一种新的绿色能源

一种新的绿色能源——微生物燃料电池

摘要：简单叙述了微生物燃料电池的基本结构及运行原理，从影响其效率的因素，分析了提高输出功率的措施。根据它的诸多优势及应用展望它的前景。

关键词：微生物、燃料电池、原理、效率，优势、应用、前景。

当工业废水严重污染河流的时候，当水资源短缺不再是天方夜谭的时候，当矿物质人资源枯竭迫在眉睫的时候，一种新的高效绿色能源闪现到人们的视野，它就是微生物燃料电池。

微生物燃料电池创造了一个污水处理的新平台，从可降解还原性化合物中获取能量提供了一个绝佳的机会。它能将废水中各种有机化合物中的化学能转化为电能。它既能在解决能源问题的时候冲锋陷阵，也为环境的绿化开辟了一个两全其美的道路。

在这个工业高速发展的社会，每天工业及生活废水都以一种高速膨胀的速率大规模产生，已经到了一种哪里有人群，哪里没净水的地步。现在地球的环境已经严重恶化，若不及时想出有效方法解救就会祸及人类自身。不过，幸运的是，满腹智慧的人类，早已经察觉到了它的严重性，已经开发出了一种微生物燃料电池这种清洁的污水处理方法，为缓解环保问题采取了明智的行动。为推进社会的可持续发展前进了一大步。

1．基本工作原理

微生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类，它利用微生物作为反应主体，将燃料的化学能直接转化为电能。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。在阳极池，水溶液中或泥中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物，电子通过载体传送到电极表面。随着微生物性质的不同，电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子，也可能是微生物代谢产生的还原性物质，如S2和H2等。电子通过外电路到达阴极，质子通过溶液迁移到阴极。在阴极表面，处于氧化态的物质(如氧气等)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。

2．电子转移机制

电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。

氧化性的、膜结合的电子传递是通过组成呼吸链的复合体完成的。细菌利用这一通路的例子有嗜水气单胞菌。微生物燃料电池中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如肠球菌。微生物降解有机物，产生的电子通过氢化酶在细胞内传递，同时它结合可移动的氧化穿梭体，以ATP的形式为细胞提供能量，使得电子杯被释放给最终电子受体比如氧气。如此就达到了传递的目的。

细菌也可以使用可溶性的组分通过氧化作用将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面。一般要向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫和甲基紫萝碱。英国科学家的最新研究发现微生物燃料电池的培养基中的电子中间体并不是必需的，一些细菌也能够依靠两种途径——通过制造有机的、可以被

可逆的还原化合物（次级代谢物）以及通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）自己制造这些氧化中间体。加入中间体虽能促进电子传递，但同时会使输出功率及电压降低，所以要根据适当情况折中处理，来使其在不同情况下都能达到最佳工作状态。

3．影响微生物燃料电池效率的主要因素

3.1电极的合理选择

阳极用于接收从细菌传出的电子，因此具有亲生物的特点。可以提高其表面积，来提高电子的传输能力。选择一些导电性强的且又耐腐蚀的电极材料如碳纸、石墨纤维。新加坡科研人员最新研究发现，将碳化钼与粘合剂导电材料上充当阳极催化剂催化氢氧化，可大幅度提高电能输出，并且碳化钼价格低廉，来源广泛，合理使用，可取得较大效益。

阴极的设计一直以来都是微生物燃料电池设计的重大挑战。阴极氧化剂主要有空气、溶氧、铁氰化物、二氧化锰等，其中用溶氧作为氧化剂的研究较多。当用氧气作为阴极氧化剂时，阴极反应与直接甲醇燃料电池和氢气燃料电池相似，因此在组建MFC时，可以直接参考已有电池的研究成果来选择阴极材料。目前，阴极材料多使用载铂石墨、碳布或碳纸等。若

以葡萄糖为燃料，铁氰化钾溶液为电子受体，以未抛光的打孔石墨、碳纸、碳布、碳毡构建的微生物燃料电池，其运行状态基本都一样，启动时间也不随阳极材料变化，均约为150h，而输出电压和输出却因材料的不同有所偏差；从电化学活性与表观吸附量来看，就微生物燃料电池电极材料性能来说，碳毡性能较好，其次是打孔石墨，再次是碳纸，碳纸最差；而以输出功率来看，选择石墨最佳，因为以打孔石墨为阳极材料的微生物燃料电池输出电压达0．687V，输出功率达250mW ／ra2；碳毡的外阻电压达到0．678V，输出功率为204mW／m2；碳纸的输出电压达0．656v，输出功率为150mW／m2；而碳布输出电压不稳定，输出功率只有58mW ／m2。故打孔石墨和碳毡是较好的微生物还原物质的载体。

