微生物燃料电池的研究进展

山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期）

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课程名称：高等环境微生物

论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）：

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山西大学研究生学院

2014年月日

微生物燃料电池的研究进展

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摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电

池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。

介绍了几种主要的燃料电池细菌。

关键字微生物燃料电池

随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。

利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1]

纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。

1.微生物燃料电池的工作原理和分类

微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]：

阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+

阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O

一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。

根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。

所谓直接是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极；但如果燃料是在电解液中或其他处所反应，而电子则通过电子传递中间体传递到电极上就称为间接微生物燃料电池。

图1。微生物燃料电池结构示意图

2.间接微生物燃料电池

理论上讲，各种微生物都可能作为这种微生物燃料电池的催化剂。经常使用的有普通变形菌[6]、枯草芽孢杆菌[6]和大肠埃希氏杆菌[7]等。尽管电池中的微生物可以将电子直接传递至电极，但电子传递速率很低。微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此微生物燃料电池大多需要电子传递中间体促进电子传递。电子传递中间体应具备如下条件[8]：(1)容易通过细胞壁；(2)容易从细胞膜上的电子受体获取电子；(3)电极反应快；

(4)溶解度、稳定性等好；(5)对微生物无毒；(6)不能成为微生物的食料。一些有机物[9]和金属有机物可以用作微生物燃料电池的电子传递中间体，其中较为典型的是硫堇[7]、

Fe(III)EDTA[10]和中性红[10]等。

电子传递中间体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中最主要的是电子传递中间体的氧化还原速率常数(而它又主要与电子传递中间体所接触的电极材料有关）。为了提高其氧化还原反应的速率，可以将两种电子传递中间体适当混合使用，以期达到更佳效果。例如对从阳极液Escherichia coli(氧化葡萄糖)至阳极之间的电子传递，当以硫堇Fe(III)EDTA混合用作电子传递中间体时，其效果明显比单独使用其中任何一种要好得多。尽管两种电子传递中间体都能够被Escherichia coli还原，且硫堇还原的速率大约是Fe(III)EDTA的100倍，但还原态硫堇的电化学氧化却比Fe(II)EDTA的氧化慢得多。所以，在含有Escherichia coli的电池操作系统中，利用硫堇氧化葡萄糖(接受电子)，而还原态的硫堇又被Fe(III)EDTA 迅速氧化。最后，还原态的整合物Fe(II)EDTA通过Fe(III)EDTA／Fe(II)EDTA电极反应将电子传递给阳极[11]。类似的还有用Bacillus氧化葡萄糖，以甲基紫精(Methyl Viologen，MV )和2一羟基一1，4萘琨(2一Hydroxyl一1，4-naphthoquinone)或Fe(III)EDTA 作电子传递中间体的微生物燃料电池。

为了将微生物燃料电池中的生物催化体系组合在一起，需要将微生物细胞和电子传递中间体共同固定在阳极表面。然而，微生物细胞的活性组分往往被细胞膜包裹在细胞内部，而电子传递中间体则又被吸附在细胞膜表面，因而无法形成有效的电子传递，很难实现共同

固定。有机染料中性红是公认的一种具有活性的、能实现从Escherichia coli传递电子的电子传递中间体。它可通过石墨电极表面的羧基和染料中的氨基共价键合实现固定化，在厌氧条件下与电极键合的染料能促使微生物细胞与电极之间的电子传递，表明只有那些能到达电极表面的细菌才具有导电性。

微生物细胞在多种营养底物存在下可以更好地繁殖、生长。研究结果证明，通过几种营养物质的混合使用能够提供更高的电流输出，故Kim 等[12]提出，改变碳的来源以使微生物产生不同的代谢有可能使微生物燃料电池达到更大的功率。

3.直接微生物燃料电池

电子传递中间体大多有毒且易分解，这在很大程度上阻碍了微生物燃料电池的商业化进程。近年来，人们陆续发现几种特殊的细菌，这类细菌可以在无电子传递中间体存在的条件下直接将电子传递给电极，在闭合回路下产生电流。另外，从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。

