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73微生物燃料电池表观内阻的构成和测

73微生物燃料电池表观内阻的构成和测
73微生物燃料电池表观内阻的构成和测

微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

梁鹏1,范明志1,曹效鑫1,黄霞

13

,王诚

2

(11清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京 100084;21清华大学核能与新能源技术研究院,

北京 100084)

摘要:将微生物燃料电池内部各种阻力用表观内阻统一表征,在建立其等效电路的基础上将表观内阻分为欧姆内阻和非欧姆内阻2部分.通过稳态放电法测量微生物燃料电池表观内阻,在改变外电阻后稳定时间需要60s 以上方能保证测定准确性,通过稳态放电法测定一室型微生物燃料电池的表观内阻为289Ω,当外电阻等于表观内阻时微生物燃料电池对外输出功率达到

最大,为241mW Πm 2;通过电流中断法测量一室型微生物燃料电池的欧姆内阻为99Ω,测定结果与断电前电流强度无关;当一

室型微生物燃料电池对外供电分别处于活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区时,非欧姆电阻占总内阻的比例分别为93%、

66%和75%,在电池对外供电达到最大时非欧姆占总内阻比例最低.提高微生物燃料电池产电能力需要同时降低电池的欧姆

内阻和非欧姆内阻.

关键词:微生物燃料电池;表观内阻;极化曲线

中图分类号:X 382 文献标识码:A 文章编号:025023301(2007)0821894205

收稿日期:2006210209;修订日期:2006211229基金项目:国家自然科学基金项目(20577027)

作者简介:梁鹏(1976~),男,博士,主要研究方向为污水资源化与能

源化,E 2mail :liangpeng @https://www.wendangku.net/doc/c216891407.html, 3通讯联系人,E 2mail :xhuang @https://www.wendangku.net/doc/c216891407.html,

Composition and Measurement of the Apparent I nternal R esistance in Microbial Fuel Cell

LI ANG Peng 1

,FAN Ming 2zhi 1

,C AO X iao 2xin 1

,H UANG X ia 1

,W ANG Cheng

2

(11Environmental S imulation and P ollution C ontrol S tate K ey Joint Laboratory ,Department of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;21Institute of Nuclear and New Energy T echnology ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )Abstract :The electrochemical limitations on the performance of microbial fuel cells (MFCs )are mainly due to the internal resistance.The total

resistance in the MFC was expressed as the apparent internal resistance (R i )which was partitioned into ohmic resistance (R Ω)and non 2ohmic resistance (R n ),referring to the equivalent circuit of the MFC.In the one 2chamber MFC ,R i and R Ωwere measured using the steady discharging method and the current interrupt method ,and they were 289Ωand 99Ω,respectively.The maximal power density was 241

mW Πm 2

when the external resistance equaled to the apparent internal resistance.The stabilization time of 60s was enough to rem ove the in fluence of the capacitors in the steady discharging method.When the MFC was in the activation overpotential area ,the ohmic overpotential area and the concentration overpotential area respectively ,R n accounted for 93%,66%and 75%in R i .The ratio of R n to R i was the lowest when power output of the one 2chamber MFC reached its highest value.Decreasing R n and R Ωis the key to one 2chamber MFC ’s output increasing.

K ey w ords :microbial fuel cell ;apparent internal resistance ;polarization curve

利用微生物产电能力进行产电的装置称为微生物燃料电池(microbial fuel cell ,MFC ).微生物燃料电池在净化污水的同时收获电能,有可能降低污水处

理的成本,因而近年受到了广泛关注[1~4]

.但是,目前MFC 输出功率很低,国外文献中报道的最大输出

功率密度在600~4300mW Πm 2[3,5]

,比普通氢氧燃料电池低3~4个数量级.MFC 产电能力通常用最大输出功率密度衡量,当外电阻等于电池的内阻时,电池

对外输出电能功率P m 达到最大[6]

:

P m =E 2

Π4R i ,(1)式中,E 为电池电动势,R i 为电池内阻.由公式(1)可知,MFC 对外供电能力受E 和R i 的影响,E 是MFC 产能的推动力,R i 则是MFC 产能的阻力.由于MFC 中所发生的反应确定,因此提高E 的空间不

大,而R i 和电池结构密切联系,可以通过调整电池结构、优化电极以及运行方式等手段加以降低.因

此,测量MFC 内阻的构成是提高MFC 产电能力的前提.

然而,目前在MFC 研究中,对MFC 的内阻测定方法没有专门进行研究,相关方法不统一,文献中涉

及内阻的测定有3种方法:电流中断法[7]

、交流阻抗法[6]、极化曲线法[7~9].这3种方法分为2类:一类是暂态法,包括电流中断法和交流阻抗法,其中交流

阻抗法在氢氧燃料电池测定中采用广泛[10~12]

,而在

第28卷第8期2007年8月

环 境 科 学E NVIRONME NT A L SCIE NCE

V ol.28,N o.8Aug.,2007

微生物燃料电池中通常用来测定欧姆内阻[6]

;另一类是稳态法,通过稳态放电得到极化曲线,通过线性

拟和得到电池的表观内阻[9]

,包括欧姆电阻、活化电阻和传质电阻,当外电阻等于电池的表观内阻时,MFC 对外供电能力最大,所以又称为最佳外电阻.因此,考察MFC 对外最大供电能力时应测定MFC 的表观内阻.

