微生物燃料電池的現(xiàn)狀與應(yīng)用

高田

摘 要：最近，世界面臨著不可再生資源的能源危機(jī)。因此人們正在尋找高效能源轉(zhuǎn)換和利用替代能源的方式。燃料電池是研究的重要組成部分。主要的燃料電池研究的方面是降低成本，簡化實(shí)施條件。近年來，人們正在努力走向微生物學(xué)和生物技術(shù)尋找解決方案。MFC可以是下一代燃料電池，從而發(fā)揮重要作用在節(jié)能和替代燃料利用方面。微生物燃料電池可用于不同的用途，如發(fā)電，生物氫生產(chǎn)，生物傳感器和廢水處理。

關(guān)鍵詞：燃料電池；微生物燃料電池；MFC

文章編號：1004-7026（2017）18-0122-02 中國圖書分類號：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 微生物開發(fā)的MFCs

以前只有很少的微生物可以用來發(fā)電。最近觀察到，大多數(shù)微生物可用于MFCs。MFC的概念在1910年初被證明，其中大腸桿菌和酵母屬用鉑電極發(fā)電[1]。盡管在20世紀(jì)80年代初，當(dāng)電子介體使用電子傳遞增加電力增加的時(shí)候，這個(gè)概念被提升了很多倍，雖然沒有得到很多的關(guān)注。除陽離子外，微生物不能直接將電子傳遞到陽極。大多數(shù)微生物物種的外層由非導(dǎo)電脂質(zhì)膜，肽聚糖和脂多糖組成，這阻止了電子轉(zhuǎn)移到陽極的促進(jìn)[2]。

2 MFC的設(shè)計(jì)

MFC的基本組件在構(gòu)造中很重要。電極，炭布，微生物和鹽橋具有重要的作用。鹽橋用燃料電池中的質(zhì)子交換膜替代。雖然增加了成本，但處理和發(fā)電都得到了增強(qiáng)，從而增加了系統(tǒng)的可移植性和效率。

2.1 雙室燃料電池：

通常，這種類型的MFC具有通過PEM連接的陽極和陰極室，其介導(dǎo)從陽極到陰極的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，同時(shí)阻止氧擴(kuò)散到陽極中。這種類型的系統(tǒng)通常用于同時(shí)發(fā)電的廢物處理。將兩室MFC擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模是非常困難的。此外，陰極室的定期通氣也限制了雙室MFC的應(yīng)用范圍。

2.2 單燃料電池：

它們由簡單的陽極室，其中沒有確定的陰極室，并且不含有質(zhì)子交換膜。多孔陰極利用氧氣從陰極室的一側(cè)形成，使質(zhì)子擴(kuò)散。它們比雙室燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，因此最近發(fā)現(xiàn)了廣泛的利用和研究興趣。陽極是正常的碳電極，但陰極是多孔碳電極或與柔性炭布電極結(jié)合的PEM。陰極通常用石墨覆蓋，其中以穩(wěn)定的方式澆注電解質(zhì)，其表現(xiàn)為陰極電解液。

2.3 堆積微生物燃料電池：

這些是燃料電池堆疊形成燃料電池的另一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不會(huì)影響每個(gè)電池的單個(gè)庫侖效率，總體電池的整體電池的輸出可以與普通電源相當(dāng)。這些可以串聯(lián)堆疊或并聯(lián)堆疊。兩者都具有自己的重要性，功率效率高，可以實(shí)際用作電源。

3 條件和實(shí)驗(yàn)操作對MFC的影響

電極材料，質(zhì)子交換膜或鹽橋和陽極和陰極的操作條件對MFC有重要影響。電極材料決定了單室MFC中氧氣的擴(kuò)散系數(shù)。如果電極更多孔，則允許氧擴(kuò)散到陽極，這降低了燃料電池的效率。電極材料還根據(jù)內(nèi)阻確定燃料電池的功率損耗[3]。電極的壽命也是重要的標(biāo)準(zhǔn)。但最重要的標(biāo)準(zhǔn)是成本。如果電極被腐蝕或飽和，可以更換電極，如果微生物是非膜制造的并且存在于液體陽極電解液中，則不會(huì)影響條件。

質(zhì)子交換膜也起重要作用，但它們非常昂貴，需要適當(dāng)?shù)陌惭b程序來限制堵塞和干燥帶來的影響。但是它們使組裝非常穩(wěn)定，因此可用于實(shí)際條件[4]。膜表面積與系統(tǒng)體積的比率對于系統(tǒng)性能至關(guān)重要。多孔聚合物和玻璃棉等替代膜已經(jīng)過測試，但大多數(shù)時(shí)候都不被研究人員利用。一些研究人員使用聚乙烯通過在1，2-二氯乙烷中與氯磺酸磺化制備了它們自己的聚合物。但沒有一個(gè)像Nafion膜那樣有效率。

