最大化含在流體流中的可生物降解材料的減少的微生物燃料電池方法

2023-05-28 03:43:51 1

專利名稱：最大化含在流體流中的可生物降解材料的減少的微生物燃料電池方法
技術領域：
本發明涉及使用微生物燃料電池最大化流體流中的可生物降解材料的濃度的降低的系統和方法。
背景技術：
微生物燃料電池是已知的。20世紀60年代授權的披露和涉及在不燃燒的環境中生產電和使用微生物燃料電池從水中除去有機汙染物的方法的專利參見Davis等的US3，331，705;Davis 等的 US 3，301，705 和 Helmuth US3, 340，094。一般地，微生物燃料電池通過使含有可生物降解材料的流體，例如廢水流，與催化可生物降解材料的降解的微生物在陽極存在下接觸而工作。所述廢水流的來源可包括來自商業或者工業方法的流體，或者來自水處理工廠。該微生物產生副產物，包括電子。所述電子被從所述微生物傳遞到所述陽極。所述陽極通過電子導管和離子導管二者與陰極接觸。所述電子通過所述電子導管被從陽極傳遞到陰極。這是典型的外部外部迴路。通過陽極和陰極之間的電勢差(即電壓)將電子從陽極驅動到陰極。藉助於置於外部迴路中的合適的裝填物，在陽極和陰極之間的電能，可俘獲一部分所產生的用於其它目的。為了保持電中性，電子從陽極至陰極的流動必須也伴隨著離子的流動。或者是陽離子將會從陽極移動到陰極，或者陰離子將會從陰極移動到陽極，或者陽離子和陰離子二者都將在陽極和陰極之間移動。離子通過離子導管傳導。理想地，所述離子導管是離子傳導性的而非電子傳導性的。典型的燃料電池具有共同的特徵，包括電子供體，在陽極被氧化的燃料，所述陽極是傳導性的固體，其接受來自該供體的電子，在微生物燃料電池中，燃料是可生物降解材料；需要催化劑來進行在陽極上的氧化反應，在微生物燃料電池中微生物用作催化劑；所述電子移動通常通過外部導管從陽極至陰極通過電導管，所述陰極是另一傳導性固體；在陰極上，將電子添加到電子受體上，通常為氧；和任何陽離子，例如質子(H+)，鈉離子(Na+)，鉀離子(K+)，單獨地從陽極移動到陰極，或者陰離子，例如氫氧根離子(0H—)，氯離子(Cl—)從陰極移動至陽極，從而保持陽極隔間中的電中性。在電子從陽極通過外部迴路流到陰極時，離子必須也在陽極和陰極之間移動，從而保持電中性。沒有使氫離子從陽極隔間或者氫氧根離子移動到陽極隔間會導致陽極隔間的酸化，和隔間之間的PH梯度。在微生物燃料電池的陽極隔間中使用微生物或者其它生物催化劑通常需要接近中性的pH。pH梯度的實際效果是電壓效率降低，其因此降低發電。Rittmann等的WO 2010/008836通過將二氧化碳添加到陰極隔間中解決了這個問題。微生物燃料電池提供了環境友好地發電和流體純化的保證，並且除了以上指出的PH梯度問題之外也存在幾個技術上的挑戰。廢水是可以使用微生物燃料電池純化的普通的含有可生物降解材料的流體。微生物燃料電池操作起來可能比操作標準的水處理方法更加曰蟲印貝O需要這樣的微生物燃料電池，其以一種方式解決了所述問題，從而使得微生物燃料電池能夠用於商業環境中，其最大化可生物降解材料的降解，並且最小化成本。所需要的是微生物燃料電池方法，其不需要在系統中使用緩衝液，這最小化歐姆損失和物質傳遞損失，並且其使用環境友好的和有效的氧化劑。所需要的是這樣的微生物燃料電池，其可以以靈活的方式操作，從而最大化流體流中可生物降解材料的降解，同時利用由損失微生物燃料產生的電流，這是可生物降解材料的降解所不需要的。

發明內容
在一種實施方式中，本發明是微生物燃料電池，其包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中所述電子導管連接至電流源，連接至電流源和載荷二者，或者直接連接所述陽極和陰極。優選所述微生物燃料電池還包括適合·於測定引入到該微生物燃料電池的流體中可生物降解材料的濃度的傳感器。優選，所述傳感器連接至顯示或者說明引入到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的界面。在優選的實施方式中，所述界面是程序控制的自動控制器，例如微晶片或者計算機，用來調節從該微生物燃料電池取出的電流的水平或者添加至該微生物燃料電池的電流的水平。在另一優選的實施方式中，將電流控制器連接至所述電子導管，該電流控制器適合於調節從該微生物燃料電池取出的電流的量或者添加至該微生物燃料電池的電流的量。在另一實施方式中，本發明涉及一種方法，其包括A)提供一種微生物燃料電池，所述電池包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中沒有從所述微生物燃料電池取出電流或者將電流通過所述導管引入到所述微生物燃料電池；B)使含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸；C)使所述陰極與含氧氣體接觸；和D)從所述陽極的位置取出所述流體。在實施方式中，使所述電子導管直接接觸所述陽極，而沒有任何載荷在所述陽極和陰極之間。在一種優選的實施方式中，所述電子導管連接至電流源。在另一實施方式中，所述燃料電池的操作條件使得施加至該燃料電池的電流的電壓為大於大於O至約O. 4伏特。優選所述微生物燃料電池產生大於OkWh/kg的化學需氧量至約5kWh/kg的化學需氧量。在另一實施方式中，本發明是一種方法，其包括A)提供微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，確定引入到所述微生物燃料電池中的流體中可生物降解材料的濃度的傳感器，和顯示或者說明進料到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的界面；B)使所述含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸；C)使所述陰極與含氧流體接觸；D)測定含有可生物降解材料的流體中可生物降解材料的濃度；E)基於所述流體中可生物降解材料的濃度，調節從所述陰極取出的或者添加至所述陰極的電流的量；和F)從所述陽極的位置取出所述流體。在一種實施方式中，所述界面是顯示器，其顯示與所述陽極接觸的流體中可生物降解材料的濃度，和基於所述顯示器手動調節從所述陰極取出的或者添加到所述陰極的電流的量。在另一實施方式中，所述界面是與所述電子導管接觸的自動控制器，其適合於說明與所述陽極接觸的流體中可生物降解材料的濃度，和基於所述濃度調節從所述陰極取出的或者添加到該陰極的電流的量。優選，選擇從所述陰極取出的或者添加到該陰極的電流的量從而最大化在所述流體中分解的可生物降解材料的量。在另一實施方式中，本發明是一種方法，其包括A)提供微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中以大於O至約O. 2伏特的水平以約5A/m2或者更大的電流密度從所述微生物燃料電池取出電流；B)使電導率為I豪西門子/cm或者更小的含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸；C)使所述陰極與含氧流體接觸；D)從所述陽極的位置取出所述流體。應該理解，以上所述的方面和實例是非限制性的，因為本申請所示和描述的本發明中存在其它方式。該微生物燃料電池和使用本發明的微生物燃料電池的方法有助於在這些燃料電池中使用具有低導電性的流體，而不需要緩衝液。本發明的燃料電池和方法有助於有效地和高效地進行可生物降解材料的破壞。可將它們以靈活的方式建立運行，從而最大化可生物降解材料的降解，並且當不需要可生物降解材料的降解時，利用在該燃料電池中產生的電流用於其它目的。使用具有低電導率的進料流的本發明的微生物燃料電池具有高的電流密度例如約3A/m2或者更大，更優選7A/m2或者更大，和最優選約15A/m2或者更大。