但表观内阻中的活化内阻和传质内阻测定值均随电流变化,同时受极化曲线法中稳定时间的影响,有关表观内阻测定条件尚需完善,如Menicucci 等人[8]

发现改变外电阻的速度不同,所获得的MFC 最大供电能力不同,所对应的表观内阻也不一致.本研究首先确定改变外电阻后的稳定时间对极化曲线测定的影响,以更准确地测定MFC 的表观内阻,然后通过电流中断法确定MFC 的欧姆内阻,参照等效电路,进而确定不同电流条件下MFC 各部分内阻所占比例,以期为提高MFC 产电能力提出合理的建议.1 材料与方法111 MFC 试验装置

试验装置如图1所示,采用应用广泛的一室型

MFC ,阳极和阴极有效面积均为9cm 2

,阳极材料为

碳纸(60型,东丽公司,

日本),质子膜(Nafion T M

115和112,杜邦公司,美国)与阴极(材料同阳极,一侧

附着催化剂铂,载量015mg Πcm 2

)热压成一体.阳极

室容积为36cm 3

,利用磁力搅拌器(H J 22型,常州,中国)搅拌溶液,负载采用可调电阻箱(ZX21型,天水,中国).输出电压由信号采集系统(DAQ2213)自动记录存储,采集速率最小时间间隔可达1ms.

图1 一室型MFC 试验装置

Fig.1 Diagram of the one 2chamber MFC

112 MFC 的微生物接种与运行

试验所用菌种取自北京清河污水厂厌氧污泥,

经乙酸自配水在厌氧条件下驯养3d 后作为接种污

泥,接种量为10m L.阳极室供给的基质为乙酸自配水,主要成份为:CH 3C OONa 1640mg ΠL ;NH 4Cl 500mg ΠL ;KH 2PO 4300mg ΠL ;MgCl 2?6H 2O 100mg ΠL ;CaCl 2?2H 2O 100mg ΠL ;K Cl 100mg ΠL

[13]

;pH 在7左

右.阳极室上有盖密封,试验前将阳极室溶液曝氮气2min ,以去除其中的O 2,阳极室中溶解氧浓度维持在012mg ΠL 以下,温度恒定在25℃±3℃.113 MFC 内部等效电路

电池在放电过程中需要克服3种阻力:电化学阻力(活化极化),由电化学反应顺利进行需要克服活化能的能垒引起;传质阻力

,由反应物和生成物由于传质限制引起;欧姆阻力,由电解质中离子(质子)和电极中电子传递受到的阻力引起.这3种阻力分别对应3种电阻,分别为电化学反应电阻、传质电阻

和欧姆电阻.参考氢氧燃料电池[14,15]

,建立MFC 内部等效电路如图2.图2中R Ω代表欧姆内阻,R a 代表阳极及其双电层所产生的非欧姆内阻,R c 代表阴极及其双电层所产生的非欧姆内阻,R a +R c 即为MFC 的非欧姆内阻R n ,代表MFC 电化学反应电阻

和传质电阻之和,C a 和C c 分别表示阳极和阴极的双电层电容.

图2 一室型MFC 内部等效电路

Fig.2 Equivalent circuit of the one 2chamber MFC

114 内阻测试方法

采用稳态放电法测定MFC 的表观内阻.稳态放

电法是通过测量MFC 在不同外电阻条件下,稳定放电时的外电阻电压,通过I =U ΠR 得到电流,进而得到极化曲线,将极化曲线的欧姆极化区部分数据线性拟和所得斜率即为表观内阻.如图2中电容的存在,改变外电阻后需要一定的稳定时间,本研究考察测定表观内阻所需的最小稳定时间.

采用电流中断法测定MFC 欧姆电阻.电流中断法是将稳定放电的MFC 外电路突然断开,通过高频采样器测定阳极2阴极之间的电压随时间变化,得到电流中断瞬间电压升高值ΔU ,电路断开前电流为

5

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I ,因此欧姆电阻R Ω等于ΔU ΠI .试验所用高频采样

卡为DAQ2213(Dalink ,台湾),采样频率为1000H z ,

采用数据自动存储,从采用数据中可以读出电路中断时电压突跃值ΔU .2 结果与分析

211 微生物燃料电池的启动

在一室型MFC 中接种驯化后活性污泥,

在外电阻为10000Ω条件下,输出电压随时间变化如图3所示.接种污泥60h 以后电压上升到600mV 并持续稳定,而后每天更换基质,去除悬浮细菌对产电的影响.

