CN108292770A

CN108292770A - 微生物燃料电池单元、其用途和微生物燃料电池布置

Info

Publication number: CN108292770A
Application number: CN201680068007.4A
Authority: CN
Inventors: M·佩莱斯; L·巴瓦; A·卡萨叙
Original assignee: Kemira Oyj
Current assignee: Kemira Oyj
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-07-17
Also published as: US20180366755A1; EP3378119A1; WO2017085361A1; EP3378119B1; FI20155955L; JP2019503033A

Abstract

本发明涉及一种微生物燃料电池(MFC)单元，其包括至少一个阴极，至少一个阳极，该阳极优选在重力方向上布置为与阴极相距一定距离，所述阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接。燃料电池单元还包括用于将单元定位在周围介质内的定位装置，并且所述燃料电池单元在阴极和阳极之间没有任何膜。

Description

微生物燃料电池单元、其用途和微生物燃料电池布置

技术领域

本发明涉及根据所附独立权利要求的前序部分的微生物燃料电池单元及其用途、以及微生物燃料电池布置。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)为水处理和能源生产提供了一种替代方案。它提供了通过使用微生物将化学能转换成电能的可能性。典型的微生物燃料电池包括具有通过外部电路彼此连接的阳极和阴极的电池反应器。在电池反应器的阳极侧，水性液体介质中的有机物质被微生物氧化。氧化产生二氧化碳、电子和质子。被称为胞外产电微生物(exoelectrogen)的一些微生物将由细胞呼吸产生的一些电子释放到阳极。电子通过外部电路转移到阴极，并且质子通过液体介质转移到阴极。然后电子和质子在阴极处的化学反应中被消耗。例如，在废水处理中，电子和质子在阴极处被消耗，与氧气(例如来自空气)结合，并且根据以下反应形成水：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

目前许多微生物燃料电池结构旨在用于实验室，并且由于其复杂的机械结构而不容易适用于实际应用。此外，用于实验室微生物燃料电池的膜可能引起在阳极和阴极之间转移离子中的问题，尤其是如果液体介质包含有机和无机物质的复合基质时更是如此。

还期望微生物燃料电池也可用于大规模处理废水或天然水库。为了实现这一期望，微生物燃料电池必须具有低构建成本，易于维护，并且可以在现场或在自然环境中的远程处理单元中应用。

发明内容

本发明的目的是最小化甚至消除现有技术中存在的缺点。

本发明的一个目的是提供一种微生物燃料电池单元，该微生物燃料电池单元具有简单且鲁棒的结构，没有体积限制。

本发明的另一个目的是提供一种微生物燃料电池布置，其根据需要易于扩展(scale)。

这些目的通过独立权利要求中公开的特征来实现，并且本发明由所附独立权利要求的特征来限定。本发明的一些优选实施例在从属权利要求中给出。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可相互自由组合。

在本文中给出的示例性实施例及其优点通过MFC单元的可应用部分以及根据本发明的用途来实现，尽管并非总是单独提及。

根据本发明的典型微生物燃料电池单元包括：

-至少一个阴极，

-至少一个阳极，阳极优选在重力方向上布置为与所述阴极相距一定距离，阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接，

-用于将单元定位在周围介质内的定位装置，

其中所述燃料电池单元在阴极和阳极之间没有任何膜。

本发明的典型布置包括至少两个根据本发明的微生物燃料电池单元。

现在令人惊讶地发现，根据本发明的微生物燃料电池单元提供了鲁棒的结构，其制造和维护简单且便宜。MFC单元的阳极与周围介质自由接触，MFC单元没有任何膜。这意味着MFC单元是无反应器和无膜的，这使得与周围介质的有效的阳极接触。由于各个单元很容易附接在一起形成一个布置，因此该布置很容易按需扩展。此外，本发明使构建微生物燃料电池单元所需的材料最小化，从而导致更低的成本和有效的资源利用。

在本上下文中，术语“周围介质”被理解为包含有机物质的水性介质。在此，水性介质被理解为包含游离水的介质，诸如水性液体、水性溶液或水性悬浮液，或者在一些实施例中被理解为包含结合水的湿润介质，诸如湿润或潮湿的土壤。水性介质优选为水性液体、水性溶液或水性悬浮液。介质可以包含固体无机和/或有机物质和/或颗粒。周围介质可以是水、废水、污水、泥浆、泥水、沉积物或任何无机和/或有机颗粒的水性悬浮液。水性介质可以包含重量小于80％，优选重量小于60％，更优选重量小于50％的固体。根据本发明的一个实施例，周围介质是包含重量小于30％固体的水或水性悬浮液。根据一个实施例，水性介质可以包含重量0.1-80％，优选重量0.5-60％，更优选重量0.5-50％，甚至更优选重量1-30％的固体。