圖I是一種微生物燃料電池的圖示。圖2是一種微生物燃料電池的外觀的圖示。圖3是微生物燃料電池的第二實施方式。圖4是微生物燃料電池的第三實施方式。圖5是微生物燃料電池的第四實施方式。圖6是片材狀陽極腔室與陰極和隔板組合的三維視圖。圖7顯示對於實施例I的電池，對於各種施加的電池電壓而言，作為時間的函數的操作電池電壓和陽極電勢。圖8顯示對於實施例2的電池，對於各種施加的電池電壓而言，作為時間的函數的操作電池電壓和陽極電勢。圖9顯示對於實施例I的電池，電池電壓，陽極電勢(相對於Ag/AgCl)，以及陰極電勢(相對於Ag/AgCl)。圖10顯示對於實施例2的電池，電池電壓，陽極電勢與Ag/AgCl的關係，和陰極電勢與Ag/AgCl的關係。
具體實施例方式本申請給出的解釋和說明意圖使本領域的其他技術人員知曉本發明，它的原理，和它的實際應用。本領域技術人員可能以許多形式採用和應用本發明，因為這些形式可能最好地適合於具體應用的要求。因此，本申請給出的本發明的具體實施方式
並不意圖是本發明的窮舉或者是本發明的限制。因此，本發明的範圍應該不參考以上描述確定，而是應該參考所附權利要求，結合這些權利要求所意圖的等價物的全部範圍來確定。所披露的所有文章和參考文獻，包括專利申請和公開，都通過參考併入用於所有的目的。預期權利要求中所述的各種特徵都可以以這些特徵中的兩種或者更多種的組合使用。以上介紹的每個組件都將在以下段落中和說明性實施例/實施方式的描述中詳細描述。從所附權利要求中搜集的其它組合也是可能的，也將其通過參考併入本申請的說明書中。本發明涉及獨特的解決方案，其用於有效的微生物燃料電池和使用這種燃料電池來從流體除去可生物降解材料的方法。在一種實施方式中，本發明涉及微生物燃料電池，其適合於最大化微生物燃料電池中降解的可生物降解材料的量。在另一實施方式中，本發明涉及微生物燃料電池，其可操作用來基於進料到該電池的進料中可生物降解材料的水平，調節從所述電池取出的或添加到該電池的電流的量。在另一實施方式中，本發明涉及一種方法，其用於操作微生物燃料電池，通過在操作過程中調節從該電池取出的或者添加到該電池的電流的量，從而最大化在微生物燃料電池中降解的可生物降解材料的量。在沒有從該微生物燃料電池取出電流也沒有向其添加電流的實施方式中，沒有產生或者消耗淨電能。在該實施方式中，使用簡化的系統，這減少了複雜性(例如不需要控制電子設備)，和成本。向該微生物燃料電池添加電流能夠減少燃料電池和使用的進料槽的尺寸，並且由此減少該系統和可生物降解材料的降解的成本。本發明的微生物燃料電池和本發明的方法可有助於處理進料中可生物降解材料中的難處理物(spikes)，而不需要大的電池和儲料槽。 本申請所用的傳導的是指所指出的物質提高或者促進指出的物質例如離子或者電子通過它流動。導電的是指指出的物質提高或者促進電子通過該指定的物質流動。離子傳導的是指指出的物質提高或者促進離子通過該指定的物質流動。該陽極適合於與含有可生物降解材料的流體接觸。可將所述陽極置於含有這樣的流體的容器中，或者可容納在腔室，陽極腔室中。在陽極置於陽極腔室中的實施方式中，陽極腔室用於容納陽極，所述微生物和所述含有可生物降解材料的流體。陽極腔室可由任何與陽極，所述微生物和含有可生物降解材料的流體相容的材料製造。在優選的實施方式中，陽極腔室可由剛性塑性材料製造。可製造陽極腔室的優選塑料包括聚氯乙烯，聚烯烴，丙烯酸類，聚碳酸酯，苯乙烯類和其共混物，包括聚碳酸酯-ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物)。陽極腔室含有用於引入含有可生物降解材料的流體的入口和用於該流體的出口。當微生物電池正在合適地工作時，從所述出口退出的流體具有比進料到陽極腔室的流體低的可生物降解材料的濃度。陽極腔室可為便於陽極，微生物和含有可生物降解材料的流體接觸的任何形狀或者構型。在優選的實施方式中，陽極腔室成形為提供用於陽極材料和微生物的基床的外殼，所述含有可生物降解材料的流體能夠流過。所述陽極可為任何形狀，其發揮收集通過可生物降解材料的降解產生的電子的功能。該形狀可為圓柱形的，管狀的，矩形的盒子，片材狀的等。本申請所用的片材狀是指該陰極呈現一種三維片材，其在一個平面上具有較大的尺寸，和在垂直於由該大尺寸限定的平面的方向上較小的尺寸，其可稱為厚度。在大尺寸的平面中片材狀陽極的形狀可為容許陽極發揮本申請所述功能的任何形狀。大尺寸的平面中陽極的形狀可為不規則的，梯形的，圓形的，橢圓形的，方形的，矩形的等。這些形狀不需要是精確的，原因在於梯形、方形和矩形的角可以是導圓的，角度不需要是精確的或者90度。片材狀陽極的各邊不需要是矩形的或者處於直角，而是可為彎曲的或者部分彎曲。本申請所用的邊是該片材狀材料的沿著該小尺寸的側邊。選擇該腔室的尺寸以使得適合於陽極形狀和體積，和期望的微生物燃料電池的容量，這是本領域技術人員能夠確定的。在優選的實施方式中，陽極腔室或者陽極具有片材狀材料的形狀，在兩個大尺寸的平面中具有矩形形狀。優選地，該腔室或者陽極在最小尺寸的方向上的尺寸，即陽極的厚度，為約IOmm或更小，更優選約5mm或更小。優選地,這一尺寸，厚度，為約Imm或更大。將該陰極置於與含氧流體接觸。該陰極可以對於含有含氧流體(例如空氣)的環境是敞開的，或者它可位於陰極腔室中。在一種實施方式中，微生物燃料電池可位於含有可生物降解材料的流體的容器中，例如可將微生物電池浸沒在這樣的流體中。在該實施方式中，陰極置於陰極腔室中。陰極腔室用來容納陰極和含氧流體。陰極腔室可由與陰極和含氧流體相容的任何材料製造。在優選的實施方式中，陰極腔室可由針對陽極腔室所描述的剛性塑性材料製造。優選地，陰極腔室由與陽極腔室相同的材料製造。陰極腔室可含有引入含氧流體的入口和/或含氧流體的出口。當含氧流體流經陰極腔室，從該出口退出的流體具有比進料到陰極腔室的流體低的氧濃度。所述陰極腔室可為便於陰極與含氧流體接觸的任何形狀或者構型。在另一優選的實施方式中，陰極腔室容許含氧流體擴散進入陰極腔室和擴散出陰極腔室。陰極或者陰極腔室的形狀可為容許陰極發揮本申請所記載的功能的任何形狀。優選地，所述形狀為描述為對於陽極和陽極腔室優選的任何形狀。選擇腔室的尺寸以使得適合於微生物燃料電池 的期望容量，這是本領域技術人員能夠確定的。優選地，陽極腔室的一部分是朝向陰極敞開的。優選地，陰極腔室的一部分是朝向陽極敞開的。優選地，陰極腔室和陽極腔室的開口彼此匹配。在一種優選的實施方式中，陰極腔室和陽極腔室具有匹配的開口，其適合於配對並形成封閉的腔室。在一種實施方式中，兩個腔室對彼此是敞開的。優選地，將隔板置於陽極腔室或陰極腔室的開口上，或者陽極腔室的開口和陰極腔室的開口之間。隔板用於在陽極和陰極之間電絕緣，並容許離子在陰極和陽極之間流動。優選地，隔板也防止微生物和可生物降解材料從陽極流動到陰極。優選地，隔板限制或者防止氣體或者液體在陽極和陰極之間流動。發揮這一功能的任何隔板都可用於本發明中。隔板的優選形式包括絲網(screens)，織物(cloth)，膜材和隔膜。優選地，離子交換膜位於陽極腔室或陰極腔室的開口上，或者在陽極腔室和陰極腔室之間各自的開口上。優選地，將密封件置於陽極腔室，陰極腔室或者陰極和陽極的匹配開口各邊的周圍，從而抑制、控制或者防止流體被傳送進出陽極腔室，陰極腔室、燃料電池、或者陰極腔室和陽極腔室之間。在一種優選的實施方式中，置於陰極和陽極腔室之間的所述絲網，織物，膜材和隔膜也用作兩個腔室結合的外周周圍的密封件。所述陽極可包括在微生物電池中有用的任何已知陽極。可使用與所述微生物相容的、導電的任何材料。與所述微生物相容是指所述陽極材料不殺死所述微生物或者與所述微生物相互作用催化可生物降解材料的分解。在本實施方式中，優選陽極由導電材料構成。優選地，所述導電材料是導電的金屬，或者導電的碳。優選的導電的金屬是鈦。導電的任何碳都可用於本發明中。優選的碳類型包括炭黑，石墨，石墨烯，石墨氧化物和碳納米管。碳的另一優選形式包括膨脹石墨的基質，其具有通過所述碳基質的孔。導電材料可為容許微生物、陽極和含有可生物降解材料的流體之間的有效接觸的任何形式，並且其形成到達電子導管並且通過迴路到達陰極的電子流動通道。期望的是，該導電材料具有儘可能高的表面積。相關的表面積是可用來與含有可生物降解材料的流體接觸的表面積。在一種實施方式中，所述陽極是用該導電材料填充的陽極腔室所限定的基床。該導電材料可為以下形式片材，紙，織物，交織的纖維，無規纖維(random fibers),組織的纖維,粒子,珠,顆粒,粒料，聚集的粒子，泡沫體，具有在其整個中連通的孔的整料，或其任何組合。