微生物燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)論文

1、 微生物燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)摘要 簡(jiǎn)述了微生物燃料電池(MFC) 的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，分析了MFC 在替代能源、生物傳感器和開(kāi)發(fā)新型水處理工藝等方面的應(yīng)用前景。介紹了不同類(lèi)型的燃料電池如車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池、航天飛行器用再生燃料電池、小型便攜式產(chǎn)品用直接甲醇燃料電池、中小型電站用固體氧化物燃料電池( SOFC)、微生物燃料電池(MFC )的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)，并指出了未來(lái)燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 微生物燃料電池，微生物，新能源，生物傳感器，水處理Title The Development Trend of Microbial Fuel Cell_AbstractThe microbia

2、l 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

3、, 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 t

4、rend of.Keywords microbial fuel cells, microorganisms, new energy, biological sensors, water treatment1 引言 微生物燃料電池(MFC) 是一種以微生物為陽(yáng)極催化劑,將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。利用MFC 不僅可以直接將水中或者污泥中的有機(jī)物降解,而且同時(shí)可以將有機(jī)物在微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化成電流,從而獲得電能。現(xiàn)在, 也有一些筆記型電腦開(kāi)始研究使用燃料電池。但由于產(chǎn)生的電量太小, 且無(wú)法瞬間提供大量電能, 只能用于平穩(wěn)供電上。燃料電池經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展,終于在20世紀(jì)末迎來(lái)新的發(fā)

5、展機(jī)遇, 成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。由于燃料電池的低排放、綠色環(huán)保, 使其在汽車(chē)領(lǐng)域的研發(fā)大行其道, 但燃料電池車(chē)商業(yè)化尚未實(shí)現(xiàn)；燃料電池所具備的高容量、輕便等特點(diǎn), 也使其成為便攜設(shè)備的持續(xù)動(dòng)力源。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所應(yīng)用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展。他們從污染環(huán)境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電能，最佳pH為9.5。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，該菌株在MFC體系中代謝有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，P

6、CA），該介體起電子穿梭的作用從而實(shí)現(xiàn)電子從有機(jī)物到電極的傳遞過(guò)程。 2 微生物燃料電池的工作原理微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)為陰極池加陽(yáng)極池。根據(jù)陰極池結(jié)構(gòu)的不同,MFC 可分為單池型和雙池型2 類(lèi)；根據(jù)電池中是否使用質(zhì)子交換膜又可分為有膜型和無(wú)膜型2 類(lèi)。其中單池型MFC 由于其陰極氧化劑直接為空氣,因而無(wú)需盛裝溶液的容器,而無(wú)膜型燃料電池則是利用陰極材料具有部分防空氣滲透的作用而省略了質(zhì)子交換膜。MFC的陽(yáng)極材料通常選用導(dǎo)電性能較好的石墨、碳布和碳紙等材料,其中為提高電極與微生物之間的傳遞效率,有些材料經(jīng)過(guò)了改性。陰極材料大多使用載鉑碳材料,也有使用摻Fe3 + 的石墨和沉積了氧化錳的多孔石

7、墨作為陰極材料的報(bào)道。MFC 基本工作原理為: 在陽(yáng)極池,水溶液中或污泥中的營(yíng)養(yǎng)物在微生物作用下直接生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物,電子通過(guò)載體傳送到電極表面。隨著微生物性質(zhì)的不同,電子載體可能是外源的染料分子、與呼吸鏈有關(guān)的NADH 和色素分子,也可能是微生物代謝產(chǎn)生的還原性物質(zhì),如S2 - 和H2等。電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子通過(guò)溶液遷移到陰極。在陰極表面,處于氧化態(tài)的物質(zhì)(如氧氣等) 與陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的質(zhì)子和電子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比, 微生物燃料電池的能量轉(zhuǎn)換是直接的, 不需要經(jīng)過(guò)熱能轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié), 因此發(fā)電效率比較高。其發(fā)電原理與其它化學(xué)電源一樣, 在電池的陽(yáng)極發(fā)生燃料的催

