微生物燃料电池 PPT
➢ 韩国科学技术研究院水环境修复中心的 Byung Hong Kim 教授和比利时根特大学微生 物生态与技术实验室的Willy Verstraete 等则在 MFC 产电菌和微生态方面做了大量基础研究工 作，以探明 MFC 中电子产生与传递机理及微生 物种群的关系及演变。
➢ 这些研究构成了 MFC技术的基本理论框架 与技术方法。
H20
膜
e-
H+
直接或间接
阳 电子传递 微
氧 化 产
极
生 物
CO2 物
有机物
03 DUT
02 基本原理
Basic Principles
离子交换膜将阳极室与阴极室相分幵,在每一区域发生着不同的反
应。MFCs的工作过程可分为以下几个步骤:
(1)在阳极室,微生物将底物氧化,这个过程伴随着电子和质子的释放,
➢ 20 世纪50年代，由于美国航空航天局(NASA) 的推动，微生物燃料电池曾一度成为研究热点。
➢ 1999 年， Kim 等发现：Shewanella putrefaciens可以在无外源电子介体的条件下催
化 MFCs产电，该研究促使 MFCs技术摆脱了依 赖外源电子介体的瓶颈.
DUT
01 研究背景
越这种杆菌生物膜的菌丝网让生物膜具有了与广泛应用于电子工业的人造
导电聚合物相媲美的导电性，电子可在其上传导，传导的距离可为细菌体
长的几千倍，这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样，这种作用代
表了生物学领域一个基本的新特性。
06Leabharlann DUT02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
对于 MFC 中阳极系统的微生物群落结构，有关研究表明 ，利用混合菌种构建 MFC 要优于纯菌构建 MFC 的性能，因 为混合接种的 MFC 中微生物具有高度的生物多样性，这些微 生物随着不同的运行条件的变化而变化，其中产电菌通过产电 过程直接或间接获得能量，从而逐渐成为该体系中的优势微生 物。
sphaericus 等。
05
DUT
02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
对于 MFC 阳极微生物的电子转移机制，普遍认可的方式主要有细胞
接触转移、电子中介体转移和纳米导线转移 3 种。着重介绍纳米导线转移
。
在纳米导线方面，Lovley等认为， 诸如 Desulfovibrio
desulfuricans 等产电微生物的微生物纳米线能更长距离地传导电子，穿
DUT
2 第
部分
微生物燃料电池基本原理
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
02 基本原理
Basic Principles
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。
01
Basic Principles
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
➢ 1911 年，英国植物学家 Potter 发现微生物的 催化作用可以在燃料电池系统中产生电压[1]，微 生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)技 术的发展就此开始。
DUT
02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
无介体微生物是 MFC 研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介
体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导
线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了
功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
进入 21 世纪之后，随着《降低电极微生物从 海洋废弃物中提取能源》在《科学》杂志的发表， 标志着能直接将电子传递给固体电级受体的微生物 的发现，使得 MFC 迅速成为环保领域研究的新热
➢ 简单来说：微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）是一种利用微生物（产电菌）将 有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
什么是微生物燃料电池？
➢ MFCs 也可以被简单地定义为通过微生物的厌氧 呼吸过程氧化底物、还原电极并输出电能的生物 电化学系统。
DUT
01 研究背景
点。
DUT
01 研究背景
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
➢ 美国宾夕法尼亚州大学氢能源研究中心的 Bruce E.Logana 教授研究 MFC 构型与电极材 料方面的改进，研发出了易于搭建、廉价且高效 的MFC 雏形。
Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter
metallireducens 、 Geopsychrobacter electrodiphilus
Thermincola.sp. 、 Rhodoferax ferrireducens、Lysinibacillus
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：
阳极反应：
C6H1206+6H2O→C02+24e-+24H+ 阴极反应：
602+24e-+24H+→12H20
02
DUT
02 基本原理
2.1 双室MFCs原理示意图：
e-
负载电阻
e-
e-
氧 O2
化
剂
阴
H+
极
质
还 原
H+ e-
子 交 换
产 物
同时以细胞膜作为电子的受体;
(2)释放出来的电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极匕经由外电
路到达MFCs的阴极,最终在阴极上与电子受体(氧化剂)结合;
(3)氧化过程中生成的质子经电池内部的离子交换膜扩散到阴极区,
并与电子受体于阴极表面发生还原反应,氧化物质被还原。从而完成整
04
个MFCs的电子产生、传递、流动过程,形成电流。
微生物燃料电池
THE MAIN CONTENTS
Research on Microbial Fuel Cells
01
研究背景
03
05
发展展望
02
基本原理
04
具体应用
DUT
1 第
部分
研究背景
01 研究背景
What’s the MFCs？
.
