微生物燃料電池(課堂PPT)

1、1,微生物燃料電池,王金玉 2007.12.26,2,微生物燃料電池的原理 微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展 相關(guān)文獻(xiàn),3,微生物燃料電池的原理,燃料在陽極室內(nèi)，通過微生物的代謝被氧化，電子通過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，氧化物在催化劑的作用下在陰極室內(nèi)被還原。 分為： 直接微生物燃料電池 間接微生物燃料電池,4,直接微生物燃料電池原理,直接微生物燃料電池是指燃料直接在電極上被氧化，電子直接由燃料轉(zhuǎn)移到電極。,5,間接微生物燃料電池的原理,間接微生物燃料電池的燃料不在電極上氧化，而是在別處氧化后，電子通過某種途徑傳遞到電極上來。,6,微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展,1.與MEMS(m

2、icroelectrom echanical system) 結(jié)合的微生物燃料電池。 美國加州大學(xué)Berkerley分校機(jī)械工程系的lin出于對無污染的汽車能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料電池。其研究表明，微生物燃料電池完全可以做到更小的尺度。lin 的燃料電池目前已能達(dá)到0.07cm2 面積大小，使用的燃料為葡萄糖，催化劑為cerevisiae酵母。 這種微生物燃料電池的原型中有一個(gè)微小的空室，用于放置進(jìn)行發(fā)酵作用的微生物。葡萄糖溶液通過平行的流體槽道進(jìn)入到這個(gè)微小空室中。在微生物進(jìn)行發(fā)酵的過程中，產(chǎn)生氫質(zhì)子和電子。,7,Lin 的實(shí)驗(yàn)中，在長達(dá)兩個(gè)小時(shí)的過程中，該微生物燃料電池產(chǎn)生

3、了 300mV 的電壓。 這種微型生物燃料電池產(chǎn)生的電壓，已足以驅(qū)動MEMS（microelectrom echanical system）器件，同時(shí)，微生物燃料電池產(chǎn)生的只是二氧化碳和水分。 這兩種技術(shù)的融合，可能是未來微機(jī)械和微型燃料電池的一個(gè)具有發(fā)展前途的方向。例如微型的自維持型醫(yī)療器械.,8,2 .處理污水的微生物燃料電池,最近由美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家Logan率領(lǐng)的一個(gè)研發(fā)小組宣布他們研制出一種新型的微生物燃料電池?？梢园盐唇?jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈用水和電源。 在發(fā)電能力方面，據(jù)洛根稱在實(shí)驗(yàn)室里該設(shè)備能提供的電功率可以驅(qū)動一臺小電風(fēng)扇。雖然目前產(chǎn)生的電流不大，但該設(shè)備改進(jìn)的空間

4、很大。洛根的研發(fā)小組已經(jīng)把該燃料電池的發(fā)電能力提高到了350W 洛根希望這一數(shù)值最終能達(dá)到 500W1000W. 等技術(shù)成熟后可以批量生產(chǎn)的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高，洛根認(rèn)為它可以提供 500KW 的穩(wěn)定功率，大約是300戶家庭的用電功率.,9,3 . 吃肉的機(jī)器人（gastrobot）,是一種通過分解有機(jī)物質(zhì)作為能源驅(qū)動力的機(jī)器人?；谖⑸锶剂想姵兀∕FC）技術(shù)的吃肉機(jī)器人如下圖所示的是一種吃肉機(jī)器人，它所依靠的正是典型的微生物燃料電池技術(shù)，可將食物的能源轉(zhuǎn)化為電流。 以葡萄糖溶液作為基礎(chǔ)燃料，利用發(fā)酵來起作用。這種基于微生物燃料電池的吃肉機(jī)器人，主要包括以下幾個(gè)必要部件：生

5、物催化劑，氧化還原反應(yīng)的中介物；一個(gè)陽離子交換隔膜；電極；陰極氧化反應(yīng)物（例如圖中的鐵氰化物ferricyanide）。,10,Electricity generation using microbial fuel cells利用微生物燃料電池發(fā)電的研究Y. Mohan, S. Manoj Muthu Kumar, D. DasDepartment of Biotechnology, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302, IndiaReceived 20 June 2007; accepted 9 July 2007,11,背景知識

6、和研究目的 Mediator type, concentration, pH and sometimes even mixture of the three play an important role in the anode potential fixing. 微生物燃料電池的性能受很多因素的影響，諸如介體的類型、介體的濃度、pH值等。,12,In this study, we have examined the effect of different electron mediators, concentration of the mediator, ionic strength of

7、the medium and the surface area of the salt-bridge in contact with the anode and cathode chambers on the power generation in MFCs. 目的：研究不同的電子介體、介體濃度、介質(zhì)中的離子強(qiáng)度和鹽橋的表面積對微生物燃料電池性能的影響。,13,介體介紹,氧化還原介體是電子傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充當(dāng)介體應(yīng)具備如下條件：容易通過細(xì)胞壁；容易從細(xì)胞膜上的電子受體獲取電子；電極反應(yīng)快；溶解度、穩(wěn)定性等要好；對微生物無毒；不能成為微生物的食料。一些有機(jī)物和金屬有機(jī)物可以用作微生物燃料電池的氧

