用于可放大的微生物燃料电池的材料和构型的制作方法

专利名称：：用于可放大的微生物燃料电池的材料和构型的制作方法
技术领域：
：本发明广义上涉及微生物燃料电池。具体而言，本发明涉及电极和微生物燃料电池的可放大的构型。
背景技术：
：目前的研究进展已使得利用细菌为催化剂生产有用产品的燃料电池装置得以发展。细菌氧化底物，产生的电子被转移至阳极再通过导电连接流向阴极，所述导电连接还可连接一个负载，例如一个以该燃料电池产生的电和/或氢为动力的装置。然而，微生物燃料电池的电极构型常常制约电力的产生，并显著制约燃料电池的空间体积。因此，人们始终对用于微生物燃料电池的可放大电极和可放大电极組件的构型有需求。
发明内容本发明提供一种微生物燃料电池，包括一个阴极，所述阴极包括一个膜，所述膜形成一个通常包围并界定一个内部空间的阴极壁，所述阴极壁具有一个与所述内部空间邻接的内表面和一个相对的外表面，所述壁在第一末端和第二末端之间展开。在一些具体实施方案中，该阴极壁围成的形状为常规圆柱形。在另一些具体实施方案中，该阴极壁围成的形状为常规板形或砖形。微生物燃料电池中所含的阳极对亲阳极细菌基本无毒。导电连接体连接所述阳极和所述阴极。在本发明微生物燃料电池的具体实施方案中，该阴极所含的膜为一种纳滤膜、一种超滤膜或一种离子交换膜。所含膜任选为一种导电膜，且该膜与所述导电连接体电连接。在另一些实施方案中，导电材料以与膜的内表面或外表面相接触的方式存在，且该导电材料与导电连接体电连接。导电材料任选为一种碳基材料。在某些构型中，石墨为一种与膜相接触的具体的碳基导电材料。任选地，所述导电材料为一个碳基涂层。在本发明的特定微生物燃料电池构型中，该碳基涂层覆盖至少约50%的所述膜的内表面或外表面。在本发明微生物燃料电池的发电构型中，用以促进氧化剂特别是氧的还原的催化剂任选存在于膜的内表面或外表面。合适的催化剂包括含金属的催化剂，例如Pt，以及含非金属的催化剂，例如CoTMPP。还任选包括催化剂的结合物。另外，在本发明燃料电池的制氢构型中，包括用以催化析氢反应的催化剂。合适的催化剂包括含金属的催化剂，例如Pt。在一些具体实施方案中，所含阳极具有大于100m7n^的比表面积。在某些实施方案中，所含的一种具体阳极类型为一种刷状阳极(brushanode)。在本发明微生物燃料电池的实施方案中，包括一个以上的阳极和/或一个以上的阴极。本发明的微生物燃料电池被设计以产生氢和/或电。当所需产品为氩时，微生物燃料电池包括一个用以增加阳极和阴极间电势的电源。所含电源可为任意种类的电源。在一个具体实施方案中，包括了一个被设计用来发电的微生物燃料电池作为制氩的电源。在一些具体实施方案中，提供一种含有一个比表面积大于100m7m3的阳极的微生物燃料电池。该阳极对亲阳极细菌基本无毒。6该微生物燃料电池中还包括一个阴极，其与所述阳极通过导电连接体连接。在本发明微生物燃料电池的一个实施方案中，所含阳极包括一种或多种导电纤维。在阳极的一种构型中，所述一种或多种导电纤维连接在一个导电芯支撑物上。在一些具体实施方案中，所述一种或多种导电纤维中的每一单根纤维均连接在所述导电芯支撑物上。或者，所述导电纤维的第一部分连接在所述导电芯支撑物上，而所述导电纤维的第二部分连接在导电纤维的第一部分上并与其电连接。在一些具体实施方案中，至少一部分导电纤维为碳纤维。在本发明微生物燃料电池的实施方案中，包括一个以上的阳极和/或一个以上的阴极。在一些具体实施方案中，包括一个用以增加阳极和阴极间电势的电源，以从微生物燃料电池中生产氢气。在另一些具体实施方案中，所述电源与所述阳极和所述阴极电连接。例如，所含电源为一个二次微生物燃料电池，该二次微生物燃料电池被设计来产生电力。本发明提供了一种用于微生物燃料电池的阴极，包括一个膜，所述膜形成一个具有某种形状的阴极壁，该阴极壁具有一个外表面和一个内表面，所述壁界定了一个与所述内表面邻接的内部空间和一个与所述外表面邻接的外部空间，所述壁在第一末端和第二末端之间展开。形成所述壁的膜为一个纳滤膜、一个超滤膜、或一个离子交换膜。形成所述壁的膜任选为与导电连接体导电连接的导电膜。在一些具体实施方案中，一种导电材料与所述膜的内表面或外表面相接触，所述导电材料与所述导电连接体导电连接。导电材料任选为一种碳基材料，例如，在一些具体实施方案中，所述导电材料为石墨。所述膜上具有导电材料时，所述导电材料至少覆盖约50%的所述膜的内表面或外表面。在一些具体实施方案中，促进氧还原或促进质子还原的催化剂直接或间接地与所述阴极膜相接触。任选地，封闭所述壁的第一末端或第二末端的至少一端。在一个改进的制氢微生物燃料电池的具体实施方案中，所述管状阴极的内部空间至少部分地被一种液体填充。在另一些实施方案中，所述阴极壁为常规圆柱形或常规板形。本发明微生物燃料电池的阳极包括一种比表面积大于100mVm'的导电材料，所述阳极对亲阳极细菌基本无毒。在一些具体实施方案中，所述阳极包括一种或多种导电纤维。任选地，所述一种或多种导电纤维连接在一个导电芯支撑物上。在一些具体实施方案中，至少一部分所述导电纤维直接连接在该支撑物上。在另一些实施方案中，所述一种或多种导电纤维的每一单根纤维均直接连接在该导电芯支撑物上。任选地，所述比表面积大于100mVni3的导电材料包括一个涂层。在一个具体实施方案中，在本发明的阳极中所含的所述一种或多种纤维以氨气进行处理。本发明的系统可用作，例如，一种与发电相结合的废水处理的方法，或一种由非废品产生可再生能源的方法。另外，本发明的系统还可用作一与制氢相结合的废水处理方法。因此，提供废水作为可生物降解的燃料，其被微生物燃料电池中的细菌直接氧化，或可被生物降解以产生可被微生物燃料电池中的细菌氧化的产物。本发明描述了一种发电方法，包括提供一种微生物燃料电池，该电池包括一个管状阴极和/或一个刷状阳极；将细菌接种在该微生物燃料电池中，并且供给一种可被细菌氧化的底物；借此发电。本发明描述了一种发电方法，包括提供一种微生物燃料电池，该电池包括一个管状阴极和/或一个刷状阳极；将细菌接种在该微生物燃料电池中，并且供给一种可被细菌氧化的底物并另外施加一个电压以增加所述阳极和所述阴极间电势；借此制氲。本发明描述了一种制氢方法，包括提供一种微生物燃料电池，该电池包括一个管状阴极和/或一个刷状阳极；将细菌接种在该微生物燃料电池中，并且供给一种可被细菌氧化的底物并另外施加一个电压以增加所述阳极和所述阴极间电势；借此制氩。本发明实施方案的发电和/或制氢方法包括提供一种用以发电和/或制氢的微生物燃料电池，该电池包括一个管状阴极和/或一个比表面积大于100m7mS的阳极。在一些具体实施方案中，本发明的方法包括提供废水作为可被微生物燃料电池中的细菌氧化的可生物降解底物，该电池用以发电和/或制氢，其包括一个管状阴极和/或一个比表面积大于100ni7m3的阳极。图1为一个刷状阳极的示意图；图2为一个刷状阳极的示意图；图3为一个刷状阳极的示意图；图4为一个中空常规圆柱形膜阴极的示意图；图5为一个中空常规板形膜阴极的示意图6为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括位于管状阴极中的一个刷状阳极；图7为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括与多个管状阴极相连接的多个刷状阳极；图8为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括与一个管状阴极相连接的两个刷状阳极；图9为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括与多个管状阴极相连接的多个刷状阳极；图IO为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括一个刷状阳极和一个中空圆柱形阴极；图11为一个微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括一个刷状阳极和一个中空板形阴极；图12为一个微生物燃料电池的电极组件的示意图，其包括一个发电模块，所述发电模块包括一个刷状阳极和一个管状阴极；且该发电模块为一个制氢模块提供动力，所述制氢模块包括一个刷状阳极和一个管状阴极；图13为一个制氢微生物燃料电池电极组件的示意图，其包括与多个圆柱形阴极相连接的多个刷状阳极；图14为一个制氢微生物燃料电池的电极组件的示意图，其包括与多个板形阴极相连接的多个刷状阳极；图15为一个图表，其示出含有一个刷状阳极的微生物燃料电池最初的4个产能周期；图16A为一个图表，其示出含有一个刷状阳极的微生物燃料电池的功率密度和电池电势；图16B为一个图表，其示出含有一个刷状阳极的微生物燃料电池的库仑效率；图17为一个图表，其示出与在阴极和阳极间测得的微生物燃料电池阻抗镨相应的尼查斯特图(NyquistPlot)，所述微生物燃料电池包括一个布形或刷状阳极；图18A为一个图表，其示出含有各种类型的于200mMPBS中的阳极的微生物燃料电池的功率密度曲线；图18B为一个图表，其示出含有各种类型的于50mMPBS中的阳极的微生物燃料电池的功率密度曲线；图19A为一个图表，其示出使用不同量的随机分布的IO微米直径石墨纤维作为阳极材料时的功率密度；图19B为一个图表，其示出使用不同量的随机分布的6微米直径石墨纤维作为阳极材料时的功率密度；图20A为一个示出作为归一化至反应器总体积的电流密度的函数的功率密度(空心符号)、电压(实心符号)的图表，该图表通过改变碳纸阳极微生物燃料电池的外电路电阻(40-3000Q)而得到。图20B为一个示出作为归一化至反应器总体积的电流密度的函数的电极电势(阴极空心符号、阳极实心符号)的图表，该图表通过改变碳纸阳极微生物燃料电池的外电路电阻(40-30000)而得到。图21A为一个示出作为基于反应器体积的电流密度的函数的功率密度(空心符号)和电压(实心符号)的图表，该图表通过改变刷状阳极微生物燃料电池的外电路电阻(40-3000Q)而得到。图21B为一个示出作为基于反应器体积的电流密度的函数的电极电势(阴极空心符号，阳极实心符号)的图表，该图表通过改变刷状阳极微生物燃料电池的外部电路电阻(40-3000Q)而得到。图22A为一个示出作为具有刷状阳极的管状阴极微生物燃料电池阴极表面积的函数的功率的图表；图22B为一个示出作为具有刷状阳极的管状阴极微生物燃料电池阴极表面积的函数的体积功率密度的图表；图23A为一个示出紋波(Figures)电压作为时间的函数的图表，其中刷状阳极微生物燃料电池于IOOOQ固定电阻下以连续或分批模式运行；图23B为一个示出作为归一化至体积的电流的函数的体积功率密度的图表，该图表通过改变以连续或分批模式运行的刷状阳极微生物燃料电池的外电路电阻(40-3000Q)而得到。