Research on Microbial Fuel Cells
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微生物燃料电池
592 mW/m2
（2）（40度）混合酶对SMFC功率密度的影响（蛋白酶浓度：淀粉酶浓度）
40℃条件下，酶比为2:3 时，复合酶 促进污泥水解效率最高。功率密度 有显著的提高。 由于酶的催化作用具有高度的专一性，中性 蛋白酶只能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸， α-淀粉酶只能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至 单糖，所以当只加入一种酶时（中性蛋白质或α淀粉酶）时，只能强化蛋白质或者淀粉或纤维素 的水解，而另一种物质的水解得不到强化，因此 污泥液相中溶解性可以被产电微生物直接利用的 小分子有机物浓度就低，从而限制了产电性能。
阳极电子传递
(1)
生物膜接触传递
与阳极表面直接接触的产电微生物，可通过c型细胞色素将细胞内呼吸链中电子直接传递 至电极表面，原因可能是c型细胞色素内血红素基团间紧密排列，且相邻血红素的铁卟啉 平行或垂直的特殊结构，让电子可以在血红素基团间传递，在细胞色素间形成的蛋白复 合物，使得每两个细胞色素上血红素基团排列靠近，让电子在细胞色素间也得以传递。
谢谢！
国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的25％～60％。 据统计，2010年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达360万吨。这些剩
成分复杂，其中包含重金属、病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害 特性 物质。若不加以处理，将污泥直接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染” 最终严重危害到人类的身体健康。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量碳水化合物、蛋白质等营养物质 及氮磷营养元素，具备作为MFC底物燃料的基本条件。
微生物燃料电池
微生物燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化 剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技 术。
MODERN
（1） 微生物燃料电池的原理
燃料电池 课件
(1)乙烯(C2H4) 负极: ; (2)乙烷(C2H6) 负极: ; (3)丙烷(C3H8) 负极: ; (4)丁烷(C4H10) 负极: ; (5)甲醇(CH3OH) 负极: ; (6)乙醇(C2H5OH) 负极: 。
答案:(1)C2H4+16OH--12e- 2CO32-+10H2O (2)C2H6+18OH--14e- 2CO32-+12H2O (3)C3H8+26OH--20e- 3CO32-+17H2O (4)C4H10+34OH--26e- 4CO32-+22H2O (5)CH3OH+8OH--6e- CO32-+6H2O (6)C2H5OH+16OH--12e- 2CO32-+11H2O
燃料电池
预习导引
1.燃料电池:燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的 一种原电池,所以燃料电池也是化学电源。它与其他电池不同,它不 是把还原剂、氧化剂全部贮存在电池内,而是在工作时,不断地从外 界输入,同时把电极反应产物不断排出电池。因此,燃料电池是名符 其实地把化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极 和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、 煤气、水煤气、甲烷等气体;从正极连续通入氧气或空气。电解液可 以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。燃料电池中的 最终产物和燃烧时的产物相同。
Hale Waihona Puke (4)一般燃料电池的负极反应都是采用间接方法书写,即按上述 要求先正确写出燃料电池的总反应和正极反应,然后在电子守恒的 基础上用总反应减去正极反应即得负极反应。
2.有机物燃料电池
活动与探究 2
将铂丝插入 KOH 溶液作电极,然后向两个电极上分别通入甲烷
答案:(1)C2H4+16OH--12e- 2CO32-+10H2O (2)C2H6+18OH--14e- 2CO32-+12H2O (3)C3H8+26OH--20e- 3CO32-+17H2O (4)C4H10+34OH--26e- 4CO32-+22H2O (5)CH3OH+8OH--6e- CO32-+6H2O (6)C2H5OH+16OH--12e- 2CO32-+11H2O
燃料电池
预习导引
1.燃料电池:燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的 一种原电池,所以燃料电池也是化学电源。它与其他电池不同,它不 是把还原剂、氧化剂全部贮存在电池内,而是在工作时,不断地从外 界输入,同时把电极反应产物不断排出电池。因此,燃料电池是名符 其实地把化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极 和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、 煤气、水煤气、甲烷等气体;从正极连续通入氧气或空气。电解液可 以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。燃料电池中的 最终产物和燃烧时的产物相同。
Hale Waihona Puke (4)一般燃料电池的负极反应都是采用间接方法书写,即按上述 要求先正确写出燃料电池的总反应和正极反应,然后在电子守恒的 基础上用总反应减去正极反应即得负极反应。
2.有机物燃料电池
活动与探究 2
将铂丝插入 KOH 溶液作电极,然后向两个电极上分别通入甲烷
微生物燃料电池(1)全解
Thanks for your attention!