MFC单元包括至少一个阴极。阴极可以由诸如碳、石墨、催化剂涂覆的碳、催化剂涂覆的石墨或其它相应的导电材料的导电材料制成。阴极可以是布、纤维、颗粒或纤维毡的形式。合适的阴极材料的示例是碳布、碳毡、碳纤维、碳纸和石墨纤维。根据本发明的一个实施例，所述至少一个阴极是平坦且片状的，具有第一水平大表面，所述第一水平大表面可布置成与阴极电解液(优选空气)接触。阴极的第二水平大表面可以至少部分地布置成与周围介质接触，该周围介质优选是液体介质。根据一个实施例，阴极的比面积(即阴极表面积与体积的比率)可以是0.3-1000m²/m³，优选0.5-500m²/m³，更优选为0.5-250m²/m³。

MFC单元还包括至少一个阳极，其布置为在重力方向上与阴极相距一定距离。当阳极和阴极在垂直方向上彼此叠置时，单个MFC单元所需的空间减小。

至少一个阳极布置为与周围介质自由接触，这意味着MFC单元没有围绕阳极并限定MFC单元体积的壁、框架或壳体。周围介质能够自由地绕阳极流动并与其接触。这意味着根据本发明的单个MFC单元不具有任何体积限制。

所述至少一个阳极可以是碳或石墨电极，或者催化剂涂覆的碳电极，例如Pt涂覆的碳电极。优选地，阳极具有尽可能高的表面积，以便为产电微生物提供有效的支撑。阳极的比表面积可以在10-25000m²/m³，优选100-20000m²/m³的范围内。

根据本发明的一个实施例，单独的至少一个阳极是刷状的或具有蜂窝结构，以使阳极的表面积最大化。刷状阳极包括轴，例如，钛、以及石墨或碳纤维的轴。纤维附着在轴上并从轴径向延伸。轴竖直延伸到周围介质中。刷状阳极的比表面积可以在1000-25000m²/m³，优选3000-20000m²/m³的范围内。

可替代地，至少一个阳极可以是中空多孔体的形式，诸如中空多孔球体、中空多孔立方体或中空多孔圆柱体。本体壁的孔眼实现周围介质进出本体的有效传递。中空多孔体可以填充有碳或石墨微粒或颗粒，在这种情况下，中空体可以被认为是填充的粒状床。由石墨微粒或颗粒形成的阳极的比表面积可以在100-5000m²/m³，优选500-3000m²/m³的范围内。

此外，所述至少一个阳极可以是平板状阳极。在阴极也是平坦且片状的情况下，阳极可以与阴极(这些阴极)相距一定距离平行布置。阳极和阴极可布置成与布置在它们之间的可渗透分离器接触。分离器是非膜材料。或者，阳极可以围绕中心阴极成角度布置。阳极和阴极的表面积可以彼此不同。

根据本发明的一个实施例，MFC单元中的阴极和阳极的数量可以彼此不同。例如，一个MFC单元中的阴极的数量可以在1至15，优选1至5，更优选1至3的范围内。一个MFC单元中的阳极的数量可以在1至15，优选2至10，更优选4至7的范围内。根据本发明的一个优选实施例，MFC单元中的阳极的数量多于阴极的数量。优选地，MFC单元包括一个阴极和多个阳极，诸如1至7或2至7。

MFC单元在阴极和阳极之间没有任何透水膜。这意味着该单元在阴极和阳极之间不包含可以限制离子从阳极转移到阴极的可渗透或半渗透膜。这提高了电能生产的效率。因为MFC单元不会遭受膜污染或与膜相关的其它问题，所以它也更强健且更容易维护。

根据本发明的一个实施例，每个MFC单元与至少一个其它单元物理连接，优选可拆卸地连接，以形成包括至少两个MFC单元，优选多个MFC单元的布置。例如，多个MFC单元可以可拆卸地附接到网状结构，或者MFC单元可以通过诸如配件、绳索、链条、线、棒、管等连接器可拆卸地彼此连接。以这种方式，可以通过根据期望的电效应或水处理能力增加或减少MFC单元的数量来容易地调整布置。这使得根据本发明的布置非常适应和灵活。

MFC单元还包括用于将单元定位在周围介质内的定位装置。MFC单元位于周围介质中，以使阴极与阴极电解液接触。根据本发明的优选实施例，定位装置被布置成将阴极定位成与周围介质的表面接触，使得阴极与空气接触。例如，当阴极是平坦的并且可以布置片状时，例如，漂浮在周围介质的表面上，由此阴极的第一水平大表面布置成与空气接触。定位装置可以包括至少一个浮动支撑件，诸如浮标或任何浮力材料。当多个单独的MFC单元附接在一起以形成布置时，该布置可以包括多个定位装置，由此MFC单元形成浮动阵列。

