微生物燃料電池的現狀與應用

高田

摘 要：最近，世界面臨著不可再生資源的能源危機。因此人們正在尋找高效能源轉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，簡化實施條件。近年來，人們正在努力走向微生物學和生物技術尋找解決方案。MFC可以是下一代燃料電池，從而發揮重要作用在節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，如發電，生物氫生產，生物傳感器和廢水處理。

關鍵詞：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 文獻標志碼：A

1 微生物開發的MFCs

以前只有很少的微生物可以用來發電。最近觀察到，大多數微生物可用于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電[1]。盡管在20世紀80年代初，當電子介體使用電子傳遞增加電力增加的時候，這個概念被提升了很多倍，雖然沒有得到很多的關注。除陽離子外，微生物不能直接將電子傳遞到陽極。大多數微生物物種的外層由非導電脂質膜，肽聚糖和脂多糖組成，這阻止了電子轉移到陽極的促進[2]。

2 MFC的設計

MFC的基本組件在構造中很重要。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子交換膜替代。雖然增加了成本，但處理和發電都得到了增強，從而增加了系統的可移植性和效率。

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，其介導從陽極到陰極的質子轉移，同時阻止氧擴散到陽極中。這種類型的系統通常用于同時發電的廢物處理。將兩室MFC擴大到工業規模是非常困難的。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，并且不含有質子交換膜。多孔陰極利用氧氣從陰極室的一側形成，使質子擴散。它們比雙室燃料電池結構簡單，因此最近發現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合的PEM。陰極通常用石墨覆蓋，其中以穩定的方式澆注電解質，其表現為陰極電解液。

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構。這種結構不會影響每個電池的單個庫侖效率，總體電池的整體電池的輸出可以與普通電源相當。這些可以串聯堆疊或并聯堆疊。兩者都具有自己的重要性，功率效率高，可以實際用作電源。

3 條件和實驗操作對MFC的影響

電極材料，質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中氧氣的擴散系數。如果電極更多孔，則允許氧擴散到陽極，這降低了燃料電池的效率。電極材料還根據內阻確定燃料電池的功率損耗[3]。電極的壽命也是重要的標準。但最重要的標準是成本。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，則不會影響條件。

質子交換膜也起重要作用，但它們非常昂貴，需要適當的安裝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定，因此可用于實際條件[4]。膜表面積與系統體積的比率對于系統性能至關重要。多孔聚合物和玻璃棉等替代膜已經過測試，但大多數時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。但沒有一個像Nafion膜那樣有效率。

操作條件如溶解氧（DO）含量是重要參數。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散到陽極室。發現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選的，但大多數時候它對微生物是抑制性的。因此，在批量工作模式下，連續系統和適當的進料濃度應保持適當的進料速率。

4 MFCs的應用

最明顯的使用MFC是電力的來源。它們可以用于農村和城市部門。雖然到目前為止，通過燃料電池的發電在小規模方面效率不高，但是大規模的使用可以是有效的。這些燃料轉換效率達到70%以上，不限于卡諾循環。據報道，電力回收率高達80%～97%。最佳利用方式是將電力儲存在充電電池中。

低功率無線系統也可以使用MFC供電。已經報道了使用MFC利用體內葡萄糖來植入醫療裝置的研究。機器人還具有很高的使用MFC來維持自我維持的自主機器人。

可以進行廢水處理，最有利的是，通過處理也可以實際利用電力。從該過程產生較少的固體廢物，并且所產生的電可用于對污泥進行充氣。所以它可以是一個自給自足的設施。與傳統方法不同，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中使用的一些物質還可以利用硫化物和其他形式的硫化合物。由于大規模實施，上行模式MFC和單腔結構受到青睞[5]。

還有一些報告的MFC陰極生物氫生物研究。盡管該方法在熱力學上不可行，但是如果應用電位來克服能量勢壘，則可以在陰極而不是水產生氫。低至110mV的電位可以產生氫，遠低于通過電解將水分解為氫和氧所需的1210mV。已經有研究使用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量來測量BOD[6]。

5 未來MFC研究范圍

開發利用還處于初級階段。MFC的發展范圍很廣，因為在汽車和其他工業應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產生更多可用電子的高度還原性重組菌株。還可以研究材料，以降低內阻和腐蝕。膜也是成本高昂的障礙，并且可以適當地更換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階段。還期待小型化形式，可用于為醫療植入物和手持式器具提供動力。MFC還可以利用防御來為遠程監控和通信設備供電，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計和廢水處理設施的燃料電池上流方式也可以降低實施和運行成本。

參考文獻：

[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.