微生物燃料电池HAWKER叉车电瓶,霍克锂电池

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微生物燃料电池（MFCs）供应了从可生物降解的、恢复的化合物中坚持能量产生的新机遇。MFCs能够运用不同的碳水化合物，一同也能够运用废水中含有的各种复杂物质。关于它所涉及的能量代谢进程，以及细菌运用阳极作为电子受体的本质，现在都只需极其有限的信息；还没有树立关于其间电子传递机制的清楚理论。倘若要优化并无缺的开展MFCs的产能理论，这些知识都是有必要的。依据MFC作业的参数，细菌运用着不同的代谢通路。这也抉择了怎样选择特定的微生物及其对应的不同的功用。在此，我们将评论细菌是怎样运用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出的能力。对MFC技术的点评是在与现在其它的产能途径比较下作出的。

微生物燃料电池并不是新式的东西，运用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，而且运用微生物燃料电池处理家庭污水的幻想也于1991年结束。但是，通过进步能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际使用供应了或许的机遇。

MFCs将能够被生物降解的物质中可运用的能量直接转化成为电能。要抵达这一目的，只需求使细菌从运用它的天然电子传递受体，例如氧或许氮，转化为运用不溶性的受体，比方MFC的阳极。这一转化能够通过运用膜联组分或许可溶性电子络绎体来结束。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被恢复。与厌氧性消化作用比较，MFC能产生电流，而且生成了以二氧化碳为主的废气。

与现有的其它运用有机物产能的技术比较，MFCs具有操作上和功用上的优势。首要它将底物直接转化为电能，确保了具有高的能量转化功率。其次，不同于现有的一切生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有用运作。第三，MFC不需求进行废气处理，因为它所产生的废气的首要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再运用的能量。第四，MFCs不需求能量输入，因为仅需通风就能够被动的补充阴极气体。第五，在缺少电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛使用的潜力，一同也扩大了用来满意我们对能源需求的燃料的多样性。

微生物燃料电池中的代谢

为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径有必要要承认下来。除掉底物的影响之外，电池阳极的势能也将抉择细菌的代谢。添加MFC的电流会下降阳极电势，导致细菌将电子传递给更具恢复性的复合物。因此阳极电势将抉择细菌毕竟电子络绎的氧化恢复电势，一同也抉择了代谢的类型。依据阳极势能的不同能够区别一些不同的代谢途径：高氧化恢复氧化代谢，中氧化恢复到低氧化恢复的代谢，以及发酵。因此，现在报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严峻厌氧型的都有散布。

在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够运用呼吸链。电子及其相随同的质子传递需求通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研讨了这条通路的运用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所运用的MFC中，电子传递体系运用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不运用电子传递链的2号位点或许结束氧化酶。一般观察到，在MFCs的传递进程中需求运用氧化磷酸化作用，导致其能量转化功率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。

假设存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势下降，电子则易于堆积在这些组分上。当运用厌氧淤泥作为接种体时，能够重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未运用阳极。假设没有硫酸盐、硝酸盐或许其它电子受体的存在，假设阳极持续坚持低电势则发酵就成为此刻的首要代谢进程。例如，在葡萄糖的发酵进程中，涉及到的或许的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它标明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产品中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它一般运用这些电子产生氢气，氢化酶一般坐落膜的表面以便于与膜外的可活动的电子络绎体相接触，或许直接接触在电极上。同重复观察到的现象共同，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产品的微生物分归于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都现已从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵试验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰厚的氢气产生，这一现象也进一步的支撑和验证这一通路。

发酵的产品，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被比如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中攫取乙酸中的电子。

代谢途径的差异与已观测到的氧化恢复电势的数据一同，为我们一窥微生物电动力学供应了一个深化的窗口。一个在外部电阻很低的情况下工作的MFC，在刚开始在生物量堆集时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是关于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的成果。通过培养生长，它的代谢转化率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些习气低氧化的兼性厌氧微生物生长。但是此刻，专性厌氧型微生物仍然会遭到阳极仓内存在的氧化电势，一同也或许遭到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的情况。假设外部运用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只坚持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择习气低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的或许性被约束了。

