微生物燃料电池堆栈的设计开发与应用进展

宋 浩，贾继朝，张保财，李 锋，邵舒琳

微生物燃料电池堆栈的设计开发与应用进展

宋 浩1, 2, 3，贾继朝1, 2, 3，张保财1, 2, 3，李 锋1, 2, 3，邵舒琳1, 2, 3

(1. 天津大学化工学院，天津 300350；2. 天津大学合成生物学前沿科学中心，天津 300350；3. 天津大学系统生物工程教育部重点实验室，天津 300350)

微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能，并驱动和强化有机污染物降解，是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案．目前，微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题，成为限制其性能和规模化应用的核心瓶颈，因此需要对微生物燃料电池进行规模化放大．然而，单纯地增加单体微生物燃料电池的体积，将增加电池内阻，导致能量损失加大，限制微生物燃料电池输出功率进一步提高，不适合工程化应用．微生物燃料电池堆栈是在保持单体微生物燃料电池性能的基础上，通过将多个单体微生物燃料电池进行串并联连接，从而有效提高微生物燃料电池的输出电压、电流以及功率，是实现微生物燃料电池规模化放大的主要手段，已经广泛应用于复杂环境中低劣生物质发电、废水处理以及化学品合成等领域．本文基于微生物燃料电池堆栈的工作原理，从产电微生物、电极材料、电池结构以及电池传质等多个方面系统分析了影响微生物燃料电池堆栈性能的关键因素，总结了微生物燃料电池堆栈结构和电路管理系统的设计原理与工程技术，分析了微生物燃料电池堆栈的重点应用领域，并针对其未来的研究方向进行了展望，以促进微生物燃料电池堆栈的工业化应用．

微生物燃料电池；堆栈技术；生物能源；产电微生物；废物处理；生物技术

环境污染和能源短缺是当前人类社会发展面临的重大挑战，微生物燃料电池通过产电微生物的细胞代谢和胞外电子传递，将环境中的生物有机质化学能转换为电能．由于产电微生物可代谢利用的有机质底物分布广泛且可持续再生，因此微生物燃料电池可在废水、湿地、海洋等多种富有机质环境中应用[1-3]，在开发清洁电能、缓解能源危机的同时，也为废弃物高值化利用、污染物降解以及环境修复等提供了有效的解决方案．近年来，研究人员通过优化组成微生物燃料电池的产电微生物[4-6]、阴阳极材料[7-9]以及微生物燃料电池结构[10]，显著增强了微生物燃料电池的电能输出．然而，由于微生物燃料电池规模小、处理能力弱、电能输出低，其工业化应用受到了严重的限制，因此需要对微生物燃料电池进行放大．在微生物燃料电池放大过程中，单体微生物燃料电池受限于阴阳极电子受体与电子供体间的理论电势差，其极限输出电压不超过1.14V[11]．此外由于微生物燃料电池内阻与电池电极大小以及电池内部传质密切相关，通过扩大单体微生物燃料电池体积、增大电池电极面积会导致微生物燃料电池内阻急剧上升，增加电池内部损耗，从而限制了单体微生物燃料电池的功率输出与库伦效率[12]．微生物燃料电池堆栈技术的发展，为微生物燃料电池的规模化放大提供了可能，在低能耗下保证了较高的电能输出，是目前微生物燃料电池放大的主要手段[13]，但是关于微生物燃料电池堆栈技术的综述报道较少．

本文基于微生物燃料电池的堆栈工作原理，从产电微生物、电极材料、电池结构等多个方面分析概述了微生物燃料电池堆栈的设计、构建以及优化的方法策略，为微生物燃料电池堆栈的规模化应用奠定了理论与技术基础．最后文章分析了微生物燃料电池堆栈技术的重点应用领域，并针对其未来的研究方向进行了展望，以促进微生物燃料电池堆栈技术的工业化应用．

1 微生物燃料电池堆栈的工作原理

微生物燃料电池堆栈是在保持单个微生物燃料电池最佳性能和结构的基础上，通过应用串并联技术，将一定数量的单体微生物燃料电池组合到一起形成堆栈结构．其中，串联连接可以提高输出电压，并联连接可以提高输出电流．微生物燃料电池堆栈内部各单体微生物燃料电池的连接方式与传统的化学电池相似，主要分为串联连接、并联连接、串联-并联连接、并联-串联连接4种方式(图1)．

图1 微生物燃料电池堆栈的4种电力连接方式

2 微生物燃料电池堆栈性能的影响因素

2.1 产电微生物

微生物燃料电池堆栈主要通过产电微生物代谢生物有机质产生电能，因此产电微生物的种类分布对微生物燃料电池堆栈的性能具有重要影响．目前自然界已发现的产电微生物包含了细菌、真菌和古菌在内的上百种微生物，其中多数产电微生物属于细菌中的变形杆菌门()，包括模式产电微生物和，而在真菌和古菌中种类很少[14]．其中真菌中的因其可以代谢葡萄糖产乙醇，在生物燃料的合成领域具有较好的发展前景[15]．随着产电微生物筛选技术的发展，越来越多的产电微生物将被发现．

微生物燃料电池堆栈中的产电微生物包括单一产电微生物和微生物群落．其中，单一产电微生物由于培养条件苛刻、可利用底物少，多为实验室研究．Nara等[16]从土豆泥中分离出一株高产电微生物，可利用乙酸作为底物，以其为底盘菌构建了含16个微型纸基微生物燃料电池的微生物燃料电池堆栈．由于具有较好的产电能力，单个纸基微生物燃料电池的开路电压达787.9mV，最终构建的微生物燃料电池堆栈输出电压达1.5V，可为一个红光发射装置(LED)供电4d以上，展示了优异的电化学性能．

然而，在实际环境中，由于微生物燃料电池堆栈常以废水或其他环境中的有机物作为阳极底物，因此阳极室中的产电微生物一般为微生物群落．在闭路状态下，阳极室中的微生物群落会自发向阳极富集形成生物膜，并形成与原始体系中微生物群落丰度不同的新群落[17]，这种重新分配有利于对有机质氧化并产生电能．较高的底物浓度更有利于微生物群落中产电微生物的富集，底物浓度过低或过高均影响微生物群落中产电微生物的活性．底物浓度过低，微生物群落中非产电微生物丰度增加，不利于产电微生物的生长．底物浓度过高，容易造成产电微生物细胞内的有机酸含量增加，抑制了细胞活性[18]．Blatter等[19]发现，在废水化学需氧量(COD)浓度较高时，菌属在微生物群落中具有较高的丰度，此时微生物燃料电池堆栈具有较高的输出电压．随着废水COD的浓度下降，阳极的菌属的丰度逐渐下降，其他非产电微生物如硝化和反硝化细菌、等丰度逐渐增加，导致微生物燃料电池堆栈的电能输出逐渐下降．

此外，微生物燃料电池堆栈在不同的连接方式下由于阳极的电位不同，对生物膜内部的微生物群落组成也有影响．Arriaga等[20]应用16S rRNA技术对微生物燃料电池堆栈处理废水过程中不同连接方式下的阳极微生物群落进行了分析，当微生物燃料电池堆栈串联连接时，在外电路的刺激下，微生物群落中产电微生物的丰度逐渐增加，其中丰度达97.7%，主要物种为具有电活性的，此时装置的COD和氨氮移除率均达80%以上．当微生物燃料电池堆栈由串联连接转为并联连接时，逐渐成为阳极微生物群落中的优势菌属，含量为63%～77%，但是相比于串联连接其丰度有所下降，此时污染物的去除能力也有所下降．主要是因为当微生物燃料电池堆栈由串联连接切换成并联连接后，改变了微生物燃料电池堆栈的电压和内阻，导致电极电位发生变化，从而影响了阳极微生物群落的生物活性[21]．串联连接由于具有高的输出电压，从而增加了微生物燃料电池堆栈的电流密度，加速了对阳极底物的利用，有利于微生物群落在阳极表面的富集[20-21]．