操作條件如溶解氧（DO）含量是重要參數(shù)。陽極使用低DO，但陰極使用高DO。但是較高的DO便可通過多孔膜將更多的氧擴(kuò)散到陽極室。發(fā)現(xiàn)氧飽和陰極液是最佳的。燃料或底物濃度也起重要作用。雖然較高的燃料是優(yōu)選的，但大多數(shù)時(shí)候它對微生物是抑制性的。因此，在批量工作模式下，連續(xù)系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料濃度應(yīng)保持適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料速率。

4 MFCs的應(yīng)用

最明顯的使用MFC是電力的來源。它們可以用于農(nóng)村和城市部門。雖然到目前為止，通過燃料電池的發(fā)電在小規(guī)模方面效率不高，但是大規(guī)模的使用可以是有效的。這些燃料轉(zhuǎn)換效率達(dá)到70%以上，不限于卡諾循環(huán)。據(jù)報(bào)道，電力回收率高達(dá)80%～97%。最佳利用方式是將電力儲(chǔ)存在充電電池中。

低功率無線系統(tǒng)也可以使用MFC供電。已經(jīng)報(bào)道了使用MFC利用體內(nèi)葡萄糖來植入醫(yī)療裝置的研究。機(jī)器人還具有很高的使用MFC來維持自我維持的自主機(jī)器人。

可以進(jìn)行廢水處理，最有利的是，通過處理也可以實(shí)際利用電力。從該過程產(chǎn)生較少的固體廢物，并且所產(chǎn)生的電可用于對污泥進(jìn)行充氣。所以它可以是一個(gè)自給自足的設(shè)施。與傳統(tǒng)方法不同，它可以將大部分乙酸和碳化合物完全分解成二氧化碳和水。MFC中使用的一些物質(zhì)還可以利用硫化物和其他形式的硫化合物。由于大規(guī)模實(shí)施，上行模式MFC和單腔結(jié)構(gòu)受到青睞[5]。

還有一些報(bào)告的MFC陰極生物氫生物研究。盡管該方法在熱力學(xué)上不可行，但是如果應(yīng)用電位來克服能量勢壘，則可以在陰極而不是水產(chǎn)生氫。低至110mV的電位可以產(chǎn)生氫，遠(yuǎn)低于通過電解將水分解為氫和氧所需的1210mV。已經(jīng)有研究使用MFC來生成傳感器，通過測量電壓來檢測污染物的含量，如果合適的修改也可以通過測量庫侖產(chǎn)量來測量BOD[6]。

5 未來MFC研究范圍

開發(fā)利用還處于初級階段。MFC的發(fā)展范圍很廣，因?yàn)樵谄嚭推渌I(yè)應(yīng)用中的功率密度太低。該微生物可以被遺傳修飾以形成在降解陽性時(shí)產(chǎn)生更多可用電子的高度還原性重組菌株。還可以研究材料，以降低內(nèi)阻和腐蝕。膜也是成本高昂的障礙，并且可以適當(dāng)?shù)馗鼡Q以降低成本和簡單的操作模式。MFC的堆疊和上流模式也是較低的開發(fā)階段。還期待小型化形式，可用于為醫(yī)療植入物和手持式器具提供動(dòng)力。MFC還可以利用防御來為遠(yuǎn)程監(jiān)控和通信設(shè)備供電，以在無人值守站中使用。燃料電池的單室燃料電池更好的設(shè)計(jì)和廢水處理設(shè)施的燃料電池上流方式也可以降低實(shí)施和運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]Microbial biofuel cell operating effectively through carbon nanotube blended with gold–titaniananocomposites modified electrode[J].Yueli Wu，Xiaolu Zhang，Shuihong Li，Xiayi Lv，Yao Cheng，Xuemei Wang.Electrochimica Acta.2013.

[2]Anode modification by electrochemical oxidation：A new practical method to improve the performance of microbial fuel cells[J].Minghua Zhou，Meiling Chi，Hongyu Wang，Tao Jin.Biochemical Engineering Journal.2011.

[3]Electricity generation at high ionic strength in microbial fuel cell by a newly isolated Shewanella marisflavi EP1[J].Jiexun Huang，Baolin Sun，Xiaobo Zhang.Applied Microbiology and Biotechnology.2010 （4）.

[4]Proton exchange membrane and electrode surface areas as factors that affect power generation in microbial fuel cells[J].Sang-Eun Oh，Bruce E.Logan. Applied Microbiology and Biotechnology.2006（2）.

[5]Recent advances in the separators for microbial fuel cells[J].Wen-Wei Li，Guo-Ping Sheng，Xian-Wei Liu，Han-Qing Yu.Bioresource Technology.2010（1）.

[6]Long-term evaluation of a 10-liter serpentine-type microbial fuel cell stack treating brewery wastewater[J].Li Zhuang，Yong Yuan，Yueqiang Wang，Shungui Zhou.Bioresource Technology.2012.