微生物电池的原理与应用.ppt
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1、微生物燃料电池(微生物燃料电池(MFCMFC)微生物电池的原理与应用微生物电池的原理与应用l 相关概念l 发展历史l 运行原理l 产能原理及效率l 电池结构l 电池优势l 现状、应用及方向目录相关概念燃料电池(fuel cell):一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料电池(biofuel cell):利用酶或者微生物组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能的发电装置。MFC,英文全称为microbial fuel cell,是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。主要分为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组成,中间用质
2、子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区,阳极和阴极在同一个室内工作。发展历史1911,英国植物学家potter,开创;剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆;1970,生物燃料电池概念确定;1980后,生物燃料电池输出功率有较大提高2002,bond发现特殊微生物地杆菌;2006,美国bruce教授、byung(韩国)和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。运行原理PEM负载负载阳极室阳极室阴极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物有机物微生物微生物有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化,产生的电子被微生物捕获并生物氧化,产生的电
3、子被微生物捕获并传递给电池阳极,电子通过外电路到达传递给电池阳极,电子通过外电路到达阴极,从而形成回路产生电流,而质子阴极,从而形成回路产生电流,而质子通过质子交换膜到达阴极,与电子受体通过质子交换膜到达阴极,与电子受体(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示:应式如下所示:阳极反应:阳极反应:(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应:阴极反应:4e-O24H+2H2O 工作原理图示产能原理及效率MFC本质上是收获微生物代谢过程中生产的电子并引导电子产生电流的系统。MFC的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差。由
4、于MFC并非一个热机系统,避免了卡诺循环的热力学限制,因此,理论上MFC是化学能转变为电能最有效的装置,最大效率有可能接近100。电池结构从MFC的构成来看,阳极担负着微生物附着并传递电子的作用,可以说是决定MFC产电能力的重要因素,同时也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要的辅助工具。现在,MFC阳极主要是以碳为主要材料,包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。阳极是微生物氧化分解有机物的场所,所以微生物的量也就能影响产电量。因此阳极材料的选择主要就是考虑材料的比表面积。质子透过材料可以是盐桥,也可以是多孔的瓷隔膜,理想的材料是只允许质子透过,而基质、细菌和氧气等都被截留的微
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