微生物燃料電池

微生物燃料電池原理微生物燃料電池最新研究進展相關(guān)文件微生物燃料電池第1頁微生物燃料電池原理燃料在陽極室內(nèi)，經(jīng)過微生物代謝被氧化，電子經(jīng)過外電路抵達陰極，質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子交換膜抵達陰極，氧化物在催化劑作用下在陰極室內(nèi)被還原。分為：直接微生物燃料電池間接微生物燃料電池微生物燃料電池第2頁直接微生物燃料電池原理直接微生物燃料電池是指燃料直接在電極上被氧化，電子直接由燃料轉(zhuǎn)移到電極。微生物燃料電池第3頁間接微生物燃料電池原理間接微生物燃料電池燃料不在電極上氧化，而是在別處氧化后，電子經(jīng)過某種路徑傳遞到電極上來。微生物燃料電池第4頁微生物燃料電池最新研究進展1.與MEMS(microelectromechanicalsystem)結(jié)合微生物燃料電池。美國加州大學(xué)Berkerley分校機械工程系lin出于對無污染汽車能源和家用能源研究，注意到了微生物燃料電池。其研究表明，微生物燃料電池完全能夠做到更小尺度。lin燃料電池當前已能到達0.07cm2面積大小，使用燃料為葡萄糖，催化劑為cerevisiae酵母。這種微生物燃料電池原型中有一個微小空室，用于放置進行發(fā)酵作用微生物。葡萄糖溶液經(jīng)過平行流體槽道進入到這個微小空室中。在微生物進行發(fā)酵過程中，產(chǎn)生氫質(zhì)子和電子。微生物燃料電池第5頁Lin試驗中，在長達兩個小時過程中，該微生物燃料電池產(chǎn)生了300mV電壓。這種微型生物燃料電池產(chǎn)生電壓，已足以驅(qū)動MEMS（microelectromechanicalsystem）器件，同時，微生物燃料電池產(chǎn)生只是二氧化碳和水分。這兩種技術(shù)融合，可能是未來微機械和微型燃料電池一個含有發(fā)展前途方向。比如微型自維持型醫(yī)療器械.微生物燃料電池第6頁2.處理污水微生物燃料電池最近由美國賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家Logan率領(lǐng)一個研發(fā)小組宣告他們研制出一個新型微生物燃料電池。能夠把未經(jīng)處理污水轉(zhuǎn)變成潔凈用水和電源。在發(fā)電能力方面，據(jù)洛根稱在試驗室里該設(shè)備能提供電功率能夠驅(qū)動一臺小電風(fēng)扇。即使當前產(chǎn)生電流不大，但該設(shè)備改進空間很大。洛根研發(fā)小組已經(jīng)把該燃料電池發(fā)電能力提升到了350W洛根希望這一數(shù)值最終能到達500W～1000W.等技術(shù)成熟后能夠批量生產(chǎn)微生物燃料電池發(fā)電能力將取得很大提升，洛根認為它能夠提供500KW穩(wěn)定功率，大約是300戶家庭用電功率.微生物燃料電池第7頁3.吃肉機器人（gastrobot）是一個經(jīng)過分解有機物質(zhì)作為能源驅(qū)動力機器人。基于微生物燃料電池（MFC）技術(shù)吃肉機器人以下列圖所表示是一個吃肉機器人，它所依靠正是經(jīng)典微生物燃料電池技術(shù)，可將食物能源轉(zhuǎn)化為電流。以葡萄糖溶液作為基礎(chǔ)燃料，利用發(fā)酵來起作用。這種基于微生物燃料電池吃肉機器人，主要包含以下幾個必要部件：生物催化劑，氧化還原反應(yīng)中介物；一個陽離子交換隔膜；電極；陰極氧化反應(yīng)物（比如圖中鐵氰化物ferricyanide）。微生物燃料電池第8頁Electricitygenerationusingmicrobialfuelcells

利用微生物燃料電池發(fā)電研究

Y.Mohan,S.ManojMuthuKumar,D.Das?