图24为一个表格，其示出实施例2中所使用的电极的类型和表面积、以及电极面积与体积之比、体积、内阻、归一化至阳极表面积或反应器总容积的最大功率密度，以及碳纸阳极和刷状阳极MFC间歇试验的库仑效率。具体实施例方式本发明提供了包括用于微生物燃料电池的可放大的电极和可放大的电极组件的微生物燃料电池。这里所用的术语"微生物燃料电池"是指一种使用细菌作为催化剂以氧化燃料并产生转移至阳极的电子的装置。微生物燃料电池通常产生电力。这里所用的术语"微生物燃料电池"还指用以制氬的改进的微生物燃料电池。被改进以制氢的微生物燃料电池包括一个增加电压的电源，且不同于水电解槽。还已知微生物燃料电池可作为生物电化学辅助微生物反应堆(BEAMR)。制氢微生物燃料电池(BEAMR)的主要方面描述于美国专利申请11/180,454中。微生物燃料电池可用于各种用途，例如废水的处理或可再生能源的制造。本发明的微生物燃料电池可用于为装置、例如便携式电子装置提供动力。本发明的微生物燃料电池可有利地应用于远程设备，例如海洋传感器。一般而言，微生物燃料电池包括作为催化剂的细菌，以产生用于发电和/或制氢的电子。微生物燃料电池通常包括一个阳极、一个阴极及一个连接所述阳极和所述阴极的电子导体。微生物燃料电池包括能够氧化底物而产生电子的细菌。在一些微生物燃料电池的具体构型中，还任选包括阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性膜。用于发电的微生物燃料电池的运行可大致描述为，所提供的可氧ii化的底物被细菌氧化，产生电子和质子。底物为有机底物时还产生二氧化碳。电子被转移至阳极，并通过一个诸如待驱动装置的负载转移至阴极。质子和电子在阴极处与氧反应而生成水。用于制氢的微生物燃料电池的运行可大致描述为，所提供的可氧化的底物被细菌氧化，产生电子和质子。底物为有机底物时还产生二氧化碳。使一个电源与该微生物燃料电池相连接并施以一个附加电压。细菌所产生的电子转移至阳极，并通过一个导电连接体转移至阴极。氧基本被排除在该阴极区域之外，从而使质子和电子在阴极处结合而生成氢气。在本发明的微生物燃料电池中，所含的电极是可导电的。示例性的导电电极材料包括，但不限于，碳纸、碳布、碳毡、碳绒、碳泡沫、石墨、多孔石墨、石墨粉、石墨颗粒、石墨纤维、导电聚合物、导电金属、及任意上述物质的结合物。典型地，阳极为亲阳极细菌的附着和生长提供一个表面，因而阳极由适于细菌生长和维持的材料制成。材料与微生物燃料电池中细菌的生长和维持的相容性可使用标准技术评估，例如，使用生存能力标记物检验，所述生存能力标记物例如罗丹明123、碘化丙啶、SYT09、及上述或其它细菌生存能力标记物的结合物。在本发明微生物燃料电池的实施方案中，所含的阳极包括由一种导电阳极材料制成的纤维，所述纤维提供可与微生物燃料电池中的细菌接触的大的表面积。在本发明燃料电池的实施方案中，所含阳极的比表面积大于100m7m3。这里比表面积是指每单位阳极体积的总的阳极表面积。在本发明实施方案的微生物燃料电池中，比表面积大于100mVn^时有助于产生电力。在另一些实施方案中，本发明的燃料电池包括一个具有大于10001112/1113的比表面积的阳极。在又一些实施方案中，本发明的燃料电池包括一个具有大于5，000mVmS的比表面积的阳极。在又一些本发明的实施方案中，所述燃料电池包括一个具有大于10，000m7W的比表面积的阳极。根据本发明，具有大比表面积的阳极使得能够放大微生物燃料电池。在一些具体实施方案中提供了一种刷状阳极，其具有大于100m7m3的比表面积。刷状阳极包括一种或多种导电纤维。在一些具体实施方案中，所述一种或多种纤维连接在一个支撑物上。在一些特定实施方案中，多条纤维连接在所述支撑物上，且所述纤维通常自该支撑物呈放射状延伸。刷状阳极任选包括一个具有纵轴的位于中心的支撑物。刷状阳极可包括多种构型，示例性地包括各种绞合线刷构型和条刷构型。例如，具体的绞合线刷构型包括由两根或更多根导线和纤维形成的支撑物，所述纤维连接在所述导线之间。在另一个实例中，条刷构型包括连接在一个导电背条(backingstrip)上的纤维，所述背条连接在所述支撑物上。刷状阳极的纤维是导电的，并与所述支撑物和一个阴极电连接。在一些具体实施方案中，刷状阳极的纤维和/或支撑物为亲阳极细菌的群集提供一个载体，因而所述刷状阳极优选对亲阳极细菌基本无毒。在一些具体实施方案中，刷状阳极的纤维包括一种金属和/或非金属导电材料，该材料对亲阳极细菌基本无毒。在一个特定实例中，所述纤维包括碳纤维。碳纤维任选基本由石墨组成。在另一选择中，碳材料与一种导电聚合物混合以形成纤维。在又一些实施方案中，聚合物纤维用一种导电的碳材料涂覆。在一种构型中，刷状阳极100的石墨纤维112基本垂直于两根或更多根导电耐蚀导线并位于其之间，所述导线形成一个支撑物110，从而使碳纤维112从该支撑物110基本以放射状延伸，如图l所示。一根导线任选在所述刷的周围扭绞以使其与该导线保持良好的电接触，从而形成阳极。导电连接体通常连接于支撑物110上以将该阳极连接至阴极。在刷状阳极中包含的石墨纤维可如图1所示在末端切断，从而在刷状阳极中存在多条不连续纤维112。在另一些实施方案中，如图2所示，阳极200任选包括具有连续的有序构型的一条或多条纤维，从而例如帮助保持纤维伸入至微生物燃料电池的水性培养基中。在所述的构型中，至少一个连续纤维在中心轴周围盘绕，以形成环形纤维扩展部位212。图2中示出了任选的支撑物210。不包括支撑物时，导电连接体连接在所述一根或多根纤维上以将该阳极连接至阴极。包括支撑物时，导电连接体通常连接在支撑物上以将该阳极与阴极连接。在另一构型中，刷状阳极300包括随机取向的石墨纤维312而无支撑物，从而形成与连接体310导电连接的连续的垫状结构，如图3所示。刷状阳极可包括任意不同的涂层。在一些具体实施方案中，涂层被包括在一个刷状阳极上以提高该阳极上的细菌发电效率。例如，刷状阳极可涂覆一种可增强电子从细菌至表面的传导性的材料。可增强电子从细菌至表面的传导性的材料的实例包括，但不限于，中性红、Mn4+、Fe304、Ni2+、氟化聚苯胺例如聚(2-氟苯胺)和聚(2，3，5，6-四氟苯胺)、蒽醌-l，6-二磺酸(AQDS)、1，4-萘醌(NQ)、及任意上述物质的结合物。在一个具体实施方案中，阳极用氨气工艺进行处理以增加电力的产生和减少该反应器被接种后产生大量电力所需的时间。例如，刷状阳极可用加热的氨类气体例如丽3气进行处理。在一个具体实施方案中，刷状阳极被加热至700X:并用冊3气培养约1小时。在刷状阳极中，任选包括额外的材料从而例如加固或支撑所述石墨纤维，或者在所述刷可在周围移动或旋转以打扫邻近表面、阴极或其它材料的情况下去除生物膜，以帮助清洁系统。在本发明系统中，可使所含的阴极浸于液体中或用作具有一个暴露于气体中的表面的气体阴极(gascathod)。阴极优选包括一种电子传导材料。本发明系统中所包含的阴极包括的材料示例性地包括，但不限于，碳纸、碳布、碳毡、碳绒、碳泡沫、石墨、多孔石墨、石墨粉、导电聚合物、导电金属、及任意上述材料的结合物。在一些具体实施方案中，本发明的微生物燃料电池包括一个阴极，其中所述阴极包括一个膜，且所述膜形成一个阴极壁。所述阴极壁具有一个外表面和一个内表面，且所述壁界定了与内表面邻接的内部空间和与外表面邻接的外部空间。在一些具体实施方案中，所述阴极壁形成的形状为常规圆柱形。在另一些具体实施方案中，所述阴极壁形成的形状为常规内部中空的板形或砖形。其它的中空形状也是可能的，示例性地包括中空盘形。形成阴极壁的膜为多孔膜。所述膜是充分多孔的以使所需材料可扩散通过所述膜。例如，在本发明的微生物燃料电池的一些具体实施方案中，所含的膜对于氧气、质子和/或氢气是多孔的。在微生物燃料电池发电构型的一些特定实施方案中，所含的膜对于氧气和质子是多孔的。在改进的制氢微生物燃料电池的一些特定实施方案中，当所含膜的内表面上或内表面附近存在催化剂时，该膜对于质子是多孔的。在改进的制氢微生物燃料电池的另一些特定实施方案中，当所含膜的外表面上或外表面附近存在催化剂时，该膜对于质子和氢气是多孔的。在一些优选的实施方案中，所含膜的有效孔小于常规细菌的尺寸，约为1000纳米。因此，水和/或细菌透过所述膜及任何所包括的膜涂层的流动被限制。在本发明的阴极中含的膜在膜中所含的材料方面没有限制。微滤膜、纳滤膜及离子交换膜的组合物在本领域是已知的，且可排除细菌并允许所需气体扩散通过膜的各种任意的膜均可使用。微滤膜、纳滤膜和/或离子交换膜组合物的示例性实例包括，但不限于，卤代化合物，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l,l-二氟乙烯、聚偏l，l-二氟乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚氯乙烯共聚物；聚烯烃类，例如聚乙烯、聚丙烯及聚丁烯；聚酰胺类，例如尼龙；砜类，例如聚砜及聚醚砜；基于腈的聚合物，例如丙烯腈；以及基于苯乙烯的聚合物，例如聚苯乙烯。膜任选包括一个结构支撑层，例如一个多孔塑料背层。例如，膜任选支撑于一个聚酯层上。在优选的实施方案中，支撑层是柔性的。合适的膜材料的实例为通常在水处理工业中用以过滤水同时除去细菌的超滤膜和纳滤膜。例如，合适的膜为荷兰X-Flow生产的超滤膜B0125。另外的实例包括美国新泽西州的MembranesInternation有限公司生产的CMI和AMI离子交换膜。在本发明的阴极中所含的膜包含一种导电材料，以使所述膜可以导电和/或将一种导电材料涂覆于所述膜的一侧。在一些具体构型中，对所述膜施以一种或多种涂层以使该材料变得导电。例如，任选将含金属或碳的涂层至少施用于所述膜的一侧的一部分。在一个具体实施方案中，施用了一个石墨涂层。石墨涂层的示例性配方包括SuperiorGraphite的产品制剂EIXE34和Surecoat151530。任选地，制造一种膜材料，以使膜中含有一种导电材料，该导电材料使由其制成的膜是导电的。例如，碳纤维可与通常在超滤膜、纳滤膜和/或离子交换膜中使用的聚合物相混合。任选地，在本发明阴极中，含有一种促进阴极处所需反应的催化剂。因此，在微生物燃料电池的发电构型中，含有一种促进氧还原的催化剂。此外，在微生物燃料电池的制氢构型中，含有一种促进质子还原至氢气、即促进析氢反应的催化剂。所含催化剂通常可增加反应动力，例如，增加氧和/或质子还原的速率。此外，催化剂减少了对用于引发氧和/或氢的还原的外加电势和过电势的需求。催化剂任选施用于导电膜。