微生物燃料电池输出功率影响因素综述

1、年第期Number 水电与新能源HYDROPOWER AND NEW ENERGY 总第期Total No 文章编号：（）收稿日期：作者简介：顾熠澐，女，双学士，研究方向为河道管理、水污染控制。微生物燃料电池输出功率影响因素综述顾熠澐（浦东新区河道管理署，上海）摘要：微生物燃料电池（MFC ）是一种通过微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置。本文在MFC 产电原理的基础上，结合已有的研究结果综合叙述了微生物燃料电池中微生物的生物催化活性、产电底物、阳极材料及构造、阴极电子受体、膜材料及面积、电极间距和操作条件对MFC 产电性能的影响。关键词：微生物燃料电池；内阻；功率密

2、度；影响因素中图分类号：Q ：O 文献标志码：A：GU Yiyun（River Management Agency of Pudong New District ，Shanghai ，China ）：Microbial fuel cells （MFCs ）are devices that transform chemical energy in organic matters into electrical en ergy with microorganisms as the catalysts Based on the basic principles of MFCs ，this revie

3、w summarizes different influ encing factors on the output power of MFCs reported in various studies ，including the catalytic activity of anode biocata lyst ，substrates ，materials and configuration of the anode ，electron acceptors of the cathode ，materials and areas of the membrane ，electrode spacing

4、 and operation conditions ：Microbial fuel cells ；Internal resistance ；Power density ；Influencing factors 目前，解决日趋严重的环境污染问题和探索新能源是实现可持续发展和循环经济的根本。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell ，MFC ）是将解决环境污染问题与生产新能源有机结合起来的新技术之一。它是利用微生物作为生物催化剂将污染环境的有机生物质转化为电能的装置，可利用各种污水为原料并能产生洁净能源，具有操作条件温和、生物相容性强，安全、高效、连续等优点。其鲜明的特点和多功能特性

5、已引起了人们广泛的关注。但是，目前MFC 技术在处理污水及产能方面尚处于研究的初级阶段，产电功率还比较低。因此，研究MFC 产电性能的影响因素对MFC 的开发利用具有指导意义。许多研究者对MFC 产电性能的影响因素作了相关研究，但这些研究工作比较零碎、分散。本文从MFC 工作原理出发，总结分析了MFC 输出电压的影响因素，以期对MFC 的构建及开发有借鉴意义。微生物燃料电池生化转化原理无论是何种形式的微生物燃料电池（MFC ），其根本产电原理即为电活性微生物代谢分解阳极底物产生电子和质子氢，电子流经细胞电子传递链，一部分为细胞生长代谢所利用，一部分直接或间接传递至阳极表面。由于阴极和阳极之间的

6、电势差，阳极电子经由外电路传递至阴极，在阴极区供给电子受体。而质子氢则迁移到达阴极区与电子受体接受电子后生成的物质反应，从而形成回路，产生电能。图所示为双室MFC 工作原理。以葡萄糖为阳极底物采用氧气作为阴极电子最终受体时，在微生物作用下，阴阳极及内电路发生的反应如下所示。水电与新能源年第 期图双室MFC（微生物燃料电池）工作原理示意图阳极反应：CHOHO微生物作用COeHE o V阴极反应：OeHHO E oV微生物燃料电池输出功率影响因素通过上述对MFC工作原理分析可知，一个反应器确定了的MFC完成产电过程需经过：电活性微生物代谢分解底物、电子传递至阳极、电子经外电路传递至阴极、阴极传递至

7、电子受体、质子氢迁移至阴极区等过程。因此，凡是能影响其中任何一个过程的因素都能影响MFC产电性能。虽然微生物燃料电池的反应器构型也是影响其输出功率的一个主要因素，但本文从MFC产电原理出发，着重强调一般性MFC输出功率的影响因素。总体而言，MFC受电活性微生物活性、阳极底物、电子传输阻力、电子受体、质子迁移阻力等因素影响。要提高MFC的产电性能，则需降低这些因素对MFC的影响。下面就这几方面的影响因素作详细阐述。电活性微生物在MFC中，电活性微生物通过降解有机物，产生电子和质子，继而产生电能。因此，电活性微生物活性能显著影响MFC产电性能，若微生物活性高，将有机物质完全转化为二氧化碳，此时底物