3.1腐败希瓦菌燃料电池

腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)是一种还原铁细菌，在提供乳酸盐或氢之后，无需电子传递中间体就能产生电。最近，Kim[13]等采用循环伏安法来研究S.putrefaciens MR-l，S.putrefaciens IR-1和变异型腐败希瓦菌S.putrefaciens SR-21的电化学活性，并分别以这几种细菌为催化剂，乳酸盐为燃料组装微生物燃料电池。发现不用电子传递中间体而直接加入燃料后，几个电池的电势都有明显提高。其中S.putrefaciens IR-1的电势最大，可达0．5 V，当负载1kΩ的电阻时，它有最大电流，约为0．04 mA。位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还原性能，可在电子传递的过程中起到电子传递中间体的作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在电子传递中间体对细胞膜的渗透问题，从而可以设计出无电子传递中间体的高性能微生物燃料电池。进一步研究发现，电池性能与细菌浓度及电极表面积有关。当使用高浓度的细菌(干细胞0．47g/L)和大表面积的电极时，会产生相对高的电量(12h产生3C)。

3.2Geobacteraceae sulferreducens燃料电池

已知Geobacteraceae属的细菌可以将电子传递给诸如Fe(III)氧化物的固体电子受体而维持生长。将石墨电极或铂电极插入厌氧海水沉积物中，与之相连的电极插入溶解有氧气的水中，就有持续的电流产生。对紧密吸附在电极上的微生物群落进行分析后得出结论，Geobacteraceae属的细菌在电极上高度富集。由此可知，上述电池反应中电极作为Geobacteraceae属细菌的最终电子受体．Bond等[14]发现，G．suZferreducens可以只用电极作电子受体而完全氧化电子供体，在无电子传递中间体的情况下，它可以定量转移电子给电极。这种电子传递归功于吸附在电极上的大量细胞，电子传递速率[0．2l～1．2 umol/(mg．rain)，电子/蛋白质]与柠檬酸铁作电子受体时E0=+0．37v)的速率相似，电流产出为65mA/m2，比Shewanella putrefaciens电池的电流产出(8mA/m2)高很多。

3.3Rhodoferax ferrireducens燃料电池

马萨诸塞州大学的研究人员发现一种微生物能够使糖类发生代谢，将其转化为电能，且转化效率高达83％[15]。这是一种氧化铁还原微生物R．ferrireducens，它无需催化剂就可将电子直接转移到电极上，产生电能最高达9．61x10~ kW／mz。相比其他直接或间接微生物燃料电池，R．ferrireducens电池最重要的优势就是它将糖类物质转化为电能．目前大部分微生物电池的底物为简单的有机酸，需依靠发酵性微生物先将糖类或复杂有机物转化为其所需小分子有机酸才能利用，而R.ferrireducens可以几乎完全氧化葡萄糖，大大推动了微生物燃料

电池的实际应用进程。进一步研究表明，这种电池作为蓄电池具有很多优点：(1)放电后充电可恢复至原来水平；(2)充放电循环中几乎无能量损失；(3)充电迅速；f4)电池性能长时间稳定。

4.微生物燃料电池的应用实例

4.1单一反应槽微生物燃料电池

单一反应槽微生物燃料电池是一个圆柱形的树脂玻璃密闭槽，里面装有8根阳极石墨棒，它们围绕着一根阴极棒，密闭槽中间以质子交换膜间隔。密闭槽外部以铜线组成的闭合电路，用作电子流通的路径。当污水被注入反应槽后，细菌酶将污水中的有机物分解，在此过程中释放出电子和质子。其中，电子流向阳极，而质子则通过槽内的质子交换膜流向阴极，并在那里与空气中的氧以及电子结合，生成干净的水，从而完成对污水的处理。与此同时，反应槽内阳极和阴极之间的电子交换产生了电压，使该设备能够给外部电路供电。

单一反应槽是微生物燃料电池设计的创新。大部分燃料电池的设计以2个反应槽为主——分别为阳极槽和阴极槽，在阳极槽中以厌氧方式维持微生物生长；阴极槽中则需维持在有氧环境下，使电子与氧结合并且与质子形成水分子。而单一反应槽以质子交换膜连接两槽，其功能不仅可分开两槽水溶液，还可以避免氧气扩散至另一槽内。两槽式的电解槽，需以外力方式提供溶氧至阴极，而单一槽微生物燃料电池可以连续注水方式将空气带入阴极，从而减少通氧设备的花费。