DepartmentofBiotechnology,IndianInstituteofTechnology,Kharagpur721302,India

Received20June;accepted9July微生物燃料電池第9頁背景知識和研究目標Mediatortype,concentration,pHandsometimesevenmixtureofthethreeplayanimportantroleintheanodepotentialfixing.微生物燃料電池性能受很多原因影響，諸如介體類型、介體濃度、pH值等。微生物燃料電池第10頁Inthisstudy,wehaveexaminedtheeffectofdifferentelectronmediators,concentrationofthemediator,ionicstrengthofthemediumandthesurfaceareaofthesalt-bridgeincontactwiththeanodeandcathodechambersonthepowergenerationinMFCs.目標：研究不一樣電子介體、介體濃度、介質(zhì)中離子強度和鹽橋表面積對微生物燃料電池性能影響。微生物燃料電池第11頁介體介紹氧化還原介體是電子傳遞關(guān)鍵步驟，充當介體應(yīng)具備以下條件：①輕易經(jīng)過細胞壁；②輕易從細胞膜上電子受體獲取電子；③電極反應(yīng)快；④溶解度、穩(wěn)定性等要好；⑤對微生物無毒；⑥不能成為微生物食料。一些有機物和金屬有機物能夠用作微生物燃料電池氧化還原介體，其中，較為經(jīng)典是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA和中性紅等。微生物燃料電池第12頁MaterialsandmethodsDesignandoperationofMFC陰極、陽極室：500ml玻璃瓶，側(cè)面開口（直徑0.8cm），由鹽橋（長8cm，直徑0.7cm）連接，置于室溫28℃左右。電極：石墨棒（長4.5cm，直徑0.7cm）電路：銅線連接兩個電極，電阻，萬用表等菌種：EnterobactercloacaestrainIIT-BT08培養(yǎng)基：400ml無菌MYG，MYG(Maltextract1%,Yeastextract0.4%,Glucose1%)，按10%量接菌，陽極室通入氬氣排凈氧氣。介體：methylviologen(MV)-甲基紫羅堿和methyleneblue(MB)-甲基藍，MV濃度，0.05，0.1，0.5mM；MB濃度，0.01，0.03，0.05，0.08mM.NaCl用來增加離子強度，濃度為100，25，10mM鹽橋：2%瓊脂和飽和KCl（37g/100ml）溶液陰極：不停通入氧氣。微生物燃料電池第13頁Datacaptureandanalysis電壓和電流用萬用表測量最大功率用公式計算：

Pmax=Vmax×IV代表最大開路電壓，電流為對應(yīng)值功率密度用公式Pmax/A計算，A代表陽極表面積，電流密度用公式Imax/A計算。微生物燃料電池第14頁結(jié)果和討論-MV不一樣濃度試驗圖一MV做電子介體，濃度為0.1mM，最大電壓為0.4V。之后改變濃度從0.1變?yōu)?.05和0.5，發(fā)覺對最大電壓沒有影響。但沒有檢測到電流。微生物燃料電池第15頁MB不一樣濃度試驗圖二濃度為0.05mM，有最大電壓為0.37V；濃度為0.03mM時，最大電流為56.7uA；最大功率為19.2uW.對應(yīng)功率密度和電流密度為9.33mW/m2和27.59mA/m2.（見下列圖和表）微生物燃料電池第16頁微生物燃料電池第17頁微生物燃料電池第18頁離子強度試驗然后用0.03mMMB做下一步試驗。Similarly,maximumpowerwasobservedwhen10mMNaClconcentrationwasused.濃度為10mM時觀察到有最大功率。A100mMconcentrationsloweddownthegrowthofthestrainintheanodechamber。濃度為100mM時減慢了菌株生長。25mMNaClgeneratedlesspowercomparedwith10mMNaCl。25mM時比100mM產(chǎn)電量要少。Nocurrentwasdetectedintheabsenceofsaltinthemedium.沒有鹽存在時監(jiān)測不到電流。微生物燃料電池第19頁ThisfurthercorroboratedthefactthattheionicstrengthofthemediaintheMFCaffectstheperformanceoftheMFC.證實了離子強度可影響MFC性能。Additionofthesaltprobablyincreasestheconductivityofthemediumbydecreasingtheinternalresistance;thus,highercurrentgenerationwasobservedwhensaltwasaddedinthemedium.可能經(jīng)過減小內(nèi)阻增加導(dǎo)電性。微生物燃料電池第20頁surfaceareaofthesaltbridge

鹽橋表面積試驗Whenthesurfaceareaofthesaltbridgeincontactwithanodeandcathodechamberswasincreasedfrom0.4to15.9cm2,analmostproportionateincreaseinthemaximumpowergenerationwasobserved.鹽橋表面積從0.4增加到15.9cm2時，最大功率增加。

Arelativelyhigherpowerdensityof236mW/m2andcurrentdensityof666.7mA/m2wereseen.電流密度和功率密度較高。Increasedsurfaceareamighthaveprobablyassistedinefficienttransferoftheprotonsfromtheanodechambertothecathodechamber,thusallowingthecircuittobecompletedatafasterrate.表面積增加可能有利于質(zhì)子有效傳遞。

微生物燃料電池第21頁Conclusions結(jié)論SaltbridgeMFCisthesimplestbiologicalfuelcellthatcanbedesignedandstudied.鹽橋MFC在設(shè)計和研究中是最簡單生物燃料電池。TheperformanceoftheMFCdependsonthetypeofmediator,mediatorconcentration,ionicstrengthandsurfaceareaofthecationexchangerincontactwiththeanodeandcathodechamber.MFC性能受很多原因影響，諸如介體類型、介體濃度、離子強度等。AllthesefactorsneedtobeoptimizedformaximizingthepowergenerationinanytypeofMFC.為了最大化產(chǎn)電，影響原因需要優(yōu)化。微生物燃料電池第22頁問題與展望生物燃料電池本身潛在優(yōu)點使人們對它發(fā)展前景看好，但要作為電源應(yīng)用于實際生產(chǎn)與生活還比較遙遠。其