燃料电池的研究进展
燃料电池的研究进展
摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外的普遍重视。本文将针对燃料电池的发展简史、工作原理、研究进展及应用等作了简要介绍。
关键词：燃料电池特点分类
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与
氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。人
们把它称之为继水电、火电和核电之后的第四种持
续发电方式。随着全世界对能源的需求日益增加以
及人类对环境质量的关注,采用清洁高效的能源利
用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电
池具有发电效率高、无污染、燃料来源广泛等特点,
是一种最接近于实用化的环保型新能源，最常见的
是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，目前已在
实际应用方面取得一些进展。例如，燃料电池作为
新型能源大量用于航天领域、潜水领域，还可以为
公共汽车提供动力，现在，一些笔记本电脑和手机
也开始使用燃料电池。
1.燃料电池简介
1.1燃料电池简史
料电池的发展历程, 既古老又年轻, 既坎坷又
迅捷。这种先进的发电技术，早在十九世纪就发明
了。
1839年，英国科学家William·Grove(威廉·格
罗夫)发明了世界上第一座燃料电池装置，是把封有
铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，先由电解产生氢和
氧，然后连接外部负载，这样氢和氧就发生了电池
反应，产生电流。格罗夫还用这种简单的氢氧燃料
电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。
1896年，W.W.Jacques提出了用煤作为燃料电
池的燃料，他的想法引起了公众的极大关注。但由
于无法解决炭对电解质的污染，没有取得满意的效
果,最终被放弃。
1897年，W.Nernst(能斯特)用氧化钇和氧化锆
的混合物（85% ZrO
2 ～15% Y
2
O
3
)作为电解质，制作
成了固体氧化物燃料电池（SOFC）。
1900年，德国E.Baur研究小组发明了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。之后，Baur的学生又对MCFC 进行了深入研究。
1902年J.H.Reid等人采用碱性KOH溶液作为电解质，创先开始了研究碱性燃料电池（AFC）。
1906年，F.Haber等人研究了H
2
—O
2
燃料电池可逆电动势的热力学。他们用一个两面覆盖铂或金的玻璃圆片作为电解质，并与供应气体的管子相连，被认为是固态聚合物燃料电池（SPFC）的雏形，或称为质子交换膜燃料电池（PEMFC）。第一个SPFC是于1955年由美国通用电气公司（GE）研制而成的。
1932年，英国学者F.T.Bacon（培根）在前人的研究经验的基础上研制出了具有实用性的培根电池并获得专利。1959年，他还研制出一只六千瓦的燃料电池，并用它开动叉式起重车、圆锯和电焊机。培根的研究改进后在1969年为阿波罗登月计划的宇宙飞船提供动力。培根电池使燃料电池由实验走向实用，具有里程碑意义。[1-2]
20世纪60年代以来，燃料电池进入了广泛的实用性开发阶段，直至今日，燃料电池依然造福于人类。
1.2燃料电池工作原理
燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。[3-4]
图1 燃料电池工作原理示意图
1.3燃料电池的特点
（1）效率高
燃料电池工作时直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，是一种高效的新型能源。其理论能量转化效率可达85％～90％。但由于各种极化的限制，实际的能量转化效率约为40％～60％。若实现热电联供或联合循环发电，燃料的总利用率则可高达80％以上，远高于普通内燃机和蒸汽机的效率，而且不因负荷的变化而影响效率。[5]
（2）环境友好
燃料电池可以直接使用天然气和氢气等可燃气体作为“燃料”，也可以将甲醇、乙醇等液体燃料或煤炭等固体燃料通过特殊的装置转化成一氧化碳和氢气，作为燃料电池的原料气。其中，以氢气作为原料气的燃料电池是最理想的燃料电池，在发电过程中的产物是水，这就意味着燃料电池是“零排放”。若使用其他原料气，则采取严格的脱硫和分离二氧化碳措施，几乎没有硫氧化合物和氮氧化合物的排放，二氧化碳排放量也极低，可以说是对环境没有任何污染。[6]
（3）无噪声污染
燃料电池是静止型直接发电，不存在汽轮机、发电机等机械系统，因此工作时没有机械运动所产生的噪音。它可以“静悄悄地”将燃料的化学能转化成电能，这是任何使用热机的发电方式所做不到的。若使用燃料电池，则可以大大减少城市噪声污染。
（4）灵活性大、可靠性高
