微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供其中MFC为非连续流动连通的微生物燃料电池（MFC）的装置、运行该装置的方法、使用该装置来制备氢气和产生电能的方法、用于该装置的消化器以及提高该装置输出功率的方法。
【专利说明】微生物燃料电池
发明领域
[0001]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。
[0002]发明背景
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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、堆月巴、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1-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。
[0009]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 etal.，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 veilelectrodeM^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IV，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。
[0010]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。[0011]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-fibreveil)。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]如上所述，已表明优化输出功率(由此优化“废物”利用)的方法是通过连接在一起的多个较小的MFC实现的,而非通过更大的单个电池实现的(Ieropoulos et al., 2008)。然而，关于这一点，在本领域内仍存在争论，有些认为更大的电池——其也可以在单电池内包括多个电极——更好(Jiang et al.，2011和Scott et al.，2007)。将多个较小的MFC连接的优势在于，较小的MFC的数量可随着需求的变化而改变。为了增加现有堆叠式MFC的输出功率，已将电池串联起来，同时有连续的液体原料流在各个电池之间流动。
[0015]存在多个MFC串联连接装置的多种实例(参见例如W02010/049936、US2007/0048577和US2010/0003543)。然而，在这些文件中公开的装置中，MFC呈液体连通并因此是流体连接的。现已表明，如MFC为流体连接的，则无法达到最大功率。Ieropouloset al.，2008证实，独立MFC堆的电压比流体连接堆的电压高3倍。该差异的原因可能是因“短路”现象而导致的高分流损耗。这一现象在MFC串联电连接(以逐步升高电压)时发生，但使MFC连接在一起的流体连接与其相反，使单元处于相当于并联连接的状态。这导致电压输出低于预期值。分流损耗可通过使电池以串联/并联方式连接而降低，但不能消除。当流体介质具有高含量的盐电解质时该损耗甚至更大。
[0016]流体连通性还会导致极性反转，极性反转继而会降低电池的输出功率(Ieropoulos et al.，2010)。堆中的极性反转产生的原因是:有缺陷的MFC单元产生比堆中其他MFC更高的内阻。这可能是由于燃料饥饿(starvation)、重负载(heavy loading)引起的，但更经常的是由膜污染引起的。此情况下，阳极室中的溶液所带负电荷变少。如果连接在阳极和阴极之间的负载具有足够低的电阻以使此时稀缺的电子以极低的速率流动，这会使阳极的电负性进一步降低。这对装置的输出功率具有不利影响。
[0017]已表明，MFC的阴极镀铜会增加碳电极的导电性，以及具有其他有益的作用。US2010/0151279公开在MFC中使用镀铜阴极。然而，该专利公开涉及单个MFC，并未提及或暗示多个MFC连接在一起时铜可能的作用。铜仅作为加强阴极所需反应的许多可能的电镀材料之一提及。US2010/0151279未提供铜作为涂层材料进行测试的证据或使输出功率提高的证据。