在優選的實施方式中，該導電材料包括碳織物(carbon cloth),複寫紙(carbon paper),碳租(carbon felt),碳毛織品(carbon wool)，碳泡沫體，石墨，多孔石墨，石墨粉，石墨顆粒，石墨纖維，聚集的導電炭黑和網狀化的玻璃碳(reticulated vitreous carbon)。在導電材料是粒子或顆粒的形式的實施方式中，這些粒子或顆粒優選具有適合於擔載置於該粒子或顆粒上的細菌的尺寸。在一種實施方式中，可將該導電材料分散在基體例如與該系統相容的聚合物中，該基體可為膜、珠、粒料等形式。優選該粒子的尺寸使得該含有可生物降解材料的流體能夠流動通過陽極或者陽極基床，而沒有過多的背壓，並且使得該流體中的可生物降解材料能夠與該微生物接觸。優選地，該粒子尺寸為約I微米或更大和最優選約10微米或更大。本申請所用的整料是指單塊結構(unitary structure),在整個該結構中具有該含有可生物降解材料的流體能夠流動通過的孔。陽極中的孔優選具有以下尺寸，該尺寸使得該含有可生物降解材料的流體能夠流過該陽極或者陽極床，而沒有過多的背壓，該微生物能夠停留在該孔的表面上，並且使得該流體中的可生物降解材料能夠與該微生物接觸。本申請所用的導電材料的基床是指以如下方式包含在受限空間中的任何形狀或尺寸的導電材料，該方式使得含有可生物降解材料的流體能夠流動通過該基床，並且接觸導電材料的表面積的顯著部 分。優選地，基床形狀如前對陽極和陽極腔室所述。優選地，陽極的表面積為約O. 01m2/g或更大，更優選約O. lm2/g或更大和最優選約1.0m2/g或更大。本申請所用的組織的纖維是指該纖維以設計的形狀排列，例如以刷狀排列，這描述於Logan等的US 2008/0292912中，將該文獻通過參考併入本申請，等。通常，該陽極提供表面用於附著和生長微生物，因此該陽極由與微生物生長和保持相容的材料製成。材料與微生物在微生物燃料電池中的生長和保持的相容性可使用標準技術評價，例如使用生存能力標記物(viability marker)例如若丹明123，碘化丙錠，和這些或者其它細菌生存能力標記物的組合的測定。包含在根據本發明的微生物燃料電池的實施方式中的陽極的表面積大於約IOOm2/m3。比表面積在此處描述為每單位陽極體積的陽極的表面積。比表面積大於約IOOmVm3有助於根據本發明的實施方式的微生物燃料電池的發電。在進一步的實施方式中，根據本發明的微生物燃料電池包括比表面積大於約1000m2/m3的陽極。仍然在另一實施方式中，根據本發明的微生物燃料電池包括比表面積大於約5，OOOmVm3的陽極。還在另一實施方式中，根據本發明的燃料電池包括比表面積大於約10，OOOmVm3的陽極。配置為具有高比表面積的陽極容許縮放根據本發明的微生物燃料電池。在一種優選的實施方式中，所述陽極包括一種或多種導電材料和一種或多種離子傳導性材料的混合物。優選的離子傳導性材料是離子交換材料。安排該混合物，從而使得形成通過陽極的電子流路和離子流路。導電材料形成電子到達電子導管和通過迴路到達陰極的流路。該離子傳導性材料產生離子，優選氫離子到達陰極腔室，或者來自陰極腔室的氫氧根離子的流路。各個材料需要以足夠的量存在，並且在合適的排列中從而形成期望的流路。該排列可以類似於互穿網絡。或者，該材料(優選離子傳導性材料)之一能夠被置於通過該陽極腔室的多個層或者連續的條中，其中所述層或者條與所述陰極腔室或者離子交換膜或者電子導管接觸。在優選的實施方式中，使用兩種材料的粒子的共混物從而使得存在期望的流路。優選地，傳導材料和離子傳導性材料的陽極包括約30vol%或更大的導電材料，基於存在的實心材料，更優選約40vol%或更大和最優選約45vol%或更大。優選地,導電材料和離子傳導性交換材料的陽極包括約70vol%或更小的導電材料，基於存在的實心材料，更優選約60vol%或更小和最優選約55vol%或更小。優選地，導電材料和離子傳導性材料的陽極包括約30vol%或更大的離子傳導性材料，基於實心材料，更優選約40vol%或更大和最優選約45vol%或更大。優選地，導電材料和離子傳導性材料的陽極包括約70vol%或更小的離子傳導性材料，基於實心材料，更優選約60vol%或更小和最優選約55vol%或更小。「基於實心材料」是指孔和粒子之間的空間的體積不包含在記載的體積中。優選地，該陽極包括陽極中粒子周圍的空間和/或用於形成陽極的材料中的孔。含有可生物降解材料的流體通過從該粒子周圍流過或者流經該孔而流動通過陽 極。該粒子之間的空間和該孔的尺寸需要以下尺寸，該尺寸使得該微生物能夠停留在粒子或者孔的表面上，並且使得在流體流經該陽極時該可生物降解材料能夠接觸該微生物。本質上，優選構建該陽極，從而提供該含有可生物降解材料的流體的流路，從而使得它能夠使該陽極與存在於該陽極中的微生物接觸。粒子之間的空間最好被描述為空隙空間百分比(percentofvoid space),未被實心材料佔據的空間,優選該空隙空間(void space)為約20vol%或更大，更優選約33vol%或更大,更優選約50vol%或更大。優選,該空隙空間為約96vol%或更小。推論是實心體積為約80vol%或更小,更優選約67vol%或更小,和更優選約50wt%或更小。優選該實心體積為約4wt%或更大。中值空間(median spaces)或者孔尺寸優選為約5微米或更大，和更優選約10微米或更大。中值空間或者孔尺寸優選為約1000微米或更小和更優選約100微米或更小。在另一實施方式中，該陽極和/或陰極腔室具有入口和/或出口，以便於流動通過該陰極和/或陽極腔室。本發明的微生物燃料電池優選包括將流體物質引導到陽極的裝置。優選，所述流體以基本上平行於離子交換膜的一個表面的方向流經陽極。這種裝置能夠是將流體以指定的流路引導到陽極的任何裝置。在一種優選的實施方式中，這種裝置包括一個或多個入口和出口，其排列使得液體流經陽極。優選所述液體流為在基本上平行於隔板的一個表面的方向。在另一實施方式中，產生該流體流動的裝置例如吹風機或者推動器(impeller)等用來強制流體在相對於陽極的期望的方向上流動。基本上平行是指流體的流動總體上平行於隔板但是流動的向量角度不是精確的。當陽極為片材狀形狀時，流體的流動優選垂直於陽極的厚度尺寸。優選地，通過該陽極的流體的流動垂直於陽極的厚度尺寸，和基本上平行於隔板的一個表面。陰極可包括在微生物電池中有用的任何已知陰極。陰極包括能夠傳遞電子的導電材料。該導電材料可以是描述為對於陽極有用的任何導電材料。在優選的實施方式中，陰極還包括用於氧化還原反應的催化劑。優選類型的催化劑是第VIII族金屬和氧化酶。優選的金屬是貴金屬，更優選鉬和鈀。催化劑可位於陰極上，或者在陰極置於腔室中時它可在陰極腔室中的任何位置。優選地，該催化劑位於該陰極的表面。在催化劑是金屬的實施方式中，選擇催化劑濃度從而使得陰極腔室中的氧化還原反應以合理的速度進行。優選地，該催化劑存在的量為約O. IOmg金屬每平方釐米投影(projected)的陰極表面積或更小，更優選約O. 05mg金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更小和最優選約O. 02mg的金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更小。優選該催化劑存在的量為約O. OOlmg金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更大，更優選約O. 005mg金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更大，甚至更優選約O. Olmg金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更大和最優選約O. 015mg金屬每平方釐米投影的陰極表面積或更大。該陰極優選為具有大表面積的實心材料。