燃料电池的发电装置由许多单元组成模块而工作，其发电效率同发电装置的规模大小无关，只取决于每个独立单元的发电效率。因而尽管是小规模的发电装置也具有高的发电效率。并且它不存在汽轮机、发电机等机械系统，也就不存在零部件的疲劳、磨损等问题，大大增加了运行可靠性，且无噪声、无振动，可以直接安装在大楼内工作，省去了远距离输送线路。[7]
2.燃料电池的分类
按燃料电池的运行机理分类，有酸性燃料电池和碱性燃料电池；按燃料来源分类，有直接型燃料电池和间接型燃料电池；按工作温度分类，有低温燃料电池（工作温度一般低于100℃）、中温燃料电池（工作温度一般在100℃～300℃）和高温燃料电池（工作温度一般在600℃～1000℃）。[8]
燃料电池按电解质不同，可分为以下五种：[1] 2.1碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，简称AFC）
碱性燃料电池在一般在65℃～100℃（或220℃）下工作。这种电池是以KOH或NaOH等碱性溶液为电解质，电解液渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中,导电离子为OH-，使用的电催化剂主要是贵金属（如铂、钯、金、银等）和过渡金属（如镍、钴、锰等）
或者由它们组成的合金。[9]它设计简单，但不耐CO
2
，所以原则上它必须采用纯氢和纯氧做为燃料。
AFC中的电池反应如下：
阳极(负极)：H
2
+ 2OH-→ 2H
2
O + 2e-
阴极(正极)：1
2
O
2
+ H
2
O + 2e -→ 2OH-
电池反应：H
2
+ 1
2
O
2
→ H
2
O
在电解液中，在阳极OH-离子失去电子产生水，水分子迁移到阴极稀释了电解液降低了电池的电导率，因此使电池的性能退化。针对这个问题，有两
种解决方法：一是循环电解液，随着水的蒸发热量
也散失；另一种是循环氢气，可将水蒸气带走。
2.2固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell，简称SPFC）又称质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）固体聚合物燃料电池一般在在25℃～120℃下
工作，就设计和运行来说，SPFC是最精致的燃料电池。[10]
SPFC中的电池反应如下:
阳极：H
2
→ 2H+ + 2e-
阴极：1
2
O
2
+ 2H+ + 2e-→ H
2
O
电池反应：H
2
+ 1
2
O
2
→ H
2
O
在电池里，质子在电解质中传导电子。从目前
的技术水平看，最好的电解质材料是高氟磺酸型质
子交换膜。[11]用于SPFC的理想的聚合物具有如下的
特性：高抗氧化性、高质子电导率、高化学稳定性、
高机械强度和低的密度。这些聚合物是被完全氟化的，有与聚四氟乙烯相似的主干结构。
历史上SPFC有许多称谓，包括离子交换膜（IEM）、固体聚合物电解质（SPE）和质子交换膜（PEM）。其中，直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell简称DMFC）。
DMFC的电池反应如下：
阳极：CH
3OH + H
2
O→ CO
2
+ 6H+ + 2e-
阴极：3
2 O
2
+ 6H+ + 6e-→ 3H
2
O
电池反应：CH
3OH + 3
2
O
2
→ CO
2
+ 3H
2
O
2.3磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC）
磷酸型燃料电池一般在180℃～210℃下工作，其电池反应与SPFC的电池反应相同。
PAFC以磷酸作为电解液，盛在SiC制成的多孔基体中。磷酸作为电解质相对于其他酸的优点在于：耐CO
2
、耐低压、高温下可工作且有下良好的离子导电率、腐蚀率低、与电极的大的接触角。[12]对SiC基体材料的要求是：①对酸有较高的吸附力；②绝缘体；③隔绝反应气体；④高的热导率；
⑤高温化学稳定性；⑥机械强度高。
2.4熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC）
典型的MCFC是在1至10个大气压、大约650℃下工作,被称为第二代燃料电池。MCFC采用多孔Ni （或Al）作阳极，多孔Li掺杂的NiO作阴极，熔
融的碳酸盐（62%Li
2O
3
～ 38%K
2
CO
3
）作电解质，并
加入LiAlO
2
做稳定剂。燃料是H2和CO的混合物，氧化剂是O2和CO2的混合物。由于H2和CO2的电化学特性，碳酸盐是唯一能够保持MCFC工作的电解质。
MCFC中的电池反应如下：
阳极：H
2 + CO
3
2-→ H
2
O + CO
2
+ 2e-
（CO + CO
32-→ 2CO
2
+ 2e-）
阴极：1
2
O2 + CO2 + 2e-→ CO32-
电池反应：H
2 + 1
2
O
2
→ H
2
O
（CO + 1
2
O2→ CO2）
熔融的碳酸盐有很强的腐蚀性。由于在气压减
小的状况下工作，阳极比阴极具有更负的电位，因此阳极材料多孔Ni的结构是电化学稳定的。而阴极材料NiO在碳酸盐中有轻微的溶解，其溶解物在电解质中扩散并移动到Ni阳极。由于相对负电位，从NiO中溶解的Ni将电解淀积到电解质基板上，产生电子电导和因此发生电池的短路容易降低电池的寿