在另一选择中，催化剂与导电材料混合而形成施用于膜的混合物。在又一选择中，催化剂在施用导电材料之前或之后施用于膜。在一些具体实施方案中，催化剂任选与一种聚合物和一种导电材料相混合，以使膜包括一种与该膜形成整体的导电的催化剂材料。例如，将催化剂与石墨涂层材料相混合并将该混合物施用于阴极膜。合适的催化剂在本领域是已知的，包括金属催化剂，例如贵金属。合适的催化剂金属示例性地包括铂、镍、铜、锡、铁、钯、钴、鵠、及这些金属的合金。当本发明系统的一个实施方案中的阴极含有一种催化剂金属例如铂时，铂的含量可以减少，例如可减少至0.1mg/cm2，而不致影响能量的产生。在另一些实施方案中，所含催化剂包括一种含非贵金属的催化剂，例如CoTMPP。可将一种或多种另外的涂层涂覆于一个或多个电极表面。例如，这种另外加入的涂层可以充当扩散层。例如，可加入一个阴极保护层来防止细菌或其它物质与该阴极表面接触，并同时允许氧扩散至催化剂和导电基体。在另一些实施方案中，包括一个阴极保护层作为细菌群集的载体，从而使细菌清除所述阴极附近的氧而不与该阴极直接接触。图4示出了根据本发明的常规圆柱形"管状"阴极400，其具有一个阴极壁，所述阴极壁具有一个外表面414和一个内表面416，且所述壁界定了一个与所述内表面416邻接的内部空间418。图5示出了根据本发明的常规板形"管状"阴极500，其具有一个阴极壁，所述阴极壁具有一个外表面514和一个内表面516，且所述壁界定了一个与所述内表面516邻接的内部空间518。在发电用微生物燃料电池中，所含的管状阴极在其长度的一端或两端向含氧培养基开放。在一些具体实施方案中，在发电用微生物燃料电池中，所含的管状阴极的一端或两端向周围空气开放。在本发明实施方案的制氢用微生物燃料电池中，所含的管状阴极在其长度的一端向一个收集或输送所产生的氢气的容器或管道开放。如上所述，本发明的管状阴极具有一个内部空间。在一种选择方案中，在本发明实施方案的制氢用微生物燃料电池中，一种方案是将管状阴极的内部空间用气体填充。因此，例如，启动时所述管状阴极的内部空间最初可含有周围空气，且随着在制氢微生物燃料电池运行期间制氢的进行而含有越来越多的氢气。制得的氢气自该所述管状阴极的内部空间流向例如一个气体收集单元或装置。在另一个实施方案中，该内部空间被液体填充或部分填充。通过向所述内部空间中的液体施加小的反压，可使在制氢微生物燃料电池运行期间制得的氢气自所述含有液体的内部空间有效地移至例如一个气体收集单元或装置。在管状阴极中含有液体有助于氢气的析出，因为其导致氢气和液体的相分离，并减少向阳极室的反相扩散。通过使用所述阴极内部空间中的液体，可回收较大量的氢气。所述内部空间中所含的液体可为与阴极材料和氢气相容的多种液体中的任一种。合适的液体包括水性液体，例如水，其可含有一种或多种盐、緩冲剂或其它添加剂。在一些实施方案中，阴极运行从而使水被吸引通过所述阴极的多孔膜材料，使水与所述膜的导电涂层或导电基质相接触。所述膜材料可含有大量炭黑以使其导电，或可由石墨纤维制得，或以仍可使水通过所述设备的方式进行涂覆。任选地，并且在一些实施方案中为优选地，所述阴极为一个气体阴极。在一些具体实施方案中，所含阴极具有一个平面形态，例如当与一个刷状阳极共同使用时。在该构型中，所述阴极优选为一个气体扩散电极。任选地，所含阴极位于水性培养基中，该培养基中含有用以在阴极处反应的溶解的氧。在本发明的一个实施方案中，阴极膜几乎不能透过水。在一些具体实施方案中，所述阴极含有一种或多种阴极屏蔽材料。这种屏蔽材料可优选包括一个位于任意阴极表面的屏蔽材料层，所述阴极表面包括内部阴极表面和外部表面，所述内部阴极表面即存在于反应室内部体积中的阴极表面，所述外部表面即在反应室外部的阴极表面。在反应室外部的阴极表面在使用一个气体阴极时可能存在，此时该外部阴极表面与气体相接触。因此，在一个实施方案中，阴极外表面部分地或优选全部地用一层阴极扩散层(CDL)覆盖。该CDL可直接暴露于气相中，并优选结合在所述阴极上以防止水自反应室内部透过所述阴极而渗出。此外，在制氢构型中，所述CDL是可透过氢的，可使氢自由地自阴极中的催化剂扩散至气体收集室、气体管道或气体收集系统的其它组件。CDL还可为所述阴极提供支撑，并且还可以形成一部分反应室壁。CDL还可帮助减少细菌扩散至阴极和污染阴极表面。CDL包括一种可透过氢的疏水聚合物材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或类似的材料。可根据需要而改变这种材料的厚度或可施以多层材料以减少水渗漏。在另一个实施方案中，使用一个阴极保护层(CPL)以保护内部阴极表面。该CPL的功能是保护阴极免受催化剂的生物污染。此外，CPL还可减少二氧化碳向阴极的扩散，从而限制由非生物源及生物源、或通过细菌作用在阴极处形成曱烷。CPL还用于为阴极附近的细菌群集提供载体，允许其在阴极区域清除氧而不对阴极产生生物污染。在一个实施方案中，设计CPL使其与阴极内表面接触。因此，例如，可通过诸如将CPL结合至阴极上的方式使CPL部分或全部地覆盖或环绕所述阴极内表面。在另一个实施方案中，CPL存在于反应室的内部但不与阴极相接触。含有这种CPL界定了基于该CPL的反应器的两个或更多个区域。所述CPL可为质子、液体和/或气体可透过的屏障，例如一个过滤器。例如，防止大颗粒物质引入至反应器的过滤器可位于阳极和阴极之间以使物质在流过阳极和阴极间的反应室时通过该过滤器。作为备选或补充，过滤器可位于阴极上以限制细菌大小的颗粒到达阴极和催化剂。此外，过滤器还可位于进入通道和/或排出同道与反应室的内部，或其一部分之间。合适的过滤器可用以排除例如大于0.01微米-1微米的颗粒。CPL还可含有帮助细菌附着的材料，以使细菌可以清除可渗入所述系统的溶解的氧。在一个实施方案中，CPL包括一个选择性地使物质通过到达阴极附近的"质子扩散层"。在一个实施方案中，扩散层含有一种离子交换材料。任何可传导质子的合适的离子传导物质均可被包括在一个质子交换膜中。例如，可使用全氟化的磺酸聚合物膜。特别是，诸如NAFI0N的可传导质子的质子交换膜可用于所述目的。在一个实施方案中，扩散层包括一种阴离子交换物质。在一个优选实施方案中，所述扩散层包括一种可将阴离子和亲阳极细菌产生的质子一起传导至阴极的阴离子交换物质，例如一种季胺苯乙烯二乙烯苯共聚物。所含的扩散层还可用于抑制气体向阴极扩散或自阴极向相关的阳极室的扩散。不囿于任何理论，我们认为与带负电的阴离子的离子交换基团例如磷酸基结合的质子特别容许含有带正电荷的质子但整体带净负电荷的带负电阴离子通过，而不容许带正电荷的离子通过，并减少氢向阳极室的扩散。这种扩散层可实现质子经过所述屏障的有效传导，同时抑制氢气的反向传导。这种扩散层材料的一个实例为购于MembranesInternational,GlenRock，新泽西的阴离子交换膜AMI-7001。除了膜的形式，所述扩散层还可包括一种作为糊状物直接施用于阴极的阴离子传导物质。在一个优选实施方案中，阴离子交换材料可含有施用于阴极的催化剂。燃料电池构型一般而言，微生物燃料电池包括一个电极组件，其包括一个阳极、一个阴极和一根连接所述阳极和所述阴极的导电连接体。微生物燃料电池的其他组件还可包括一个反应室，阳极和阴极至少部分地置于其中。反应室可具有一个或多个分室，例如，通过例如一种阳离子交换膜分开的一个阳极分室和一个阴极分室。或者，反应室可为一种单室构型。在反应室中，可包括一根或多根通道以加入和去除各种物质，例如细菌新陈代谢的底物及产物例如氢。电极组件中的电极可根据所需应用相对彼此布置为各种不同构19型。一般地，阳极和阴极邻近布置。在一些具体实施方案中，阳极可与阴极接触，例如，刷状阳极的一根或多根纤维与管内侧具有催化剂的管状阴极相接触。在一种构型中，所述"刷状"阳极电极位于"管状"阴极的内部，连续的水流过所述管的内部并流过刷状阳极上方，其中所述阴极催化剂施用于所述管的外侧。在一个这种布置的实例中，一个或多个刷状阳极位于管状阴极的内部，如图6所示。图6示出了一个在管状阴极630内部具有一个刷状阳极620的微生物燃料电池的电极组件600的实施方案。所述管状阴极630具有一个由膜形成的壁，所述膜具有一个外表面614和一个内表面616。外表面614涂覆有一种导电的催化剂材料(CSM)。所述管状阴极具有一个由所述膜界定并与内表面616邻接的内部空间，该空间是开放的以允许水性培养基的进入和/或直接流动。例如，流体直接流过所述管从而流在亲阳极细菌附着的阳极620的高电导率碳纤维上方和周围。所述细菌可氧化有机物质，向阳极纤维释放电子。这些电子穿过负栽660下方的电路650以使电流做功，或被转移作为电源远距离使用。有机物质氧化产生的质子在水中朝所述阴极方向移动，在阴极处扩散至所述管状阴极外表面614上的导电材料处，而且如果存在催化剂，它们可与来自电路中的氧和电子结合而形成水。在该示例的实施方案中，电子经连接体650和阴极连接体670传至表面614上的CSM处。在第二种构型中，一个或多个刷状电极位于管状阴极之外。任选地，水性培养基流可直接流过含一个或多个刷状电极的反应室，并流到阴极管的表面上。这种构型中的管状阴极可在所述管的外表面或内表面包括一个催化剂层。微生物燃料电池的电极组件的这种构型的一个实例如图7的700所示，其中所述刷状阳极位于所述阴极外部的培养基中。图7示出了与两个管状阴极730串联排布的多个阳极720,所述阴极在管7"的外侧具有一种导电的催化剂材料。培养基流直接流过所述刷状电极然后流至阴极上，从阴极上流过以使得质子很好地转移至所述阴极表面。所述阳极和阴极使用一根通过一个负载760的电连接体750电连接。所述电连接体还可包括一个与表面714上的CSM接触的阴极连接体770。在管状阴极外部含有一种导电材料的一个实施方案中，所述导电阴极表面与水性培养基接触良好，如图7所示。在另一个实施方案中，导电材料和催化剂位于所述管状阴极的内表面。这种构型具有使导电材料远离细菌以及在该水性培养基中可能存在的可使所述催化剂失活或降低其效果的化学物质的优点，如图8所示。图8示出微生物燃料电池的一个电极组件800，其包括靠近一个管状阴极830的多个阳极820，所述管状阴极在阴极管的内部在膜限定的内壁816上具有一种导电的催化剂材料。图8还示出了所述管状阴极的外表面814以及以导电方式与所述阳极、所述阴极及负载860相连的连接体850。或者在这种构型中，所述阴极管由一种导电催化剂材料制成，并且所述管的外侧不导电，例如通过涂覆一种非导电材料来实现。阴极导电层可涂覆一层上述的保护层。如果所述管状阴极在内壁上涂覆导电催化剂材料，则该阴极保护层必须可透过氧。