生物燃料电池底稿ppt.ppt

生物燃料电池中若干关键问题,重点微生物燃料电池少提一下酶生物燃料电池）,一项目相关理论依据及概念,生物燃料电池主要分为微生物和酶生物燃料电池两类，而污染的海水中富含微生物和少量酶生物，所以我考虑用污染的海水来做生物燃料电池的发电来源。以下介绍相关理论依据,生物燃料电池,1.概念燃料电池（fuelcell）一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料电池（biofuelcell）利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。MFC，英文全称为microbialfuelcell，是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。主要分为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组成，中间用质子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区，阳极和阴极在同一个室内工作。,生物燃料电池,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,生物燃料电池,3.分类工作方式酶生物燃料电池和微生物燃料电池电子转移直接生物燃料电池和间接生物燃料电池,生物燃料电池,几个概念酶生物燃料电池先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的还原；微生物燃料电池指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递。直接生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的反应；间接生物燃料电池燃料不在电极上反应，而在电解液中或其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。,有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示阳极反应CH2On＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH阴极反应4e-＋O2＋4H2H2O,微生物燃料电池（MFC）的基本工作原理,,,,图1.生物燃料电池工作原理,,生物燃料电池,4.发展简史1911，英国植物学家potter，开创；剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；1970，生物燃料电池概念确定；1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高2002，bond发现特殊微生物地杆菌；2006，美国bruce教授、byung韩国）和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。,二项目的研究内容,研究目标，以及拟解决的关键问题,项目研究内容用污染的海水来进行生物燃料电池的发电项目研究目标找出一种工艺或设备来用污染的海水进行生物燃料电池的发电拟解决的关键问题重点是解决发电效率低下，还有发电过程中内阻提高及传输过程中制约问题以下是研究的相关重点及难点,生物燃料电池,1.产电微生物菌种的选择Electricigens指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成co2，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。产电微生物种类大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等，从中选择产电效率高且可以建立互利共生关系的菌种,生物燃料电池,间接MFC需要外源中间体参与代谢，产生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等；直接MFC代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原红螺菌等；,生物燃料电池,2.微生物驯化MFC研究菌种大多单一菌种，来自菌种库或天然环境的混合菌；研究热点驯化过程、底物性质与电池性能、优势微生物鉴定；常规做法厌氧条件，直接用天然厌氧环境中的污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种，将外电路连通后观察各种性能的变化，定期更换培养液直到MFC性能稳定。,生物燃料电池,3.电子传递（三种形式）细胞膜直接传递电子其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。由中间体传递电子氧化态中间体还原态中间体排除体外电极表面被氧化,,,,生物燃料电池,电子传递机理1）细胞通过其细胞膜外侧的细胞色素C将呼吸链中的电子直接传递到阳极，如异化还原铁地杆菌、铁还原红螺菌等；2）细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线（nanowire）。,生物燃料电池,微生物燃料电池结构及改进,,,微生物燃料电池组成,生物燃料电池,酶生物燃料电池,微生物燃料电池和酶燃料电池的比较parameter微生物燃料电池酶燃料电池催化剂微生物酶使用寿命长短氧化能力完全氧化不完全氧化能量浓度低高成本高低膜表面分离器需要不需要,,生物燃料电池,生物酶燃料电池的最新研究进展其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极，中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电池采用导电聚合物作为酶固定材料第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是蛋白质，在缓冲液当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中，可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH还有生物可容性的环境，防止其变性,生物燃料电池,利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极,三、拟采取的研究方案、技术路线及可行性分析,1拟采取的研究方案及技术路线针对微生物和酶生物燃料电池中的各自的关键问题分别提出研究方案再各自逐一解决问题。主要是解决问题的先后顺序可能对生物燃料电池发电效率的影响比较大，需要不断摸索顺序使效率最大化大。以下是微生物和酶生物燃料电池的关键问题及解决路线,生物燃料电池,多酶混合电极示意图,生物燃料电池,微生物燃料电池的关键问题动力学问题解决途径1）选择产电效率高的菌种；2）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关系，以获得较高的输出功率；3）增大阳极的表面积。,生物燃料电池,内阻问题内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要作用。1）PEM对内阻的影响2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响,生物燃料电池,传递问题反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解度低。设计空气阴极微生物燃料电池是重要发展方向。,生物燃料电池,酶生物解决方案1、三维电极构造为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定和高负荷密度，也提供了大孔以支持液态燃料的传送，多向的结构提供了更大的表面积和通透性。最近已经开始探索利用壳聚糖聚合物材料有希望用来控制维度和方向性。,生物燃料电池,酶生物燃料电池的关键问题----效率三个技术难点1生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题。2成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。3阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率至关重要。,生物燃料电池,2、用于酶燃料电池电极的多酶阳极多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃料电池可使用燃料的范围,提高了输出电流或电压,具有单酶电极难以达到的性能。