在一種優選的實施方式中，所述陰極包括一種或多種導電材料和一種或多種離子傳導性材料的混合物。優選的離子傳導性材料是離子交換材料。該導電材料還可包括前面所述的催化劑。優選，該催化劑塗布在導電材料例如碳的表面上。安排該混合物，從而使得形成通過陰極的電子流路和離子流路。導電材料形成電子在陰極中的流路。該離子傳導性材料產生離子，優選來自陽極腔室的氫離子，或者來自陰極腔室的氫氧根離子的流路。各個材料需要以足夠的量存在，並且在合適的排列中從而形成期望的流路。該排列可以類似於互穿網絡。優選，該材料(優選離子傳導性材料)之一能夠被置於通過該陰極腔室的多個層或者連續的條中，其中所述層或者條與所述陽極腔室或者離子交換膜或者電子導管接觸。在優選的實施方式中，使用兩種材料的粒子的共混物從而使得存在期望的流路。這些流路容許含氧流體流動穿過所述陰極。優選地，傳導材料和離子傳導性材料的陰極包括約30vol%或更大的導電材料,基於存在的實心材料，更優選約40vol%或更大和最優選約45vol%或更大。優選地，導電材料和離子傳導性交換材料的陽極包括約70vol%或更小的導電材料，基於存在的實心材料，更優選約60vol%或更小和最優選約55vol%或更小。優選地，導電材料和離子傳導性材料的陰極包括約30vol%或更大的離子傳導性材料，基於實心材料，更優選約40vol%或更大和最優選約45vol%或更大。優選地,導電材料和離子傳導性 材料的陰極包括約7Ovo 1%或更小的離子傳導性材料,基於實心材料，更優選約60vo 1%或更小和最優選約55vol%或更小。「基於實心材料」是指孔和粒子之間的空間的體積不包含在記載的體積中。優選地，該陰極包括陰極中粒子周圍的空間和/或用於形成陰極的材料中的孔。含氧流體通過從該粒子周圍流過或者流經該孔而流動通過陰極。該粒子之間的空間和該孔的尺寸需要以下尺寸，該尺寸使得該含氧流體自由流動通過所述陰極。中值(以體積分數計)空間或者孔尺寸優選為約5納米或者更大，更優選約10納米或者更大。中值空間或者孔尺寸優選為約100微米或者更小，更優選約10微米或者更小。粒子之間的空間最好被描述為空隙空間百分比(percent ofvoid space),未被實心材料佔據的空間,優選該空隙空間(void space)為約20vol%或更大,更優選約33vol%或更大,更優選約50vol%或更大。優選，該空隙空間為約96wt%或更小。推論是實心體積為約80vol%或更小,更優選約67vol%或更小，和更優選約50vol%或更小。優選該實心體積為約4vol%或更大。在另一實施方式中，該陽極和/或陰極腔室具有入口和/或出口，以便於流動通過該陰極和/或陽極腔室。該陽極腔室和/或陰極腔室可具有位於其開口處的隔板，阻擋物。當陰極和陽極都位於腔室中時，它們可能具有位於其間的隔板，阻擋物。該隔板用於隔開陽極和陰極。隔板優選為不傳導的，即其不容許電子穿過隔板。隔板優選容許離子通過隔板。優選該隔板抑制流體，例如水和含氧氣體，通過它流動。隔板優選用於防止固體流出腔室或者在腔室之間流動。該隔板優選容許離子在腔室之間通過從而平衡兩個腔室中的pH。該隔板可為織物，屏蔽物，膜或者離子交換膜。在優選的實施方式中，該離子交換膜是陰離子交換膜。離子交換膜可為異質的(heterogeneous),勻質的(homogeneous),擔載的或者未擔載的。需要離子交換膜是生物相容性的，也即不傷害該系統中的生物材料。在一種優選的實施方式中，該離子交換膜是由離子交換樹脂和粘合劑的共混物製備的膜。該離子交換樹脂可經受操作從而在與粘合劑接觸之前減少粒度。陰離子交換膜可含有有助於將陰離子從陰極轉移到陽極的任何陽離子部分。在陰離子交換膜中的優選陽離子部分是含氮陽離子基團，和優選銨陽離子，季銨離子，咪唑鎗離子，吡啶鎗離子，等。該膜容許將期望的材料傳遞通過該膜。在優選的實施方式中，該膜防止尺寸為約1000納米的微生物通過該膜。因此，限制水和/或微生物流動通過該膜，以及任何包含的膜塗層。微過濾，納米過濾和離子交換膜組合物在本領域中是已知的，可使用任何各種膜，其排除微生物並容許期望的流體(氣體)通過該膜擴散。微過濾，納米過濾和/或離子交換膜組合物的說明性實例包括但不限於滷化的化合物例如四氟乙烯，四氟乙烯共聚物，四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯共聚物，聚氯乙烯，聚氯乙烯共聚物；聚烯烴例如聚乙烯，聚丙烯和聚丁烯；聚醯胺例如尼龍；碸例如聚碸和聚醚碸；基於腈的聚合物例如丙烯腈；和基於苯乙烯的聚合物例如聚苯乙烯。合適的膜材料的實例是超濾和納米過濾膜，其通常用於水處理工業中來過濾水同時排除微生物。例如，合適的膜是由X-Flow，The Netherlands製造的超濾膜B0125。另外的實例包括由 Membranes International, Inc. New Jersey, USA 製造的 CMI 和 AMI 離子交換膜。該隔板優選為具有兩個相對的表面的片材。在一種優選的實施方式中，所述陰極鄰近隔板放置。更優選地，陰極位於接近於隔板的一個表面並且與隔板的一個表面接觸。在一種實施方式中，陰極被塗覆於或者印刷於隔板的一個表面上。在另一實施方式中，陽極位 於接近於隔板。更優選，陽極位於接近於隔板的一個表面並且與隔板的一個表面接觸。優選地，陽極和陰極各自接近於隔板的相對的表面並且與隔板的相對的表面接觸。在一種實施方式中，催化劑的納米粒子在碳的細粒的表面上的塗層可置於隔板上。碳的細粒的粒度可為便於該粒子被塗覆到隔板上的任何尺寸。優選該微細碳粒子的尺寸為約I納米或者更大和更優選約2納米或者更大。優選該微細碳粒子的尺寸為約50微米或更小和更優選約10微米或更小。催化劑納米粒子具有的尺寸使得它們被擔載在微細碳粒子上。優選催化劑納米粒子的尺寸為約I納米或者更大。可將具有催化劑納米粒子的微細碳粒子塗覆到本領域已知的任何隔板上，包括本申請前面所披露的那些。優選催化劑納米粒子的尺寸為約100納米或更小和更優選約50納米或更小。優選將具有催化劑納米粒子的微細碳粒子塗覆到離子交換膜上。在優選的實施方式中，將具有催化劑納米粒子的微細碳粒子在塗覆到隔板上時與離子交換樹脂混合。離子交換樹脂的粒度優選為約100納米至約100微米。在用具有催化劑納米粒子的微細碳粒子和任選的離子交換樹脂塗覆隔板時，將該粒子和任選的樹脂溶解於或者分散於揮發性溶劑中，並施加至隔板。優選的溶劑是揮發性有機溶劑例如醇，酮和脂肪族或者芳族烴。通常，將該塗層通過將含有催化劑的粒子的溶液與基材接觸，和使溶劑揮發掉而施加。優選在施加含催化劑的粒子的溶液之前使該基材，例如離子交換膜，溶脹。在位於所用的陽極腔室中的陽極的周圍是生電的(即當使可生物降解材料降解時產生電子的)微生物。該微生物優選可在陽極的表面上。優選它們移植於陽極的表面上並且在陽極的表面上存活。本申請所用的微生物包括細菌，古生菌(Archaea)，真菌和酵母。優選的微生物是依賴陽極生長的細菌(anodophilic bacteria)。本申請所用的術語「親陽極菌(anodophiles) 」和「依賴陽極生長的細菌(anodophilic bacteria) 」是指直接或者通過內源性生產的介質將電子傳遞到電極的細菌。經常，親陽極菌是專性或兼性需氧菌。術語「產電菌群(exoelectrogens) 」也用來描述合適的細菌。依賴陽極生長的細菌的實例包括選自下組的細菌Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae,Comamonadaceae， Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae， Geobacteraceae,Pasturellaceae，和Pseudomonadaceae科。適合用於本發明的系統的細菌的這些和其它實例描述於以下文獻中Bond，D.R.，et al.，Science 295，483-485，2002;Bond，D. R. etal.，App I. Environ. Microbiol. 69，1548-1555，2003; Rabaey，K.，et al.，Bio techno I.Lett. 25，1531-1535,2003;U. S. Pat. No. 5，976，719;Kim，H. J.，et al.，Enzyme Microbiol.Tech.30，145-152，2002;Park, H. S.，et al.，Anaerobe 7，297-306，2001;Chauduri，S. K.，et al.，Nat. Biotechno I. , 21:1229-1232，2003 ; Park, D. H. et al.