当MFC单元或多个这些单元布置为漂浮在周围介质的表面上时，阴极的第一侧或表面布置成与空气接触。阳极优选布置成浸没在周围介质中，并且不直接与介质表面或空气直接接触。

或者，定位装置布置成将MFC单元的阴极浸没在周围介质的表面之下。在这种情况下，可以布置提供阴极电解液的装置，例如，通过向靠近阴极的周围介质鼓入氧气。

定位装置还可以包括附接装置和固定支撑件，诸如杆。定位装置可以包括附接装置，诸如网、链条或绳索，其连接到固定支撑件，诸如杆或罐壁。附接装置形成MFC单元和固定支撑件之间的连接。定位装置还可以包括用于调节周围介质水平的装置，以便将MFC单元定位在周围介质中的期望位置处。

阳极和阴极通过外部电路相互连接。外部电路可以包括诸如电阻器、电容器、电流调节器、电压调节器、AC/DC转换器、开关的合适的电气部件。

MFC单元的至少一个阳极布置成与阳极集流器连接。当MFC单元包括多个阳极时，它们可以与一个公共阳极集流器连接布置，或者每个单独的阳极可以与其自己的阳极集流器连接布置。根据一个优选实施例，MFC单元包括至少两个阳极，所述阳极布置成与公共阳极集流器接触。

MFC单元的至少一个阴极布置成与阴极集流器连接。当MFC单元包括多个阴极时，它们可以与一个公共阴极集流器连接布置，或者每个单独的阴极可以与其自己的阴极集流器连接布置。

阳极集流器以及阴极集流器可以由金属网制成，诸如不锈钢网。

根据本发明的一个实施例，所述布置包括多个MFC单元，其中每个单元包括阳极集流器和阴极集流器，并且阳极集流器和阴极集流器彼此电连接。

根据本发明的另一个实施例，所述布置包括多个单独的MFC单元，其中每个单独的单元包括阳极集流器或阴极集流器，并且单独单元的所有阴极都连接到公共阴极集流器或者单独单元的所有阳极都连接到公共阳极集流器。

所述布置中的MFC单元的阴极集流器/阳极集流器可以串联或并联电连接。

根据本发明的一个实施例，MFC单元的阴极连接到公共阴极集流器，并且MFC单元的阳极连接到公共阳极集流器。

根据一个实施例，MFC单元包括分层夹层结构，该夹层结构包括阴极、阴极集流器、阳极和阳极集流器。可以在阴极集流器和阳极集流器之间布置分离器以防止短路。分离器可以由任何合适的绝缘材料制成，诸如绝缘布。例如，分离器可以包括非金属框架，例如，聚甲基丙烯酸甲酯框架，以及固定在框架上的绝缘布。

根据本发明的MFC单元和布置适用于任何水体，包括天然水，诸如河流、湖泊、池塘、海洋以及废水。通过使用它们，可以减少例如在发展中国家污染的天然水中的有机物质。MFC单元和布置还适合用于废水处理，例如，在管道和/或澄清池中。

根据本发明的一个实施例，周围介质是选自生活废水的废水；市政或农业废水；来自选自纸浆和造纸、石油和天然气、采矿、食品或饮料、医药制造、纺织制造、化学制造、电力生产、商品或电子制造、医疗废弃物的工业过程的污水。根据本发明的微生物燃料电池单元适用于处理包含必需量的有机物质且不含对产电微生物有毒的化合物或物质的任何周围介质。

附图说明

在下文中，将参考所附示意图更详细地描述本发明，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的MFC单元的一个实施例，

图2示意性地示出了根据本发明的MFC单元的另一个实施例，

图3示意性地示出了根据本发明的MFC单元的又一个实施例，以及

图4示意性地示出了根据本发明的布置的实施例。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了本发明的一个实施例。微生物燃料电池单元1包括阴极2，阴极2是空气阴极。阴极2的第一侧2'的表面与空气接触。阴极2布置为与阴极集流器5连接。

MFC单元1还包括多个阳极3，阳极3在重力方向上与阴极2隔开一定距离布置。MFC单元1的所有阳极3布置为与阳极集流器4连接。在阳极集流器与阴极集流器之间布置防止短路的分离器6。

MFC单元1还包括定位装置7，在本示例中是浮动支撑件，例如，Styrofoam^TM的浮动支撑件。定位装置7布置成将阴极2的第一侧2'定位成与空气接触。实际上，这意味着MFC单元漂浮在液体介质的表面上，同时产生电力并减少液体介质中有机物质的量。