如果所述管状阴极在外壁上涂覆导电催化剂材料，则该阴极保护层必须能使质子从水中传至阴极表面；在这种布置中，优选可抑制氧扩散至水中的涂层。在另一构型中，刷状阳极位于管状阴极腔室的外部，且水通过例如抽吸的方式移至该阴极管膜的内部。任选地，所述导电催化剂材料可位于膜材料的外侧、内侧、或与膜材料整合。在这种布置中，引过该阴极的水可经一个超滤膜或纳滤膜进行过滤。图9示出了微生物燃料电池的电极组件900，其包括多个阳极920和阴极930。图9中所示为4个如图8中所示阳极-阴极模块。在图9示出的实施方案中，该电极组件900存在于微生物燃料电池反应室902的水性培养基904中以产生电力。还示出通道922和924，其可用于自反应室902中引入和去除一种或多种物质。管状阴极930穿过反应室以使该管状阴极930的内部向环境大气926开放且/或向通过所述管903的有向流开放。任选地，阴极管903的一端是封闭的或可逆封头的。电极组件900中所含的阳极和阴极通过电连接体950电连接。产生的电可用于驱动一个装置，作为负载960示出。电极组件的阳极-阴极模块可串联连接以增大电压或并联连接以增大电流。当阳极-阴极模块串联连接时，各模块通过一个如图9中928所示的隔板基本隔离，以使各阳极基本绝缘。示出的隔板928包括一个孔，从而与含有其它阳极-阴极模块的反应器其它部分相联通。可使用阳极-阴极组件的串联和并联的结合来增大电压和电流。当电是本发明系统的主产物时，阴极处存在氧以促进质子、电子和氧生成水的反应。本发明的微生物燃料电池还可进行改进以产生氢气。在本发明微生物燃料电池的一个制氢实施方案中，氧基本被从阴极区域排除，且系统中包括一个增加所述阳极和所述阴极间电势的电源，其通过在微生物燃料电池产生的电压之外再施加一个电压来实现而不含补充电源。通过除去阴极区域的氧和施加一个足以在阴极表面产生氢气的小电压，本发明的系统可适用于制造氢气，根据所使用的系统构型，制出的氢气可在所述管内或管的外侧上收集。制氢微生物燃料电池的主要方面描述于美国专利申请11/180,454中。在一个制氢实施方案中，阳极可如上述构建和布置。然而，阴极不需要氧，故应当避免其存在。当氧除去时，对在阳极上产生的物质施加一个微小电压。一般而言，施加的电压范围为约10-1000毫伏之间。阴极处产生的氢气可通过当阳极置于所述管状阴极内时收集该阴极管外的气体、或当阳极置于所述管状阴极外时收集该阴极管内的气体的方式捕获。刷状阴极或平板阴极也可与刷状阳极结合使用以产生氢气。类似地，刷状阳极或平板阳极可与管状阳极一起使用以产生氢气。此外，在本发明微生物燃料电池电极组件的一些实施方案中，一个或多个刷状阳极和/或平板阳极的结合可与一个或多个刷状阴极、平板阴极和/或管状阴极一起使用。微生物燃料电池的制氢阳极-阴极组件1000的一个具体实例如图10所示，其示出了通过一个穿过负载1090的连接体1050电连接的一个刷状阳极1020和一个圆柱形管状阴极1030。任选的电阻器1090在该图中作为负载示出。制氢燃料电池中包含一个电源，未在该图中示出。所述管状阴极1030包括一个外表面1014和一个内表面1016。微生物燃料电池的制氢阳极-阴极组件1110的一个具体实例如图11所示，其示出了由一个穿过负载1190的连接体1150电连接的一个刷状阳极1120和一个具有块形状的管状阴极1130。制氢燃料电池中所含的电源与电极组件相连，未在该图中示出。所述管状阴极1130包括一个外表面1114和一个内表面1116。图12示出了微生物燃料电池的一个电极组件1200的示意图，其中用于发电的第一电极组件与用于制氢的第二电极组件相连。在一个这样的实施方案中，刷状阳极1220任选经过一个负栽1290与管状阴极1230电连接。第二刷状阳极1222通过连接体1252与第二管状阴极1232电连接。所述第一电极组件通过电连接体1254与所述第二电极组件连接，以使由第一个电极组件产生的电力可通过施加一个电压而增加所述阳极1222和所述阴极1232之间的电势。图13示出了制氢的微生物燃料电池1300的示意图，其包括一个具有一系列电极模块的电极组件。所述电极组件存在于单槽反应室1302中的水性培养基1304中。可任选包括通道1322和1324以使物质进入或排出，例如使水性培养基流进和流出反应室。可任选包括通道1327和1329以使物质进入或排出，例如使吹扫气或氢气进入和排出反应室和/或氢气收集器。还示出了多个阳极1320和管状阴极1330，它们通过连接体1350电连接。制氢燃料电池中所含的电源与所述电极组件相连接，未在该图中示出。所述管状阴极1330中所收集的氢气流入室1380中。所述气体可以，例如，自所述室中收集，或自所述室1380引出至收集器或直接引入一个氢动力装置。管状阴极1330具有一个内部空间1325,其一端向所述室1380开放。在一个选择方案中，内部空间1325可充满气体。因此，例如，管状阴极的内部空间1325可在最初启动时含有周围空气，且在制氢微生物燃料电池1300的运行期间随着制氢的进行而含有增加量的氢。在另一个实施方案中，内部空间1325为液体所填充或部分地填充。在该制氬微生物燃料电池1300运行期间所产生的氢通过向所述内部空间1325中的液体施加小的背压而有效地自含有液体的内部空间1325移至室1328中。图14示出了制氢微生物燃料电池的一系列电极组件1400的示意23图。所述电极存在于单槽反应室1402中的水性培养基1404中。可任选包括通道1422和1424以使物质进入或排出，例如使水性培养基流进和流出反应室。可任选包括通道1427和1429以使物质进入或排出，例如使吹扫气或氢气进入和排出反应室和/或氢气收集器。还示出了多个阳极1420和管状阴极1430，它们通过连接体1450电连接。制氩燃料电池中所含的电源与所述电极组件相连，未在该图中示出。所述管状阴极1430中所收集的氢气流入室1480中。所述气体可以例如自所述室中收集，或自室1480引出至收集器或直接引入一个氢动力装置。所示的块形管状阴极占据整个反应器的深度。阳极和阴极可具有任意不同的形状和尺寸，并且彼此可以具有各种不同的位置关系。在一个实施方案中，所述阳极和所述阴极均具有一个最长的维度，且该阳极和该阴极布置为使阳极最长的维度平行于阴极最长的维度。在另一选择方案中，所述阳极和所述阴极均具有一个最长的维度，且该阳极和该阴极布置为使阳极最长的维度垂直于阴极最长的维度。另外任选地，所述阳极和所述阴极均具有一个最长的维度，且该阳极和该阴极布置为使阳极最长的维度垂直于阴极最长的维度。此外，该阳极和该阴极可布置为使阳极最长的维度与阴极最长的维度呈0至180度之间的角度。在本发明系统中可包括各种不同大小和形状的电极。一般而言，阳极具有一个表面区域存在于反应室中的表面，且阴极具有一个表面区域在反应室内的表面。在一个实施方案中，本发明系统的阳极总表面积与阴极总表面积的比值为约1:1。在一个实施方案中，反应室中的阳极表面积大于反应室中的阴极表面积。这种布置具有诸多好处，例如，当阴极材料昂贵时，例如包括铂催化剂时可降低成本。此外，较大的阳极表面一般有利于为亲阳极细菌提供一个生长的表面以将电子转移至该阳极。在又一优选的选择方案中，反应室中的阳极表面积与该反应室中的阴极表面积的比值在1.5:1-1000:1范围内，更优选在2:1-10:1范围内。电极可以各种不同的方式布置以达到电极间所需的空间。例如，第一个电极可布置为使其最长的维度基本平行于第二个电极最长的维度。在另一个实施方案中，第一个电极可布置为使其最长的维度基本垂直于第二个电极最长的维度。另外，第一个电极还可布置为使其最长的维度与第二个电极最长的维度呈0至90度之间的角度。在本发明微生物燃料电池的实施方案中，阳离子交换膜可任选位于阳极和阴极之间。阳离子交换膜可透过一种或多种选定的阳离子。特别优选可透过质子的阳离子交换膜，即一种质子交换膜。合适的质子交换膜材料包括全氟磺酸聚合物例如四氟乙烯和全氟乙烯基醚磺酸的共聚物，及其衍生物。特定实例包括NAFION，例如NAFI0N117，及由E.LDuPontdeNemours&Co.，Wilmington,DE生产的衍生物。在一些具体实施方案中，本发明的微生物燃料电池可设计为自给的燃料电池。因此，例如，在该燃料电池中包括大量的可生物降解底物而不再加入额外的底物。在另外的选择中，间歇地或连续地加入额外的底物以使该燃料电池作为一个间歇处理器或作为一个连续流系统运转。任选地，提供的本发明系统包括多于一个的阳极和/或多于一个的阴极。例如，可提供1-100个额外的阳极和/或阴极。一个或多个阳极和/或一个或多个电极的数量和布置可根据具体应用的条件予以考虑。例如，在反应器中有大体积的底物需通过微生物有机体代谢的具体实施方案中，可提供较大面积的阳极表面。类似地，较大面积的阴极表面是合适的。在一个实施方案中，电极表面积通过设计反应器使其包括一个或多个伸入反应室中的电极而提供。在又一个实施方案中，电极表面积通过使阴极作为反应器壁或反应器壁的一部分而提供。在一些具体实施方案中，一个或多个阳极的总表面积与该反应室内部总体积的比值范围约为10000:1-1:1(包括端点，平方米/立方米)。在又一些实施方案中，该比值的范围约为5000:1-100:1。微生物燃料电池中的细菌包括至少一种或多种亲阳极细菌。这里所用的术语"亲阳极"和"亲阳极细菌"是指直接地或通过内源产生的介体将电子转移至电极的细菌。一般而言，亲阳极细菌为专性厌氧菌或兼性厌氧菌。术语"外生光电分子(exoelectrogen)"也用以表述合适的细菌。亲阳极细菌的实例包括选自气单胞菌科(Aeromonadaceae)、交替单胞菌科(Alteromonadaceae)、梭菌科(Clostridiaceae)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)、脱硫单胞菌25)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、地杆菌科(Geobacteraceae)、Pasturellaceae、及假单胞菌科(Pseudomonadaceae)的细菌。适用于本发明系统中的细菌的这些和其它实例描述于Bond,D.R.,etal.，Science295，483—485，2002;Bond,D.R.，etal.，Appl.Environ.Microbiol.69,1548-1555，2003;Rabaey，K"etal.,Biotechnol.Lett，25，1531-1535，2003;美国专矛J5976719;Kim，H.J.，etal.,EnzymeMicrobiol.Tech.30，145-152，2002;Park,H.S.，etal.