《生物燃料电池.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物燃料电池.ppt（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、biofuelcell生物燃料电池 报告人 组员 主要内容 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 4 1 2 3 一 生物燃料电池发展史 a 1911年 英国植物学家Potter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 b 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 c 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 d 80年代后 氧化还原介体 Mediat
2、or 的广泛应用 相关的研究大多集中于阳极 一 生物燃料电池发展史 e 近年 开发无隔膜的生物电池 f 2007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 40ccg 2009年 在FCexpo 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 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 biofuelcell 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
3、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 生物燃料电池设计原理 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 Catox Catred Cat red Cat ox 燃料氧化剂还原态 燃料氧化态氧化剂 e e 负载 二 生物燃料电池概述 二 生物燃料电池概述 4 分类按电子传递的方式分 直接和间接生物燃料电池 酶和电极间直接电子传递过程 电极 底物 产物 e 酶 直接电子传递条件 电极表面和生物催化剂
4、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 电极 产物ox 底物red 酶red 介体ox 酶ox 介体red E0 底物 产物 E0 酶ox 酶red E0 介体ox 介体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 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 输出功率密度低酶燃料电池 优点 酶催化剂选择性好 在生理环
5、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 三 酶燃料电池 1 分类 生物催化阳极 2 组成底物 乙醇 乳酸酯 氢气 果糖 蔗糖 葡萄糖酶 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开 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 2e 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 O2 2H 2e H2O2在这一过
6、程电化学反应当中 电子穿过外部的线路产生电能 3 举例 介体二茂铁及其衍生物 钌和锇的聚吡啶基配合物 最常用二茂铁 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 多孔碳为基体负载葡萄糖氧化酶酶与媒介体共固 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 生理学条件 4 存在问题电池电流密度小 mA cm 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 四 微生物燃料电池 MFC 1 概述微生物燃料电池 microbialfullcells MFCs 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
7、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 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 还原 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 MFC实物结构图 3 微生物燃料电池组成部分及功能 阳极 附着微生物 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 混合菌种产电微生
8、物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 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
9、生物阴极和生物阴极 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 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 4 微生物燃料电池的影响因素目前 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
10、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 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倍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 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
11、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 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
12、 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 5 MFC应用 A B C D 提供电能 废水处理 生物修复 生物传感器 6 MFC应用举例 阳极NaAc阴极反硝化菌Na2CO3NaNO3 7 MFC研究展望非贵金属催化剂阴阳极材料的优化质子交换膜的改善微生物的筛选和培育生物膜固化技术MFC机构的研究与开发 具有较高功率密度和工作电压能够为低能量微型装置提供能源 预期目标 电池的输出功率密度从最初的 W cm2级到mW cm2级 工作电压从数十毫伏到0 5V左右 优化目标 实现催化剂的直接电子传递 并且与生物催化介体氧化还原电位匹配 现阶段研究情况 Poweroutputrangeofvariouselectricalsources 思考题简述生物燃料电池的基本原理 ThankYou
