微生物燃料電池

『壹』 微生物燃料電池的前景

前景十分不錯，屬於創新科技，在環保、原料方面和目前能源利用有著很大的不同。目前還沒有成熟技術，想要投資的話估計得不少錢。

『貳』 微生物燃料電池的核心技術

污物驅動的應用在於能夠顯著的移除廢棄的底物。目前，使用傳統的好氧處理時，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1 kWh的能量。例如，生活污水的處理每立方米需要消耗0.5 kWh的能量，折算後在這一項上每人每年需要消耗的能源約為30 kWh。為了解決這一問題，需要開發一些技術，特別是針對高強度的廢水。在這一領域中常用的是Upflow Anaerobic Sludge Blanket反應器，它產生沼氣，特別是在處理濃縮的工業廢水時。UASB反應器通常以每立方米反應器每天10~20 kg化學需氧量的負荷速率處理高度可降解性的廢水，並且具有（帶有一個燃燒引擎作為轉換器）35%的總電力效率，意味著反應器功率輸出為0.5~1 kW/m3。它的效率主要決定於燃燒沼氣時損失的能量。未來如果發展了比現有的能更有效的氧化沼氣的化學染料電池的話，很可能能夠獲得更高的效率。
能夠轉化具有積極市場價值的某種定性底物的電池，譬如葡萄糖，將以具有高能量效率作為首要目標。雖然MFCs的功率密度與諸如甲醇驅動的FCs相比是相當低的，但是對於這項技術而言，以底物安全性為代表的多功能性是它的一個重要優勢。
全面的看，作為一種參考，以高速率的厭氧消化手段從生物量中重獲能量的資本支出約為安裝每百萬瓦生產量花費100萬瓦。後一數值也同樣適用於通過傳統的燃燒途徑、風力渦輪機以及化學染料電池等方法利用化石燃料產能。因此這一手段也處於競爭之地。何況目前，微生物燃料電池尚未達到這一水準的功率輸出。負荷速率為每天每立方米反應器0.1~10 kg的化學需氧量時，可以認為實際上能達到的功率輸出在0.01~1.25 kW/m3之間。然而，對於好氧的處理過程，觀察到的生長速率為消耗每克有機底物產生0.4克生物量生成，而對於厭氧發酵產生沼氣的過程這一速率理論上僅為0.077。基於MFC過程的本質，其產量應該介於這兩種代謝類型之間。觀察到的以葡萄糖飼喂的MFCs的生長速率在0.07~0.22之間。由於廢水處理設備中淤泥處理的花費多達每噸干物質500，這一數量的減少對於該過程的經濟平衡具有重要的提示意義。
有效的設計和操作能夠創造一種技術平台，能夠在多種領域運用而不需要進行本質上的修改。除了經濟方面，MFCs已經展現了支柱性的核心技術的姿態。它們在低的和適中的溫度下能有效的產生能量並轉化一系列的電子供體，甚至即使電子供體僅以低濃度存在。在這些方面現在還沒有能夠與之相媲美的其他已知技術。

『叄』 微生物電解池和微生物燃料電池的區別

從字面意思不難理解，微生物燃料電池與微生物電解池主要區別是：
1.微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解並釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，並通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑 （一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。
2.微生物電解池，利用微生物作為反應主體,在陰陽極間施加電流，產生氫氣或者甲烷的一種電解池。微生物電解池由池體、陽極、陰極、外電路及電源組成。在陽極上有一層由產電微生物形成的生物膜，這些微生物靠吃污水中的有機物為生。微生物電解池中的微生物，在其代謝過程中，電子從細胞內轉移到了細胞外的陽極，然後通過外電路在電源提供的電勢差作用下到達陰極。在陰極，電子和質子結合就產生了氫氣。