图3 接种污泥后电压随时间变化(外电阻为10000Ω)

Fig.3 U changing with time at external resistance

of 10000Ωafter inoculation

212 微生物燃料电池表观内阻的确定

MFC 稳定运行3d 后,对MFC 进行稳态放电试

验.首先将外电阻R 调整到90000Ω并稳定1h 后开

始测试,逐渐将外电阻调小,直至12Ω,外电阻从90000Ω下降到10000Ω步长为20000Ω,从10000Ω

下降到1000Ω步长为1000Ω,从1000Ω下降到100Ω步长为200Ω,从100Ω到12Ω步长为10Ω(12Ω系操作中误将电阻箱×1档拨动到2).输出电压U 通过采样系统自动存储,采样频率为1H z.由于电阻变化的步长可能影响到改变电阻后电池所需稳定时间,本试验将改变电阻后稳定时间适当延长,确定在5min (213试验证实,在外电阻步长改变为200Ω时稳定时间为60s ).

极化曲线出现3个区域,分别为Ⅰ活化极化区、Ⅱ

欧姆极化区和Ⅲ浓差极化区(图4).在欧姆极化区电池对外输出功率最大,极化曲线呈线性关系,拟和直线斜率即为电池表观内阻,等于

289Ω.电池在外电阻等于该数值时对外输出功率最大,为241

mW Πm 2

.对于试验所用一室型MFC ,外电阻的范围在100~1000Ω间变动时所得数据为欧姆极化区.

图4 输出电压和功率与电流强度的关系

Fig.4 P olarization curve and power density 2current curve

图5 稳定时间对表观内阻的影响

Fig.5 Apparent resistance changing with steady time

213 稳定时间对表观内阻测量的影响

如前所述,表观内阻的测定受极化曲线稳定时

间的影响.为了确定改变外电阻后稳定时间对表观内阻测定的影响,将外电阻从2000Ω开始逐步下降至80Ω,外电阻改变后维持3min ,利用采集卡采集整个试验过程中外电阻两端的电压,采集时间间隔为1s.将改变外电阻后1、3、10、20、60、120和180s

的外电阻电压和对应电流作图得到极化曲线,对其欧姆极化区数据进行线性拟合,得到不同稳定时间下表观内阻,如图5.测定得到的表观内阻随稳定时间增加而增加.当稳定时间从1s 增加到60s ,表观内阻从228Ω迅速增加到289Ω,而当稳定时间从60s 增加到180s ,表观内阻仅从289Ω增加到291Ω.改变外电阻后稳定时间大约60s 通过极化曲线拟合得到的表观内阻是稳定的,此时图2中电容C 完全放电,不会对测量产生影响.上述结果表明,图4中的

6981环 境 科 学

28卷

极化曲线测试中,调整外电阻稳定时间为5min 是完全足够的.214 微生物燃料电池欧姆内阻的测定

微生物燃料电池欧姆内阻的测定可以采用电流中断法.该方法比较简单,便于直观理解.当MFC 在外电阻为200Ω条件下处于稳定放电时突然中断电路(此时为时间零点),电池两端电压随时间的变化如图6(数据采样间隔时间为01001s

),电压从208mV 突跃至311mV ,阶跃电压ΔU 为103mV.电压阶跃后和时间呈指数关系上升(类似于电容充电曲线).电压突跃的主要原因是电流突然中断后电池内

欧姆损失在极短时间内降为0[16]

.断电前电流强度可以通过I =U ΠR 计算得到,欧姆内阻R Ω等于阶跃电压除以断电前电流强度,为99Ω.

图6 外电阻为200Ω电流中断后电压随时间的变化

Fig.6 U changing with time after current interruption

at external resistance of 200Ω

同理,对外电阻分别为100、400、600、800和1000Ω稳定运行的MFC 实行电流中断,测得的电压变化及计算得到的欧姆内阻如表1.可见,虽然断电前外电阻不同,电流强度有差异,但通过电流中断法测得的内阻基本一致,相对偏差不到5%.不同电流强度对欧姆内阻没有影响.

表1 不同外电阻稳定运行时采用电流中断法测得欧姆内阻T able 1 Ohmic resistances measured by current 2interrupt method

at different external resistances

外电阻Π

ΩI ΠmA

断电前电压

ΠmV

断电后电压

ΠmV

欧姆内阻

Π

Ω10011401402799920011042083119940001732903589360001573403949580001473744231041000

0140

400

442

103

215 不同电流强度下MFC 表观内阻构成

由图2中等效电路可以得到,MFC 的表观内阻可以分为欧姆内阻和非欧姆内阻,对不同外电阻放电得到的极化曲线可以分为3个区域,分别是活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区.活化极化区的表观内阻是通过外电阻90000Ω到50000Ω时的极化曲线直线拟合得到,此时电流密度很小,根据Butler 2Volmer 公式,U 和I 呈线性关系,可以进行直线拟合.欧姆极化区的表观内阻是通过外电阻1000Ω到100Ω时的极化曲线直线直接拟合得到.浓差极化区的表观内阻是通过电阻在30Ω到12Ω时的极化曲线直线拟合得到,此时电流密度很大,U 和I 也近似呈线性关系.表观内阻减去欧姆内阻可以得到非欧姆内阻,如表2.

由表2可以看出,非欧姆内阻在表观内阻中所占比例较大,尤其是在外电阻较大,电流强度较小的活化极化区,表现出的活化阻力大,非欧姆电阻占表观内阻的93%;外电阻较小时,电流强度较大的浓差极化区的非欧姆电阻占表观内阻的75%,主要由传质阻力构成;在欧姆极化区,非欧姆阻力最小,为66%.上述分析表明在降低MFC 内阻的措施中,需

要着重降低非欧姆内阻.

