微生物燃料电池的结构.pptx
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1、第第2 2章章 微生物燃料电微生物燃料电池结构池结构李永峰李永峰 教授教授目录目录间接间接间接间接MFCMFC和直接和直接和直接和直接MFCMFC微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述五种结构不同的五种结构不同的五种结构不同的五种结构不同的MFCMFC不同阴极不同阴极不同阴极不同阴极MFCMFC1 12 23 34 42.12.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l虽然同时满足功率、效率、稳定性和寿命要求的反应器仍在设虽然同时满足功率、效率、稳定性和寿命要求的反应器仍在设计中,但我们现在已经知道将计中,但我们现在已经知道将石墨刷电极和
2、管状浸入式阴极石墨刷电极和管状浸入式阴极共共同使用能提高性能而且具有经济性。然而到目前为止,这种反同使用能提高性能而且具有经济性。然而到目前为止,这种反应器尚未在中试和大规模实验中使用。因此,未来最终应用在应器尚未在中试和大规模实验中使用。因此,未来最终应用在大型系统中的材料和最终的大型系统中的材料和最终的MFC设计仍是未经验证的。设计仍是未经验证的。设计设计材料材料很多种材料已经在很多种材料已经在MFC中得到中得到应用,但这些材料是被如何加应用,但这些材料是被如何加工、安装并应用到最终的系统工、安装并应用到最终的系统中,即反应器构型,最终都会中,即反应器构型,最终都会决定系统在功率输出、库仑
3、效决定系统在功率输出、库仑效率、稳定性以及使用寿命上有率、稳定性以及使用寿命上有什么样的表现什么样的表现一一个好的设计不仅要具有个好的设计不仅要具有高功率、高库仑效率,而且高功率、高库仑效率,而且要保证原料提供的经济性和要保证原料提供的经济性和实际应用于大型系统时工艺实际应用于大型系统时工艺的经济性的经济性2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l微生物燃料电池有很多种分类方法,按电池的组装结构、微生物燃料电池有很多种分类方法,按电池的组装结构、电子转移方式的不同、是否使用质子交换膜及微生物特点电子转移方式的不同、是否使用质子交换膜及微生物特点可以有多种分类方式:可以有多种分类方式:
4、l从电池的组装和结构上可以将微生物燃料电池分从电池的组装和结构上可以将微生物燃料电池分为单室型,双室型和为单室型,双室型和“三合一三合一”型型MFC。PEM电电极极负载电负载电阻阻电极电极阳极阳极电极电极阴极阴极V图图2.2.2 典型双室典型双室MFC结构示意图结构示意图双室双室MFC的最大特点就是在阳极和阴极之间使用的最大特点就是在阳极和阴极之间使用了膜(了膜(PEM),因此根据这一原理和特征,可以),因此根据这一原理和特征,可以设计出各种不同形式的设计出各种不同形式的MFC反应器。两室型反应器。两室型MFC又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等2.1微
5、生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l单室单室MFCMFC的阴极和阳极在同一反应室,阴极和的阴极和阳极在同一反应室,阴极和PEMPEM直接压在一起。直接压在一起。l单室单室MFCMFC的优点的优点是阳极和阴极距离较近,阴极传质速率得到了提高,是阳极和阴极距离较近,阴极传质速率得到了提高,因无需曝气而降低了运行费用,占地小,结构简单,可以通过去除质因无需曝气而降低了运行费用,占地小,结构简单,可以通过去除质子交换膜而进一步提高子交换膜而进一步提高MFCMFC的电能输出。的电能输出。l“三合一三合一”型型MFCMFC是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一
6、起的新型微生物燃料电池,它可以在较大程度上降低起的新型微生物燃料电池,它可以在较大程度上降低MFCMFC的内阻,提的内阻,提高高MFCMFC的输出功率。的输出功率。l研究者实验结果表明,研究者实验结果表明,“三合一三合一”型型MFCMFC的内阻仅为的内阻仅为1030 1030,远远,远远低于其他形式的低于其他形式的MFCMFC,最大输出功率密度可以达到,最大输出功率密度可以达到300mWm300mWm-2-2。2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述按按MFC的阴的阴极是否具有生极是否具有生物活性分类根物活性分类根据阴极是否具据阴极是否具有生物活性,有生物活性,MFC可划分为可划分为
