微生物燃料电池分析解析.ppt

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1、微生物燃料电池microbialfuelcell任务分配演讲：陈进制作：田齐明资料收集：张亮樊良军一：微生物燃料电池概述生物燃料电池燃料电池（fuelcell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料电池（biofuelcell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。MFC（microbialfuelcell）：利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂

2、，可以在常温常压下进行能量转换。1.概念1911年，英国植物学家Potcer用酵母和大肠杆菌进行试验，首次发现利用微生物可以产生电流，拉开了微生物燃料电池研究的序幕。40多年后，美国基于研究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，间接微生物电池占主导地位。先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质，然后再将这些物质通入燃料电池发电。2.微生物燃料电池发展简史从60年代后期到70年代，直接生物燃料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燃料电

3、池。这种电池多是以葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂的酶燃料电池。锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用于医学临床。生物燃料电池研究因此受到较大冲击。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。90年代初，我国也开始了该领域的研究。3.微生物燃料电池的分类依据微生物的营养类型分类：异养

4、微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差产生电能。依据电子的转移方式分类1.介体微生物燃料电池?微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池中加入适当的介体，会显著改善电子的转移速率。2.无介体微生物燃料电池指微生物燃料电池中的细菌能分泌细胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由细

5、胞膜内转移到电极上。?目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌、地杆菌，酸梭菌、粪产碱菌、鹑鸡肠球菌和铜绿假单胞菌等。依据微生物种类分类纯菌型：腐败希瓦菌、地杆菌、酸梭菌等混菌型：抗冲击能力强，更高的底物降解率，更低的底物专一性和更高的能量输出效率依据微生物燃料电池的外型分类双室微生物燃料电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等)。单室微生物燃料电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低，只有30％。二：微生物燃料电池工作原理有机

6、物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，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＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+阴极反应：4e-＋O2＋4H+2H2OMFC的基本工作原理：PEM负载阳极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物微生物微生物燃料电池工作原理生物燃料电池间接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

7、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；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生物燃料电池电子传递机理：1）细胞通过其细胞膜外侧的细胞色素C将呼吸链中的电子直接传递到阳极，如异化还原铁地杆菌、铁还原红螺菌等；2）细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤

8、毛称为纳米电线（nanowire）。MFC的主要组成部分生物燃料电池微生物燃料电池组成生物燃料电池质子交换膜(PEM)PEM对电池产电性能影响也很大。在双室MFCs中,PEM的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。在单室MFCs中,一般采用“二合一”电极,即将PEM热