表2 不同极化曲线区域MFC 内阻分布

T able 2 Distribution of internal resistances in

different parts of polarization curve

极化曲线分区

R i Π

ΩR ΩΠ

ΩR n Π

ΩR n 比例Π%

活化极化区

149799139893欧姆化区2899919066浓差极化区

400

99

301

75

3 讨论

MFC 的内阻,是指电流通过电池内部受到的阻

力,是和电池放电相联系的,而电源负荷下的电压是

由总极化决定,因此仅仅强调欧姆极化而忽略电化学极化和浓差极化是不全面的.

在MFC 对外放电过程中,电化学极化、浓差极化和欧姆极化始终存在,只是在不同电流密度下所贡献的比例不同,前2种极化受电流密度影响较大,而欧姆极化则和电流强度无关.将电池极化曲线划分为活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区本身就是相对的,在欧姆极化区并不是不存在电化学极化和浓差极化.在氢氧燃料电池中已有研究者通过试验验证和模型建立说明在欧姆极化区仍然存在电化

学极化和浓差极化[17]

.本研究将MFC 表观内阻的拟

7

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合限定在欧姆极化区,主要是从电池对外输出功率最大出发,所得到的表观内阻仍包括活化内阻、传质内阻以及欧姆内阻,从数据上看,非欧姆内阻部分所占比重更大.因此,在进一步降低内阻的措施上,应考虑同时降低欧姆内阻(如降低阳极和阴极距离,增加电解质离子强度等)、传质内阻(加大搅拌强度或者使基质穿过阳极)和电化学反应电阻(提高有效微生物附着量).

4 结论

(1)以一室型MFC为对象,通过MFC对不同外电阻放电得到极化曲线,将极化曲线的欧姆极化段线性拟和得到表观内阻为291Ω,当外电阻等于该值时,电池对外输出功率最大.

(2)改变外电阻后需要一定的稳定时间方能消除由于电极双电层充放电对表观内阻测量带来的影响,本研究中采用的MFC对不同外电阻放电稳定时间需要60s以上方能保证测定准确性.

(3)通过电流中断法测量得到一室型MFC欧姆内阻平均值为99Ω,占表观内阻的33%,与断电前电流强度无关.

(4)降低MFC表观内阻可以分别降低其欧姆内阻和非欧姆内阻,本研究所使用的MFC非欧姆内阻所占比重约为66%,这是由于电化学反应和传质造成的阻力要高于电荷在MFC内部传递所受阻力.

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8981环 境 科 学28卷

微生物燃料电池的意义

1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器,选择最优的电极材料,并对电极间距,电极面积进行参数调整,进一步对反应器构型,循环流速,膜结构和反应条件进行优化,提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是基于传统的燃料电池(Fuel cell, FC)与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内,微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极,电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看,阳极作为产电微生物附着的载体,不仅影响产电微生物的附着量,而且影响电子从微生物向阳极的传递,对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此,从提高MFC的产电能力出发,选择具有潜力的阳极材料开展研究,解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响,对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中,高性能的阳极要易于产电微生物附着生长,易于电子从微生物体内向阳极传递,同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极,但是各种材料之间的差异,性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响(清华,钟登杰,小论文) 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究(哈工,尤世界,博士论文) MFC是一个新生事物,该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能,它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新,目前正在引起世界范围内的广泛关注,日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出,环境污染日益严重的今天,MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化,将会使废水处理技术发生一次新的革命,产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制,MFC离实际工程应用的距离还很遥远,相关研究刚刚起步,目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低,材料造价昂贵,反应器型式的不确定,有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上,很难实现商业化应用。因此,为了进一步提高MFC的产电功率密度,降低系统的基础和运行费用,研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式,为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑,促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践,需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点,开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究;弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1

微生物燃料电池设计Word

摘要 微生物燃料电池(Microbialfuelcell,MFC)能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能,是一种低能耗的水处理技术,近年来成为环境领域的研究热点。目前制约 MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在 MFC 总成本中所占比例最大,同时电极性能也是决定 MFC 性能的关键,因此降低电极成本和优化电极性能对于 MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进 MFC 实用化为目标,筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料,通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能,并将其应用于放大的 MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时,活性炭产电性能最好,半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路,其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容,可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料,推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词:微生物燃料电池;产电微生物;阳极材料;产电性能;成本;大型化

Abstract Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC. Inexpensivesemicoke and activated carbon were used aselectrode materials and compared with conventional materials graphite and carbon felt. When used in anode, activated carbon performed best, but semicoke had poor power generation performance. The extremely low conductivity of semicoke is the main limitation for the low performance of semicoke anode.to analyze different anode material on the surface of the electricigens, electricity production process, electricity generation and electricity generation capacity difference, as MFC anode materials optimization, microbial enrichment, MFC configuration transformation and the combination of ideas, discussed the different anode materials on microbial fuel cell power generation performance influence, from the screening report of production of high efficiency of anode materials, to promote the development of related research in microbial fuel cell. Key words

微生物燃料电池设计3027407

微生物燃料电池设计3027407

摘要 微生物燃料电池(Microbialfuelcell,MFC)能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能,是一种低能耗的水处理技术,近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC 总成本中所占比例最大,同时电极性能也是决定MFC 性能的关键,因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进MFC 实用化为目标,筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料,通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能,并将其应用于放大的MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时,活性炭产电性能最好,半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路,其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容,可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料,推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词:微生物燃料电池;产电微生物;阳极材料;产电性能;成本;大型化

Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC.