，Anaerobe7，297-306，2001;Chauduri，S丄，etal.，Nat.Biotechnol.,21:1229-1232，2003;Park,D.H.，etal"Appl.Microbiol.Biotechnol.,59:58-61，2002;Kim，N.etal.，Biotechnol.Bioeng.，70:109-114，2000jPark,D.H.etal.，Appl.Environ.Microbiol.,66，1292-1297，2000;Pham，C.A.etal.，EnzymeMicrob.Technol.,30:145-152,2003;以及Logan,B.E.，etal.,TrendsMicrobiol.，14(12):512-518中。亲阳极细菌优选与阳极接触，以直接将电子转移至阳极。然而，对于通过介体转移电子的亲阳极细菌而言，所述细菌可存在于反应器中的其它位置并仍可在本发明过程中起到产生有用电子的作用。任选地，在燃料电池中可包括一种电子转移介体。这类介体的实例包括氧化铁、中性红、蒽醌-1，6-二磺酸(ADQS)及1，4-萘醌(NQ)。各介体任选与阳极通过化学方式结合，或使阳极经由各种处理例如涂覆而改进从而含有一种或多种介体。如需要，亲阳极细菌可作为富含亲阳极细菌、甚至富含一个特定种类的细菌的纯培养物提供。在Bond，D.R.，etal.，Appl.Environ.Microbiol.69，1548-1555，2003中已才艮道的纯培养物试验的库仑效率高达98.6%。因此，使用选定的菌林可增加总的电子回收率和制氢量，当这种系统在无菌条件下使用时尤为如此。可对细菌进行挑选或基因改造以增加库仑效率和阳极处产生的电势。此外，还可提供一种包括亲阳极厌氧菌及其它细菌的混合细菌种群。本发明实施方案的微生物燃料电池中所含的可生物降解底物可被亲阳极细菌氧化，或可生物降解而生成可被亲阳极细菌氧化的物质。在优选的实施方案中，可生物降解底物是一种可生物降解而生成可被亲阳极细菌氧化的有机底物的有机材料。任意种类的可生物降解有机物质均可用作MFC中细菌的"燃料"，包括碳水化合物、氨基酸类、脂肪类、脂类及蛋白质类，以及动物、人类、城市、农业及工业废水。天然存在的和/或合成的聚合物示例性地包括碳水化合物，例如甲壳素和纤维素；及可生物降解塑料，例如可生物降解的脂肪族聚酯、可生物降解的脂肪族-芳香族聚酯、可生物降解的聚氨酯及可生物降解的聚乙烯醇。可生物降解塑料的特定实例包括聚羟基烷基酸酯、聚羟基丁酸酯、聚羟基己酸酯、聚羟基戊酸酯、聚乙二酸、聚乳酸、聚己内酯、聚丁烯琥珀酸酯、聚丁烯琥珀酸酯己二酯、聚乙烯琥珀酸酯、脂肪族-芳香族共聚酯、聚乙烯对苯二曱酸酯、聚丁烯己二酸酯/对苯二曱酸酯、及聚亚曱基己二酸酯/对苯二曱酸酯。可被亲阳极细菌氧化的有机底物在本领域中是已知的。可被亲阳极细菌氧化的有机底物的示例性实例包括，但不限于，单糖、二糖、氨基酸、直链或支链的d-C7化合物，所述直链或支链的d-C7化合物包括，但不限于，醇类及挥发性脂肪酸类。此外，可被亲阳极细菌氧化的有机底物包括芳香族化合物，例如曱苯、苯酚、曱酚、苯曱酸、苯甲醇及苯曱醛。其他可被亲阳极细菌氧化的有机底物描述于Lovely:D.R.，etal.,AppliedandEnvironmentalMicrobiology56:1858-1864，1990中。此外，提供的底物可以可被亲阳极细菌氧化或可生物降解以生成可被亲阳极细菌氧化的有机底物的形式提供。可被亲阳极细菌氧化的有机底物特定的实例包括丙三醇、葡萄糖、乙酸酯、丁酸酯、乙醇、半胱氨酸、及任意上述或其它可氧化有机物质的结合物。-这里所用的术语"可生物降解"是指通过生物学机制分解的有机物质，所述生物学机制示例性地包括微生物作用、加热及分解。微生物作用包括例如水解。在一些具体实施方案中，本发明的微生物燃料电池可用以产生电和/或氢。本发明系统的一个实施方案是一个通过向电路中提供一个小的附加电压而在阴极制氩的完全厌氧的系统。这种电化学辅助制氢的方法基于将两个电极分成半电池反应。阳极的电势由底物的氧化作用决定。因此，本发明系统的一个实施方案的阳极一侧的运行类似于在微生物燃料电池(MFC)中的运行细菌将有机化合物完全氧化为C02，并将电子转移至阳极。在本发明系统的一个实施方案中在阳极处测得的半电池反应电势为-480mV(Ag/AgCl)或-285mV(NHE)(还原作用)。相反地，在本发明厌氧制氢系统的一个实施方案中，阴极的运行明显不同于在标准MFC中的运行。通过电化学方式提高MFC电路中的阴极电势，可直接由质子和由细菌产生的电子而制氢。该方法与通过电解自水中制氢所需能量相比大大降低了直接自有机物质中制氢所需的能量。在常规的MFC中，阳极的开路电势约为-300mV。在阴极处产生氢时，在阳极和阴极处发生的伴有阳极处乙酸酯氧化的半电池反应为阳极C2H402+2H20—2C02+8e_+8H+阴极8H++8e——4H2可包括一个电源以增加阳极和阴极间的电势。用以增加阳极和阴极间电势的电源示例性地包括，但不限于，电力电源(gridpower)、太阳能电源、风力电源。在本发明系统中适用电源的实例还包括直流电电源和电化学电池例如电池或电容器。在一个具体实施方案中，用于制氢微生物燃料电池的电源为一个发电微生物燃料电池。在另一个实施方案中，所述反应室壁包括两个或更多部分，例如一个结构部分和一个电极部分。结构部分为形成和保持该反应室的形状提供结构支撑，这类似于常规的反应室壁。反应室壁的电极部分为反应室提供结构支撑，还在本发明系统的运行过程中起功能性作用。在这种实施方案中，该结构部分和电极部分相结合而形成一个界定反应室内部空间的壁。在一个特定实施方案中，所述壁的电极部分包括阴极。此外，所述壁的电极部分还可包括一个支撑阳极或阴极的支撑结构。这种支撑结构可进一步为形成和保持反应室形状提供结构支撑。在本发明制氢用微生物燃料电池中任选包括一个氢气收集系统，以收集产生的氢气并可储存备用；或将氢气引入使用处，例如一个氢气燃料驱动的装置。28例如，一个氢气收集单元可包括一个或多个氢气管道，以将氢气流从所述阴极引入储存容器或直接引至使用处。氢气管道任选与吹扫气源相连。例如随着氢气开始产生，吹扫气可引入氢气管道，朝储存容器或氢气使用处的方向流动。例如，氢气收集系统可包括一个收集源自阴极的氢气的容器。收集系统还可包括一个氢气输送管道。该管道和/或容器可与用于使氢气自反应室流出的通道气流连通。典型地，所述管道和/或容器与阴极、特别是当该阴极为一个气体阴极时气流连通。微生物燃料电池反应室中的水性培养基配制成对与该燃料电池中水性培养基相接触的细菌无毒。此外，还可调整培养基或溶剂以使其与细菌的新陈代谢相适合，例如，通过调节pH至约pH3-9(包括3和9)、优选约5-8.5(包括5和8.5)的范围内，如果需要向培养基或溶剂中加入緩冲剂，以及通过稀释或加入渗透压活化物质来调节培养基或溶剂的克分子渗透浓度来实现。可通过例如稀释或加入一种盐来调节离子强度。此外，如果需要，还可包括营养物、辅因子、维生素及其它类似添加剂以保持健康的细菌种群。参见描述于LovleyandPhillips,Appl.Environ.Microbiol.,54(6):1472-1480中的这类添加剂的实例。任选地，与亲阳极细菌相接触的水性培养基含有溶解的可被细菌氧化的底物。在运行中，反应条件包括诸如反应器中培养基的pH、温度、重量克分子渗透浓度及离子强度的变量。一般而言，反应器中培养基的pH为3-9(包括3和9)之间，优选5-8.5(包括5和8.5)之间。虽然通过包括在选定温度下生长的合适细菌可使装置可在o-ioo摄氏度范围内的任意温度下使用，但对非耐热细菌而言，反应温度通常在约10-40X:范围内。然而，保持反应温度高于环境温度可能需要能量输入，在无能量输入的情况下优选保持反应器温度为约15-251C。本发明的一个令人惊讶的发现在于，反应温度在16-251C(包括16和25"C)或更优选18-24匸(包括18和24匸)、且进一步优选19-22t:(包括19和22。C)时，制氢量、电极电势、库仑效率及能量回收率与32X:下进行的反应相当，而32t:通常被认为是厌氧生长和新陈代谢——包括有机物质的氧化——的最佳温度。反应器中培养基的离子强度优选在50-500毫摩尔范围内，更优选在75-450毫摩尔范围内(包括75和450),且进一步优选在100-400毫摩尔范围内(包括100和400)。在一些具体实施方案中，包括一个界定从反应室外部至反应室内部通路的通道。可包括一条以上的通道以允许和/或调节物流进和流出该反应室。例如，可包括一条通道以使阴极处产生的气体流出。此外，还可包括一条通道以使阳极处产生的气体流出。在一个连续流构型的具体实施方案中，可包括一条通道以使物流进入反应室，且可使用一条单独的通道以使反应室中的物质流出。可包括多于一条的通道以用于物质的任意流入或流出。可包括一个调节装置，例如一个阀门，以进一步调节物流出入所述反应器。此外，任选使用帽或密封件以封闭通道。例如，当燃料电池远程地运行或作为一个单独使用设备运行而无额外物质加入时，任选使用帽或密封件封闭通道。可提供一个泵以加强流入和/或流出反应室的液体或气体物流。以下实施例将对本发明组合和方法的实施方案进行说明。提供这些实施例仅为说明目的，而不被认为是对本发明组合和方法范围的限制。实施例实施例1电极材料。在本实施例中刷状阳极由切成固定长度的碳纤维(PANEX33160K,ZOLTEK),并使用工业刷制造系统缠进由两才艮钛线组成的一个掄芯而制成。本实施例使用的两种刷的尺寸为小刷外径为2.5cm，长2.5cm;大刷直径为5cm,长7cm。根据单个刷中使用纤维的质量及7.2微米的平均纤维直径，估计小刷阳极具有0.221112或18,200m7m3刷体积的表面积(95%孔隙率)，大刷阳极具有1.06m'或7170mVn^刷体积的表面积(98%孔隙率)。除非另有注释，刷状阳极按照Cheng,S.;Logan，B.E.Ammoniatreatmentofcarbonclothanodestoenhancepowergenerationofmicrobialfuelcells,i7e"roc力e迈.Co迈迈肌2007，9，492-496.中所述使用氨气进行处理。简而言之，在本实施例中使用热重分析仪实现阳极的氨气处理。任何可控温的炉子都可用于阳极的氨气处理。在氮气(70mL/min)下将该炉温度以50"/min的速率逐渐升温至700X:,然后将进料气体转为于氦气中的5%的NH3。将该阳极在7001C下保持60min,然后在氮气(70mL/min)中经过120min冷却至室温。