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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型。
以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。
生物燃料电池原理和性能评估报告1. 引言生物燃料电池（Biofuel cells）是一种基于微生物活性转化底物产生电能的装置，是可再生能源领域的热门研究方向之一。
本报告将详细介绍生物燃料电池的原理和性能评估。
2. 生物燃料电池原理生物燃料电池的原理是利用微生物（例如细菌、酵母等）的代谢活动将底物氧化成电子，并通过电子转移链将电子传递到电极，从而产生电能。
通常，生物燃料电池分为两类：微生物燃料电池和酶燃料电池。
2.1 微生物燃料电池微生物燃料电池利用微生物的代谢活性将底物氧化成电子的过程。
通常，微生物燃料电池由阳极和阴极两个电极组成。
阳极为生物阳极，微生物在其上代谢底物产生电子和质子；阴极为电力阴极，接收阳极电子和质子，并与氧气发生反应。
2.2 酶燃料电池酶燃料电池使用特定酶作为催化剂，将底物氧化成电子。
酶燃料电池的阳极和阴极与微生物燃料电池相似，但阳极上的催化剂为酶，而不是微生物。
3. 生物燃料电池性能评估为了评估生物燃料电池的性能，需要考虑以下几个方面：3.1 功率密度功率密度是衡量生物燃料电池输出功率的重要指标。
通过改变电极材料、优化微生物株系或选择更高效的酶催化剂，可以提高生物燃料电池的功率密度。
3.2 能量转换效率能量转换效率是衡量生物燃料电池能量利用率的指标。
有效利用底物产生电能，同时减少能量损失是提高能量转换效率的关键。
研究人员可以通过改进微生物培养条件、优化电极设计和改良电解质来提高能量转换效率。
3.3 底物适应性生物燃料电池的底物适应性是指不同种类底物对生物燃料电池性能的影响。
研究人员需要评估生物燃料电池在不同底物条件下的性能，以确定其在实际应用中的适应性和稳定性。
3.4 循环寿命循环寿命是指生物燃料电池在长时间运行中的稳定性和耐久性。
通过优化电极材料、改进微生物培养条件和设计合理的电池结构，可以提高生物燃料电池的循环寿命。
4. 生物燃料电池应用前景生物燃料电池具有许多潜在的应用前景，包括生物传感、可穿戴设备和微型能源装置等。
微生物燃料电池原理与应用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物氧化有机物产生电能的装置。
它基于微生物的电化学反应来产生电力，将化学能直接转化为电能。
微生物燃料电池的原理是通过利用微生物的代谢作用将有机废物（如人类粪便、废水等）中的化学能转化为电能，实现能量回收和减少污染物的排放。
该技术有着巨大的潜力，能够广泛应用于废水处理、能源生产和环境保护等领域。
微生物燃料电池中的关键组成部分是阳极和阴极。
阳极是微生物活动的场所，它提供了一个良好的电子传递通道。
通常情况下，阳极材料是由导电性好的物质构成，如碳纳米管、碳纳米颗粒等。
阴极则是电子和氧气进行还原反应的场所，它常常使用氧化剂（如氧气或氯离子）来参与电子转移反应。
阳极和阴极之间的电子传递通过外部电路完成，从而产生电能。
微生物燃料电池的关键是利用微生物的代谢作用。
在阳极的表面，微生物通过氧化有机物来产生电子和质子。
微生物中的电子经过阳极材料传递到外部电路中去，形成电流。
同时，微生物释放质子到电解质中去。
质子在电解质中通过离子交换膜传递到阴极处与氧气结合，还原发生的氧化反应，并接受电子，形成水。
这个过程实际上是微生物通过氧化有机物来释放能量，将化学能转化为电能。
这个电能可以直接用来驱动负载，如电灯、泵浦等。
微生物燃料电池的应用非常广泛。
一方面，它可以作为一种有效的废水处理技术。
通过将微生物燃料电池应用于废水处理厂，可以不仅处理废水中的有机物，还能够产生电能。
这就在一定程度上实现了能源回收和环境保护的双重效果。
另一方面，微生物燃料电池还可以应用于能源生产。
有机废物广泛存在于农村、城市和工业生产中，通过利用微生物燃料电池来转化这些有机废物为电能，可成为一种可再生能源来源。
此外，微生物燃料电池还可以应用于生物传感器和无源传感器等领域。
尽管微生物燃料电池具有广泛的应用前景，但目前仍然有一些挑战需要克服。
首先，阳极材料的选择和优化对微生物燃料电池的性能至关重要。
新型化学电源生物燃料电池及其发展前景摘要：微生物燃料电池是以微生物为催化剂，通过降解有机物将化学能转化成电能的一种新型发电装置。
它能够利用废弃物和生活垃圾等生物资源进行发电，还能有效地处理废水，并能从实际的可生物降解的有机物中生物制氢，为有效获取氢能开辟了新途径，在环境保护和新能源开发等领域具有广阔的应用前景，因此成为上述领域当前的研发新热点1.生物燃料电池简介1.1、生物燃料电池定义所谓的生物燃料电池(Biofuel cell)，就是按照燃料电池的原理，利用生物质能将有机物(如糖类等)中的化学能直接转化成电能的一种电化学装置。
1.2、生物燃料电池分类目前有人将生物燃料电池分为间接型和直接型两种。