微生物燃料电池应用现状及发展前景

微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理,介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点,并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器,水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs),是一种以微生物为阳极催化剂,将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年,英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流,这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来,MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大,引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑,微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式,它利用细菌分解生物质产生生物电能,具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池

微生物燃料电池 12级新能源材料,程妮,学号106 微生物燃料电池(microbial fuel cells ,MFCs)是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,是一种生物反应器。自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始,有关MFCs 的研究一直在进行,但进展缓慢。直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极,MFCs 的研究获得了突破性进展。目前,MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善,体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。 一、原理 微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,通过降解有机物(例如,葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等),产生电子和质子。产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥),也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递。如图所示为 MFCs 的工作原理示意图。 典型反应如下:阳极:C 6H 1206+6H 20一 6C02+24H ++24e - 阴极:602+24H ++24e -一一12H 20 二、微生物燃料电池的结构 微生物燃料电池主要有三种结构类 型,即单室结构、双室结构和填料式结构。[1] (一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂,无需曝气,因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。单室的功率密度为480~492mW /m 2,单室MFCs 无分隔材料和阴极液,内阻较双室小。但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10%,而双室则为42%~61%)。 (二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室,中间由PEM 或盐桥连接。双室的功率密度为38~42mW /m 2。 MFCs 从外形上又分为平板型和管

以葡萄糖为燃料的上流式单室微生物燃料电池

大庆石油学院学报JOURNAI.OFDAQlNGPETROI.EUMINSTITUTE第34卷第1期2010年2月V01.34NO.1Feb.2010 以葡萄糖为燃料的上流式单室微生物燃料电池 赵立新1,邹立军2,王宣1,朱宁正3 (1.大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318;2.中国石油管道丹东输油气分公司,辽宁丹东 118001}3.哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 擅要:以活性碳颗粒为阳极,空气电极为阴极。构建上流式单室微生物燃料电池。考察电解质质量浓度、葡萄糖质量浓度、水力停留时间对微生物燃料电池(MFc)性能的影响.结果表明:电解质KCI质量浓度由10g/i。增加到25g/L 时,MFC的内阻由19fl降低到3n,最大输出功率密度由5827mW/m3增加到18021mW/m3.当KCI质帚浓度为25 g/L时,葡萄糖质量浓度从100mg/l。增加到1000mg/I。时,MFC的最大输出功率密度由10.308w/m3提高到19.371 W/m3;反应体系的水力停留时间对MFC的产电性能也有影响. 关键词:微生物燃料电池;上流式;输出功率f活性炭颗粒 中图分类号:TM911.45文献标识码:A文章编号:1000—1891(2010)01—0076一04 微生物燃料电池(MFC)以阳极上(或阳极室内)的微生物为催化剂,在微生物的催化作用下,降解有机物同时产生电子,并将电子传递到阳极上,再通过外电路负载传到阴极,从而产生电流,将化学能转化为电能,在降解有机物的同时获得电能,是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径,再加之其燃料来源广、能量利用率高,污泥产量少、处理成本低等优点,近年来受到极大关注Ll_2]. 目前,MFC的输出功率较低,难以实际应用.影响MFC性能的因素包括微生物种类、基质、细胞内部和外部的阻力,电极材料、反应器结构等口叫],其中反应器结构是重要因素之一.GhangrekarMM等研究阳极面积的影响。结果表明,提高阳极面积有利于MFC产电[5].HeZ等设计以铁氰化钾为阴极电子受体的双室上流式连续流MFC,有效地提高输出功率[6].该设计采用上流式连续流操作,相对大多数的间歇运行MFC可以获得稳定的能量输出,同时上流式反应器可以起到混匀菌液的作用,不用设置搅拌设备,但以铁氰化钾为阴极电子受体,需不断更换,不利于实际应用.LiuH等采用无质子交换膜单室直接空气阴极生物燃料电池(ACMFC),降低电池的内阻,使MFC的最大输出功率由6.6w/m3提高到12.5W/m3[7].ACMFC的阴极直接暴露在空气中代替曝气,减少通气及设备,降低运行费用;空气作阴极电子受体,产物为水,无二次污染;ACMFC结构简单、去除质子交换膜(PEM),降低成本,利于实际应用.这些结构改进研究可以提高输出功率,但将改进措施应用于MFC的结构设计的研究较少. 拟以活性炭颗粒为阳极(增大阳极面积),气体扩散电极为阴极,葡萄糖为基质构建一种上流式无隔膜直接空气阴极单室微生物燃料电池,采用连续流操作,考察电解质质量浓度、葡萄糖质量浓度、水力停留时间对电池产电性能的影响,为该技术的实际应用提供参考. 1实验材料与方法 1.1实验装置 MFC反应器实验装置为一内径为3cm的圆柱形有机玻璃容器,壁厚为3mm。高为30cm,有效容积为140mL,柱壁上密布直径2mm的小孔,其实验装置及实验流程见图1.玻璃柱两端设进水口和出水口, 收稿日期:2009—05—11;审稿人:崔宝臣;编辑:任志平 基金项目:大庆市科技攻关项目(SGG2008—029) 作者简介:赵立新(1972一).男.博士后。教授。主要从事水处理技术等方面的研究. ?76? 万方数据