在图2中示意性地示出了根据本发明的MFC单元的另一个实施例。MFC单元10包括多个阴极11。定位装置包括网和布置在网的外周上的浮标13、13'。阴极11连接到网，这防止阴极11相对于彼此运动。网和浮标13将阴极11定位在液体介质的表面上。

MFC单元10还包括一个阳极14，其由具有高表面积的碳纤维材料制成。阳极14也连接到网或阴极的框架。以这种方式，阳极14相距阴极11的位置和距离保持恒定。

在图3中示意性地示出了根据本发明的MFC单元的另一个实施例。MFC单元20包括由碳纤维毡制成的阴极21。碳纤维毡固定在同时用作定位装置的环形支撑件22上。MFC单元还包括连接到环形支撑件22的多个阳极23。阴极21和阳极23通过电线物理连接到外部电路(未示出)。环形支撑件22将MFC单元20定位在液体介质的表面上并且保证阴极21的第一侧与空气接触，其中环形支撑件22可由漂浮的和绝缘的聚合物材料制成。

在图4中示意性地示出了根据本发明的布置的实施例。所述布置包括多个单独的MFC单元30。每个MFC单元30包括一个阴极31和多个阳极32。MFC单元30以每个MFC单元连接到至少一个其它MFC单元的方式连接在一起。可以通过使用网、绳索、链条或其它合适的方式连接MFC单元。

即使参照目前看来最实用和最优选的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不应限于上述实施例，而是本发明也旨在覆盖不同的修改和等同技术方案在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种微生物燃料电池(MFC)单元，其包括：

-至少一个阴极，

-至少一个阳极，阳极优选在重力方向上布置为与所述阴极相距一定距离，所述阳极与周围介质自由接触，如果阴极或阳极的数量多于一个，则阳极和阴极通过外部电路彼此连接，

-定位装置，用于将单元定位在所述周围介质内，

其中所述燃料电池单元在阴极与阳极之间没有任何膜。

2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述至少一个阴极是平坦的且片状的，具有能够布置成与阴极电解液接触的第一水平大表面和至少部分布置为与所述周围介质接触的第二水平大表面。

3.根据权利要求1或2所述的单元，其特征在于，所述至少一个阳极是刷状的，具有蜂窝结构或呈中空多孔体的形式。

4.根据权利要求1、2或3所述的单元，其特征在于，所述至少一个阳极能够是与所述至少一个阴极平行布置的平坦片状阳极。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的单元，其特征在于，阳极的数量大于阴极的数量。

6.根据权利要求5所述的单元，其特征在于，所述单元包括一个阴极和多个阳极。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的单元，其特征在于，所述单元包括多个阳极，所述多个阳极布置为与一个公共阳极集流器连接，或者每个单独的阳极布置为与其自己的阳极集流器连接。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的单元，其特征在于，所述单元包括至少两个阳极，所述至少两个阳极与公共阳极集流器接触。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的单元，其特征在于，所述定位装置包括至少一个浮动支撑件，诸如浮标。

10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的单元，其特征在于，所述定位装置包括附接装置和固定支撑件，诸如杆。

11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的单元，其特征在于，所述定位装置被布置为将所述阴极定位成与周围介质的表面接触。

12.一种微生物燃料电池布置，包括至少两个根据权利要求1至11中任一项所述的微生物燃料电池单元。

13.根据权利要求12所述的布置，其特征在于，每个单元与至少一个其它单元物理连接，优选可拆卸地连接。

14.根据权利要求12或13所述的布置，其特征在于，每个单元包括阳极集流器和阴极集流器，并且所述阳极集流器和所述阴极集流器彼此电连接。

15.根据权利要求12或13所述的布置，其特征在于，单元的阴极连接到公共阴极集流器，并且所述单元的阳极连接到公共阳极集流器。

16.根据权利要求12或13所述的布置，其特征在于，每个单元包括阳极集流器或阴极集流器，并且单元的阴极连接到公共阴极集流器或所述单元的阳极连接到公共阳极集流器。

17.一种根据权利要求1-11中任一项所述的微生物燃料电池单元的用途，用于处理周围介质，所述周围介质是包括天然水，诸如河流、湖泊、池塘和废水的水体。

18.一种根据权利要求1-11中任一项所述的微生物燃料电池单元的用途，用于处理周围介质，所述周围介质是选自生活废水的废水；市政或农业废水；来自选自纸浆和造纸、石油和天然气、采矿、食品或饮料、医药制造、纺织制造、化学制造、电力生产、商品或电子制造、医疗废弃物的工业过程的污水。