微生物燃料电池与外部电阻的关系.中文
生物能源技术
微生物燃料电池与外部电阻的关系
Krishna P. Katuri ；Keith Scott；Ian M. Head；Cristian Picioreanu；Tom P. Curtis
摘要
利用葡萄糖为养料实验的废水和生活污水的微生物燃料电池研究外部负载对阳极生物膜微生物群落的组合物的影响研究。在不同的外部负载下操作的每个MFC的阳极，变性梯度凝胶电泳（DGGE）的聚合酶链反应（PCR）和扩增16S rRNA基因片段显示阳极细菌有着了明显的差异。这些结果暗示着在一个MFC产电细菌富集在高电流密度下，即外部负载低，并能维持较好的电流和出水水质。在不同外部电阻下的不同的细菌群落的形成对电池电力性能没有太大的影响，正如预期的那样，目前这一代，外部负载直接影响COD去除率和生物产量。MFC操作条件下的外部负载，MFC的生物产量明显小于在传统的厌氧消化（即控制）。
1.介绍
微生物燃料电池（MFC）技术是一个新兴的研究技术，其中来自从微生物代谢的电子
可分解有机物被转换为电力。目前应用的技术障碍，包括使用昂贵的组件（例如，镀铂阴极和质子交换膜）和细菌中的电子转移到阳极中低功率密度差造成的。近年来发电使用作为一个潜在来源的更新，微生物燃料电池备受关注能能源。此外除了发电，也可以处理废水。然而，为了使这种技术成为一种可行的能源电源或废水处理方法，将MFC的性能需要做进一步改善是必要的。大多数研究都集中在不同的MFC反应器结构，如何操作参数和不同类型的电极影响下的功率。许多潜在增长率的限制因素MFC的性能，质子通过质子交换膜的运输（PEM），在阴极的氧的供应量减少，这一研究现在已被记录。与一个经典的燃料电池相比，MFC电催化需要透过细菌的新陈代谢。外部电阻的效果对MFC行为已得到解决，一些研究主要集中在外部电阻之间的关系，电流和库仑收率。与MFC运行下的COD去除率在打开电路系统利用一些外部电阻。曼尼古希等开发了一种程序，用于选择最佳的外部最大承受功率电阻。在他们的研究中，他们考虑下产生不同的外部的阳极电位电阻来确定条件下的最大可持续功率。 aelterman等人研究了不同的三维电极发电效果，产电微生物燃料电池的化学和微生物群落结构在相对于所施加的负荷率和外部电阻。然而，外部电阻对COD的去除与微生物群落组成和变化对生物生长的影响的效果的都没有记录。最近里昂等人报道的以喂醋酸作为燃料的外部电阻上的MFC的性能效果。他们发现，外部电阻的差异与变化影响了在细菌群落结构形成在阳极上。
然而，类似的电力生产社会结构。微生物燃料电池的流场数值模拟模型预测，提高EXTER信号的电阻的查询结果：
（i）中较高的生物量的生长及（ii）低级NG产生的电流在阳极。它也被认为增加了电气电阻距离有利于产甲烷微生物的生长，而不是产电微生物的生长。在这项研究中在一批处理模式下，我们已经进行了一系列的实验评估审视了这些的模型的预测结果。因此，我们评估的影响ENCE的外部电阻对MFC性能，阳极微生物群落的组成，特别是在初始阶段的生物膜的发展有着现实意义，如污水处理COD去除率和生物量。然后这些数据相比，与传统的厌氧消化和MFC的操作在开路电压（OCV）下等效于有一个无限的外部空间。
2.1 养料
包括最小盐介质以葡萄糖作为电子供体的MFC养料的解决方案，已经通过制备了溶解500 mg
/L葡萄糖和无机盐 [NH4–N (NH4Cl) – 40 mg/L;Mg (MgCl2) – 10 mg/L; Cu (CuSO4) – 0.1 mg/L; Ca
(CaCl2) – 5 mg/L;Mn (MnSO4) – 0.1 g/L and Zn (ZnCl2) – 0.1 g/L]在950毫升的磷酸盐缓冲器中(0.25M，pH值7.0)。在实验测量之前，添加50毫升的培养液生物量，其次是有力的用氮气清除30分钟，速度为 40 mL/min，来创建厌氧条件和统一的微生物分布。燃料和培养液有一个550 mg / L的化学需氧量(COD)的组合和56 mg / L的生物量浓度的溶液作为挥发的悬浮物(VSS)和7.9 x l08细菌的细胞。
在一些实验研究中，利用生活污水稀释的啤酒厂废水(1:100按体积)被用作阳极室(阳极液)的养分。国内废水是从主澄清器溢流在当地市政污水处理厂(诺森伯兰郡的水，纽卡斯尔在泰恩、英国)收集来的，啤酒厂废水是由联盟酿酒厂(纽卡斯尔、英国)来的。对于MFC测试，酿酒厂废水被添加到国内废水紧随其后有力的用55 mL/min氮气吹了15分钟，来创建缺氧条件和一个统一的微生物分布。用这种方法制备的养料有一个可溶性化学需氧量(COD)的700 mg/L。
