面向空間廢物處理的微生物燃料電池隔膜材料

李興業 賈伯陽 謝倍珍 劉 紅

(北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京100191)

微生物燃料電池(MFC，Microbial Fuel Cell)是一種利用微生物將有機物中化學能轉換為電能的裝置[1－2].它能夠在處理有機廢物的同時產生電能.在未來的空間站、宇宙飛船中可用來處理生物排泄物，產生的電能同時可為額定電壓較低的儀器供電，有良好的發展前景.然而就目前而言，MFC研究瓶頸是如何提高產電功率、庫倫效率及降低成本等問題[3].

在MFC中，隔膜材料是置于陰陽電極之間，起到允許陽極產生的質子到達陰極、減少陰極的氧氣向陽極擴散并減少底物損失的作用[4－6]，因此，高質子透過率、低氧氣透過率及水通量成為MFC隔膜材料要求的重點.

MFC最初使用的隔膜材料主要為質子交換膜(PEM，Proton Exchange Membrane)，這是因為MFC是由燃料電池系統發展來的.PEM的設計初衷是針對燃料電池中的高氫離子濃度，然而MFC中為了維持微生物的正常生長，其氫離子濃度僅為 10－7mol/L[7－8]，因此將 PEM 這種膜材料用于MFC中是不合適的.近幾年來，用于電滲析行業的陽離子交換膜(CEM，Cation Exchange Membrane)也常被用作MFC的隔膜材料，CEM能夠允許陽離子通過隔膜，其陽離子傳質性能和PEM相當，但是阻力要高于PEM.Zhang等將鉛酸電池中常用的玻璃纖維隔膜成功地用于空氣陰極型MFC[9]，但遺憾的是這種隔膜厚，內阻大，而且面向空間廢物處理的MFC針對的廢棄物一般為人體排泄物，如尿液和糞便，這就要求隔膜材料具有良好的抗腐蝕性.

為了尋找適合的MFC隔膜，本文對堿性電池隔膜紙、鋰離子電……