尽管目前该设备的能量输出相对较低，但相信经过科研工作者的技术改进，它最终能用来处理工农业中的废水和废物，也可以用在食品加工厂甚至载人航天器内。

4.2持续进料的上流型微生物燃料电池（UMFC）

2006年，美国华盛顿大学的研究人员表示，华盛顿大学的化学工程助理教授Lars Angenent博士与华盛顿大学环境工程科学项目的1名成员共同设计了一种持续进料的上流型微生物燃料电池(UM—FC)。这种装置的反应槽中有1个价格低廉的U形质子交换膜，它将阳极和阴极分隔开来。污水从底部进入系统反应槽，然后通过1个装满活性炭颗粒的圆桶被不断地送上来，废水中含有的有机物，可为细菌群提供丰富食物，让它们得以生存和繁衍，这些细菌在电池阳极电极上形成生物膜，同时在食用废水中的有机物向阳极释放电子，电子通过与阳极和阴极相连的铜导线移动到阴极，废水中的质子则穿过质子交换膜回到阴极，与电子和氧原子结合生成水。而电子在导线中的运动过程就形成了人们所需要的电流。U型质子交换膜的安装，增加了质子交换膜的面积，缩短了两极距离，因此降低了因阻力引起的能耗，使电池发电能力提高了10倍，每立方米溶液的发电量从3 w 增加到了29 w。若功率输出能再增加10倍，那么这种微生物燃料电池系统便可广泛应用于食品工业和农业。

5.现阶段微生物燃料电池的几个研究方向

第一个研究方向：用于MFC 的微生物的研究。自泥土杆菌科的微生物用于海底沉积物的能量利用得到研究，研究者对于通过MFC微生物的研究来提高MFC 效率研究取得了一系列突破，包括：(1)直接研究成果。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌(Geobacter sulfurreducens)等微生物可以吸附于电极上并长时间保持活力，从而氧化有机质并使电极从一个电极转移至另一电极，进而有效地增强MFC 的效率[16]。(2)MFC微生物的选择及其电子传递机制。重要成果有2004年关于自我调节电子传递(包括直接的细菌传递和氧化还原物质的分泌)的微生物

群落(包括吸附和悬浮微生物)的筛选研究，即判断细菌群落是否有产出高能量的能力，是否适合于发电[17]。(3)对产电细菌群及其在MFC 上应用的总结[18]。

第二个研究方向：质子交换膜(PEM)设计的改进，主要分为两种思路：(1)廉价PEM或无膜反应系统的开发。在无介质MFC的研究中，研究者发现利用Rhodoferax ferrireducens等微生物直接氧化葡萄糖可以稳定、长时间地发电[19]。之后的研究也表明，低成本的MFC需要无PEM膜和直接氧化转移至碳阴极的系统设计。空气阴极单室MFC发电系统即可实现这一点[20]。(2)质子传递系统效率的改进。对管道式-单室-连续MFC的研究表明，提高MFC效率的重点并不是电子受体的改进，而是：①非快速生物降解材料的转化率提高；②从阳极到阴极的导向效率提高；③可连续使用的、空气阴极的使用[17]。

第三个研究方向：阴极、阳极材料的改进，以及电极空间的开发。理论上，利用溶解氧的阴极电压可以达到804mV(基于NHE)[21]。对Pt、Co等新型复合材料在MFC上的应用则表明，重要研铁-丁醇酞菁(FePc)和CoTMPP作为阴极材料的应用[22]、多孔阳极和还原电极空间可以使连续平流MFC的产能提高[23]，阴极结构的改进[23]也能实现这一目标。此后，研究者注意到，MFC产能提高，需要有高度特异性的表面(较小的体表面积比)和防生物淤积的结构[24]，而石墨纤维刷阳极正符合了这一要求，可以用于MFC系统的升级：石墨纤维刷阳极-空气阴极作为电极在MFC 应用中效率较高。在此基础上，管状膜阴极和生物膜阳极的设计和应用、无膜MFC升级中的电极空间因素等方面的研究不断取得突破。

第四个研究方向：MFC的交叉应用，主要包括废水处理、工业生物技术副产品的应用。例如，研究者发现基于MFC的生物反应器可以有效地处理废水，低运行成本，实现经济和环保的双重效益。除废水处理外，MFC在发酵终产品中的应用也得到了研究。对乙酸和丁酸盐等的研究表明，MFC可以用于发酵终端可溶性终产品的发电[25]，这说明MFC在发酵工业的副产品处理中可能发挥重大作用。因此，对废水、工业废弃物或者副产品的综合利用与MFC相结合，可能是MFC商业化应用的首要途径；同时，将甲壳素20、甲壳素80、纤维素粉末等不同材料、不同尺寸的微粒底物添加于反应槽中，也可能是促进MFC应用的必要途径。