2.2 阳极材料

微生物燃料电池阳极作为产电微生物的直接电子受体，产电微生物与阳极共同形成的生物-非生物界面电子传递反应直接决定了微生物燃料电池的电能输出[22]，从而影响微生物燃料电池堆栈的性能．微生物燃料电池的阳极材料主要包括碳布、碳刷、碳毡等碳基材料以及不锈钢、钛等金属基材料[23]．为提高阳极材料的性能，研究者采用导电聚合物、导电纳米材料等进行修饰制备了多种改性阳极材料[8]．Li 等[24]将聚多巴胺和还原型氧化石墨烯修饰在碳布表面，经过导电材料修饰显著降低了阳极的内阻，相比于未修饰的碳布电极内阻降低了10倍，同时增强了阳极表面生物膜中产电微生物的活性，使得微生物燃料电池的最大功率密度达2047mW/m2，较修饰前提高6.1倍．Pu等[25]将碳纳米颗粒涂覆在钛网表面，碳纳米颗粒修饰增大了钛网的表面积和导电性，同时提高了阳极的亲水性，有利于产电微生物的附着．采用修饰后的钛网阳极，微生物燃料电池的功率密度从0.652mW/m2提高到616mW/m2．因此通过阳极材料的改性能够显著改善阳极的亲水性、比表面积等表面性能，显著增强了阳极表面的界面电子传递速率，提高了微生物燃料电池的电能输出，从而有望改善微生物燃料电池堆栈的性能．

2.3 阴极材料

阴极作为电子受体还原的主要场所，其催化电子受体的还原速率对微生物燃料电池的电能输出具有重要影响[26]．目前微生物燃料电池主要有两类阴极电子受体，分别为金属氧化物为主的化学阴极电子受体和氧气阴极电子受体[27]．化学阴极电子受体性能稳定，受外界环境影响较小，但其造价昂贵且具有高环境污染风险，因此常用于实验室中微生物燃料电池基础理论研究而不适合工程应用．

相比于化学阴极电子受体，氧气阴极电子受体以氧气为原料，通过阴极催化剂催化氧气还原成水，是微生物燃料电池堆栈中主要的阴极材料．氧气可以来自空气或水中的溶解氧，因此大大降低了阴极成 本[28]，传统的Pt、Pb、Ni等金属氧还原催化剂价格昂贵，且在环境中容易被污染，导致催化剂中毒，限制了其在实际环境中的应用[29]．目前已经开发出活性炭、碳纳米管等碳基氧还原催化剂，并通过元素掺杂或制备碳基-金属基复合材料优化了催化剂的氧催化性能[30]．Gajda等[31]开发了一种片状活性炭空气阴极用于陶瓷微生物燃料电池，将活性炭粉末与聚四氟乙烯乳液(PTFE)混合后涂在碳毡阳极上，压成薄片后在370℃下焙烧，得到活性炭空气阴极．其中活性炭作为催化层、PTFE作为扩散层、碳毡阳极作为集电层，单个陶瓷微生物燃料电池(长70mm、直径15mm)的输出功率达1.47mW，展示出优异的氧催化性能．由于活性炭成本低且可以通过改变集电器的材料和尺寸将阴极加工成多种形状，易于规模化放大，是目前最常用的阴极材料，已经成功应用于中试规模的微生物燃料电池堆栈[32-33]．Lan等[34]通过锌辅助生长的热解方法，以双金属沸石咪唑为骨架构建了Co包裹N掺杂碳纳米管的纳米多孔碳材料作为电催化阴极，其中锌的蒸发促进了碳纳米管的原位生长，所制备的Co@NC-Co1Zn3具有较高的氧催化活性，以该电催化阴极构建的微生物燃料电池功率密度达1039mW/m2，是商业化20%Pt/C催化剂的1.53倍，有望取代贵金属催化剂，为大规模微生物燃料电池堆栈阴极的应用奠定了基础．

2.4 微生物燃料电池堆栈的传质

在微生物燃料电池堆栈内部发生着复杂的物质传递过程，包括产电微生物的底物利用、电极表面以及离子交换界面的离子流动、氧气的扩散等[35]．因此合理设计进料液的流动模式、电极材料的填充密度、调节溶液的电导率能够有效改善微生物燃料电池堆栈内部的传质过程，从而提高微生物燃料电池堆栈的电能输出．

2.4.1 进料液的流动模式

Rossi等[36]比较了不同进料液流动路径对微生物燃料电池电能输出的影响，发现沿对角线流动相比于平行流动能够更有效降低阳极的过电位，当阳极液中的液体由静止状态切换到沿对角线流动时，阳极的过电位从(-0.217±0.005)V降低到(-0.242±0.006)V，微生物燃料电池的功率密度提高了17%．Cabrera 等[17]研究了进料液流速对升流式微生物燃料电池性能的影响，当流速从0提高到0.4mL/s时，显著促进了溶液中氢离子向膜的扩散，此时该电池具有最佳的污染物移除效率．但是当流速进一步提高时，由于溶液在电池内部形成漩涡，对膜形成一定的冲击，不利于离子的传输，此时电池的性能开始下降．因此，通过合理优化进料液的流速和流动方向，能够促进电池内部物质和能量交换，提高微生物燃料电池堆栈内部的传质过程．

2.4.2 电极材料的填充密度

电极材料的填充密度是指每立方米极室体积中电极的面积．当微生物燃料电池的体积增大时，如果电极的填充密度较低，由于电极之间的距离增加，使得微生物代谢过程中释放的电子和氢离子传输到阴极的距离增大，导致微生物燃料电池电阻增大，降低了微生物燃料电池的输出功率．Rossi等[36]比较了填充不同尺寸和数量的碳刷阳极下微生物燃料电池的功率密度．在相同的阳极室容积下，填充22根直径为5.1cm的碳刷阳极比填充38根直径为2.1cm的碳刷阳极功率密度高出18%．直径大的碳刷阳极由于电极间距离较小，促进了微生物和阳极之间、阴极和阳极之间的有效传质，从而提高了微生物燃料电池的输出功率．因此优化电极的填充密度能够有效缩短电极之间的距离，同时为微生物和电极之间的界面电子传递提供更大的空间，有效改善了电池内部的传质过程．

2.4.3 溶液的电导率

增加微生物燃料电池堆栈进料液的电导率，可以降低微生物燃料电池堆栈的内阻，同时促进电池内部的离子传输过程．Santoro等[37]设计了含28个陶瓷微生物燃料电池的微生物燃料电池堆栈，采用PBS缓冲液调节溶液的电导率．当进料液的电导率由2.0mS/cm提高到40.1mS/cm时，电池堆栈的功率密度由3.2W/m3提高到10.6W/m3．因此在实际应用中，可以通过添加缓冲液、调节pH值等方法来增强进料液的电导率，从而提高微生物燃料电池堆栈的电能输出．

2.5 微生物燃料电池结构

合理设计微生物燃料电池结构可显著降低微生物燃料电池的内阻，从而增加微生物燃料电池的电能输出，为微生物燃料电池堆栈的设计提供高性能单体微生物燃料电池．根据微生物燃料电池的阴阳极室特征，当前微生物燃料电池主要分为双室型微生物燃料电池和单室型微生物燃料电池．两者最直接的区别在于是否有独立的阴极腔室，且双室微生物燃料电池的阴阳极室需要使用离子交换膜材料分离，表1总结了常见的微生物燃料电池结构．

目前，为优化微生物燃料电池的电能输出，满足不同的应用场景，已经开发出多种微生物燃料电池结构，如升流型、圆柱型和微型微生物燃料电池．为提高阳极底物的利用率，Lay等[39]构建了升流式微生物燃料电池从废水中回收电能．废水通过泵输送到阳极室，经阳极产电微生物处理后的废液与新的进料废水混合，再次返回阳极室二次处理，这种再循环的方式强化了阳极产电微生物对废水中有机物的利用，提高了升流式微生物燃料电池的电能输出，最大功率密度达(356±24)mW/m2．但是由于进料液成分和流动状态时刻变化，升流式微生物燃料电池性能不太稳定.

