微生物燃料电池简介
微生物燃料电池
必需
阴极
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳
必需
阳极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
必需
阴极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
非必需
质子交换膜
质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸
必需
电极催化剂
铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体
非必需
生物燃料电池
• 质子交换膜(PEM)
PEM 对电池产电性能影响也很大。
在双室MFCs 中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室
和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极
室内氧气扩散至阳极室。
在单室MFCs 中,一般采用“二合一”电极,即将
PEM 热压在阴极内侧。
生物燃料电池
• 合适的中间介体
• 中间介体具备条件：1）容易与生物催化剂及电极
发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都
利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出
电能；
沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液
相间的电势差产生电能。
• 依据电子的转移方式分类
1.介体微生物燃料电池
2.无介体微生物燃料电池
指微生物燃料电池中的细菌能分泌细
微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等
胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由
不导电物质，对电子传递造成很大阻力，
的序幕。
➢40多年后，美国基于研究开发一种用于空
间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的
生物燃料电池，间接微生物电池占主导地
位。先利用微生物发酵产生氢气或其它能
作为燃料的物质，然后再将这些物质通入
燃料电池发电。
➢从60 年代后期到70 年代，直接生物燃料电
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型。
以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。
微生物燃料电池(MFC)
Electricity generation binary culture
Electricity generation mixed culture
SEM images of (A) coculture anode biofilm (B) mixed-culture anode biofilm
结论
❖ Geobacter sulfurreducens则可以氧化 Clostridium cellulolyticum的发酵产物（即做 为反应的电子供体），而利用电极作为反应 的电子受体．
研究目的
1.在这篇文章中,观察利用特定的两种微生物
C.cellulolyticum 和 G. sulfurreducens 以纤维 素为底物直接用来产生电能的情况. 2.检测活性污泥中的混合菌是否具有既可以降 解纤维素又可以产生电能的能力.
❖ 从宾西法尼亚大学废水处理厂取得活性污泥,将其保 存在 4 ℃得冰箱中备用
MFC Construction
接种及驯化
❖ 1.将5 mL吃铁的土壤细菌接种到MFC-1中, MFC-1中电子供 体是8mM 醋酸钠, 阳极是唯一得电子受体. MFC -2中接种5 mL 纤维素分解菌,以2 g/L的羧甲基钠纤维素为底物.当MFC1反应了62小时时(此时电压已经稳定大约为430 mV并且吃 铁土壤细菌已经在MFC-1的阳极上富集),用MFC-1的阳极取 代MFC-2的阳极,将一个新的石墨电极插入到MFC-1中.因此 在MFC-1 中只有吃铁土壤细菌,在MFC-2 中有吃铁土壤细菌 及纤维素分解菌.
微生物燃料电池（MFC）
❖ 微生物燃料电池是指借助微生物的催化作 用直接将燃料(如有机酸，糖类等)的化学能转 化为电能的装置．