命。[13]CO
2
的分压和电解质的碱性影响NiO的溶解，为了解决此问题，正在开发替代NiO的阴极材料。2.5固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，
简称SOFC）
固体氧化物燃料电池（SOFC）是全固体装置，又称高温燃料电池，一般在600℃～1000℃下工作。电解质采用ZrO
2
+Y
2
O
3
，阳极为Ni+ ZrO
2
（或Y
2
O
3
），
阴极为La/SrMnO
3
。
与其它类型的燃料电池的化学反应发生在气液固三相区不同，SOFC的电化学反应是发生在气固两相区，不存在电解质的腐蚀问题。两个多孔陶瓷电极被致密的氧离子导体的陶瓷电解质分开。在阳极，
燃料气体（H
2
和CO）进入阳极与氧离子反应生成水并释放出电子进入外电路。在阴极，空气中的氧气从外电路接受电子形成氧离子。电子从阳极经外电路输送到阴极，从而产生直流电。[14]
SOFC 中的电池反应如下：
阳极：H
2
+ O2-→ H
2
O + 2e-
（CO + O2-→ CO
2
+ 2e-）
（CH
4
+ 4O
2
- → H
2
O + CO
2
+ 8e-）
阴极：1
2
O2 + 2e-→ O2-
电池反应: H
2
+ 1
2
O
2
→ H
2
O
（CO + 1
2
O2→ CO2)
（CH
4
+ 2O
2
→ 2H
2
O + CO
2
）
引人注意的是SOFC可以使用多种燃料作为原
料气，如H
2
、CO和CH
4
。根据电解质是氧离子导体还是质子导体，将SOFC分为两类。这两类电池的主要区别在于燃料电化学反应过程中生成水的区域相异，质子导体燃料电池在阴极侧生成水，而氧离子导体燃料电池在阳极侧生成水。一般只考虑固体氧离子导体作为电解质。[15]
除上述5种外，燃料电池还有其他类型，例如生物燃料电池。其研究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。正当研究取得进展的时候，另一种可植入人体的锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用于医学临床。[16]
3.燃料电池的应用及发展现状
燃料电池是电池的一种，它具有常规电池的特性。可以由多个电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池即可以用于集中发电，也可
以用作各种规格的分散电源和可移动电源。[3]
3.1碱性燃料电池（AFC）
以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池是最早获
得实际应用的，美国的阿波罗登月飞船和航天飞机
等都采用这类燃料电池作为主要动力源，证明了燃
料电池的高效、高比能量、高可靠性。
目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟并
已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200W氨一空气的碱性燃料电池系统，制成了1kW、10kW、20kW的碱性燃料电池。
碱性燃料电池在地面应用的最大缺点是对燃料
纯度要求太高而且不能使用含C、CO及CO
2
的燃料气，
使用空气也必须脱除空气中的CO
2
，从而限制了AFC 在地面上的应用。
3.2固体聚合物燃料电池（SPFC）即质子交换膜燃
料电池（PEMFC）
PEMFC能量转换效率高，可以在室温下快速启动，并且无电解水流失、寿命长，可按负载要求快
速改变输出功率，可以用于建设分散电站，也特别
是以用作可移动电源，是电动车和不依赖空气推进
的潜艇动力源，也是利用氯碱厂副产物氢气发电的
最佳候选电源。
美国于20世纪60年代就将PEMFC用于双子星座航天飞机，1999年，美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司分别研制出质子交换膜燃料电池电动汽车。[17]我国在2008年北京奥运会和2010年上海世博会都使用了燃料电池汽车组成“绿色车队”，为交通提供了便利，展示了中国燃料电池技术的进步。
燃料电池车具有燃料电池的所有优点，并且不使用
石油作燃料，对环境无污染，具有很大的发展前景，
但仍需克服造价偏高的难题才有可能广泛应用。[18] 3.3磷酸型燃料电池（PAFC）
以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有
近百台PC25（200kW）作为分散电站在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，
而且也证明了燃料电池的高度可靠性，可以用作不
间断电源。
PAFC目前在城市发电、供气及其它工业项目上广为试用，如在宾馆、医院、办公楼、工厂等地方
用PAFC来进行辅助供热供电。还有一种采用生物气体的PAFC体系已被开发出来，而在废弃物质的处理方面，含有甲烷的沼气或其他有机气体已经被利用。大规模利用生物沼气的PAFC可望在将来应用于垃