表1 微生物燃料电池的结构分类

Tab.1 Structureclassification of MFCs

为进一步降低电池内阻，Jimenez等[42]设计了以陶瓷为分离膜的圆柱型单室微生物燃料电池．碳毡阳极紧贴在陶瓷隔膜外表面，便于与阳极室溶液充分接触．活性炭修饰碳毡电极作为空气阴极安装在陶瓷隔膜内表面并且与外部空气相通，保证了阴极与空气充分接触．阴阳极由于紧贴在陶瓷壳内外表面，电极间距显著减小．单个陶瓷微生物燃料电池的输出电压达(580±22)mV，绝对功率达(3±0.2)mW．这种将阴阳极集成在陶瓷内外表面的微生物燃料电池极大地简化了单体微生物燃料电池的结构，在实际应用中能够更加简单、便捷地组装形成微生物燃料电池堆栈．

微型微生物燃料电池是一类尺寸很小的微生物燃料电池，具有组装方便、底物消耗少、启动快、易携带等优点，在无线电、传感器等微型电子设备供电、环境监测领域具有显著的优势[45]．近年来纸基微型微生物燃料电池因其质量轻、传质性能强、可随意折叠等优点逐渐被关注．Ryu等[46]选用沃特曼层析滤纸开发了可穿戴纸基微型微生物燃料电池，该电池利用滤纸内部微孔结构作为活性菌的附着空间，同时阴极涂覆Ag2O作为电子受体．当有汗液存在时，可代谢利用汗液中的有机质产生电子，Ag2O得到电子还原为单质Ag，电池的功率密度达24µW/cm2．这种结构取消了电解液的极室储存层，电池结构进一步简化，同时可以利用自然分泌的汗液工作，为开发按需启动、长寿命的可穿戴微型微生物燃料电池奠定了基础．

3 微生物燃料电池堆栈的组装和优化

3.1 串联连接型微生物燃料电池堆栈

在串联连接型微生物燃料电池堆栈中，每个单体微生物燃料电池的阳极和阴极首尾依次连接，最终第1个单体微生物燃料电池的阳极和最后1个单体微生物燃料电池的阴极作为整个电池堆栈的阳极和阴极．当可连接的微生物燃料电池数量较少而要求较高的输出电压时，宜采用串联连接．Aelterman等[11]将6个双室微生物燃料电池沿水平方向依次串联连接成水平结构的微生物燃料电池堆栈，每个阴阳极室相互独立，串联连接后堆栈的输出电压达到2.02V，而单体微生物燃料电池输出电压只有0.67V．Walter等[47]通过级联的方式设计了含4个单体微生物燃料电池的级联型微生物燃料电池堆栈(图2(a))．每个单体微生物燃料电池容积为15L，内部插入41个阴极和31个阳极，4个单体微生物燃料电池沿垂直方向依次叠放，上一个电池的流出液作为下一个电池的进料液，形成微生物燃料电池级联结构．每个单体微生物燃料电池安装多个阴阳极增大了电极材料的填充密度，同时级联结构的设计使得进料液可以依靠重力在电池内部持续流动，改善了电池的传质过程，降低了装置的能耗．采用串联连接后电压达到2.55V，绝对功率达158mW，成功驱动了微型计算器运行．由于级联结构不需要额外的泵来驱动阳极液流动，且电池排布紧密，在组装成微生物燃料电池堆栈后可以获得较高的功率输出，因此是微生物燃料电池堆栈集成化组装时最重要的结构．

在微型微生物燃料电池堆栈中，单个微型微生物燃料电池由于体积较小、电能输出很低，可以通过串联连接成堆栈的方式来提高输出电压．Fraiwan等[48]将8个体积为200μL的纸基微生物燃料电池串联连接组装成微生物燃料电池堆栈，每个单体微生物燃料电池为含有金属触点的菱形结构，通过依次交叉堆叠制成飞盘状结构．这种微生物燃料电池堆栈结构可快速旋转切换成圆形，从而通过金属接触点将8个单体微生物燃料电池串联连接，实现电池的快速启动和断开．该微型微生物燃料电池堆栈的最大输出电压达到2.76V，可以持续点亮一个功率为0.8mW的LED灯20min．由于微型微生物燃料电池体积小、容易设计，可以通过折叠、旋转等方式实现电池堆栈的串联连接．

图2 不同结构的微生物燃料电池堆栈

3.2 并联连接型微生物燃料电池堆栈

并联连接型微生物燃料电池堆栈是将每个单体微生物燃料电池的阴阳极分别并联，相比于串联连接，并联连接型微生物燃料电池堆栈中每个单体微生物燃料电池都可以与微生物燃料电池堆栈的外接电阻构成回路，因此彼此相互独立，有效避免单体微生物燃料电池间的电压反转，且可以获得较高的输出电流．Aelterman等[11]将6个双室微生物燃料电池并联连接组装成微生物燃料电池堆栈，阴极液和阳极液进料管道分别与各个单体微生物燃料电池的阴阳极室进料口相连，从而保证堆栈中每个单体微生物燃料电池的阴阳极室底物(阳极液)以及电子受体(阴极液)的一致性(图2(b))，经过铜质导线并联连接组装成电池堆栈后，最大输出电流达255mA，功率密度达到248W/m3．为降低各单体微生物燃料电池间的传质阻力，Gajda等[49]开发了结构更加简单的陶瓷微生物燃料电池堆栈(图2(c))，将22个陶瓷微生物燃料电池并联连接，分成4列同时插入到一个5L的容器中，容器内部冲入持续流动的尿液作为阳极液．所有陶瓷微生物燃料电池的阳极共享于同一阳极液中，使得每个陶瓷微生物燃料电池的性能最大可能接近相同，从而降低了并联连接后非法拉第电流的损失．该微生物燃料电池堆栈的功率密度达到21.1W/m3，输出功率达37.9mW．共享阳极液的方式提高了微生物燃料电池堆栈的功率输出，且减小了堆栈的体积，是并联连接型微生物燃料电池堆栈设计中采用的主要方法．当需要较高的输出电流或不同微生物燃料电池性能差异较大时，为避免电压反转，宜采用并联 连接．

3.3 串联-并联连接型微生物燃料电池堆栈

由于串联连接的微生物燃料电池堆栈在电流放大方面以及并联连接的微生物燃料电池堆栈在电压放大方面具有其理论的局限性，为实现微生物燃料电池堆栈输出电压和输出电流的双重提高，在实际设计过程中，需采用串并联相互结合的方式．Prasad等[50]设计了含35个沉积物微生物燃料电池的微生物燃料电池堆栈．其中，每5个沉积物燃料电池先串联连接成小型微生物燃料电池堆栈，再将得到的7个小型微生物燃料电池堆栈并联连接成最终的大型微生物燃料电池堆栈．串联连接的方式提高了小电池堆栈的输出电压，并联连接的方式提高了整体堆栈的输出电流，仅需要3h即可将5.5V/4F的电容器充电到5.16V．在串联-并联连接中，每个小型微生物燃料电池堆栈可以获得较高的输出电压，在连接电路管理系统时，可以缩短超级电容器的充电时间，提高放电效率．因此，微生物燃料电池堆栈在装配基于超级电容器的电路管理系统时，可以采用串联-并联连接．

3.4 并联-串联连接型微生物燃料电池堆栈

并联-串联连接的方式可以有效减少微生物燃料电池堆栈结构中串联连接模块的数量，避免出现电压反转，可用于大批量单体微生物燃料电池的集成化组装．Gajda等[31]应用先并联后串联的方式将560个陶瓷微生物燃料电池组装成大型微生物燃料电池堆栈．其中，每28个陶瓷单体微生物燃料电池并联连接成小型微生物燃料电池堆栈，每2个小型微生物燃料电池堆栈再次并联成中型微生物燃料电池堆栈，最后将获得的10个中型微生物燃料电池堆栈串联连接成最终的大型微生物燃料电池堆栈(图2(d))．通过并联-串联连接，堆栈的输出功率达245mW，成功实现了大批量单体微生物燃料电池的集成化组装．因此当单体微生物燃料电池数量增至几十或者上百个以上时，为避免电压反转或者非法拉第电流的损失，需要减少同一电路中串并联连接的微生物燃料电池数量．此时宜采用并联-串联连接，先通过并联连接组装多个小型微生物燃料电池堆栈，再采用串联连接组装成大型微生物燃料电池堆栈．

