生物质燃料电池的研究进展

电源技术Chinee oumal y e purm生物质燃料电池的研究进展吴祖林,刘静(中国科学院理化技术研究所,2711信箱,北京100080)摘要:世界需要¨绿色能源”——可再生能源,与传统的能源技术相比,它们对环境造成的影响要轻微得多。在各类清洁能源中,生物质燃料电池是极具前景但却受注意较少的技术之一。对基于生物质(主要是细菌、微生物及藻类)发电和生物质产氢的几种生物质燃料电池的研究进展进行了总结和评述,包括:直接利用太阳能或糖类发电的细菌电池、微生物燃料电池、以及“吃肉的机器人”等。并指出了将生物质燃料电池与微机电系统技术相结合的应用方式,以及参考“吃肉的机器人”提出了基于生物质燃料的微型机器人的概念。关键词:生物质燃料电池;微能源;微生物;藻类;发电;产氢;吃肉机器人;微机电系统中图分类号:TM911.45文献标识码:A文章编号:1002087X(2005)05-033308Research advancement in biomaterials based fuel cellWU Zu-lin, LIU JingCryogenic Lab, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 2711, Beijing 100080)Abstract: The world prefers"green energy"- the renewable energy, which generally has a much lower environmental impactthan conventional energy technologies. Among all the clean energies ever developed, the biomaterial-based fuel cell isespecially a most promising way to produce energy, which however received much less attentions. In this paperdvancement on several biological materials(mainly bacteria, microorganism and algae)based fuel cells to generate electricityor hydrogen were comprehensively reviewed. The discussed fuel cells include: bacterial based fuel cell utilizing solar energyor glucose, microbial fuel cell (MFC), and gastrobot etc. An application form by combining the MfC with MEMs wasproposed. Further, the concept of micro-robot powered by biological fuel was also suggestedKey words: microbial fuel cell; micro energy; microorganism; algae; power generation; hydrogen production; gastrobotMEMS能源是人类赖以生存和发展的重要资源。随着全球经济步能源转化(光能一电能一氢能一电能),其中的能量损失显而的蓬勃发展,能源供需之间存在的矛盾也日趋明显。充足而稳易见。如能简化这一步骤,实现光能直接转化为氢能,甚至直接定的能源是推动经济发展的关键因素。然而,现有的能源利用转化为电能,则整个能量利用效率将得到较大提高方式存在如下缺点:效率不高,不可再生,环境污染严重等。