浅谈生物燃料电池 刘子薇15307130352 简介 定义 生物燃料电池( biofuel cel):一种按照燃料电池的原理,利用生物质能,依靠电极 上的生物催化反应,将化学燃料和氧化剂转化为电能,从而加以利用的装置 负载 燃料氧化剂还原态 Caton 燃料氧化态氧化剂 阳极 阴极 生物燃料电池装置图 在无隔膜装置中燃料在阳极被催化剂(cat)氧化,氧化剂 在阴极被催化剂(cat)还原,给负载提供能量 发展史 ●1911年,英国植物学家 Potter用酵母和大肠杆菌进行实验,宣布利用微生物可 以产生电流,生物燃料电池研究由此开始。 40多年之后,美国空间科学研究促进了生物燃料电池的发展,当时研究的目 标是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 从60年代后期到70年代,直接生物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电池。 80年代后,氧化还原介体( Mediato)开始被广泛应用,相关的研究大多集中 于阳极。 近年来,开始开发无隔膜的生物燃料电池。 2007年8月,Sony公司宣布开发出一种新型的生物燃料电池,这种电池通过 使用生化酶作为催化剂,将碳水化合物(糖)转换为电能输出,从而开创了生 物电池的新纪元。 2009年,在 FC expo(国际氢燃料电池展)上,Sony公司演示了喝“可乐”的生 物电池,所发的电力可以带动与马达连接的风扇。 分类和技术原理 按照电子转移方式可分为:直接生物燃料电池和间接生物燃料电池 按照工作方式可分为:酶生物燃料电池和微生物燃料电池 直接生物燃料电池:燃料在电极上氧化,电子从燃料分子直接转移到电极上,生物 催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的反应 直接电子传递条件:电极表面和生物催化剂所覆盖的单向单层膜间紧密接触
浅谈生物燃料电池 刘子薇 15307130352 简介 定义 生物燃料电池（biofuel cell）：一种按照燃料电池的原理，利用生物质能，依靠电极 上的生物催化反应，将化学燃料和氧化剂转化为电能，从而加以利用的装置。 发展史 1911 年,英国植物学家 Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可 以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。 40 多年之后，美国空间科学研究促进了生物燃料电池的发展，当时研究的目 标是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。 从 60 年代后期到 70 年代，直接生物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电池。 80 年代后，氧化还原介体(Mediator)开始被广泛应用 ，相关的研究大多集中 于阳极。 近年来，开始开发无隔膜的生物燃料电池。 2007 年 8 月，Sony 公司宣布开发出一种新型的生物燃料电池，这种电池通过 使用生化酶作为催化剂，将碳水化合物（糖）转换为电能输出，从而开创了生 物电池的新纪元。 2009 年，在 FC expo(国际氢燃料电池展)上，Sony 公司演示了喝“可乐”的生 物电池，所发的电力可以带动与马达连接的风扇。 分类和技术原理 按照电子转移方式可分为：直接生物燃料电池和间接生物燃料电池 按照工作方式可分为：酶生物燃料电池和微生物燃料电池 直接生物燃料电池：燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物 催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的反应。 直接电子传递条件：电极表面和生物催化剂所覆盖的单向单层膜间紧密接触
底物人 产物以kA酶人/介体 「产物 底物酶Y介体m E底物产物)E酶酶)<E介体。介体 酶和电极间直接电子传递过程 酶和电极间的间接电子传递过程(有介体) 间接生物燃料电池:燃料不在电极上反应,而在电解液中或其他地方反应,电子则 由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。使用生物催化剂立体膜,利用小分子 的氧化还原剂作电子传递的媒介体,提高生物催化电极的输出功率。 间接电子传递条件:介体有氧化态、还原态均稳定 酶生物燃料电池:先将酶从生物体系中提取出来,然后利用其活性在阳极催化燃料 分子氧化,同时加速阴极氧的还原 组成 底物:乙醇,乳酸酯、氢气、果糖、蔗糖,葡萄糖 酶:葡萄糖氧化酶,脱氢酶 ●分类 第一类 电子传递方式非共轭 共轭 用酶使燃料氧化,以酶反应生用酹使燃料氧化时需要 成物进行电极反应 辅酶,还原后辅酶参 电极反应 例 尿素电池cO(NH2)2+H2O葡萄糖燃料电池 →cO2+2NH3(尿素酶催化 阳极底物NH 葡萄糖 阴极催化剂O2 ●原理(以葡萄糖燃料电池为例) 生物电池包括一个由糖分解酶和介质 m葡豹酸内醴 组成的阳极,一个由氧再生酶和介质组 成的阴极,这两端由玻璃纸分隔开。 