2 .加入其他催化剂
Qiao等报道了用碳纳米管/ 聚苯胺(CNT/ PANI)作为MFC 阳极。 Kargi 等用铜和铜- 金导线来代替石墨电极作为MFC 的阳极,结 果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。 Rosenbaum等研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得 了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池 的阳极是适合的。
具有产电与废弃物处置的双重功效。 微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化 利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注， 有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。
发展历史
1.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，他用铂做电极， 把它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； 2.1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物 燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过 它的放电率极低； 3.1991 年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水 的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到 的电池功率才有所增强； 4.近几年, MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源, 开发新型能源研究工作者的关注热点。
阳极材料
阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定 MFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与 电子传递机理的重要的辅助工具。 现在，MFC阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接 目前对阳极的研究主要是 关系到产电能力的大小，其必要条件是具有高导电率、高 对导电材料的改性 比表面积、高孔隙率、廉价易造且可回收等。主要是以碳 为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨 加入其他的催化剂 以及碳纤维刷。
微生物燃料电池
膜
☺
质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔 膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细 菌和氧气等都被截留的微孔材料。
现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。
☺
阴极
☺最新的研究表明，阴极是制约MFC产电的主要原
因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但 是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较 慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极 加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开 始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分 为非生物阴极和生物阴极。
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O nCO2＋4ne-＋4nH+ 2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
阳极室
Hale Waihona Puke PEM阴极室图1.生物燃料电池工作原理
MFC
阳极 阴极
膜
生物阴极 厌氧型生物阴 极
非生物阴极
好氧型生物阴 极
阳极
☺从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传
递电子的作用，可以说是决定MFC产电能力的重 要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传 递机理的重要的辅助工具。现在，MFC阳极主要 是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、 碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。
☺ ☺
好氧型生物阴极 二氧化锰也能作为直接的电子受体， 在MFC的阴极表面沉积一层MnO2， 利用MnO2的电化学还原和生物再 氧化过程
☺ ☺
厌氧型生物阴极 在厌氧条件下，许多化合物，如硝 酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等 都可以作为电子受体。利用厌氧生 物阴极代替需氧生物阴极的一大优 势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳 极，防止氧气消耗电子导致库伦效 率下降。
☺阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生
微生物燃料电池(MFC)
微量重金属离子促进希瓦氏菌在微生物燃料电池中的细胞外电子转 移和发电