当前主要使用的矿物燃料,无论石油还是煤矿,在燃烧后都会产太能电解水顺的生大量污染空气的温室气体,而且它们还面临着储量严重短光电电池得到垣气电抱缺的问题,且在开采和利用环节上效率低下,污染严重。所以展清洁能源一直为世人所关注。此方面,生物质燃料电池无疑是很值得重视的一种清洁能源,正因其独特的价值而逐渐成为催生新能源的生长点。氢气佬存文里给出几类清洁能源燃料电池的例子。图1所示是一种以氢气作能源的燃料电池系统,它通过太阳能光解水制氢,然图1使用光解水制取的氢气做燃料的燃料电池示意图后分离氧气排到空气中,氢气经过储存后,提供给燃料电池作Fig 1 Schematic diagram of the fuel cell in which the hydrogen from为能源,再经燃烧后还原为水。具体过程是利用太阳能发电,然photolysis of water is used as fuel后再电解水制氢,为燃氢的燃料电池提供能源,其中经过了三此外,研究者也发展了一些高密度微型燃料电池。图2所示为可携带式微型燃料电池的两类形式,其中左图使用的收稿日期:2004-07-28燃料为甲醇,右图基金项目:国家自然科学基金项目(50325622)H中国煤化工燃料电池。作者简介:吴祖林(1979),男,广西壮族自治区人,硕士生,主以上微型燃CNMHG目的。然而自然要研究方向为微能源技术研究与应用。界对人类虽已极地提供用以生Biography: WU Zu-lin(1979-), male, candidate for master产清洁能源的纯氢或甲烷等燃料。因此,本文所要讨论的是May 20L电源技术Chinee oumal y e purm轻、密度小,用途广泛,是取代传统能源的一个极有发展前景的清洁能源。传统的制氢方法,如电解水,或髙压高温制氢,都P和u讯一估运1rt生仁剂位己需消耗大量的电能、煤或天然气等其它能源,费用太高,且违背了氢气作为清洁能源的一个主要优势。所以,一般倾向于利用光电化学电池分解水制氢,利用太阳光照射到半导体氧化oH10→·0+钛表面时,在氧化钛上产生的电流会使水分解,产生氢气,效率已达12%,是一种很有前途的制氢方法。图2微型燃料电池的两类研究方向凹另外一个受到关注的产氢方式即为生物质制氢。1942年Fig 2 Two research interests on micro fuel cell 2)前后,科学家发现一些藻类的完整细胞,可以利用阳光产生氢如何效法自然,并利用自然界赋予的生物材料来获取能源,也气流。7年之后,又有科学家通过实验证明某些具有光合作用生物质燃料电池的概念的菌类也能产生氢气。此后,许多科研工作者从不同角度展开1生物质发电和产氢了利用微生物产生氢气的研究。近年来,已查明有16种绿藻1.1生物质发电和3种红藻类有制氢的能力。藻类主要是通过自身产生的脱早在1910年,英国植物学家就将铂作为电极置于大肠氢酶,利用取之不尽的水和太阳能来产生氢气,这个产氢过程杆菌的培养液里,成功地制造出了世界上第一个细菌电池。可以在15~40℃的较低温度下进行1984年,美国科学家设计出一种用于太空飞船的细菌电池自然界各种形式的碳水化合物,从理论上讲,均可以生产其电极的活性物来自宇航员的尿液和活细菌,但当时的细菌氢气。例如大肠杆菌以及产气杆菌,某些芽抱杆菌反刍动物电池发电效率较低。到了20世纪80年代末,细菌发电取得重瘤胃中的很多种细菌,大都具有不同程度的产氢气能力。可以要进展,英国化学家让细菌在电池组里分解分子,以释放电子利用太阳能来产氢的细菌,分为下面几种:(1)依靠发酵过程并向阳极运动产生电能。他们在糖液中添加某些诸如染料之而生长的严格厌氧细菌;(2)能在通气条件下发酵和呼吸的兼类的芳香族化合物作为稀释液,来提高生物系统输送电子的性厌氧细菌;(3)能进行厌氧呼吸的严格厌氧菌;(4)光合细能力;而在细菌发电期间,还需朝电池里不断充气,并搅拌细菌。