電解質增強的微生物燃料電池制造技術

本發明專利技術涉及一種方法，其包括A)提供微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括i)含有一種或多種導電材料的陽極，所述陽極安排用來通過所述導電材料給電子提供流路，ii)與所述陽極電接觸的微生物，iii)含有一種或者多種導電材料的陰極，iv)陰極電解質，v)與陽極和陰極二者接觸的電子導管，所述電子導管是回路的一部分；B)引入一種或多種電解質或者溶于第一流體中的一種或多種電解質與含有可生物降解材料的第二流體的混合物；C)使B)的混合物在微生物存在下與所述陽極接觸；D)使所述陰極與陰極電解質接觸；E)從所述微生物燃料電池取出所述流體混合物。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及微生物燃料電池。本專利技術還涉及改善使用電解質的燃料電池的操作的方法。本專利技術還涉及從含有可生物降解材料的流體例如廢水產生電的方法。此外，本專利技術涉及從含有可生物降解材料的流體例如廢水除去可生物降解材料的方法。此外，本專利技術涉及減少來自工業方法和廢水處理的流出物的電解質水平的方法。
技術介紹
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污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。所述微生物催化簡單和復雜的有機物分解成水、氫離子(質子)和二氧化碳，并且在分解的過程中產生電子。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回路。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。借助于置于外部回路中的合適的裝填物，可俘獲一部分所產生的在陽極和陰極之間的電能，用于其它目的。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征，包括電子供體，在陽極被氧化的燃料，所述陽極是導電的固體，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，所述陰極是另一導電固體；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。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，并且除了以上指出的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。大部分廢水流具有有限的導電性，這抑制了離子在陰極和陽極之間的傳輸。在測試系統中，將緩沖液，例如磷酸鹽，添加到水中來同時提高導電性和最小化由于在陽極的附近水的酸化導致的PH值變化。添加緩沖液幫助廢水的純化是起反作用的。因此需要不需要添加緩沖液的微生物燃料電池和使用微生物燃料電池的方法。用于微生物燃料電池中的典型的陰極使用貴金屬(其中鉬是優選的)作為催化劑。貴金屬是非常昂貴的，并且影響微生物燃料電池的成本效率。微生物燃料電池也在陰極需要氧化劑，以便于該系統處于電和化學平衡。許多測試系統使用鐵氰化物作為陰極電解質(catholyte)，氧化劑。具有這種氧化劑的微生物燃料電池不是環境友好的，它們也不是經濟上可以承受的。微生物燃料電池對化學環境非常敏感，其中環境的每個改變都會阻礙該系統以最優的方式工作，或者是根本上阻礙該系統工作。以上所述的所有的問題都需要合適地以一種方式解決，從而使得微生物燃料電池能夠高效地工作，然后才能實現商業系統。微生物燃料電池，如所有的其它燃料電池一樣，將化學能轉化成電能。從操作電池獲得的電壓小于理 論值。理論電池電壓和實際操作電池電壓之間的差由四種主要的原料損失產生，這描述于 Larminie and Dicks 的“Fuel Cell Systems Explained” 中；活化作用損失，燃料交疊和內電流，歐姆損失和物質傳遞(或者濃度)損失。活化作用損失是由在電極的表面上發生的反應變慢導致的。燃料交疊和內電流是由燃料從陽極泄漏到陰極，或者氧化劑從陰極泄露到陽極，以及通過該離子導管的電子傳導導致的。歐姆損失是由于壓降導致的，該壓降是由于對電子通過電極和各種互聯和電子導管的材料流動的直接電阻以及離子流動通過電極和離子導管的電阻導致的。物質傳遞或者濃度損失是在燃料被使用時反應物在電極的表面的濃度變化引起的。因為濃度降低是不能將足夠的反應物傳遞到電極表面導致的，所以這種類型的損失也常常稱為“物質傳遞”損失。一些工業方法制備具有高鹽水平的流出物。例如脫鹽工廠產生具有濃縮的鹽水平的廢物流。一些工業方法也制備具有高鹽水平的物流。將這些物流直接排出到環境中不是環境友好的。在陰極上需要一種氧化劑，其是環境友好的也是有效的氧化劑。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于商業環境中。需要這樣的微生物燃料電池和使用這樣的燃料電池的方法，其解決了 PH梯度的問題，其是成本有效的，其不需要在系統中使用緩沖液，其最小化了歐姆損失和物質傳遞損失，和其使用了環境友好的和有效的氧化劑。進一步需要的是將廢物流的鹽水平減少至不存在環境問題的水平。
技術實現思路
在一種實施方式中，本專利技術涉及一種方法，其包括A)提供微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括i)含有一種或多種導電材料的陽極，所述陽極安排用來通過所述導電材料給電子提供流路， )與所述陽極電接觸的微生物，iii)含有一種或者多種導電材料的陰極，iv)陰極電解質(catholyte)，v)與陽極和陰極二者接觸的電子導管，所述電子導管是回路的一部分；B)引入一種或多種電解質或者溶于第一流體中的一種或多種電解質與含有可生物降解材料的第二流體的混合物；c)使B)的混合物在微生物存在下與所述陽極接觸；D)使所述陰極與陰極電解質接觸；E)從所述微生物燃料電池取出流體混合物。在一種優選的實施方式中，所述微生物燃料電池使所述陽極和陰極中的一個或者二者位于密封的腔室中。在另一實施方式中，所述微生物燃料電池的陽極置于陽極腔室中，其中所述腔室具有適合于引入含有可生物降解材料和電解質的混合流體的入口，和用于從該腔室取出流體的出口。還在另一實施方式中，本專利技術是微生物燃料電池，其中所述陰極是陰極腔室，其中所述陰極腔室還含有陰極電解質，本申請所用的陰極電解質是指流體，其含有電子受體，氧化劑。優選地，該微生物燃料電池具有適合于引入陰極電解質從而使陰極電解質置于與陰極接觸的陰極腔室。在另一優選的實施方式中，密封該微生物燃料電池的陰極腔室從而防止含有可生物降解材料的流體從微生物燃料電池的外側進入陰極腔室。在另一優選的實施方式中，所述微生物燃料電池適合于置于含有可生物降解材料和電解質的流體的容器中。在另一優選的實施方式中，密封微生物燃料本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：SA沃林，ST馬圖希，
申請(專利權)人：陶氏環球技術有限責任公司，
類型：
國別省市：