微生物燃料电池简介

微生物燃料电池简介 摘要:微生物燃料电池是一种新型的能源装置,具有污废弃物处理与同步产电的优点,应用范围广,具有巨大的潜在应用价值,本文对其做了一个简要的介绍。 关键词:微生物燃料电池污水处理产电 前言:微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置,兼具处理废水与产电的功能,从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1];但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池,这种电池可为宇宙飞船提供电能,但其发电效率较低;到2004年,废水首次被用作MFC的燃料来发电,并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中,MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中,MFC的规模在逐步扩大。目前,实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升,产电功率已达到2.8kW m-3。近年来,对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成:阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂,以阳极液中的有机物质作为燃料,利用微生物降解生物质,从而产生电子,产生的电子到达阳极,由阳极转移到外电路,最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子,产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下,质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程,产生电能。当外电路接入负载时,MFC 产生的电能足够多时,MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同,MFC的分类方法有所不同。 (一)根据不同类型的微生物,MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 (二)依据电池中电子不同的传输方式,MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 (三)根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 (四)根据反应器外观上的不同可分为:双极室MFC和单室MFC。

微生物燃料电池电极材料的研究进展.

微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者:*** 北京化工大学化学工程学院,北京 *联系人,E-mail:********@https://www.wendangku.net/doc/c216891407.html, 摘要微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是将有机物转化为电能的装置,而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理,详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后,对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词:微生物燃料电池,电极材料,产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年,英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能,提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代,伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进,最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代,燃料电池产生新的突破,韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性,这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今,微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视,因为与其他有机产能技术相比,在操作和功能上,微生物燃料电池都具有明显的优势,比如说它既能保证能量转化的高效率,而且工作条件温和,因为产物大多数为Co2等无害气体,所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小,产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化,当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时,对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述,尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示,在阳极室,有机燃料被氧化失去电子并且产生质子,电子直接或间接到达阳极材料,然后通过外电路到达阴极形成电流,而质子通过质子交换膜到达阴极室,然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应,在其间存在较为复杂的电子转移问题,根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化,电子从燃料分子直接到电极上,此时,生物催化剂催化在电极表面的反应,而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化,通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上,这些有电子传递作用的介质叫做介体,在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。

微生物燃料电池毕业设计论文

微生物燃料电池毕业论文 目录 A BSTRACT .................................................. 错误!未定义书签。第一章.文献综述 (1) 1.1能源发展与环境问题 (1) 1.2微生物燃料电池 (1) 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 (1) 1.3微藻型微生物燃料电池 (2) 1.3.1 微藻阳极底物型MFC (3) 1.3.2微藻生物阳极型MFC (3) 1.3.3微藻生物阴极型MFC (5) 1.4微生物燃料电池的应用前景 (5) 1.5本课题研究容,目的及意义 (6) 1.5.1本课题研究目的及意义 (6) 1.5.2 本课题的主要研究容 (6) 第二章实验材料与方法 (7) 2.1实验材料 (7) 2.1.1主要试剂及仪器 (7) 2.1.2实验装置 (8) 2.2实验方法 (9) 2.2.1 MFC的接种及启动运行 (9) 2.2.2 MFC运行条件 (11) 2.2.3 测定指标及方法 (12) 2.2.4 实验材料处理方法 (12) 2.2.5实验容 (12) 第三章结果与讨论 (14)

3.1各周期输出电压的情况 (14) 3.2各周期阴极藻的生长情况 (15) 3.3各周期阳极人工废水的COD处理情况 (16) 3.4各周期阴极溶氧的变化情况 (17) 第四章结论与展望 (20) 4.1结论 (20) 4.2展望 (21) 参考文献 (22)

第一章.文献综述 1.1能源发展与环境问题 能源是人类赖以生存的物质基础,它与社会经济的发展和人类的生活息息相关,开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发,对世界经济造成了巨大影响,国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明,整个地球的环境正在全面恶化,环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天,人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁,也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等,尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题,日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生,均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系[1]。随着经济的不断发展,能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决,不仅人类社会可持续发展的目标难以实现,而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此,世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系,更加注意环境保护的重要性[2]。 1.2 微生物燃料电池 微生物燃料电池(MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂,通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置,它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术,将生物质转化为电能。将微生物燃料电池应用到废水处理领域,在处理有机废水的同时获得电能,是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径,也是环境能源领域的热点研究课题之一。 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 微生物燃料电池利用微生物作为反应主体,利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质,引起物理电极的电位偏移,增加了电位差,从而获得电能,即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例(如图1),它的工作原理[3,4]是:在阳极区,微生物将有机底物氧化,这个过程要伴随电子和质子(NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区,释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区,电子、质子和氧气反应生成水。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行,在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例,其反应式如下:

