什么是生物质，和生物质燃料电池

从字面意思不难理解，微生物燃料电池与微生物电解池主要区别是：

1.微生物燃料电池（microbial

fuel

cell，mfc）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂

（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

2.微生物电解池，利用微生物作为反应主体,在阴阳极间施加电流，产生氢气或者甲烷的一种电解池。微生物电解池由池体、阳极、阴极、外电路及电源组成。在阳极上有一层由产电微生物形成的生物膜，这些微生物靠吃污水中的有机物为生。微生物电解池中的微生物，在其代谢过程中，电子从细胞内转移到了细胞外的阳极，然后通过外电路在电源提供的电势差作用下到达阴极。在阴极，电子和质子结合就产生了氢气。

1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。

毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。

2 微生物燃料电池的工作原理

图1是典型的双室结构MFcs工作原理示意图，系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。根据微生物的性质，电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极．电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下。与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应。

图1 微生物燃料电池工作原理示意图

下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理，反应中氧气为电子受体，反应完成后葡萄糖完全被氧化。

阳极反应：

?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622

阴极反应：

?_6O2?24H?24e?12H2O

总反应：

C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料电池的应用现状

迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率。内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFCs的内阻，这时得到的最大功率密度有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题。另一个重要制约因素为电子传递过程中的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。最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。另外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、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。

当前针对微生物燃料电池主要研究其产电性能，同时由于其特殊的结构与原理，MFCs还有许多潜在应用领域，主要包括废水处理、电助产氢、传感器三方面。

3.1 废水处理

近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，在废水降解的同时产电。表3.1列举了目前MFCs用于废水处理的现状。

微生物燃料电池用于污水处理的例子

此外，微生物燃料电池处理废水具有诸多优点，还可与传统厌氧、好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。

3.2 电助产氢

微生物燃料电池由于输出效率低，难以直接应用，而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式。其工作原理为：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。

微生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体——氢气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际应用。

3.3 生物传感器

根据MFCs的工作原理，在一定浓度范围内，MFCs的电流(或电压)输出与阳极的基质浓度有线性关系，因此可开发基于MFCs的传感器，最典型的是BOD5快速检测。Lorenzo等以人工废水为燃料构建型BOD5传感器，该传感器输出功率与BOD5浓度有良好的线性关系，且有非常高的重复性和稳定性，可连续运行7个月。

除了作为BOD5传感器外，有研究者尝试利用MFC型的传感器通过对UAFB中发

酵液pH和沼气流速进行实时监测，实现对厌氧硝化过程动态变化的监测。还有研究者通过在MFCs的质子交换膜两侧添加2片微硅板作电流收集器，由电流变化来反映基质中的有毒化合物。这些研究都有助于扩大MFCs技术的应用领域。

4 微生物燃料电池技术发展前景

MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，该技术还没有实现真正的大规模实际应用。基于其产电性能的制约因素，今后的研究方向主要可归纳为以下几点。

(1)深入研究并完善MFCs的产电理论。MFCs产电理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFCs的实际应用。MFCs中产电微生物的生长代谢过程，产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点。

(2)筛选与培育高活性微生物。目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的，需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物。今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生。

(3)优化反应器的结构；5建议；微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分；(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物；(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，；MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起；力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多；7参考文献；[1]姜秀华.微生物电池技术研究[D].科技资讯；[2]张静，张宝

(3)优化反应器的结构。研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池，利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能。选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极。

5 建议

微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分看好，但由于输出功率较低，限制了在生产生活中的应用。因此，建议研究者主要从以下三方面对MFCs做进一步研究：

(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物确定电子产生和传递机理，实现对高效产电微生物的筛选和改造。

(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，提高电子传质速率，降低电压损失，提高MFCs产电性能。尝试MFCs的工程放大，实现实际应用。 6 结语

MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步，MFCs必将得到不断地推广和应用。与微生物燃料电池相比，燃料电池目前使用存在着成本仍偏高, 利用率不太高的缺点，所以微生物电池有着广阔的应用前景。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：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；其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微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；第四，微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；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微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。研究微生物电池是一件造福人类的伟大举措，我们应该投入更多的人力和物力。

新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和新材料而获得的，在新技术基础上系统地开发利用的能源。如太阳能、风能、海洋能、地热能等。与常规能源相比，新能源生产规模较小，使用范围较窄。常规能源和新能源的划分是相对的。

“万物生长靠太阳”，生物能源是从太阳能转化而来的，只要太阳不熄灭，生物能源就取之不尽。生物能源的转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物能源的使用过程又生成二氧化碳和水，形成一个物质的循环，理论上二氧化碳的净排放为零。生物能源是一种可再生的清洁能源。利用高技术手段开发生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要部分。

21世纪是生物的世纪，是科学技术飞速发展的新世纪，而可持续发展是当前经济发展的趋势所在。面对化石能源的枯竭和环境的污染，生物能源的开发利用为经济的可持续发展带来了曙光。生物能源作为可再生、污染极小的能源，具有无可比拟的优越性，必将为21世纪的经济发展和环境保护注入强大的推动力。

当前，生物能源的主要形式有四种：沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇。

（1）生物能源——沼气

沼气是一种可燃气体，由于这种气体最早是在沼泽、池塘中发现的，所以人们称它“沼气”。我们通常所说的沼气，并不是天然产生的，而是人工制取的，所以它属于二次能源。沼气对于目前我国广大农村来说，是一种比较理想的家庭燃料。它可以用来煮饭、照明，既方便，又干净，还可节约大量柴草。

