微生物燃料电池的现状与应用

高田

摘 要：最近，世界面临着不可再生资源的能源危机。因此人们正在寻找高效能源转换和利用替代能源的方式。燃料电池是研究的重要组成部分。主要的燃料电池研究的方面是降低成本，简化实施条件。近年来，人们正在努力走向微生物学和生物技术寻找解决方案。MFC可以是下一代燃料电池，从而发挥重要作用在节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，如发电，生物氢生产，生物传感器和废水处理。

关键词：燃料电池；微生物燃料电池；MFC

文章编号：1004-7026（2017）18-0122-02 中国图书分类号：TM911.4 文献标志码：A

1 微生物开发的MFCs

以前只有很少的微生物可以用来发电。最近观察到，大多数微生物可用于MFCs。MFC的概念在1910年初被证明，其中大肠杆菌和酵母属用铂电极发电[1]。尽管在20世纪80年代初，当电子介体使用电子传递增加电力增加的时候，这个概念被提升了很多倍，虽然没有得到很多的关注。除阳离子外，微生物不能直接将电子传递到阳极。大多数微生物物种的外层由非导电脂质膜，肽聚糖和脂多糖组成，这阻止了电子转移到阳极的促进[2]。

2 MFC的设计

MFC的基本组件在构造中很重要。电极，炭布，微生物和盐桥具有重要的作用。盐桥用燃料电池中的质子交换膜替代。虽然增加了成本，但处理和发电都得到了增强，从而增加了系统的可移植性和效率。

2.1 双室燃料电池：

通常，这种类型的MFC具有通过PEM连接的阳极和阴极室，其介导从阳极到阴极的质子转移，同时阻止氧扩散到阳极中。这种类型的系统通常用于同时发电的废物处理。将两室MFC扩大到工业规模是非常困难的。此外，阴极室的定期通气也限制了双室MFC的应用范围。

2.2 单燃料电池：

它们由简单的阳极室，其中没有确定的阴极室，并且不含有质子交换膜。多孔阴极利用氧气从阴极室的一侧形成，使质子扩散。它们比双室燃料电池结构简单，因此最近发现了广泛的利用和研究兴趣。阳极是正常的碳电极，但阴极是多孔碳电极或与柔性炭布电极结合的PEM。阴极通常用石墨覆盖，其中以稳定的方式浇注电解质，其表现为阴极电解液。

2.3 堆积微生物燃料电池：

这些是燃料电池堆叠形成燃料电池的另一种结构。这种结构不会影响每个电池的单个库仑效率，总体电池的整体电池的输出可以与普通电源相当。这些可以串联堆叠或并联堆叠。两者都具有自己的重要性，功率效率高，可以实际用作电源。

3 条件和实验操作对MFC的影响

电极材料，质子交换膜或盐桥和阳极和阴极的操作条件对MFC有重要影响。电极材料决定了单室MFC中氧气的扩散系数。如果电极更多孔，则允许氧扩散到阳极，这降低了燃料电池的效率。电极材料还根据内阻确定燃料电池的功率损耗[3]。电极的寿命也是重要的标准。但最重要的标准是成本。如果电极被腐蚀或饱和，可以更换电极，如果微生物是非膜制造的并且存在于液体阳极电解液中，则不会影响条件。

质子交换膜也起重要作用，但它们非常昂贵，需要适当的安装程序来限制堵塞和干燥带来的影响。但是它们使组装非常稳定，因此可用于实际条件[4]。膜表面积与系统体积的比率对于系统性能至关重要。多孔聚合物和玻璃棉等替代膜已经过测试，但大多数时候都不被研究人员利用。一些研究人员使用聚乙烯通过在1，2-二氯乙烷中与氯磺酸磺化制备了它们自己的聚合物。但没有一个像Nafion膜那样有效率。

操作条件如溶解氧（DO）含量是重要参数。阳极使用低DO，但阴极使用高DO。但是较高的DO便可通过多孔膜将更多的氧扩散到阳极室。发现氧饱和阴极液是最佳的。燃料或底物浓度也起重要作用。虽然较高的燃料是优选的，但大多数时候它对微生物是抑制性的。因此，在批量工作模式下，连续系统和适当的进料浓度应保持适当的进料速率。

4 MFCs的应用

最明显的使用MFC是电力的来源。它们可以用于农村和城市部门。虽然到目前为止，通过燃料电池的发电在小规模方面效率不高，但是大规模的使用可以是有效的。这些燃料转换效率达到70%以上，不限于卡诺循环。据报道，电力回收率高达80%～97%。最佳利用方式是将电力储存在充电电池中。

低功率无线系统也可以使用MFC供电。已经报道了使用MFC利用体内葡萄糖来植入医疗装置的研究。机器人还具有很高的使用MFC来维持自我维持的自主机器人。

可以进行废水处理，最有利的是，通过处理也可以实际利用电力。从该过程产生较少的固体废物，并且所产生的电可用于对污泥进行充气。所以它可以是一个自给自足的设施。与传统方法不同，它可以将大部分乙酸和碳化合物完全分解成二氧化碳和水。MFC中使用的一些物质还可以利用硫化物和其他形式的硫化合物。由于大规模实施，上行模式MFC和单腔结构受到青睐[5]。

还有一些报告的MFC阴极生物氢生物研究。尽管该方法在热力学上不可行，但是如果应用电位来克服能量势垒，则可以在阴极而不是水产生氢。低至110mV的电位可以产生氢，远低于通过电解将水分解为氢和氧所需的1210mV。已經有研究使用MFC来生成传感器，通过测量电压来检测污染物的含量，如果合适的修改也可以通过测量库仑产量来测量BOD[6]。

5 未来MFC研究范围

开发利用还处于初级阶段。MFC的发展范围很广，因为在汽车和其他工业应用中的功率密度太低。该微生物可以被遗传修饰以形成在降解阳性时产生更多可用电子的高度还原性重组菌株。还可以研究材料，以降低内阻和腐蚀。膜也是成本高昂的障碍，并且可以适当地更换以降低成本和简单的操作模式。MFC的堆叠和上流模式也是较低的开发阶段。还期待小型化形式，可用于为医疗植入物和手持式器具提供动力。MFC还可以利用防御来为远程监控和通信设备供电，以在无人值守站中使用。燃料电池的单室燃料电池更好的设计和废水处理设施的燃料电池上流方式也可以降低实施和运行成本。

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.