微生物燃料电池

微生物燃料电池 1.引言 能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。经济发展的同时,能源消耗也在急剧增长,而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。寻找新型能源,实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。清洁能源的发展则成为解决问题的关键。与此同时,不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。 微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。首先,微生物电池的燃料来源比较多样化,如多种有机无机材料,甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能,净化环境。其次,微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入,满足环境友好型电池的需求。此外,微生物燃料电池的能量转化效率非常高,可以发展成长效、低廉的能量系统;加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作,实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。 微生物燃料电池的发展历史中,经历了几次重大进步。1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验,首次实现了微生物产电,从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。20世纪80年代,细菌发电取得重大进步,随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高,其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。2002年以后,微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段,研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池,也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。近年来,微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。 2.微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换,把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置,能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物,并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。原理如图1所示[3]。微生物燃料电池中,氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极,电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极,而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极,在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。

生物质燃料电池

杨航锋化学工程2111506055 生物质燃料电池 按燃料电池的原理,利用生物质能的装置。可分为间接型燃料电池和直接型燃料电池。 在间接型燃料电池中,由水的厌氧酵解或光解作用产生氢等电活性成分,然后在通常的氢-氧燃料电池的阳极上被氧化。 在直接型燃料电池中,有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物。如利用N,N,N',N'-四甲基-P-苯氨基二胺作为介质,由甲醇脱氢酶和甲酸脱氢酶所催化的甲醇的完全氧化作用,可用来产生电流。 生物燃料电池尚处于试验阶段,已可提供稳定的电流,但工业化应用尚未成熟。燃料电池(fuel cell):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。生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶燃料电池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池 生物燃料电池能量转化效率高怛一、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绿色电池。它在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值,如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗b’4 o以及生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、可再生,因此生物燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。它可以直接将动物和植物体内贮存的化学能转化为能够利用的电能。近年来随着对可再生能源和人体医疗技术发展的要求,生物燃料电池逐渐引起更广泛的关注。 1.酶生物燃料电池 在酶燃料电池中,酶可以与介体一起溶解在底物(燃料)中,也可以固定在

电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。在早期的生物燃料电池系统中,更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配M’70,用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来,随着修饰酶电极技术的发展,大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外,使用固定酶电极的酶燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰,一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区,即两极室酶燃料电池,这与传统电池阴极/隔膜,阳极的结构相仿。1999年出现的无隔膜酶燃料电池,取消了隔膜、电池外壳和相应的密封结构,可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。 2.微生物燃料电池 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递,并通过外电路传递到阴极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到阴极,氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。 根据电子传递方式进行分类,微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时,电子直接从燃料分子转移到电极,再由生物催化剂直接催化电极表面的反应,这种反应在化学中成为氧化还原反应; 如果燃料是在电解液中或其它处所反应,电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。 2.1 微生物燃料电池的优势 与现有的其它利用有机物产能的技术相比,微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势:首先,它将底物直接转化为电能,保证了具有高的能量转化效率;其次,不同于现有的所有生物能处理,微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作;第三,微生物燃料电池不需要进行废气处理,因为它所产生的废气的

微生物燃料电池练习题

微生物燃料电池与电解氯化铝制备单质铝 Ⅰ.美国俄勒冈州立大学的研究团队近日在英国《能源与环境科学》期刊发表了一篇文章,阐述了他们的发明:利用微生物燃料电池从废水里面提取出电能。参与该研究的一位教授解释说:“废水中其实含有巨大的电能,但它们通常都被捆绑在有机分子上,非常难提取和利用。我们发明了一种新型的微生物燃料电池,里面的微生物在产出净水的时候,是要吃进有机物的,但我们给系统接上了阴极和阳极,利用两电极之间的吸力先将附在有机分子上的电子吸出来,让它们形成一股电流,从而产生了电能。” 1.请你用“化学语言”简要复述这位教授的解释。 2.请你分析这项发明的前景。 3.利用微生物发电也有其他形式,比如沼气发电,其原理是利用微生物先生成甲烷,再转化为电能。在通常情况下,8gCH4完全燃烧生成CO2和液态H2O时,放出445 kJ的热量。写出热化学方程式 现有一碱性(利用KOH溶液做电解质溶液)甲烷燃料电池,请你写出该电池的电极反应式:负极: 正极: 在电池工作时,负极周围溶液的pH(忽略溶液体积的变化)(选填“变大”“变小”或“基本不变”) 若用甲烷燃料电池作为电源电解饱和食盐水制备烧碱和氯气,从理论上计算,160kgCH4产生的电能最多可制取多少吨30%的烧碱溶液?同时获得多少立方米(标准状况)氯气? Ⅱ.1.电解法用来制备比较活泼的金属。其前提是该化合物必须是() A.碱性氧化物 B.金属氧化物 C.共价化合物 D.离子化合物 2.制备铝单质就是在加入冰晶石(助熔剂)的条件下,高温电解熔融Al2O3,电解槽的阳极材料一般选用,在实际生产过程中,需要定期补充该材料,这是因为 。 3.过去认为不可能用电解AlCl3来制铝的,但近年来,这种说法被打破,比如电解NaCl-AlCl3熔盐体系制金属铝,并取得初步研究成果。工艺如下:用氧化铝为原料,制得无水AlCl3,再制备AlCl3离子型液体(例如AlCl3-NaCl),以此AlCl3离子型液体进行电解。 实验证明,在阳极发生的电解反应是AlCl4-失去电子生成离子Al2Cl7-,试写出该电极反应式。 生成的Al2Cl7-离子移动到阴极,并在阴极得电子生成Al单质。试写出该电极反应式

