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1、生物燃料電池的研究現(xiàn)狀與進展陳湛（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院市政工程系，內(nèi)蒙古呼和浩特010000）摘要：綜述了目前生物燃料電池的最新發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)介紹了微生物燃料電池（MFC）的基本原理、產(chǎn)電微生物、MFC常見結(jié)構(gòu)和電極材料優(yōu)化，以及酶生物燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理，并展望了生物燃料電池的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：生物燃料電池；微生物燃料電池；研究進展0.前言21世紀(jì)人類面臨的主要問題是不可再生能源的日益短缺、能源安全以及能源使用不當(dāng)所引起的環(huán)境等問題，而開發(fā)可再生能源就成為當(dāng)前的研究熱點。生物燃料電池（biofuelcell，BFC）是一種以自然界的微生物或酶為催化劑，直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能
2、的特殊燃料電池，其特點是能量轉(zhuǎn)化效率高、生物相容性好、原料來源廣泛，可以用多種天然有機物作為燃料，是一種真正意義上的可再生綠色電池，并有望在醫(yī)療、航空、環(huán)境治理等領(lǐng)域廣泛使用。根據(jù)所使用催化劑的不同，生物燃料電池可以分為直接使用酶的酶生物燃料電池（enzymaticbiofuelcell，EFC）和間接利用生物體內(nèi)酶的微生物燃料電池（microbialfuelcell，MFC）。微生物燃料電池中使用的催化劑實際上是微生物細(xì)胞中的酶，由于酶在細(xì)胞內(nèi)，所以整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高，電池壽命較長，大約可以達(dá)到5年，但是一般微生物燃料電池的電子在傳遞的過程中會因細(xì)胞阻礙的影響導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低。而
3、酶生物燃料電池因為消除了細(xì)胞內(nèi)外等因素的傳質(zhì)阻礙，所以大大提高了電子的轉(zhuǎn)移速率和電池的能量轉(zhuǎn)化率。但由于酶在生物體外活性比較難保持，穩(wěn)定性比較低，導(dǎo)致只能使部分燃料氧化，電池的壽命比較短。一般地，生物燃料電池類型不同，應(yīng)用的領(lǐng)域也會有所不同。本文主要介紹了微生物燃料電池及酶燃料電池的結(jié)構(gòu)及其在廢水處理、產(chǎn)電量等方面的最新研究進展。第1頁1.微生物燃料電池1.2基本原理通常MFC反應(yīng)器主要由3部分組成：陰陽電極、質(zhì)子交換膜和反應(yīng)室。以附著于陽極的微生物作為催化劑，以淀粉、糖類、醇類、半光氨酸、蛋白質(zhì)等有機質(zhì)物質(zhì)等為燃料，燃料在微生物的催化作用下產(chǎn)生電子和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子通過細(xì)胞膜相關(guān)組分或者
4、通過氧化還原介體傳遞給陽極，再經(jīng)過外電路到達(dá)陰極，由此產(chǎn)生外電流;質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜或直接通過電解質(zhì)到達(dá)陰極，在陰極得到電子被還原。1.3產(chǎn)電微生物在厭氧條件下氧化有機物并且把氧化過程中產(chǎn)生的電子傳遞到電極上產(chǎn)生電流，同時在電子傳遞過程中獲得能量生長繁殖的微生物叫產(chǎn)電微生物。1.3.1希瓦氏菌希瓦氏菌因其呼吸類型的多樣性而得到廣泛關(guān)注，以半胱氨酸為燃料產(chǎn)電，用16SrDNA序列分析技術(shù)對陽極微生物群落進行分析。結(jié)果顯示，希瓦菌在電極上高度富集，最大功率密度達(dá)到0.019W/m2。1.3.2假單胞菌以綠膿桿菌為陽極微生物，以鐵氰化鉀為陰極電子受體，功率密度達(dá)到3.1~4.2W/m2，研究表明
5、假單胞菌可以通過自身分泌物或代謝產(chǎn)物作為電子傳遞介體。1.3.3泥細(xì)菌泥細(xì)菌是一類重要的產(chǎn)電微生物。G.sulfurreducens是在單一底物的MFC中產(chǎn)電能力最高的菌種。到目前為止，已成為產(chǎn)電呼吸代謝研究的模式菌株是G.sulfurreducens，其全基因組序列的測序已經(jīng)完成，同時具有較好的遺傳信息背景。1.3.4混合菌群相對于純菌，混合菌具有阻抗環(huán)境沖擊能力強、利用基質(zhì)范圍廣、降解底物速率和能量輸出效率高的優(yōu)點。1.4電池結(jié)構(gòu)及電極材料的優(yōu)化1.4.1雙室型微生物燃料電池雙室MFC反應(yīng)器由一個陰極室和一個陽極室組成，中間由質(zhì)子交換膜（PEM）隔開。PEM的使用一方面將陽極室和陰極室
6、分隔開，傳遞質(zhì)子，阻止陰極室內(nèi)氧氣擴散到陽極室;另一方面增加了質(zhì)子擴散的阻力，增加了反應(yīng)器的成本。第2頁研制優(yōu)良的PEM膜對MFC的研究至關(guān)重要。研究表明，CEM膜的使用相對于AEM膜會導(dǎo)致pH梯度和溶液導(dǎo)電性的變化較大，并且在陰極上有鹽析出現(xiàn)。Rozendal等認(rèn)為通過膜把反應(yīng)器陰極和陽極隔離開，會造成陰極pH的上升，由此產(chǎn)生的pH梯度是電勢損失的主要原因。因此，改變電池結(jié)構(gòu)，省去昂貴的質(zhì)子交換膜，同時減小內(nèi)阻、增大功率輸出是當(dāng)前研究的重點。目前雙室型微生物燃料電池面臨的問題主要是成本高、體積大、操作復(fù)雜、溶解氧濃度偏低、輸出電壓難以提高等。因此，開發(fā)操作簡單、成本低、溶解氧濃度高、輸出
7、電壓高的雙室型微生物燃料電池是解決其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。另外開發(fā)更為簡便的單室型微生物燃料電池也可減少以上出現(xiàn)的問題。1.4.2單室MFC與雙室MFC反應(yīng)器顯著不同的是:①陰極和陽極在同一反應(yīng)室;②陰極和PEM直接壓在一起制成二合一電極，陰、陽極與膜壓制成三合一電極;③通過去除質(zhì)子交換膜減小反應(yīng)器的內(nèi)阻，能進一步提高MFC的電能輸出，降低了運行費用。單室MFC與雙室MFC相比:單室MFC的內(nèi)阻小于雙室MFC的內(nèi)阻，單室MFC
