微生物燃料电池简介

摘要：微生物燃料电池是一种新型的能源装置，具有污废弃物处理与同步产电的优点，应用范围广，具有巨大的潜在应用价值，本文对其做了一个简要的介绍。

关键词：微生物燃料电池 污水处理 产电

前言：微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置，兼具处理废水与产电的功能，从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1]；但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池，这种电池可为宇宙飞船提供电能，但其发电效率较低；到2004年，废水首次被用作MFC的燃料来发电，并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中，MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中，MFC的规模在逐步扩大。目前，实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升，产电功率已达到2.8kW m-3。近年来，对MFC的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。

一、 MFC的工作原理

一个典型的 MFC 共由四部分组成：阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂，以阳极液中的有机物质作为燃料，利用微生物降解生物质，从而产生电子，产生的电子到达阳极，由阳极转移到外电路，最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子，产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程，产生电能。当外电路接入负载时，MFC 产生的电能足够多时，MFC 便能够支持负载工作。

二、MFC的分类

根据分类标准的不同，MFC的分类方法有所不同。

（一）根据不同类型的微生物，MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。

（二）依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。

（三）根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。

（四）根据反应器外观上的不同可分为：双极室MFC和单室MFC。

三、MFC的特点

（一）原料较广泛：各种有机物，微生物的呼吸可以利用的代谢产物、光合作用的产物，甚至是污水都可以作为其燃料。

（二）工作条件比较温和：其利用微生物作为电池的催化剂，一般对操作条件的选择比较温和，微生物生长的环境一般为中性，在室温和常压的条件下，微生物可以稳定生长。

（三）较好的生物相容性：由于MFC可以利用糖类和氧气作为燃料，因此，可以把小型化的MFC植入人体，从而为人在器官的运行提供能量支持。

（四）无污染 5、无能量输入 6、高效的能量利用率

四、 MFC的应用领域

（一）有机废水发电与同步处理：与一般的化学燃料电池不同，因为微生物的代谢产物中含有各种酶，能够有效的催化和降解有机物，所以MFC的一个独特优势是能够在获得电能的同时降解有机污染物。

（二）MFC产氢：Liu[2]等人率先设计出了一种能够在阴极室产出氢气的MFC。产氢MFC在结构上和经典双室MFC几乎相同，只是将阴极的电子受体氧气换成了质子。阴极表面的质子和电子在铂等催化剂的催化下可直接生成氢气。

（三）生物传感器：MFC潜在的应用是对有机污染物浓度的在线监控[3]。能被微生物降解的有机物在MFC阳极室中的转化率或者电池电压和有机物浓度在一定的浓度范围内成线性相关。因此，可以根据测定的电信号推算出有机物的浓度，在有机废水处理中能够实现生化需氧量（BOD）的在线监测。

（四）特殊环境中的电源：产电细菌遍布自然界，容易筛选出，而且微生物在产电时同样具有良好的生物兼容性。因此，MFC可以为一些特殊的环境下的设备提供电能。MFC还可以为偏远地区的无线数据传输提供电源，或对太空站中废物循环利用等方面也有发展前景。此外，MFC还可为人体植入装置如心脏起搏器等提供电源。

五、MFC的发展方向

由于MFC自身拥有巨大的优点，因此MFC具有良好的发展前景，但是MFC要作为实际电源应用于生产与生活，还有许多的问题需要解决。比如与其他电池相比，MFC的输出功率密度较低，差距较大。另外，MFC所用的电极材料和催化剂的成本较高，因此其运行成本也相对也较高。如果解决了MFC成本较高和发电效率较低的问题，将会节省庞大的开支。因此，在MFC未来的研究过程中，我们有必要在开展以下几方面的工作：

（1）筛选活性较高的微生物作为阳极催化剂、选择对微生物无毒性、价格低廉，催化活性高的阴极催化剂。使MFC电流和功率密度得到进一步提高；

（2）对多个多个MFC进行串联，组建电池堆，提高电压和功率密度；

（3）对MFC电极及反应器进行优化。

结论

由于全球性的能源短缺问题和环境污染的为难题日益突出，MFC的潜能巨大。对于全世界任何国家来说，MFC具有的既能处理废水的又能发电的特性，无疑具有相当大的吸引力。因此，我国应该加大MFC研究的投入，以使其早日应用与生产和生活。

参考文献

[1] Potter M C. Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series B， Containing Papers of a Biological Character， 1911： 260-276.

[2] Liu H， Grot S， Logan B E. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate[J]. Environmental science & technology， 2005， 39（11）： 4317-4320.

[3] Kim B H， Chang I S， Gil G C， et al. Novel BOD （biological oxygen demand） sensor using mediator-less microbial fuel cell[J]. Biotechnology letters， 2003， 25（7）： 541-545.