❖ MFC原理：（1）燃料于阳极室在细菌的催 化作用下被氧化,（2）产生的电子通过位于 细胞外膜的电子载体(例如,细胞色素)传递到 阳极,（3）电子经外电路到达阴极，质子通 过质子交换膜到达阴极,（4）氧化剂(一般为 氧气)在阴极室得到电子被还原。
能源储存与利用的微生物燃料电池研究
能源储存与利用的微生物燃料电池研究能源问题一直是全球关注的焦点问题，而随着科技的发展，人类对新型能源的探索也越来越深入。
在这些新型能源中，微生物燃料电池成为了越来越受关注的一种。
一、微生物燃料电池的定义微生物燃料电池是一种利用微生物代谢活动产生的电子来产生电力的新型能源技术。
其原理是通过将微生物植入特定电极中，在有机底物的存在下产生电子，使电极上的电能增加，从而实现对有机底物的储存和利用。
二、微生物燃料电池的优点相较于传统化石能源和电池，微生物燃料电池具有以下优点：1、相比传统电池，微生物燃料电池是一种可以重复利用的能源，尽管其能量密度相对较低，但其工作效率具有极高的可持续性。
2、微生物燃料电池所利用的有机底物来源广泛，可以利用自然资源的任何生物质废料，例如纤维素或厨余垃圾等，可以有效减少环境污染。
3、微生物燃料电池还具有成本低、占用空间少等特点。
三、微生物燃料电池的工作原理微生物燃料电池的工作原理分为两种：1、单室微生物燃料电池单室微生物燃料电池是指微生物燃料电池中产生电能的微生物都存在于一个反应器中，产生电子的过程发生在同一环境中。
电池的电子转移通路是电极–微生物–底物的，经过两个电极产生电子移动，从而形成电子流，并最终将电子传递到另一个电极中。
2、双室微生物燃料电池双室微生物燃料电池是指将微生物的存在分为两个传递区域，在两个传递区域之间产生电子，通过外部线路完成电能的转换。
（图1 单室微生物燃料电池工作原理示意图）（图2 双室微生物燃料电池工作原理示意图）四、微生物燃料电池的研究现状目前，微生物燃料电池的研究主要集中在三个方面：1、微生物燃料电池的发电机理研究研究人员通过实验和模拟分析，不断深入探索微生物燃料电池的发电机理，从而更好地理解其中的内在机制。
2、微生物燃料电池的性能优化研究研究人员对微生物燃料电池的设计和操作进行了不断优化，例如改进电极材料、优化反应器等等。
3、微生物燃料电池在实际应用中的研究微生物燃料电池的应用也广泛被研究，包括但不限于区域微电网、废水处理、室内和户外照明、移动设备装置电源。
微生物燃料电池课件
2 污水处理
微生物燃料电池可以同时 处理废水和产生电能，实 现高效的污水处理。
3 远程地区供电
微生物燃料电池可以在没 有外部电源的情况下，为 远程地区提供可靠的电力。
微生物燃料电池的优势
可持续性
微生物燃料电池利用有机废料 等资源，具有可持续性和循环 利用的特点。
低排放
与传统能源相比，微生物燃料 电池几乎没有排放有害气体和 污染物。
微生物燃料电池课件
微生物燃料电池是一种能够将有机物质转化为电能的可再生能源技术。通过 利用微生物代谢过程中释放的电子，实现能量的转换。
微生物燃料电池的定义
微生物燃料电池是一种利用微生物来转化有机物质为电能的装置，将化学能 转化为电能的可再生能源技术。
微生物燃料电池的原理
• 微生物通过代谢过程将有机物质氧化，产生电子。 • 电子在电极表面传导，形成电子流。 • 电子流通过外部电路，驱动电子器件工作。 • 电子最终在电极上与氧气还原，完成电化学反应。
灵活性
微生物燃料电池可以适应不同 的环境和能源需求，具有较高 的出能量 微生物选择 系统可靠性
目前微生物燃料电池的输出能量相对较低，需要 进一步提高效率。
不同的微生物对于废料的降解能力和电子转化效 率有所差异，需要筛选合适的微生物。
微生物燃料电池需要保证长期稳定运行，提高系 统的可靠性和实用性。
微生物燃料电池的组成部分
生物阳极
这是一个支持微生物生长和 氧化过程的电极，通常由碳 材料制成。
电解质
电解质用于隔离阳极和阴极， 同时允许离子的传输。
阴极
阴极是电化学反应的场所， 它与阳极连接形成电子流。
微生物燃料电池的应用
1 可再生能源
微生物燃料电池可以将有 机废料转化为电能，提供 可再生的能源。
微生物燃料电池原理与应用
微生物燃料电池原理与应用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物氧化有机物产生电能的装置。
它基于微生物的电化学反应来产生电力，将化学能直接转化为电能。
微生物燃料电池的原理是通过利用微生物的代谢作用将有机废物（如人类粪便、废水等）中的化学能转化为电能，实现能量回收和减少污染物的排放。
该技术有着巨大的潜力，能够广泛应用于废水处理、能源生产和环境保护等领域。