度身 阳极:cH12O6→葡糖酸内酯+2H+2e drogen ies H' 阳极释放电子,氢离子通过下面的过程璃 通过氧化酶的作用从葡萄糖中分解出 mediator 阴极:O2+2H+2e→H2O2氢离子穿过 隔离器向阴极移动,一旦抵达阴极氢离 子和电子就和氧结合产生水 在这一过程电化学反应当中,电子穿过外部的线路产生电能 微生物燃料电池(MFC):指利用整个微生物细胞作催化剂,依靠合适的电子传递介 体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递 组成 阳极:附着微生物,分解有机物,传递电子,决定产电能力。主要材料包括碳 纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。产电微生物主要包括大肠 杆菌、普通变形杄菌、枯草芽孢杄菌、梭状芽孢杄菌、嗜水气单胞菌等
间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液中或其他地方反应，电子则 由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。使用生物催化剂立体膜，利用小分子 的氧化还原剂作电子传递的媒介体，提高生物催化电极的输出功率。 间接电子传递条件：介体有氧化态、还原态均稳定。 酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料 分子氧化，同时加速阴极氧的还原。 组成 底物：乙醇，乳酸酯、氢气、果糖、蔗糖，葡萄糖 酶：葡萄糖氧化酶，脱氢酶 分类 原理（以葡萄糖燃料电池为例） 生物电池包括一个由糖分解酶和介质 组成的阳极，一个由氧再生酶和介质组 成的阴极，这两端由玻璃纸分隔开。 阳极：C6H12O6→葡糖酸内酯+2H ++2e - 阳极释放电子，氢离子通过下面的过程 通过氧化酶的作用从葡萄糖中分解出 来。 阴极：O2+2H ++2e -→H2O2 氢离子穿过 隔离器向阴极移动，一旦抵达阴极氢离 子和电子就和氧结合产生水。 在这一过程电化学反应当中，电子穿过外部的线路产生电能。 微生物燃料电池（MFC）：指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介 体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递。 组成 阳极：附着微生物，分解有机物，传递电子，决定产电能力。主要材料包括碳 纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。产电微生物主要包括大肠 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
阳极底物:通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底泥以及污水处理厂的厌氧 活性污泥。 膜:常用质子交换膜PEM。只允许质子透过,而基质、细菌和氧气等都被截 留的微孔材料。 阴极:最理想的阴极电子受体应当是氧气,但氧气还原速度较慢,可加催化剂 提高氧气的还原速度。 原理 微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体 传递给阳极,再经过外电路转移到阴极;在阴极区电子将电子受体(如氧)还 原然后透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。 (以葡萄糖为阳极室基质,氧气为阴极电子受体为例) Nad 氧化型)心氧 底物心 化电外 底物) 还原型 NADH. 阳极 离子交膜 阳极半反应:C6H12O6+6H2O→6C02+24e 阴极半反应:602+24e+24H+→12H2O 技术应用 提供电能:生物燃料电池是一种很具应用前景的技术,与普通的燃料电池相比,其 更加环保,来源更为广泛 废水处理:与普通的污水处理技术相比较,生物燃料电池在处理污水的同时还能额 外获得能量。尤其在目前能源供应问题日益凸显,环境污染日益严重的今天,生物 燃料电池技术更显示出无法比拟的优越性。 ■固体废物堆肥:有学者在固体介质如土壤、底泥中应用MFC技术,发现植物生长 过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高7倍。在堆肥 处理固体有机废物过程中构建MFC,将堆肥中产生的生物能转变为电能。利用MFC 可将堆肥中的废气和废液进行二次生物处理,在减轻或消除毒害的同时产生易于利 用的电能,具有重要的实际意义 ■生物传感器:生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置,包括生物识 别元素和信号传输放大元素。由于生物燃料电池的电流(电压)或电子库仑量与电 子供体的含量之间存在对应关系,因此生物燃料电池能用于某些底物含量的测定 如有机碳、废水BOD以及有毒物质等,其中用于废水中BOD测定的研究最为成 熟,已有相关报道。 ■利用剩余污泥:生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的,剩余污泥可作为 其燃料,处理污泥并同步发电即可产生一定的电压与输出功率密度