例如在光合细菌中,就发现约13种紫色硫细菌和紫色非菌培养液和氧化物的混和物。理论上,利用这种细菌电池,每硫细菌可以产生氢气,这部分细菌可利用有机物或硫化物,经100g糖可获得1352930库仑的电能,其效率可达40%,远过一系列生化反应而生成氢气高于现在使用的电池的效率,而且还有10%的潜力可挖。只利用微生物生产氢气,在一些国家曾进行了试验性生产要不断地往电池里添入糖就可获得2A电流,且能持续数月结果令人满意。采用活力强的产气夹膜杆菌,在容积为10L之久。利用细菌发电原理,人们正在构想建立细菌发电站,比的发酵器中,经8h发酵作用后,产生约45L氢气,最大产氢如,基于10m见方的立方体容器内的细菌培养液,可建立起气速度为每小时18~23L。人们期待着采用遗传变异手段大个100WV的细菌发电站,每小时耗糖量为200kg,发电幅度提高微生物产氢气能力,为利用微生物生产氢气尽早投成本虽然高一些,但这是一种对环境无污染的"绿色"电站,入实际应用创造条件。且随着技术的发展,完全可用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机2利用光能的细菌电池物的水解物来代替糖液,因此,细菌发电的前景十分诱人细菌电池的概念虽早在20世纪初就被提出,但直到80围绕上述研究方向,美国设计岀一种综合性细菌电池,是年代末,才取得突破。许多细胞具有直接将太阳能转化为电能由电池里的单细胞藻类首先利用太阳光将二氧化碳和水转化的能力。其中的难点是,这种细菌发电方式需要分解微生物为糖,然后再让细菌利用这些糖来发电;日本将两种细菌放入效率比较低,还存在着需要不停的充气和排出“微生物杂质电池的特制糖浆中,让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸,的麻烦。一种解决方式是,尽量利用纯的葡萄糖溶液,并添加而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气,由氢气进人磷酸燃某些芳香族化合物,再对杂质的排出加以巧妙的设计。料电池发电;英国则发明了一种以甲醇为电池液,以醇脱氢酶此外,越来越多的发现表明,许多细菌和微生物,具有直铂金为电极的细菌电池。有趣的是,某些细菌还具有捕捉太阳接将太阳能转化为电能的能力7。而其中大多数具有光电直能并将其直接转化成电能的功能。美国科学家在死海和大盐接转换能力的细胞,利用的都是它们独特的质子泵效应和光湖里找到一种嗜盐杆菌,可在将所接受的大约10%的阳光转电特性。化成化学物质时,产生电荷。科学家们由此制造出一个小型实2.1细胞视紫红质的质子泵效应验性太阳能细菌电池,结果证明利用嗜盐性细菌发电是可细胞视紫红质的主要生理作用就是光直接驱动下单向的的。其原理,是基于嗜盐菌中的细胞视紫红质的特殊作用。事运输质子,可以在细胞膜两侧形成很大的质子梯度口-。研究实上,海洋中存在着大量此类可以利用自身的细胞视紫红质表明细胞VT凵中国煤化工条跨膜的a螺来“发电”的微生物。旋(见图3),每条CNMHG,螺旋柱基本垂1.2生物质产氢直于细胞膜,N端在细胞外侧,C在绀胞内侧。7个螺旋体氢气是一种发电效率较高的清洁能源,且资源丰富、质量中3个在一起组成内环,另外4个组成外环,中间包埋着一个VoL 29 No, 5 334 May 2005电源技术Chinee oumal y e purm维生素A醛——被称为视黄醛( retinal)。视黄醛分子和7个生物产生的微小电流加以串联的方法,从而发展出新的生物螺旋基本垂直,它的醛基和G螺旋上的一个赖氨酸形成希弗质燃料电池。碱,另一端嵌人蛋白深处。质子泵循环中,视黄醛呈现两种异由于具有细胞视紫红质的微生物在发展生物质燃料电池构体,“13-顺式(13-cis)”和“全反式(all- trans)”。在黑方面具有重要价值,下面以嗜盐菌和海洋微生物的来源,即培暗中,含有这两种异构体的细胞视紫红质分子数量相等。