8、化氧化反應(yīng), 陰極發(fā)生氧化劑的催化還原反應(yīng)。電解質(zhì)隔開(kāi)陰陽(yáng)極并提供質(zhì)子遷移通道, 電子通過(guò)外電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載做功, 這樣就構(gòu)成了電池負(fù)載回路。對(duì)外電路按原電池定義電池的陽(yáng)極為正極, 陰極為負(fù)極。由于燃料電池的燃料和氧化劑不是貯存在電池內(nèi),而是貯存在電池外部的儲(chǔ)罐中。只要保證燃料供應(yīng), 就能夠持續(xù)不斷的產(chǎn)生電能。當(dāng)電池運(yùn)行時(shí),燃料和氧化劑源源不斷地送入電池, 電化學(xué)反應(yīng)后會(huì)有反應(yīng)產(chǎn)物和部分未反應(yīng)的燃料和氧化劑排出, 同時(shí)伴隨有熱量生成。3 微生物代謝和電子傳遞過(guò)程 3.1 微生物代謝過(guò)程Rabaey 等認(rèn)為,陽(yáng)極電勢(shì)的高低決定了微生物代謝的途徑:當(dāng)陽(yáng)極電勢(shì)較高時(shí),微生物利用呼吸鏈進(jìn)行代謝,電子和質(zhì)子

9、通過(guò)NADH 脫氫酶、輔酶Q和色素進(jìn)行傳遞;當(dāng)陽(yáng)極電勢(shì)下降,且溶液中沒(méi)有硝酸鹽、硫酸鹽和其他電子受體時(shí),溶液中主要發(fā)生的是發(fā)酵過(guò)程。而像醋酸、丁酸這樣的發(fā)酵產(chǎn)物則可以在更低的陽(yáng)極電勢(shì)下由Geobacter 種群微生物代謝,將電子傳遞到電極。而陽(yáng)極電勢(shì)的高低可以通過(guò)調(diào)節(jié)外電阻,控制溶液中氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽和其他電子受體的濃度來(lái)控制。 3.2 電子傳遞過(guò)程電子從微生物到電極的傳遞主要有3 種方式:由細(xì)胞膜直接傳遞、通過(guò)中間體傳遞及以上2 種傳遞方式同時(shí)存在的傳遞。(1) 由細(xì)胞膜直接傳遞電子對(duì)于無(wú)需外源中間體的直接MFC ,電子從微生物細(xì)胞膜直接傳遞到電極。在電子傳遞過(guò)程中,作為呼吸鏈重要組成部

10、分的、位于細(xì)胞膜上的色素是實(shí)際的電子載體。因此,對(duì)于此類(lèi)MFC ,要提高電池輸出功率,關(guān)鍵在于提高細(xì)胞膜與電極材料的接觸效率。目前被認(rèn)為由細(xì)胞膜直接傳遞電子的微生物有Geobacter metallireducens 、Aeromonas hydrophi2la 、Rhodoferax ferrireducens 和Shewanella putref aciens等。(2) 由中間體傳遞電子由中間體傳遞電子的過(guò)程為:處于氧化態(tài)的中間體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),與呼吸鏈上的還原產(chǎn)物NADH 耦合后,轉(zhuǎn)變成還原態(tài)的中間體;還原態(tài)的中間體被微生物排泄出體外,在電極表面失去電子被氧化。理想的中間體應(yīng)該能被細(xì)菌吸收和

11、排泄,對(duì)微生物沒(méi)有毒性,氧化態(tài)和還原態(tài)均比較穩(wěn)定,能夠與NADH相連接。此外,理想外源中間體的氧化還原電勢(shì)應(yīng)高于色素和NADH 等細(xì)胞內(nèi)氧化還原電對(duì)的電勢(shì),同時(shí)應(yīng)低于電極材料的氧化還原電勢(shì)。Park 等研究發(fā)現(xiàn),將中間體通過(guò)化學(xué)鍵固定在石墨電極表面可以提高電池的輸出電流密度。在有關(guān)MFC 的早期研究中,研究的重點(diǎn)在于選擇合適的外源中間體以提高電池的輸出功率。通常,MFC 中使用的中間體大多是人工合成的染料物質(zhì),如亞甲藍(lán)、中性紅等。Rabaey 等的研究結(jié)果表明,微生物自身代謝也可以產(chǎn)生中間體。他們?cè)赑seudomonas aeruginosa 接種的MFC 中檢測(cè)出了抗菌物質(zhì)綠膿菌素(pyoc

