微生物燃料电池的结构第章ppt课件.ppt
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1、目录,间接MFC和直接MFC,微生物燃料电池结构概述,五种结构不同的MFC,不同阴极MFC,1,2,3,4,2.1微生物燃料电池结构概述,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石墨刷电极和管状浸入式阴极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MFC设计仍是未经验证的。,设计,材料,很多种材料已经在MFC中得到应用,但这些材料是被如何加工、安装并应用到最终的系统中,即反应器构型,最终都会决定系统在功率输出、库仑效率、稳定性以及使用寿命上有什么样的表现,一个好的设
2、计不仅要具有高功率、高库仑效率,而且要保证原料提供的经济性和实际应用于大型系统时工艺的经济性,2.1微生物燃料电池结构概述,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可以有多种分类方式: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“三合一”型MFC。,图2.2 典型双室MFC结构示意图,双室MFC的最大特点就是在阳极和阴极之间使用了膜(PEM),因此根据这一原理和特征,可以设计出各种不同形式的MFC反应器。两室型MFC又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等,2.1微生物燃料电池结构概述,单室MFC的阴极和阳极在同一反应室
3、,阴极和PEM直接压在一起。单室MFC的优点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,可以通过去除质子交换膜而进一步提高MFC的电能输出。“三合一”型MFC是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一起的新型微生物燃料电池,它可以在较大程度上降低MFC的内阻,提高MFC的输出功率。研究者实验结果表明,“三合一”型MFC的内阻仅为1030 ,远远低于其他形式的MFC,最大输出功率密度可以达到300mWm-2。,2.1微生物燃料电池结构概述,按MFC的阴极是否具有生物活性分类根据阴极是否具有生物活性,MFC可划分为两大类:,生物型阴极的优点:以微生物取代
4、金属催化剂,可以显著降低MFC建造成本;生物阴极能够避免出现催化剂污染等现象,增加了MFC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,非生物阴极型MFC:利用化学催化剂完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Pt,2.1微生物燃料电池结构概述,间接微生物燃料电池,直接微生物燃料电池,阳极侧燃料在电解液中或其它地方反应并释放出电子,释放出的电子则由氧化还原介体运载传递到电极表面上,实现电子的转移,燃料则在阳极表面微生物细胞内直接氧化,产生的电子直接转移到电极上,不需要添加任何的电子介体,按阳极侧电子转移方式的不同,微生物燃料电池可分为两种,2.2 五种结构不同的MF
5、C,1. 上流式MFC,上流式MFC由UASB反应器改造得来(如图2.3所示),结合UASB与MFC的优点发展形成。升流式MFC(UAMFC)结构简单、体积负荷高、可以使培养液与微生物充分混合,更适合与污水处理工艺偶联。,图2.3 上流式MFC图,1. 上流式MFC,优点,缺点,(1)由于使用无膜空气阴极,空气能够以很高的速率向阳极内扩散,导致库仑效率有所降低;(2)阴极表面负载昂贵的Pt作为催化剂来催化氧气的电化学还原,增加了系统的总造价;(3)一旦长期运行,阴极表面会生长微生物,导致电池的功率衰减和内阻增加,(1)使用活性碳颗粒作为阳极,不仅增大了生物膜的附着面积,提高生物量,还大大降低了
6、材料造价;(2)阴极面积大,降低了反应的过电位;(3)阳极和阴极之间用筛网分隔,阴极裹在阳极周围,阳极和阴极之间的距离达到最小,电池内阻降到最低;(4)在运行过程中,采用连续升流式操作,更适合废水处理。,实际上,UAMFC和传统的MFC相比,更适合废水处理的实际应用。UAMFC在设计上有别于已报道的MFC,其优缺点为:,2. 双室H型MFC,H型MFC是当前研究中使用最多的形式,早期的大多数MFC研究是在双室H型MFC反应器中开展的。由于该种反应器大多由中间夹有阳离子交换膜的两个带有单臂的玻璃瓶组成,外观上很像字母“H”,因此又被形象的成为“H型”MFC(图2.4)。,图2.4 双室H型MFC
7、图,2. 双室H型MFC,双室H型MFC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阴极电子受体在空间上的独立性。由于双室MFC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在双室MFC中进行。 优点是容易组装,甚至使用矿泉水瓶都可以组装简易的反应器。 不足是隔膜带来的内阻以及电子受体,3. 平板式MFC,(1)整体结构设计,(2)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,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
8、用,常用的流场型式有平行流场,蛇形流场,交指形流场等,4. 双筒型微生物燃料电池,图2.6双筒型 MFC 示意1.进水 2.出水 3.阴极 4.质子交换膜 5.阳极 6循环泵 7曝气系统 8.可变电阻 9.数据采集系统,由圆筒形紧紧包围阳极的隔膜和外层阴极室构成。这种设计极大地缩小了两极间距、增大了质子交换膜面积,因此内阻只有4 ,4. 双筒型微生物燃料电池,填料型MFC可以增大MFC产电能力,而以筒状质子膜作为增大MFC内电流通道可以有效降低MFC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。,表2-1 种填料型 MFC 结构及产电比较,5. 串联型MFC,单个燃料电池产生的电量非常
9、小,所以有些研究人员已经尝试用多个独立的燃料电池串联起来可以提高产电量。Aelterman等人将6个完全相同的MFC通过串联或并联的方式组合在一起(见图2.7),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,可用二极管减少反向电荷,避免电压逆转。,2.3.1 间接MFC,制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。由于代谢产生的还原性物质被微生物的膜与外界隔离,从而导致微生物与电极之间的电子传递通道受阻电子传递过程中添加介体,穿过封闭空间的薄膜进入容器,把自由电子传输到阳极(结构如图2.8所示),图 2.8间接生物燃料电池工作原理,2.3.1 间
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