在一些试验中使用未处理且不防水的普通Toray碳纸阳极与刷状阳极对照，该碳纸阳极由ETEK制得，两面均具有23cm'有效面积(projectedarea)。在一些试验中还使用了氨处理的随机分布石墨纤维束，每束由1至4个纤维丝束组成，并各自切成10cm的固定长度。每个纤维丝束的质量约为O.lg，其中计算每个IO微米直径纤维的纤维丝束(Granoc-Nippon)的有效面积为0.020m2，每个6微米直径纤维的纤维丝束(#292碳纤维束，FibreGlast，俄亥俄州)的有效面积为0.035m2。所述P月极按照Cheng.S.etal.，Electrochem.Commun.2006，《，489-494.中所述，通过在30重量％防水碳布(型号B-1B，E-TEK)上施用铂(0.5mg/cm2Pt)和4层扩散层而制得。在一些实验中，所述阴极使用相同的方法制造并另外含有40%的四甲基苯基卟啉钴(CoTMPP，1.2mg/cm2)代替Pt作为催化剂。MFC反应器在本实施例中，使用两种单室MFC来检测使用刷状电极的发电情况一种为立方形MFC(C-MFC)，其被设计为使发电量最大化；另一种为含有单面端口的瓶型MFC(B-MFC)，其用来检测在一种易制、廉价的体系中纯培养物和混合培养物的发电情况。C-MFC按照Liu，H.;Logan,B.E.Electricitygenerationusinganair—cathodesinglechambermicrobialfuelcellinthepresenceandabsenceofaprotonexchangemembrane,f/7y/ran.Sc/.7"ec//o/.2004,4040-4046.中所述制造，不同的是，通常置于该反应器封闭端的阳极被一个小刷状电极代替，该电极以同心的方式位于圆柱形阳极室的轴心。所述刷的末端固定于反应室(4cm长度x3cm直径；液体体积为26ml)中以使其末端与所述阴极(直径为3.8cm,总暴露表面积为7cm2)相距lc血。所述刷的金属末端通过反应器上钻出的孔洞伸出，并用环氧树脂密封(QuickSetEpoxy,L0CTITE)。本实施例的所有C-MFC试验均以CoTMPP作为催化剂。B-MFC由常规的实验室培养基瓶(容量为320mL,Corning有限公司，纽约)制成，甚至在完全组装后，也可耐高温高压。一个大的刷状电极悬桂于含300血L培养基的瓶子中部，且刷的顶部距瓶盖约6cm。将刷上的导线从瓶盖孔中引出，并用环氧树脂密封。在使用碳纸阳极(2.5cmx4.5cm，共22.5cm2)的试验中，所述电极距瓶盖约6cm，并与穿过用环氧树脂密封的瓶盖孔的钛丝(纯度99.8%)相连。所述4cm长的侧管距反应器底部5cm，一个3.8cm直径的阴极通过其末端的一个夹子被固定在该管和另一独立的4cm长的单个管之间，阴极总投影表面积为4.9cm2(所述阴极的一侧)。在使用随机分布纤维束作为阳极的试验中，所述纤维用与一根导线相连接的弹簧夹固定，所述导线穿过瓶盖中孔洞并用环氧树脂密封。反应器接种C-MFC使用源自另一个已经以分批加料方式运行超过6个月的MFC(最初使用初级澄清池溢流物(primaryclarifieroverflow)接种)的预适应细菌接种。按照Lovley，D.R.;Phillips,E，J.P.Novelmodeofmicrobialenergymetabolism:organiccarbonoxidationcoupledtodissimilatoryreductionofironormanganese.^zr/ro/z.1988，J"《1472-1480中所述，向该反应器中加入培养基，所述培养基含有含lg/L乙酸盐的50mM磷酸盐緩冲液(PBS;Na2HP04，4.09g/L及NaH2P04.H20，2.93g/L)或200mM的PBS、NH4C1(0.31g/L)、KC1(0.13g/L)、及金属盐(12.5mL/L)和维生素(5mL)溶液。当电压降至低于20mV时更新料液，形成一次完整的操作周期。C-MFC在301C的温度受控的室内运行。B-MFC使用于1g/L葡萄糖培养基中的新鲜的初级澄清池溢流物(除非另有说明)进行接种，该葡萄糖培养基如上所述使用50或200mMPBS制备。在单独的一组试验中，所述反应器使用与C-MFC所用相同的预适应细菌溶液接种。所有B-MFC在试验台上于23±3t:的环境温度下运行。分析MFC电路中外电阻(IOOOQ，除非另有说明)的电压(V)使用与电脑才目连的万用表(KeithleyInstruments,俄亥俄)每隔30min监测一次。电流(/)、功率(户=/0和库仑效率(W)按照Kim，J.R.etal.，飾ro6/o厶5/"ec力/70厶2005,68，23-30中所述方法进行计算，其中功率密度通过阴极一侧的有效面积进行归一化，且体积功率密度通过液体培养基的体积进行归一化。内阻L,使用恒电位仪(PC4/750，GamryInstrumentInc.,宾夕法尼亚)测定的电化学阻抗谱(EIS)测得，其中阳极室为PBS和底物所填充。按照Cheng，S.etal.，i>7"'ro/7.7"ec力/zo/.2006，4《2426-2432中所述，阻抗测量在10mV振幅的正弦扰动下在105至0.005Hz频率范围内在开路电压(0CV)下进行。极化曲线通过测量在不同外阻下产生的稳定电压而获得，然后按照Logan,B.E.etal.，M/r肌2006:M，5181-5192中所述的方法使用该极化曲线估算最大功率密度。所述C-MFC在各外阻下均至少运行两个操作周期，每周期约为2天。所述B-MFC需要更长的周期时间(约21天)，故在各外阻下，极化数据在单个操作周期开始运行15min后量取。按照He，Z.etal，f/7nV加.:Te由o/.2006，化5212-5217;Cai，M.etal.，胁/r肌5W.7ecAno厶2004，3195-3202;Raz，S.etal.，5W/"f"e2002，149，335-341;及Cooper,K.R.etal.，/.户o附5Wces2006,160，1088-1095.中所述，C-MFC和B-MFC的内阻均使用阻抗语的尼奎斯特作图(Nyquistplot)由其与X轴(虚值阻抗Zim=0)相交时的实值阻抗Z^来确定，所述内阻定义为所有欧姆电阻的总和，包括电解质电阻和接触电阻。使用C-MFC的发电情况含刷状阳极的C-MFC的电压产生周期在使用新鲜培养基的4个进料周期后是可重现的，在连接1000Q电阻器的条件下产生的最大电压为0.57V且库仑效率-41、图15示出了含刷状阳极的C-MFC的最初4个发电周期，所述C-MFC包括50mMPBS和一个1000O的电阻器；图中箭头表示向反应器中加入新鲜培养基的时间。33根据极化数据，当电流密度为0.82mA/cm2(Rext=50Q)时，该燃料电池产生的最大功率为2400mW/m2,或将功率通过该反应器液体体积进行归一化，为73W/m3，如图16A所示。库仑效率根据所述电流密度而在40-60%范围内变化，如图16所示。所述刷状C-MFC(200mMPBS)的内阻为Rint=8Q，而碳布C-MFC(200mMPBS，4cm电极间距)的内阻为Rint=31Q，如图17和表1所示。图17示出与所述C-MFC的阻抗谱相应的尼奎斯特作图，该抗阻镨在200mMPBS中的阴极和阳极(双电极模式)之间测得。所述MFC在IOOOQ下放电至0.57V且外电路已断开2小时。内阻即为x截距值。使用B-MFC的发电情况与使用在200mMPBS溶液中的碳纸电极产生的600mW/m2(0.98W/m"相比，在B-MFC中使用的刷状电极产生的功率最高达1430mW/m2(2.3W/m3)，如图18所示。使用一种较低离子强度的溶液使使用刷状阳极时产生的功率减小至570mW/m2(0.93W/m3),使用碳纸阳极时的功率减小至300mW/m2(0.50W/m3)。溶液电导率的这种影响表明，欧姆电阻降低使功率随离子强度的增加(最高至细菌的忍耐极限)而增加。所述刷状B-MFC的内阻为其它反应器条件的值总结于表l中。表l.含有不同组分的MFC的发电情况和内阻(200mMPBS)。<table>tableseeoriginaldocumentpage34</column></row><table>电极间3巨为4cm。b使用预适应的MFC的接种物。为了证实使用氨气处理刷状电极是一种可减少适应时间并增加功率的有效方法，使用未处理的刷状阳极进行了附加试验。使用未处理阳极时的发电功率达到的最大值为750mW/m2,比经氨气处理的阳极的发电功率低37%,如图18所示。未处理电极在第一个周期达到峰值发电功率花了330小时，经处理电极则只花了136小时，这说明氨气处理可减少适应时间。使用经处理刷状电极时的发电功率也基本高于使用未处理碳纸电极时的发电功率，产生的最大发电功率为600mW/m2。使用随机分布纤维束的发电情况本实施例使用B-MFC反应器对随机分布的或无结构构型的石墨纤维的应用进行了测试。当使用0.11g6微米直径纤维时，使用随机分布的或无结构石墨纤维阳极构型的B-MFC的最大发电功率为1100mW/m、如图19所示。在使用10微米直径纤维时，质量负载为0.09g至0.35g时的功率范围为690mW/m"至850mW/m2。使用6微米直径纤维的发电功率范围为770至1100mW/m2，如图19所示。实施例2阴极的制备使用一个内径14.4mm(B0125，X-FLOW)、壁厚0.6mm的亲水管形超滤膜(于复合聚酯载体上的一个聚砜膜)作为管状阴极。将该管切成3、6或12cm的长度(相当于13.5、27和54^2的表面积)，然后涂覆两层市售的石墨涂料(ELCE34Semi-Colloidal,SuperiorGraphite有限公司)。除非另有说明，阴极催化剂为四曱基苯基卟啉钴(CoTMPP)。CoTMPP/碳混合物(20%CoTMPP)按照Cheng,S.etal.,^7hYo/7.ScA7"ec力/70厶2006，4《364-369中所述的方法制备，并与5%的Nafion溶液混合形成浆料，每毫克CoTMPP/C催化剂使用7微升Nafion。然后将该浆料施用于所有管状阴极的朝向空气的表面以达到约0.5mg/cm2的CoTMPP负栽量。在一些试验中，含有Pt、0.35mg/cm2的Pt催化剂、防水纸、及E-Tek的市售碳纸阴极(Aeat=7cm2)可使用朝向水溶液面的催化剂。制备一个仅含石墨涂料的3cm管状阴极作为无催化剂对照物。阳极的制备所述阳极可为一片普通不防水的Toray碳纸；E-Tek;Aan=7cm2、或25mm直径x25mm长的常规的石墨纤维刷；纤维型号PANEX33160K，ZOLTEK,具有2235cm2的估算表面积(95%孔隙率)。