12、yanin) 和phenazine - 1- car2boxamide ,將這些物質(zhì)用于由其他微生物接種的MFC時(shí),同樣可以明顯提高電池的電流輸出。值得注意的是, Pseudomonas aeruginosa 僅在MFC 中代謝產(chǎn)生中間體,在普通的厭氧條件下沒(méi)有中間體產(chǎn)生。4 微生物燃料電池應(yīng)用研究進(jìn)展 已有研究結(jié)果顯示,微生物燃料電池在以下方面具有應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景: 替代能源; 傳感器; 污水處理新工藝; 利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進(jìn)行未培養(yǎng)菌的富集。 4.1 替代能源 生物質(zhì)制氫被認(rèn)為是未來(lái)氫燃料電池的原料來(lái)源,而MFC 與生物質(zhì)制氫的共同特點(diǎn)是均以生物質(zhì)作為原料,但在生物質(zhì)制氫過(guò)程中,葡萄

13、糖等生物質(zhì)中還有相當(dāng)部分的氫未被利用,而且氫氣還只是從生物質(zhì)獲取能源的中間產(chǎn)品,而MFC 則可以直接將葡萄糖中的氫全部消耗并轉(zhuǎn)化成H2O ,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能源的效率較高。正是由于MFC 能夠直接將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成電能,因此Wilkinson 展望了用食物直接喂養(yǎng)機(jī)器人的可能性。 迄今為止,雖然已報(bào)道的MFC 中雙池型電池的輸出功率密度最大,但由于雙池型MFC 的陰極為鐵氰化鉀溶液,需要連續(xù)曝氣,操作復(fù)雜,因此,近幾年直接利用空氣作為陰極的單池型燃料電池令人關(guān)注。2001 年,Park 等首先報(bào)道了用摻Fe3 + 的石墨為陰極、摻Mn4 + 的石墨為陽(yáng)極、陶瓷膜為質(zhì)子交換膜、活性污泥接種的單池型MFC

14、 的性能,該電池的輸出功率密度達(dá)到788 mW/ m2 。自2003 年起,Liu等和Booki 等報(bào)道了以載鉑碳布為陰極材料、碳紙為陽(yáng)極材料的單池型MFC 的性能。通過(guò)調(diào)整電池結(jié)構(gòu)和各種操作參數(shù),使電池的輸出功率密度達(dá)1 330mW/ m2 。 由以上結(jié)果可見(jiàn),MFC 作為新型能源開(kāi)發(fā)的主要問(wèn)題在于需進(jìn)一步提高電池的輸出功率密度及電極電子的傳遞效率。相信經(jīng)過(guò)深入研究,MFC 為一些只需要較小電量就能運(yùn)行的遙控裝置提供能源是可能的。 4.2 微生物傳感器的開(kāi)發(fā) BOD5 被廣泛用于評(píng)價(jià)污水中可生化降解的有機(jī)物含量,但由于傳統(tǒng)的BOD 測(cè)定方法需要5 天的時(shí)間,因此,出現(xiàn)了大量關(guān)于BOD 傳感器

15、的研究,其中以MFC 工作原理為基礎(chǔ)的BOD 傳感器的研究也是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。利用MFC 工作原理開(kāi)發(fā)新型BOD 傳感器的關(guān)鍵在于: 電池產(chǎn)生的電流或電荷與污染物的濃度之間呈良好的線性關(guān)系; 電池電流對(duì)污水濃度的響應(yīng)速度較快; 有較好的重復(fù)性。 目前,正在研究的MFC 型傳感器全部為有質(zhì)子交換膜的雙池型結(jié)構(gòu),電池的陰極多為溶氧的磷酸鹽緩沖溶液,陽(yáng)極為待測(cè)的水溶液。Kim 等在用自行設(shè)計(jì)的BOD 傳感器分批測(cè)定溶液BOD 的濃度時(shí)發(fā)現(xiàn),電池轉(zhuǎn)移電荷與污水濃度之間呈明顯的線性關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0199 , 標(biāo)準(zhǔn)偏差為3 %12 %;電池在低濃度時(shí)響應(yīng)時(shí)間少于30 min ;連續(xù)測(cè)定BOD 質(zhì)

