微生物燃料电池的结构第章学习资料
微生物燃料电池(1)全解
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2 .加入其他催化剂
Qiao等报道了用碳纳米管/ 聚苯胺(CNT/ PANI)作为MFC 阳极。 Kargi 等用铜和铜- 金导线来代替石墨电极作为MFC 的阳极,结 果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。 Rosenbaum等研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得 了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池 的阳极是适合的。
具有产电与废弃物处置的双重功效。 微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化 利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注， 有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。
发展历史
1.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，他用铂做电极， 把它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； 2.1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物 燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过 它的放电率极低； 3.1991 年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水 的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到 的电池功率才有所增强； 4.近几年, MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源, 开发新型能源研究工作者的关注热点。
阳极材料
阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定 MFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与 电子传递机理的重要的辅助工具。 现在，MFC阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接 目前对阳极的研究主要是 关系到产电能力的大小，其必要条件是具有高导电率、高 对导电材料的改性 比表面积、高孔隙率、廉价易造且可回收等。主要是以碳 为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨 加入其他的催化剂 以及碳纤维刷。
微生物燃料电池(MFC)
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
燃料电池和微生物燃料电池的机理?燃料电池由阳极室和阴极室组由允许质子流动并限制电子流动的电解质隔开?氢气和氧气被输入到电池中?阳极上的催化剂使得氢原子释放电子产生h?氧原子在阴极吸引h?h通过电解质膜?电子通过外部导线到达阴极从而产生电流阳极
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
微生物燃料电池讲稿
大家好，大家一想到细菌可能会觉得不舒服，但是随着生物技术的发展表明，这些小家伙对我们是分外友好的，比如我今天展示的主题是关于微生物发电方面，即利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能。
大量研究证明，微生物发电是很有潜力的。
这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）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。
其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池和阳极池。
根据阴极池结构的不同，MFC 可分为单池型和双池型2 类; 根据电池中是否使用质子交换膜,也可分为有膜型和无膜型2 类; 根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型2 类。
（其中单池型MFC 由于其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器; 无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。
直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。
）这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。
但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。
试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。
常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。
细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。
微生物燃料电池讲义
9
微生物燃料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； (2)其氧化还原式量电位要与被催化体系的电 位匹配； (3)其氧化态不干扰其它的代谢过程； (4)其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； (5)其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并 且在细胞和电极表面均不发生吸附； (6)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。
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电池性能制约因素：
(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素; (2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与 接触物质产生的电阻,以及PEM所产生的内电阻; (3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和 阴极区电子最终受体的扩散。
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微生物燃料电池的应用 一、废水处理
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MFC的优点:
与常规燃料电池相比 ,MFC以微生物代替昂贵的化学 催化剂 ,因而具有更多优点: (1)燃料来源广泛 ,尤其可利用有机废水等废弃物; (2)反应条件温和 ,常温常压下即可运行; (3) 环境友好 ,所产 生的物质主要是CO2和H2O,无酸、 碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处理; (4)因能量转化过程无燃烧步骤 ,故理论转化效率较高。
1.对材料的改性
Zeikus[3]报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度, 然 后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作 为阳极,结果表明,这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨 的115～212倍。 Zhang[4]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯( PTFE) 作为MFC 的阳极,研究表明,PTFE 的含量影响了MFC的电流产生,质量 分数为30%的PTFE可以获得的最大功率为760 mW/ m2。