[0018]发明概述
[0019]本发明涉及MFC的装置，其中MFC呈非连续流动连通。优选地，所述装置包括置于各个MFC之间的电绝缘材料，其抑制电子流过流体并由此破坏流体的流动连通。优选地，所述装置为级联装置，其中来自一个MFC中的阳极室的流出物流入级联装置的下一个MFC的阳极室。
[0020]在一个优选的实施方案中，电绝缘材料为气隙(gas-gap)。气体层可通过置于阳极室顶部下方的溢流口溢流产生。当一定体积的流体进入阳极室时，新的流体将通过溢流管置换等体积的流体。然后该流体进入级联装置的下一个MFC，置换该MFC阳极室的流体。这能够确保总是有一层气体存在于各个阳极室的顶部。在一个实施方案中，所述气体为空气。在流体不在MFC间移动的期间，这使各个MFC的流体分离。
[0021]在另一个优选的实施方案中，装置中的MFC为脉冲进料。这产生了确定的时间周期，其中流体不在阳极室之间移动并因此使阳极室流体分离。可调整脉冲宽度和频率以及由此产生的分离宽度和频率以使效率最大化，以例如处理非常稀的基质。优选地，阳极室中约50%的流体每隔几小时在几秒内被置换。
[0022]在另一个优选的实施方案中，级联装置为重力进料，由此减少从一个MFC向另一个MFC移动流体所需的能量。在其他实施方案中,装置可以通过风力或电力驱动。
[0023]根据系统要求和环境条件，阴极可以是开放式的或封闭式的，或使用混合阴极。开放式阴极优选使用滴注进料、优选使用雨水保持潮湿。雨水可以自级联顶部的水头(waterhead)供给。尽管滴注进料的速率通常设置为尽可能低以确保阴极无停滞地保持潮湿并确保滴注进料包含非连续的液滴而非连续流，但是可以对滴注进料的速率进行调整以调节蒸发损耗和空气湿度。
[0024]在至少一个MFC中也可以使用镀铜阴极，以增加输出功率。用铜电镀相对简单易行、有效且相对价廉。铜的浓度可进行调整以优化输出功率。可以使用的浓度为约5%至约60%w/v,优选约10%至约50%w/v,更优选约30%至约45%w/v,在本发明的优选实施方案中，所用的铜的浓度为约40%w/v。
[0025]在本发明的一个优选实施方案中，在至少一个MFC中使用一个或多个离子交换膜。离子交换膜可以是阳离子交换膜或阴离子交换膜。合适的离子交换膜还包括Hyflon?离子膜、合成胶原蛋白膜、合成乳胶膜和动物皮膜。优选地，离子交换膜为质子交换膜(PEM)。PEM可以是聚合物膜或复合膜，合适的材料包括但不限于Nafion?、Ultrex?、陶瓷和陶土。优选地，PEM为陶瓷。本发明MFC中所用PEM的形状和装置可以根据各MFC的设计而变化，然而，当PEM为陶瓷时，优选平瓦片或中空圆柱结构。当PEM为圆柱形时，阳极可以插入圆柱体内部并且阴极可以缠绕在圆柱体的外部。
[0026]优选地，本发明的装置可以通过增加各个级联中MFC的数量或通过增加得自单个原料池的级联的数量而放大。这可以确保在基质非常稀的情况下将基质完全移除，或可被用以处理更高浓度的基质，同时产生更多能量。单个MFC单元可以是定型设计使得所述单元可以机械搭接以彼此扣合从而放大所述级联装置。
[0027]已知混合微生物群落优于单一培养物。可以沿着本发明的级联装置改变混合微生物群落，使得级联装置中上游的MFC具有与较下游的MFC不同的微生物群落。优选地，更有效的耐氧微生物存在于级联装置的较上游(其中流入基质具有更高的氧浓度)，而更有效的厌氧微生物存在于较下游。混合群落在使用包含各种化合物的原料时更有效，而个体物种在分解特定化合物方面更佳。所述群落还可以随原料中的主基质改变。
[0028]单一培养物可优选用于某些应用，例如当试图清理特定类型的已知原料和/或由特定类型的已知原料生产能量时。根据应用，群落或单一培养物在堆的不同区域还可以是不同的，可以使用微孔过滤器来确保特定群落或单一培养物不被从级联上游位置的MFC进入的细菌改变。
[0029]本发明还提供分解级联装置上游的较大化合物的方法，其通过包括更有效地分解级联装置上游的较大化合物的细菌群落，使得原料可被下游的细菌群落更有效地利用而进行。