2.2 培养液的制备
从主澄清器溢流在在当地市政污水处理厂(诺森伯兰郡的水、纽卡斯尔、英国)收集来的污水废水被使用为一个培养液。生物质是由离心(10000 g，10分钟)从污水废水收集的再利用无菌盐溶液(0.9%氯化钠溶液)冲洗两次去除粘附在微生物细胞的有机化合物。生物质然后再次悬浮在50毫升的无菌磷酸盐缓冲器中(0.25M，pH值7.0)然后混在阳极液养分中(培养液/阳极液比率，1:20)来初始化实验。
2.3 MFC配置和操作
实验在燃料电池的两腔中进行，(150毫升容量，钱伯斯由硼硅酸盐玻璃)。一个6平方厘米的全氟磺酸117质子交换膜(PEM)(标准差、英国)，被用来分离阳极和阴极室。顶部的阳极室配备样本液体和气体用一个电线连接到悬浮在阳极电解液中的阳极。阳极由一个由沸腾的0.1 H2S04、1h煮消毒后，通过蒸馏水煮(30分钟)洗干净的石墨板(投影面积12平方厘米)。一个20平方厘米(投影面积)钛网和0.30毫克的Pt/cm2用作阴极。电导通的电极是钛丝。大约125毫升的养料的解决方案是添加到阳极室其次是用自由氮气清洁15分钟来维持一个厌氧环境的反应堆。这个阴极室包含125毫升的氧饱和钾磷酸盐，还包含100毫米钾铁氰化物的缓冲器(0.25M，pH值7.0)复制MFC电池通过(0.1 kQ，1 kQ，10kQ、25kQ、50 kQ )在阳极和阴极之间的不同外部电阻被操作。其他的电池在开路条件被下运作，同样建构的MFC电池作为生物反应器除了阳极和阴极没有连接到一个电路。传统的厌氧生物膜反应器(封闭的阳极瓶子)被用作控制比较有机去除效率和微生物群落组成的MFC电池。所有反应堆在每日无氧被监控的7天后样品(3毫升)、通过0.2微米滤膜过滤，PVDF(聚偏二氟乙烯，PVDF、英国)以及分析后中被一连串的撤回。
2.4 分析
2.4.1 电化学测量
在不同外部阻力下的燃料电池电压的变化每小时通过使用连接到个人电脑数据采集系统(ADC16，皮科科技有限公司英国) 通过微高分辨率模拟电缆记录下来。能源(mW.h)通过集成功率随时间变化来计算。阳极和阴极使用一个Ag/AgCl放置在阴极电解液中的参比电极的解决方案来监控。
细胞偏振通过每个电池不同的外部电阻和测量电压而得到。外部电阻减少然后再测电压后保持稳定。从相应的电压值，电流密度和功率密度确定后使用欧姆定律。这个电池的库伦效率(%)根据洛根计算。
2.4.2 化学测量
每批实验结束后，散装液体和生物膜的总生物量浓度通过使用volatile悬浮物(VSS)方法(脉冲幅度分析)通过均匀混合样本来估计。附着在阳极的生物膜提取到一个单独的容器和一个250 uL的生物量悬浮物被保存为DCCE分析。剩下的提取的阳极生物质回到了相应的反应器阳极的方案来决定总细菌生物质量。
2.4.3 微生物测量
2.4.3.1 细菌样本。
在试验结束时对微生物群落分析，附着生物膜的阳极被转移到无菌容器中，含有5毫升的消毒盐水磷酸盐缓冲器(3.2 mM Na2HPO4, 0.5 mM KH2PO4, 1.3 mM KCl,135 mM NaCl, pH 7.4)和玻璃珠子。整个阳极生物膜是通过超声波震动处理悬浮在缓冲器中(分30s相隔2分钟的五个时期冷却是为了扰乱生物膜结构)。一个(250 UL)的生物量悬浮的样品通过添加一个等体积的绝对的乙醇来保存(示例/乙醇比，50:50)然后存储在-20 度来进行微生物群落分析。剩下的阳极生物量悬浮返回到相应的反应堆来确定总细菌生物质。样品的培养液也用乙醇处理(1:1体积比)随后进行微生物群落分析。
2.4.3.2 总细胞计数。
细菌细胞(在培养液，阳极电解液和阳极膜)被固定在一个1:1乙醇体积比上和沾上SYBR黄金(20 x稀释)放在室温30分钟。样本通过0.2微米孔隙大小聚碳酸酯过滤器(25毫米直径;合演科学公司，雄鹿，英国)并施加一个轻微的真空被过滤。过滤后，过滤器被放在在油中然后立即通过数字化的显微镜使用一个奥林巴斯BX40F4显微镜(奥林匹斯山，日本)观察。幻灯片使用一个100 x油浸透镜( 100
x镜头)观察，在一个蓝色的滤光器(世行)在黑暗条件下。平均每个幻灯片上的细菌丰度从细胞计数在20的视野中计算。
2.4.3.3 分析阳极生物膜的细菌群落组成。