圾回收领域，解决一大社会难题。[20]3.4熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气
做燃料，适宜于建造区域性分散电站。美国是从事
熔融碳酸盐燃料电池最早和技术高度发展的国家之一，其研制开发的MCFC电站已在全球装机60余台，
主要用于医院、宾馆、大学及废水处理厂等场所示
范发电。MCFC操作温度较高，可以实现热电联供与汽轮机联合循环发电，进一步提高燃料的能量转化
效率。
研究表明，成本和寿命是影响MCFC的主要障碍，阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是主
要影响因素。因此，研制新的电极材料，改进密封
技术将是今后一段时期的研究关键。[20]
3.5固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池可以与煤的气化构成联合
循环，适宜于建造大中型电站。国对SOFC的研究处于世界领先地位，自2000年以来，西屋公司已建成多台大型100kW～250kW 固体氧化物燃料电池电站
进行试验运行。SOFC电站，以阴极作支撑的管式SOFC机械强度高，热循环性能好，易于组装与管理。
但现有的技术如电化学气相沉积和多次高温烧
结等导致阴极支撑型SOFC电池成本过高、难以推广。借助廉价的湿化学法、等离子喷涂等技术替代电化
学气相沉积制备电解质薄膜，并运用改进烧结工艺、减少烧结次数等手段，有望达到大幅度降低阴极支
撑管型SOFC成本的目的。[20]
4.燃料电池前景广袤
针对我国目前的发展现状，燃料电池具有广阔
的发展前景。随着人们生活水平的提高，科学技术
的发展，氢能的使用已经使人们远远地告别了化石
能源，而燃料电池技术是利用氢能最重要的技术，
可以帮助人类解决能源短缺、环境污染这两大世界
难题。而且，燃料电池目前在空间领域、军事领域、
移动装置、居民家庭和运输等方面都以有实际应用。21世纪的今天，这门技术依然在研制开发当中，潜
力很大，相信燃料电池技术会给人们的生活带来无
限的精彩。
5.结束语
21世纪的今天，全人类都面临着能源、环保、
交通等问题的困扰，对燃料电池的开发研究以及商
业化是解决世界节能和环保的重要手段。因此，世
界各国都投入巨大的人力物力到这项工作中来。我
们国家也应进一步加大资金投入，大力推进燃料电池在特殊领域的应用，增强我国的国防军事实力，同时，加快燃料电池民用商业化的步伐，提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术，为建立低碳、减排、不依赖于石化能源的能量转化技术新体系做贡献，为人类可持续发展、改善人类生存环境做贡献。
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附1：本综述根据《化工进展》排版格式编写附2：
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
浅析燃料电池研究进展及应用
浅析燃料电池研究进展及应用 摘要: 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能将外界提供的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。本文介绍了原电池的工作原理、特点和分类，并详细阐述了原电池的研究进展和应用。 关键词: 燃料电池工作原理应用 随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。 1. 燃料电池的工作原理 燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气与氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。 图1燃料电池工作原理示意图 2燃料电池的分类 目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池) 3燃料电池的优点 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点: (1)发电效率高。理论上, 它的发电效率可达到85% ～90% ,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40% ～60%。(2)环境污染小。
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.360docs.net/doc/e96420535.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
生物燃料电池的研究进展_宝玥