16、量濃度小于100 mg/ L 的溶液時(shí),電流與濃度呈線性關(guān)系,3 次電流測(cè)定的差值小于10 %;且當(dāng)MFC 的陽(yáng)極處于“饑餓”狀態(tài)后喂養(yǎng)新鮮污水,MFC 的電流能夠恢復(fù);當(dāng)電池中的污水濃度發(fā)生變化時(shí),電流需要滯后1h 達(dá)到穩(wěn)定。Moon 等通過(guò)改變污水流動(dòng)速度和電池陽(yáng)極容積的方式,使電流響應(yīng)時(shí)間縮短到了5 min。 考慮到實(shí)際污水中存在硝酸鹽和硫酸鹽等具有高氧化還原電勢(shì)的電子受體,它們會(huì)降低MFC 的電流響應(yīng)信號(hào),Chang 等嘗試在陽(yáng)極池中加入疊氮化物和氰化物等呼吸抑制劑,達(dá)到了消除硝酸鹽和硫酸鹽影響的效果,結(jié)果顯示,通過(guò)加入呼吸抑制劑,使MFC 型BOD 傳感器可用于準(zhǔn)確測(cè)量含氧和含硝酸鹽

17、的貧營(yíng)養(yǎng)地表水中的BOD 含量。 此外,MFC 作為貧營(yíng)養(yǎng)水體(如地表水、污水處理廠排出液等) 的傳感器電池的主要障礙在于O2 通過(guò)陰極和質(zhì)子交換膜的擴(kuò)散速率大,在陰極的還原速率低,因此導(dǎo)致電池輸出電流的輸出信號(hào)很小。Kang 等有針對(duì)性地對(duì)MFC 的陰極進(jìn)行了改進(jìn),明顯提高了MFC 電流輸出的重復(fù)性和信噪比。 4.3 作為水處理的新工藝 目前,以有機(jī)污水為燃料、回收利用污水中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能一直是MFC 研究中的主要目的,但在研究中,對(duì)于MFC 處理后污水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果使研究人員對(duì)以MFC 工作原理為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)新的污水處理工藝產(chǎn)生了濃厚興趣。 2004 年,Jang 等研究發(fā)現(xiàn),用MFC 處理

18、由葡萄糖和谷氨酸配制的CODCr質(zhì)量濃度為300 mg/ L 的人工污水, CODCr 的去除率可達(dá)到90 %。Logan等直接用以空氣為陰極的MFC 處理生活污水,CODCr去除率達(dá)到80 %。Jang 等用柱塞流蛇形管道電池處理含不同底物的污水,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)處理污水、連續(xù)產(chǎn)生電流。值得注意的是,MFC 在厭氧降解有機(jī)物的同時(shí),污水pH 保持中性,且溶液中沒(méi)有常規(guī)厭氧環(huán)境發(fā)酵產(chǎn)生的CH4 和H2 等。因此,MFC可以作為污水的常規(guī)處理手段,CODCr去除率可以達(dá)到與一般厭氧過(guò)程同樣的效果,但MFC 不會(huì)使污水水質(zhì)發(fā)生酸化,也不會(huì)產(chǎn)生具有爆炸性的危險(xiǎn)氣體,因此具有很好的開(kāi)發(fā)前景。 綜上所述,MF

19、C 在替代能源開(kāi)發(fā)、微生物傳感器研究和水處理工藝開(kāi)發(fā)方面均具有良好的應(yīng)用前景,但在改善電極電化學(xué)性能、提高電池輸出功率密度和降低電池成本等方面還需要繼續(xù)深入探索。相信隨著MFC 研究的不斷深入,MFC 的工業(yè)化應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。 5 燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 5.1 車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的首選技術(shù), 它具有比功率高、啟動(dòng)快等特點(diǎn), 自20個(gè)世紀(jì)90 年代以來(lái), 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)在國(guó)際范圍內(nèi)蓬勃興起。目前, 影響燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的主要技術(shù)難點(diǎn)來(lái)自于燃料電池的壽命與成本。車(chē)用燃料電池耐久性欠佳, 主原因是車(chē)載工況對(duì)燃料電池的影響, 如頻繁起停、快速變載等非穩(wěn)

20、態(tài)操作以及低溫、雜質(zhì)環(huán)境影響等, 都會(huì)導(dǎo)致燃料電池加速衰減, 引起壽命縮短。其中以單一燃料電池為動(dòng)力的純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)對(duì)車(chē)載工況表現(xiàn)得更為敏感。在降低成本方面, 目前正在研制廉價(jià)的替代材料、低貴金屬擔(dān)量與非Pt催化劑、增強(qiáng)自增濕膜、烴類(lèi)膜、可沖壓成型的金屬薄雙極板等,以期進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃料電池的成本控制。此外, 未來(lái)批量化生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)有效地降低成本。 5.2 航天飛行器用再生燃料電池再生燃料電池( RFC )用作臨近空間飛艇和空間站的主電源, 引起了國(guó)際上的關(guān)注, 目前正處于大力研發(fā)推進(jìn)階段。再生燃料電池由電解池和燃料電池組成, 向日時(shí)太陽(yáng)能發(fā)電并電解水, 生成氫氣與氧氣貯存起來(lái)；背日時(shí), 燃料