2.4.3.3.1 165 rRNA基因的DNA提取和PCR扩增
所有的DNA使用一个快速的DNA旋转工具包提取自250 ul乙醇固定样本。16s rRNA基因片段使用底漆1和3从所有提取的中被放大，正向底漆(5 CCC CCG CCC GCG CCC CCC CCG GCC
GGG CCA CCG CCC GCC TAC CCC ACG CAC 3)和反向底漆(5 - ATT ACC GCG GCT GCT
GG-3)。聚合酶链反应(PCR)在总反应50UL的体积中扩增，47 UL的PCR大型混合蓝，即PCR反应混合加载缓冲区，提供了通过反向底漆3和1UL 的DNA的提取。PCR扩增是在执行自动化的热循环，最初变性(950，3分钟)紧随其后，为第一轮放大，24周期的变性(95度1min)、退火工艺1分钟(起初65度每秒降低1度)和扩展(72度1 min)和一个最终扩展(72度10分钟)。
PCR产物通过电泳在1%(w / v)琼脂糖凝胶在1 x TAE缓冲区(40毫米三乙酸酯，1MM EDTA，pH值8.0，艾科学公司，新纽约，美国)持续50分钟在100 V条件下来分析以及凝胶图像利用一个溴化氨染色后的凝胶文档系统被记录下来。 2.4.3.3.2 变性梯度凝胶电泳(DCCE)。
MFC电池阳极膜在不同的外部电阻和开路下运行，同时被控制和培养液的资料通过DGCE分析得到。聚合酶连锁反应(PCR)扩增16 s rRNA基因片段(11 UL)在相同数量的变化与加载缓冲区二甲苯苯胺聚蔗糖运行在聚丙烯酰胺凝胶在1x TAE缓冲区包含一个化学梯度尿素和甲酰胺中被混合。电泳使用d基因系统产生表现。分离出来的DNA在30分钟内被SYBR染成绿色。染色凝胶被记录下来。
2.4.3.3.3 DCCE剖面的数值计算和统计分析
扫描DGGE凝胶使用Bionumerics软件(版本3.5，应用数学、美国)分析强度，为了修正变化的凝胶，标记运行在任何一边的样品。此外，索引的骰子相似性是用来评估内部和之间的相似性，在复制反应堆后被检查的相似度值正常使用一个安德森测试和箱考克斯分析之间(一款统计软件，PA)。骰子相似矩阵转换为一个系统使用未加权的方法使用Bionumerics聚类算法。
不同接种条件下微生物燃料电池产电特性分析
中国环境科学２０１ １，３ １（１Ｏ）：１６５１－１６５６ Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ 不同接种条件下微生物燃料电池产电特性分析 刘晶晶 ，孙永明 ，孔晓英 ，李连华 ，李颖 ，田 沈 ，杨秀山。，袁振宏 （１．中国科学院广州能源研究 所，广东广州ｔ ５１０６４０；２．首都师范大学，北京１０００４８） 摘要：比较了１１种不同来源的接种物对微生物燃料电池产电性能的影响，并考察了接种污泥的ＴＣＯＤ和ｐＨ值等特性对电池产电情况的 影响．结果表明，以华南农业大学资源环境学院新肥室沼气池污泥为接种物的燃料电池产电效果最好，产生的最大电压为０．５３Ｖ（￣ｂ电阻为 ５ｏｏｎ），最大功率密度达到９．１２Ｗ／ｍ３．污泥的初始ＴＣＯＤ越高，所产生的电能越多；而ｐＨ值在５．６～７．８范围内时，对ＭＦＣ产电能力的影响不大． 通过扫描电镜对阳极表面微生物的观察发现，不同接种物电池阳极富集的微生物存在很大差异，这可能是影响微生物燃料电池产电性能的 最主要因素之一． 关键词：微生物燃料电池；接种物；功率密度 中图分类号：ｘ１７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—６９２３ｆ２０１ １）ｌ０—１６５卜０６ Ｐｏｗｅｒ・ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｆｕｅｌ ｃｅＨｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎｓ．ＬＩＵ Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ ，ＳＵＮ Ｙｏｎｇ—ｍｉｎｇ ， ＫＯＮＧ Ｘｉａｏ．ｙｉｎｇ ，ＬＩ Ｌｉａｎ．ｈｕａ ，ＬＩ Ｙｉｎｇ ，ＴＩＡＮ Ｓｈｅｎ２，ＹＡＮＧ Ｘｉｕ—ｓｈａｎ ，ＹＵＡＮ Ｚｈｅｎ．