微生物燃料电池中的关键组成部分是阳极和阴极。
阳极是微生物活动的场所，它提供了一个良好的电子传递通道。
通常情况下，阳极材料是由导电性好的物质构成，如碳纳米管、碳纳米颗粒等。
阴极则是电子和氧气进行还原反应的场所，它常常使用氧化剂（如氧气或氯离子）来参与电子转移反应。
阳极和阴极之间的电子传递通过外部电路完成，从而产生电能。
微生物燃料电池的关键是利用微生物的代谢作用。
在阳极的表面，微生物通过氧化有机物来产生电子和质子。
微生物中的电子经过阳极材料传递到外部电路中去，形成电流。
同时，微生物释放质子到电解质中去。
质子在电解质中通过离子交换膜传递到阴极处与氧气结合，还原发生的氧化反应，并接受电子，形成水。
这个过程实际上是微生物通过氧化有机物来释放能量，将化学能转化为电能。
这个电能可以直接用来驱动负载，如电灯、泵浦等。
微生物燃料电池的应用非常广泛。
一方面，它可以作为一种有效的废水处理技术。
通过将微生物燃料电池应用于废水处理厂，可以不仅处理废水中的有机物，还能够产生电能。
这就在一定程度上实现了能源回收和环境保护的双重效果。
另一方面，微生物燃料电池还可以应用于能源生产。
有机废物广泛存在于农村、城市和工业生产中，通过利用微生物燃料电池来转化这些有机废物为电能，可成为一种可再生能源来源。
此外，微生物燃料电池还可以应用于生物传感器和无源传感器等领域。
尽管微生物燃料电池具有广泛的应用前景，但目前仍然有一些挑战需要克服。
首先，阳极材料的选择和优化对微生物燃料电池的性能至关重要。
微生物燃料电池技术的研究与开发
微生物燃料电池技术的研究与开发微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种利用微生物在无需外部添加能源的情况下，将有机废弃物转化为电能的生物电化学技术。
相比传统的能源转化方式，微生物燃料电池具有高效、环保、可持续等优势，因此引起了广泛的研究与开发。
本文将从MFC技术的原理、构造、效能与应用方面进行综述，并探讨当前的问题和未来的发展方向。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池利用微生物的代谢活动，将有机废弃物中的可降解有机物氧化为电子和质子，并通过电子传递的过程产生电流，实现能量转化。
微生物燃料电池可分为两种类型：微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）。
在MFC中，氧化反应发生在阳极上，还原反应发生在阴极上。
而在MEC中，还原反应发生在阳极上，氧化反应发生在阴极上。
MFC的一个重要特点是具有双电极体系，由阳极和阴极组成。
阳极是微生物的附着基质，在阳极上发生底物的氧化反应，同时释放出电子和质子。
阴极是电子和质子的还原接受体，通过还原反应接受阳极传递过来的电子和质子，从而产生电流。
微生物燃料电池的反应过程可以用以下电化学方程式表示：阳极反应：有机物+ 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-阴极反应：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O总方程式：有机物+ O2 → CO2 + H2O + 电能二、微生物燃料电池的构造微生物燃料电池的构造主要包括阳极、阴极和电子传递物质。
阳极通常由导电材料如碳纳米管、石墨烯等构成，其表面密布着微生物附着基质。
阴极一般由氧还原反应催化剂如铂、金等材料制成，以增强阴极上的还原反应效果。
电子传递物质常采用导电聚合物，如聚苯胺、聚丙烯酸等，用于促进阳极上的电子传递。
此外，为了提高MFC的效能，还可以在阳极和阴极之间添加质子交换膜，阻止阴阳极直接接触，但允许质子迁移，提高反应效率。
三、微生物燃料电池的效能与应用微生物燃料电池的效能主要通过其输出功率和产物转化效率来衡量。
《微生物燃料电池MF》课件
对环保产业的贡献
微生物燃料电池可以解决能源供应和环境保护 的问题，促进环保产业发展。
内部部件
包括电极、降解废水槽等内部组件。
原理
1
微生物降解废水产生电子
微生物通过降解废水中的有机物，产生大量的电子。
2
电子转移至电极
产生的电子通过传导通道转移到电极上，形成电流。
3
电极通过外部电路流回微生物
电流经过外部电路回流到微生物体系，实现电子循环。
应用
应用场景
微生物燃料电池广泛应用于废水处理、能源生产等 领域。
实际应用案例
应用于农村电网建设、微型电子设备等。
优缺点
优点
• 可再生能源本 • 技术难题
研究进展
1
最新研究进展
利用纳米材料改善微生物燃料电池效率。
2
未来研究方向