21、電池發(fā)電, 生成水, 水可以循環(huán)使用, 并保持儲(chǔ)能基本恒定。RFC具有高的比能量和比功率, 使用中無(wú)自放電且無(wú)放電深度及電池容量的限制, 產(chǎn)生的高壓H2、O2不僅可用于空間站及衛(wèi)星的姿態(tài)控制, 還可以用于宇航員的生命保障, 而且, 儲(chǔ)能物質(zhì)又是極為安全廉價(jià)的純水。因此, 美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視RFC 技術(shù)的研究開(kāi)發(fā), 已經(jīng)把RFC 技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域, 并將RFC 技術(shù)視為今后“空間可再生能源技術(shù)”的重要發(fā)展方向之一。目前, 再生燃料電池存在的主要技術(shù)問(wèn)題包括:高活性氧電極催化劑的研究, 金屬催化劑表面和含氧物種的相互作用是電極反應(yīng)活性大小的決定因素；提高M(jìn)EA 界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 水電解的

22、析氫、析氧過(guò)程容易導(dǎo)致膜電極組件( MEA )分層；耐腐蝕擴(kuò)散層材料的研究。 5.3 小型便攜式產(chǎn)品用直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池( DMFC )與二次電池比較起來(lái), 理論比能量高, 用于小型便攜式產(chǎn)品可以明顯地提高待機(jī)時(shí)間, 近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前, 日本、韓國(guó)、德國(guó)等研制成功了用于筆記本電腦、手機(jī)等用DMFC 的演示樣機(jī); 此外,DMFC在軍事領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛, 如單兵作戰(zhàn)電源等。我國(guó)DMFC 研究近年來(lái)取得了很大進(jìn)展,電池的性能指標(biāo)已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列, 開(kāi)發(fā)了筆記本電腦電源、便攜式電源等樣機(jī)。DMFC 已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化的前夜, 但目前還存在著一些技術(shù)難題需要解決:陰極

23、水管理問(wèn)題:有效水管理是保證DMFC 便攜式電源穩(wěn)定工作的重要因素。DMFC 采用甲醇水溶液作燃料, 由陽(yáng)極至陰極水的電遷移與濃差擴(kuò)散導(dǎo)致陰極側(cè)的水量遠(yuǎn)大于電化學(xué)反應(yīng)生成水, DMFC 運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生“水淹( flooding)”, 從而引起DMFC 不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。純甲醇進(jìn)料問(wèn)題: 為了提高DMFC 的比能量, 采用高濃度甲醇燃料進(jìn)料是有效手段之一。通過(guò)陰極生成水回饋到陽(yáng)極是目前解決純甲醇進(jìn)料的主要思路, 通常利用微型泵外強(qiáng)制水循環(huán)是一個(gè)解決方案, 但是其缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜。污染物的消除: DMFC 可能的污染物來(lái)源于反應(yīng)物、產(chǎn)物(包括部分中間產(chǎn)物), 隨著陽(yáng)極產(chǎn)物CO2的排放可能挾帶部分

24、甲醇, 這是污染的主要來(lái)源;此外, 由于滲透到陰極的甲醇不能完全氧化為CO2和水, 隨陰極未反應(yīng)的空氣可能排出超過(guò)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的微量甲醇與甲醛。如何消除這些污染物并使排出氣達(dá)到環(huán)保要求也是值得關(guān)注的課題。 5.4 中小型電站用固體氧化物燃料電池( SOFC )固體氧化物燃料電池主要用于中小型分散電站, 它可適用于除了氫以外的多種燃料, 如: 天然氣、煤氣、生物質(zhì)燃料氣等, 并可以與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電, 能進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率, 在未來(lái)商業(yè)化方面具有廣闊的發(fā)展前景。常用的SOFC結(jié)構(gòu)類(lèi)型有管型和平板型兩種。平板型SOFC 的優(yōu)點(diǎn)是膜電極制備工藝簡(jiǎn)單、成本低, 由于電流收集均勻, 流經(jīng)路徑短, 所

