生物燃料电池

MFC的主要组成部分
生物燃料ห้องสมุดไป่ตู้池
微生物燃料电池组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
标注
必需 必需 必需
阴极室
质子交换膜 电极催化剂
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸 铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体
非必需
必需 非必需
生物燃料电池
• 质子交换膜(PEM)
PEM 对电池产电性能影响也很大。 在双室MFCs 中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室 和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极 室内氧气扩散至阳极室。 在单室MFCs 中,一般采用“二合一”电极,即将 PEM 热压在阴极内侧。
生物燃料电池
二：微生物燃料电池工作原理
MFC的基本工作原理：
e负载
e-
CO2
O2
eeH+ 有机物 微生物 H+ H2O
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生 物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电 池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成 回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴 极，与电子受体 （氧气）反应生成水。其阳极 和阴极反应式如下所示：
生物燃料电池
电子传递 • 细胞膜直接传递电子 其电子直接从微生物细胞膜传递到电极， 呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高 电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材 料的接触效率。 • 由中间体传递电子 氧化态中间体 还原态中间体 排除体外 电极表面被氧化
生物燃料电池
• 电子传递机理： 1）细胞通过其细胞膜外侧的细胞色素C将呼 吸链中的电子直接传递到阳极，如异化还 原铁地杆菌、铁还原红螺菌等； 2）细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子 传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线 （nanowire）。
微生物燃料电池
microbial fuel cell
姓名
NAME
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学号
NUMBER
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学院
SCHOOL
•
一：微生物燃料电池概述
生物燃料电池
1.概念
燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化 剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装 置。 生物燃料电池（biofuel cell）：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 的发电装置。 MFC（microbial fuel cell）：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的装置。 在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可 以在常温常压下进行能量转换。
80年代后，对于生物燃料电池的研究又活 跃起来，采用氧化还原介体的微生物燃料 电池的研究全面开展。氧化还原介体的广 泛应用，使生物燃料电池的输出功率密度 有了很大提高，显示了它作为小功率密度 电源的可能性。但由于介体(中性红、亚甲 基蓝、劳氏紫等)昂贵并且一部分具有毒性， 阻碍了微生物燃料电池的进一步发展。 90 年代初，我国也开始了该领域的研究。
1.无介体微生物燃料电池 介体微生物燃料电池 2. ������ 指微生物燃料电池中的细菌能分泌细 微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等 胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由 不导电物质，对电子传递造成很大阻力， 细胞膜内转移到电极上。 需要借助介体将电子从呼吸链及内部代 ������ 目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌、 谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池 地杆菌，酸梭菌、粪产碱菌、鹑鸡肠球菌 中加入适当的介体，会显著改善电子的 和铜绿假单胞菌等。 转移速率。
从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。热点之一是开发 可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏 等人造器官电源的生物燃料电池。这种电 池多是以葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂的 酶燃料电池。 锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用 于医学临床。生物燃料电池研究因此受到 较大冲击。
2.微生物燃料电池发展简史
1911年，英国植物学家Potcer用酵母和大 肠杆菌进行试验，首次发现利用微生物可 以产生电流，拉开了微生物燃料电池研究 的序幕。 40多年后，美国基于研究开发一种用于空 间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的 生物燃料电池，间接微生物电池占主导地 位。先利用微生物发酵产生氢气或其它能 作为燃料的物质，然后再将这些物质通入 燃料电池发电。
• 合适的中间介体 • 中间介体具备条件：1）容易与生物催化剂及电极 发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都 较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；3） 介体的氧化还原电对有较大的负电势，使电池两 级有较大电压；4）有适当极性以保证能溶于水且 易通过微生物膜或被酶吸附；5）对微生物无毒， 且不能被微生物利用。
3.微生物燃料电池的分类
• 依据微生物的营养类型分类：
异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电 能； 光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌) 利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出 电能； 沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液 相间的电势差产生电能。
• 依据电子的转移方式分类
• 依据微生物种类分类
纯菌型：腐败希瓦菌、地杆菌、酸梭菌等 混菌型：抗冲击能力强，更高的底物降解率， 更低的底物专一性和更高的能量输 出效率
• 依据微生物燃料电池的外型分类
双室微生物燃料电池构造简单，易于改变运行条件 (如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料电池直接以空气中的氧气作为氧化 剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子 交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
阳极反应：
(CH2O)n＋nH2O
nCO2＋4ne-＋4nH+
2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
PEM
阳极室
阴极室
微生物燃料电池工作原理
生物燃料电池
• 间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产 生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、 普通变形杆菌和大肠杆菌等； • 直接MFC：代谢产生的电子可通过细胞膜 直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希 瓦式菌和铁还原红螺菌等；