第10卷 第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10 No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝 王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要: 简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词: 生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号: T M911.45 文献标识码: A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池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,其阴阳极反应如下式所示: 阳极反应 C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 阴极反应 6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,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[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.360docs.net/doc/e96420535.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001
燃料电池的发展现状及研究进展
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
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
燃料电池汽车的动力传动系统设计
燃料电池汽车的动力传动系统设计 1引言 燃料电池汽车是电动汽车的一种。 燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动 机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动 ，就可使车辆在路上行驶，燃料电池的能量转 换效率比内燃机要高 2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 ，因此燃料电池车 辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求 ，汽车动力系统将从现在以汽油等化 石燃料为主慢慢过渡到混合动力 ，最终将完全由清洁的燃料电池车替代。 近几年来，燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制 造厂，如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电 池汽车，并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略目标。 目前，燃料电池轿车的样车正在 进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本 田的FCX Clarity 最高时速达到了 160 km/h[8];丰田燃料电池汽车 FCHV-adv 已经累计运行 了 360,000 km 的路试,能够在零下37度启动，一次加氢能够从大阪行驶到东京 （560公 里）。 在我国科技部的支持下，燃料电池汽车技术得到了迅速发展。 2007年，我国第四代燃料电池 轿车研制成功，该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km 。2008年,20燃料电池示范 汽车又 在北京奥运进行了示范运行。 2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有 196辆燃 料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。 燃油绘济性 排放环保 l ;uel economic exhaust eih ironmen(al protection Internal combustion engine Shori peicxl Mid peitxl Long pei 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]。 应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹 摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商 2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.360docs.net/doc/e96420535.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。 