『肆』 微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置

請注意題干強調3是質子交換膜，質子交換膜只允許質子通過，左邊的銨根是無回法到右邊的，只有右下答角的硝酸根通過化學反應才能轉化成氮氣，所以C錯誤
注意圖中氫原子移動方向，可以判斷出右電極為正。再看圖的右側電極，向其加入氧氣、銨根、二氧化碳轉化產物為水和氮氣，水中的氧原子為-2價，顯而易見氧氣參與正極反應，發生還原反應。答案D真確

『伍』 微生物燃料電池是怎樣研發的

中國科學家在微生物來燃料電池的產電源機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜鹼性假單胞菌，該菌株在鹼性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在微生物燃料電池體系中代謝有機物的同時，產生酚嗪-1-羧酸介體，該介體起電子穿梭的作用，從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。

『陸』 什麼是微生物燃料電池

微生物燃料電池的概念已經提出將近三十年了。當時一個英國研究人員在碳水化合物中培養細菌的過程中，連接兩個電極時，觀測到了微弱的電流。盡管它還只處於實驗室研究階段。但其研究已經逐漸成形，有望成為一種替代能源。

事實上，光合作用細菌可以有效地從它們的食物中分離出能量。微生物可以從有機廢物中剝離電子，然後形成電流。利用先進的電子提取技術，可以使這個轉化過程更有效地進行。

目前，研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中，測試管的形狀被做成類似電路的迴路。當處理廢物時，先把有機廢水通入管中，作為副產品電子向陽極移動，然後通過迴路流到陰極。另外一種副產品質子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中，電子和質子與氧氣發生反應形成水。

一塊微生物燃料電池，理論上最大可以產生1.2伏特電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池並聯和串聯起來，產生足夠高的電壓來作為一種有實際應用的電源。

光合作用細菌

『柒』 微生物燃料電池的優勢

與現有的其它利用有機物產能的技術相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢： 首先，它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率； 其次，不同於現有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環境條件下能夠有效運作； 第三，微生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量； 第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因為若是單室微生物燃料電池僅需通風就可以被動的補充陰極氣體； 第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，微生物燃料電池具有廣泛應用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。

『捌』 微生物燃料電池研究中有哪些問題尚未解決

主要問題是成本和功率密度。

1 引言 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一種以微生物為陽極催化劑，將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。1911年，英國植物學家Potter便發現細菌培養液可產生電流，這是關於微生物燃料電池的最早報道。近年來，MFC技術因其諸多優點及應用范圍的擴大，引起了世界各國研究者的高度關注。
毋庸置疑，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是一種新興的高效的生物質能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現今社會的研究熱點之一。
2 微生物燃料電池的工作原理
圖1是典型的雙室結構MFcs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極．電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下。與陰極室中的電子接受體結合，並發生還原反應。

圖1 微生物燃料電池工作原理示意圖
下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成後葡萄糖完全被氧化。
陽極反應：
?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622
陰極反應：
?_6O2?24H?24e?12H2O
總反應：
C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料電池的應用現狀
迄今為止，MFCs的性能遠低於理想狀態。制約MFCs性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率。內電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決於電極間電解液的阻力和質子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFCs的內阻，這時得到的最大功率密度有質子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率。最終電子受體採用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸鹼度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響。
當前針對微生物燃料電池主要研究其產電性能，同時由於其特殊的結構與原理，MFCs還有許多潛在應用領域，主要包括廢水處理、電助產氫、感測器三方面。
3.1 廢水處理
近年來，微生物燃料電池被嘗試用來處理富含生物可降解有機物的廢水，在廢水降解的同時產電。表3.1列舉了目前MFCs用於廢水處理的現狀。