6.微生物燃料电池的应用前景

虽然微生物燃料电池的输出功率尚不能满足实际生产的需要，但原料广泛、操作条件温和、资源利用率高和无污染等优点，吸引了能源、环境、航天等各方面的广泛关注。节约能源、净化环境、废水处理以及生物传感器都会对未来社会产生深远影响，甚至在科幻电影中以天然食物为能源，可以通过“吃饭”来补充能量的机器人和汽车也将成为现实。这些梦幻般的画面时刻激励着世界各国的科研工作者们为实现这一目标而奋斗。因此，微生物燃料电池的研究必将得到更快的发展。

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Advances in microbial fuel cells

Abstract: Microbial fuel cells as a renewable energy source is a hot topic of the moment. This article from the microbial fuel cell origin, principle, classification, research direction, prospects and other aspects of microbial fuel cells made a general overview. Describes several main fuel cell bacteria.

Keyword microbial fuel cell

微生物燃料电池的意义

1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1

微生物燃料电池电极材料的研究进展.

微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.doczj.com/doc/752832426.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。

微生物燃料电池应用现状及发展前景

微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理，介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器，水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理

生物燃料电池的研究进展_宝玥

第10卷　第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10　No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝　王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要:　简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词:　生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号:　T M911.45 文献标识码:　A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 　阳极反应　C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 　阴极反应　6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.doczj.com/doc/752832426.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001

微生物燃料电池

微生物燃料电池 12级新能源材料，程妮，学号106 微生物燃料电池(microbial fuel cells ，MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物反应器。自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs 的研究一直在进行，但进展缓慢。直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs 的研究获得了突破性进展。目前，MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。 一、原理 微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。如图所示为 MFCs 的工作原理示意图。 典型反应如下：阳极：C 6H 1206+6H 20一 6C02+24H ++24e - 阴极：602+24H ++24e -一一12H 20 二、微生物燃料电池的结构 微生物燃料电池主要有三种结构类 型，即单室结构、双室结构和填料式结构。［1］ (一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。单室的功率密度为480～492mW ／m 2，单室MFCs 无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。 (二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室，中间由PEM 或盐桥连接。双室的功率密度为38～42mW ／m 2。 MFCs 从外形上又分为平板型和管

燃料电池汽车的动力传动系统设计

燃料电池汽车的动力传动系统设计 1引言 燃料电池汽车是电动汽车的一种。 燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动 机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动 ，就可使车辆在路上行驶，燃料电池的能量转 换效率比内燃机要高 2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 ，因此燃料电池车 辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求 ，汽车动力系统将从现在以汽油等化 石燃料为主慢慢过渡到混合动力 ，最终将完全由清洁的燃料电池车替代。 近几年来，燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制 造厂，如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电 池汽车，并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略目标。 目前，燃料电池轿车的样车正在 进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本 田的FCX Clarity 最高时速达到了 160 km/h[8];丰田燃料电池汽车 FCHV-adv 已经累计运行 了 360,000 km 的路试,能够在零下37度启动，一次加氢能够从大阪行驶到东京 （560公 里）。 在我国科技部的支持下，燃料电池汽车技术得到了迅速发展。 2007年，我国第四代燃料电池 轿车研制成功，该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km 。2008年,20燃料电池示范 汽车又 在北京奥运进行了示范运行。 2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有 196辆燃 料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。 燃油绘济性 排放环保 l ;uel economic exhaust eih ironmen(al protection Internal combustion engine Shori peicxl Mid peitxl Long pei

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹

摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展

1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人

微生物燃料电池简介

微生物燃料电池简介 摘要：微生物燃料电池是一种新型的能源装置，具有污废弃物处理与同步产电的优点，应用范围广，具有巨大的潜在应用价值，本文对其做了一个简要的介绍。 关键词：微生物燃料电池污水处理产电 前言：微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置，兼具处理废水与产电的功能，从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1]；但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池，这种电池可为宇宙飞船提供电能，但其发电效率较低；到2004年，废水首次被用作MFC的燃料来发电，并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中，MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中，MFC的规模在逐步扩大。目前，实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升，产电功率已达到2.8kW m-3。近年来，对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成：阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂，以阳极液中的有机物质作为燃料，利用微生物降解生物质，从而产生电子，产生的电子到达阳极，由阳极转移到外电路，最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子，产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程，产生电能。当外电路接入负载时，MFC 产生的电能足够多时，MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同，MFC的分类方法有所不同。 （一）根据不同类型的微生物，MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 （二）依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 （三）根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 （四）根据反应器外观上的不同可分为：双极室MFC和单室MFC。