微生物燃料电池基本原理

微生物燃料電池基本原理 微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)是藉由微生物的催化反應,將化學能(燃料)轉換為電能的組件(Allen and Bennetto, 1993; Min and Logan, 2004;Lovley et al., 2004)。典型的微生物燃料電池是由陽極和陰極,以及一片質子交換膜所構成,微生物於陽極分解氧化燃料,並同時產生電子和質子,電子可經由外部電路到達陰極,而質子則通過質子交換膜到陰極,在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水(Kim et al., 2003 )。如下圖所示(Scholz and Schronder, 2003),這是以葡萄糖作為燃料,Rhodoferax ferrireducens 做為催化氧化還原反應的微生物,可簡易說明微生物燃料電池的反應。 圖2 微生物燃料電池示意圖 附著在電極上的微生物,對燃料電池而言,除了分解槽中的燃料外,傳遞電子到電極表面也為重要的功能之一。Chaudhuri and Lovley(2003)發現附著在電極纖維上的嗜甜微生物(R. ferrireducens)的生物膜,不僅具有將電極表面作為終端電子接受者的細胞構造,也具有在細胞膜運輸電子與質子的功能,但這些機制的細節仍須加以研究,且細胞的附著性與細胞之間的訊息傳遞情形,對細胞生物學的領域而言,也是個重要但未知的學問(Palmore, 2004)。 微生物燃料電池發展過程 1910年,英國植物學家Potter發現,含有代謝作用微生物的燃料電池槽與另一含有無菌鹽類溶液槽之間會有電位差,因此Potter 便在這兩個槽之間加入電阻而獲得電流,由此證明微生物能產生電壓及傳送電流(Potter, 1911)。1931年,Cohen重複Potter的概念,結果發現批次式的微生物燃料電池可產生超過35 V 的電力(Shukla et al., 2004)。直到1960年代,生物燃料電池才開始受到歡迎。當時美國太空總署(National Aeronautics and Space Administration,

微生物燃料电池

微生物燃料电池 骆沁沁20914133 摘要:微生物燃料电池以微生物作为催化剂,直接把化学能转化为电能,具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好等优点。本文简述了微生物燃料电池的工作原理及其最新的研究进展:主要是无介体微生物燃料电池的研究和高活性微生物的选用。最后对微生物燃料电池的发展方向作出展望。 关键词:微生物燃料电池原理研究进展 Abstract: Microbial fuel cell is a device converting chemical energy into ele ctrical energy directly with the microbial-catalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction and good biology consistence. After the principles of microbial fuel cell introduced briefly, the research progress was reviewed. Researching mediator-less microbial fuel cell and high-activity microbial are the new direction in the study of microbial fuel cell. At last, the prospects of microbial fuel cell were described. Key words: microbial fuel cell, principles, the research progress 1 前言 近些年来,化石燃料(煤、天然气、石油)的使用量逐年大量递增,据国内外学者统计,化石燃料的储备量仅能提供全球未来250年的能源使用,这引起了全球性的能源危机。因此,科学家一直在积极开发新能源。 而生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。但就目前而言,在我国,对于生物质能源技术开发进展缓慢,成熟技术少;缺乏行业标准,管理混乱;规模小,设备差,效益低。 研究发现,生物燃料电池是一种能量转化效率极高的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。生物燃料电池具有以下优点:(1)不受卡诺循环限制,能量转换效率高;(2)洁净、无污染、噪声低;(3)模块结构、积木性强,比功率高。既可以集中供电,也适合分散供电。生物燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的

微生物燃料电池的研究进展

山西大学研究生学位课程论文(2013 ---- 2014学年第学期) 学院(中心、所): 专业名称: 课程名称:高等环境微生物 论文题目:微生物燃料电池的研究进展授课教师(职称): 研究生姓名: 年级: 学号: 成绩: 评阅日期: 山西大学研究生学院 2014年月日

微生物燃料电池的研究进展 学生:指导老师: 摘要:微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来,原理,分类,研究方向,应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧,一种清洁高效的能源走进了人们的视野,它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术,早在1910年,英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流,于是,他用铂作电极,将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里,成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 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,这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂,可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史,经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料,如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来,人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后,由于电子传递中间体的广泛应用,微生物燃料电池的输出功率有了较大提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发。2002年后,随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现,人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池,其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能,所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途.近年来,微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体,将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处,以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极化学反应式如下[3]: 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言,微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1),电子供体可以是微生物代谢底物,也可以是人工添加的辅助电子传递中间体,这种中间体能够从微生物那里获得电子,然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下,微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体,或者直接将产生的电子传递到阳极表面,电子通过外电路到达阴极,有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极,而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室,最后,电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同,可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。

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