微生物燃料電池用於污水處理的例子

此外，微生物燃料電池處理廢水具有諸多優點，還可與傳統厭氧、好氧工藝相結合，達到更好的處理效果。

3.2 電助產氫
微生物燃料電池由於輸出效率低，難以直接應用，而MFC電助產氫技術是較有前途的一種方式。其工作原理為：無氧條件下，對雙室MFC陰極施加一個遠小於水分解電壓的小電壓，可促進轉移到陰極的電子和質子結合生成氫氣，達到利用MFC系統產氫的目的。
微生物燃料電池電助產氫反應器的優點是陰極省略了MFC常用的電子受體——氫氣，可避免因氧氣通過質子交換膜向陽極擴散而影響反應器運行；同時該工藝產生的氫氣純度較高，可積累、儲存及運輸，推動了MFC技術的實際應用。
3.3 生物感測器
根據MFCs的工作原理，在一定濃度范圍內，MFCs的電流(或電壓)輸出與陽極的基質濃度有線性關系，因此可開發基於MFCs的感測器，最典型的是BOD5快速檢測。Lorenzo等以人工廢水為燃料構建型BOD5感測器，該感測器輸出功率與BOD5濃度有良好的線性關系，且有非常高的重復性和穩定性，可連續運行7個月。
除了作為BOD5感測器外，有研究者嘗試利用MFC型的感測器通過對UAFB中發
酵液pH和沼氣流速進行實時監測，實現對厭氧硝化過程動態變化的監測。還有研究者通過在MFCs的質子交換膜兩側添加2片微硅板作電流收集器，由電流變化來反映基質中的有毒化合物。這些研究都有助於擴大MFCs技術的應用領域。
4 微生物燃料電池技術發展前景
MFCs技術正在不斷成長並且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由於其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基於其產電性能的制約因素，今後的研究方向主要可歸納為以下幾點。
(1)深入研究並完善MFCs的產電理論。MFCs產電理論研究處於起步階段，電池輸出功率較低，嚴重製約了MFCs的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今後的研究重點。
(2)篩選與培育高活性微生物。目前大多數微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質的微生物。今後的研究應致力於發現和選擇這種高活性微生。
(3)優化反應器的結構；5建議；微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分；(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物；(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，；MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起；力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多；7參考文獻；[1]姜秀華.微生物電池技術研究[D].科技資訊；[2]張靜，張寶

(3)優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池，利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易於撲捉質子的材料作為陰極。

5 建議
微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分看好，但由於輸出功率較低，限制了在生產生活中的應用。因此，建議研究者主要從以下三方面對MFCs做進一步研究：
(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物確定電子產生和傳遞機理，實現對高效產電微生物的篩選和改造。
(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，提高電子傳質速率，降低電壓損失，提高MFCs產電性能。嘗試MFCs的工程放大，實現實際應用。 6 結語
MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，並已逐步顯現出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用。與微生物燃料電池相比，燃料電池目前使用存在著成本仍偏高, 利用率不太高的缺點，所以微生物電池有著廣闊的應用前景。與現有的其它利用有機物產能的技術相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢：首先，它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率；其次，不同於現有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環境條件下能夠有效運作；第三，微生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因為若是單室微生物燃料電池僅需通風就可以被動的補充陰極氣體；第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，微生物燃料電池具有廣泛應用的潛
力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。研究微生物電池是一件造福人類的偉大舉措，我們應該投入更多的人力和物力。

『玖』 微生物燃料電池的產電機理

一般來說，燃料電池都需要對生物燃料分子進行分解和重建，這個過程會釋放出電子，電子

聚集在一起形成電流。利用生物質能的裝置。可分為間接型燃料電池和直接型燃料電池。

在間接型燃料電池中，由水的厭氧酵解或光解作用產生氫等電活性成分，然後在通常的

氫－氧燃料電池的陽極上被氧化。 在直接型燃料電池中，有一種氧化還原蛋白質作為

電子由基質直接轉移到電極的中間物。如利用N，N，N'，N'－四甲基－P－苯氨基二胺作為

介質，由甲醇脫氫酶和甲酸脫氫酶所催化的甲醇的完全氧化作用，可用來產生電流。

生物燃料電池尚處於試驗階段，已可提供穩定的電流，但工業化應用尚未成熟。