生物燃料电池概述

1、biofuelcell生物燃料电池报告人：组员：主要内容www.themegallery,com生物燃料电池发展史歸臓麴卿翻ram嘶验'活废物为原料的生物舷料电池；心脏等人造器官电源府生物电池；舖與寡超蠶介体她皿）的广泛应用，相关、生物燃料电池发展史e.近年，开发无隔膜的生物电池;f.2007年8月，Sony公司宣布开发出一种新型的生物电池，这种电池通过使用生化酶作为催化剂，将碳水化合物（糖）转换为电能输出。开创了生物电池的新纪元。50mw/40ccg.2009年，在FCexpo（国际氢燃料电池展）上，Sony公司演示了喝“可乐”的生物电池，所发的电力带动与马达连接的风扇。70mw/2

2、8cc1、生物燃料电池概述1、什么是生物燃料电池°瞬礬跚臧強电极上的生物催化2、生物燃料电池的特点原料来源广泛;操作条件温和;生物相容性好;生物燃料电池结构比较简单;发电效率高，环境污染少；康蠶充电只要提供足够的燃料和氧化二、生物燃料电池概述3、生物燃料电池设计原负载燃料氧化剂还原态阳极OXCat®Catred燃料氧化态氧化剂Catted阴极图：生物燃料电池装置图在无隔膜装置中燃料在阳极被催化剂（Cat）氧化，氧化剂在阴极被催化剂（Cat）还原，给负载提供能量:、生物燃料电池概述4、分类按电子传递的方式分：-直接和间接生物燃料电池按电子传递的方式分酶和电极间直接电子传递过程

3、直接电子传递条件：电极表面和生物催化剂所覆盖的单向单层膜间紧密接触。缺点：电流和功率密度较小。酶和电极间的间接电子传递过程（有介体）使用生物催化剂立体膜，利用小分子的氧化还原剂作电子传递的媒介体，提高生物催化电极的输出功率。优点：使用介体可增加电子传递效率，有时可增加几个数量级。要求：介体有氧化态、还原态均稳定。1、生物燃料电池概述4、分类按催化反应的方式分:-微生物燃料电池：细胞的催化反应，优点：长期长生电流，缺点：输出功率密度低-酶燃料电池:优点：酶催化剂选择性好，在生理环境中具有活性，孤立酶相对容易固定可植入生物燃料电池的目标：微型、可移植、寿命长、低功率电源电池底物：游离氧作氧化剂，葡

4、萄糖作燃料，均为生理介质中的有效浓度。匚、酶燃料电池第一类第二类电子传递方式非共辘共轨机理用酶使燃料氧化，以酶反应生成畅进行电极反应用酶使燃料氧化时需要用霸施，还原后辅酶参与电极反应举例尿素电池CO(NH2)2+H2OCO2+2NH3(尿素酶催化)葡萄糖燃料电池阳极底物nh3葡萄糖阴极催化剂0202生物催化阳极2、组成酶:葡萄糖氧化酶,脱氢酶-底物：乙醇，乳酸酯、氢气、果糖、蔗糖，葡萄糖玻drogcnionH*)璃11纸厂疋Micity过程通过氧化酶的作用从葡萄糖中分解出来。阳极：葡萄糖-葡糖酸内酯+2H+2eenzymemediator週打;ITTfit氢离子穿过隔离器向阴极移动，一氧再扫匕

5、厂介质r阴极Ie|edron|e-|02h20旦抵达阴极氢离子和电子就和氧结合产生水。阴极：O2+2H+2e->H2O2在奁一过程电化学反血当中，电子穿过外部的线路产生电能。anodeelectronic)enzymesmedlat0r糖分显酶介质阳极释放电子，氢离子通过下面的GlucoieG比洒帧葡萄酸内酯生物电池包括一个由糖分解酶和介质组成的阳极，一个由氧再生酶和介质组成的阴极，这两端由玻璃纸分隔开。3、举例介体-二茂铁及其衍生物，钉和娥的聚毗腱基配合物。最常用二茂铁。如何提高介生物催化电极的信号输出：增加微米或或纳米结构的表面积。-多孔碳为基体负载葡萄糖氧化酶一酶与媒介体共固，采用

6、纳米电极表面和化学键合提高膜的稳定性，还可以选择设计适当的氧化还原介体用于媒介和固定。生理学条件动脉氧的分压95mmHg游离氧浓度2.141*10-4mol/L静脉氧的分压40mmHg游离氧浓度5.4*105mol/L葡萄糖浓度9mmol/LCI-136-145mmol/LHCO3-10mmol/LPO43-0.6mmol/Lso42-0.2mmol/LNa+132-134mmol/LK+4mmol/LCa2+2mmol/LMg2+1mmol/LpH7.44、存在问题-电池电流密度小，mA-cm2数量级-长期放置后使用的稳定性差5、解决方法-酶的固定化技术_化学修饰电极四、微生物燃料电池(MF