8、化還原介體，其中，較為典型的是硫堇、Fe（）EDTA 和中性紅等。,14,Materials and methods,Design and operation of MFC 陰極、陽極室：500ml的玻璃瓶，側(cè)面開口（直徑0.8cm），由鹽橋（長8cm，直徑0.7cm）連接，置于室溫28左右。 電極：石墨棒（長4.5cm，直徑0.7cm） 電路：銅線連接兩個(gè)電極，電阻，萬用表等 菌種：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08 培養(yǎng)基：400ml 無菌MYG， MYG(Malt extract 1%, Yeast extract 0.4%, Glucose 1%

9、)，按10%的量接菌，陽極室通入氬氣排凈氧氣。 介體：methyl viologen (MV)-甲基紫羅堿和methylene blue (MB)-甲基藍(lán)， MV濃度，0.05，0.1，0.5mM；MB濃度，0.01，0.03，0.05，0.08mM. NaCl用來增加離子強(qiáng)度，濃度為100，25，10mM 鹽橋：2%的瓊脂和飽和KCl（37g/100ml）溶液 陰極：不斷通入氧氣。,15,Data capture and analysis 電壓和電流用萬用表測量 最大功率用公式計(jì)算： Pmax = Vmax I V代表最大開路電壓，電流為對應(yīng)值 功率密度用公式Pmax/A計(jì)算，A代表陽極的表

10、面積，電流密度用公式Imax/A計(jì)算。,16,結(jié)果和討論- MV不同濃度的實(shí)驗(yàn),圖一,MV做電子介體，濃度為0.1mM，最大電壓為0.4V。 之后改變濃度從0.1變?yōu)?.05和0.5，發(fā)現(xiàn)對最大電壓沒有影響。 但沒有檢測到電流。,17,MB不同濃度的實(shí)驗(yàn),圖二,濃度為0.05mM，有最大電壓為0.37V； 濃度為0.03mM時(shí)，最大電流為56.7uA；最大功率為19.2uW. 對應(yīng)的功率密度和電流密度為9.33mW/m2 和 27.59mA/m2 . （見下圖和表）,18,19,20,離子強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),然后用0.03mM的MB做下一步的實(shí)驗(yàn)。 Similarly, maximum power wa

11、s observed when 10mM NaCl concentration was used. 濃度為10mM時(shí)觀察到有最大功率。 A 100mM concentration slowed down the growth of the strain in the anode chamber。濃度為100mM時(shí)減慢了菌株生長。 25mM NaCl generated less power compared with 10mM NaCl。25mM時(shí)比100mM產(chǎn)電量要少。 No current was detected in the absence of salt in the medium.

12、沒有鹽存在時(shí)監(jiān)測不到電流。,21,This further corroborated the fact that the ionic strength of the media in the MFC affects the performance of the MFC.證實(shí)了離子強(qiáng)度可影響MFC的性能。 Addition of the salt probably increases the conductivity of the medium by decreasing the internal resistance; thus, higher current generation was o

13、bserved when salt was added in the medium. 可能通過減小內(nèi)阻增加導(dǎo)電性。,22,surface area of the salt bridge鹽橋表面積實(shí)驗(yàn),When the surface area of the salt bridge in contact with anode and cathode chambers was increased from 0.4 to 15.9 cm2,an almost proportionate increase in the maximum power generation was observed. 鹽橋

14、表面積從0.4增加到15.9cm2時(shí)，最大功率增加。 A relatively higher power density of 236mW/m2 and current density of 666.7 mA/m2 were seen. 電流密度和功率密度較高。 Increased surface area might have probably assisted in efficient transfer of the protons from the anode chamber to the cathode chamber, thus allowing the circuit to be

15、completed at a faster rate. 表面積增加可能有助于質(zhì)子的有效傳遞。,23,Conclusions 結(jié)論,Salt bridge MFC is the simplest biological fuel cell that can be designed and studied. 鹽橋MFC在設(shè)計(jì)和研究中是最簡單的生物燃料電池。 The performance of the MFC depends on the type of mediator, mediator concentration, ionic strength and surface area of the

16、cation exchanger in contact with the anode and cathode chamber. MFC的性能受很多因素的影響，諸如介體的類型、介體的濃度、離子強(qiáng)度等。 All these factors need to be optimized for maximizing the power generation in any type of MFC. 為了最大化產(chǎn)電，影響因素需要優(yōu)化。,24,問題與展望,生物燃料電池自身潛在的優(yōu)點(diǎn)使人們對它的發(fā)展前景看好，但要作為電源應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)與生活還比較遙遠(yuǎn)。 其主要原因是輸出功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。 制約生物燃料電池輸出功率密度的最大因素是電子傳遞過程。,25,盡管生物燃料電池經(jīng)數(shù)十