Transcript 微生物燃料电池 王金玉 2007.12.26

微生物燃料电池
王金玉
2007.12.26
 微生物燃料电池的原理
 微生物燃料电池的最新研究进展
 相关文献
微生物燃料电池的原理

燃料在阳极室内，通过微生物的代谢被氧化，电子通过外电
路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物在催化
剂的作用下在阴极室内被还原。

分为：
直接微生物燃料电池
间接微生物燃料电池
直接微生物燃料电池原理

直接微生物燃料电池是指燃料直接在电极上被氧化，电子直
接由燃料转移到电极。
间接微生物燃料电池的原理

间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，而是在别处氧
化后，电子通过某种途径传递到电极上来。
微生物燃料电池的最新研究进展
1.与MEMS(microelectrom echanical system) 结合的微生
物燃料电池。


美国加州大学Berkerley分校机械工程系的lin出于对无污染
的汽车能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料电池。
其研究表明，微生物燃料电池完全可以做到更小的尺度。
lin 的燃料电池目前已能达到0.07cm2 面积大小，使用的燃
料为葡萄糖，催化剂为cerevisiae酵母。
这种微生物燃料电池的原型中有一个微小的空室，用于放
置进行发酵作用的微生物。葡萄糖溶液通过平行的流体槽
道进入到这个微小空室中。在微生物进行发酵的过程中，
产生氢质子和电子。
的实验中，在长达两个小时的过程中，
该微生物燃料电池产生了 300mV 的电压。
 这种微型生物燃料电池产生的电压，已足
以驱动MEMS（microelectrom echanical
system）器件，同时，微生物燃料电池产
生的只是二氧化碳和水分。
 这两种技术的融合，可能是未来微机械和
微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。
例如微型的自维持型医疗器械.
 Lin
2 .处理污水的微生物燃料电池



最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家Logan率领的一个
研发小组宣布他们研制出一种新型的微生物燃料电池。可以
把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
在发电能力方面，据洛根称在实验室里该设备能提供的电功
率可以驱动一台小电风扇。虽然目前产生的电流不大，但该
设备改进的空间很大。洛根的研发小组已经把该燃料电池的
发电能力提高到了350W 洛根希望这一数值最终能达到
500W～1000W.
等技术成熟后可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将
获得很大提高，洛根认为它可以提供 500KW 的稳定功率，
大约是300户家庭的用电功率.
3 . 吃肉的机器人（gastrobot）


是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。基于微生物燃料电池
（MFC）技术的吃肉机器人如下图所示的是一种吃肉机器人，它所依靠的正
是典型的微生物燃料电池技术，可将食物的能源转化为电流。
以葡萄糖溶液作为基础燃料，利用发酵来起作用。这种基于微生物燃料电池
的吃肉机器人，主要包括以下几个必要部件：生物催化剂，氧化还原反应的
中介物；一个阳离子交换隔膜；电极；阴极氧化反应物（例如图中的铁氰化
物ferricyanide）。
Electricity generation using
microbial fuel cells
利用微生物燃料电池发电的研究
Y. Mohan, S. Manoj Muthu Kumar, D. Das∗
Department of Biotechnology, Indian Institute of
Technology, Kharagpur 721302, India
Received 20 June 2007; accepted 9 July 2007
 背景知识和研究目的
 Mediator
type, concentration, pH and
sometimes even mixture of the three play an
important role in the anode potential fixing.
 微生物燃料电池的性能受很多因素的影响，
诸如介体的类型、介体的浓度、pH值等。

In this study, we have examined the effect of different
electron mediators, concentration of the mediator, ionic
strength of the medium and the surface area of the saltbridge in contact with the anode and cathode chambers on
the power generation in MFCs.
 目的：研究不同的电子介体、介体浓度、
介质中的离子强度和盐桥的表面积对微
生物燃料电池性能的影响。
介体介绍

氧化还原介体是电子传递的关键环节，充当介体应具备如下条件：①容
易通过细胞壁；②容易从细胞膜上的电子受体获取电子；③电极反应快；
④溶解度、稳定性等要好；⑤对微生物无毒；⑥不能成为微生物的食料。
一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化还原介体，其
中，较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA 和中性红等。
Materials and methods
Design and operation of MFC