我们可以将这些代谢路径的多级酶固定在电极的表面或者三维的截留聚合体。目前，我们尝试将多级酶联固定在一个特定空间结构的电极表面，这是为了减少传送过程的限制，将酶固定下来有利于在环境中保护酶。,生物燃料电池,电池结构双室MFCs和单室MFCsMFCs从结构上分为双室MFCs和单室MFCs。典型的双室MFCs包括阳极室和阴极室,中间由PEM或盐桥连接。单室MFCs从电极构型上分为三类阴阳极与膜压制成“三合一”电极、阴极与膜压制成“二合一”电极、无质子交换膜或加入多孔膜;从外形上又分为平板型和管型。单室MFCs通常直接以空气中的氧气作为氧化剂,无需曝气,因而具有结构简单和成本低的优点,更适于规模化。,生物燃料电池,填料式MFCs管状ACMFCs在构型上和操作方式上与污水处理设备中的生物滤池颇为相似;填料型MFCs类似于流化床反应器。质子交换膜PEMPEM对电池产电性能影响也很大。在双室MFCs中,PEM的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。,生物燃料电池,PEM用于单室MFCs在单室MFCs中,一般采用“二合一”电极,即将PEM热压在阴极内侧。但有学者认为不用PEM时电池的产电效果更好。无膜时,质子由阳极到阴极的传递速率加快,即电池内阻降低使得电池功率升高。另外,CE下降是因为去除PEM后,氧气易扩散至阳极区,消耗了电子。,生物燃料电池,多级串联MFC,生物燃料电池,有介体的微生物燃料电池合适的中间介体中间介体具备条件1）容易与生物催化剂及电极发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；3）介体的氧化还原电对有较大的负电势，使电池两级有较大电压；4）有适当极性以保证能溶于水且易通过微生物膜或被酶吸附；5）对微生物无毒，且不能被微生物利用。,生物燃料电池,无介体的微生物燃料电池概念在无电子传递中间存在的条件下，直接将电子传递给电极，在闭合回路下产生电流，该类电池称为无介体微生物燃料电池或直接微生物燃料电池。从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。,阳极材料,一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。1.对材料的改性Zeikus等[1]报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度,然后用AQDS、NQ、Mn2、Ni2、Fe3O4、Ni2来改性石墨作为阳极。结果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨的115～212倍。Zhang等[2]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯PTFE作为MFC的阳极,研究表明,PTFE的含量影响了MFC的电流产生,质量分数为30的PTFE可以获得的最大功率为760mW/m2。,,Cheng等将用氨气预处理过的碳布作为MFC的阳极,结果表明,预处理过的碳布产生的功率为1640mW/m2,要大于未预处理过的功率,并且MFC的启动时间缩短了50。2.加入其他催化剂Qiao等报道了用碳纳米管/聚苯胺CNT/PANI作为MFC阳极。Kargi等用铜和铜-金导线来代替石墨电极作为MFC的阳极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。Rosenbaum等研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。,,阴极材料研究,阴极材料大多使用载铂碳材料,但是由于Pt的价格比较昂贵限制其商业化应用。因此需要寻找廉价的可替代阴极铂催化剂。有报道给出了掺Fe3的石墨和沉积了氧化锰的多孔石墨作为阴极材料。,,2项目可行性研究,（一）必要性（1）煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竟有限。因此，人们终将面临能源危机的一天。二当然，人们可以从许多方面获取能源。例如太阳能就是一个巨大的能源。此外像地热、水力、原子核裂变都可以放出大量的热能。在这方面，微生物也不甘落后。试验研究表明，利用生物发电，向人们展示出美好的前景。,（二）原理可行性研究生物燃料电池的电子传递机理在微生物将电子传递到电池阳极的过程中，电子传递主要有三种方法（1）使用外来的介体，例如钾、含Fe3化合物、氰化物、硫堇、中性红等；（2）使用微生物产生的介体；（3）靠呼吸酶作用直接转移电子到电极。所以，有介体的MFC中微生物传输电子可以使用外来的介体，也可以使用微生物产生的介体；而无介体的MFC则是依靠微生物自身的呼吸酶作用将电子直接转移到电极上。生物燃料电池的组成典型的微生物燃料电池是由阳极、阴极和质子交换膜三个部分组成的。,（三）扩大生产的技术可行性研究扩大生产的工艺流程斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→一级发酵罐→二级发酵罐→三级发酵罐→分离菌种→电池装配,四、本项目的特色与创新之处,项目的特色生物燃料电池中通入污染的海水，这样不仅能够产生更多的电能，如果试验成功，该系统就可以同时产生能量、处理污水并淡化海水，可谓一箭三雕。项目的创新之处研究一种工艺同时利用微生物及酶生物燃料电池。,与现有的其它利用有机物产能的技术相比，生物燃料电池具有操作上和功能上的优势1、首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；2、其次，不同于现有的所有生物能处理，生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；3、生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；4、生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；5、在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。,五、研究计划及预期研究结果,（1）项目研究计划1、查阅相关资料，请教相关专家，确定实验顺序；2、首先是多种不同产电效率高的菌种互利共生关系的建立及选择；3、PEM及其相关因素（PEM对内阻的影响、PEM和电极的空间距离对内阻的影响、电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响）对内阻的影响；4、反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率的测定与选择，还有进入工艺流程前首先要提高海水中的溶氧度；5、找到具有多维和多向的孔结构多层面的三维电极，以及电极的材料选择；6、找到适合的酶燃料电池电极的多酶阳极；7、要对工艺顺序进行合适的调整以提高产电效率；,（2）预期研究结果1、研究一种工艺流程同时利用污染海水中的微生物及酶生物来进行生物燃料发电。2、撰写结题报告，总结相关经验并发表相关学术论文数篇,生物燃料电池,六、生物燃料电池的应用在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面①替代能源;②传感器;③污水处理新技术;④利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌的富集。替代能源，生物质能因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化，机器人、汽车、医疗方面应用潜力广泛。,生物燃料电池,微生物传感器的发展，广泛工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于①电池产生的电流或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;②电池的电流对污水响应速度更快;③有较好的重复性。作为一个新的水处理工艺目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。优点1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。,生物燃料电池,生物修复在航空航天上的使用已应用于宇宙飞船。总之，MFC的替代能源的发展，微传感器的研究和水处理工艺的开发是一个良好的前景，但是，在改善电化学性能的提高电池的输出功率密度和更低的成本，电池还需要继续探索深度。随着研究的不断深入的MFC，MFC应用程序将为期不远工业化。,Thanksforyourattention,生物燃料电池,END,