非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展低温燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置，是一种绿色的能源技术，对解决目前我们所面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义，美国《时代周刊》将燃料电池列为 21 世纪的高科技之首；在我国的科技发展规划中，燃料电池技术也被列为重要的发展方向之一。 催化剂是燃料电池中关键材料之一，催化剂的成本占到燃料电池成本的1/3。铂被证明是用于低温燃料电池的最佳催化剂活性组分，但使用铂做为燃料电池催化剂也存在如下严重问题：（1）铂资源匮乏；（2）价格昂贵；（3）抗毒能力差。目前通过合金来改善催化剂的研究有碳负载的铂钌合金催化剂PtRu/C，以及添加有其他促进成分的 Pt/C 和 PtRu/C 催化剂等。为了有效降低燃料电池的成本，主要采用集中两个方面研究来降低铂载量：（1）开发非铂电催化剂；（2）开发研制低铂电催化剂。本文就此对近年来的研究现状进行综述。 1 非铂催化剂 非铂催化剂在酸性直接醇类燃料电池中的研究非铂催化剂的研究，主要采用钯基或钌基掺杂其他金属制备催化剂，近年来，研究人员用了多种方法制备了各种活性组分高度分散的钯基催化剂，在催化燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）中显示了可与铂基催化剂相媲美的效果。同时，作为直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接乙醇燃料电池（DAFC）的阳极催化剂，也显示了诱人的应用前景。以下从影响催化剂性能的几个因素对近年来的相关工作进行讨论。 催化剂的组成直接影响其性能。Colmenares 等合成用 Se修饰的 Ru/C 催化剂 (RuSey/C) 应用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极催化，结果表明在～ V 电压下，Se 的加入促进了氧还原并减少了生成 H2O2的趋势；少量甲醇的存在对于 RuSey/C 催化氧还原影响较小，说明这类催化剂具有较好的抗甲醇性能。Jose' 等合成了两种非铂催化剂 Pd-Co-Au/C 和Pd-Ti/C，在质子交换膜燃料电池氧还原中的活性与现在常用的 Pt 催化剂活性相当。Shao 等制备了 Pd-Fe/C 系列催化剂用于氧还原反应，结果表明 Pd3Fe/C 氧还原活性比商业催化剂Pt/C (ETEK)好。Wang 等采用有机溶胶法合成了PdFeIr/C 催化剂，研究表明 Fe 和 Ir 的添加，大大增加了催化剂的分散性，从而提高了催化剂的活性，该催化剂表现出较高的氧还原能力和较好的耐甲醇性能。Mayanna 等合成了不同组成的 Ni-Pd合金膜催化剂，并研究了在硫酸环境中的甲醇电氧化性能，发现与纯 Ni 相比其阳极峰电流明显增大，合金化以后其表面积增加了近 300 倍。 制备方法与合成条件对催化剂性能的影响显着。Shen 等利用微波交替加热法制备了 Pd/MWCNT 电催化剂，发现在碱性溶液中显示了良好的甲醇催化氧化性能，与 Pt/C 相比，氧化电位负移了 100 mV 左右。同时他们还研究了多种氧化物对Pd/C 催化氧化多种醇类（甲醇、乙醇、乙二醇等）的促进作用，发现在碱性溶液中 Pd-NiO/C 对乙醇的氧化与 Pt/C 相比负移了300 mV 左右。他们用类似方法合成了 AuPd-WC/C 复合催化剂，并研究了在碱性条件下对乙醇氧化的电催化行为。发现与相同催化剂载量的 Pt/C 催化剂相比，乙醇氧化的起始电位负移了 100 mV 左右，峰电流密度增加了 3 倍左右，而且还显示了良好的稳定性。徐常威等用水热法分解蔗糖制备出表层 燃料电池的建模仿真 虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具 燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。 图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。 如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。 在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。 科 技 天 地 66 INTELLIGENCE ??????? ?????????????????沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展 辽宁广播电视大学丹东分校 冯 雁 摘 要：近年来微生物燃料电池技术在国外接连取得突破性研究成果，并迅速成为新概念废水处理的热点。介绍了微生物燃料电池技术的原理和特点，系统综述了该项技术的研究进展，重点总结了在微生物、介体与电极材料研究等方面的最新研究进展，分析了存在的问题，在此基础上指出微生物燃料电池技术研究的重点突破方向。 关键词：微生物 燃料电池 废水处理 当今世界，减少污染物排放量和对化石类燃料的依赖是可持续发展力求达到的两个目标。