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
阴极、阳极室：500ml的玻璃瓶，侧面开口（直径0.8cm），由盐桥（长
8cm，直径0.7cm）连接，置于室温28℃左右。
电极：石墨棒（长4.5cm，直径0.7cm）
电路：铜线连接两个电极，电阻，万用表等
菌种：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08
培养基：400ml 无菌MYG， MYG(Malt extract 1%, Yeast extract 0.4%,
Glucose 1%)，按10%的量接菌，阳极室通入氩气排净氧气。
介体：methyl viologen (MV)-甲基紫罗碱和methylene blue (MB)-甲基
蓝， MV浓度，0.05，0.1，0.5mM；MB浓度，0.01，0.03，0.05，0.08mM.
NaCl用来增加离子强度，浓度为100，25，10mM
盐桥：2%的琼脂和饱和KCl（37g/100ml）溶液
阴极：不断通入氧气。
 Data
capture and analysis
 电压和电流用万用表测量
 最大功率用公式计算：
Pmax = Vmax × I
 V代表最大开路电压，电流为对应值
 功率密度用公式Pmax/A计算，A代表阳极的表
面积，电流密度用公式Imax/A计算。
结果和讨论- MV不同浓度的实验

图一
MV做电子介体，浓度
为0.1mM，最大电压为
0.4V。
 之后改变浓度从0.1变
为0.05和0.5，发现对
最大电压没有影响。
 但没有检测到电流。

MB不同浓度的实验

图二
浓度为0.05mM，有最
大电压为0.37V；
 浓度为0.03mM时，最
大电流为56.7uA；最大
功率为19.2uW.
 对应的功率密度和电流
密度为9.33mW/m2 和
27.59mA/m2 .
（见下图和表）

离子强度实验

然后用0.03mM的MB做下一步的实验。

Similarly, maximum power was observed when 10mM NaCl
concentration was used.

浓度为10mM时观察到有最大功率。

A 100mM concentration slowed down the growth of the strain in
the anode chamber。浓度为100mM时减慢了菌株生长。
25mM NaCl generated less power compared with
10mM NaCl。25mM时比100mM产电量要少。
 No current was detected in the absence of salt in the
medium.没有盐存在时监测不到电流。

 This
further corroborated the fact that the ionic
strength of the media in the MFC affects the
performance of the MFC.证实了离子强度可影响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 observed when salt was added in
the medium. 可能通过减小内阻增加导电性。
surface area of the salt bridge
盐桥表面积实验


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. 盐桥表面积从0.4增加到15.9cm2时，最大功率增加。
A relatively higher power density of 236mW/m2 and current
density of 666.7 mA/m2 were seen.

电流密度和功率密度较高。

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 completed at a faster rate.

表面积增加可能有助于质子的有效传递。
Conclusions 结论
Salt bridge MFC is the simplest biological fuel cell that
can be designed and studied. 盐桥MFC在设计和研究
中是最简单的生物燃料电池。
 The performance of the MFC depends on the type of
mediator, mediator concentration, ionic strength and
surface area of the cation exchanger in contact with the
anode and cathode chamber.
 MFC的性能受很多因素的影响，诸如介体的类型、
介体的浓度、离子强度等。
 All these factors need to be optimized for maximizing
the power generation in any type of MFC.
 为了最大化产电，影响因素需要优化。

问题与展望
 生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的
发展前景看好，但要作为电源应用于实际生
产与生活还比较遥远。
 其主要原因是输出功率密度远远不能满足实
际要求。
 制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素
是电子传递过程。
 尽管生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥
远，燃料电池研究从上世纪90年代初又成为
热门领域，现在仍在升温阶段。几种燃料电
池已经处在商业化的前夜。
 另外，近20 年来生物技术的巨大发展，为生
物燃料电池研究提供了巨大的物质、知识和
技术储备。
 所以，生物燃料电池有望在不远的将来取得
重要进展。
 微生物燃料电池的发展任重道远！
 技术尚未成熟，我们仍需努力！
 谢谢大家！
The year of 2008 is coming…
祝大家在新的一年里
和气致祥，身体健康，
家庭康泰，万事如意！