MFC中的阳极电子传递机制

电子向电极的传递需求一个物理性的传递体系以结束电池外部的电子搬运。这一目的既能够通过运用可溶性的电子络绎体，也能够通过膜结合的电子络绎复合体。

氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体结束的。已知细菌运用这一通路的比方有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。抉择一个组分是否能发挥相似电子门控通道的首要要求在于，它的原子空间结构相位的易挨近性（即物理上能与电子供体和受体产生彼此作用）。门控的势能与阳极的高低联络则将抉择实际上是否能够运用这一门控（电子不能传递给一个更恢复的电极）。

MFCs中判定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶或许直接参与了电子向电极的搬运进程。最近，这一关于电子传递方法的幻想由McKinlay和Zeikus提出，但是它有必要结合可移动的氧化络绎体。它们展示了氢化酶在恢复细菌表面的中性红的进程中扮演了某一角色。

细菌能够运用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物搬运到电极的表面，一同随同着这一化合物的氧化。在许多研讨中，都向反应器中添加氧化型中心体比方中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验标明这些中心体的添加一般都是很要害的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中心体，通过两种途径：通过制造有机的、能够被可逆的恢复化合物（次级代谢物），和通过制造能够被氧化的代谢中心物（初级代谢物）。

第一种途径体现在许多种类的细菌中，例如糜烂谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研讨标明这些微生物的代谢中心物影响着MFCs的功用，甚至普遍搅扰了胞外电子的传递进程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中心体产生相关的基因，能够将产生的电流单独下降到本来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中心体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的进程中所运用。

通过第二种途径细菌能够制造恢复型的代谢中心体——但仍是需求运用初级代谢中心物——运用代谢中心物如Ha或许HgS作为前语。Schroder等运用E.coliK12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺维护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink宣告了运用Sulfurospirillumdeleyianum将硫恢复至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中心物。点评MFCs功用的参数

运用微生物燃料电池产生的功率巨细依赖于生物和电化学这两方面的进程。

底物转化的速率

遭到如下要素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌关于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜功率，以及MFC的总电势。

阳极的超极化

一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。

阴极的超极化

与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显着的电势丢掉。为了纠正这一点，一些研讨者们运用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血盐并不是被空气中的氧气彻底重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为前语。假设要抵达可持续情况，MFC阴极最好是开放性的阴极。

质子跨膜转运的功用

现在大部分的MFCs研讨都运用Nafion—质子转化膜（PEMs）。但是，Nafion—膜关于（生物）污染是很灵敏的，例如铵。而现在最好的成果来自于运用Ultrex阳离子交流膜。Liu等不用运用膜，而转用碳纸作为隔绝物。虽然这样做显着下降了MFC的内在电阻，但是，在有阳极电解液组分存在的情况下，这一类型的隔绝物会影响阴极电极的生长，而且关于阴极的催化剂具有毒性。而且现在尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极体系在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。

MFC的内在电阻

这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也抉择于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。关于最优化的工作条件，阳极和阴极需求尽或许的彼此挨近。虽然质子的搬迁会显着的影响与电阻相关的丢掉，但是充分的混合将使这些丢掉最小化。

功用的相关数据

在均匀阳极表面的功率和均匀MFC反应器容积单位的功率之间，存在着显着的差异。表2供应了现在为止报道过的与MFCs相关的最重要的的成果。大部分的研讨成果都以电极表面的mA/m以及mW/m2两种方法标明功率输出的值，是依据传统的催化燃料电池的描绘格局衍生而来的。其间后一种格局关于描绘化学燃料电池而言或许现已是充分的，但是MFCs与化学燃料电池具有本质上的差异，因为它所运用的催化剂（细菌）具有特别的条件要求，而且占有了反应器中特定的体积，因此削减了其间的自由空间和孔隙的巨细。每一个研讨都参照了以下参数的特定的组合：包括反应器容积、质子交流膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面。但仅从这一点动身要对这些数据作出横向比较很困难。从技术的视点来看，以阳极仓内容积（液体）所产生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的方法，作为反应器的功用比较的一个基准仍是有帮忙的。这一单位使我们能够横向比较一切测试过的反应器，而且不仅仅约束于已有的研讨，还能够拓宽到其它已知的生物转化技术。