ｈｏｎｇ （１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃａｐｉｍｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４８，Ｃｈｉｎａ）．Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１ １，３１（１０）：１６５１－１６５６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ（ＭＦＣ）ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｃｈａｍｂｅｒｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ １ １ ｉｎｏｃｕｌｕｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｏｃｕｌｕｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｌｕｄｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐＨ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＭＦＣ ｗａｓ ｂｅｓｔ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｉｎｏｃｕｌｕｍｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｂｉｏｇａｓ ｄｉｇｅｓｔｅｒ ｓｌｕｄｇｅ ａｓ ｉｎｏｃｕｌｕｍ ｆｒｏｍ ｎｅｗ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｉｎ Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｖｅｒ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ０．５３Ｖ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ９．１２Ｗ／ｍ （ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ５００ Ｑ）．Ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ＣＯＤ（ＴＣＯＤ）ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ｗａｓ，ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ＭＦＣ ｗａｓ．ＰＨ ｖａｌｕｅ ｈａｄ ｎｏ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ＭＦＣ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐＨ ｖａｌｕｅ ５．６～７．８．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｂａｃｔｅｒｉａｌ ｇｒｏｗｔｈｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｏｄｅｓ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｈｕｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ’ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａｎｏｄｅ．Ｔｈａｔ ｉｓ ｍａｙｂｅ ｔｈｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ｐｏｗｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆＭＦＣ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ；ｎｏｃｕｌｕｍ；ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ 微生物燃料电池（ＭＦＣ）是一种新型的清洁 能源装置．