生物燃料电池
加入其他的催化剂。
1.对材料的改性
• Zeikus等报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度, 然
后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作
为阳极。结果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板
石墨的115～212倍。
• Cheng等将用氨气预处理过的碳布作为MFC 的阳极,结果表
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：
阳极反应：
(CH2O)n＋nH2O
nCO2＋4ne-＋4nH+
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
阳极室
PEM
阴极室
微生物燃料电池工作原理
2H2O
生物燃料电池
• 间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产
过程中的主要制约因素。
氧作为阴极反应的电子受体最大问题是在
水中的溶解度低。
搅拌情况、微生物最大生长率、微生物对
底物的亲和力、生物量负荷、操作温度和
酸碱度均对物质传递有影响。
MFC的最新研究方向
• 微生物电解池（MEC），一种新型的利用废水产氢技术。
由于产电细菌能够释放电子，所以可以利用MFC形式的反
环境污染治理
1、使用MFC技术进行生物修复
研究表明，MFC系统可以再厌氧条件下用于提高
被石油污染的地下水的生物修复速率。
2、用于难降解有机物的去除
当构建一个以葡萄糖和偶氮燃料为基质的生物阴
极型MFC时，污染物的去处速率显著加快，脱色率
得到提高。
3、制成BOD生物传感器，对受污染水体进行预警，
微生物燃料电池知识引入高中化学
微生物燃料电池知识引入高中化学摘要为配合高中新教材(鲁科版)《化学反应原理(选修)》第一章第三节“化学能转化为电能——电池”中氢氧燃料电池内容的学生阅读材料,介绍微生物燃料电池的基本构造、工作原理及产电机制,旨在帮助学生拓展知识,提高对化学的兴趣。
关键词高中化学新教材微生物燃料电池工作原理产电机制由池构造21世纪初,美国科学家宣布他们发明出了“吃肉机器人”。
这种机器人能吃食物,并通过分解食物把化学能转变成电能,给自己提供动力,其独特功能归功于一个神奇的“胃”,一种特殊的燃料电池——微生物燃料电池。
1 微生物燃料电池的基本构造及工作原理微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化反应将化学能直接转化为电能的装置,其基本构造与普通燃料电池类似,如图1所示。
微生物燃料电池的阳极通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,阴极则大多使用载铂碳材料。
保持阳极池无氧,阴极池有氧,两池之间的阳离子半透膜使H +自由通过,氧气不能通过。
连接两极的外电路中串联电阻器或其他电子设备[1~3]。
图1 微生物燃料电池构造示意图与传统燃料电池不同的是,微生物燃料电池的阳极反应是靠微生物催化氧化有机物(底物)而产生电子和质子。
电子通过导线传递到阴极,质子通过半透膜渗入阴极池。
阴极池中,氧气、质子、电子反应生成水。
常用葡萄糖作为底物,反应如下[4]:阳极反应:C6H12O6+6H2O→6CO2+24e -+24H +阴极反应:6O2+24e -+24H +→12H2O电池反应:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O2 微生物燃料电池的产电机制微生物燃料电池的产电过程可分解为5个步骤:(1)底物生物氧化:阳极池中,底物在微生物作用下被氧化,产生电子、质子及代谢产物;(2)产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面;(3)电子经外电路传输至阴极;(4)产生的质子穿过半透膜,从阳极池迁移至阴极池,到达阴极表面;(5)阴极池中,电子受体(如氧气等)与迁移来的质子和电子在阴极表面发生还原反应。
微生物燃料电池基本原理
微生物燃料電池基本原理微生物燃料電池（microbial fuel cells, MFCs）是藉由微生物的催化反應，將化學能（燃料）轉換為電能的組件（Allen and Bennetto, 1993； Min and Logan, 2004；Lovley et al., 2004）。
典型的微生物燃料電池是由陽極和陰極，以及一片質子交換膜所構成，微生物於陽極分解氧化燃料，並同時產生電子和質子，電子可經由外部電路到達陰極，而質子則通過質子交換膜到陰極，在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水（Kim et al., 2003 ）。
如下圖所示（Scholz and Schronder, 2003），這是以葡萄糖作為燃料，Rhodoferax ferrireducens 做為催化氧化還原反應的微生物，可簡易說明微生物燃料電池的反應。
圖2 微生物燃料電池示意圖附著在電極上的微生物，對燃料電池而言，除了分解槽中的燃料外，傳遞電子到電極表面也為重要的功能之一。
Chaudhuri and Lovley（2003）發現附著在電極纖維上的嗜甜微生物（R. ferrireducens）的生物膜，不僅具有將電極表面作為終端電子接受者的細胞構造，也具有在細胞膜運輸電子與質子的功能，但這些機制的細節仍須加以研究，且細胞的附著性與細胞之間的訊息傳遞情形，對細胞生物學的領域而言，也是個重要但未知的學問（Palmore, 2004）。
微生物燃料電池發展過程1910年，英國植物學家Potter發現，含有代謝作用微生物的燃料電池槽與另一含有無菌鹽類溶液槽之間會有電位差，因此Potter 便在這兩個槽之間加入電阻而獲得電流，由此證明微生物能產生電壓及傳送電流（Potter, 1911）。
1931年，Cohen重複Potter的概念，結果發現批次式的微生物燃料電池可產生超過35 V 的電力（Shukla et al., 2004）。
直到1960年代，生物燃料電池才開始受到歡迎。
微生物燃料电池课件共29页
surface area of the salt bridge 盐桥表面积实验
❖ When the surface area of the salt bridge in contact with anode and cathode chambers was increased from 0.4 to 15.9 cm2,an almost proportionate increase in the maximum power generation was observed. 盐桥表面积从0.4增加到15.9cm2时，最大功率增加。
❖ 这两种技术的融合，可能是未来微机械和 微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。 例如微型的自维持型医疗器械.
2 .处理污水的微生物燃料电池
❖ 最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家Logan率领的一个 研发小组宣布他们研制出一种新型的微生物燃料电池。可以 把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
❖ 在发电能力方面，据洛根称在实验室里该设备能提供的电功 率可以驱动一台小电风扇。虽然目前产生的电流不大，但该 设备改进的空间很大。洛根的研发小组已经把该燃料电池的 发电能力提高到了350W 洛根希望这一数值最终能达到 500W～1000W.
❖ 浓度为0.03mM时，最 大电流为56.7uA；最大 功率为19.2uW.
❖ 对应的功率密度和电流 密度为9.33mW/m2 和 27.59mA/m2 .
