[发明专利]微生物燃料电池和方法

说明书

技术领域

本公开内容一般性涉及燃料电池及其制造方法和用途。更具体地， 本公开内容涉及能够通过电解生物体系中的化合物而工作的燃料电池 及其制造方法和用途。

背景技术

长期以来对由利用可在环境中随意得到的生物物质的电源提供电 能的技术一直存在关注。一个这样的关注领域为研发微生物燃料电池 (MFC)，其通过分解有机废物产物和将其化学键能转化为电能和氢气而 作为更有效处理废水的方法。根据2004年5月发行的Environmental Science & Technology，在美国每年以＄250亿的代价处理46兆(trillion)升生 活废水。重要地，主要用于通风所需的电能占该国使用的电能的1.5％。 其它国家具有类似的统计量。

最近，研究人员已经证明使用微生物燃料电池发电的可行性，其中 电源为包含在作为废水的基本组分的有机化合物键中的化学能。使用包 括特殊阳极、简单阴极和分隔微生物燃料电池的湿润阳极和阴极区的合 适质子交换膜(PEM)的实验室规模微生物燃料电池反应器，已经产生量 级为30瓦/立方米的能量密度。

该方法使用生活在特殊阳极上的生物膜中的细菌来分解有机物，将 电子与质子分离。这些电子和质子然后移动到阴极，前者经由外部线路， 后者经由通常为不导电物质的电解质扩散。在发电微生物燃料电池中， 质子和电子在阴极与氧气结合形成水。电子的消耗允许更多电子保持从 阳极流动到阴极，只要存在化学键来源(即有机废物)为反应提供燃料。

第一种微生物燃料电池产生每平方米阳极电极表面积1至40毫瓦的 功率(mW/m²)。去年研究人员已能使其增加大于10倍，证明使用生活污 水它们可以产生最高达500mW/m²的功率，和利用包括葡萄糖和空气的 废水替代品，产生1,500mW/m²的功率。这些近来的功率密度的证明已 经促使更多地讨论有关能够有利于商业电力生产的技术要求。简言之， 为了使该技术在商业规模上具有吸引力，将需要输出功率密度再改善至 少10倍。

现在，商业应用的规模扩大具有若干挑战。例如，现有实验室规模 原型使用对用于商业体系并不足够坚固或耐用的材料。此外，实验性的 微生物燃料电池目前尺寸较小，将需要变得大的多(以弥补低功率密度)， 这一点无庸置疑地和令人遗憾地将极大增加阳极和阴极之间的距离，这 将使氢气从前者到后者的扩散减缓，进一步使效率降低。为了具有竞争 力，功率密度必须超过迄今为止获得的最大值的两倍，即8,500mW/m²。

发明内容

提供一种包括限定第一和第二室(chamber)的电池室(housing)的微生 物燃料电池。第一室适合于容纳包括生物质的流体。第二室适合于容纳 氧化的流体。阴极延伸进入电池室第二室，电极装置的阳极段延伸进入 电池室第一室。电极装置具有许多基本排列成行的纤维。阳极段从纤维 的第一端延伸到位于纤维第一端和第二端之间的中间位置。阳极段的纤 维的外表面适合于接收生物膜。

电极装置还包括从纤维的第二端延伸到中间位置的结合段。结合段 的纤维的外表面用基料浸渍或包覆。

微生物燃料电池进一步包括位于结合段和电池室中间的密封装置。 结合段、密封装置和电池室一起限定不透液边界。

位于电池室内的蛋白交换膜将空腔分隔为第一和第二室。

微生物燃料电池进一步包括适合于接收含有生物质的第一流体流 的第一室进口，和适合于排出第一流体流的第一室出口。至少一个第二 室进口适合于接收含有氧气的第二流体流，至少一个第二室出口适合于 排出第二流体流。

附图说明

图1为根据公开内容的微生物燃料电池的第一种实施方案的示意 图；

图2为图1的微生物燃料电池的电极装置的放大透视图；

图3为根据公开内容的微生物燃料电池的第二种实施方案的简化剖 视图；

图4为沿着图3的4-4线得到的剖视图；

图5为图3的微生物燃料电池的变体的简化剖视图；和

图6为图4的区域VI的放大视图。

具体实施方式