3.5 微生物燃料电池堆栈的控制

3.5.1 控制电压反转

电压反转是微生物燃料电池堆栈开发中面临的主要挑战，当串联连接的单体微生物燃料电池性能出现差异时，电流输出高的电池(强电流电池)会导致电流输出弱的电池(弱电流电池)阳极极化，极化电流会使弱电流电池阳极电活性生物膜失活脱落而使电池逐渐丧失产电能力[51]，因此需要对电压反转进行干预.常用的方法策略有设计阈值电阻、调节内部阻抗、增加辅助电流以及应用电容器电路等[52]．An等[53]在 2个单体微生物燃料电池串联电路中插入可变阈值电阻(图3(a))，通过调节阈值电阻的阻值，控制电路中的电流低于临界电流(发生电压反转时的最大电流)，从而有效避免了电池的极化，消除了电压反转. Kim等[54]设计电容器电路避免了微生物燃料电池堆栈的电压反转(图3(b))．电池堆栈先与4个超级电容器并联连接，对其进行充电，再将另外4个超级电容器与外电路用电设备串联连接，当与电池堆栈并联连接的超级电容器充电完成后，转动开关，使其与外电路用电设备串联连接的超级电容器接通，释放储存在其中的电能．由于微生物燃料电池堆栈释放的电能被储存在电容器中，避免了不同单体微生物燃料电池的相互影响，消除了电池堆栈的电压反转，最大输出电压达到2.5V，库伦效率67%．但是利用超级电容器控制电压反转，其充放电过程只能实现50%的能量传递，因此存在一定的能量损失．

图3 微生物燃料电池堆栈的控制

3.5.2 电路管理系统

为提高对微生物燃料电池堆栈的控制，满足更多用电设备的需求，在实际应用中微生物燃料电池堆栈会进一步装配由充电泵、超级电容器、DC/DC转换器等储能以及升压元件组成的电路管理系统，该系统可对微生物燃料电池堆栈进行升压以及定量调控微生物燃料电池堆栈的输出电压．Prasad等[55]将集成化的电路管理系统装配到沉积物微生物燃料电池堆栈(图3(c))．其中，电路管理系统由超级电容器和DC/DC转换器两部分组成，超级电容器C1连接到微生物燃料电池堆栈两端，用于初步储存微生物燃料电池堆栈产生的电能，再利用DC/DC转换器CE8301对超级电容器放电过程产生的电压进行升压，同时在输出端连接另一个电容器C2，用于电压滤波，以维持输出电压的稳定．这一电路管理系统可将微生物燃料电池堆栈产生0.288～0.988V的电压升至稳定的5.02V，从而实现了为锂离子电池充电．这种集成化的电路管理系统能耗较低，降低了微生物燃料电池堆栈的能量损失，逐渐成为微生物燃料电池堆栈控制管理的主要研究方向．

另外一种常用的电路管理系统是最大功率追踪技术(maximum power point tracking，MPPT)技术，MPPT技术可通过调节每个单体微生物燃料电池外电路的电阻阻值，来维持该电池在最大输出功率下运行．Fischer等[56]将MPPT技术应用于微生物燃料电池堆栈．电路管理系统由微型控制器和能量回收集成电路两部分组成，微型控制器与微生物燃料电池堆栈连接，负责寻找微生物燃料电池堆栈中单体微生物燃料电池的最大功率点，从而控制电池处于最大输出功率状态．能量回收集成电路部分内部装有DC/DC转换器，其一端与微生物燃料电池堆栈并联连接，另一端与外电路用电设备连接，可实现对微生物燃料电池堆栈的升压(图3(d))，从而实现了对锂离子电池的充电．在此基础上，Dziegielowski等[57]在DC/DC转换器旁安装了负载开关，由装有MPPT技术的微型控制器进行控制，将电池堆栈的输出信息转化为统一的数字形式，从而形成特定的参考电压，这可使控制器能够通过算法计算来调节负载开关以控制DC/DC转换器的输出电压，保证DC/DC转换器在微生物燃料电池堆栈最大功率下升压转换．在该电路管理系统的调控下，成功为容量为3.6V的镍氢电池充电24h．因此开发智能化的电路管理系统可以对微生物燃料电池堆栈进行精确的控制，从而提高微生物燃料电池堆栈的电能输出和稳定性．

4 应 用

4.1 微生物燃料电池堆栈的应用

4.1.1 利用生物有机质发电

利用微生物燃料电池堆栈转化生物有机质产生的电能驱动用电设备工作目前已经得到了广泛的应用(表2)．例如，Ieropoulos等[58]将36个陶瓷微生物燃料电池并联连接，组装成小型微生物燃料电池堆栈，再将这样的8个小型微生物燃料电池堆栈串联连接，得到最终的大型微生物燃料电池堆栈，从尿液中回收电能．在为该大型微生物燃料电池堆栈装配4个3000F电容器作为储能元件的电路管理系统后，微生物燃料电池堆栈的输出功率达到400mW，可为4个功率为4.4W的LED灯泡供电．研究人员在此基础上继续串联了4个小型微生物燃料电池堆栈，发现其最大输出功率提高了1倍，达到800mW，可为6个功率为4.4W的LED灯泡供电．Dziegielowski 等[59]开发了由64个沉积物微生物燃料电池并联而成的大型微生物燃料电池堆栈为污水处理器供电(图4(a))．其中，每8个单体微生物燃料电池并联连接组成小型微生物燃料电池堆栈，将得到的8个小型微生物燃料电池堆栈再次并联连接构成大型微生物燃料电池堆栈，外部连接基于储能电池的电路管理系统．微生物燃料电池堆栈经过升压器升压后先为3.6V储能电池充电，随后储能电池经第2个升压器进行二次升压，将输出电压稳定至18V，经过恒流源稳定输出电流后，可为废水处理反应器供电，显著降低了废水处理的用电成本．

表2 微生物燃料电池堆栈利用生物有机质发电的应用

Tab.2 Applications of MFC stacks in power supply using bioorganic matter

图4 微生物燃料电池堆栈的应用

4.1.2 废水处理与污染物降解

利用微生物燃料电池堆栈处理废水，不仅能高效降解废水中的生物有机质，也可同时加速废水的生物脱氮、脱硝以及芳香烃、染料等有毒污染物的降解.相比于其他化学、物理、生物等方法，利用微生物燃料电池堆栈处理废水以及降解污染物可有效回收其中的生物质化学能并转化为电能，从而有望实现废水处理过程中的能量供给自足(表3)．

表3 微生物燃料电池堆栈在废水处理和污染物降解中的应用

Tab.3 Applications of MFC stacks in wastewater treatment and pollutant degradation

Mohamed等[67]设计了1200L的恒电位微生物燃料电池堆栈废水处理系统(图4(b))．微生物燃料电池堆栈由16个沉积物微生物燃料电池组成，每个电池单独连接一个电路管理系统，该电路管理系统装配有电极电位控制器，可对阳极施加特定的恒电位，从而使产电微生物能够更快地富集在阳极表面形成电活性生物膜．这一装备电极电位控制系统的微生物燃料电池堆栈在处理市政废水过程中，COD移除速率达到(41.6±3.5)mg/(L·d)，同时其产生的电能成功驱动了阴极空气泵的运行，增大了阴极室的曝气量，提高了阴极氧还原反应速率，从而进一步加快了微生物燃料电池堆栈对废水的处理效率．