8、氧化最彻底，碳元素化合价升高最多，即形成的电子数量最大，输出电能也将增大。产电微生物来源较为广泛，种类繁多，其种类大致来自于细菌域的个分支：变形菌、酸杆菌和厚壁菌。目前比较高效的产电微生物主要集中于变形菌的固体金属氧化物还原菌，如Geobacter sulfurreducens、Shewanella putrefaciens和Rhodoferax ferrireducens 等，酸杆菌有Geothrixfermentans，而厚壁菌有Clostridium butyricum和Desulfitobacterium hafniense，但厚壁菌的这两种细菌产电能力相对较弱。另外，从MFC中的微生

9、物菌群结构来看，MFC中的微生物有纯菌和混合菌之分。有研究结果表明，微生物燃料电池中使用混合微生物群落而不用纯培养的微生物，可以使微生物燃料电池的发电量提高大约倍，且可以在阳极表面富集优势微生物菌。这可能是由于混合菌之间存在协同作用。同时，产电微生物在电极表面生长形成的具有电活性的生物膜对MFC的内阻和产电性能也有重要影响。Picioreanu等采用计算机模拟了电极表面微生物的生长对MFC产电的影响，研究表明随着生物膜在电极表面的生长，MFC的内阻降低，产电功率增大；当生物膜达到一定厚度后，内阻会升高，产电功率会下降，这主要是由于MFC扩散内阻的增加。赵磊等人通过对大肠杆菌和普通变形菌的比较，

10、考察了两种菌株的产电能力。结果发现以普通变形菌为产电微生物的电池极化现象较轻，电池内阻较低，且开路电压和最大电流密度均高于以大肠杆菌为产电微生物的MFC。另外，温度会影响MFC中产电微生物的活性，从而影响其产电性能。在一定温度范围内，提高温度有利于提高电池功率输出。赵煜等人研究了温度对间歇式大肠杆菌生物燃料电池的影响。结果表明：温度从提高到，最大功率密度从mWm增加到mWm，增长了倍。但温度太高反而不利于MFC的运行，当温度为时，最大功率密度只有mWm。詹亚力等人的研究也有类似的结果。黄素德等人的研究表明温度低于或高于时，酵母菌的产电活性和MFC的产电性能都会受到较大影响。阳极底物微生物燃料电

11、池是一种利用可溶性有机废物和可再生生物质等原料萃取电能的装置，而底物作为能量转化的能源物质，是影响微生物燃料电池产电能力的重要因素之一。目前用作MFC阳极底物的物质包括顾熠澐：微生物燃料电池输出功率影响因素综述年月单一的有机物和混合有机物，前者如醋酸盐和乙醇等简单的有机物、葡萄糖、纤维素、淀粉、氨基酸等分子质量相对较大的发酵性有机物。后者有生活污水、养殖废水、垃圾渗滤液等。微生物氧化底物传递电子的能力直接影响着MFC的电能转化效率。一般而言，污水、污泥、发酵液等混合物中含有多种胶体物质和有机物，成分较纯物质复杂，从而导致以这些物质作为底物的MFC内阻大，输出功率较低。JooYoun等人在同一运

12、行条件下，采用电化学阻抗谱法分析了利用醋酸盐和发酵废水产电的MFC的内阻组成，发现了两种MFC的欧姆内阻相差不大，但利用发酵废水的MFC的电荷迁移内阻远高于单一的醋酸盐。不同纯种底物的MFC产电功率和内阻也不同。一般而言，在同等条件下，底物越简单，内阻越小，输出功率越大。孙晓英等人研究了同等浓度的乙酸钠、葡萄糖、蔗糖、D木糖、可溶淀粉种原料为底物的MFC产电性能，结果表明在体积质量为gL条件下，输出功率由大到小顺序依次为：乙酸钠、葡萄糖、D木糖、蔗糖、淀粉。Logan等人发现在醋酸盐初始浓度为gL的条件下，方形单室空气阴极MFC的内阻只有。Huang和Angelidaki等人以木糖作为MFC的

