生物燃料电池的研究现状与进展.pdf

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1、生物燃料电池的研究现状与进展陈湛（内蒙古工业大学土木工程学院市政工程系，内蒙古呼和浩特010000）摘要：综述了目前生物燃料电池的最新发展状况，详细介绍了微生物燃料电池（MFC）的基本原理、产电微生物、MFC常见结构和电极材料优化，以及酶生物燃料电池的结构及原理，并展望了生物燃料电池的应用前景。关键词：生物燃料电池；微生物燃料电池；研究进展0.前言21世纪人类面临的主要问题是不可再生能源的日益短缺、能源安全以及能源使用不当所引起的环境等问题，而开发可再生能源就成为当前的研究热点。生物燃料电池（biofuelcell，BFC）是一种以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能

2、的特殊燃料电池，其特点是能量转化效率高、生物相容性好、原料来源广泛，可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的可再生绿色电池，并有望在医疗、航空、环境治理等领域广泛使用。根据所使用催化剂的不同，生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶生物燃料电池（enzymaticbiofuelcell，EFC）和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池（microbialfuelcell，MFC）。微生物燃料电池中使用的催化剂实际上是微生物细胞中的酶，由于酶在细胞内，所以整个系统的稳定性比较高，电池寿命较长，大约可以达到5年，但是一般微生物燃料电池的电子在传递的过程中会因细胞阻碍的影响导致能量转换效率较低。而

3、酶生物燃料电池因为消除了细胞内外等因素的传质阻碍，所以大大提高了电子的转移速率和电池的能量转化率。但由于酶在生物体外活性比较难保持，稳定性比较低，导致只能使部分燃料氧化，电池的寿命比较短。一般地，生物燃料电池类型不同，应用的领域也会有所不同。本文主要介绍了微生物燃料电池及酶燃料电池的结构及其在废水处理、产电量等方面的最新研究进展。第1页1.微生物燃料电池1.2基本原理通常MFC反应器主要由3部分组成：阴阳电极、质子交换膜和反应室。以附着于阳极的微生物作为催化剂，以淀粉、糖类、醇类、半光氨酸、蛋白质等有机质物质等为燃料，燃料在微生物的催化作用下产生电子和质子，产生的电子通过细胞膜相关组分或者

4、通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外电路到达阴极，由此产生外电流;质子通过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极，在阴极得到电子被还原。1.3产电微生物在厌氧条件下氧化有机物并且把氧化过程中产生的电子传递到电极上产生电流，同时在电子传递过程中获得能量生长繁殖的微生物叫产电微生物。1.3.1希瓦氏菌希瓦氏菌因其呼吸类型的多样性而得到广泛关注，以半胱氨酸为燃料产电，用16SrDNA序列分析技术对阳极微生物群落进行分析。结果显示，希瓦菌在电极上高度富集，最大功率密度达到0.019W/m2。1.3.2假单胞菌以绿脓杆菌为阳极微生物，以铁氰化钾为阴极电子受体，功率密度达到3.1~4.2W/m2，研究表明

5、假单胞菌可以通过自身分泌物或代谢产物作为电子传递介体。1.3.3泥细菌泥细菌是一类重要的产电微生物。G.sulfurreducens是在单一底物的MFC中产电能力最高的菌种。到目前为止，已成为产电呼吸代谢研究的模式菌株是G.sulfurreducens，其全基因组序列的测序已经完成，同时具有较好的遗传信息背景。1.3.4混合菌群相对于纯菌，混合菌具有阻抗环境冲击能力强、利用基质范围广、降解底物速率和能量输出效率高的优点。1.4电池结构及电极材料的优化1.4.1双室型微生物燃料电池双室MFC反应器由一个阴极室和一个阳极室组成，中间由质子交换膜（PEM）隔开。PEM的使用一方面将阳极室和阴极室

6、分隔开，传递质子，阻止阴极室内氧气扩散到阳极室;另一方面增加了质子扩散的阻力，增加了反应器的成本。第2页研制优良的PEM膜对MFC的研究至关重要。研究表明，CEM膜的使用相对于AEM膜会导致pH梯度和溶液导电性的变化较大，并且在阴极上有盐析出现。Rozendal等认为通过膜把反应器阴极和阳极隔离开，会造成阴极pH的上升，由此产生的pH梯度是电势损失的主要原因。因此，改变电池结构，省去昂贵的质子交换膜，同时减小内阻、增大功率输出是当前研究的重点。目前双室型微生物燃料电池面临的问题主要是成本高、体积大、操作复杂、溶解氧浓度偏低、输出电压难以提高等。因此，开发操作简单、成本低、溶解氧浓度高、输出

7、电压高的双室型微生物燃料电池是解决其实际应用的关键。另外开发更为简便的单室型微生物燃料电池也可减少以上出现的问题。1.4.2单室MFC与双室MFC反应器显著不同的是:①阴极和阳极在同一反应室;②阴极和PEM直接压在一起制成二合一电极，阴、阳极与膜压制成三合一电极;③通过去除质子交换膜减小反应器的内阻，能进一步提高MFC的电能输出，降低了运行费用。单室MFC与双室MFC相比:单室MFC的内阻小于双室MFC的内阻，单室MFC