微生物燃料电池的结构第章学习资料

电极
阴极
PEM
图2.2 典型双室MFC结构示意图
2.1微生物燃料电池结构概述
单室MFC的阴极和阳极在同一反应室，阴极和PEM直接压在一起。
单室MFC的优点是阳极和阴极距离较近，阴极传质速率得到了提高， 因无需曝气而降低了运行费用，占地小，结构简单，可以通过去除质 子交换膜而进一步提高MFC的电能输出。
4. 双筒型微生物燃料电池
填料型MFC可以增大MFC产电能力，而以筒状质子膜作 为增大MFC内电流通道可以有效降低MFC的内阻，所以 又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。
2.2 五种结构不同的MFC
上流式MFC 双室H型MFC 平板式MFC 双筒型微生物燃料电池
串联型MFC
1. 上流式MFC
上流式MFC由UASB反应器改造得
来（如图2.3所示），结合UASB
空气
与MFC的优点发展形成。
阴极
升流式MFC(UAMFC)结构简单、
体积负荷高、可以使培养液与
PEM
微生物充分混合，更适合与污
②按MFC的阴 极是否具有生 物活性分类根 据阴极是否具 有生物活性， MFC可划分为 两大类：
非生物阴极型MFC：利用化学催化剂完 成电子向最终电子受体的传递。目前， 使用最广泛的催化剂是Pt
生物型阴极的优点：以微生物取代金属催 化剂，可以显著降低MFC建造成本；生物 阴极能够避免出现催化剂污染等现象，增 加了MFC运行稳定性；利用微生物的代谢 作用可以去除水中的多种污染物
2.1微生物燃料电池结构概述
间接微生物 燃料电池
▪阳极侧燃料在电 解液中或其它地 方反应并释放出 电子，释放出的 电子则由氧化还 原介体运载传递 到电极表面上， 实现电子的转移
③按阳极侧电子转移 方式的不同，微生物 燃料电池可分为两种
直接微生物 燃料电池
▪燃料则在阳极表 面微生物细胞内 直接氧化，产生 的电子直接转移 到电极上，不需 要添加任何的电 子介体
设计
•一个好的设计不仅要具有 高功率、高库仑效率，而且 要保证原料提供的经济性和 实际应用于大型系统时工艺 的经济性
虽然同时满足功率、效率、稳定性和寿命要求的反应器仍在设 计中，但我们现在已经知道将石墨刷电极和管状浸入式阴极共 同使用能提高性能而且具有经济性。然而到目前为止，这种反 应器尚未在中试和大规模实验中使用。因此，未来最终应用在 大型系统中的材料和最终的MFC设计仍是未经验证的。
“三合一”型MFC是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一
起的新型微生物燃料电池，它可以在较大程度上降低MFC的内阻，提 高MFC的输出功率。 研究者实验结果表明，“三合一”型MFC的内阻仅为10~30 Ω，远远 低于其他形式的MFC，最大输出功率密度可以达到300mW·m-2。
2.1微生物燃料电池结构概述
4. 双筒型微生物燃料电池
8 9
2
7
6
由圆筒形紧紧包围阳极
3
的隔膜和外层阴极室构
成。这种设计极大地缩
6
小了两极间距、增大了
质子交换膜面积，因此
4
内阻只有4 Ω
5
1
图2.6 双筒型 MFC 示意 1.进水 2.出水 3.阴极 4.质子交换膜 5.阳极 6循环泵 7曝气系
统 8.可变电阻 9.数据采集系统
不足是隔膜带来的内阻以及电子受体
3. 平板式MFC
•(1)整体结构设计
将阴阳极和质子交换膜压在一起，并将其平放，可以 使菌由于重力作用富集于阳极上，而且阴阳极间只有 质子交换膜，可以减少内电阻，从而增大输出功率
•(2)流场结构型式设计
流场板起着进料导流，均匀分配反应物及收集电 流的重要功用,常用的流场型式有平行流场，蛇形 流场，交指形流场等
图2.4 双室H型MFC图
2. 双室H型MFC
双室H型MFC由阳极室和阴极室两个极室构成，中 间由阳离子交换膜隔开，保证了阳极电子供体和 阴极电子受体在空间上的独立性。
由于双室MFC的密闭性较好，抗生物污染的能力较 强，因此产电菌的分离及其性能测试装，甚至使用矿泉水瓶都可以组 装简易的反应器。
出水
水处理工艺偶联。
V
阳极
回
流
进水
图2.3 上流式MFC图
1. 上流式MFC
实际上，UAMFC和传统的MFC相比，更适合废水处理的实际 应用。UAMFC在设计上有别于已报道的MFC，其优缺点为:
优点
缺点
•（1）使用活性碳颗粒作为 阳极，不仅增大了生物膜的 附着面积，提高生物量，还 大大降低了材料造价；（2） 阴极面积大，降低了反应的 过电位；（3）阳极和阴极之 间用筛网分隔，阴极裹在阳 极周围，阳极和阴极之间的 距离达到最小，电池内阻降 到最低；（4）在运行过程中 ，采用连续升流式操作，更 适合废水处理。
（1）由于使用无膜空气阴 极，空气能够以很高的速 率向阳极内扩散，导致库 仑效率有所降低；（2）阴 极表面负载昂贵的Pt作为 催化剂来催化氧气的电化 学还原，增加了系统的总 造价；（3）一旦长期运行 ，阴极表面会生长微生物 ，导致电池的功率衰减和 内阻增加
2. 双室H型MFC
H型MFC是当前研究中使用 最多的形式，早期的大多 数MFC研究是在双室H型MFC 反应器中开展的。由于该 种反应器大多由中间夹有 阳离子交换膜的两个带有 单臂的玻璃瓶组成，外观 上很像字母“H”，因此又 被形象的成为“H型”MFC （图2.4）。
2.1微生物燃料电池结构概述
微生物燃料电池有很多种分类方法，按电池的组装结构、 电子转移方式的不同、是否使用质子交换膜及微生物特点 可以有多种分类方式：
①从电池的组装和结构上可以将微生物燃料电池分
为单室型，双室型和“三合一”型MFC。
阳极
电极 极
V
负载电 阻
双室MFC的最大特点就是在阳极和阴极之间使用 了膜（PEM），因此根据这一原理和特征，可以 设计出各种不同形式的MFC反应器。两室型 MFC又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等
目录
1
微生物燃料电池结构概述
2
五种结构不同的MFC
3
间接MFC和直接MFC
4
不同阴极MFC
2.1微生物燃料电池结构概述
材料
很多种材料已经在MFC中得 到应用，但这些材料是被如何 加工、安装并应用到最终的系 统中，即反应器构型，最终都 会决定系统在功率输出、库仑 效率、稳定性以及使用寿命上 有什么样的表现