对于废水中常见的芳香烃类、偶氮类染料等有毒环境污染物，微生物燃料电池堆栈阳极室中的产电微生物能够通过其细胞代谢以及胞外电子传递路径将污染物降解为其他无毒或低毒物质，并产生电能. Liu等[68]开发了由3个T型微生物燃料电池垂直堆叠而成的微生物燃料电池堆栈(图4(c))．该电池堆栈采用石墨棒为阳极、活性炭为空气阴极，能够在苯含量为60mg/L的废水中正常运行，并且在196h内将苯污染物全部降解，相比于单体微生物燃料电池，苯的降解时间缩短1倍．此外，某些产电微生物可在厌氧条件下利用自身偶氮还原酶催化偶氮键断裂，将偶氮染料转化为无色、低毒的芳香胺类物质，从而实现对废水的脱色减毒．Kong等[81]将3个套筒结构的单体微生物燃料电池并联连接成堆栈结构，用于处理偶氮染料酸性橙．其中，阳极位于套筒内部，阴极位于套筒外部，在接种活性污泥后，成功实现了偶氮染料的脱色降解．该电池堆栈对染料去除率达80.3%±3.1%，相比于单体微生物燃料电池处理效率提高47.1%．这表明微生物燃料电池堆栈对这些高毒、难处理的芳香族污染物具有更强的生物降解能力.

4.1.3 环境监测

环境的干扰(底物浓度、pH、温度等)由于影响微生物燃料电池中产电微生物的活性，从而影响微生物燃料电池的电流输出．若配套连接其他装置，将输出电流转换为其他易识别的物理或者化学信号，可以实现对环境中污染物的监测．然而，单体微生物燃料电池在污染物浓度很低时电流输出较小，只有环境中的有机物浓度较高时才能输出足够的电流驱动其他配套装置工作．目前已经开发出微生物燃料电池堆栈用于环境中污染物的检测，提高了污染物的可检测阈值.

Pasternak等[82]开发了一种由4个单室微生物燃料电池并联连接组成的微生物燃料电池堆栈，用作生物需氧量传感器．堆栈两端并联连接一个能量管理系统，对堆栈产生的电能进行储存，以二极管和蜂鸣器作为外接负载．该电池堆栈预先在阳极表面富集可利用尿液作为底物的产电微生物，随后投放入环境中．当环境中的尿液浓度达到一定阈值时，微生物燃料电池堆栈产生的电能达到一定强度，驱动蜂鸣器工作，发出警报，并根据尿液的浓度输出不同频率的声音，因此可以根据频率的大小定性分析水中尿液污染物的含量，最低可检测浓度为(15.3±1.9)mg(O2)/L.由于这种自供电生物传感器不需要其他设备，消除了对外部设备的依赖，具有较好的应用前景．

4.2 微生物燃料电池堆栈与其他技术耦合的应用

由于微生物燃料电池堆栈内部微生物代谢能力的限制，有些污染物无法降解或降解不完全，仍然对环境有害，因此需要与其他技术耦合进行处理，进一步提升污染物的处理能力．此外，也有研究利用微生物燃料电池堆栈产生的电能驱动电解池/电合成池工作，实现高值化学品的合成，因此微生物燃料电池堆栈与其他技术的耦合相比于微生物燃料电池堆栈在环境资源化处理和利用方面的应用更加广泛．目前已经开发出微生物燃料电池堆栈耦合颗粒淤泥技术、微生物燃料电池堆栈耦合电解池/电合成池技术、微生物燃料电池堆栈耦合人工湿地技术和微生物燃料电池堆栈耦合生物过滤器技术等．

4.2.1 微生物燃料电池堆栈耦合颗粒污泥技术

在含氮废水处理中，主要是利用反硝化细菌将NO3-—N和NO2-—N还原成无害的N2，尤其是产电微生物中的电子传递途径可以辅助完成生物脱硝[83]，具有成本低、效率高、副产物少等优点，是目前最常用的脱氮方法．然而，某些污染物通过微生物燃料电池堆栈降解后的物质仍然对环境有一定的危害，因此需要耦合其他技术对这些分子进一步降解，实现对环境的无害化处理．Deng等[84]利用微生物燃料电池堆栈耦合颗粒淤泥技术处理氨氮废水，其中，微生物燃料电池堆栈的阳极室由4个相同的隔室组成，阳极室接种厌氧颗粒淤泥，阴极室接种好氧颗粒淤泥．废水经进料泵输送到阳极室，由阳极室颗粒淤泥内部的厌氧微生物厌氧发酵，对有机物初步降解．随后经阳极室处理后的废水输送至阴极室，由阴极室颗粒淤泥内部的好氧微生物进一步降解(图5(a))．经过厌氧微生物和好氧微生物的共同作用，整个系统氮移除能力和COD去除率均达到99%以上．因此，微生物燃料电池堆栈耦合颗粒污泥技术有效提高了废水中污染物的去除能力．

4.2.2 微生物燃料电池堆栈耦合电解池/电合成池技术

将微生物燃料电池堆栈与电解池/电合成池相耦合，利用微生物燃料电池堆栈产生的电能，驱动电解池/电合成池生产清洁能源(如氢气、甲烷等)以及高值化学品，不仅显著提高了其经济可行性，同时也为废弃物的高值化开发利用提供了有效的解决方案. Zhang等[85]利用微生物燃料电池堆栈与氨电解池耦合用于氢气的生产．微生物燃料电池堆栈由4个单体微生物燃料电池串联连接组成，用于处理垃圾渗滤液废水，同时将产生的电能输入氨电解池(图5(b)).在氨电解池中，表面修饰Mo2C/N-rGO纳米材料的碳毡阴极在微生物燃料电池堆栈输入电能的驱动下，催化水电解产生氢气，生产速率达2.75mL/(L·d)．同时，表面修饰Pt/N-rGO的碳毡阳极催化电解液中氨生成氮气．Wu等[86]利用微生物燃料电池堆栈与酶电合成池耦合用于医药中间体的合成．其中，微生物燃料电池堆栈由3个双室微生物燃料电池串联连接组成，用以处理人工合成废水，同时将产生的电能输入酶电合成池．在酶电合成池中，阴极表面修饰的乙醇脱氢酶催化4-(氯苯基)-(2-吡啶基)甲酮合成(S)-(4-氯苯基)-(2-吡啶基)甲醇，该产物是新型抗过敏药物贝他斯汀和(S)-甲氧胺的关键手性中间体．这一研究不仅降低了高值化合物的合成成本，同时为废水高值化利用提供了新的方向．

图5 微生物燃料电池堆栈耦合其他技术的应用

4.2.3 微生物燃料电池堆栈耦合人工湿地技术

微生物燃料电池堆栈耦合人工湿地技术是以人工湿地为阳极体系构建微生物燃料电池堆栈，通过湿地系统和微生物燃料电池堆栈系统共同进行废水处理的技术．人工湿地内部具有独立的好氧区域和厌氧区域，由有机物、植物和微生物组成，其中含有多种泥沙颗粒．人工湿地可以通过沉积、过滤、吸附、微生物转化实现对污染物的去除，通过构建微生物燃料电池堆栈，可以利用电化学作用增强湿地内部微生物的代谢活性，加快了对废水中污染物的利用，并从中回收电能，相比单独的微生物燃料电池堆栈和单独的湿地处理效果更优异．Tang等[87]基于人工湿地构建了30L规模的微生物燃料电池堆栈来处理合成废水(图5(c))．在该系统中，微生物燃料电池堆栈采用升流式结构，4个阳极分别呈90°交叉放置在湿地的不同深度，并分别与湿地表层的空气阴极单独连接．这种连接方式避免了不同阳极之间的相互影响，可提高底物处理效率．最终COD移除率达到91.7%，氨氮移除率达97.3%，最大功率密度为7.99mW/m2. 但是目前人工湿地系统受环境影响较大，对湿地的成分、运行环境有一定的要求，如湿地需要富含丰富的有机质、阳极需埋入一定深度确保阳极环境具有良好的厌氧条件、阴极要预防生物污染等，因此还需要进一步改进．