探索更高效的微生物种类，提高微生物燃料电池的能量转化率。
结论
微生物燃料电池的前景
微生物燃料电池是可持续发展的一大方向，有 望广泛应用于能源领域。
《微生物燃料电池MF》 PPT课件
微生物燃料电池（MF）是一种创新的可再生能源技术，利用微生物降解废水 产生的电子来产生电能。
介绍
燃料电池的概念是利用化学反应转化为电能的设备。微生物燃料电池是一种特殊类型的燃料电池，利用微生物 降解有机物时产生的电子来生成电能。
构成
外部电路
将电子流动转化为可用电能的电路部分。
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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。
三、MFC的特点
（一）原料较广泛：各种有机物，微生物的呼吸可以利用的代谢产物、光合作用的产物，甚至是污水都可以作为其燃料。
（二）工作条件比较温和：其利用微生物作为电池的催化剂，一般对操作条件的选择比较温和，微生物生长的环境一般为中性，在室温和常压的条件下，微生物可以稳定生长。
（三）较好的生物相容性：由于MFC可以利用糖类和氧气作为燃料，因此，可以把小型化的MFC植入人体，从而为人在器官的运行提供能量支持。
（四）无污染5、无能量输入6、高效的能量利用率
四、MFC的应用领域
（一）有机废水发电与同步处理：与一般的化学燃料电池不同，因为微生物的代谢产物中含有各种酶，能够有效的催化和降解有机物，所以MFC的一个独特优势是能够在获得电能的同时降解有机污染物。
（二）MFC产氢：Liu[2]等人率先设计出了一种能够在阴极室产出氢气的MFC。
产氢MFC在结构上和经典双室MFC几乎相同，只是将阴极的电子受体氧气换成了质子。
阴极表面的质子和电子在铂等催化剂的催化下可直接生成氢气。
（三）生物传感器：MFC潜在的应用是对有机污染物浓度的在线监控[3]。
能被微生物降解的有机物在MFC阳极室中的转化率或者电池电压和有机物浓度在一定的浓度范围内成线性相关。
因此，可以根据测定的电信号推算出有机物的浓度，在有机废水处理中能够实现生化需氧量（BOD）的在线监测。
（四）特殊环境中的电源：产电细菌遍布自然界，容易筛选出，而且微生物在产电时同样具有良好的生物兼容性。
因此，MFC可以为一些特殊的环境下的设备提供电能。
MFC还可以为偏远地区的无线数据传输提供电源，或对太空站中废物循环利用等方面也有发展前景。
此外，MFC还可为人体植入装置如心脏起搏器等提供电源。
五、MFC的发展方向
由于MFC自身拥有巨大的优点，因此MFC具有良好的发展前景，但是MFC 要作为实际电源应用于生产与生活，还有许多的问题需要解决。
比如与其他电池相比，MFC的输出功率密度较低，差距较大。
另外，MFC所用的电极材料和催化剂的成本较高，因此其运行成本也相对也较高。
如果解决了MFC成本较高和发电效率较低的问题，将会节省庞大的开支。
因此，在MFC未来的研究过程中，
我们有必要在开展以下几方面的工作：
（1）筛选活性较高的微生物作为阳极催化剂、选择对微生物无毒性、价格低廉，催化活性高的阴极催化剂。
使MFC电流和功率密度得到进一步提高；
（2）对多个多个MFC进行串联，组建电池堆，提高电压和功率密度；
（3）对MFC电极及反应器进行优化。
结论
由于全球性的能源短缺问题和环境污染的为难题日益突出，MFC的潜能巨大。
对于全世界任何国家来说，MFC具有的既能处理废水的又能发电的特性，无疑具有相当大的吸引力。
因此，我国应该加大MFC研究的投入，以使其早日应用与生产和生活。
参考文献
[1] Potter M C. Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series B，Containing Papers of a Biological Character，1911：260-276.
[2] Liu H，Grot S，Logan B E. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate[J]. Environmental science & technology，2005，39（11）：4317-4320.
[3] Kim B H，Chang I S，Gil G C，et al. Novel BOD （biological oxygen demand）sensor using mediator-less microbial fuel cell[J]. Biotechnology letters，2003，25（7）：541-545.。