[0030]本发明还提供MFC的装置，其包括用于分解较大化合物、颗粒和固体的消化器。所述消化器的作用为将有机原料中的较大分子、颗粒和固体分解为较小的分子，随后该较小的分子在MFC装置中得到更有效地分解。流入消化器中的流入物可以来自原料池自身(在原料通过MFC级联装置之前)，或可以来自级联的MFC之一(当较大分子的浓度更高时)。排出物可以经由溢流口溢流一其通向级联装置的MFC—从消化器流出。这使消化更有效。
[0031]优选地，将混合群落也用在消化器中以提高消化的效率。所述群落优选在分解较大分子方面也是有效的。更优选地，所述群落在分解较大分子方面比存在于MFC级联中的群落更有效。优选地，提供一种让原料在消化器中进行混合的设备。
[0032]优选地，级联装置还具有用于动态调节参数例如负载、流速以及多个MFC的串联或并联连接的自动控制器，以保持最大功率转化和最大能量提取条件。
[0033]本发明还提供一种从废物中除去可能有害的化合物的方法，所述方法包括使废物通过本发明的级联装置。还提供一种产生电能的方法，所述方法包括使燃料源通过本发明的级联装置。所述燃料源可以为尿、污水或食物废物。优选地，可能有害的化合物也被除去。可对所述方法进行调整以使用厕所作为原料蓄积池。
[0034]通过从食物废物、尿或污水产生电能，可从原本不使用的燃料源得到能量。可能有害的产品的去除是指本发明MFC级联中未得到利用的任何废物可以安全地丢弃。
[0035]还提供一种制备氢气的方法，所述方法包括使废物通过本发明的级联装置并收集产生的氢气。优选地，装入阴极半电池且使其缺氧。还优选存在用于收集所述装置中包含的氢气的特定机构。
[0036]本发明还提供用于MFC级联以提高有机分子分解效率的消化器。优选地，所述消化器包括灌注基质生物膜(perfusion matrix biofilm)和消化室(stomach)。所述消化器还优选包括混合细菌群落，其在分解大分子方面是有效的。在另一个实施方案中，可以控制消化器中的环境以使参数例如细菌生长速率和酶产量最大化。
[0037]优选地，所述消化器为重力进料以降低能量消耗。更优选地，消化器的消化室是柔韧的，以使得可混合原料及控制溢流口溢流的高度。还提供了一种混合原料以提高消化速率的方法。甚至更优选地，所述消化器为透明的，使得可监测沉降。[0038]还提供一种通过选择特定的细菌物种使本发明MFC装置中的分子水解效率最大化的方法。这可以通过在灌注基质生物膜上制备混合细菌群落实现。所述基质还可以是电极。那些在生物膜上生长得最好的物种将渗入消化器中，从而使消化器自身的效率最大化。选择还可以通过仅在大化合物上进料细菌群落进行，原因是那些对于分解大化合物有效的物种会超过对分解大化合物无效的物种。更多轮的生物膜选择可用于进一步优化细菌群落。还提供了一种可从一个消化器植入另一个消化器以引发新群落的灌注基质生物膜。
[0039]还提供一种提高本发明MFC装置输出功率的方法，所述方法包括使用消化器将待通过MFC装置的原料进行预消化。还提供一种从原料中除去大化合物的方法，所述方法包括在消化器中对原料进行预消化，然后让原料通回至本发明的MFC装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]本发明的实施方案将仅通过示例的方式参考附图图1至11进行描述，其中:
[0041]图1为本发明的装置中所用MFC的示意图；
[0042]图2为本发明多个MFC级联装置的横截面；
[0043]图3为图1的MFC阳极室的示意图，包括气体收集器和溢流口、PEM和空气阴极；
[0044]图4示出了图2的级联装置可进行放大的方式；
[0045]图5示出了开放式碳纱电极上具有铜镀层的单个MFC中电流密度变化时，功率密度和电压如何变化；
[0046]图6示出了极化试验产生的功率曲线，所述试验使用相同的MFC但用不同的铜浓度作为阴极上的催化剂镀层；
[0047]图7为可并入图2的级联装置的消化器的示意图；且
[0048]图8为可并入图2的级联装置的另一种消化器的示意图。
[0049]图9示出了 6个MFC的级联在不同装置中测试时产生的功率曲线的对比。
[0050]图10示出了 7个流体连接的MFC的级联以并联或串联的方式电连接时产生的功率曲线的对比。(a)进料5mM乙酸盐(b) IOmM乙酸盐。
[0051]图11示出了由2个设有气隙的陶瓷MFC级联产生的功率曲线的对比。(a)阳极为间歇进料(脉冲进料)模式(b)阳极以连续流进料。原料含有5mM乙酸盐。