4.2.4 微生物燃料电池堆栈耦合生物过滤器技术

生物过滤器是将生物成分(植物、蚯蚓和微生物等)与过滤床相结合实现自然纯化的一种装置，在有机质去除中展示出优异的性能，可以与微生物燃料电池堆栈联合实现废水的深度处理．Rossi等[33]开发了微生物燃料电池堆栈耦合生物过滤器技术处理家庭废水．在该装置中，生物过滤器是由高比表面的活性炭过滤介质组成，具有很好的生物活性，能够通过吸附和生物降解过程实现污染物的深度处理．进料废水先输送至微生物燃料电池堆栈阳极室，由阳极室内部的微生物对废水中的有机物进行代谢利用，再将处理后的废水利用生物过滤器进一步处理．生物过滤器中的活性炭可以有效吸附废水中的微生物和有机物，通过物理和生物催化作用，对废水中的有机物进一步降解，最终废水的COD去除率达91%，而只用微生物燃料电池堆栈的COD去除率只有49%．因此，利用微生物燃料电池堆栈耦合生物过滤器技术显著提高了废水的处理能力．

5 结 论

微生物燃料电池作为一种新兴的生物能源开发技术，在废水处理、环境修复等诸多领域展现出极具潜力的应用前景．本文主要对微生物燃料电池堆栈的工作原理、影响因素、结构开发以及优化控制进行了系统总结，从微生物燃料电池堆栈的应用和微生物燃料电池堆栈与其他技术耦合的应用两个方面介绍了微生物燃料电池堆栈应用的最新进展，为微生物燃料电池堆栈的工业化应用奠定了基础．然而，微生物燃料电池堆栈还面临许多关键问题，如装置性能受环境影响不稳定、机理研究不足、建设成本高等．未来为进一步推动微生物燃料电池堆栈技术的工业化应用，针对其相关研究可聚焦在以下方面．

(1) 强化产电微生物的电能产生：利用合成生物学技术强化产电微生物的胞外电子传递速率以及定向调控阳极产电微生物群落的结构组成，使其具有更强的产电能力．

(2) 开发新型电极材料：进一步开发导电性强、生物相容性好、成本低廉、机械强度高的阳极材料以及催化性能强、稳定性高、成本低的阴极材料．从原材料的选择、工艺的设计上优化电极材料的制备，降低电极材料的制造成本．

(3) 扩大微生物燃料电池堆栈的规模：进一步扩大微生物燃料电池堆栈的规模，优化微生物燃料电池堆栈的结构和连接方式．同时开发更加先进的集成控制技术，提高微生物燃料电池堆栈的稳定性和能量利用率，更好地满足多种环境下的应用需求．

(4) 扩宽微生物燃料电池堆栈的应用领域：针对不同的应用场景，设计开发更多新型的微生物燃料电池堆栈结构，提高微生物燃料电池堆栈的环境适应性.同时注重与其他技术的耦合，以克服微生物燃料电池堆栈的不足，拓宽微生物燃料电池堆栈的应用领域.

［1］ Yang X N，Chen S S. Microorganisms in sediment microbial fuel cells：Ecological niche，microbial re-sponse，and environmental function[J]. Science of the Total Environment，2021，756：144145.

［2］ Girguis P R，Nielsen M E，Figueroa I. Harnessing energy from marine productivity using bioelectrochemical systems[J]. Current Opinion in Biotechnology，2010，21(3)：252-258.

［3］ Ebrahimi A，Sivakumar M，McLauchlan C，et al. A critical review of the symbiotic relationship between constructed wetland and microbial fuel cell for enhancing pollutant removal and energy generation[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering，2021，9(1)：105011.

［4］ Zhao J T，Li F，Cao Y X，et al. Microbial extracellular electron transfer and strategies for engineering electroactive microorganisms[J]. Biotechnology Advances，2021，53：107682.

［5］ Sun W N，Lin Z F，Yu Q Z，et al. Promoting extracellular electron transfer ofMR-1 by optimizing the periplasmic cytochrome cnetwork[J]. Frontiers in Microbiology，2021，12：727709.

［6］ Luo J M，Li X，Zhang J M，et al. Global regulator engineering enhances bioelectricity generation in-inoculated MFCs[J]. Biosensors and Bioelectronics，2020，163：112269.

［7］ Mier A A，Vargas H O，Lopez M M，et al. A review of recent advances in electrode materials for emerging bioelectrochemical systems：From biofilm-bearing anodes to specialized cathodes[J]. Chemosphere，2021，283：131138.

［8］ Ali Y A，Mohamad I M N，Barajas C G. Modern trend of anodes in microbial fuel cells(MFCs)：An overview [J]. Environmental Technology & Innovation，2021，23：101579.

［9］ Peera S G，Maiyalagan T，Liu C，et al. A review on carbon and non-precious metal based cathode catalysts in microbial fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2021，46(4)：3056-3089.

［10］ Song X R，Jo C，Lu J H，et al. Recent advance in microbial fuel cell reactor configuration and coupling technologies for removal of antibiotic pollutants[J]. Current Opinion in Electrochemistry，2022，31：100833.

［11］ Aelterman P，Korneel R，Pham H T，et al. Continuous electricity generation at high voltages and currents using stacked microbial fuel cells[J]. Environment Science Technology，2006，40(10)：3388-3394.

［12］ Liang P，Duan R，Jiang Y，et al. One-year operation of 1000-L modularized microbial fuel cell for municipal wastewater treatment[J]. Water Research，2018，141：1-8.

［13］ Lin N，Yang Q，Feng Y J. Optimization of catalyst dosage and total volume for extendible stacked microbial fuel cell reactors using spacer[J]. Journal of Power Sources，2022，517：230697.

［14］ Logan B E，Rossi R，Ragab A，et al. Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems[J]. Nature Review Microbiology，2019，17(5)：307-319.

［15］ Sugnaux M，Happe M，Cachelin C P，et al. Two stage bioethanol refining with multi litre stacked microbial fuel cell and microbial electrolysis cell[J]. Bioresource Technology，2016，221：61-69.

［16］ Nara S，Kandpal R，Jaiswal V，et al. Exploringfor application to eco-friendly paper based microbial fuel cell[J]. Biosensors and Bioelectronics，2020，165：112323.

［17］ Cabrera J，Dai Y X，Irfan M，et al. Novel continuous up-flow MFC for treatment of produced water：Flow rate effect，microbial community，and flow simulation [J]. Chemosphere，2022，289：133186.

［18］ 张翼峰. 不同底物的微生物燃料电池阳极菌群及其产电特性分析[D]. 大连：大连理工大学环境与生命学院，2008.

Zhang Yifeng. Performance and Anode Bacterial Community Analysis in Different Substrates Powered Microbial Fuel Cell[D]. Dalian：School of Environmental and Biological Science and Technology，Dalian University of Technology，2008(in Chinese).

［19］ Blatter M，Delabays L，Furrer C，et al. Stretched 1000-L microbial fuel cell[J]. Journal of Power Sources，2021，483：229130.

［20］ Arriaga E B E，Romano J H，Sanchez L G，et al. Domestic wastewater treatment and power generation in continuous flow air-cathode stacked microbial fuel cell：Effect of series and parallel configuration[J]. Journal of Environmental Management，2018，214：232-241.

［21］ Zhao N N，Angelidaki I，Zhang Y F. Electricity generation and microbial community in response to short-term changes in stack connection of self-stacked submersible microbial fuel cell powered by glycerol[J]. Water Research，2017，109：367-374.

［22］ Wang R，Li H，Sun J，et al. Nanomaterials facilitating microbial extracellular electron transfer at interfaces[J]. Advanced Materials，2021，33(6)：2004051.

［23］ Sonawane J M，Yadav A，Ghosh P C，et al. Recent advances in the development and utilization of modern anode materials for high performance microbial fuel cells [J]. Biosensor and Bioelectronics，2017，90：558-576.

