2021/3/报告人：./3/生物燃料电池的发展史生物燃料电池概述酶燃料电池微生物燃料电池./3/年,英国植物学家用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物电池研究由此开始；40多年之后,美国空间科学研究促进了生物电池的发展，当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的生物燃料电池；从60年代后期到70年代，直接生物电池逐渐成为研究的中心。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物电池；80年代后，氧化还原介体()的广泛应用，相关的研究大多集中于阳极；./3/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/年，在(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/28cc./3/二、生物燃料电池概述1、什么是生物燃料电池生物燃料电池（）：依靠电极上的生物催化反应将化学燃料和氧化剂转化为电能。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；不会耗尽电源，不需要充电，只要提供足够的燃料和氧化剂就会产生持续的电流。./3/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，给负载提供能量阳极阴极阴极’’ox燃料氧化剂还原态燃料氧化态氧化剂负载二、生物燃料电池概述./3/二、生物燃料电池概述4、分类直接和间接生物燃料电池./3/底物产物直接电子传递条件：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。产物ox底物red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。•按电子传递的方式分./3/二、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，葡萄糖作燃料，均为生理介质中的有效浓度。./3/三、酶燃料电池1、分类第一类第二类电子传递方式非共轭共轭机理用酶使燃料氧化，以酶反应生成物进行电极反应用酶使燃料氧化时需要用辅酶，还原后辅酶参与电极反应举例尿素电池CO(NH（尿素酶催化）葡萄糖燃料电池阳极底物NH葡萄糖阴极催化剂./3/生物催化阳极2、组成酶：葡萄糖氧化酶，脱氢酶./3/、举例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阳极释放电子，氢离子通过下面的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氢离子穿过隔离器向阴极移动，一旦抵达阴极氢离子和电子就和氧结合产生水。阴极：O在这一过程电化学反应当中，电子穿过外部的线路产生电能。阳极阴极糖分解酶介质介质氧再生酶葡萄糖葡萄酸内酯./3/、举例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。酶与媒介体共固，采用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。./3/生理学条件动脉氧的分压游离氧浓度2.141*10-4mol/L静脉氧的分压游离氧浓度5.4*10-5mol/L葡萄糖浓度9mmol/-//LPO0.6mmol/LSO0.2mmol////LpH7.4./3/、存在问题–电池电流密度小今日网校，mAcm-2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./3/四、微生物燃料电池（MFC）1、概述微生物燃料电池(Cs)是一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。./3/四、微生物燃料电池（MFC）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)原,然后透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。MFC示意图./3/./3/./3/、微生物燃料电池组成部分及功能阳极：附着微生物燃料电池ppt，分解有机物，传递电子，决定MFC的产电能力。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。材料比表面积，混合菌种，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长。./3/、微生物燃料电池组成部分及功能阳极底物：通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底泥以及污水处理厂的厌氧活性污泥。
膜：常用质子交换膜PEM。要求：只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截留的微孔材料。 阴极：最理想的阴极电子受体应当是氧气，但氧气还原速度较慢，可加催化剂提高氧气的还原速度。 根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分为非生物阴 极和生物阴极。 . 2021/3/7 22 非生物阴极 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，铂电极昂贵、易使催化剂 中毒失效 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燃料电池ppt， 例如生物反硝化 缺点：产生的电流不稳定 分类： 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 . 2021/3/7 23 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 . 2021/3/7 24 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 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 . 2021/3/7 25 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 输出功率;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。
. 2021/3/7 26 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，影响着阴极反应速率，所以研究中通常采用铁氰酸盐来作为最终电子受体，以获得更大 的输出功率和电流。 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。 . 2021/3/7 27 5、MFC应用 ./3/7 28 6、MFC应用举例 阳极 NaAc 阴极 反硝化菌 Na ./3/7 29 7、MFC研究展望 MFC机构的研究与开发. 2021/3/7 30 能够为低能量微型装置提供能源预期目标
