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

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要作用；在兼顾发电和同步废水处理的双重目标基础上，开发和设计更加适用于有机废水处理的MFC反应器构型式，为MFC反应器设计与运行的优化提供切实可行的理论依据，具有重要的科学意义和参考价值。

微生物燃料电池阳极修饰的研究进展（山东轻工业学院食品与生物工程学院，宋娟，小论文）微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)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,能在处理废水的同时产生电能,且不排放污染物,作为一类理想的新型清洁能源已成为科学家的研究热点。

微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响（清华，黄霞，小论文）

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cel,l简称MFC)技术是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和生物产电的新技术,它能够在处理污水的同时收获电能,因此受到广泛的关注。

目前微生物燃料电池的产电能力还很低,离实际应用尚有较大的距离,因此,如何提高MFC 的产电性能是该领域的研究热点。

微生物燃料电池阳极产电微生物和阴极受体特性及研究进展（中国科学院，付洁，小论文）为了解决不可再生能源(如煤，石油等)日益短缺造成的能源危机和减小温室气体大量排放给环境带来的巨大污染，寻找绿色环保型替代能源已成为各国研究者关注的热点。微生物燃料电池以其独特的优势在近些年引起了学者的广泛关注。微生物燃料电池(MierobialFueleell，MFe)是一种通过微生物的代谢作用将蕴藏在有机物中的化学能转化成电能的装置。与其他燃料电池相比，它具有以下优点:①燃料来源广泛，生活污水、发酵废糟等都可以作为燃料;②反应条件温和，一般可在室温下进行川;③清洁、环保，不会引起环境污染。

填料型微生物燃料电池产电特性的研究（清华，梁鹏，小论文）

微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)在净化污水的同时收获电能,有可能降低污水处理的成本,因而近年来受到了广泛关注.然而,目前MFC输出功率很低,以空气阴极MFC为例,国外文献中报道的最大输出功率密度为1 500 mW/m2,远低于氢氧燃料电池的功率密度,因而当务之急是提高MFC的产电能力。

碳纳米管阳极微生物燃料电池产电特性的研究（同上）

由于微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)能够在净化污水的同时,将有机物中的化学能转化为电能,为节能低耗型污水处理新工艺的研究提供了一个新的思路,因此近年受到广泛关注.但现有的MFC产电能力较低,这使MFC的实际应用受到限制.因此,提高MFC的产电能力是目前研究的主要目标之一.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,同时还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.

基于升流式厌氧污泥床反应器的微生物燃料电池的研究（苏州大学，王万全，小论文）

微生物燃料电池(MFCs)是利用微生物的催化作用直接将燃料的化学能转换为电能的装置。生活污水和工业废水中含有大量的有机物可作为其燃料而获得电能,同时有机物得到降解。因此,MFCs的研究与开发已成为当前污染治理、开发新型能源的研究热点。

微生物燃料电池及其应用研究进展（中国石油大学，詹亚力，小论文）

三个利用方向

利用MFC输出电能的特点进行新型能源的开发,

利用MFC电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究,

利用MFC的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化。

开发前景

替代能源；传感器；污水处理新工艺；利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集；替代能源——生物质制氢被认为是未来氢燃料电池的原料来源,而MFC与生物质制氢的共同

特点是均以生物质作为原料,但在生物质制氢过程中,葡萄糖等生物质中还有相当部分的氢未被利用,而且氢气还只是从生物质获取能源的中间产品,而MFC则可以直接将葡萄糖中的氢全部消耗并转化成H2O,生物质转化成能源的效率较高。正是由于MFC能够直接将生物质转化成电能,因此Wilkinson展望了用食物直接喂养机器人的可能性。

传感器开发——BOD5被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量,但由于传统的BOD测定方法需要5天的时间,因此,出现了大量关于BOD传感器的研究,其中以MFC工作原理为基础的BOD传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用MFC工作原理开发新型BOD传感器的关键在于:①电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系;②电池电流对污水浓度的响应速度较快;③有较好的重复性。

考虑到实际污水中存在硝酸盐和硫酸盐等具有高氧化还原电势的电子受体,它们会降低MFC 的电流响应信号,Chang等尝试在阳极池中加入叠氮化物和氰化物等呼吸抑制剂,达到了消除硝酸盐和硫酸盐影响的效果,结果显示,通过加入呼吸抑制剂,使MFC型BOD传感器可用于准确测量含氧和含硝酸盐的贫营养地表水中的BOD含量。此外,MFC作为贫营养水体(如地表水、污水处理厂排出液等)的传感器电池的主要障碍在于O2通过阴极和质子交换膜的扩散速率大,在阴极的还原速率低,因此导致电池输出电流的输出信号很小。Kang等有针对性地对MFC的阴极进行了改进,明显提高了MFC电流输出的重复性和信噪比。

污水处理——目前,以有机污水为燃料、回收利用污水中有机质的化学能一直是MFC研究中的主要目的,但在研究中,对于MFC处理后污水水质的监测结果使研究人员对以MFC工作原理为基础,开发新的污水处理工艺产生了浓厚兴趣。