，AppI. Microbiol.Biotechnol· ,59:58-61,2002;Kim, N. et al. , Biotechnol·Bioeng. ,70:109-114,2000; Park, D. H. et al.，AppI. Environ. Microbiol.，66，1292-1297，2000 ; Pham，C. A. etal.，EnzymeMicrob. TechnoI.，30:145—152，2003;and Logan, B. E. , et al.，TrendsMicrobiol. 14(12) :512_518，將所有這些文獻通過參考併入本申請。依賴陽極生長的細菌優選與陽極接觸用於將電子直接傳遞至陽極。但是，在通過介質傳遞電子的依賴陽極生長的細菌的情況下，該細菌可存在於反應器中的其他地方，並且仍然用於產生在本發明的方法中有用的電子。依賴陽極生長的細菌可提供為純化的培養物，富含依賴陽極生長的細菌，或者如果需要，甚至是富含具體種類的細菌。純的培養物試驗已經在以下文獻中報導了高達 98. 6% 的庫倫效率Bond, D. R. et al.，Appl. Environ. Microbiol. 69,1548-1555, 2003, 將該文獻通過參考併入本申請。因此，使用選擇的菌株可增加總的電子回收和氫的產生，當這些系統能夠在無菌條件下使用時尤其是這樣。可選擇或者基因工程化細菌，從而使得能夠增加庫倫效率和在陽極產生的電勢。此外，可使用混合的微生物種群，包括依賴陽極生長的厭氧性微生物(anodophiIicanaerobes)和其它微生物。進料到微生物電池的進料包括流體中的可生物降解材料。包含在根據本發明的實施方式的微生物燃料電池中的可生物降解材料是可被依賴陽極生長的細菌氧化的，或者可生物降解從而產生可被依賴陽極生長的細菌氧化的材料。本申請使用的術語「可生物降解的」是指通過生物機理分解的有機物質，所述生物機理說明性地包括微生物作用，熱和分解。微生物作用包括水解，例如。該流體優選為液體，更優選水或者有機液體，水是更加優選的。任何各種類型的可生物降解的有機物都可用作微生物燃料電池中微生物的「燃料」，包括脂肪酸，糖，醇，碳水化合物，胺基酸，脂肪，脂質和蛋白質，以及動物，人類，城市，農業和工業廢水。天然產生的和/或合成的聚合物說明性地包括碳水化合物例如殼多糖(chitin)和纖維素，和可生物降解的塑料例如可生物降解的脂肪族聚酯，可生物降解的脂肪族-芳族聚酯，可生物降解的聚氨酯和可生物降解的聚乙烯醇。可生物降解的塑料的具體實例包括聚羥基鏈烷酸酯，聚羥基丁酸酯，聚羥基己酸酯，聚羥基戊酸酯，聚乙醇酸，聚乳酸，聚己酸內酯，聚丁二酸丁二醇酯，聚丁二酸己二酸丁二醇酯，聚丁二酸乙二醇酯，脂肪族-芳族共聚酯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯和聚亞甲基己二酸/對苯二甲酸酯。可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物是本領域已知的。可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物的說明性實例包括但不限於單糖，二糖，胺基酸，直鏈或者支化的C「C 7化合物，包括但不限於醇和揮發性脂肪酸。此外，可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物包括芳族化合物例如甲苯，苯酚，甲酚，苯甲酸，苄基醇和苯甲醛。可被依賴陽極生長的細菌氧化的另外的有機物描述於Lovely,D. R. et al. ,Applied and Environmental Microbiology56:1858-1864,1990中，將該文獻通過參考併入本申請。此外，一種提供的物質可以以可被依賴陽極生長的細菌氧化的形式提供，或者以可生物降解從而產生可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物的形式提供。可被依賴陽極生長的細菌氧化的有機物的具體實例包括甘油，葡萄糖，乙酸酯(或鹽)，丁酸酯，乙醇，半胱氨酸和這些或者其它的可氧化的有機物質的組合。在優選的實施方式中，在流體中的可生物降解材料是含有可生物降解的物質的廢流(waste stream)。用於該廢流的流體可為有機的或者水性的。該廢流可為來自化學或者生物方法的廢流或者廢水流。該廢水流可來自化學或者生物方法，城市廢水流或者汙染的水源。用於提高電子到陽極上的傳遞的電子傳遞介質可位於陽極的附近，例如在陽極腔室中。本領域已知的實現這一功能的任何化合物都可用於本發明的微生物燃料電池中。優選的介質的實例是氧化鐵，中性紅，蒽醌-1，6-二磺酸(ADQS)和1，4_萘醌(NQ)。其它已知的介質的實例包括甲基硫酸吩嗪(phenazine methosulfate) ,2，6_ 二氯苯酹靛酹,亞氨嗪(thionine)，甲苯胺，鐵氰酸鉀和1，4_萘醌。介質任選地化學鍵合至陽極，或者通過各種處理(例如塗覆)改性的陽極，從而含有一種或多種介質。·在許多已知的微生物燃料電池方法中的在流體中的可生物降解的物質顯示出低的傳導性。低的傳導性抑制了離子在陽極和陰極之間的流動。為了解決這個問題，許多已知的方法添加緩衝液到該含有可生物降解材料的流體。通常的緩衝液含有磷酸鹽。在來自微生物電池的流出物是純化的廢流的實施方式中，存在磷酸鹽或者某些其它的緩衝液是所不期望的。在本發明的一種實施方式中，可添加環境友好的緩衝液，例如碳酸鹽或者碳酸鹽的源例如二氧化碳。在更優選的實施方式中，該微生物燃料電池使用未緩衝化的進料操作。可將該未緩衝化的進料直接進料到燃料電池或者，可添加電解液。通常，進料的傳導性(電導率)為10毫西門子/cm或更小，甚至是5毫西門子/cm或更小和甚至是2毫西門子/cm或更小。通常，該進料的導電性為O. 5毫西門子/cm或更大，和甚至是O. 9毫西門子/cm或更大。使陰極與含氧流體接觸。氧氣在陰極附近還原形成水或者氫氧根離子，例如在陰極腔室中。可使任何含有氧的流體與陰極接觸。因為成本的原因，空氣是優選的。可使用純氧或者富氧的流體。在優選的實施方式中，可使用到陰極的含氧流體流。在這種實施方式中，可使用吹風機來使該含氧流體與陰極接觸。優選的含氧流體是氣體。電子導管連接陽極和陰極，並且用來使電子在陽極和陰極之間流動。所述電子導管可流動通過外部迴路，在微生物燃料電池的外部，或可形成內部迴路，完全在該微生物燃料電池內部。電子導管可為發揮所記載的功能的任何物質或者形狀。優選所述電子導管由導電的金屬組成，優選的導電的金屬包括銅，銀，金或者鐵或者含有這些金屬的合金，其中銅或者鋼是最優選的。優選地，電子導管是線材或者片材的形式，和最優選線材形式。如在常規的微生物燃料電池中的，該電子導管可將電池連接至電力負載(electrical load)。本申請所用的負載是指消耗來自微生物燃料電池的電能的設備或者元件。該負載可為電阻器，其中將來自微生物燃料電池的電能轉化成熱能(熱)；或者馬達，其中將來自微生物燃料電池的電能轉化成機械能(工作)。該負載可通過一種或多種電迴路例如電壓變極器(voltage inverter),電網(power grid),等與微生物燃料電池隔離。在一種優選的實施方式中，該載荷為所產生的一部分電流可以為它提供動力的電設備。在另一實施方式中，該載荷可為電池組，其適合於存儲所產生的電或者電網從而分配電的使用。在另一實施方式中，可將電子導管與電流源接觸。通過該電流源提供的電流被該電池用於增加在微生物燃料電池中降解的可生物降解材料的量。本領域已知的任何電流源都可用於本實施方式中，包括直流和交流電流源；電網，發電機，電池組和燃料電池。在一種實施方式中，將所述電子導管直接從陽極連接至陰極。直接連接是指該電子導管不連接至載荷或者電流源。該電子導管可途徑該微生物燃料電池的外面然後回到該微生物燃料電池中，或者它可完全位於該燃料電池中。在該陽極和陰極之間有直接連接的情況下，該電池被短接，電子直接從陽極流至陰極。直接從陽極連接至陰極的電子導管可以通過電流控制器，所述電流控制器適合於調節從陽極流向陰極的電流的量。該電流控制器可用於調節流到陰極並且進入微生物燃料電池的電流的量。