微生物燃料电池的研究进展

山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日

微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。

铝空气电池研究现状与发展趋势

铝空气电池研究现状与发展趋势 铝空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。作为一种特殊的燃料电池，铝空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。 金属空气电池概述 锂离子电池拥有较高的比能量，是目前研究较成熟且已经大规模商用的二次电池，但是近几年来，面对移动电子设备和电动汽车等领域的巨大发展，锂离子电池已难于满足其大容量的需求，特别是对能源依赖性很强的动力电池体系。因此，拥有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生，比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。 由于这类电池的正极活性物质主要来源于空气中的氧气，理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量主要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量。 其中，铝空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。作为一种特殊的燃料电池，铝空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。 铝空气电池结构和原理 从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：

（1）比能量高。铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到8100Wh/kg 目前研发的产品已经能达到300-400Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。 （2）比功率中等。由于空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电时极化很大，导致电池的比功率只能达到50-200W/kg。 （3）使用寿命长。铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。 （4）无毒、无有害气体产生。电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al2O3˙nH2O，可用于干燥吸附剂和催化剂载体、研磨抛光磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。 （5）适应性强。电池结构和使用的原材料可根据实用环境和要求而变动，具有很强的适应性。 （6）电池负极原料铝廉价易得。相比于其他的金属，金属铝的价格比较低，金属阳极的制造工艺比较简单。 铝阳极（负极） 铝（Al）是一种理想的电极材料，金属铝的理论能量密度为8.2W˙h/g，在常见金属中，仅次于锂的13.3W˙h/g，电极电位较负，是除金属锂以外质量比能量最高的轻金属电池材料。铝空气电池的质量比能量实际可以达到450Wh/kg，比功率达到50~200W/kg。具有理论容量高、消耗率低、质量轻、电位负、资源丰富及易于加工等优点，得到广泛研究。 但是由于铝是一种很活泼的两性金属，目前铝阳极的发展还受到以下几个问题的影响。 （1）铝表面有一层钝化膜，影响了铝的电化学活性。 （2）铝是一种两性金属元素，这就决定了它在强碱性环境下易析氢腐蚀，影响电极电位，产物浮着在电解液中影响整个电化学反应的进行。 （3）空气电池独特的半开放的体系，使空气电极容易受到外界湿度的影响，发生铝阳极的“淹没”或“干涸”，甚至“爬碱”或“漏液”，现象从而对整个空气电池的结构造成破坏。为了解决上述问题，国内外学者从以下三个方面进行了研究： 1、铝阳极合金化 工业级铝（99.0%）含有较多的杂质，如铁（0.5%）、硅、铜、锰、镁和锌等，会使相界面处铝的析氢腐蚀加剧，特别是铁会与铝形成局部原电池，导致电化学腐蚀成倍增加。可向铝中加入既能提高化学活性、又可提高耐腐蚀性的合金成分。

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹

摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商

浅谈微生物燃料电池研究进展

2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.doczj.com/doc/752832426.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。

燃料电池的建模仿真

燃料电池的建模仿真 虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具 燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。 图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。 如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。 在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。

微生物燃料电池

微生物燃料电池 1.引言 能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。经济发展的同时，能源消耗也在急剧增长，而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。寻找新型能源，实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。清洁能源的发展则成为解决问题的关键。与此同时，不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。 微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。首先，微生物电池的燃料来源比较多样化，如多种有机无机材料，甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能，净化环境。其次，微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入，满足环境友好型电池的需求。此外，微生物燃料电池的能量转化效率非常高，可以发展成长效、低廉的能量系统；加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作，实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。 微生物燃料电池的发展历史中，经历了几次重大进步。1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，首次实现了微生物产电，从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。20世纪80年代，细菌发电取得重大进步，随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高，其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。2002年以后，微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段，研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池，也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。近年来，微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。 2.微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置，能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物，并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。原理如图1所示[3]。微生物燃料电池中，氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极，电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极，而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极，在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。

沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展

科 技 天 地 66 INTELLIGENCE ??????? ?????????????????沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展 辽宁广播电视大学丹东分校 冯 雁 摘 要：近年来微生物燃料电池技术在国外接连取得突破性研究成果，并迅速成为新概念废水处理的热点。介绍了微生物燃料电池技术的原理和特点，系统综述了该项技术的研究进展，重点总结了在微生物、介体与电极材料研究等方面的最新研究进展，分析了存在的问题，在此基础上指出微生物燃料电池技术研究的重点突破方向。 关键词：微生物 燃料电池 废水处理 当今世界，减少污染物排放量和对化石类燃料的依赖是可持续发展力求达到的两个目标。微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）技术为在污水处理领域实现这两大目标提供了可能。微生物燃料电池（MFCs）是一种特殊的燃料电池，它以微生物作为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。研究表明，MFCs 不仅可以利用乙酸盐等物质作为燃料持续稳定地产生电流，也可利用各种有机污染物为燃料。当阳极室利用厌氧污泥接种，采用有机污染物为燃料时，电池就能在发电的同时降解污染物，达到经济和环境的双赢，这为有机废水的资源化提供了新思路，具有重大的实际意义。 MFCs 是一种通过微生物的新陈代谢活动能使化学能转化为电能的生物电化学系统（BESs）。由于它们独特的特点和在污水处理方面的应用，BESs 的应用领域正在不断地增大。 一、微生物燃料电池的发展及其分类 1911年，英国植物学家Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。之后40多年，占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质通入燃料电池发电。 从20世纪60年代后期到70年代，直接生物燃料电池逐渐成为研究的中心。进入80年代后，对于生物燃料电池的研究活跃起来。90年代初，我国也开始了该领域的研究。MFCs 按照使用催化剂形式的不同，可以分为微生物燃料电池和酶燃料电池。前者利用整体微生物中的酶，而后者对酶直接利用。根据电子转移方式的不同还可分类为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池。直接生物燃料电池的燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应；而在间接生物燃料电池中，燃料并不在电极上反应，而是在电解液中或其它地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。另外，也有人用生物化学方法生产燃料（如发酵法生产氢、乙醇等），再用此燃料供应给普通的燃料电池。这种系统有时也被称为间接生物燃料电池。 二、介体的改进 在MFCs 中，电子由微生物内部转移到阳电极需要经过微生物细胞膜，细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以直接穿过，需要氧化还原载体作为电子介体传递。因此电子介体的数量和性质成为限制MFCs 是产电效率的一个重要 因素。 理想的介体应具有下列特性：1、能够被生物催化剂快速还原，并在电极上被快速氧化；2、在催化剂和电极间能快速扩散；3、氧化还原电势一方面要足以与生物催化剂相偶合，一方面又要尽量低以保证电池两极间的电压最大；4、在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。典型的电子介体包括中性红、劳氏紫、硫瑾类、吩嗪类等。一些研究者认为适宜条件下，微生物体系本身可以产生电子介体，如Daniel 等发现发酵酸杆菌产电中电子转移节制的证据。Rabaey 等研究发现向MFCs 阳极转移电子能够通过绿脓菌素和吩嗪－1－羧基酰胺实现。 由于常用介体价格昂贵，并可能对环境产生毒害。近年开展了大量对无介体MFCs 的研究。无介体MFCs 中的嗜阳极微生物可分为两种：一种是吸附在阳极上，通过细胞膜进行电子传递的微生物，如S。putrefaciens。这类细菌的细胞外膜上存在具有良好氧化还原性能的细胞色素，可帮助电子传递。另一种是可以分泌溶解性物质并利用它作为电子介体，如Pseudomonas aeruginosa。最近的研究表明，这些由微生物分泌的电子介体参与细胞外电子传递，并可以极大提高MFCs 的性能。 三、结语及展望 沉积物微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但是相关的研究还处于基础阶段。因此还需要在以下几个方面进行深入研究，推动其工程化的应用： 1、导电性能优良的立体化微生物燃料电池阳极研究。开发新型的立体化电极，并采用化学修饰来增强阳极生物亲和性和导电性，提高固定有效产电微生物的量和微生物向电极传导电子的能力。 2、高效廉价的微生物燃料电池生物阴极研究。通过选择导电性能优良的材料，通过一定的方式使其表面产生生物膜来提高氧还原速率。 3、加强淡水沉积物微生物燃料电池的研究。近年来淡水资源的污染已严重影响到人们的生活，而MFCs 所展现的优点可以应用于其污染治理。并可通过深入研究生态工程和沉积物微生物燃料电池的协同作用来提高其修复速率。 4、应用物理和生物方式，加快沉积物中有机物向阳极的传递，以提升MFCs 工艺运行效果。