［24］ Li Y F，Liu J，Chen X P，et al. Enhanced electricity generation and extracellular electron transfer by polydopamine-reduced graphene oxide(PDA-rGO) modification for high-performance anode in microbial fuel cell [J]. Chemical Engineering Journal，2020，387：123408.

［25］ Pu K B，Zhang K，Guo K，et al. Firmly coating carbon nanoparticles onto titanium as high performance anodes in microbial fuel cells[J]. Electrochimica Acta，2021，399：139416.

［26］ Lawson K，Rossi R，Regan J M，et al. Impact of cathodic electron acceptor on microbial fuel cell internal resistance[J]. Bioresource Technology，2020，316：123919.

［27］ Ucar D，Zhang Y F，Angelidaki I. An overview of electron acceptors in microbial fuel cells[J]. Frontiers in Microbiology，2017，8：643.

［28］ Liu X W，Li W W，Yu H Q. Cathodic catalysts in bioelectrochemical systems for energy recovery from wastewater[J]. Chemical Society Review，2014，43(22)：7718-7745.

［29］ Yan F，Dong L，Su J，et al. Copper coordinated with nitrogen in electrospun carbon nanofibers as a high-performance electrocatalyst for ORR[J]. Electrochemistry Communications，2022，136：107245.

［30］ 尹 燕，裴亚彪，祝伟康，等. 碱性膜燃料电池阴极Co-N-C催化剂层的性能优化[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2021，54(4)：374-378.

Yin Yan，Pei Yabiao，Zhu Weikang，et al. Optimization of a cathode Co-N-C catalyst layer for an alkaline membrane fuel cell[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology)，2021，54(4)：374-378(in Chinese).

［31］ Gajda I，Stinchcombe A，Merino-Jimenez I，et al. Miniaturized ceramic-based microbial fuel cell for efficient power generation from urine and stack development[J]. Frontiers in Energy Research，2018，6：84.

［32］ Gajda I，Obata O，Salar-Garcia M J，et al. Long-term bio-power of ceramic microbial fuel cells in individual and stacked configurations[J]. Bioelectrochemistry，2020，133：107459.

［33］ Rossi R，Hur A Y，Page M A，et al. Pilot scale microbial fuel cells using air cathodes for producing electricity while treating wastewater[J]. Water Research，2022，215：118208.

［34］ Lan G J，Li H Y，Shen J Q. Bimetallic zeolitic imidazole framework derived Co@NC materials as oxygen reduction reaction catalysts application for microbial fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2022，47(19)：10701-10714.

［35］ Yang W，Li J，Fu Q，et al. Minimizing mass transfer losses in microbial fuel cells：Theories，progresses and prospectives[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2021，136：110460.

［36］ Rossi R，Evans P J，Logan B E. Impact of flow recirculation and anode dimensions on performance of a large scale microbial fuel cell[J]. Journal of Power Sources，2019，412：294-300.

［37］ Santoro C，Cadengo C F，Soavi F，et al. Ceramic microbial fuel cells stack：Power generation in standard and supercapacitive mode[J]. Scientific Reports，2018，8(1)：3281.

［38］ Yap K L，Ho L N，Ong S A，et al. Crucial roles of aeration and catalyst on caffeine removal and bioelectricity generation in a double chambered microbial fuel cell integrated electrocatalytic process[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering，2021，9(1)：104636.

［39］ Lay C H，Kokko M E，Puhakka J A. Power generation in fed-batch and continuous up-flow microbial fuel cell from synthetic wastewater[J]. Energy，2015，91：235-241.

［40］ Fraiwan A，Mukherjee S，Sundermier S，et al. A paper-based microbial fuel cell：Instant battery for disposable diagnostic devices[J]. Biosensors and Bioelectronics，2013，49：410-414.

［41］ Liu H，Logan B E. Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane[J]. Energy & Environmental Science，2004，38：4040-4046.

［42］ Jimenez I M，Brinson P，Greenman J，et al. Electronic faucet powered by low cost ceramic microbial fuel cells treating urine[J]. Journal of Power Sources，2021，506：230004.

［43］ Alipanahi R，Rahimnejad M，Najafpour G. Improvement of sediment microbial fuel cell performances by design and application of power management systems[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(31)：16965-16975.

［44］ Yousefi R，Mardanpour M M，Yaghmaei S. Fabrication of the macro and micro-scale microbial fuel cells to monitor oxalate biodegradation in human urine[J]. Scientific Reports，2021，11(1)：14346-14358.

［45］ Choi S. Microscale microbial fuel cells：Advances and challenges[J]. Biosensors and Bioelectronics，2015，69：8-25.

［46］ Ryu J，Landers M，Choi S. A sweat-activated，wearable microbial fuel cell for long-term，on-demand power generation[J]. Biosensors and Bioelectronics，2022，205：114128.

［47］ Walter X A，Greenman J，Ieropoulos I A. Microbial fuel cells directly powering a microcomputer[J]. Journal of Power Sources，2020，446：227328.

［48］ Fraiwan A，Kwan L，Choi S. A disposable power source in resource-limited environments：A paper-based biobattery generating electricity from wastewater[J]. Biosensors and Bioelectronics，2016，85：190-197.

［49］ Gajda I，Greenman J，Ieropoulos I. Microbial fuel cell stack performance enhancement through carbon veil anode modification with activated carbon powder[J]. Applied Energy，2020，262：114475.

［50］ Prasad J，Tripathi R K. Effect of sediment microbial fuel cell stacks on 9V/12V DC power supply[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2021，46(27)：14628-14638.

［51］ Li J，Li H J，Fu Q，et al. Voltage reversal causes bioanode corrosion in microbial fuel cell stacks[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42(45)：27649-27656.

［52］ Kim B，Mohan S V，Fapyane D，et al. Controlling voltage reversal in microbial fuel cells[J]. Trends in Biotechnology，2020，38(6)：667-678.

［53］ An J，Sim J，Lee H S. Control of voltage reversal in serially stacked microbial fuel cells through manipulating current：Significance of critical current density[J]. Journal of Power Sources，2015，283：19-23.

［54］ Kim Y，Hatzell M C，Hutchinson A J，et al. Capturing power at higher voltages from arrays of microbial fuel cells without voltage reversal[J]. Energy & Environmental Science，2011，4(11)：4662-4667.

［55］ Prasad J，Tripathi R K. Scale-up and control the voltage of sediment microbial fuel cell for charging a cell phone [J]. Biosensors and Bioelectronics，2021，172：112767.

［56］ Fischer F，Sugnaux M，Savy C，et al. Microbial fuel cell stack power to lithium battery stack：Pilot concept for scale up[J]. Applied Energy，2018，230：1633-1644.

［57］ Dziegielowski J，Metcalfe B，Lorenzo M D. Towards effective energy harvesting from stacks of soil microbial fuel cell[J]. Journal of Power Sources，2021，515：230591.

［58］ Ieropoulos I A，Stinchcombe A，Gajda I，et al. Pee power urinal-microbial fuel cell technology field trials in the context of sanitation[J]. Environmental Science：Water Research & Technology，2016，2：336-343.

［59］ Dziegielowski J，Metcalfe B，Guzman P V，et al. Development of a functional stack of soil microbial fuel cells to power a water treatment reactor：From the lab to field trials in North East Brazil[J]. Applied Energy，2020，278：115680.

［60］ Walter X A，Stinchcombe A，Greenman J，et al. Urine transduction to usable energy：A modular MFC approach for smartphone and remote system charging[J]. Applied Energy，2017，192：575-581.

［61］ Kim T，Yeo J，Yang Y，et al. Boosting voltage without electrochemical degradation using energy-harvesting circuits and power management system-coupled multiple microbial fuel cells[J]. Journal of Power Sources，2019，410/411：171-178.

［62］ Veerubhotla R，Nag S，Das D. Internet of things temperature sensor powered by bacterial fuel cells on paper [J]. Journal of Power Sources，2019，438：226947.