13、底物，通过电化学阻抗谱法测得其内阻为。不同的底物浓度对MFC的产电性能也有影响。Wang等人的研究表明，在不同浓度的乙酸钠、kg COD（mday），发现电流密度和库伦效率都随着负荷的降低而增加，且在kg COD（md）获得最大的开路电压（mV）和最大功率密度（Wm）。另外，有研究表明，在各种碳源培养的MFC中，菌群的结构存在着明显的差异。乙酸钠为初始底物启动的MFC阳极生物膜中占主要的是拟杆菌纲（Bacteroidetes）和变形菌纲（Deltaproteobacteria）微生物；葡萄糖为初始底物启动的MFC阳极生物膜中占主要的则是拟杆菌纲（Bacteroidetes）、芽孢杆菌（Baci

14、lli）、变形菌纲（Alphaproteobacteria）和变形菌纲（Deltaproteobacteria）。菌群结构的差异可能影响了MFC产点效率的高低。电子传输阻力电子传输过程即电子从微生物膜传至阳极，阳极经外电路传至阴极，阴极传给电子受体的过程。目前所公认的从微生物膜到阳极电子传递的方式主要有种：生物膜接触传递、纳米导线辅助传递和电子穿梭传递。具体原理还在研究当中，本文主要叙述阳极材料及其表面积对MFC内阻的影响。目前用作MFC阳极的材料有碳材料、石墨材料、活性炭材料、导电聚合物、修饰阳极等。通常采用比表面积大、到点性能好的材料，有利于MFC产电。不同种阳极材料对MFC产电性能产生影

15、响。Zuo 等人采用碳纸和碳刷两种阳极材料研究了管型MFC，发现以碳纸作为阳极的MFC内阻范围为，而以碳刷为阳极的MFC的内阻相对较小，为。Zhao等人的研究比较了活性炭、碳纤维和石墨片作阳极的MFC功率输出。当活性炭作阳极时，输出功率最大。Li等人的研究表明活性炭作阳极的MFC 的功率输出比碳布作阳极高出倍多，并且以活性炭作为阳极的MFC库伦效率达到了，而以碳布作阳极的MFC库伦效率只有。Ouitrakul等人结合模型和阻抗谱的分析方法，比较了碳毡、银、镍、不锈钢和铝的阻抗，发现各类电极溶液阻抗和电极阻抗都在范围内，但除银外的其他非碳电极的界面阻抗远高于碳毡电极，铝电极为k，镍和不锈钢都超过

16、了M。同种材料不同结构的阳极同样对MFC产电性能有影响。Chaudhuri等人对比石墨棒、石墨毡和石墨泡沫作阳极的电流密度变化，石墨毡产生的电流密度是石墨棒的倍以上，石墨泡沫产生的电流密度是石墨棒的倍。黄霞等人的研究表明，增加多孔电极的孔体积、表面积以及内孔径都可以提高阳极上的微生物量，并降低了阳极内阻；增加非多孔电极的表面粗糙度也可增加阳极上的微生物量，同时降低了阳极内阻。近年来，有研究者采用修饰阳极进一步提高了MFC的产电性能。Prasad等人以铂聚苯胺符合修饰的石墨电极作MFC阳极，其电流高于石墨电极，表明铂具有催化活性，可以提高微生物细胞与阳极间的电子转移能力。Logan等人以氨气处理

17、石墨刷阳极，MFC的产电密度高达mWm。Wang等人以丙酮，高热（，min）和氨气（，min，的氨气）处理碳刷阳极，高热处理阳极的MFC的产电密度为mWm，只比氨气处理阳极的产电密度（mWm）低，比丙酮处理阳极的MFC的产电密度（mWm）高。水电与新能源年第期阴极电子受体MFC作为燃料电池的一种，与一般燃料电池一样，阳极底物与阴极电子受体之间的电势差决定了电池的极限电压。在MFC中阳极底物一般为有机物，而有机物电势相差不大。因此，不同阴极电子受体的电势决定了MFC的极限电压值。目前，常用作阴极电子受体的物质有：溶氧、空气、铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾和双氧水等。一般，氧化还原电位高，传质速率快

18、的阴极电子受体MFC内阻小，输出电压和功率大。谷玺等人研究了双室MFC中以铁氰化钾、重铬酸钾、高锰酸钾作为阴极电子受体时的电压输出。结果表明，电子受体阴极液为mmolL，pH为，外电路负载为，在电池稳定运行的h中，以铁氰化钾微电子受体的电池外电压平均值为mV，最大值为mV；重铬酸钾外电路电压平均值为mV，最大值为mV；高锰酸钾外电路电压平均值为mV，最大值为mV。Oh等人比较了铁氰化钾和氧气作为阴极电子受体时MFC的电子情况，发现在相同的运行条件下，由于铁氰化钾的氧化还原电位和传质效率比氧高，铁氰化钾阴极MFC的内阻为，而渡铂溶氧阴极MFC的内阻为。张晓艳等人以gL双氧水为电子受体，在pH、温