阳极底物：通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底泥以及污水处理厂的厌氧 活性污泥。 膜：常用质子交换膜 PEM。只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截 留的微孔材料。 阴极：最理想的阴极电子受体应当是氧气，但氧气还原速度较慢，可加催化剂 提高氧气的还原速度。 原理 微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体 传递给阳极，再经过外电路转移到阴极；在阴极区电子将电子受体（如氧）还 原,然后透过质子交换膜（PEM）转移过来的质子结合生成水。 （以葡萄糖为阳极室基质，氧气为阴极电子受体为例） 阳极半反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24e -+24H + 阴极半反应：6O2+24e -+24H +→12H2O 技术应用 提供电能：生物燃料电池是一种很具应用前景的技术，与普通的燃料电池相比，其 更加环保，来源更为广泛。 废水处理：与普通的污水处理技术相比较，生物燃料电池在处理污水的同时还能额 外获得能量。尤其在目前能源供应问题日益凸显，环境污染日益严重的今天，生物 燃料电池技术更显示出无法比拟的优越性。 固体废物堆肥：有学者在固体介质如土壤、底泥中应用 MFC 技术，发现植物生长 过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高 7 倍。在堆肥 处理固体有机废物过程中构建 MFC，将堆肥中产生的生物能转变为电能。利用 MFC 可将堆肥中的废气和废液进行二次生物处理，在减轻或消除毒害的同时产生易于利 用的电能，具有重要的实际意义。 生物传感器：生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置，包括生物识 别元素和信号传输放大元素。由于生物燃料电池的电流（电压）或电子库仑量与电 子供体的含量之间存在对应关系，因此生物燃料电池能用于某些底物含量的测定， 如有机碳、废水 BOD 以及有毒物质等，其中用于废水中 BOD 测定的研究最为成 熟，已有相关报道。 利用剩余污泥：生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的，剩余污泥可作为 其燃料，处理污泥并同步发电即可产生一定的电压与输出功率密度
◆技术优缺点 优点:生物燃料电池所需的原料来源十分广泛,成本很低,而且与其他电池相比其 操作条件温和、生物相容性更好。生物燃料电池的结构也相对来说比较简单,并且 发电效率很高,造成的环境污染很少。此外,生物燃料电池既不需要充电,也不会 耗尽电源,只要提供足够的燃料和氧化剂就能够产生持续的电流 缺点:生物燃料电池输出功率密度普遍较低,输出电流密度也相对较小,一般在 mA·cm-2数量级左右。另外,生物燃料电池被长期放置后再次使用时会有波动, 其输出的稳定性较差 ■改进方法:化学修饰电极、酶的固定化技术、选择产电效率高的菌种、增大阳极表 面积等等 总结 能源危机是人类已经陷入并急需要设法摆脱的主要困境之一。只有合理的利用现有 资源,发展节能技术,不断开发和利用新的可再生能源,才能达到可持续发展,从而彻 底解决能源危机。 利用微生物、酶等生物材料均能制作出各种类型的电池来给人们提供能量。尽管这 些生物燃料电池还有诸多问题存在,况且绝大多数研究报道都是处于实验阶段,离实用 阶段差距较远,但随着生物技术和其他相关科学的高速发展,相信在不久的将来,生物 燃料电池一定会成功应用于实际生活,为人类社会做出巨大的贡献
技术优缺点 优点：生物燃料电池所需的原料来源十分广泛，成本很低，而且与其他电池相比其 操作条件温和、生物相容性更好。生物燃料电池的结构也相对来说比较简单，并且 发电效率很高，造成的环境污染很少。此外，生物燃料电池既不需要充电，也不会 耗尽电源，只要提供足够的燃料和氧化剂就能够产生持续的电流。 缺点：生物燃料电池输出功率密度普遍较低，输出电流密度也相对较小，一般在 mA•cm-2 数量级左右。另外，生物燃料电池被长期放置后再次使用时会有波动， 其输出的稳定性较差。 改进方法：化学修饰电极、酶的固定化技术、选择产电效率高的菌种、增大阳极表 面积等等。 总结 能源危机是人类已经陷入并急需要设法摆脱的主要困境之一。只有合理的利用现有 资源，发展节能技术，不断开发和利用新的可再生能源，才能达到可持续发展，从而彻 底解决能源危机。 利用微生物、酶等生物材料均能制作出各种类型的电池来给人们提供能量。尽管这 些生物燃料电池还有诸多问题存在，况且绝大多数研究报道都是处于实验阶段，离实用 阶段差距较远，但随着生物技术和其他相关科学的高速发展，相信在不久的将来，生物 燃料电池一定会成功应用于实际生活，为人类社会做出巨大的贡献