它利用微生物作为催化剂，通过降解有 机物或无机物使化学能直接转化为电能ｆ】 】．其 底物来源广泛、能量利用率较高、安全无污染， 因此，ＭＦＣ已受到广泛关注．ＭＦＣ性能受包括底 物的转化速率、阳极超电势、阴极超电势，质子 交换膜的性能以及电池内阻等因素的影响Ｉ ．随 着ＭＦＣ装置结构的不断优化，内阻的大幅降低， 微生物催化电极反应的效率已成为ＭＦＣ发展的 限制因素．污泥作为ＭＦＣ的接种源，含有多种有 机物和营养元素，为不同种类微生物的代谢提供 了理想的生态环境，由于污泥成分的复杂性及环 境的影响，使得富集到的微生物类群和活性也存 在很大差异．目前已经有利用稻田土［４１、湿地底 泥 Ｊ、污水处理厂厌氧消化污泥ｌｏＪ、生活污水 Ｊ 以及牛胃液 Ｊ等作为接种源成功启动ＭＦＣ的实 例，但由于诸多因素的影响，很难对这些接种物启 动的ＭＦＣ的产电情况进行同一水平的比较．并 且对于接种物的相关研究还不够深入．本实验利 收稿日期：２０１卜０卜Ｏ６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（２１００６１０５） 责任作者，研究员，ｙｕａｎｚｈ＠ｍｓ．ｇｉｅｃ．ａｃ．
微生物燃料电池的研究进展与展望
微生物燃料电池的研究进展与展望
潘朝智;牛冬杰;黄慧;穆罕默德·阿里
【摘 要】微生物燃料电池(MFCs)作为一种新型的环境生物技术,因其能很好地将有机污染物处理和能源制备结合在一起而引起各国学者的广泛关注和研究.作者介绍了微生物燃料电池的工作原理,系统地从微生物、底物、电活性介体、电极构造、质子交换膜和反应器设计等方面阐述了微生物燃料电池的研究现状.针对微生物燃料电池今后的发展和规模化应用,提出了4个研究方向:新型阴极氧化剂的研制、MFCs过程模拟、厌氧-MFCs耦合、多个MFCs电池组性能.
【期刊名称】《工业水处理》
【年(卷),期】2010(030)012
【总页数】6页(P15-20)
【关键词】微生物燃料电池;产电微生物;电子传递;底物;质子交换膜
【作 者】潘朝智;牛冬杰;黄慧;穆罕默德·阿里
【作者单位】同济大学环境科学与工程学院,上海,200092;联合国环境规划署-同济大学环境与可持续发展学院,上海,200092;同济大学环境科学与工程学院,上海,200092;联合国环境规划署-同济大学环境与可持续发展学院,上海,200092;教育部长江水环境重点实验室,上海,200092;同济大学环境科学与工程学院,上海,200092;同济大学环境科学与工程学院,上海,200092;联合国环境规划署-同济大学环境与可持续发展学院,上海,200092
【正文语种】中 文 【中图分类】TM911.45
微生物燃料电池（MFCs）是一种利用微生物的催化，将储存于有机物的化学能转换为电能的装置。其构造及工作原理示意如图1所示。该装置由阳极区、阴极区和外接负荷组成。阳极区通过在厌氧条件下投加微生物和有机底物以维持反应器的运行及微生物的生长。有机物在阳极被分解成二氧化碳、电子、氢离子。电子由阳极经外部电路传导至阴极；氢离子从阳极区经电池内部传递到阴极区。在阴极区，氧化物（一般为氧气）、电子、氢离子反应生成还原物。整个过程中有机物在阳极区被微生物降解，电子在阴阳两极间的电势差下流动产生电能。衡量MFCs运行效果的主要参数包括：电极电势、功率、功率密度、内阻、库仑效率、能量效率、污染物去除率、污染物负荷率〔1〕。MFCs受到多种因素的影响，主要包括：微生物、底物、电活性物质、电极、反应器的设计、质子交换膜。
微生物燃料电池的原理与应用
微生物燃料电池的原理与应用
微生物燃料电池，是一种能将有机物转化为电能的电化学装置，它是利用微生物的代谢过程将有机物氧化成二氧化碳和水的同时，分离出电子并利用这些电子来发电的过程，因其被广泛认为是一种环保、高效的发电方式而备受关注。
一、微生物燃料电池的原理
微生物燃料电池可分为两种类型：微生物燃料电池和微生物电解池。微生物燃料电池的基本构成是阴极和阳极，分别连接有一个外部电路和一个离子传递膜。阴极氧化还原电位低，阳极则相反，二者间产生电势差，从而使溶解在电解液中的电子从阳极流向阴极。
微生物燃料电池的电子传递与有机物的代谢结合在一起，其微生物催化反应是由微生物代谢产生的活性物种，例如：酵母菌、细菌等进行的。微生物燃料电池的原理基于微生物的一种叫做“膜质电子传递”的过程，这个过程在微生物细胞内构成一个非常复杂的代谢网络，因此在实践中实现此原理的操作难度非常大。