[0052]实施方案描述
[0053]微生物燃料电池
[0054]图1示出了 MFC0，其包括塑料材料制成的壳体1、碳纱阳极2、碳纱阴极3、阳极室
4、阴极液滴注盘5和进口管6。阳极室4内为溢流管7，其促使在阳极室4的顶部产生一层电绝缘材料8。此情况下，所述电绝缘材料为空气。所述MFCO为堆叠式相似MFC (未示出)的一部分，所述MFC在级联装置中排布以使流体可沿着所述级联从一个MFC流入另一个MFC。
[0055]操作过程中，液体原料例如废水从进口管6进入阳极室4。所述进口管6既可以连接自进料池也可以连接自级联的前一个MFC。所述阳极室4填充有流体至液位到达溢流管7的水平。然后流体从阳极室4溢出，沿着溢流管7进入级联的下一个MFC或进入废液输出口，由此在阳极室4顶部产生一层电绝缘材料8 (此情况下为空气)。优选地，所述阳极室4为脉冲进料，以使一定体积的流体通过进口管6进入并通过溢流管7置换相同体积的流体。[0056]碳纱阴极3在MFCO的外部上并通过流体滴注进料9而保持潮湿。当处理废水时，所述流体可以是雨水，并且可以来自蓄水池或来自MFC堆中位于所述MFC上方的MFC。流体滴注进料9的速率可以进行调整以使其包括独立的液滴而不是连续的水流。所述流体滴注进料9沿着碳纱阴极3流至阴极液滴注盘5上。然后，所述流体滴注进料9从阴极液滴注盘5滴至级联装置的下一个MFC的碳纱阴极上。
[0057]微生物燃料电池的一个级联装置
[0058]图2示出包括图1的MFCO的级联装置10。电池布置于斜面上并由此进行重力进料。级联的顶部为集水水箱(water header tank) 11和有机原料池12。所述集水水箱11提供流体滴注进料9以使碳纱阴极3保持潮湿。如图1所示，所述流体滴注进料9从集水水箱11沿着碳纱阴极3流至阴极液滴注盘5上，流体滴注进料9从阴极液滴注盘5滴至级联装置的下一个MFC上。
[0059]所述有机原料池12通过进口管6将有机原料进料至MFCO的阳极室4中。所述阳极室4的液面上升直至其达到溢流管7。然后，流体沿着溢流管7由重力驱动流入级联装置10的下一个MFC的阳极室4中。
[0060]级联顶部的MFC自有机原料池12脉冲进料。脉冲进料的频率和体积由操作者使用旋塞或阀门设定。所述旋塞或阀门可以使用水重力动力、风力或由MFC装置产生的电力控制。例如，每隔几个小时可以用活塞体积(plug volume)的原料快速置换50%的阳极体积，所述置换仅需要几秒钟以脉冲并流入到位。
[0061]当所述流体原料的脉冲给予上游的MFC时，流体原料将通过溢流口溢流混入、置换或交换阳极室中预先存在的等体积流体。流体水平由溢流口的位置而设定。对溢流口进行设定以在溢流口和阳极室顶部之间留有一层气体，如图3所示。
[0062]图3为MFC的阳极室4的示意图，更详细地示出进口管6、电绝缘材料层8、溢流管
7、碳纱阳极2、碳纱阴极3、阴极液滴注盘5和流体滴注进料9。图3还示出PEM窗口 13的位置。水连续地滴在燃料电池外部的阴极上。液滴盘5 (角度略向下且远离阴极)有助于确保流体确实以非连续的液滴流下而非连续的流体流。流速可以为补偿蒸发损耗而增加，或在空气潮湿或湿润时(例如下雨)降低。
[0063]阳极室4除PEM窗口 13、进料/出料管(其虽然也被密封至外部，但将MFC单元连接在一起)和连接至碳纱阳极2的导线(其通过容器壁密封)外均被密封至外部。因此，(除短时间进料过程中液体移动的时间外)有大量时间(通常几小时)使MFC单元通过所有单元之间的气隙而呈流体分离。这使电子流因各单元之间的流体传导而得到缓和。
[0064]微生物燃料电池的多个级联装置
[0065]为增加电压，电极输出可以串联连接，为增加电流，电极输出可以并联连接。为了更有效地分解基质以确保更完全地除去基质或处理极稀的基质，既可以增加级联装置中MFC的数量也可以降低脉冲进料的速率(使得MFC具有在可用原料沿着级联移动之前对其进行利用的更长的水力停留时间)。根据所利用的原料的类型，可以通过延长级联(增加每个级联的MFC的数量)或从原始的原料池开始增加所述级联的数量来扩展所述装置。
[0066]图4表明图1的MFC的级联装置10如何放大。图4a中，级联装置10通过在级联装置10底部添加额外的MFCO而放大。图4b示出通过添加均得自单个集水水箱的其他级联装置而放大的级联装置10。图4b中，所述级联通常比图4a中的级联短。[0067]镀铜阴极