這容許調節該電流從而匹配使引入到燃料電池的該流體中所述量的可生物降解材料降解所需的電流量。可使用耐微生物燃料電池的環境的任何已知的控制電流的裝置，包括可變電阻器，電流控制電子載荷，等。在載荷和/或電流源連接至電子導管的實施方式中，可將電流控制器進一步連接至該電子導管。可操作該電流控制器從而調節引入到該微生物燃料電池的電流量和/或從該電池取出的電流量。該微生物燃料電池可進一步包括測定含在進料到微生物燃料電池的陽極腔室的可生物降解材料的量的傳感器。可在本發 明中使用本領域已知的任何測定可生物降解材料的濃度的傳感器。該微生物燃料電池還可含有界面，所述界面說明或顯示傳感器的結果。優選該界面是顯示器或者電子控制器。在一種優選的實施方式中，該界面是電子控制器，例如計算機或者微晶片，其適合於基於引入到微生物燃料電池中的流體中可生物降解材料的濃度，調節從該微生物燃料電池取出的電流的量或者添加至該微生物燃料電池的電流的量。在一種實施方式中，該界面可為顯示進料到該陽極中的可生物降解材料的濃度的顯示器。操作者可基於該濃度手動調節從該微生物燃料電池取出的電流或者添加至該微生物燃料電池的電流。本發明的微生物燃料電池還可包括一種或多種集電器，其形成電子導管的一部分。該集電器可為電子導管，或者可為電子導體的一部分。集電器用來收集來自電極(陰極或者陽極)的電流，將其送至電迴路。優選的集電器包括導電金屬。集電器優選鄰近電極並且與電極緊密接觸。集電器可為容許它們鄰近電極或與電極緊密接觸的任何形狀。優選地，集電器是金屬的線材，絲網或者片材，其成形為與電極的顯著部分接觸。可包含一個或多個調節設備，例如閥，來進一步調節材料流入和流出陽極或陰極腔室。此外，一個或多個蓋子或者密封件任選地用於封閉用於將流體引入到陽極腔室或者陰極腔室中的通道。例如，當遠程操作燃料電池，或者燃料電池作為單獨使用的設備操作使得沒有另外的材料添加時，任選地使用一個或多個蓋子或者密封件來封閉通道。可使用一個或多個泵來提高液體或者氣體流入和/或流出反應腔室。本發明的微生物燃料電池可通過將陽極，和任選的電子介質，置於與隔板或者陽極腔室接觸而組裝。將該陰極，和任選的集電器，置於與隔板或者陰極腔室接觸。密封件和/或隔板(阻擋材料)置於陽極或陰極腔室的開口周圍或者開口上。當陽極和陰極都置於腔室中時，將陰極腔室和陽極腔室沿著它們各自匹配的表面與它們之間的密封件和/或隔板，阻擋材料，例如陰離子交換膜，接觸。陽極和陰極腔室通過已知的方式固定就位，例如通過使用機械固定器(fastener)或者粘合劑。為了便於拆卸微生物燃料電池從而維修或者清洗該電池，優選機械固定器，例如螺釘。可使入口和出口流體導管附接至陽極和陰極入口和出口。將該導管進一步連接至用於陽極腔室的進料材料的源，流體中的可生物降解材料，和對於陰極腔室來說，連接至含氧氣體。如果需要，可將電池通過電子導管連接至負載、電源、傳感器、電流控制器、和/或界面。最初，陽極腔室需要用該細菌接種。這通過如下方法而進行將該微生物或者含有該微生物的介質添加到陽極，例如添加到陽極腔室，並且將該陽極暴露於使得該微生物的健康菌落停留在該陽極上或者附近的條件。該方法的詳細過程對於本領域技術人員來說是已知的。一旦完成接種，就可操作該微生物燃料電池，從而產生電,並且從液體流除去可生物降解材料。在本發明的微生物燃料電池中存在的具體組分決定操作該微生物燃料電池的一種或多種具體模式。在操作時，可從該電池取出電流，將電流引入到該電池，或者短接用於該電池中。藉助於合適的組件，可調節取出和添加的電流的量從而最大化通過該系統降解的可生物降解材料的量。在電子導管直接連接陽極和陰極的實施方式中，電子可以從陽極流向陰極。如果將電子控制器置於陽極和陰極之間，就可調節流到陰極的電流的電壓。當該電子控制器是可變電阻器時，轉向的電子轉化成熱。在將電流添加到微生物燃料電池的實施方式中，可如上所述通過將電子導管連接至電流源而引入電流。可調節電流的量從而 使其匹配進料到微生物燃料電池的進料中可生物降解材料的水平。當在有一個傳感器來判斷在該進料中可生物降解材料的水平時，可將結果供給界面，該界面顯示該結果或者解釋該結果，並且自動調節從該微生物燃料電池取出和/或添加到該微生物燃料電池的電流的水平。當該界面是顯示器時，操作者可以基於該顯示器調節取出或者添加的電流。如果該界面是電子控制器，例如計算機或者微晶片，那麼該電子控制器可以編程來調節添加或者取出的電流的水平，從而最大化在微生物燃料電池中降解的可生物降解材料的量。一種或多種燃料電池可用來產生電和/或減少流體中可生物降解材料的量。在操作中，含有可生物降解材料的流體與陽極接觸，而陰極暴露於含氧流體。可通過將陰極腔室向環境敞開而將含氧流體引入到陰極腔室。或者，可使富含空氣或者氧的，較高氧含量的流體流入到與陰極接觸，例如通過將含氧流體在陰極上吹過或者吹向陰極。在一種實施方式中，將含有可生物降解材料的流體引入到陽極腔室，而具有較低可生物降解材料含量的流體是來自陽極腔室的流出物。選擇插入微生物燃料電池的或者取自微生物燃料電池的電流從而最大化可生物降解材料的降解。如果目的是最大化由該電池產生的電力，那麼從該電池取出的電流就使得電池操作電壓為優選地約O. 2伏特或更大和優選地約O. 4伏特或更小。如果該目的是最大化可生物降解材料的降解，那麼從微生物燃料電池取出的電流就使得電池操作電壓為優選地約O. 05伏特或者更大和約O. 2伏特或更小。在將電流添加到微生物燃料電池的實施方式中，可使用獲得可生物降解材料的期望的減少的一定量的電流。電流的量的上限是實踐性的，也即可生物降解材料的降解的成本變得大於其他方法的點。優選該微生物燃料電池的操作條件使得施加到燃料電池的電流的電壓為大於O伏特。優選該微生物燃料電池的操作條件使得施加到燃料電池的電流的電壓為約O. 4伏特或者更小，更優選約O. 2伏特或者更小。電池操作電壓是由操作條件下單個電池產生的電壓。電池電壓要求是添加至該微生物燃料電池從而獲得可生物降解材料的期望降解的電壓。如果將多個電池以電串聯的方式連接從而形成堆疊，那麼電池操作電壓或者電池電壓要求就是指組成該堆疊的多個電池的平均電池操作電壓或者平均電池電壓要求。可將電子導管連接至負載，從而將電流傳遞至該負載例如電池組，要提供電力的設備，或者傳遞至電網(powergrid)。可將電子迴路連接至電流源，從而將該電流傳遞至微生物燃料電池。可將根據本發明的兩個或者多個微生物燃料電池以串聯的方式液壓(hydraulically)連接,從而使得來自陽極腔室的流出物可流入用於另一腔室的陽極入口。可將電池以並聯的方式連接或者以串並結合的方式連接。來自陰極腔室的流出物可流入另一電池的陰極腔室的入口。當許多電池串聯連接時，可能需要在一個或多個下遊模塊中引入另外的含氧流體，從而保持含氧氣體的氧含量在使得該電池有效地工作的水平。可將許多微生物電池連接至相同的載荷，從而提供負載發揮作用所需的電流。 在其中將低量的電流添加到該電池的實施方式中，選擇該電池的電壓從而最大化可生物降解材料的降解。通常，該電壓為大於O至約2. O伏特或者更小。優選這在約5A/m2或者更大，更優選約8A/m2或者更大，和最優選約ΙΟΑ/m2或者更大的電流密度獲得，其中進料到該陽極腔室的流體顯示出約I毫西門子/cm或者更小的電導率。優選這在約ΙΟΑ/m2或者更大，更優選約16A/m2或者更大，和最優選約20A/m2或者更大的電流密度獲得，其中進料到陽極腔室的流體顯示出約2毫西門子/cm或者更小的電導率。優選這在約20A/m2或者更大，更優選約32A/m2或者更大，和最優選約40A/m2或者更大的電流密度獲得，其中進料到陽極腔室的流體顯示出約4毫西門子/cm或者更小的電導率。 在可生物降解的流體是廢流的實施方式中，可使通過的廢流通過許多微生物燃料電池，直到已經除去了足夠量的廢流中的可生物降解材料，從而獲得期望的指定水平的可生物降解材料。或者可通過相同的電池、或者相同的電池系列回收來自陽極腔室的流出物，直到除去所期望的指定水平的可生物降解材料。在廢流加工中，通常說明了流出物中可生物降解材料的水平。可通過許多已知的方式定義指定水平的可生物降解材料，包括化學需氧量和生物需氧量。一旦達到期望水平的可生物降解材料，就可排出該流體，回收用於加工或者經受另外的處理。