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
燃料电池和微生物燃料电池的机理?燃料电池由阳极室和阴极室组由允许质子流动并限制电子流动的电解质隔开?氢气和氧气被输入到电池中?阳极上的催化剂使得氢原子释放电子产生h?氧原子在阴极吸引h?h通过电解质膜?电子通过外部导线到达阴极从而产生电流阳极
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
燃料电池和微生物燃料电池的机理?燃料电池由阳极室和阴极室组由允许质子流动并限制电子流动的电解质隔开?氢气和氧气被输入到电池中?阳极上的催化剂使得氢原子释放电子产生h?氧原子在阴极吸引h?h通过电解质膜?电子通过外部导线到达阴极从而产生电流阳极
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
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 progress1 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。
生物燃料电池
产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌等
微生物燃料电池结构及改进
微生物燃料电池组成
组成成分 阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 原料 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃 质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸 标注 必需 必需 必需 非必需 必需
2.生物燃料电池的特点：
原料来源广泛； 操作条件温和； 生物相容性好； 生物燃料电池结构比较简单
3.分类
工作方式：微生物燃料电池和酶生物燃料 电池
电子转移：直接生物燃料电池和间接生物 燃料电池
几个概念
酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后利 用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的还 原； 微生物燃料电池：指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠 合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电 子传递。 直接生物燃料电池：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燃料在电极 表面上的反应； 间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液中 或其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载 到电极上去。
4.发展简史
1911，英国植物学家potter，开创； 剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆； 1970，生物燃料电池概念确定； 1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高 2002，bond发现特殊微生物地杆菌； 2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比利 时willy教授在MFC上做了大量研究。
大肠杆菌普通变形杆菌枯草芽孢杆菌梭状芽孢杆菌嗜水菌枯草芽孢杆菌梭状芽孢杆菌嗜水微生物燃料电池结构及改进微生物燃料电池结构及改进微生物燃料电池组成组成成分组成成分原料原料标注标注阳极阳极必需必需阴极阴极必需必需阳极室阳极室玻璃聚碳酸脂有机玻璃玻璃聚碳酸脂有机玻璃必需必需阴极室阴极室玻璃聚碳酸脂有机玻璃玻璃聚碳酸脂有机玻璃非必需非必需质子交换膜质子交换膜质子交换膜盐桥玻璃珠玻璃纤维和碳纸质子交换膜盐桥玻璃珠玻璃纤维和碳纸必需必需电极催化剂电极催化剂铂铂黑聚苯胺固定在阳极上的电子介体铂铂黑聚苯胺固定在阳极上的电子介体非必需非必需阳极是微生物氧化分解有机物的场所所以微生物阳极是微生物氧化分解有机物的场所所以微生物的量也就能影响产电量
微生物燃料电池结构及改进
微生物燃料电池组成
组成成分 阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 原料 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃 质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸 标注 必需 必需 必需 非必需 必需
2.生物燃料电池的特点：
原料来源广泛； 操作条件温和； 生物相容性好； 生物燃料电池结构比较简单
3.分类
工作方式：微生物燃料电池和酶生物燃料 电池
电子转移：直接生物燃料电池和间接生物 燃料电池
几个概念
酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后利 用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的还 原； 微生物燃料电池：指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠 合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电 子传递。 直接生物燃料电池：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燃料在电极 表面上的反应； 间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液中 或其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载 到电极上去。