[0068]图5示出电压和功率密度如何随着电路密度的变化而变化。该试验在一个碳纱阴极上具有铜涂层的MFC中进行。该图表明，相同的电负载条件下，铜产生的功率是其他任意所测试催化剂的至少两倍，由此说明铜作为镀层材料的适宜性。
[0069]图6示出由极性试验——使用相同的MFC但以不同的铜浓度作为阴极上的催化剂涂层——产生的功率曲线。该图显示出了最优的铜浓度，并显示出具有8% (w/v)铜的输出功率和具有53% (w/v)铜的输出功率是相近的。
[0070]消化器
[0071]图7示出用于级联装置10中的消化器14，其包括消化室18、进料16、出料15和灌注基质生物膜17。消化室18的出料15可优选随后通过溢流口溢流进料至级联装置10以增加输出功率，原因是MFC中较难分解的较大的分子已部分消化。在原料通过级联装置10之前，进料16可以来自原料池，或者当较大分子的浓度较高时进料16也可以来自级联中的MFC之一通入消化室18。为使消化更有效，出料15可以随后通回至级联装置10。
[0072]将混合微生物种群接种至灌注基质生物膜17上，使有机原料从生物膜17上方经过。基质17也可以是电极。使用作为燃料源的原料时生长得最好的细菌物种以高于功能较弱的少量物种的速率从生物膜17流下。这些物种随后用于消化室18以使原料部分消化，从而使级联装置10中的消化更有效，由此增加级联自身的输出功率。可以仔细控制这些生物膜17的环境以使生长速率和酶产率最大化。还可以通过使含有高浓度的这些较大分子的原料从上方通过灌注基质生物膜17来选择有助于使较大的分子水解和解聚的那些物种。
[0073]更多轮的生物膜选择可以帮助选择-富集功能菌群并由此提高消化的效率。将生物膜17移植至新启动的消化器中也可以用于延长富集过程。消化器14还优选地具有一种混合原料以增加水解速率的设备。
[0074]图8示出另一种消化器的构造。消化器19——其接收废原料——包括透明且柔韧的消化室20。这使得原料的混合——其提高水解速率一一更易于出现。其还能够监测沉降。沉降对移除消化液(fluid digest)的顶层并使其通入下一阶段而言是重要的。柔韧且透明的消化室20使得能够调节消化室中溢流管的高度，由此使可除去的消化液的量最大化，而不除去任何固体颗粒。这会提高级联装置10输出功率的效率，原因是MFC能够更方便地消化不含大颗粒的液体原料。
[0075]气隙(阴极半电池)对MFC性能的影响
[0076]MFC由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料制成。阳极体积为6mL和阴极体积为6mL，电极的表面积为180cm2。对于各个测试条件，将6个MFC排布于级联内并串联电连接。随后产生功率曲线以比较不同测试条件下的性能。
[0077]测试条件如下:
[0078]“连接的”:阴极室为水流过的流体连接；
[0079]“连接的+1个月”:一个月后再次对流体连接的阴极室进行测试；
[0080]“连接的+2.5m管”:阴极室为流体连接并且水在各个室之间的长2.5米且内径为3mm的硅胶管中流动；
[0081]“气隙”:6个阴极室之间的流体连接被中断并引入约20-30_的气隙作为6个阴极之间的分离物；
[0082]“气隙+1个月”:1个月后再次对被气隙分离的阴极室进行测试。
[0083]图9示出不同流体结构下由相同MFC级联产生的功率曲线的对比。左侧的Y轴数据来自气隙分离阴极时的试验，右侧的Y轴数据来自阴极为流体连接时的试验。阳极始终被气隙分离。
[0084]空心三角符号(Λ )表示来自MFC级联的功率曲线性能，当阴极用内径为3mm的硅胶管(长20-30mm)流体连接时，产生6.4uff的输出功率峰值。倒置的空心三角符号表示相同MFC级联的功率性能，当I个月后进行极性试验(为了重现性)时，产生4.6uff的输出功率峰值。空心菱形符号表示相同堆叠/级联的功率性能，此时MFC的阴极为以长2.5米的硅胶管(内径为3mm)流体连接的。流速足以使相互连接的管保持充满液体(水)且输出功率峰值为2.8uW。
[0085]空心方块符号表示来自相同堆叠的功率性能，此时阴极被20_30mm长的气隙分离(绝缘)。在此条件下的来自级联的输出功率峰值为175uW。空心圆符号表示以气隙分离阴极的MFC级联的功率性能，只是该试验在I个月后进行(为了重现性)。该试验的输出功率峰值为334uW。