將微生物燃料電池的反應腔室中水性介質配製為對於在燃料電池中與該水性介質接觸的微生物是無毒性的。此外，可將該介質或者溶劑調節為與微生物新陳代謝相容，例如通過將PH調節為約4至約10，優選約6至約9，包括端點，通過用酸或者鹼調節pH，如果需要向介質或者溶劑中添加緩衝液，通過稀釋或者添加滲透性活性物質(osmoticallyactive substance)來調節介質或者溶劑的滲透性(osmolarity),或其任何組合。例如，可通過稀釋或者添加鹽來調節離子強度。此外，如果需要，可包含營養物，輔助因子(cofactors),維生素和其它的這些添加劑來保持健康的細菌種群，參見例如LovleyandPhillips, Appl. Environ. Microbiol. 54(6) : 1472-1480 中描述的這些添加劑的實例，將該文獻通過參考併入本申請。任選地，與微生物接觸的水性介質含有溶解的可被該微生物氧化的可生物降解材料。在操作中，反應條件包括變量例如pH，溫度，滲透性，和反應器中的介質中的離子強度。反應溫度通常為約10-40° C(對於非嗜熱的微生物)，但是通過包含適於在所選的溫度生長的微生物，該設備可用於O至100° C範圍內的任何溫度。但是，保持反應溫度高於環境溫度可能需要能量輸入並且優選將反應器溫度保持在約15至約30° C，而不輸入能量。圖I顯示了本發明的微生物燃料電池10的示意圖。該圖顯示陽極11，其中微生物16置於該陽極11上。也示出了陰極12，其中陽極11和陰極12由隔板15隔開。電子導管13連接至陽極11和陰極12，其中負載、電流源、界面、和傳感器14中的一個或者多個位於陽極11和陰極12之間。該圖顯示出陽離子被從陽極腔室25傳遞至陰極腔室26，而陰離子被從陰極腔室26傳遞至陽極腔室25。該圖也顯示有機物在陽極腔室25中分解成二氧化碳和氫離子，以及在陰極腔室26中分解成水和氫氧根離子。圖2顯示微生物燃料電池10的外觀。顯示的是外殼17，隔板15，含有可生物降解材料的流體出口 19和含有可生物降解材料的流體入口 18。圖3顯示本發明的簡單的微生物燃料電池10，其具有外殼17、陽極基床20，陰極12和隔板15。陽極基床20和陰極12布置在隔板15的相對表面上。也顯示了含有可生物降解材料的流體的入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示含有可生物降解材料的流體平行於隔板15的平面流動。陰極12對空氣敞開。陽極基床20用作陽極腔室。圖4顯不微生物燃料電池10的另一實施方式,其含有各自置於兩個隔板15的一個面上的兩個陰極12，其中每個隔板15與一個陽極基床20接觸。顯示了含有可生物降解材料的流體的入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示了含有可生物降解材料的流體平行於隔板15的平面流動。陰極12對於空氣敞開。圖5顯示了微生物燃料電池10的另一實施方式，其含有各自置於兩個隔板15的一個表面上的兩個陰極12，其中每個隔 板15與兩個陽極基床20中的一個接觸。陰極12置於隔板15的內側，並且形成陰極腔室
26。在陰極腔室26的每一端分別是空氣入口 21和空氣出口 22。對於每個陽極腔室25，顯示了含有可生物降解材料的流體入口 18和含有可生物降解材料的流體的出口 19。顯示了含有可生物降解材料的流體平行於隔板15的平面流動。圖6顯示出片材狀陽極腔室的3三維圖示。也顯示了陰極12和隔板15，其中陰極12和陽極腔室25置於隔板的相對的表面上。已經披露了本發明的優選的實施方式。但是本領域技術人員會認識到，可以對本發明的教導進行某些改進。因此，應該研究所附的權利要求來確定本發明的真實範圍和內容。在以上申請中所記載的任何數值包括從較低的值至較高的值的所有值，增量為一個單位，條件是在任何較低值和較高值之間具有至少2個單位隔開。例如，如果指出了組分的量或者加工變量的值例如，例如，溫度，壓力，時間等為，例如，I至90，優選20至80，更優選30至70，那麼意圖值例如15至85，22至68，43至51，30至32等也明確地列舉在了本說明書中。對於小於I的值，認為一個單位合適地是O. 0001，O. 001，O. 01或者O. I。這些僅是具體意圖的實例，也考慮所列舉的最低值和最高值之間的數值的所有可能的組合也明確地中本申請中以類似的方式明確提及。除非另外指出，否則所有的範圍都包含端點和兩個端點之間的所有數值。使用「約」或者「大約」與範圍連用則適用於該範圍的兩個端點。因此，「約20至30」意圖覆蓋「約20至約30」，包括至少指出的端點。本申請使用的重量份是指組合物含有100重量份。描述組合的術語「基本上由…組成」應該包含所指出的元件、成分、組件或者步驟，和不明顯地影響基本的和新穎的特性組合的這些其它元件、成分、組件或者步驟。使用描述元件、成分、組件或者步驟的組合的術語「包括」或者「包含」中本申請中也預期基本上由該元件、成分、組件或者步驟組成的實施方式。可通過單個集成的元件、成分、組件或者步驟提供多個元件、成分、組件或者步驟。或者，單個集成的元件、成分、組件或者步驟可分成分開的多個元件、成分、組件或者步驟。描述元件、成分、組件或者步驟的「(a)」或者「一種(one)」不意圖排除另外的元件、成分、組件或者步驟。
實施例包含以下實例僅用於說明的目的，不意圖限制本發明的範圍。除非另外指出，否則所有的分數和百分比都基於重量。實施例I如下組裝微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括碳氈陽極，陰離子交換膜和由在複寫紙載體上的Pt/C組成的陰極。在5cmx6. 4cmx2. 5cm塊狀透明合成樹脂(Lucite)中加工出I. 5cm寬，約4cm長和O. 45cm深的腔室。在該塊中鑽入埠用作用於溶液流動的入口和出口端。在腔室的底部鑽出的小洞用於連接收集電流的導線(wire leads)。使用環氧樹脂將該導線密封固定在原地。將該陽極置於該腔室中。陰離子交換膜，由聚烯烴粘著劑和粉碎的陰離子交換樹脂製備的膜，置於該氈上(可得自中國浙江千秋環保水處理有限公司)。然後將由在複寫紙載體上的Pt/C(ETEK⑶E，0. 5mg Pt/cm2突出區域)組成的陰極切成I. 5cm X 3cm，並且置於與該膜的與碳氈陽極相反的側上。然後使用作為集電器的 不鏽鋼絲網(具有洞來容納電池螺釘(cell bolts))覆蓋該陰極。將膨脹的石墨蝸杆(可得自Superior Graphite, Chicago, IL)添加到該陰極和該不鏽鋼絲網之間，從而改善導電性。然後將第二個半電池片用於將該組件栓在一起。空氣通過該第二個半電池片的入口和出口洞擴散至陰極。實施例2如下組裝微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括碳氈陽極，陰離子交換膜和複合陰極(由Pt/c和作為墨水施加到該陰離子交換膜的一側上的陰離子交換劑組成)JFC的碳載鉬(Pt/C)陰極如下製備將陰離子交換膜(可得自中國浙江千秋環保水處理有限公司)浸在去離子(DI)水中24小時，和切成3cmX6cm的小片，使其適合於電池體。然後將該膜掩蓋，在中間開一個區域recm2)用於陰極塗層。催化劑墨水通過混合以下物質製備50mgl0%, Pt/Vulcan XC-72 (可得自 Fuel Cell Store, San Diego, CA), 50mg 研磨的 DOWEXMARATHON 11強鹼陰離子交換樹脂(可得自Sigma-Aldrich，St. Louis，M0)，和5毫升(mL)異丙醇。將該混合物在去離子水中用聲波處理10分鐘,並在SpeedMixer (FlaxkTech Inc.,Landrum, SC)中以3000rpm混合3分鐘。將催化劑墨水的薄塗層直接施加到掩蓋的膜的表面(通過將一定量的該墨水置於該膜的表面上而完成)。為了最小化從掩蓋的膜流走的催化劑墨水的量，在每次塗覆的過程中，將少於0. 5mL的墨水置於該膜上的表面區域recm2)。將該空白膜塗覆一次從而獲得Pt含量為約0.03mg Pt/cm2投影面積。在兩次塗覆之間，可在沒有完全乾的情況下施塗該墨水。然後使塗覆的膜在空氣中完全乾燥幾個小時。在5cmx6. 4cmx2. 5cm塊狀透明合成樹脂(Lucite)中加工出I. 5cm寬，約4cm長和0. 45cm深的腔室。在該塊中鑽入埠用作用於溶液流動的入口和出口端。在腔室的底部鑽出的小洞用於連接收集電流的導線(wire leads)。使用環氧樹脂將該導線密封固定在原地。將該陽極置於該腔室中。將具有Pt/C墨水陰極的陰離子交換膜置於該氈上，從而該陰極位於該膜的與碳氈陽極相對的側上。然後使用作為集電器的不鏽鋼絲網(具有洞來容納電池螺釘(cell bolts))覆蓋該陰極。將膨脹的石墨蝸杆(可得自Superior Graphite, Chicago,IL)添加到該陰極和該不鏽鋼絲網之間，從而改善導電性。然後將第二個半電池片用於將該組件栓在一起。空氣通過該第二個半電池片的入口和出口洞擴散至陰極。操作微生物燃料電池
