[发明专利]微生物燃料电池

说明书

发明领域

本发明涉及微生物燃料电池（MFC）、MFC的装置、和MFC的操作方法。特别地，本发明涉及MFC在例如废水处理应用中的用途。

发明背景

MFC是可将生化能转化为电能的非常成熟的生物电化学转换器。其通过作为生物催化剂的微生物将有机原料的化学能转化为电。其基本操作原理——即从水性燃料源提取电子并将其转移至电极表面——与常规燃料电池具有某些相似之处。

MFC通常包括壳体、阳极室、阳极、阴极、质子交换膜（PEM）窗口（window）、阳极液进料和阳极液出料。MFC可以各种方式进料，从手动周期性进料或自动周期性进料（使用简单的机械阀）到连续流入一系列的独立MCF之内或之间。一般而言，该阳极室除以下部位以外均被密封至外部：PEM窗口；连接至阳极的导线，其穿过容器壳体而被密封；阳极进料/出料管，其被密封至外部并将MFC单元连接在一起。

MFC代表用于可持续能源生产和废物处理的有前景的技术。其可以通过利用阳极室中代谢原料中的有机组分的微生物群落从燃料源例如废水中提取能量。由该反应产生的电子通过外部连接的电路从阳极流向阴极，由此产生电荷或电流。质子和电子在阴极处结合，使氧气还原为水。存在一些影响能量产生和MFC性能的限制因素。其包括燃料氧化的速率和电子通过微生物向阳极转移的速率、质子通过PEM向阴极迁移的速率以及阴极处氧气供给的速率和还原反应的速率。

大部分已有系统包括具有多个阳极和阴极的单个MFC、或牢固地机械连接在一起但并非流体分离的堆叠式MFC，这使得单独的MFC无法从堆叠中移除。这可能是低效率的，原因是不同的燃料源可能需要不同的时间长度或细菌群落以确保原料完全分解。因此，MFC或电极装置的灵活度是有利的。

水工业是能源密集型的并且消耗英国所用总能源的约3%。水工业每年排放约4百万吨的温室气体（CO₂等价物），虽然这仅占小于英国总排放量的1%，但排放量在逐年递增。水管理和能源管理是相互关联的问题；处理废水需要大量的能源，并且不断严格的水质量标准使能源用量增加。地区环境和全球环境将受益于能源使用的减少和水质的提高。就废水处理过程中可减少能源使用的技术而言，仍存在明显不能满足的需求。

如上所述，MFC的主要应用之一为用于废物清理，例如得自产生生物能的废物、堆肥、城市废物、食物和生物废物、填埋场和废水。另一个可能的应用为用于低功率系统的发电：电子产品、笔记本电脑、LED、小型传感器、微处理器、腕表、钟、计算器、驱动电扇及玩具/机器人的轮子、为小型装置例如移动电话和i-Pod充电、为大型装置例如笔记本电脑、直流（DC-Operated）冰箱/冰柜以及USB供电的显微镜充电的直流电动机。或者，MFC还可以用于对所述装置的内置电池再充电。

除了对环境友好以外，MFC的加工成本低，并且由MFC产生的能量可以连续数月或数年。现有的MFC提供了高的基质-电转化效率，但能量转化率低（Ieropoulos et al.,2008）。通常具有25毫升阳极室和氧气扩散阴极以及纯碳纱电极（carbon veil electrode）的MFC的持续输出电压约为0.5V（开路）。现已报道，在特定条件下由单个MFC得到的更高开路值为1V，其与1.14V的理论最高值最接近。因此，为了产生足够的电压（1.5V）和/或功率以位于硅基电路的操作范围内，必须放大单个单元（但这不能增加电压）或将多个单元连接在一起。

由于MFC的最大输出电功率与原料中有机材料的基质利用率直接成比例，因此所有增加堆叠式MFC输出功率的机制均可自动地转变为将有机废物转化为危害较小的液体排出物的系统的速率和效率。因此，如上列出的此两种可能的应用是紧密相关的，并且提高一种应用效率即可能提高另一种应用的效率。

MFC中的电极可由多种材料制成。所述电极必须具有高电导率和供细菌建群的高表面积，以及减少扩散限制的高孔隙率。鉴于这些原因，通常使用碳纤维纱（carbon-fibre veil）。

PEM也可以由多种材料制备。不同的材料具有不同的性能，并且一些更易于极性反转，而另一些能够更好地阻止特定阳离子的流动。这对于仅需要氢离子到达阴极的特定应用是重要的，但这一应用不适于废水处理。

用于制备MFC自身壳体的材料可根据应用而改变，但通常使用塑料、陶瓷、软聚合物和涂覆的金属合金。塑料材料主要为热塑性类，原因是这种材料价廉且能够进行快速的大规模加工。