在微生物燃料电池中，微生物以有机物为代谢物，通过酶促反应分解代谢物，释放负电子给阳极，带上质子沿着固定的质子通道进入阴极，在阴极与正氧还原反应中，与外部的氧气结合，释放电子产生电流。
总的来说，微生物燃料电池利用微生物代谢作为电流来源，通过交互作用将化学能转化为电能，实现了燃料与电能的互换，为电能领域的研究和发展开辟了新的道路。
二、微生物燃料电池的应用
微生物燃料电池可应用于各环境下人们的电力供应，其中地下水、土壤等环境下的微生物燃料电池使用最为广泛。目前，微生物燃料电池用于发电和废弃物处理已成为研究热点，已有微生物燃料电池的废水处理工厂在运行中。
微生物燃料电池主要应用于下列环境：
1. 地下水：微生物燃料电池可以利用地下水种群的生物活性来产生电，并对水质进行监测，是一个理想的地下水检测工具。
2. 生物土壤：通过微生物燃料电池，土壤中的有机物质可以被清除而发电产生热能。微生物燃料电池在荒野中同样适用，它可以优化废弃物的输送，防止水体污染。
温度对微生物燃料电池电化学性能的影响
温度对微生物燃料电池电化学性能的影响
赵煜;李鹏;王晓斌;常冬霞;孙彦平
【摘 要】分别在20℃,37℃和45℃三个温度条件下以间歇方式运行大肠杆菌生物燃料电池(MFC),研究功率密度、电极电势、电化学阻抗等电化学性质随温度的变化规律.结果表明:温度从20℃提高到37℃,最大功率密度从53.35 mW/m2 (275
mA/m2)增加到610.5 mW/m2(2775 mA/m2),增长了10.5倍；同时阳极电极电势降低；且阳极电化学阻抗由741.9 Ω降低到42.4 Ω.在一定温度范围内,升高温度不仅能提高电池功率输出,而且能增强其电化学活性.但是,太高的温度反而不利于生物燃料电池的运行.45℃时的最大功率密度只有171 mW/m2(600 mA/m2),比37℃时最大功率610.5 mW/m2(2 775 mA/m2)减少72％；同时阳极电化学阻抗由42.4 Ω增加到416.1 Ω.大肠杆菌生物燃料电池在37℃时具有最佳的电化学性能.可见,温度在生物燃料电池运行中是一个非常重要的操作参数.%The microbial
fuel cells(MFCs) were tested in batch mode at different temperatures of
20 ℃ , 37 ℃ , 45 ℃. Power density, electrode potential, electrochemical
impedance were examined as a function of temperature. The temperature
increased from 20 ℃ to 37 ℃ , the peak power density enhanced by over
10. 5 times from 53. 35 mW/m2 (275 mA/m2) to 610. 5 mW/m2 (2 775
微生物燃料电池的意义
微生物燃料电池的意义 1 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1 1
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。
燃料电池整堆接触电阻测试
燃料电池整堆接触电阻测试
燃料电池是一种通过化学反应将燃料直接转化为电能的装置。燃料电池的效率和性能受到许多因素的影响，其中之一就是整堆接触电阻。本文将就燃料电池整堆接触电阻测试进行探讨。
整堆接触电阻是指燃料电池堆内各个单电池之间的接触电阻，它对整个燃料电池堆的性能和效率有着重要影响。整堆接触电阻的大小直接影响到电流的传输效率，进而影响到燃料电池的输出功率和能效。
为了准确测量整堆接触电阻，需要采用合适的测试方法和仪器。一种常用的测试方法是四探针法。四探针法通过在电极上同时施加电流和测量电压，在不损伤样品的情况下，直接测量出电阻值。这种方法具有测量精度高、无需剥离电极和测量速度快的优点。
在进行整堆接触电阻测试时，需注意以下几点。首先，应保持测试环境的稳定，避免干扰因素对测试结果的影响。其次，应选择合适的电流和电压范围，以确保测试结果的准确性。另外，还需注意测试时的温度和湿度等环境因素，以及燃料电池堆的工作状态和运行时间等因素。