將該電池置於流動系統中，該系統使來自儲罐的進料溶液循環通過該電池。該進料溶液由5mM乙酸酯(或鹽)，5mM碳酸氫鹽，ImMNH4Cl組成，ρΗ=8· 6，電導率=lmS/cm。使用活化的淤泥和提取的泥土接種該進料溶液。該電池最初使用電阻器作為連接所述陽極和陰極的外部迴路中的載荷操作。隨著該微生物的適應和在陽極上的生長，可改變該電阻器從而從該MFC取出更大的電流。以增加的電流操作幾周之後，將該電池在接近短路狀態操作。在這一點，該載荷電阻器使用穩壓器代替，該穩壓器容許該電池在負的電池電壓操作。該電池在O. 020V至-O. 400V的電池電壓，在穩壓器操作下顯示出持續的操作，其中陽極電勢為約-O. 5V (與Ag/AgCl相比)。對於實施例I的電池，圖7顯不出，對於各種施加的電壓，該操作電池電壓和陽極電勢(與Ag/AgCl參考電極相比)與時間的關係。對於 實施例2的電池，圖8顯示，對於各種施加的電池電壓，該操作電池電壓和陽極電勢(相對於Ag/AgCl參考電極)與時間的關係。通過線性掃描伏安法(linear sweep voltammetry)測量該微生物燃料電池的電流-電壓響應。圖9顯示出實施例I的電池的電池電壓，陽極電勢(相對於Ag/AgCl)和陰極電勢(相對於Ag/AgCl)。圖10顯不出實施例2的電池電壓，陽極電勢(相對於Ag/AgCl)和陰極電勢(相對於Ag/AgCl)。
權利要求
1.一種方法，其包括 A)提供微生物燃料電池 ，所述微生物燃料電池包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中沒有從所述微生物燃料電池取出電流或者將電流通過所述導管引入到所述微生物燃料電池； B)使含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸； C)使所述陰極與含氧流體接觸； D)從所述陽極的位置取出所述流體。
2.權利要求I的方法，其中所述電子導管直接連接至所述陽極和陰極。
3.權利要求2的方法，其中在所述陽極和陰極之間沒有載荷。
4.權利要求I的方法，其中電子導管還包括位於所述陽極和陰極之間的可變電阻器。
5.權利要求I或2的方法，其中所述電子導管連接至電流源。
6.權利要求I至5中任一項的方法，其中所述微生物燃料電池還包括確定引入到所述微生物燃料電池中的流體中可生物降解材料的濃度的傳感器。
7.權利要求6的方法，其中基於引入到所述微生物燃料電池中的流體中可生物降解材料的濃度，調節引入到所述微生物燃料電池的電流的量。
8.權利要求6或7的方法，其中所述微生物燃料電池包括顯示或者說明進料到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的界面。
9.根據權利要求8的方法，其中所述界面包括進料到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的顯示器，所述濃度通過所述傳感器測定。
10.根據權利要求9的方法，其中所述界面包括電子控制器，其適合於基於通過所述傳感器測定的進料到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度，調節添加到該微生物燃料電池的電流的水平。
11.根據前述權利要求中任一項的方法，其中所述微生物燃料電池產生大於OkWh/kg的化學需氧量至約5kWh/kg的化學需氧量。
12.—種微生物燃料電池，其包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中所述電子導管連接至電流源，連接至電流源和載荷二者，或者直接連接所述陽極和陰極。
13.權利要求12的微生物燃料電池，其中所述燃料電池還包括適合於測定引入到該微生物燃料電池的流體中可生物降解材料的濃度的傳感器。
14.根據權利要求13的微生物燃料電池，其中所述傳感器連接至顯示或者說明引入到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的界面。
15.權利要求16的微生物燃料電池，其中所述界面是程序控制的電子控制器，其用來調節從該微生物燃料電池取出的電流的水平或者添加至該微生物燃料電池的電流的水平。
16.根據權利要求12至15中任一項的微生物燃料電池，其中將電流控制器連接至所述電子導管，該電流控制器適合於調節從該微生物燃料電池取出的電流的量或者添加至該微生物燃料電池的電流的量。
17.—種方法,其包括 A)提供一種微生物燃料電池，其包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，測定引入到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的傳感器，和顯示或者說明進料到所述微生物燃料電池的流體中的可生物降解材料的濃度的界面； B)使所述含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸； O使所述陰極與含氧氣體接觸； D)測定在所述含有可生物降解材料的流體中可生物降解材料的濃度； E)基於所述流體中可生物降解材料的濃度，調節從所述陰極取出的電流的量或者添加到所述陰極的電流的量；和 F)從所述陽極的位置取出所述流體。
18.權利要求17的方法，其中所述界面是顯示器，其顯示與所述陽極接觸的流體中可生物降解材料的濃度，和基於所述顯示器手動調節從所述陰極取出的或者添加到所述陰極的電流的量。
19.權利要求18的方法，其中所述界面是自動控制器，其適合於說明與所述陽極接觸的流體中可生物降解材料的濃度，和基於所述濃度調節從所述陰極取出的或者添加到該陰極的電流的量，其中所述控制器與所述電子導管接觸。
20.—種方法,其包括 A)提供微生物燃料電池，其包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中從所述微生物燃料電池以大於O至約O. 2伏特的水平以約5A/m2或者更大的電流密度取出電流；和 B)使含有電導率為I豪西門子/cm或者更小的可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸； C)使所述陰極與含氧氣體接觸；和 D)從所述陽極的位置取出所述流體。
全文摘要
一種方法，其包括A)提供微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括陽極，陰極，與所述陽極接觸的微生物，將所述陽極連接至陰極的電子導管，其中所述導管容納在所述微生物燃料電池中，或者通過所述導管將電流引入至所述微生物燃料電池；B)使所述含有可生物降解材料的流體與所述陽極在微生物存在下接觸；C)使所述陰極與含氧氣體接觸；D)從所述陽極的位置取出所述流體。在一種優選的實施方式中，將所述電子導管連接至電流源。在另一實施方式中，所述燃料電池的操作條件使得施加至該燃料電池的電流的電壓為大於0和約0.2伏特。優選所述微生物燃料電池產生大於0kWh/kg的化學需氧量至約5kWh/kg的化學需氧量。
文檔編號H01M8/16GK102893438SQ201180024705
公開日2013年1月23日 申請日期2011年3月18日 優先權日2010年3月19日
發明者S.A.沃林, J.邁納斯, 郭曉瑩 申請人:陶氏環球技術有限責任公司