微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）技术为在污水处理领域实现这两大目标提供了可能。微生物燃料电池（MFCs）是一种特殊的燃料电池，它以微生物作为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。研究表明，MFCs 不仅可以利用乙酸盐等物质作为燃料持续稳定地产生电流，也可利用各种有机污染物为燃料。当阳极室利用厌氧污泥接种，采用有机污染物为燃料时，电池就能在发电的同时降解污染物，达到经济和环境的双赢，这为有机废水的资源化提供了新思路，具有重大的实际意义。 MFCs 是一种通过微生物的新陈代谢活动能使化学能转化为电能的生物电化学系统（BESs）。由于它们独特的特点和在污水处理方面的应用，BESs 的应用领域正在不断地增大。 一、微生物燃料电池的发展及其分类 1911年，英国植物学家Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。之后40多年，占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质通入燃料电池发电。 从20世纪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。进入80年代后，对于生物燃料电池的研究活跃起来。90年代初，我国也开始了该领域的研究。MFCs 按照使用催化剂形式的不同，可以分为微生物燃料电池和酶燃料电池。前者利用整体微生物中的酶，而后者对酶直接利用。根据电子转移方式的不同还可分类为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池。直接生物燃料电池的燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应；而在间接生物燃料电池中，燃料并不在电极上反应，而是在电解液中或其它地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。另外，也有人用生物化学方法生产燃料（如发酵法生产氢、乙醇等），再用此燃料供应给普通的燃料电池。这种系统有时也被称为间接生物燃料电池。 二、介体的改进 在MFCs 中，电子由微生物内部转移到阳电极需要经过微生物细胞膜，细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以直接穿过，需要氧化还原载体作为电子介体传递。因此电子介体的数量和性质成为限制MFCs 是产电效率的一个重要 因素。 理想的介体应具有下列特性：1、能够被生物催化剂快速还原，并在电极上被快速氧化；2、在催化剂和电极间能快速扩散；3、氧化还原电势一方面要足以与生物催化剂相偶合，一方面又要尽量低以保证电池两极间的电压最大；4、在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。典型的电子介体包括中性红、劳氏紫、硫瑾类、吩嗪类等。一些研究者认为适宜条件下，微生物体系本身可以产生电子介体，如Daniel 等发现发酵酸杆菌产电中电子转移节制的证据。Rabaey 等研究发现向MFCs 阳极转移电子能够通过绿脓菌素和吩嗪－1－羧基酰胺实现。 由于常用介体价格昂贵，并可能对环境产生毒害。近年开展了大量对无介体MFCs 的研究。无介体MFCs 中的嗜阳极微生物可分为两种：一种是吸附在阳极上，通过细胞膜进行电子传递的微生物，如S。putrefaciens。这类细菌的细胞外膜上存在具有良好氧化还原性能的细胞色素，可帮助电子传递。另一种是可以分泌溶解性物质并利用它作为电子介体，如Pseudomonas aeruginosa。最近的研究表明，这些由微生物分泌的电子介体参与细胞外电子传递，并可以极大提高MFCs 的性能。 三、结语及展望 沉积物微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但是相关的研究还处于基础阶段。因此还需要在以下几个方面进行深入研究，推动其工程化的应用： 1、导电性能优良的立体化微生物燃料电池阳极研究。开发新型的立体化电极，并采用化学修饰来增强阳极生物亲和性和导电性，提高固定有效产电微生物的量和微生物向电极传导电子的能力。 2、高效廉价的微生物燃料电池生物阴极研究。通过选择导电性能优良的材料，通过一定的方式使其表面产生生物膜来提高氧还原速率。 3、加强淡水沉积物微生物燃料电池的研究。近年来淡水资源的污染已严重影响到人们的生活，而MFCs 所展现的优点可以应用于其污染治理。并可通过深入研究生态工程和沉积物微生物燃料电池的协同作用来提高其修复速率。 4、应用物理和生物方式，加快沉积物中有机物向阳极的传递，以提升MFCs 工艺运行效果。微生物燃料电池的研究进展
燃料电池的发展现状及研究进展
浅谈微生物燃料电池研究进展
非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展
燃料电池的建模仿真
沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展