7、两大类:两大类:生物型阴极生物型阴极的优点:以微生物取代金属催的优点:以微生物取代金属催化剂,可以显著降低化剂,可以显著降低MFC建造成本;生物建造成本;生物阴极能够避免出现催化剂污染等现象,增阴极能够避免出现催化剂污染等现象,增加了加了MFC运行稳定性;利用微生物的代谢运行稳定性;利用微生物的代谢作用可以去除水中的多种污染物作用可以去除水中的多种污染物非生物阴极型非生物阴极型MFC:利用化学催化剂完利用化学催化剂完成电子向最终电子受体的传递。目前,成电子向最终电子受体的传递。目前,使用最广泛的催化剂是使用最广泛的催化剂是Pt2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述间接微生物间接微生
8、物燃料电池燃料电池直接微生物直接微生物燃料电池燃料电池阳极侧燃料在电阳极侧燃料在电解液中或其它地解液中或其它地方反应并释放出方反应并释放出电子,释放出的电子,释放出的电子则由氧化还电子则由氧化还原介体运载传递原介体运载传递到电极表面上,到电极表面上,实现电子的转移实现电子的转移燃料则在阳极表燃料则在阳极表面微生物细胞内面微生物细胞内直接氧化,产生直接氧化,产生的电子直接转移的电子直接转移到电极上,不需到电极上,不需要添加任何的电要添加任何的电子介体子介体按阳极侧电子转移按阳极侧电子转移方式的不同,微生物方式的不同,微生物燃料电池可分为燃料电池可分为两种两种2.2 五种结构不同的五种结构不同的M
9、FC上流式上流式MFC双室双室H型型MFC平板式平板式MFC双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池串联型串联型MFC1.上流式上流式MFCl上流式上流式MFCMFC由由UASBUASB反应器改造得反应器改造得来(如图来(如图2.32.3所示),结合所示),结合UASBUASB与与MFCMFC的优点发展形成。的优点发展形成。l升流式升流式MFC(UAMFC)MFC(UAMFC)结构简单、结构简单、体积负荷高、可以使培养液与体积负荷高、可以使培养液与微生物充分混合,更适合与污微生物充分混合,更适合与污水处理工艺偶联。水处理工艺偶联。图图2.32.3 上流式上流式MFC图图1.上流式上流式MFC优
10、点优点缺点缺点(1)由于使用无膜空气阴)由于使用无膜空气阴极,空气能够以很高的速极,空气能够以很高的速率向阳极内扩散,导致库率向阳极内扩散,导致库仑效率有所降低;(仑效率有所降低;(2)阴)阴极表面负载昂贵的极表面负载昂贵的Pt作为作为催化剂来催化氧气的电化催化剂来催化氧气的电化学还原,增加了系统的总学还原,增加了系统的总造价;(造价;(3)一旦长期运行,)一旦长期运行,阴极表面会生长微生物,阴极表面会生长微生物,导致电池的功率衰减和内导致电池的功率衰减和内阻增加阻增加(1 1)使用活性碳颗粒作为)使用活性碳颗粒作为阳极,不仅增大了生物膜的阳极,不仅增大了生物膜的附着面积,提高生物量,还附着面
11、积,提高生物量,还大大降低了材料造价;(大大降低了材料造价;(2 2)阴极面积大,降低了反应的阴极面积大,降低了反应的过电位;(过电位;(3 3)阳极和阴极之)阳极和阴极之间用筛网分隔,阴极裹在阳间用筛网分隔,阴极裹在阳极周围,阳极和阴极之间的极周围,阳极和阴极之间的距离达到最小,电池内阻降距离达到最小,电池内阻降到最低;(到最低;(4 4)在运行过程中,)在运行过程中,采用连续升流式操作,更适采用连续升流式操作,更适合废水处理。合废水处理。实际上,实际上,UAMFC和传统的和传统的MFC相比,更适合废水处理的实际相比,更适合废水处理的实际应用。应用。UAMFC在设计上有别于已报道的在设计上有
12、别于已报道的MFC,其优,其优缺点为缺点为:2.双室双室H型型MFClH H型型MFCMFC是当前研究中使用是当前研究中使用最多的形式,早期的大多最多的形式,早期的大多数数MFCMFC研究是在双室研究是在双室H H型型MFCMFC反应器中开展的。由于该反应器中开展的。由于该种反应器大多由中间夹有种反应器大多由中间夹有阳离子交换膜的两个带有阳离子交换膜的两个带有单臂的玻璃瓶组成,外观单臂的玻璃瓶组成,外观上很像字母上很像字母“H”H”,因此又,因此又被形象的成为被形象的成为“H H型型”MFCMFC(图(图2.42.4)。)。图图2.42.4 双室双室H型型MFC图图2.双室双室H型型MFCl双
13、室双室H H型型MFCMFC由阳极室和阴极室两个极室构成,中由阳极室和阴极室两个极室构成,中间由阳离子交换膜隔开,保证了阳极电子供体和间由阳离子交换膜隔开,保证了阳极电子供体和阴极电子受体在空间上的独立性。阴极电子受体在空间上的独立性。l由于双室由于双室MFCMFC的密闭性较好,抗生物污染的能力较的密闭性较好,抗生物污染的能力较强,因此产电菌的分离及其性能测试的实验通常强,因此产电菌的分离及其性能测试的实验通常在双室在双室MFCMFC中进行。中进行。l 优点优点是容易组装,甚至使用矿泉水瓶都可以组是容易组装,甚至使用矿泉水瓶都可以组装简易的反应器。装简易的反应器。l 不足不足是隔膜带来的内阻以