7、C)微生物燃料电池(microbialfullcells,MFCs)是一k种利用微生物将化学能直接转化为电能的装置.-生活和工业污废水中含有的丰富有机物就可以作为其原料来源，从中直接获取电能。因此，微生物燃料电池的研究已经成为治理和消除环境污染源，开发新型能源研究工作者的关注热点。四、微生物燃料电池(MFC)工2、工作原理微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外电路转移到阴极;在阴极区电子将电子受体(如氧)还原，然后透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。www.themegallery,comMFC示意图AnodeCathodeOxid

8、ationproductsindicateselectronsMEDIATOR(oxidised)MOROORGAN一SMReducedoxidantOxidantIonexchangemembraneMFC实物结构图www.themegallery,comwww.themegallery,com3、微生物燃料电池组成部分及功能删滤布M碳毡、A阳极：附着微生物，分解有机物，传递电子，决定MFC»产由微牛物Electricinong黑翩鶴鶴礬加流的微生物,-指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成C02,然后把氧化过产电微生物种类-奇蠶罷普通变形杆菌、枯草魏杆菌、梭状翘杆菌、嗜水3、微生

9、物燃料电池组成部分及功能常的通厂理底水极污阳及麟勰发酵液、河道的厌氧底泥以M:基疇的縣驕腑质子透过'而saswia：但氧气还原速»删册的种类可以将呎阴极分为g非生物阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素等优点：氧气作为唯一电子受体，廉价易得缺点：石墨电极需要加入催化剂，钳电极昂贵、易使催化剂中毒失效生物阴极优点：无需加入重金属催化材料和电子传递介质、不会引起催化剂中毒;利用某些特定微生物的代谢可以去除水中的多种污染物,例如生物反硝化缺点：产生的电流不稳定分类：；r=好氧型生物阴极eg：长满生物膜的不锈钢阴极厌氧型生物阴极eg:厌氧条件下，如硝酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳4、

10、微生物燃料电池的影响因素-目前,主要以输出功率作为衡量微生物燃料电池性能优劣的重要标准。输出功率的大小主要取决于电子在微生物和电极之间的转移效率、电极表面积、电解液（阳极液和阴极液以及PEM）的电阻和阴极区的反应动力学等因素。动力学因素内阻因素传递因素4、微生物燃料电池的影响因素动力学因素选择产电效率高的菌种选择厌氧好氧混合污泥作为菌种来源,葡萄糖为燃料的电池，经3个月的微生物培养和驯化后，电能转化率达到了初期的8倍不同菌种复合培养通过选择适合的不同菌种进行复合培养,使之在电池中建立这种所谓的共生互利作用,也可获得较高的输出功率，某些菌种可将其它菌种的生成物质作为介体物质。增大阳极表面积这样伴

11、随着微生物的生长，会在阳极表面生成更大面积的生物膜，电能转化率也会随之快速提高4、微生物燃料电池的影响因素内阻因素（内阻微降显著提高输出功率）PEM对系统内阻的影响若PEM面积小于电极面积，会增加电池的内阻，从而限制电池的输岀功率;如果PEM表面积足够大PEM对功率的影响可以忽略不计，即PEM对内阻的影响接近为零。PEM和电极的空间距离对系统内阻的影响阳极和阴极越接近越对内阻降低有利。电极间距离、电极表面积对系统内阻的影响电极间距离远，内阻大。4、微生物燃料电池的影响因素传递因素反应物到微生物活性位点间的传质阻力阴极区电子最终受体的扩散速率-氧在水中的溶解度较低，传质速率较小，影响着阴极反应速

12、率，所以研究中通常采用铁氧酸盐来作为最终电子受体，以获得更大的输岀功率和电流。-另外，反应器搅拌情况、微生物的最大生长率、微生物对底物的亲和力、生物量负荷、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响。生物传感器生物修复废水处理提供电能6、MFC应用举例Vol31,NogAlag.2010第31卷第8期2010年8月坏境科学ENVIRONMENTALSCTEKCE双筒型微生物燃料电池生物阴极反硝化研究梁鹏X张玲X黄霞旷，范明志曹效鑫'（1清华大学坏境科学与工程系巧境接拟与污染控制国家重点实歿室北京100084:2.塑庆工戏大学坏境与生物工程学院，生庆40867）阳极室盖板出水口7阴极室盖板z周宦框一进术強一阳离于腔阴檢室MFC阳极NaAc阴极反硝化Na2CO3NaNO3图I主物阴槻双筒型MFCDiagramofthehiorathodeofthetwo-columTiar7、MFC研究展望-非贵金属催化剂-阴阳极材料的优化-质子交换膜的改善-微生物的筛选和培育生物膜固化技术-MFC机构的研究与开发预期目标具有较高功率密度和工作电压能够为低能量微型装置提供能源现阶段研究情况A电池的输出功率密度从最初的yW/cm2级到mW/cm2级,工作电压从数十毫伏到05V左右。A优化目标：实现催化剂的直接电子传递，并