燃料电池整堆接触电阻测试的结果可以用于评估燃料电池堆的性能和运行状态。一般来说，接触电阻越小，电流传输效率越高，燃料电池的输出功率和能效就越好。因此，通过测试整堆接触电阻，可以及时发现和解决燃料电池堆中的接触问题，提高燃料电池的性能和效率。
除了测试整堆接触电阻外，还可以通过改变燃料电池堆的设计和材料选择等方式来降低整堆接触电阻。例如，可以采用更优质的电极材料和更精细的制造工艺，来减小电极之间的接触电阻。此外，还可以优化电极的结构和尺寸，以提高电流的传输效率。
燃料电池整堆接触电阻测试是评估燃料电池性能和效率的重要手段。通过合适的测试方法和仪器，可以准确测量出整堆接触电阻的大小，并根据测试结果来优化燃料电池堆的设计和制造。这将有助于提高燃料电池的输出功率和能效，推动燃料电池技术的发展和应用。
双室微生物燃料电池
双室微生物燃料电池
双室微生物燃料电池（Double-chamber microbial fuel
cell）是一种利用微生物代谢产生的电流来发电的装置。它由两个房间组成，一个是阳极室，另一个是阴极室，两个房间之间通过一个离子交换膜（ion exchange membrane）隔离。
在阳极室中，微生物通过氧化有机物质（如废水、废弃物等）释放出电子，并将其转移到阳极上。同时，阳极室中的溶液中存在一种电子接受体（如氧气）来接收这些电子。
在阴极室中，氧气或其他电子接受体与阳极室中的电子相结合，与还原剂（如氧气）反应，形成水或其他终端产物。这个过程产生了电流，可以用于给外部设备供电。
双室微生物燃料电池具有一些优点，如能够同时处理废水和产生电能，利用微生物的代谢活动可以高效地转化有机废弃物为电能，同时减少了环境污染。它还具有较高的稳定性和可控性，可以进行长时间运行并能够适应不同的废水种类。
然而，双室微生物燃料电池也有一些挑战和限制。例如，微生物的活性和生长受到很多因素的影响，如温度、pH值、底物浓度等。此外，电池的发电效率相对较低，还需要进一步提高。
总的来说，双室微生物燃料电池在废水处理和可再生能源方面具有潜力，但仍需要进一步研究和改进以提高性能和效率。
微生物燃料电池
微生物燃料电池的研究现状和进展
摘要：微生物燃料电池(microbial full cells，MFCs）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。本文从微生物燃料电池的定义、产电机理以及应用的细菌和
产电方式等方面对微生物燃料电池全面阐述，并对当前的研究的热点做了总结及展望。 关键词：微生物燃料电池 产电微生物 微生物燃料电池(microbial full cells，MFCs）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。利用MFC不仅可以
直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程
中产生的电子转化成电流,从而获得电能。因此，微生物燃料电池是一种清洁的
能源，具有极大的应用前景，目前，微生物燃料电池的研究刚起步，有待于更进
一步深入研究。
1、微生物燃料电池的原理
图1显示的是典型的双室微生物燃料电池的示意图，阴极和阳极室被质子交
换膜分开，微生物在阳极室生长，阳极室没有氧气，缺乏电子受体，微生物通过
向阳极室的电极传送电子，并向溶液中释放质子，电子通过外电路达到阴极室的
电极上，质子通过质子交换膜到达阴极，阴极室里充满溶解氧，电子、质子和氧
气反应形成水。在这一过程中，形成了完整的电流回路，产生的电子通过外电路，
连接负载，产生能量[1]。
图1 以上是介绍了典型的双室微生物燃料电池的基本原理，在微生物燃料电池的
发展过程，分为单室微生物燃料电池和双室微生物燃料电池，都是基于这样基本
原理。
2、微生物燃料电池中的产电微生物种类
在微生物燃料电池中，微生物是重要的一部分，已报道的产电微生物有沼泽
红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi）、
铁还原红育菌（Rhodofoferax ferrireducens）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophilia）、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、希万氏菌（Shewanella