此外，在反应器的库仑功率和能量功率之间也存在着显着的差异。库仑功率是依据底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来核算。能量功率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的联络并非总是明晰的。需求着重的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，比方电阻的调整。假设概括考虑这些参数的问题的话，有必要要承认是最大库仑功率（如关于废水处理）仍是最大能量功率（如关于小型电池）才是毕竟方针。现在观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有散布。

优化

生物优化提示我们应该选择适宜的细菌组合，以及促进细菌习气反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上抉择细菌增殖的速率，但是它并不抉择这一进程产生的毕竟结构。运用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为养分源，能够观察到通过三个月的微生物习气和选择之后，细菌在将底物转化为电流的速率上有7倍的添加。假设供应更大的阳极表面供细菌生长的话，添加会更快。

批处理体系使能够制造可溶性的氧化型中心体的微生物的堆集成为了或许。持续的体系性选择能构成生物被膜的种类，它们或许能够直接的生长在电极上，或许能够通过生物被膜的基质运用可移动的络绎分子来传递电子。

通过向批次处理的阳极中参与可溶性的氧化中心体也能抵达技术上的优化：MFCs中参与氧化型代谢中心体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中心体的选择到现在为止还仅仅是出于经验性的，而且一般只需低的中心体电势，在数值约为300mV或许恢复性更高的时分，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中心体，才能够使细菌关于电极而言具有足够高的流通速率，一同还需参看是以高库仑功率仍是以高能量功率为首要方针。

一些研讨作业者们现已开发了改进型的阳极资料，是通过将化学催化剂渗透进原始资料制成的。Park和Zeikus运用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而添加阳极的特别表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来下降了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。但是，这种方法存在一个显着的约束，细小的孔洞很简单被被细菌迅速阻塞。被堵截食物供应的细菌会去世，因此在它溶解前反而下降了电极的活化表面。总归，下降活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最首要要素。

IVIFC：支柱性中心技术

污物驱动的使用在于能够显着的移除扔掉的底物。现在，运用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需求消耗1kWh的能量。例如，日子污水的处理每立方米需求消耗0.5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需求消耗的能源约为30kWh。为了处理这一问题，需求开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一范畴中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器一般以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，而且具有（带有一个燃烧引擎作为转化器）35%的总电力功率，意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3。它的功率首要抉择于燃烧沼气时丢掉的能量。未来假设开展了比现有的能更有用的氧化沼气的化学染料电池的话，很或许能够获得更高的功率。

能够转化具有积极商场价值的某种定性底物的电池，比方葡萄糖，将以具有高能量功率作为首要方针。虽然MFCs的功率密度与比如甲醇驱动的FCs比较是适当低的，但是关于这项技术而言，以底物安全性为代表的多功用性是它的一个重要优势。

全面的看，作为一种参看，以高速率的厌氧消化方法从生物量中重获能量的本钱开销约为设备每百万瓦生产量花费100万瓦。后一数值也相同适用于通过传统的燃烧途径、风力涡轮机以及化学染料电池等方法运用化石燃料产能。因此这一方法也处于比赛之地。况且现在，微生物燃料电池没有抵达这一水准的功率输出。负荷速率为每天每立方米反应器0.1~10kg的化学需氧量时，能够认为实际上能抵达的功率输出在0.01~1.25kW/m3之间。但是，关于好氧的处理进程，观察到的生长速率为消耗每克有机底物产生0.4克生物量生成，而关于厌氧发酵产生沼气的进程这一速率理论上仅为0.077。依据MFC进程的本质，其产量应该介于这两种代谢类型之间。观察到的以葡萄糖饲喂的MFCs的生长速率在0.07~0.22之间。因为废水处理设备中淤泥处理的花费多达每吨干物质500，这一数量的削减关于该进程的经济平衡具有重要的提示意义。

有用的设计和操作能够发明一种技术途径，能够在多种范畴运用而不需求进行本质上的修正。除却经济方面，MFCs现已展示了支柱性的中心技术的姿态。它们在低的和适中的温度下能有用的产生能量并转化一系列的电子供体，甚至即便电子供体仅以低浓度存在。在这些方面现在还没有能够与之相媲美的其他已知技术。