沼气多为就地制取、就地使用的能源，不需要远距离运输和传送，减轻了运输负担，也减轻了农民的经济负担。

沼气不仅是一种干净的能源，而且在工业生产上可作为化工原料使用。沼气的主要成分是甲烷，这种气体在高温下能分解成碳和氢，因此，沼气可用来制造氢气和炭黑，并能进一步制造乙炔、合成汽油、酒精、塑料、人造纤维和人造皮革等各种化工产品，用途日益广泛。

沼气的发现与沼气发酵的发展

沼气是由意大利物理学家A．沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年，俄国人B．Ⅱ．奥梅良斯基分离出第一株甲烷茵，但不是纯种。1980年，中国首次分离甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。

世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L．穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国，分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。1955年新的沼气发酵工艺流程——高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量（即产气率）在中温下由每天1立方米容积产生0.7～1.5立方米沼气，提高到4～8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。

20世纪20年代初期，罗国瑞在广东省潮梅地区建成第一个沼气池，随之成立了中华国瑞瓦斯总行，以推广沼气技术。目前中国农村户用沼气池的数量达1300万座。而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行。

（2）绿色能源——生物柴油

生物柴油是生物质能的一种，是清洁的可再生能源。它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料。

生物柴油是一种优质清洁柴油，可从各种生物质提炼，因此可以说是取之不尽，用之不竭的能源，在资源日益枯竭的今天，有望取代石油成为替代燃料。生物柴油是典型“绿色能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。

（3）巴西打造生物能源大国——生物燃料

现今全世界都在进行生物能源的开发，但是最成功的例子就是巴西。巴西可再生能源占全国能源的比例高达44.7％，而全球平均仅为13.3％。巴西的可再生能源主要是乙醇和水力发电，其中乙醇的比重日益提高。

巴西利用甘蔗发酵生产酒精，因为甘蔗的含糖量高，所以酒精的产量也很高。巴西的法律规定，汽车的燃料中必须加入10％～25％的酒精作为燃料。而且在上个世纪，巴西就发明了乙醇汽车，是以纯酒精作为燃烧动力，这样不仅使他们国家的石油进口量减少，而且环境也得到很大的改善。不仅如此，酒精的大面积生产带给巴西的经济效益也是巨大的。巴西成功的例子是世界上发展生物能源学习的模范。

（4）世纪的理想能源——氢能

氢气是高效、清洁、可再生的能源，在全球能源系统的可持续发展中将起到显著作用，并将对全球生态环境产生巨大的影响。采用氢能源是当前世界公认的可代替石油能源的主要出路之一。氢本身是可再生的，在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生二氧化碳，可以实现真正的“零排放”。此外，氢与其他含能物质相比，还具有一系列突出的优点。首先是氢的能量密度高，是普通汽油的2.68倍：用于贮电时，其技术经济性能目前已有可能超过其他各类贮电技术；将氢转换为动力，热效率比常规化石燃料高30％～60％。如作为燃料电池的燃料，效率可高出1倍，氢适于管道运输，可以和天然气输送系统共用。在各种能源中，氢的输送成本最低，损失最小，优于输电：氢与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无噪声的发电技术。小型的低温固体离子交换膜燃料电池可用在汽车和火车机车上：氢也能直接作为发动机的燃料，因此国际上一些著名的汽车公司已经开始大力开发电动汽车产品。

早在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。中国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。近年来，国际上以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破，而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。因此氢能汽车具有广阔的应用前景。

新能源技术是高技术的支柱，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等。其中核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志，对核能、太阳能的开发利用，打破了以石油、煤炭为主体的传统能源观念，开创了能源的新时代。

种类：

洁净煤：采用先进的燃烧和污染处理技术和高效清洁的煤炭利用途径（如煤的气化与液化），减少燃煤的污染物排放，提高煤炭利用率，已成为我国乃至全世界的一项重要的战略性任务。

太阳能：太阳向宇宙空间辐射能量极大，而地球所接受的只是其中极其微小的一部分。因地理位置以及季节和气候条件的不同，不同地点和在不同时间里所接受到的太阳能有所差异，地面所接受到的太阳能平均值大致是：

北欧地区约为每天每一平方米2千瓦/小时，大部分沙漠地带和大部分热带地区以及阳光充足的干旱地区约为每平方米6千瓦/小时。人类所利用的太阳能尚不及能源总消耗量的1%。

地热能：据测算，在地球的大部分地区，从地表向下每深入100米温度就约升高3℃，地面下35公里处的温度约为1100℃一1300℃，地核的温度则更高达2000℃以上。

估计每年从地球内部传到地球表面的热量，约相当于燃烧370亿吨煤所释放的热量。如果只计算地下热水和地下蒸汽的总热量，就是地球上全部煤炭所储藏的热量的1700万倍。

地热能主要用来发电，不过非电应用的途径也十分广阔。世界_L第一座利用地热发电的试验电站于1904年在意大利运行。地热资源受到普遍重视是本世纪60年代以后的事。世界上许多国家都在积极地研究地热资源的开发和利用。地热能主要用来发电，地热发电的装机总容量已达数百万千瓦。

我国地热资源也比较丰富，高温地热资源主要分布在西藏、云南西部和台湾等地。

”复合型技术技能人才。学生毕业后胜任以下岗位：

初次就业岗位：新能源汽车制造、新能源汽车机电维修、新能源车辆性能检测、新能源汽车新技术培训、新能源汽车维修业务接待、新能源汽车销售。

发展岗位：新能源汽车调试、新能源维修技术主管、质检员、新能源汽车技术培训；

拓展岗位：新能源汽车生产、维修管理，新能源汽车服务企业经营与管理

主干课程有：新能源汽车电机及其控制技术、动力电池管理及维护技术、电动汽车电气系统检修、汽车电子控制原理与技术应用、电动汽车车身电控系统检修、电动汽车舒适及安全系统检修、电动汽车充电站及管理技术、新能源汽车技术性能检验。