19、度约为下处理垃圾渗滤液，电池的最大输出功率密度达Wm，开路电压为V，内阻为。虽然铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾和双氧水等氧化还原电位较高，用作MFC阴极电子受体时，MFC输出电压和功率较高。但由于溶氧和空气价廉无毒等原因，目前公认最合适的阴极电子受体还是溶氧和空气。质子迁移阻力质子迁移阻力是指在质子从阳极区透过电解液和质子交换膜迁移至阴极区与电子及电子受体反应的过程中所受到的阻力。该阻力与膜材料和面积、电极间距等因素有关。膜材料和面积离子交换膜分隔MFC的阴阳极两室，同时是质子或其他离子迁移的通道。在有膜存在的反应系统内，膜引起的内阻是MFC内阻的重要组成，膜面积和电极一样对MFC内阻和功率密度

20、也有十分重要的影响。孙晓英等人以乙酸钠为碳源，铁氰化钾溶液为电子受体，以普通双极膜、特种双极膜和质子交换膜构建的MFC进行产电性能的实验研究。结果表明：普通双极膜电池开路电压为V，最大功率密度为Wm，内阻为；特种双极膜电池开路电压为V，最大功率密度为Wm，内阻为；质子交换膜电池开路电压为V，最大功率密度为Wm，内阻为。Sun研究了微滤膜做分隔材料时MFC的产电情况，研究发现，相比质子膜，采用微滤膜时MFC的最大功率密度增加了倍。同时，相比无膜的MFC，采用微滤膜的MFC库伦效率更高。Zuo研究发现，在超滤膜表面镀上一层催化剂和导电层后，以超滤膜作为分隔材料的MFC获得了高达Wm的功率密度，而相

21、同条件下以阳离子交换膜为分隔材料的MFC的功率密度仅为Wm。王万成等人考察了均相阳离子交换膜、异相阳离子交换膜、异相阴离子交换膜种离子交换膜的MFC的产电性能。结果表明：采用均相阳离子交换膜的MFC所产生的稳定功率最大，为mWm；其次是异相阳离子交换膜，为mWm；而异相阴离子交换膜只有mWm。膜面积的大小对MFC内阻也有一定影响。Oh等人在固定电极面积为cm的情况下，分别研究了不同面积质子交换膜（、和cm）对双室MFC内阻的影响，发现MFC内阻随着膜面积增加而减小，在种面积下，MFC的内阻分别为、和。电极间距在一定范围内，电极间距离的减小使得溶液中质子的传递距离减小，有利于降低体系内阻，提高输

22、出功率。叶晔捷等人研究了电极间距对MFC产电性能的影响，结果表明，在底物COD浓度为gL，pH的条件下，将阴阳极的间距由cm减小到cm，最大功率密度由mWm增至mWm，内阻由降至，计算得库伦效率由增加到。用稳态放电法测定欧姆电阻，分别为（cm）、（cm）和（cm）。王万成等人采用异相阳离子交换膜、未抛光的高纯石墨板（cm ×cm）构建微生物燃料电池，调节电极间距分别为cm和cm时发现，电极间距扩大使电池输出功率明显降低，从mWm降到mWm。在叶晔捷等人的研究中，考察了电极间距分别为、顾熠澐：微生物燃料电池输出功率影响因素综述年月和cm时的MFC产电性能，结果表明，当间距从cm 减少到

23、cm时，最大功率密度从mWm提高到mWm，提高了约。相应地，内阻由降到，降低了约。Ghangrekar 等人研究了电极间距分别为、cm和cm对MFC产电性能的影响，结果表明，电极间距为cm 时的MFC输出功率密度最大，为mWm，其次是cm，为mWm，最低是cm时为mWm。Cheng等人研究表明，在序批式MFC 中，在葡萄糖底物浓度为mgL的条件下，当电极间距从cm降到cm时，最大的功率密度由mWm降至mWm；连续流MFC中，葡萄糖底物浓度为mgL时，电极间距为cm时的最大输出功率密度为mWm（外阻），电极间距为cm时的最大输出功率密度为mWm（外阻），电极间距进一步减少至cm时的最大输出功率密