当光养和提取问题进行介绍照时,因为存在一个分支的途径使“13一顺式”转入到“全反22嗜盐菌的培养式”,而负效应很慢,因为光照下“13-顺式”视黄醛很快消对于盐生盐杆菌种的菌株而言「,当NaCl浓度为4.3失,只有含有“全反式”视黄醛的细胞视紫红质分子参与质子moL时,菌体生长良好。NaC1浓度小于3.0moL则不能存泵循环活。当NaCl浓度为2.0molL时,细菌细胞壁(由糖蛋白组成)会失去其坚硬性。NaCl浓度小于1.0molL时,细胞壁破碎并全反式发生胞溶,此时即可提取紫膜。以下介绍的培养方法主要针对实验室常用的菌株。培养细菌用的液体培养基由蛋白胨加盐基介质组成。所谓基盐介质即是为保持细菌正常生长所要求的离子组分和高渗浓度的介质,常简称为BSBS。加上蛋白胨组成的培养基,常被称为RM。其化学配方(分析纯试剂)如下:NaC1,250gLMgSO4,10gL;Na3CHO·2HO(柠檬酸三钠),3g/L;KCl,2gL;CaC2,0.2gL; Oxide L-37蛋白胨,10gL加入的 Trace Metals配方如下(溶解在200mL的0.1Mol/L HCl溶液中):znSO4·7HO,1,3gL;MnSO4HO,0.3N状态M状态g/L; Fe(NH4)SO4 '6 H O, 0.8 g/L; CuSO. 5 HO, 0.15 g/Lo图3典型质子泵作用循环的四个基本状态和演变过程2.3细胞视紫红质的提取首先是菌种的培养以,将分离纯化后的嗜盐菌菌种接利用闪烁光谱进行的研究表明",质子泵过程中有几种在已经灭菌的培养基上,在38℃恒温箱中培养4~5d。待个能量较低的中间态(过渡态)。普遍认为,主要的中间态包菌体变红后,按此法活化一次。活化后的菌体即可进行大规模括K、L、M、NO各个中间态和质子泵过程的动作之间的对培养。嗜盐菌大规模培养分两个阶段。第一阶段采用加氧泵和应关系十分复杂。日光灯不停的通气和照射,使嗜盐菌快速成长。培养5~7d细菌视紫红质的质子泵循环途径并不是唯一的。在后,嗜盐菌大量繁殖,因而嗜盐菌细胞膜呈红色(红膜),所以O态时的细菌视紫红质可以再吸收光能,产生一个新的中间培养基变红且浑浊。第二阶段,停止通气并隔绝空气,继续光态,最大吸收在490m,并且具有“9—顺式”视黄醛的结构照7~10d,因为缺氧,嗜盐菌必须通过细胞视紫红质吸收光这种产物被称为P态,它可以通过热力学反应转为最大吸收能,这时嗜盐菌细胞膜上出现紫色斑点即紫膜。待到菌体不再在380m的Q态,之后通过380mm的红光激发,使其回到变红,就可以收集菌体了。基态。Q态在常温下有着异常优秀的稳定性,光谱与基态差别离心收集菌体后,加入10倍体积的蒸馏水,在水的低渗更大,因此应用前景更明显一些。作用下,嗜盐菌细胞膜破裂,紫膜由于具有坚固的晶格结构而当前研究得较多的是¨紫膜”,这是一种生长在极端嗜盐得以保留下来。加入 Dnase水解核酸,离心收集沉淀,蒸馏水菌原生质膜上的物质。由于“紫膜”独特的质子泵效应和光电悬浮沉淀,然后匀浆、再离心,重复两次特性,使得它可作为优良的纳米生物材料而在许多方面均有与其他蛋白一样,细胞视紫红质的纯化可以采用密度梯重要应用,其中细菌视紫红质的光致变色性能、瞬态光电响应度离心、电泳、凝胶过滤等多重方法叫。这里介绍密度梯度离性能和非线性光学性能在实用技术上的应用最为突出。目前心法。经过上述分离后,大部分的红膜已经被除去,但从光谱已有大批研究人员从事于紫膜的研究工作,并已有相当一部中仍可看到含有一定量的红膜。红膜的密度为1.16kg/cm,紫分大工业集团参与和资助研究。膜密度为1.18gcm,常规的离心法不能将它们分开,可采用值得特别提及的是,细胞视紫红质可使光能转变为质子蔗糖密度梯度离心法。选择35%的蔗糖(密度为1.23gcm)的单向运动,产生电流,也就是作为光电转换的介质,从而有制备成不连续的密度梯度,离心后紫膜聚集在43%的蔗糖层可能提供一种崭新的“光电”电池。