35具有碳纸阳极的管状阴极反应器本实施例的各反应器构型均使用X-YZ-J的标记法，其中X"曰极材料(C-碳纸，B-石墨刷)；Y-阴极材料(C-碳纸，1>长度为3cm的管状阴极的数量，其中n-l至4);Z-催化剂(Pt-铂；Co-CoTMPP;C-无催化剂的碳)；和J-阴极构型(I-在反应器之内，0=在反应器之外)。三个单室碳纸阳极(C)MFC均构造为管状阴极位于圆柱形室反应器内(I),所述管状阴极的尺寸为4或6cm长x3cm直径，如表2、图24中所示。表2示出本实施例使用的电极类型和电极表面积；及电极表面积与体积、容积、内阻、归一化至阳极表面积或总反应器体积的最大功率密度的比例；以及本实施例中所有碳纸阳极MFC和刷状阳极MFC间歇试验的库仑效率。两个反应器均构造为涂覆有CoTMPP的管状阴极(TCo)。其中一个具有一个单独的3cm管(C-LCo-I,4cm室)，其总阴极表面积为Acl3.5cm2，归一化至反应器体积的表面积为A^,,59mVm3，另一个具有两个通过导线连接的3cm管(C-T2Co-I;6cm室;Ac27cm2,Ac",s=84m2/m)。第三个反应器系统被构造为包括一个不含任何催化剂的单独的3cm管状阴极，C-LC-I;4cm室；Ac"=13.5cm2，Ac,尸59mVm3。各阴极管插入所述室的一个2cm长薄片的中心，碳纸阳极位于另一个2cm长薄片的对侧。所述CoTMPP催化剂层涂覆于这些管的内侧(膜的一侧)并朝向空气。与Liu，H.etal.，f/7y/rao.Sc/.7ec力/o厶2004，4040—4046中所述相同类型的单室立方形MFC也使用碳纸阳极和含有Pt催化剂(C-CPt-I;Ac7cm2，Ac",,=25m2/m3)的碳纸阴极进行了试验，所述电极位于所述室的对侧(4cm长度x3cm直径)。具有刷状阳极的管状阴极反应器使用含CoTMPP催化剂(TCo)的管状阴极对两个不同的刷状阳极(B)MFC构型进行了试验一个在反应器内(I)具有管状阴极的圆柱形室MFC(6cm长x3cm直径)(B-T2Co-I);及一个类型相同、但管状阴极在反应器外(0)的反应器(4cm长x3cm直径)(B-T2Co-0),36如表2所示。对于室内管状阴极反应器而言，石墨刷状阳极垂直地布置于2cm长的反应器滑座上，且两个各为3cm长的经导线相连的管状阴极通过相邻的2cm薄片插入制成6-cm长反应器(B-T2Co-I;Ac27cm2,Acaf,,=93m7m3)。所述催化剂涂覆于阴极管的内侧(膜的一侧)并朝向空气。阴极管放置在立方形反应器外的MFC被构造为使用一个在化m长反应室中心平行布置的刷状阳极，且其中一个单独的6cm长(2x3cm)的阴极管从反应室的一側伸出来(B-T2Co-0;Ac27cm2，A—=75m2/m3)。在这种情况下，所述催化剂涂覆于该阴极管的外侧(膜的支撑侧)并面向空气。为了进一步研究阴极表面积带来的影响，将另外的3cm管状阴极加入该MFC的内部，通过外部导线连接管状阴极(B-T3Co-I和B-LCo-I)。对于具有反应器外阴极管的反应器而言，该管长度增加至12(4x3)cm(B-T4Co-0),形成5化1112的阴极表面积。启动和运4亍本实施例中所有MFC均按照Liu，H.etal.,f/^/ro/.^c/.7ec力/o厶2004,J《，4040-4046中所述方法使用营养培养基中的磷酸盐緩沖液(PBS,50mM;pH=7.0)营养培养基中的葡萄糖(0.8g/L)和生活污水(约300mg-C0D/L)的50:50的混合物进4亍接种。在2-3个重复的进料周期后，仅加入培养基(无废水)。当产生的最大电压在至少3个周期内可重现时，可认为反应器已适应。在这些试验后，将刷状阳极反应器转为200mMPBS，因为溶液电导率的增加可增加发电功率。当电压降至约20mV(40至500n电阻)或约40mV(1000至3000Q电阻)以下时向反应器中重新补加培养基。具有布置于反应器内部或外部的刷状阳极和管状阴极的反应器还在连续流模式下运行，水力停留时间(HRT)为24小时(全部反应器体积)。液流通过使用微量输液泵UVI微量210A输液泵，3M)自阳极一侧进入，并自阴极一侧排出。这些实验均在301C下实施。计算和测量所有反应器的输出电压(「)在固定的外阻(1000Q,除非另有注释)两端使用数据采集系统(2700,Keithly，美国)进行测定。电极电势使用万用表(83m，Fluke,美国)和参比电极(Ag/AgCl;RE-5B，生物分析系统，美国)进行测定。电流(/=「/幻、功率(户-iT)、及库仑效率(基于输入的葡萄糖)按照Zuo，Y.etal.,Energy&Fuels.2006，20(4)，1716-1721中所述的方法计算。功率密度和电流密度归一化至碳纸阳极的有效面积(m2)或总反应器体积(m3)。为获得作为电流的函数的极化曲线和功率密度曲线，使外电路电阻自40Q变化至30000。对于间歇试验而言，一个电阻器用于一个完整循环(至少24小时)，并在至少两个独立的周期中使用，而对于连续流试验而言，每个电阻器均使用至少24小时。对于用含50mMPBS的营养培养基填充的碳纸阳极MFC和使用200mMPBS的刷状阳极反应器，内阻R^通过在105至0.005Hz频率范围上的具有10mV正弦扰动振幅的电化学阻抗语(EIS)测得，该电化学阻抗谱使用恒电势器(PC4/750恒电势器，Gamry仪器有限公司)测定。如同Cheng,S.etal"Environ.Sci.Technol.2006.40，2426-2432中所述将阳极作为工作电极，阴极作为反电极和参比电极。氧传递通过管状阴极的最大速率通过测量未接种的碳纸阳极MFC反应器中的氧积累量来确定，所述碳纸阳极MFC反应器含有一个干净的3cm管形膜(不含任何石墨/催化剂)和脱氧去离子水。氧有效传质系数f按照Cheng,S.etal.，ElectrochemCommun.2006，8，489-494中所述的方法使用位于搅动的反应器中心的溶氧探头(Foxy-21G,OceanOptics有限公司，Fl)进行测定。通过管形膜阴极的质子传导电阻按照Kim，J.etal.,Environ.Sci.Technol.2007.41(3)，1004-1009中所述的方法通过测量在双室立方反应器的两个碳电极间加入该膜材料时内阻的增加值来测定。将膜管划开，切成环形以形成7cn^的平坦表面，然后布置于反应器中间，且使各个碳电极与所述膜相距2cm。含膜(R,fl)和不含任何膜OU)的反应器的内阻可使用恒电势器通过EIS测定。管形膜的质子传导电阻率(Q*cm2)按照(R&(,边广R&,迈—)xA迈咖i十算得至'J。反应器流出物的COD浓度按照例如AmericanPublicHealthAssociation;AmericanWaterworksassociation;WaterPollutionControlFederation,StandardMethodsfortheExaminationofWaterandWastewater,第19版；WashingtonD.C.，1995中所述的标准方法进行测定。含碳纸阳极的管形反应器的发电情况在全部的4个碳纸阳极MFC反应器适应之后，迅速形成可重复的发电周期。图20A示出了，作为归一化至总反应器体积的电流密度的函数的功率密度(空心符号)、电压(实心符号)，它们通过改变碳纸阳极MFC的外电路电阻(40至3000Q)而得到。才艮据在两个或更多个独立的间歇实验中的稳定功率输出期间测定的平均值，误差范围为±S.D.。通过将外电路电阻自40Q改变至3000Q获得的功率密度曲线和极化曲线表明，具有两个涂有CoTMPP的管的管状阴极MFC(C-T2Co-I;Ac27cm2)产生的功率仅略低于具有Pt催化剂的碳纸阴极(C-CPt-I;Ac"=7cm2)，且同在Re,产250Q下，管状阴极系统具有8.8±1.0W/m3(403±33mW/m2，阳极表面积)的最大功率密度，而碳纸阴极系统则为9.9±0.1W/m3(394±3mW/m2)，如图20A所示。管状阴极面积减少50%(C-LCo-I，Acl3.5cm2)仅由于阴极体积的减小而略微影响了体积功率密度(9.3±0.3W/m3;Re,,=250Q),但基于阳极表面积(306±8mW/m2)的功率减小了24%。在无催化剂存在的情况下，管形反应器(C-LC-I，Acl3.5cm2)产生少得多、或为3.1±0.1W/m3(!U产250Q)的功率，如图20A所示。这4个MFC的内阻范围为84至131Q(表2)。图20B示出作为归一化至总反应器体积的电流密度的函数的电极电势——阴极空心符号、阳极实心符号，该图通过改变碳纸阳极MFC的外电路电阻(40至3000Q)得到。才艮据在两个或更多个独立的间歇实验中的稳定功率输出期间测定的平均值，误差范围为土S.D.。图20B示出了这些碳纸阳极MFC各自在相同的电流下具有相似的阳极电势。这4个MFC反应器发电功率的不同是因为阴极电势的不同。管状阴极电势可通过加入CoTMPP作为催化剂和/或增加阴极表面积而提高。具有13.5或27cm2的表面积的、涂覆CoTMPP的管状阴极(C-LCo-I和C-T2Co-I)在0至60A/n^的电流密度范围内达到了与碳纸Pt阴极(C-CPt-I)几乎相同的电势。含刷状阳极的管形反应器的发电情况本实施例中使用的所有含刷状阳极的管形反应器在约14个间歇周期后形成了可重复的功率周期(50mMPBS)。图21A示出了作为基于反应器体积的电流密度的函数的功率密度(空心符号)和电压(实心符号)，该图通过改变这些刷状阳极MFC的外电路电阻(40至3000Q)得到。根据在两个或更多个独立的间歇实验中的稳定功率输出期间测定的平均值，误差范围为士S.D.。在緩冲液的浓度增加至200mM后，内部含两个3cm管状阴极的反应器(B-T2Co-I，Ac27cm2)产生的最大体积功率密度为17.7±0.2W/m3(!U产250Q)，如图21A所示。含刷状阳极的管状阴极反应器比含碳纸阳极的同样类型的管状阴极反应器(C-T2Co-I，8.8±1.0W/m3)产生的功率增长了200%，这与内阻的总下降量(自89至66Q)和阳极面积的明显增长(自7至2235cm2)相一致。内部含刷状阳极和管状阴极的反应器所产生的功率同样是与在反应器外含一个单独的6cm阴极管的刷状阳极反应器最大功率8.2±0.2W/m3(!U产250Q)的两倍，如图21A所示。图21B示出了作为基于反应器体积的电流密度的函数的电极电势(阴极空心符号、阳极实心符号)，其通过改变刷状阳极MFC的外电路电阻(40-3000D)得到。