在间接型生物燃料电池中，由水的厌氧酵母或光解作用产生氢等电活性成分，然后在通常的氢- 氧燃料电池的阳极上被氧化。
在直接型生物燃料电池中，有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物根据电池中使用的催化剂种类，可将生物燃料电池分为微生物燃料电池和酶燃料电池两种类型。
1.3、两种生物燃料电池工作过程简介典型的微生物燃料电池由阳极室和阴极室组成，质子交换膜将两室分隔开。
它的基本工作原理可分为四步：(1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子；(2) 介体捕获电子并将其运送至阳极；；(3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室；(4) 氧气在阴极接收电子，发生还原反应。
酶燃料电池：葡萄糖在葡萄糖氧化酶和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，再经外电路到阴极。
双氧水得到电子，并在微过氧化酶的作用下还原成水。
2 MFC 的工作原理典型的微生物燃料电池（M F C ）微生物燃料电池工作原理图由阴极区和阳极区组成，两区域之间由质子交换膜分隔。
MFC 的工作原理是：在阳极表面，水溶液或污泥中的有机物，如葡萄糖、醋酸、多糖和其他可降解的有机物等在阳极微生物的作用下，产生二氧化碳、质子和电子。
微生物燃料电池微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
目录物质解析分类介体性能参数进展物质解析依据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。
所谓直接的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，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；假如燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。
依据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。
分类介体向微生物燃料电池中添加的介体重要有两种：第一类是人工合成的介体，重要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。
这些介体必需充足肯定的条件：（1）能穿透进入微生物的细胞内发生氧化反应；（2）特别简单得电子；（3）在被还原之前能快速离开微生物细胞；（4）在阳极表面有很好的电化学活性；（5）稳定性好；（6）在阳极电解液中是可溶的；（7）对微生物没有毒性；（8）不会被微生物代谢掉。
第二类是某些微生物自身可以合成介体，如PseudomonasaeruginosastrainKRP1能够合成绿脓菌素和吩嗪—1—甲酰胺等物质，它合成的介体不光本身可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介体传递电子。
作用原理参加传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：（1）微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；（2）介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；（3）微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。
优势与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的全部生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，由于它所产生的废气的重要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，由于若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来充足我们对能源需求的燃料的多样性。
微生物燃料电池骆沁沁20914133摘要：微生物燃料电池以微生物作为催化剂，直接把化学能转化为电能，具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好等优点。
本文简述了微生物燃料电池的工作原理及其最新的研究进展：主要是无介体微生物燃料电池的研究和高活性微生物的选用。
最后对微生物燃料电池的发展方向作出展望。