既然细胞视紫红质的质子的底部,红膜在35%蔗糖层,其他沉降系数比紫膜大的杂蛋泵效应可以用来产生氢能,也可以产生电流,因此,可就这种白膜碎片则沉淀具有光电转换能力的微生物进行实验,采用光照来使得该微24海水中微中国煤化工生物细胞两侧的电势差增大,此方面需要深入研究氢离子等CNMHG前面提到的-共且按元吧孜怏能力的微生物,的产生和运动,探讨可能的利用方式。或许可以找到将大量微不过是众多海洋微生物中的一小部分。事实上,与绿色植物的May 20L电源技术Chinee oumal y e purm叶绿素利用太阳能的方式相比,海洋中的微生物具有更为丰种同样重要的光驱动的过程:基于视紫红质(RH)和光敏色富的能量利用和转换方式。细胞视紫红质所具备的光电直接素(PC)的包括光能和有机物质(DOM)的交互过程。这些过转换能力和产氢能力,也只是研究人员对有限的海洋微生物程,再加上其它未在此图中表现出来的光驱动过程,维持和控发现的一小部分功能。因此,对海洋微生物的研究,有着极为制着外部能量是如何进入到海洋中的。海水中溶解的有机物光明的前景。如下从一个比较宏观的角度,扼要介绍海洋微生质(DOM)至少起着两个关键的作用:生物代谢(ATP的形物的几种作用。成)和生物合成绿色植物进行了几亿年的光合作用,这种光合作用需有对海洋微生物的这些研究具有重大的意义。将使人们能氧参与。而在微生物中,则存在着其它两种光合作用叫。一种够更好的理解生态系统中诸如氮元素、碳元素等物质的循环,是厌氧光合作用 AnAn,另一种则为“部分”需氧的光合作从而提出更好的清洁能源利用方案用AAnP。AAP需要氧气的参与,但是并不释放作为副产品3利用糖类产电的细菌电池而存在的氧气,这种作用直到二十多年前才在水生细菌中被对细菌电池的研究,一个主要方向就是基于糖来发电发现。采用普通的糖类或其它碳水化合物,适用于产能和去除工农大多数存在于海洋表层的微生物的光合作用都需要有氧业中的废水废料等。其中的关键在于要使得微生物/细菌,参与但越来越多的发现认为,能够进行AAnP的微生物生电子并实现定向迁移。此方面的一种途径是:在一个电池种类,占到了水中微生物细菌总数的11%之多。尽管效率不中的石墨电极处,生长细菌可用 Rhodoferax ferrireducens),然同,但是所有的AAnP微生物都通过一种特殊的色素利用光后喂食葡萄糖或其它糖类,使细菌产生电子,并将电子迁移到能,将CO2转化为有机碳。水中微生物和藻类将空气中的CO2石墨电极上,这种定向的迁移即可产生电流(如图5)。转化为有机体,部分碳进入食物链。在有氧的光合作用中,叶绿素a是收集光线的主要细胞器。 AnAn细菌以海水中富含的硫化氢或氢气天然气作为氢元素的提供者。这一点与其它光合作用细胞以水为氢元素提供者不同,也是 AnAn细胞不释放氧气的原因。 AnAn细胞不通过叶绿素,而基于细菌叶绿素a来收集光线。AAnP细菌则通过氧气来使有机碳实现新陈代谢。以合成细胞叶绿素a为例(在阳光比较充足时,这种合成更为有效),AAnP细菌也像 Anand细菌一样不通过水来提取氢,所以它们都不会释放氧气。这些细菌在海上的数目之多,达到了一个令人吃惊的程度这些发现要求人们重新审视海洋中的碳素循环和能量循环。AAnP细菌含有的色素远比进行有氧光合作用的细菌要少。这是因为这些AAnP细菌有其它“进食”方式,而不是只靠光合作用,比如它们很有可能同时利用光能和有机物质图4给出的是海水中,阳光、生物能的产生与溶解的有机图5吸附在石墨电极上的 Rhodoferax ferrireducens的电子显微图物质(DOM)之间的复杂关系。海水中的微生物细菌包括三Fig 5 SEM images of Rhodoferax ferrireducens attached to graphite种形式的光合作用:有氧的光合作用(OP);厌氧光合作用electrode/27)( AnAn)以及部分需氧的光合作用(AAnP)。