数均需放大，则可应用串-并联配置。这些方法纯粹是用功率的电放大来实现的。

开路电位测量MFC的阳极电解液和阴极电解液的氧化还原电压之间的电位差。换言之，氧化还原电位差是两种不同物质(氧化还原对)的氧化还原电位之间的差。其为控制MFC系统中的电子流动的力。该力通过微生物的代谢驱动而保持和再生。当在能量产生模式中时，在工作阳极和阴极电极之间连接外部负载，这允许电荷(电子)从阳极流至阴极。为了量化MFC的开路电压性能，通常的方式是断开电路(即断开电阻器)并建立稳态读数或通过使用恒电位仪，所述恒电位仪使用参比电极人工地将系统设置为稳态。然而，达到稳态需要时间(约半小时并不罕见)。不断地断开电路并等待其稳定显著破坏了MFC的功率输出。

因此，需要改进MFC的功率输出并提供对应于MFC的开路电位的测量的改进机制以及一种控制或调制工作电极的功率输出的方法。

发明内容