24、度为mWm（外阻）。实际运行条件的影响电解液的离子浓度（电导率）微生物通常有一定的离子强度耐受力，在微生物的耐受范围内，提高离子强度可以增加溶液电导率，从而可以降低MFC的欧姆内阻，提高其产能。而当离子强度高于微生物的耐受限时，某些细菌不能很好地生长，会增加电池内阻，使电池产电性能降低。Oh等人向阳极室和阴极室分别添加KCl，增加溶液的离子强度，使其电导率由mScm提高到mScm，发现电池内阻由降低到。Liu等人研究了单室MFC在不同离子强度情况下的产电，发现当离子强度为、和mmolL时，电池内阻分别为、和，离子强度为mmolL时的功率密度比mmolL时高。当离子浓度高出一定值时，产电微生物的

25、活性将被限制，内阻反而会升高。在Huang等人的研究中，将离子浓度由mmolL 升高到mmolL时，内阻由增加到，增加的主要为阳极内阻。尽管提高电解液的离子浓度能够降低MFC的内阻，但同时也会提高MFC的成本，并可能会造成二次污染，因此在选择电解液及其离子浓度时应该综合考虑。电解液的pHpH值是影响微生物燃料电池内阻的重要因素，一方面pH值影响MFC中微生物的活性，另一方面在MFC两极发生电化学反应与pH值直接相关。大部分的MFC都在中性pH环境下运行，这有利于微生物的生长和电化学反应的发生。李贺通过添加缓冲溶液，调整阴极区pH值为、时对MFC的产电性能影响做了研究。结果表明，在pH为的条件下

26、的MFC稳定且平均功率密度最大为mWm，pH为、的MFC平均功率密度分别为、mWm和mWm；同时还做了阳极区pH为、条件下MFC产电性能研究，结果表明，在pH时的MFC中平均功率密度最大为mWm，pH为的次之为mWm，pH为的最小为mWm。表明阴极区pH适合弱酸性，而阳极区pH适合弱碱性。Gil等人研究了双室MFC利用污水产电的过程，发现在初始pH都为时，阳极室pH 会降到，而阴极室pH会升高到，此时微生物活性以及阳极产生电子向阴极传递的速率都会降低，MFC的传递内阻升高，其产电性能降低。为缓解这一问题，许多研究者都向底物中添加缓冲溶液来维持MFC运行过程中的pH环境。Fan等人向MFC中添加

27、碳酸氢盐缓冲液，同时在pH范围内调节溶液，发现MFC的欧姆内阻变化不大（），但其电荷迁移内阻和扩散内阻变化较大；而MFC的总内阻由pH为时的降低到pH为时的，当进一步提高pH至时又增加到。传质条件由MFC工作原理可知，阳极液相中有机物通过扩散等传递至阳极生物膜被产电微生物利用，进而产生电子与质子，质子又通过扩散等传递至阴极；阴极区液相中电子受体与质子等通过扩散传递至阴极与电子反应形成回路。可见，在MFC中，传质条件的好坏会直接影响到MFC的产电性能。目前，对双室型MFC，改变阳极室水力学条件和增加阴极室混合度是常用的提高产电性能的有效方法之一；单室型MFC中适当增加混合程度有利于提高输出功率。

28、Heijne等人通过使用并流通道式阳极改变阳极区水力学条件，MFC产电达到Wcm。Chiao等人采用并行流道式阳极，增加质子传递效率，开路电压比未用流道式阳极MFC增加倍。Cha等人研究的双室型MFC中，发现阴极区溶液只要满足一定的混合水电 与新 能 源 年第 期 度，溶解氧在 时亦能稳定维持较高的输出功 率 程度提高传质效率， 发现转速提高到 时， 最大功率密度最大，为 ；转速继续增 。 唐璐通过改变搅拌速率提高沉积式 混合 ， ， ， ， ， ， ， （）： 加时， 输出功率密度降低， 可能的原因是由于转 速过快，使得溶液充氧严重， 破坏阳极厌氧环境，使得 输出功率降低。 （）： 张翼峰不同底物的微生物燃料电池阳极菌群及其产电特 ： ， （）： 性分析