此外还有另外两海洋中的细菌,在代谢和成长过程中,需要转移电子。这些微生物通常会将电子转移到海底的铁矿和硫酸盐矿物上。所以,可以利用这些海洋中的微生物,来制取能源,这些微生物被划归为 Geobacteraceae。 Rhodoferax ferrireducens就是种 Geobacteraceae。此类微生物也可以在被油或污水污染的海水中工作,产生电力。大多数的生物体都是通过呼吸作用来代谢糖类和其它有机物。在此过程中,它们都会产生电子,并转移电子到氧原子上。 Rhodoferax ferrireducens是可在 Oyster海湾的沉积物中找到的一种细菌冽,选取这种细菌的理由主要在于它具有如下特点:能够在铁或其它金属的环境下繁密生长。当氧气缺V中国煤化工能够将产生的电子迁移到周围图4海水中的光合作用AAnP和 AnAnCNMHG研究表明,这种细菌电池产生的能量,顶期叫占到葡萄糖分解产生的能量Fig 4 Photosynthesis AAnP and AnAnp in the seawater 24总量的85%。大概一杯体积的葡萄糖就足以驱动一个60WVol 29 No 5336 May 2005电源技术Chinee oumal y e purm的灯泡工作17d,而且这个过程中效率高达80%以上,并且不(例如碳)会释放有毒气体,而是排出二氧化碳。在以往的类似的糖类产以下从综合利用有机物发酵产氢、微生物产氢的角度,介电过程中,不仅效率甚低,只有1%左右,而且必须使用有毒绍微生物燃料电池(MFC)。的金属颗粒催化物。4.1利用有机物质能发酵产氢这一过程可分两种情况(图7):(1)在无光照的条件下将有机废弃物(例如剩菜剩肉等)利用酶进行发酵。那么则除了产生氢气和二氧化碳以外,还会伴随着甲烷的生成。可以将H氢气和甲烷分离,氢气用于发电,即供给燃料电池;而甲烷用以燃烧后供热。(2)在光照条件下,利用微生物来处理,使得6C:+2+24这些有机废弃物全部处在发酵条件下,产生氢气和二氧化碳,再将氢气用作燃料电池的能源来源。以上过程中,需要用到催化剂——氢化酶,其作用在于将离子文独氢离子结合在一起,形成氢气释放出来。在无光照的情况下有机物的发酵产氢,可以对极端喜温菌和嗜热菌加以研究图6 Rhodoferax ferrieducens微生物燃料电池工作原理示意图叫Fig 6 Schematic diagram of working principles in rhodoferaxferrieducen microbial fuel cell 2111+COCH+C现在虽已能利用 Rhodoferax ferrireducen或其它微生物细菌产生电流,但是,这个过程实在很慢。另一个问题是,在海有积物质无光记发产氨水中,往往缺乏足够的电子受体,例如铁矿等。因此,必须加快排出不产生电流的速度和效率,才能让这种细菌电池投入实用。目消化物质前,细菌电池的产电速度尚只能驱动一个小功率灯泡,或者是个计算器。但可以利用细菌来为电池不停的充电,然后一次H+C(使用,也能提供足够的驱动力。为使这种利用糖类发电的细菌电池尽快得到大规模的实际应用,必须加快其产电速度。此方面,以下几种途径值得尝试。图7利用有机物质能通过发酵产生氢气的途径(1)试验不同的金属物质作为细菌电流的接受介质Fig 7 Routes of hydrogen production based on the fermentation of(2)添加足够的电子受体金属organic compounds(3)增加电极表面,使更多的微生物细菌能够在上面生42微藻类制氢长一些蓝绿藻和细菌利用固氮菌制氢関。而绿藻制氢,需要(4)试验更多高效的微生物细菌。用到氢化酶。制氢的方法和途径多种多样。同步的一次光解水实际上,细菌电池的应用有着更多好处,甚至可以利用有释放出氢气和氧气,这种方法需要严格控制氧气的压力。在绿机废料,来产生电力。