关键词：微生物燃料电池原理研究进展Abstract: Microbial fuel cell is a device converting chemical energy into ele ctrical energy directly with the microbial-catalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction and good biology consistence. After the principles of microbial fuel cell introduced briefly, the research progress was reviewed. Researching mediator-less microbial fuel cell and high-activity microbial are the new direction in the study of microbial fuel cell. At last, the prospects of microbial fuel cell were described.Key words: microbial fuel cell, principles, the research progress1 前言近些年来，化石燃料（煤、天然气、石油）的使用量逐年大量递增，据国内外学者统计，化石燃料的储备量仅能提供全球未来250年的能源使用，这引起了全球性的能源危机。
因此，科学家一直在积极开发新能源。
而生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。
但就目前而言，在我国，对于生物质能源技术开发进展缓慢，成熟技术少；缺乏行业标准，管理混乱；规模小，设备差，效益低。
研究发现，生物燃料电池是一种能量转化效率极高的装置。
当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。
生物燃料电池具有以下优点：（1）不受卡诺循环限制，能量转换效率高；（2）洁净、无污染、噪声低；（3）模块结构、积木性强，比功率高。
既可以集中供电，也适合分散供电。
生物燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效、清洁发电方式洁净新能源，有绿色能源之称，它的最大特点是燃烧或使用后不造成环境污染，有利于维持生态平衡。
近年来由于能源的日益紧张、人们环境问题的日趋重视，生物燃料电池己逐渐成为一个充满发展前景的研究领域。
2 生物燃料电池特点生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的装置。
生物燃料电池不仅在理论上具有很高的能量转化效率，同时它还有着一些自身的特点[1]：(1)原料广泛。
生物燃料电池可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可以利用光合作用或直接利用污水等[4]，使得利用废水发电成为可能。
同时有研究表明，利用生物燃料电池去处理有机废水，其处理效率要高于常规生物处理法，而微生物增长量却要小于后者，这对于从源头上控制污泥产生量，真正在污水处理装置中实现污泥减量化具有重要的指导意义[10]。
(2) 操作条件温和。
由于使用酶或微生物作为催化剂，在近中性的常温、常压条件下工作。
电池维护成本低、安全性强。
(3) 具有生物相容性。
利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的微型电源。
3 微生物燃料电池工作原理及分类生物燃料电池按照催化剂的不同，大体上分为：微生物燃料电池和酶燃料电池。
生物燃料电池的构造如图一所示，燃料（葡萄糖等)于阳极室在催化剂（酶、微生物等)作用下被氧化，电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物（一般为氧气)在阴极室得到电子被还原。
在微生物燃料电池中使用微生物作为生化反应活性单元。
这类电池电流来源可分为三类：a.微生物通过发酵和新陈代谢产生电化学活性物质，这些电化学活性物质传统燃料电池的阳极上被氧化释放出电子和质子。
b.电子媒介体在微生物生化反应部位和电极间往返运送电子。
介体分子在微生物细胞内被还原，在燃料电池的阳极上被氧化释放出电子和质子。
c. 通过微生物细胞与电极的直接接触将氧化有机物代谢所释放的电子通过胞外酶或色素直接传递给电极。
图一微生物燃料电池原理图在第一类微生物燃料电池中，最典型的就是利用生物产氢作为常规氢氧燃料电池的氢源。
各种细菌和藻类如Escherichia coli，Enterobacter aero—genes，c．butyricum，Clostridi acetobutylicum和Clostridium perfringens等等在厌氧条件下均能发酵产氢[3]。
C．butyricuⅢ被认为是产氢效率最高的细菌。
在理论上，细菌每氧化1mol葡萄糖便可产生4mol氢气，但事实上生成的氢气只有理论值的25%。
因此，通过遗传工程技术和筛选新的产氢菌改进氢气的产率对这一类燃料电池的发展非常重要。
第二类微生物燃料电池利用一些具有生物活性的氧化还原介体架起了微生物细胞与电极之间电子传递的桥梁。
微生物细胞中电活性基团即酶的氧化还原活性中心存在在微生物细胞中，由于细胞膜的电绝缘导致了在细胞和电极间很难起直接的电子传递。