[0086]图10示出了由7个流体连接的微型MFC (非陶瓷的)级联产生的功率曲线。其凸显了两种浓度的乙酸盐原料下串联连接和并联连接之间因分流损耗而导致了相当大的差
巳
[0087]两个具有圆柱形陶瓷PEM的MFC以并联或串联的方式电连接并将分批进料模式或在级联方式下进行连续流操作以使离开一个MFC的排出液进入下一个MFC进行对比。在这些MFC中形成30mm的气隙，从而无需流体连接。图11表明，与使用流体连接的MFC产生的数据相比(图10)，串联和并联连接情况下的性能无论是分批进料还是以连续流进料均更具可比性。
[0088]参考文献
[0089]Ieropoulos et al.，2008，Microbial fuel cells based on carbon veilelectrodes:Stack configuration and scalability, International Journal of EnergyResearch
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[0091]Scott and Muranoj 2007, A study of a microbial fuel cell battery usingmanure sludge waste, J.Chem.Technol.Biotechnol.82:809-817.[0092]Jiang et al., 2011, A pilot-scale study on utilizing mult1-anode/cathodemicrobial fuel cells(MAC MFCs)to enhance the power production in wastewatertreatment, Int.J.Hydrogen Energy, 36:876-884.
【权利要求】
1.一种多个微生物燃料电池(MFC)的装置，其中，所述MFC是非连续流动连通的。
2.权利要求1的装置，其中，所述流动连通的非连续性来自相邻MFC之间的电绝缘材料层。
3.权利要求1或2的装置，其中，单个MFC置于级联装置中，所述级联装置中的上游MFC阳极室的流出物进入下游MFC的阳极室。
4.权利要求2或3的装置，其中，所述电绝缘材料为气体。
5.权利要求4的装置，其中所述气体为空气。
6.权利要求4或5的装置，其中，溢流口溢流将过量的原料由阳极室移除并使所述原料流入级联中下一个MFC的阳极室，由此在各阳极室顶部产生空气层。
7.上述任一项权利要求的装置，其包括连接单个MFC的设备，该设备使得所述连接能够由使用者控制。
8.上述任一项权利要求的装置，其中，所述MFC为脉冲进料。
9.上述任一项权利要求的装置，其中，所述装置中的MFC为重力进料。
10.上述任一项权利要求的装置，其中，所述装置中的至少一个阴极是开放式的且所述装置中的至少一个阴极是封闭式的。
11.上述任一项权利要求的装置，其中，使用至少一个开放式阴极且所述开放式阴极保持潮湿。`
12.权利要求11的装置，其中，所述开放式阴极使用滴注进料保持潮湿。
13.权利要求12的装置，其中所述滴注进料包括雨水。
14.上述任一项权利要求的装置，其中，所述阴极是镀铜的。
15.权利要求14的装置，其中，调节铜的浓度以优化输出功率。
16.权利要求15的装置，其中，铜的浓度为约40%。
17.上述任一项权利要求的装置，其中，至少一个MFC包括陶瓷质子交换膜(PEM)。
18.上述任一项权利要求的装置，其中，单个MFC装配在一起。
19.上述任一项权利要求的装置，其中，上游MFC的细菌群落构成不同于下游MFC中的细菌群落构成。
20.权利要求19的装置，其中，所述上游MFC的细菌群落中存在更多的耐氧细菌，且所述下游MFC的细菌群落中存在更多的厌氧细菌。
21.权利要求19或20的装置，其中，所述上游MFC的细菌分解原料中的大化合物，使得所述大化合物可以被级联装置中更下游的细菌群落更有效地分解。
22.上述任一项权利要求的装置，其包括含有细菌群落的消化器，所述消化器进料至级联装置中。
23.权利要求22的装置，其中，所述细菌群落为混合的。
24.权利要求22或23的装置，其中，所述消化器用于分解较大的分子。
