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微生物燃料电池的发展趋势
摘要简述了微生物燃料电池(MFC) 的基本结构及运行原理,分析了MFC 在替代能源、生物传感器和开发新型水处理工艺等方面的应用前景。介绍了不同类型的燃料电池如车用质子交换膜燃料电池、航天飞行器用再生燃料电池、小型便携式产品用直接甲醇燃料电池、中小型电站用固体氧化物燃料电池( SOFC)、微生物燃料电池(MFC )的技术发展现状与研究热点,并指出了未来燃料电池的发展趋势。
关键词微生物燃料电池,微生物,新能源,生物传感器,水处理
Title The Development Trend of Microbial Fuel Cell__
Abstract
The microbial fuel cell ( MFC ) of the basic structure and operation principle, analysis of MFC in alternative energy, biological sensors and the development of new water treatment technology and application prospect. Describes the different types of fuel cells such as vehicle proton exchange membrane fuel cell, aerospace vehicle with regenerative fuel cell, small portable products with direct methanol fuel cell, small and medium-sized power plant with a solid oxide fuel cell ( SOFC ), microbial fuel cell ( MFC ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of.
Keywords microbial fuel cells, anisms, new energy, biological sensors, water treatment
1 引言
微生物燃料电池(MFC) 是一种以微生物为阳极催化剂,将化学能直接转化成电能的装置。利用MFC 不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流,从而获得电能。现在, 也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小, 且无法瞬间提供大量电能, 只能用于平稳供电上。燃料电池经过100多年的发展,终于在20世纪末迎来新的发展机遇, 成为世界各国的研究热点。由于燃料电池的低排放、绿色环保, 使其在汽车领域的研发大行其道, 但燃料电池车商业化尚未实现;燃料电池所具备的高容量、轻便等特点, 也使其成为便携设备的持续动力源。
中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。他们从污染环境中分离出一株嗜碱性假单胞菌(Pseudomonas alcaliphila),该菌株在碱性条件下能够分解有机物的同时产生电能,。通过研究发现,该菌株在MFC体系中代谢有机物的同时产生吩嗪-1-羧酸介体(phenazine-1-carboxylic acid,PCA),该介体起电子穿梭的作用从而实现电子从有机物到电极的传递过程。
2 微生物燃料电池的工作原理
微生物燃料电池的基本结构为阴极池加阳极池。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又可分为有膜型和无膜型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,而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。
MFC的阳极材料通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,其中为提高电极与微生物之间的传递效率,有些材料经过了改性。阴极材料大多使用载铂碳材料,也有使用掺Fe3 + 的石墨和沉积了氧化锰的多孔石墨作为阴极材料的报道。
MFC 基本工作原理为: ①在阳极池,水溶液中或污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。
②电子通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极。③在阴极表面,