微生物电解池 微生物燃料电池
微生物电解池 微生物燃料电池
微生物电解池和微生物燃料电池是两种不同的技术，但都属于微生物电化学领域。这些技术可以将微生物的代谢能力应用于能源转换中，可以用于废水处理和能源生产。本文将介绍微生物电解池和微生物燃料电池的基本原理、构造和应用。
微生物电解池
微生物电解池（Microbial electrolysis cell，简称MEC）是一种利用微生物在电化学反应过程中催化底物的代谢能力来去除有机物、转化氮、还原氧化物和产生氢气的设备。它是一种先进的废水处理技术和一种新型的能源生产方式。与传统的生物处理技术相比，MEC具有很强的适应性和更高的效率。
MEC的核心是微生物群体，它们在电极表面定居形成生物膜。反应池中设置两个电极，由于微生物与电极表面的联系，导致底物在电极附近被催化，生成电子和离子，电子由电极收集，离子则通过渗透膜传递到另一极，最终在另一极还原，形成产物。例如，当底物为氢氧化钠时，电极表面的微生物会将其催化为氢气和氢氧化物离子。
MEC的构造设计通常分为双室型和单室型。单室型MEC是将阳极和阴极直接置于反应池内，通过设立特殊的分隔膜，防止微生物与反应物直接接触。而双室型MEC则将阳极和阴极隔离成两个不同的室内，通过中间渗透膜来实现质子传递。单室型MEC的优势在于结构简单，易于操作；而双室型MEC则可以进一步提高产氢效率和底物转化率。
MEC技术的应用领域主要是废水处理和能源生产。在废水处理领域，MEC可以将大量的有机物转化为有价值的氢气和水，具有高效处理废水，减少污染的优点。在能源生产领域，MEC可以直接将废水转化为氢气，等效于水电解，但过程中不需要外部能源，因此被广泛看作未来非化石能源的重要发展方向。
微生物燃料电池
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种利用微生物在氧化还原反应中的代谢能力，将底物转化为电能的设备。它是一种新型的生物能源转换技术，可以利用自然和人工环境中的有机废料产生电能。
燃料电池 功能分区
燃料电池功能分区
一、引言
燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置，在近年来得到了广泛的关注和研究。燃料电池能够将燃料中的化学能直接转换为电能，同时产生少量的热和副产品，如水和二氧化碳。与传统的内燃机相比，燃料电池具有更高的能量转换效率、更低的污染物排放以及更广泛的燃料来源。为了更好地理解和应用燃料电池，本文将对燃料电池的功能分区进行详细解析。
二、燃料电池概述
燃料电池是一种电化学装置，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能。它主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等部分组成。在燃料电池中，燃料在阳极发生氧化反应，释放出电子和离子；氧化剂在阴极发生还原反应，接受电子并与离子结合生成水和其他副产品。电子通过外部电路从阳极流向阴极，形成电流，从而驱动负载工作。
三、燃料电池功能分区
燃料电池的功能分区主要包括以下几个部分：
1. 阳极区
阳极区是燃料电池中燃料发生氧化反应的地方。它通常由催化剂层、扩散层和流场板等部分组成。催化剂层负责催化燃料的氧化反应，释放出电子和离子；扩散层负责将燃料均匀地分布到催化剂层表面，并提供电子和离子的传输通道；流场板则负责将燃料输送到阳极区，并将反应产生的废气和未反应的燃料排出。
2. 阴极区
阴极区是燃料电池中氧化剂发生还原反应的地方。它与阳极区结构相似，也由催化剂层、扩散层和流场板等部分组成。催化剂层负责催化氧化剂的还原反应，接受电子并与离子结合生成水和其他副产品；扩散层负责将氧化剂均匀地分布到催化剂层表面，并提供电子和离子的传输通道；流场板则负责将氧化剂输送到阴极区，并将反应产生的废气排出。
3. 电解质区
电解质区是燃料电池中离子传输的通道。它位于阳极和阴极之间，负责将阳极产生的离子传输到阴极，以维持电化学反应的进行。电解质通常由离子交换膜或固体氧化物等材料制成，具有较高的离子传导性能和化学稳定性。
4. 外部电路
外部电路是燃料电池中电子流动的通道。它连接阳极和阴极，负责将阳极产生的电子传输到阴极，以驱动负载工作。外部电路通常由导线、电阻、负载等部分组成，可以根据需要进行设计和调整。