生物技术在利用微生物燃料电池发电中的应用 肖炳楠18307130069 随着人类社会科学技术不断发展,石油等不可再生资源的消耗大幅度提 髙,能源问题日益紧张,为了更好地解决能源短缺问题,许多生物科学家们将 目光投向微生物燃料电池这一利用微生物将化学能转换为电能的装置,以期能 为人们出行使用的载具提供足够的电力支持 技术原理:(1)基本原理:微生物燃料电池( Microbial fuel cell MFC)是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。(如下图1) CO> 有机物 H2o 阳极室 PEM 图1 (2) 分类:参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种:【1】微 生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体,介体再将电 子传递给电极;【2】介体能进入到微生物体内,参加反应被还原,从微生物体 内出来后再将电子传递给电极;【3】微生物吸附在电极表面,它将反应产生的 电子传递给在细胞表面的介体,再通过介体传递给电极。微生物燃料电池中添 加的介体主要有两种:第一类是人工合成的介体,主要是一些染料类的物质, 如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等;第二类是某些微生物自身可以合成介体,如 Pseudomonas aeruginosastrainKRPl能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物 质,它合成的介体不光自己可以使用,其它的微生物也可以利用它产生的介体
生物技术在利用微生物燃料电池发电中的应用 肖炳楠 18307130069 随着人类社会科学技术不断发展，石油等不可再生资源的消耗大幅度提 高，能源问题日益紧张，为了更好地解决能源短缺问题，许多生物科学家们将 目光投向微生物燃料电池这一利用微生物将化学能转换为电能的装置，以期能 为人们出行使用的载具提供足够的电力支持。 一．技术原理: （1）基本原理：微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell， MFC）是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。（如下图 1） 图 1 （2） 分类：参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：【1】 微 生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电 子传递给电极；【2】介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体 内出来后再将电子传递给电极；【3】微生物吸附在电极表面，它将反应产生的 电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。微生物燃料电池中添 加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介体，主要是一些染料类的物质， 如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等；第二类是某些微生物自身可以合成介体，如 Pseudomonas aeruginosastrainKRP1 能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物 质，它合成的介体不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介体
传递电子。 二.技术应用:已有研究结果显示,微生物燃料电池主要在以下几个方面具有 开发前景:①替代能源②传感器③污水处理新工艺⊕利用微生物电池的特殊环 境进行未培养菌的富集。最近美国加州 Berkerley分校机械工程系的Pro.Lin 出于对无污染的汽车能源和家用能源的研究,注意到了微生物燃料电池。其研 究表明,微生物燃料电池完全可以做到更小的尺度。Pro.Lin的燃料电池目前 已能达到0.07cm面积大小,使用的燃料为葡萄糖,催化剂为 cerevisiae酵 e=Bio Fuel-cell 图2 三优点与缺点:【1】优势:首先,微生物燃料电池将底物直接转化为电 能,保证了具有高的能量转化效率;其次,不同于现有的所有生物能处 理,微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作;第三,微生物燃 料电池不不需要进行废气处理,因为它所产生的废气的主要组分是二 氧化碳,一般条件下不具有可再利用的能量;第四,微生物燃料电池不 需要输入较大能量,因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被 动的补充阴极气体;第五,在缺乏电力基础设施的的局部地区,微生物 燃料电池具有广泛应用的潜力,同时也扩大了用来满足我们对能源需 求的燃料的多样性。【2】劣势:虽然理论上微生物燃料电池是化学能 转变为电能最有效的装置,最大效率有可能接近100%,但是迄今为止, MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学因素、 内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高,致 使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低,难以获得较高的输出功率