根据在两个或更多个独立的间歇实验中的稳定功率输出期间测定的平均值，误差范围为土S.D.。反应器内部阴极管的输出功率的增加是由在0-58A/mS的电流范围内刷状阳极的电势保持不变时较高的阴极电势造成的，参见图21B。当阴极位于反应器内时该阴极的OCP(250士8mV，Ag/AgCl)比其位于反应器外时的OCP(138士16mV)高112mV。随着电流的增加，在58A/m3下电势差进一步增加至240mV,如图21B所示。使用管状阴极时的库仑效率所有反应器的库仑效率均为电流密度的函数(表l;支持信息中的附加信息)。在使用碳纸阳极情况下，具有CoTMPP催化剂的管状阴极的库仑效率高达40%，而具有Pt的碳纸阴极(C-CPt-I)的库仑效率为7-19%。在不含催化剂时(C-LC-I),管状阴极反应器的库仑效率为18至22%。当阴极管位于反应器外时(B-T2Co-0)，通过使用石墨刷状阳极以及使用200mMPBS增加溶液离子强度还可将库仑效率增加至52-58%,当阴极管位于反应器内(B-T2Co-I)时，可增加至70-74%。我们认为所述管状阴极反应器获得的较高库仑效率是由氧穿过管形超滤膜的扩散速率低于其穿过碳纸阴极的扩散速率所致。对于一个干净的管形膜而言，我们测量出其02传质系数为h7.8x10—5cm/s，这可使多达0.03mgO2/h的氧传递至管状阴极表面积为13.5cn^的MFC系统中(C-LCo-I和C-LC-I),或0.06mg02/h的氧传递至管状阴极表面积为27c血2的MFC系统中(C-T2Co-I、B-T2Co-I和B-T2Co-0)。相反地，7cm2表面积的碳纸阴极(C-CPt-I)产生的氧传递速率为0.187mg/h，参见Liu，H.etal.，Environ.Sci.Technol.2004，38，4040-4046。因此，似乎所述管状阴极系统的较高库仑效率是由于氧扩散通过阴极来支持有氧氧化而使底物减少引起的。管状阴极表面积的影响使用放置在用含反应器内或反应器外的管状阴极的刷状阳极反应器研究了管状阴极表面积带来的影响。图22A和22B示出了功率(A)和体积功率密度(B),它们是含刷状阳极的管状阴极MFC的阴极表面积的函数。根据在两个或更多个独立的间歇实验中的稳定功率输出期间测定的平均值，这些图中的误差范围为士S.D.。通过在反应器内加入更多的3cm阴极管(B-T3Co-I和B-T4Co-I)或将外部阴极管的长度增加至12cm(B-T4Co-0)而使两种构型的阴极表面积由27cm2(T2)增加至40.5cm2(T3)或54cm2(T4)。对于在反应器内的阴极管而言，最大输出功率随阴极表面积的增加而增加，分别为0.51mW(B-T2Co-I)、0.66mW(B-T3Co-I)及O.83mW(B-T4Co-I)(图22A)。由于每加入一个3cm阴极管则反应器的体积也增加8ml,但归一化至体积时这些内部含阴极管的不同的反应器所产生的体积功率密度是相似的，在所有情况下产生的最大值均为约18W/m3(图22B)。当阴极管置于反应器外部时，最大输出功率不随阴极管长度的增加而增加(图22A)。虽然两种反应器均产生约0.3mW的功率，但较长的管状阴极比较短的管状阴极体积增加了10ml,使体积功率由8.2W/m3(B-T2Co-0)降低至6.5W/m3(B-T4Co-0)(图22B)。管状阴极反应器的连续流性能在反应器内部或外部含管状阴极的两种刷状阳极MFC以连续流模式运行。图23A和23B示出了在固定的IOOOO电阻下(除非另有说明)作为时间的函数的电压(A)以及作为归一化至体积的电流的函数的体积功率密度(B),它们通过改变以连续或间歇模式运行的刷状阳极MFC的外电路电阻(40-3000Q)而得到。垂直线表明极化曲线测量中外电阻改变的时间。箭头表示反应器外的管状阴极的替换。在该反应器内含有所述阴极管的情况下(B-T2Co-I,Ac27cm2)，输出电压可立即产生(IOOOQ下520mV),并且HRT稳定超过IO小时(图23A)。功率密度曲线显示性能与间歇进料试验相同，产生约18W/i^的最大功率密度(图23B)。阴极管在反应器外部的MFC以连续和间歇进料模式运行时所测量的功率密度曲线也是相似的(图23B)。然而，这种反应器(B-T2Co-0，Ac27cm2)所产生的电压在整个时间跨度中是不稳定的，其自500mV降至380mV(1000Q)(图23A)。使用一个恒定的IOOOQ外电阻分析了以连续流模式运行的两种反应器的流出物。与阴极管在反应器内时MFC产生的37±5%的COD去除率相比，在MFC外具有阴极管的反应器产生了53±5。/的COD去除率。由管状阴极贡献的内阻在双室立方反应器的两个碳电极之间放置一个扁平管形膜(7cm2)时测定的内阻为IU=247±6Q。当移去所述膜时，内阻为IUc84士1Q。这些阻值表明了所述膜的质子传导电阻率为1141Q.cm2,因此13.5cn^或27cm2的管形膜阴极的内阻分别为84Q或42Q。这表明所述膜电阻最高占管状阴极反应器总内阻的64%。本说明书中所提及的任何专利或出版物都以引用的方式纳入本申请，其引用的程度就如同对每一个出版物具体地且逐一地说明通过引用的方式将其纳入。于2006年5月2日提交的美国临时专利申请60/796,761以全文引用的方式纳入本申请。本申请所述的组合物和方法代表优选实施方案，是示例性的，而不是想要限制本发明的范围。本领域技术人员可对其进行改变或以其它方式使用。可在不偏离权利要求书所述的本发明的范围的情况下进行这种改变和其它方式的使用。权利要求1.一种微生物燃料电池，包括一个阴极，包括一个膜，所述膜形成一个通常封闭并界定一个内部空间的阴极壁，所述阴极壁具有一个与所述内部空间邻接的内表面和一个相对的外表面，所述壁在第一末端和第二末端之间延伸；一个阳极，所述阳极对亲阳极细菌基本无毒；以及一个导电连接体，连接所述阳极和所述阴极。2.权利要求1的微生物燃料电池，其中所述膜选自一个纳滤膜、一个超滤膜、及一个离子交换膜。3.权利要求1的微生物燃料电池，进一步包括一种与所述膜的内表面或外表面相接触的导电材料，所述导电材料与所述导电连接体导电连接。4.权利要求3的微生物燃料电池，其中所述导电材料为一种碳基材料。5.权利要求3的微生物燃料电池，其中所述导电材料为石墨。6.权利要求3的微生物燃料电池，其中所述导电材料为一个碳基涂层，所述碳基涂层覆盖至少约50%的所述膜的内表面或外表面。7.权利要求1的微生物燃料电池，进一步包括一种催化剂。8.权利要求7的微生物燃料电池，其中所述催化剂选自一种含金属的催化剂、一种含非金属的催化剂、及一种上述物质的结合物。9.权利要求1的微生物燃料电池，其中所述阳极具有大于100in7m3的比表面积。10.权利要求1的微生物燃料电池，其中所述阳极为一个刷状阳极。11.权利要求1的微生物燃料电池，包括两个或更多个阳极。12.权利要求1的微生物燃料电池，包括两个或更多个阴极。13.权利要求1的微生物燃料电池，进一步包括一个电源，用以增气，所述电源与所述阳极和所述阴极电连接。14.权利要求13的微生物燃料电池，其中所述电源为一个二次微生物燃料电池，所述二次微生物燃料电池被设计为用以产生电力。15.—个微生物燃料电池，包括一个比表面积大于100mVn^的阳极，所述阳极对亲阳极细菌基本无毒;一个阴极；以及一个连接所述阳极和所述阴极的导电连接体。16.权利要求15的微生物燃料电池，其中所述阳极包括一种或多种导电纤维。17.权利要求16的微生物燃料电池，其中所述一种或多种导电纤维连接在一个导电芯支撑物上。18.权利要求17的微生物燃料电池，其中所述一种或多种导电纤维的每一单根纤维均连接在所述导电芯支撑物上。19.权利要求17的微生物燃料电池，其中至少一部分所述一种或多种纤维包括一种或多种碳纤维。20.权利要求15的微生物燃料电池，包括两个或更多个阳极。21.权利要求15的微生物燃料电池，包括两个或更多个阴极。22.权利要求15的微生物燃料电池，进一步包括一个电源，用以氢气，所述电源与所述阳极和所述阴极电连接。23.权利要求23的微生物燃料电池，其中所述电源为一个二次微生物燃料电池，所述二次微生物燃料电池被设计为用以产生电力。24.—个用于微生物燃料电池的阴极，包括一个膜，所述膜形成一个通常封闭并界定一个内部空间的阴极壁，所述阴极壁具有一个与所述内部空间邻接的内表面和一个相对的外表面，所述壁在第一末端和第二末端之间展开，所述壁具有一个常规的形状。25.权利要求24的用于微生物燃料电池的阴极，其中所述膜选自一个纳滤膜、一个超滤膜、及一个离子交换膜。26.权利要求24的用于微生物燃料电池的阴极，还包括一种与所述膜的内表面或外表面相接触的导电材料，所述导电材料与导电连接体导电连接。27.权利要求26的用于微生物燃料电池的阴极，其中所述导电材料为一种碳基材料。28.权利要求26的用于微生物燃料电池的阴极，其中所述导电材料为石墨。29.权利要求26的用于微生物燃料电池的阴极，其中所述导电材料存在于至少约50%的所述膜的内表面或外表面上。30.权利要求24的用于微生物燃料电池的阴极，进一步包括一种选自以下物质的催化剂一种促进氧还原的催化剂及一种促进质子还原的催化剂。31.权利要求24的阴极，其中所述第一末端或第二末端中的至少一个是闭合的。32.权利要求24的阴极，其中所述内部空间至少部分地被一种液体填充。33.权利要求24的阴极，其中所述壁具有一个选自常规圆柱形和常规中空板形的形状。34.—种产生氢气的方法，包括提供一个含有一个管状阴极和/或刷状阳极的微生物燃料电池；并施加一个附加电压，以增加所述阳极和所述阴极间的电势，从而产生氢气。35.—种产生电力的方法，包括提供一个含有一个管状阴极和/或刷状阳极的微生物燃料电池。36.—种发电和/或制氢气的方法，包括提供一个权利要求1或15的微生物燃料电池；并且提供废水作为用于细菌氧化的可生物降解底物。37.—种本质上如说明书所述的发电和/或制氢的方法。38.—种本质上如说明书所述的管状阴极。39.—种比表面积大于100mVm"的阳极，所述阳极本质上如说明书所述基本对亲阳极细菌无毒。40.—种本质上如说明书所述的燃料电池。全文摘要本发明提供了发电和/或制氢的装置。具体而言，详细描述了用于发电的微生物燃料电池和改进的用于制氢的微生物燃料电池。提供了含有一个形成常规管形的膜的管状阴极。提供了一个比表面积大于100m²/m³的阳极。此外，所述阳极对亲阳极细菌基本无毒。特定阳极和阴极的组合也包含于微生物燃料电池和改进的微生物燃料电池中。文档编号H01M8/16GK101485029SQ200780025190公开日2009年7月15日申请日期2007年5月2日优先权日2006年5月2日发明者B·洛根申请人:宾夕法尼亚州研究基金会