微生物燃料电池构造研究进展（广东工业大学环境科学与工程学院，李登兰，小论文）

资源短缺、能源危机使得生物产能的研究日益受到重视.生物产电、微生物燃料电池(Microbial fuel cel,l MFC)近20多年的研究吸引了多学科的参与,为学科间的交叉发展提供了广阔的空间.由于MFC是把微生物呼吸产能直接转换为电能,与现有的其它利用有机物产能的技术如产氢、产乙醇、产甲醇等相比, MFC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,保证了很高的能量转化效率,避免了昂贵的预处理催化过程.其次,不同于现有的所有生物能处理, MFC在常温甚至是低温的环境条件下都能够有效运作.第三, MFC不需要进行废气处理,因为它所产生废气的主要组分是CO2.第四,在缺乏电力基础设施的偏远地区,尤其是发展中国家, MFC 具有更广泛应用的潜力,同时也扩大了满足人们对能源需求的燃料的多样性.

近年来的相关研究已由专门利用糖类原料转向为利用废水中的有机物来产电,不仅可以处理废水,还能在处理过程中提供一种清洁能源,从而可以为补偿污水处理厂昂贵运行费用提供一种新途径,使污水深度处理在发展中国家和工业化国家都可以运行.虽然MFC产生的功率密度比其它类型的燃料电池要低,但它在废水处理中的应用将是最有前景的发展方向.Lovley等人和Logan等人在改进电池结构、增加其产电量等方面作了大量工作.

微生物燃料电池电极材料的研究进展（华南师范大学化学与环境学院，曾丽珍，小论文）

微生物燃料电池的研究正处于实验室研究或小批量试验水平，在实际应用中电池输出功率比较低(一般小于10 W/m2阳极面积)，这主要是由于在细菌细胞和外电极之间电子转移很困难。因此，高性能电极材料是最重要的。特别是阳极材料及其结构，可以直接影响细菌附着，电子转移和底物氧化。

微生物燃料电池的研究现状及应用前景（中国石油大学，詹亚力，小论文）

MFC的应用前景

随着社会与经济的不断发展,能源消费将逐年增加。据分析,到2020年,全世界的能源消耗量将比现在增长一倍,能源的大量消耗同时也带来了地球变暖、酸雨增加等矛盾。为了人类能源的稳定持久供应,为了保护生态环境,近一段时间以来,新能源的研制开发受到普遍的重视。作为一种新能源，燃料电池发电技术正引起各国科学家注目并被积极地着手研制。到目前为止,燃料

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电池在研制和开发应用方面均取得了长足的进展。

作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，燃料电池已经在航空航天领域得到了成功的应用，现在世界各国都在加速其在民用领域的商业开发。使用微生物电池处理污水一方面可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向，另一方面，为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。而且微生物燃料电池将污水中可降解有机物的化学能转化为电能，实现了污水处理的可持续发展。在采用污水作为原料的M F C中，通过阳极的微生物修饰，将有效提高电池的输出功率。

微生物燃料电池法处理污水的技术正向无介体、无膜的方向继续发展，在实际应用的道路上正一步步走向可行。目前微生物燃料电池处理污水技术要解决的关键问题是应该继续提高输出功率和库仑转移效率、进一步降低电池成本等，MFC的性能除面临与氢燃料电池相同的阴极氧化还原动力学的困难外，还存在阳极微生物细胞内的电子向电极表面有效转移，以及O2穿透隔膜的问题，这些问题的解决都是MFC的关键。

微生物燃料电池产电的影响因素（南京工业大学生物与制药工程学院，叶晔捷，小论文）

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，直接将有机物的化学能转化为电能的装置.利用MFCs可直接降解水中的有机污染物，同时产生电能，回收有机污染物的部分化学能，这种变废为宝的优势使MFCs近年来在废水处理及新能源开发领域的研究成为热点．

目前MFCs输出功率尚低，距实际应用尚有很大距离，故提高MFCs的输出功率是解决其应用限制最直接最关键的问题.

微生物燃料电池(MFC)技术及其发展前景的研究（安庆师范学院，王萍，小论文）

MFC在一些高端技术领域有着十分广阔的应用前景。将阳极插入海底沉积物,阴极置于临近海水中可收集到天然的、由微生物代谢产生的海底电流,可为海底无光照条件下监测来往船舰的仪器提供电源,这一设想得到美国海军多个项目的支持。海底MFC功率的大小取决于电极设计、沉积物组成、温度和海水含氧量等因素。MFC在偏远地区进行无线数据传输和太空站进行废物循环利用等方面也具有应用前景。

最近,MFC领域内一个很活跃的方面是开发为人体植入装置如心脏起博器等解决能源供应的技术。MFC可利用体液或血液中的代谢物如葡萄糖和乳酸等作为燃料产生电力,但这方面还有许多技术问题需要进一步研究。