可是，在介体的帮助下，细胞和电极表面之间可以像使用电线一样连接起来，形成电子通路。
用于这类微生物电池的有效电子传递介体，应该具备以下特性：1．介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分，还原态易于传过细胞膜而脱离细胞。
2．其氧化态不干扰其他的代谢过程3．其氧化还原电位要与生物体电子传递链的氧化还原电位相匹配4．其必须是化学稳定的，可溶的，并且可在细胞和电极表机均不发生吸附5．其在电极上的氧化还原反应速率非常快，且有很好的可逆性第三类微生物燃料电池中，金属还原细菌利用其胞外酶或色素将电极作为末端电子受体直接将代谢过程中产生的电子传递给电极。
4 微生物燃料电池研究进展微生物燃料电池最初的构想由燃料电池而来。
英国人w．Grove早在1839年就提出了氢和氧反应可以发电的原理，也就是最早的氢一氧燃料电池(FC)。
1910年，英国植物学家Michael Cresse Potter把酵母或大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，其产物能在铂电极上显示0.3-0.5V的开路电压和0.2mA的电流，生物燃料电池的研究由此开始[2]。
20世纪30年代起，随着航天研究领域的迅速发展，对微生物燃料电池研究的兴趣随之升高。
原因之一是考虑将来人类在进行太空飞行时，如何及时处理飞行中的生活垃圾，并产生电能。
80年代以后，随着各种氧化还原介体的使用，生物燃料电池的电流密度和功率有了很大提高，越来越多的科研人员对此产生兴趣。
Tanaka等研究人员将能够产生光合作用的藻类用于生物燃料电池，展示了光燃料电池新种类的可行性，他们的电池使用的催化剂是蓝绿藻。
通过试验前后细胞内糖原质量的变化，他们发现在无光照条件时，细胞内部糖原的质量在试验中减少了；同时还发现在有光照时，电池的输出电流比黑暗时有明显的增加[5]。
Karube和Suzuki用可以进行光合作用的微生物Rhodo spirillumrubrum发酵产生氢，再提供给燃料电池。
除光能的利用外，更引人注目的是他们用的培养液是含有乙酸、丁酸等有机酸的污水。
发酵产生氢气的速率为19-31ml/min，燃料电池输出电压为0.2-0.35V，并可以在0.5-0.6A的电流强度下连续工作6小时[6]。
Habermann和Pommer进行了直接以含酸废水为原料的燃料电池实验。
他们使用了一种可还原硫酸根离子的微生物Desul fovibriodesul furicans，并制成了管状微生物燃料电池。
在对两种污水的实验中，降解率达到35%-75%。
此工作显示了生物燃料电池的双重功能，即一方面可以处理污水，另一个方面还可以利用污水中的有害废物作为原料发电[7]。
5 微生物燃料电池新进展微生物燃料电池所用微生物有大肠杆菌、普通变型杆菌等。
由于微生物催化反应较复杂、副产物多且难以控制。
微生物燃料电池很少用于直接供电，主要用于生物传感器、处理污水或微生物的培养及性能测定等。
5.1无介体微生物燃料电池微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此微生物燃料电池大多需要介体。
Choi等[8]发现细胞膜上饱和、不饱和脂肪酸的比率与库仑产量成反比，介体对细胞膜的渗透能力是电池库仑效率的决定因素。
由于常用介体价格昂贵，无介体生物燃料电池的出现大大推动了燃料电池的商业化进展。
腐败希瓦菌类细菌的细胞外膜上存在细胞色素，它具有良好的氧化还原性能，可在电子传递过程中起到介体的作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在渗透能力问题，从而可设计出无介体高性能的生物燃料电池。
5.2高活性微生物的选择目前微生物燃料电池的库仑产率和电流密度都不高，因此高活性微生物的选择尤其重要。
Park等[9]利用燃料电池来培养并富集具有电化学活性的微生物。
他们从电池阳极区中分离出梭状芽孢杆菌，并测定其电化学性能。
以其为催化剂，以葡萄糖为燃料的燃料电池电流可达0.22mA。
Pham等用同样的方法分离并研究菌株亲水性产气单胞菌，以其为催化剂，以酵母提取物为燃料的燃料电池电流可达1.8mA。
值得注意的是，以上两个实验用来培养菌株的燃料电池都是以污水为燃料，前者用的是淀粉加工污水，后者用的是含醋酸钠污水。
这为微生物燃料电池的应用拓宽了空间。
6展望综上所述，微生物燃料电池的应用主要集中在以下三个方面：1)．微生物燃料电池可作为植入人体的的电子元件如心脏起搏器等的电源。
为这些电子元件提供稳定、可靠、能长时间工作的电源一直是一个未得到圆满解决的问题，而微生物燃料电池正好能满足作为这些电子元件的电源的要求。
它能利用有机物和氧气作为燃料来产生电能。
在理想状态下，微生物燃料电池能将有机物彻底氧化成二氧化碳和水。
在人类的血液中同时存在葡萄糖和溶解氧，微生物燃料电池的能利用它们作为燃料来产生电能。
2)．作为移动电源。
利用微生物燃料电池能充分利用自然界中广泛存在的有机物和氧气作为燃料来源的特征，美国South Florida大学的Stuart wilkinson研制出了不需要认为提供能源的“自给自足”机器人。