（见下图和表）
离子强度实验
❖ 然后用0.03mM的MB做下一步的实验。
❖ Similarly, maximum power was observed when 10mM NaCl concentration was used.
❖ 菌种：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08
微生物燃料电池的结构第章ppt课件
减少反向电荷，避免电压逆转。
2.3.1 间接MFC
制约生物燃料电池输出功 率密度的最大因素是电子 传递过程。由于代谢产生 的还原性物质被微生物的 膜与外界隔离，从而导致 燃料 微生物与电极之间的电子 传递通道受阻
2.3.2直接微生物燃料电池
直接微生物燃料电池是指燃料 直接在电极上氧化，电子直接 由燃料转移到电极，也称为无 介体MFC，是指MFC中的细菌能 分泌细胞色素、醒类等电子传 递体，直接将新陈代谢过程中 产生的电子由细胞膜内转移到 电极。
这种微生物燃料电池由于不需 要投加电子中间介体，降低了 运行成本，已经成为当前的研 究重点。
生物的食料
2.3.1 间接MFC
一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化 还原介体，其中较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA和中性 红等。
氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中 最主要的是介体的氧化还原速率常数，而氧化还原速率常 数又主要与介体所接触的电极材料有关。
为了提高介体的氧化还原反应的速率，可以将两种介体适 当混合使用，以期达到更佳的效果。
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。
表2-1 种填料型 MFC 结构及产电比较
项目
内阻/Ω 质子膜密度/cm-1 质子膜面积/cm2 反应器体积/mL 体积功率密度/mW·m-3 面积功率密度mW·m-2
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。
微生物燃料电池
DUT
02 基本原理
2.3 燃料电池的电极材料
MFC 的电极分为阳极和阴极， 其作为微生物和催化剂的 载体，以及电子转移的导体，须具有良好的导电性、稳定性， 一定的机械强度，廉价的成本以及电极表面与微生物具有良好 的相容性。
08
DUT
02 基本原理
2.3.2 阳极材料
微生物燃料电池系统的无介体产电菌群主要是异化金属还原菌，由 于这些菌与过渡态金属之间的亲和作用，研究人员开始使用过渡态金属 氧化物作为电极修饰剂，以促进微生物燃料电池系统产电能力的提升。 研究比较成熟的金属化合物主要有Fe3O4、MnO2、WC 等。
体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导
线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了
功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有
Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter
料。相比于离子交换膜,盐桥的内阻很大,造成MFCs的输出功率很低。
单室MFCs省去了阴极室,底物在阳极室被微生物催化氧化,电子由
阳极直接传递到阴极,氢离子经过离子交换膜(或离子交换膜不存在)传
到阴极。 当把阴极与离子交换膜压合在一起,阳极独立即为 “二合
一“型MFCs;当把阳极,离子交换膜、阴极依次压合在一起即为"三合
体系，如 PbO2、MnOx、TiO2、铁氧化物等，其中，MnO2 和 TiO2 是目前
研究较多的 MFC 阴极催化剂。
过渡金属大环化合物对氧具有电化学还原活性，尤其是过渡金属卟啉和酞
菁化合物。由于大环类化合物的脱金属作用比较强，在中性或者碱性的环境中
微生物燃料电池 详细
微生物燃料物 • Electricigens:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成 CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递 到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程 中获得能量支持生长。 • 产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆 菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等
动力学问题解决途径 ： 1）选择产电效率高的菌种； 2）选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池 中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出 功率； 3）增大阳极的表面积。
内阻问题：
内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电 池的输出功率方面具有重要作用。 1）PEM对内阻的影响 2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响 3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响
传递问题： 反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子 最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因 素。 氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解 度低。
各种形式的微生物燃料电池
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
• 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；
第四章 微生物燃料电池 第一节 MFC概述
进入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。 1987年，Lovley等人从波拖马可河底沉积物中分离出的 Geobacter metallireducens是一种可以不通过氧化还原介 体氧化有机物转移电子，并以Fe(III)为电子受体最终使无定 形三价铁氧化物还原而具有磁性。随后的研究表明，这种微 生物具有电化学活性，它们能够在没有外加介体的条件下可 以把电子从底物中的转移到阳极板上。这种电子传递归功于 吸附在电极上的大量细胞，电子传递速率与柠檬酸铁做电子 受体时的速率相似，库仑效率高达98％。这一发现促进了对 微生物燃料电池的研究。
微生物燃料电池产电性能的影响因素
(3)阴极的超电势 和阳极上一样，在阴极上同样可以观察到电位的损 失。为了避免这个损失，一些研究人员采用投加 六氰高铁酸盐溶液。然而，六氰高铁酸盐在空气 中并不能被空气完全氧化，因此它只是电子受体 而不是介体。为了正常运行，微生物燃料电池的 阴极应该为一个敞开的电极。
Electricity Production in a Microbial Fuel Cell
A MFC is a device that use bacteria to oxidize organic matter and produce electricity. The bacteria (attached to the anode) produce electrons that travel to the cathode (current).
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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