14、及电子受体是隔膜带来的内阻以及电子受体3.平板式平板式MFC(1)(1)整体结构设计整体结构设计(2)(2)流场结构型式设计流场结构型式设计将阴阳极和质子交换膜压在一起,并将其平放,可以将阴阳极和质子交换膜压在一起,并将其平放,可以使菌由于重力作用富集于阳极上,而且阴阳极间只有使菌由于重力作用富集于阳极上,而且阴阳极间只有质子交换膜,可以减少内电阻,从而增大输出功率质子交换膜,可以减少内电阻,从而增大输出功率流场板起着进料导流,均匀分配反应物及收集电流场板起着进料导流,均匀分配反应物及收集电流的重要功用流的重要功用,常用的流场型式有平行流场,蛇形常用的流场型式有平行流场,蛇形流场,交指形流场等
15、流场,交指形流场等4.双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池图图2.62.6双筒型双筒型 MFC 示意示意1.进水进水 2.出水出水 3.阴极阴极 4.质子交换膜质子交换膜 5.阳极阳极 6循环泵循环泵 7曝气系曝气系统统 8.可变电阻可变电阻 9.数据采集系统数据采集系统由圆筒形紧紧包围阳极由圆筒形紧紧包围阳极的隔膜和外层阴极室构的隔膜和外层阴极室构成。这种设计极大地缩成。这种设计极大地缩小了两极间距、增大了小了两极间距、增大了质子交换膜面积,因此质子交换膜面积,因此内阻只有内阻只有4 4.双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池l填料型填料型MFCMFC可以增大可以增大MFCMFC产电能
16、力,而以筒状质子膜作产电能力,而以筒状质子膜作为增大为增大MFCMFC内电流通道可以有效降低内电流通道可以有效降低MFCMFC的内阻,所以的内阻,所以又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。表表2-1 2-1 种填料型种填料型 MFC MFC 结构及产电比较结构及产电比较项目项目 双筒型双筒型 填料型填料型内阻内阻/38 84/38 84质子膜密度质子膜密度/cm/cm-1-1 0.378 0.037 9 0.378 0.037 9质子膜面积质子膜面积/cm/cm2 2 148 29 148 29反应器体积反应器体积/mL 380 770/mL 38
17、0 770体积功率密度体积功率密度/mWm/mWm-3-3 6253 644 6253 644面积功率密度面积功率密度mWmmWm-2-2 161 170 161 1705.串联型串联型MFCl单个燃料电池产生的电量单个燃料电池产生的电量非常小,所以有些研究人非常小,所以有些研究人员已经尝试用多个独立的员已经尝试用多个独立的燃料电池串联起来可以提燃料电池串联起来可以提高产电量。高产电量。lAeltermanAelterman等人将等人将6 6个完全个完全相同的相同的MFCMFC通过串联或并联通过串联或并联的方式组合在一起(见图的方式组合在一起(见图2.72.7)底物消耗不均可能是导致电池电压逆
18、转的主要原因。底物消耗不均可能是导致电池电压逆转的主要原因。微生物系统波动频繁,对产电有负面影响,可用二极管微生物系统波动频繁,对产电有负面影响,可用二极管减少反向电荷,避免电压逆转。减少反向电荷,避免电压逆转。2.3.1 2.3.1 间接间接MFCMFCl制约生物燃料电池输出功制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素率密度的最大因素是电子是电子传递过程。由于代谢产生传递过程。由于代谢产生的还原性物质被微生物的的还原性物质被微生物的膜与外界隔离,从而导致膜与外界隔离,从而导致微生物与电极之间的电子微生物与电极之间的电子传递通道受阻传递通道受阻l电子传递过程中添加介体,电子传递过程中添加介体,穿过
19、封闭空间的薄膜进入穿过封闭空间的薄膜进入容器,把自由电子传输到容器,把自由电子传输到阳极(结构如图阳极(结构如图2.82.8所示)所示)图图 2.82.8间接生物燃料电池工作原理间接生物燃料电池工作原理2.3.1 2.3.1 间接间接MFCMFC间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池另一种是另一种是生物化学生物化学方法生产燃料方法生产燃料(如如发酵法生产氢、乙发酵法生产氢、乙醉等醉等),再用这些,再用这些燃料供应给普通燃燃料供应给普通燃料电池料电池一种是电池中的燃一种是电池中的燃料被氧化后,产生料被氧化后,产生的电子要通过某种的电子要通过某种途径传递到电极上途径传递到电极上来来氧化还原介体应具备
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