[發明專利]微生物燃料電池

在審

• 申請號: 201380024410.3
• 申請日: 2013-05-10
• 公開（公告）號: CN104303354A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: O·博萊特斯什爾;G·萬格爾
• 申請（專利權）人: 合成基因組股份有限公司
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;陸惠中

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年5月10日提交的美國臨時申請序列號61/645,491的權益，所述申請的全部內容通過引用特此并入。

發明領域

本發明涉及微生物燃料電池、用于其的專用設計、陽極和陰極。

背景

提供以下本發明背景的描述以幫助理解本發明，但并不承認是本發明的現有技術，或是對本發明現有技術的描述。

微生物燃料電池(MFC)不僅對于廉價可再生能量產生意味著機遇，而且還是用于在不帶來巨大花費以去除可對環境造成有害影響的有機污染物的情況下修復可能原本不能安全處置的廢水的手段。這些MFC通過利用微生物氧化有機底物并且為電極提供電子的能力來發揮作用。當以存在于多種類型的廢水和其它流體中的生物-可轉化底物的形式提供有機底物時，可實現在對廢水或其它流體提供修復的同時產生電的雙重優點。通常，存在于陽極的細菌在厭氧條件下氧化有機底物以產生電子和質子。電子轉移至陽極并且通過與陰極室相連的電路流向陰極。陰極室包含氧化劑(例如氧)，電子和質子將所述氧化劑還原并且產生H₂O、H₂O₂或OH^-。陽極和陰極通常通過質子交換膜隔開。陽極與陰極之間的電勢差驅動電流通過外部電耦合。

為此目的，已存在多種MFC。一些MFC試圖通過使用生電細菌來優化有效操作，從而消除將電子從細菌轉移至陽極的介體的使用。其它MFC試圖通過修改陽極部件或陰極部件，或者通過改變陽極的微生物群來實現能量回收或廢料修復的更高效率。

然而，迄今存在的MFC通常使用不能經濟地用在許多商業應用中的昂貴材料。本領域仍需要在用以產生電的MFC運行中實現更高效率并且提供對廢水的修復，并且將由可廣泛獲得的、足夠廉價以在商業規模上經濟地應用的材料構造的MFC設計。

發明概述

本發明提供了一種用于在微生物燃料電池中使用的高表面積電極。在一個實施方案中，高表面積電極包括電極背襯和附接至背襯的絨毛狀延伸物。在一個實施方案中，絨毛狀延伸物和/或電極背襯由例如像石墨或石墨纖維的導電材料制成。在一個實施方案中，電極為陽極并且電極背襯呈網格形式。本發明的電極用于在微生物燃料電池中實現化學需氧量(COD)的優異去除并且因此適用于廢水的修復。本發明還提供了使用本發明電極的微生物燃料電池。在一個實施方案中，微生物燃料電池使用氧屏障并且不使用質子交換膜。在另一個實施方案中，陽極被配置用于通過陽極的液體的基本上線性的無阻流動。本發明的微生物燃料電池也可使用經過化學處理的陽極，并且任選地使用經過熱處理的陰極，任一種或兩種處理均賦予微生物燃料電池優良的性能。

在第一方面，本發明提供了一種具有電極導線和電極背襯的高表面積電極，其中電極導線和電極背襯由導電材料制成，并且電極背襯呈網格形式。電極具有附接至背襯的絨毛狀延伸物，所述延伸物由導電材料制成并且提供用于微生物的生長和傳送電流的表面積。電極導線和電極背襯可由多種導電材料制成，如1)金屬，如鈦、鉑、金以及其中任何兩種或更多種的導電合金；或2)金屬化合物，如氧化鈷、氧化釕、碳化鎢、碳化鎢鈷、不銹鋼或其中任何兩種或更多種的組合；或3)非金屬導電材料，如石墨、摻雜石墨的陶瓷、導電聚合物(例如聚苯胺)以及涂有氧化錳的石墨。在一個實施方案中，絨毛狀延伸物為石墨纖維。

在一個實施方案中，電極導線和電極背襯由相同的導電材料制成。在另一個實施方案中，電極導線為電極背襯，并且是同一片導電材料的部分。絨毛狀延伸物可完全由導電材料構成，并且在一個實施方案中，所述延伸物由石墨制成。但是在其它實施方案中，絨毛狀延伸物由石墨、摻雜石墨的陶瓷、碳、導電聚合物、聚苯胺、不銹鋼、鈦、銅、金、鉑、鈀或任何這些的組合制成。絨毛狀延伸物還可為碳納米管。絨毛狀延伸物還可為具有選自由以下組成的組的形式的導電纖維：實心、空心、半滲透、多孔、納米-管和分枝狀。

在一個實施方案中，絨毛狀延伸物基本上不含絕緣物質。可對絨毛狀延伸物進行化學處理或熱處理。絕緣物質可以是一種或多種物質，如鋁、硅和氧化物層。

陽極可為填充床構型并包含多個球狀物，并且絨毛狀延伸物可存在于球狀物上(例如在球狀物的外表面上)。