3.2 微生物的驯化

微生物燃料电池研究中使用的微生物菌种大多为单一菌种，直接来自于微生物菌种库，而近年来的研究结果表明，直接用来自天然厌氧环境的混合菌接种电池，可以使电流输出成倍增加且在阳极表面富集了优势微生物菌属。目前，微生物驯化过程的常规操作是：在厌氧条件下，直接用天然厌氧环境中的污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种，将外电路连通后观察微生物燃料电池各种性能的变化，定期更换培养液，直到微生物燃料电池性能稳定。经过驯养的微生物才能在恶虐的环境下迅速增殖，无需浪费能量去进行曝气，而且输出电压相对稳定，有利于在实际生产中进行应用。

3.3 PH的调节

大部分的发电微生物都适宜在接近中性的环境下工作，而工业废水一般都呈碱性，也有部分呈酸性。所以在发电之前一定要先调节好溶液的PH，为微生物创造一个优良的工作环境，它才能进行高效的发电。此外，在运行的过程中，也要随时对PH进行监控，及时添加缓冲液。美国宾夕法尼亚州大学科学家最新研究发现，一些微生物能在酸碱环境下工作，这将为微生物燃料电池的管理提供了极大便利。

3.4 外电阻对电池功率影响

当外接电阻较小或较大时，输出功率密度均较小，而在200欧姆左右时，电

池输出功率密度达到最大值．通过调节外电阻的大小，可以改变电极电流密度的大小，随着电流密度的增大，阳极电极电势增大，而阴极电极电势降低，所得的输出电压也就越大。因而合理的设计与调整外电阻不但可以提高发电效率，还能对输出电压进行有效控制。

3.5 氧气对电池性能的影响

电池电压的输出与溶液中氧气的含量密切相关，高含量的氧气不利于电池输出电能；电池中能够向电极输送电子的微生物属于兼性微生物．其原因为，在有氧条件下优先发生好氧生物降解，在微生物好氧降解醋酸钠过程中，电子最后传递给氧气分子，使氧气分子被还原，当溶液中氧气含量降低到足够低的水平后才发生厌氧降解，厌氧降解过程中产生的电子才能传递到电极表面，进而通过外电路到达阴极。所以在发电过程，要根据溶液中的氧气含量，来恰当调整阴极氧气的通入速率，使电池达到最佳工作状态。

4．物燃料电池的优势

目前，污水的处理仍然以耗能较高好氧曝气为主，而利用厌氧甲烷菌发酵对其净化。用此方法氧化每千克碳水化合物就需要消耗1 kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗0.5 kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30 kWh。特别是针对高强度的废水使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1 kWh的能量。更糟糕的是，它还要占用漫长的运行时间，处理效率极其低下。而微生物燃料电池兼有好氧曝气和厌氧污水处理的优势，弥补以上缺憾，为水资源的重复利用带来新的契机。

首先，它的燃料广泛，它可以利用一般燃料电池不能利用的多种有机物。也就是说，无论是地里的高粱杆，还是路边的枯茅草，或者是你吃剩的西瓜皮，甚至你要倒掉的洗菜水斗可以用来发电。而且当今社会化厂琳琅满目，四处的水源都到污染，这些地方都可以作为发电的场所。

其次，操作条件温和。你不需要提供外加能源给它加温加压，仅需适当速率的空气，这样它在标准状况下就足以正常反应。这样使得装置的维护成本降低，而且潜在的安全故障可能性也比较微小。更重要的是，微生物的培养也无需太苛刻的条件，只需要你提供给它“一箪食，一瓢饮”，一个容器，两个电极，它就可以自然的运转，心甘情愿为你提供源源不断的电流。

而且，它的资源利用率高，无污染。污水中几乎所有的有机化合物都能被利用，不像化学电池那样要不断地费时间去清理炉渣，经它处理的水可以排走。它排放的废气主要成分是二氧化碳，不含有毒气体，可直接排放到大气，而不会对其造成太大影响。

此外，与传统污水处理工艺相比，它减少了固体的产生，微生物燃料电池技术是一个厌氧工艺，因此，相对于好氧体系，产生细菌的生物量将减少，并且不会对外产生臭味。固体处理是昂贵的，而微生物燃料电池就可以节省这部分开销。

5．微生物燃料电池的应用

5.1 在替代能源上的应用

H2是热值较高的清洁能源，在航天及各大领域均有重大应用，但它不能从自然界直接获得，使其应用大大受限。美国宾夕法尼亚州大学科研人员发现一些微生物细胞发酵过程能产生氢气，可以利用它微生物氢氧燃料电池。可以将发酵