传递电子。 二.技术应用：已有研究结果显示，微生物燃料电池主要在以下几个方面具有 开发前景：○1 替代能源○2 传感器○3 污水处理新工艺○4 利用微生物电池的特殊环 境进行未培养菌的富集。最近美国加州 Berkerley 分校机械工程系的 Pro.Lin 出于对无污染的汽车能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料电池。其研 究表明，微生物燃料电池完全可以做到更小的尺度。Pro.Lin 的燃料电池目前 已能达到 0.07cm2 面积大小，使用的燃料为葡萄糖，催化剂为 cerevisiae 酵 母 。 图 2 三.优点与缺点：【1】优势：首先,微生物燃料电池将底物直接转化为电 能,保证了具有高的能量转化效率;其次,不同于现有的所有生物能处 理,微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作;第三,微生物燃 料电池不不需要进行废气处理,因为它所产生的废气的主要组分是二 氧化碳,一般条件下不具有可再利用的能量;第四,微生物燃料电池不 需要输入较大能量,因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被 动的补充阴极气体;第五,在缺乏电力基础设施的的局部地区,微生物 燃料电池具有广泛应用的潜力,同时也扩大了用来满足我们对能源需 求的燃料的多样性。【2】劣势：虽然理论上微生物燃料电池是化学能 转变为电能最有效的装置，最大效率有可能接近 100%，但是迄今为止， MFCs 的性能远低于理想状态。制约 MFCs 性能的因素包括动力学因素、 内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高，致 使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率
内电阻具有提高电池的输出功率的作用,主要取决于电极间电解液的 阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内 阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFCs的内阻,这时得到的最大 功率密度有质子交换膜的5倍,但必须注意氧气扩散的问题。另一个 重要制约因素为电子传递过程中的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。最终电子受体采用铁氰酸盐 或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。自20 世纪90年代以来,燃料电池电动汽车研发在国际范围内蓬勃兴起 但目前使燃料电池汽车难以商业化的主要技术难点来自于燃料电池 的寿命与成本。车用燃料电池耐久性欠佳,主要原因是车载工况对燃 料电池的影响,如频繁起停、快速变载等非稳态操作以及低温、杂质 环境影响等,都会导致燃料电池加速衰减,引起寿命缩短。其中以单 燃料电池为动力的纯燃料电池电动汽车对车载工况表现得更为敏 感。在降低成本方面,目前正在研制廉价的替代材料、低贵金属担量 与非Pt催化剂、增强自增湿膜、烃类膜、可冲压成型的金属薄双极 板等,以期控制成本。 总结:MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起,并已逐步显现出它 独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步 MFCs必将得到不断地推广和应用。相信不久的将来,会有越来越多的汽车开始 使用微生物燃料电池,方便人们出行的同时也最大程度上减小了对环境的污染, 造福人类的子孙后代
内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的 阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内 阻。不用质子交换膜也可以大大降低 MFCs 的内阻，这时得到的最大 功率密度有质子交换膜的 5 倍，但必须注意氧气扩散的问题。另一个 重要制约因素为电子传递过程中的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。最终电子受体采用铁氰酸盐 或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。自 20 世纪 90 年代以来，燃料电池电动汽车研发在国际范围内蓬勃兴起。 但目前使燃料电池汽车难以商业化的主要技术难点来自于燃料电池 的寿命与成本。车用燃料电池耐久性欠佳，主要原因是车载工况对燃 料电池的影响，如频繁起停、快速变载等非稳态操作以及低温、杂质 环境影响等，都会导致燃料电池加速衰减，引起寿命缩短。其中以单 一燃料电池为动力的纯燃料电池电动汽车对车载工况表现得更为敏 感。在降低成本方面，目前正在研制廉价的替代材料、低贵金属担量 与非 Pt 催化剂、 增强自增湿膜、烃类膜、可冲压成型的金属薄双极 板等，以期控制成本。 总结：MFCs 作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它 独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步， MFCs 必将得到不断地推广和应用。相信不久的将来，会有越来越多的汽车开始 使用微生物燃料电池，方便人们出行的同时也最大程度上减小了对环境的污染， 造福人类的子孙后代