25、以平板型電池的輸出比功率較高。其主要缺點(diǎn)是密封困難、抗熱循環(huán)性能差以及組裝成大功率電池組較難等。但是, 當(dāng)SOFC 的操作溫度降低到600 800°C后, 可以在很大程度上擴(kuò)展電池材料的選擇范圍, 提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性, 降低電池系統(tǒng)的制造和運(yùn)行成本。所以, 近年來(lái)研究與開(kāi)發(fā)的中溫SOFC大都采用平板型結(jié)構(gòu)。 5.5 微生物燃料電池(MFC) 微生物燃料電池是一種以微生物為陽(yáng)極催化劑, 將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的生物裝置。利用不僅可以直接將水中或者污泥中的有機(jī)物降解,而且同時(shí)可以將有機(jī)物在微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化成電流, 從而獲得電能。許多研究表明, MFC 技術(shù)具有處理

26、工業(yè)污水、生活污水、動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)污水和人工合成污水的潛力。MFC 在一些高端技術(shù)領(lǐng)域也有著十分廣闊的應(yīng)用前景。將陽(yáng)極插入海底沉積物, 陰極置于臨近海水中可收集到天然的、由微生物代謝產(chǎn)生的海底電流, 可為海底無(wú)光照條件下監(jiān)測(cè)來(lái)往船艦的儀器提供電源,這一設(shè)想得到美國(guó)海軍多個(gè)項(xiàng)目的支持。MFC 在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和太空站進(jìn)行廢物循環(huán)利用等方面也具有應(yīng)用前景。MFC 領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)很活躍的方面是開(kāi)發(fā)為人體植入裝置如心臟起博器等解決能源供應(yīng)的技術(shù)。MFC 可利用體液或血液中的代謝物如葡萄糖和乳酸等作為燃料, 產(chǎn)生電力。 目前, MFC 的發(fā)展處在初期階段, 研究重點(diǎn)仍然在單個(gè)MFC 的生物學(xué)和電極材料

27、理論與技術(shù)上。許多研究集中在MFC 裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)上以獲得較大的功率輸出, 然而對(duì)MFC 微生物產(chǎn)電能力和代謝過(guò)程電子向電極傳遞的機(jī)制的認(rèn)識(shí), 有助于弄清生物學(xué)電子傳遞物質(zhì)與電極間的相互作用和相容性, 這是設(shè)計(jì)優(yōu)良性能MFC 系統(tǒng)和電極材料的基礎(chǔ)。 小結(jié) 微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）是一種以產(chǎn)電微生物為陽(yáng)極催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產(chǎn)電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產(chǎn)生從而有利于電能輸出，而且堿性廢

28、水是工業(yè)廢水的重要組成部分。產(chǎn)電微生物如何將有機(jī)物代謝產(chǎn)生的電子傳遞到電極上一直以來(lái)是MFC研究的一個(gè)重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產(chǎn)電機(jī)制對(duì)MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。 與微生物燃料電池相比，燃料電池目前使用存在著成本仍偏高, 利用率不太高的缺點(diǎn)，所以微生物電池有著廣闊的應(yīng)用前景。與現(xiàn)有的其它利用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢(shì)：首先，它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率；其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環(huán)境條件下能夠有效運(yùn)作；第三，微生物燃料電池不需要進(jìn)行廢氣處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的廢氣的主要組分是二

29、氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因?yàn)槿羰菃问椅⑸锶剂想姵貎H需通風(fēng)就可以被動(dòng)的補(bǔ)充陰極氣體；第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，微生物燃料電池具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時(shí)也擴(kuò)大了用來(lái)滿(mǎn)足我們對(duì)能源需求的燃料的多樣性。研究微生物電池是一件造福人類(lèi)的偉大舉措，我們應(yīng)該投入更多的人力和物力。 參考文獻(xiàn)1 蔡可心. 燃料電池 J . 農(nóng)村電氣化, 2008, 257, ( 10) : 48-49.2 黃曉梅. 燃料電池的研究與應(yīng)用 J湘電培訓(xùn)與教學(xué), 2007 ,( 1) : 46-48.3 蔡可心. 燃料電池發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介 J . 農(nóng)村電氣化, 2009,(

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