25.权利要求22至24中任一项的装置，其中，所述消化器直接从原料池进料。
26.权利要求22至24中任一项的装置，其中，所述消化器从级联装置中的MFC进料。
27.权利要求22至26中任一项的装置，其中，流体原料可以用溢流口溢流而从消化器中移除，然后导入至级联装置的MFC。
28.权利要求22至27中任一项的装置，其中，所述消化器中的原料可以是混合的。
29.上述任一项权利要求的装置，其包括一个用于控制参数的自动控制器，所述参数例如为负载、流速以及多个MFC以串联或并联连接。
30.上述任一项权利要求的装置，其还包括一个用于收集氢气的机构。
31.权利要求1至9和14至30中任一项的装置，其中，所有阴极半电池均为封闭式的。
32.权利要求31的装置，其中，所述阴极半电池为缺氧的。
33.上述任一项权利要求的装置，其中，所述MFC的阳极体积为0.1至10ml。
34.运行上述任一项权利要求的装置的方法，所述方法包括随着条件的改变而监控和调节参数，例如负载和流速。
35.运行上述任一项权利要求的装置的方法，所述方法包括通过连接或断开串联或并联的MFC来改变所述装置以适应变化的运行要求。
36.运行上述任一项权利要求的装置的方法，所述方法包括对上游MFC进行脉冲进料以使级联中的MFC为非连续流动连通。
37.从废物中除去可能有害的化合物的方法，其中，使所述废物通过权利要求1至33中任一项的装置。
38.权利要求37的从废物中除去可能有害的化合物的方法，其中，所述废物得自生物能产生、堆肥、城市废物、食物和生物废物、填埋渗滤液、废水或尿。
39.一种产生电能的方法，其中所述电能通过使原料通过权利要求1至33中任一项的装置而产生。`
40.一种制备氢气的方法，所述方法包括使废物通过权利要求1至33中任一项的装置并收集产生的气体。
41.一种消化器，其用于权利要求1至33中任一项的装置。
42.权利要求41的消化器，其包括一个或多个灌注基质生物膜。
43.权利要求42的消化器，其中所述基质也为电极。
44.权利要求41至43中任一项的消化器，其包括混合的细菌群落。
45.权利要求44的消化器，其中，优化所述混合细菌群落以分解大分子。
46.权利要求41至45中任一项的消化器，其中，仔细控制所述消化器的环境以使参数例如细菌生长速率和酶产率最大化。
47.权利要求41至46中任一项的消化器，所述消化器从原料池直接进料。
48.权利要求41至46中任一项的消化器，所述消化器从权利要求1至32中任一项的装置中的MFC进料。
49.权利要求41至48中任一项的消化器，其中，所述消化器的流出物进料至权利要求1至32中任一项的装置中的MFC中。
50.权利要求41至49中任一项的消化器，所述消化器为重力进料。
51.权利要求41至50中任一项的消化器，所述消化器是透明的。
52.权利要求41至51中任一项的消化器，所述消化器是柔韧的。
53.权利要求41至52中任一项的消化器，其包括溢流口溢流出料口。
54.一种提高输出功率的方法，所述方法包括在原料通过权利要求1至33中任一项的装置之前，使用权利要求41至53中任一项的消化器对该原料进行预消化。
55.一种从原料中除去较大化合物的方法，所述方法包括在权利要求41至53中任一项的消化器中对所述原料进行预消化。
56.一种提高消化速率的方法，所述方法包括在消化器中混合所述原料。
57.一种优化权利要求44或45的混合细菌群落的方法，使用灌注基质生物膜。
58.一种优化权利要求44或45的混合细菌群落的方法，所述方法包括将仅含大分子的原料供给至所述群落。
59.一种优化权利要求44或45的混合细菌群落的方法，所述方法包括使用另一轮生物膜选择来选择细菌物种。
60.一种灌注基质生物膜，其可从一个消化器移植至另一个消化器以引发新的细菌种群。
61.权利要求60的灌注基质生物膜，其中，所述基质为可从一个消化器移植至另一个消化器以引发新的细菌种群的电极。
62.一种微生`物燃料电池(MFC)，其包括陶瓷质子交换膜(PEM)。
【文档编号】H01M8/16GK103518282SQ201280022758
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】J·格伦曼, A·I·耶罗普洛斯 申请人:英国西英格兰大学，布里斯托尔