［63］ Walter X A，You J，Winfield J，et al. From the lab to the field：Self-stratifying microbial fuel cells stacks directly powering lights[J]. Applied Energy，2020，277：115514.

［64］ Mateo S，Cantone A，Cañizares P，et al. Development of a module of stacks of air-breathing microbial fuel cells to light-up a strip of LEDs[J]. Electrochimica Acta，2018，274：152-159.

［65］ Walter X A，Merino-Jiménez I，Greenman J，et al. PEE POWER®urinal Ⅱ—Urinal scale-up with microbial fuel cell scale-down for improved lighting[J]. Journal of Power Sources，2018，392：150-158.

［66］ Ryu J，Gao Y，Cho J H，et al. Horizontally structured microbial fuel cells in yarns and woven fabrics for wearable bioenergy harvesting[J]. Journal of Power Sources，2021，484：229271.

［67］ Mohamed A，Zmuda H M，Ha P T，et al. Large-scale switchable potentiostatically controller microbial fuel cell bioelectrochemical wastewater treatment system[J]. Bioelectrochemistry，2021，138：107724.

［68］ Liu H P，Zhang B Q，Liu Y，et al. Continuous bioelectricity generation with simultaneous sulfide and organics removals in an anaerobic baffled stacking microbial fuel cell[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2015，40(25)：8128-8136.

［69］ Babanova S，Jones J，Phadke S，et al. Continuous flow，large-scale，microbial fuel cell system for the sustained treatment of swine waste[J]. Water Environment Research，2020，92(1)：60-72.

［70］ Ge Z，Wu L，Zhang F，et al. Energy extraction from a large-scale microbial fuel cell system treating municipal wastewater[J]. Journal of Power Sources，2015，297：260-264.

［71］ Fernando E，Keshavarz T，Kyazze G，et al. Treatment of colour industry wastewaters with concomitant bioelectricity production in a sequential stacked mono-chamber microbial fuel cells-aerobic system[J]. Environmental Technology，2016，37(2)：255-264.

［72］ Liu S H，Lai C Y，Ye J W，et al. Increasing removal of benzene from groundwater using stacked tubular air-cathode microbial fuel cells[J]. Journal of Cleaner Production，2018，194：78-84.

［73］ Sharma P，Talekar G V，Mutnuri S. Demonstration of energy and nutrient recovery from urine by field-scale microbial fuel cell system[J]. Process Biochemistry，2021，101：89-98.

［74］ Oon Y L，Ong S A，Ho L N，et al. Up-flow constructed wetland-microbial fuel cell for azo dye，saline，nitrate remediation and bioelectricity generation：From waste to energy approach[J]. Bioresource Technology，2018，266：97-108.

［75］ Sugioka M，Yoshida N，Yamane T，et al. Long-term evaluation of an air-cathode microbial fuel cell with an anion exchange membrane in a 226 L wastewater treatment reactor[J]. Environmental Research，2021，205：112416.

［76］ Linares V R，Maldonado J D，Leal E R，et al. Scale up of microbial fuel cell stack system for residential wastewater treatment in continuous mode operation[J]. Water，2019，11(2)：217.

［77］ Jadhav D A，Das I，Ghangrekar M M，et al. Moving towards practical applications of microbial fuel cells for sanitation and resource recovery[J]. Journal of Water Process Engineering，2020，38：101566.

［78］ Cid C A，Stinchcombe A，Ieropoulos I，et al. Urine microbial fuel cells in a semi-controlled environment for onsite urine pre-treatment and electricity production[J]. Journal of Power Sources，2018，400：441-448.

［79］ Pons A V，Puig S，Dávil I S，et al. Long-term assessment of six-stacked scaled-up MFCs treating swine manure with different electrode materials[J]. Environmental Science：Water Research & Technology，2017，3：947-959.

［80］ Zhuang L，Yuan Y，Wang Y Q，et al. Long-term evaluation of a 10-liter serpentine-type microbial fuel cell stack treating brewery wastewater[J]. Bioresource Technology，2012，123：406-412.

［81］ Kong F，Ren H Y，Pavlostathis S G，et al. Enhanced azo dye decolorization and microbial community analysis in a stacked bioelectrochemical system[J]. Chemical Engineering Journal，2018，354：351-362.

［82］ Pasternak G，Greenman J，Ieropoulos I. Self-powered，autonomous biological oxygen demand biosensor for online water quality monitoring[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2017，244：815-822.

［83］ Liang D，He W，Li C，et al. Bidirectional electron transfer biofilm assisted complete bioelectrochemical denitrification process[J]. Chemical Engineering Journal，2019，375：121960.

［84］ Deng Q J，Su C y，Lu X Y，et al. Performance and functional microbial communities of denitrification process of a novel MFC-granular sludge coupling system[J]. Bioresource Technology，2020，306：123173.

［85］ Zhang G Q，Zhou Y F，Yang F L. Hydrogen production from microbial fuel cells-ammonia electrolysis cell coupled system fed with landfill leachate using Mo2C/N-doped graphene nanocomposite as HER catalyst[J]. Electrochimica Acta，2019，299：672-681.

［86］ Wu R R，Yu Y Y，Wang Y M，et al. Wastewater-powered high-value chemical synthesis in a hybrid bioelectrochemical system[J]. iScience，2021，24(12)：103401.

［87］ Tang C，Zhao Y，Kang C，et al. Towards concurrent pollutants removal and high energy harvesting in a pilot-scale CW-MFC：Insight into the cathode conditions and electrodes connection[J]. Chemical Engineering Jour-nal，2019，373：150-160.

Research Advances in the Development and Applications of Microbial Fuel Cell Stacks

Song Hao1, 2, 3，Jia Jichao1, 2, 3，Zhang Baocai1, 2, 3，Li Feng1, 2, 3，Shao Shulin1, 2, 3

(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Frontier Science Center for Synthetic Biology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；3. Key Laboratory of Systems Bioengineering(Ministry of Education)，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

Microbial fuel cells(MFCs)can convert chemical energy in wastewater into electrical energy and facilitate the degradation of organic pollutants，making them a promising solution for environmental remediation and clean energy. Their industrial applications are currently hindered by several obstacles，including their smaller operational scale and lower power output. Therefore，it is necessary to scale up MFCs. Due to the sharp increase in internal resistance and energy loss，only enlarging the size of the MFC has a limiting effect on the output power，which is unsuitable for engineering applications. MFC stacks can efficiently enhance output performance by connecting multiple single MFCs in series or parallel. It is the primary method for scaling up MFCs，which has been widely applied in complex environments，such as power generation from biomass，wastewater treatment，and chemical synthesis. In this study，the advancements in exoelectrogens，electrode materials，MFC structure，and mass transfer that affect MFC stack properties were systematically summarized based on the MFC stack operation mechanism. Meanwhile，the design principles and engineering technologies of the structure and power management system were reviewed. By analyzing the vital applications of MFC stacks，we provide a perspective on how they will be studied in the future，which will help their industrial applications.

microbial fuel cell；stack technology；bioenergy；exoelectrogen；waste treatment；biotechnology

10.11784/tdxbz202205029

TM911；X703

A

0493-2137(2023)09-0887-16

2022-05-16；

2022-07-05.

宋 浩（1973— ），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

宋 浩，hsong@tju.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2018YFA0901300).

the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFA0901300).

宋浩，天津大学化工学院教授，入选国家万人计划科技创新领军人才和科技部中青年科技创新领军人才，天津市创新人才推进计划重点领域创新团队负责人．中国生物工程学会合成生物学专业委员会副主任．研究方向是合成生物学、光电遗传学和电能细胞设计构建，聚焦在碳中和、医药和农业生物技术领域的应用．主持承担多项国家和省部级项目，包括科技部合成生物学重点研发专项项目和国家自然科学基金项目等．发表文章150多篇，包括在Nature Chemical Biology、Nature Communications和Energy & Environmental Science等重要期刊文章．

(责任编辑：田 军)