4.发展简史
1911，英国植物学家potter，开创； 剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆； 1970，生物燃料电池概念确定； 1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高 2002，bond发现特殊微生物地杆菌； 2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比利 时willy教授在MFC上做了大量研究。
大肠杆菌普通变形杆菌枯草芽孢杆菌梭状芽孢杆菌嗜水菌枯草芽孢杆菌梭状芽孢杆菌嗜水微生物燃料电池结构及改进微生物燃料电池结构及改进微生物燃料电池组成组成成分组成成分原料原料标注标注阳极阳极必需必需阴极阴极必需必需阳极室阳极室玻璃聚碳酸脂有机玻璃玻璃聚碳酸脂有机玻璃必需必需阴极室阴极室玻璃聚碳酸脂有机玻璃玻璃聚碳酸脂有机玻璃非必需非必需质子交换膜质子交换膜质子交换膜盐桥玻璃珠玻璃纤维和碳纸质子交换膜盐桥玻璃珠玻璃纤维和碳纸必需必需电极催化剂电极催化剂铂铂黑聚苯胺固定在阳极上的电子介体铂铂黑聚苯胺固定在阳极上的电子介体非必需非必需阳极是微生物氧化分解有机物的场所所以微生物阳极是微生物氧化分解有机物的场所所以微生物的量也就能影响产电量
生物燃料电池
隔膜
1
隔膜是生物燃料电池中的另一个重要组成部分， 用于分隔燃料池和氧化池，防止两池之间的直接 混合。
2
隔膜需要具有较高的选择透过性和机械强度，能 够阻止燃料和氧化剂的直接混合，同时允许离子 的传输。
3
隔膜的材质和孔径大小对电池的性能和稳定性有 重要影响，需要根据实际情况进行选择和优化。
03
生物燃料电池的优缺点
在医疗领域的应用
生物燃料电池在医疗领域具有广泛的 应用前景。例如，用于监测人体生理 参数的传感器、植入式医疗器械、生 物芯片等，都需要微型电源。
生物燃料电池可以为这些设备提供持 续、稳定的电力，同时避免了对传统 电池的更换和废弃处理带来的不便和 潜在风险。
在环保领域的应用
生物燃料电池还可以应用于环保领域，如水质监测、污染治理等。通过将生物燃料电池与传感器技术 相结合，可以实现对水质的实时监测，及时发现污染源并采取相应的治理措施。
缺点
低功率密度 对纯度要求高
寿命有限 启动时间长
与传统的化学燃料电池相比，生物燃料电池的功率密度较低， 这意味着需要更大的体积来产生相同的电量。
生物燃料电池中的微生物对燃料纯度要求较高，杂质可能影响 电池性能。
生物燃料电池中的微生物活性会随着时间和使用而降低，导致 电池寿命有限。
与化学燃料电池相比，生物燃料电池的启动时间较长，需要一 定时间来培养和繁殖微生物。
酶催化剂
01
酶催化剂是生物燃料电池中的关键组成部分，用于加速生物燃料的氧 化反应，提高电池的能量转化效率。
02
酶催化剂具有高效、专一和可再生的特点，能够降低反应活化能，提 高反应速率。
03
酶催化剂的筛选和优化是生物燃料电池研究的重要方向之一，通过改 进酶催化剂的稳定性和活性，可以提高生物燃料电池的性能。
燃料电池培训课件(ppt 47页)
静态排水法
在氢气室一侧设置一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩 散通过氢气室，进入排水膜在排水膜外侧冷凝并通过排 水腔排出
冷凝排水法
在氢气室一侧设置冷凝板，外侧的冷凝腔内流过冷却剂， 生成的水灾冷凝板上冷凝成液态排出
电解质排水法
通过电解液的外部循环蒸发排水
AFC的性能优缺点
优点：
能量转化效率高 通常单位输出电压为0.8~0.95V， 能量转换效率高达60%~70%。
微孔结构隔膜，由SiC和聚四氟乙烯组成。
PAFC应用系统
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
PEMFC 以全氟磺酸型固 体聚合物为电解质 ， 以 Pt/C 或 Pt-Ru/C为电催化剂，燃料 氢或净化重整气，氧化剂采用空气或纯氧， 双电极材料目前采用石墨或金属。
PEMFC的工作原理
阳极反应： H2→2H++2e 阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O 电池反应： H2+1/2O2 →H2O
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、 固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
在氢气室一侧设置一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩 散通过氢气室，进入排水膜在排水膜外侧冷凝并通过排 水腔排出
冷凝排水法
在氢气室一侧设置冷凝板，外侧的冷凝腔内流过冷却剂， 生成的水灾冷凝板上冷凝成液态排出
电解质排水法
通过电解液的外部循环蒸发排水
AFC的性能优缺点
优点：
能量转化效率高 通常单位输出电压为0.8~0.95V， 能量转换效率高达60%~70%。
微孔结构隔膜，由SiC和聚四氟乙烯组成。
PAFC应用系统
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
PEMFC 以全氟磺酸型固 体聚合物为电解质 ， 以 Pt/C 或 Pt-Ru/C为电催化剂，燃料 氢或净化重整气，氧化剂采用空气或纯氧， 双电极材料目前采用石墨或金属。
PEMFC的工作原理
阳极反应： H2→2H++2e 阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O 电池反应： H2+1/2O2 →H2O
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、 固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
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。