由此可以达到同时解决能源供应和环境藻有氧的光合作用中,如果及时释放出氧气以控制压力的话,清洁两个目的。则绿藻的产氢活动将是短暂的,因为光解出来的氧气将使得如果能够成功的提取这些海洋微生物并实现在陆地上的可逆转的氢化酶很快失去活性。大规模培植,就有可能开发出一种新的实用性微生物燃料电解决绿藻产氢过程中对氧气的敏感性的方法之一是,池,其燃料可以是糖,甚至是有机废物。另外一种可能的大胆通过培植遗传,在后代中找到可以在空气环境下(有着一定方案则是,直接在海洋中划出一块富含〔 ieobacteraceae微生氧气的环境)持续释放氢气的变异体。图8是以莱茵衣藻为物的领域,通过添加铁矿等电子受体,驱使 Geobacteraceae产例,筛选绿藻变异后代的一个装置。在琼脂培养基中的莱茵衣电并收集,当然这在技术上很难实现,且难度很大。但一旦成澡,光照条件下,某些群落能持续释放出氢气,这些氢气经过功,则有望开发出海上细菌燃料电站,从而发挥巨大的作用。过滤,上层中是对氢气敏感的感应物质(例如某种钨的氧化4生物燃料电池物)。当接触到氢气时,它们会转变成蓝紫色。很早以来,科学家就在利用细胞的固定化技术来生产清4.3微生物燃料电池(MFC)洁能源,如通过固定化 Clostridium butyricum细胞产氢,用固微生物燃料电池的研究是微生物产能供电方面的一个重定化蓝绿藻光合产氢等要课题35中国煤化工生物燃料电池使用诸如氢化酶等的酶,氧化氢原子,从而图9是的试验示意产生电流。在生物燃料电池中,催化剂是微生物或者酶,从而所用的微生物放CNMHG绕在阴极周围。无需如铂之类的金属介质。酶可以固定在产生的固体表面上图10,图11是一个微生物燃料电池的组装图,所有的结电源技术Chinee oumal y e purm4.4与MEMS结合的微生物燃料电池美国加州大学 Berkeley分校机械工程系的Lin,出于对无污染的汽车能源和家用能源的硏究,注意到了微生物燃料传感器电池(MFC)。其研究表明,微生物燃料电池完全可以做到更小的尺度。Lin的燃料电池目前已能达到0.07cm2面积大小氢气使用的燃料为葡萄糖,催化剂为 cerevisiae酵母。产氢落盒这种微生物燃料电池的原型中有一个微小的空室(见图12),用于放置进行发酵作用的微生物。葡萄糖溶液通过平行的流体槽道进入到这个微小空室中;在微生物进行发酵的过程中,产生氢质子和电子。Lin的实验中,在长达两个小时的过程中,该微生物燃料电池产生了300μV的电压图8在琼脂板上对莱茵衣藻的变异进行筛选r of the differentiation of Chlamydomonas reinhardtii in anagar plate 52)流体管道构部件,均是从4mm厚的塑胶板上剪切加工的,其底座( End plate)大约为45mm×40mm。微小空室璞电极盛在透析膜中的改生物图12微生物燃料电池的流体端口和流体管道的SEM微缩图片Fig 12 SEM image of liquid port and liquid pipeline in a图9一个简单的微生物电池示意图Fig9 A schematic diagram of a basic microbial fuel cell s4这种微型生物燃料电池产生的电压,已足以驱动MEMS( microelectromechanical system)器件,同时,微生物燃料电池隔布科产生的只是二氧化碳和水分,对MEMS器件不会有污染和侵丁橡胶蚀。所以MEMS和微生物燃料电池(MFC)的结合,大有可破纤雄为。这两种技术的融合,可能是未来微机械和微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。例如在微型的自维持型医疗器械上,若能有一个微生物燃料电池驱动的微型血糖浓度检测仪则可将其植入到某一血管管壁上,在其提取血液中的血糖做分析时,可通过自带的微生物燃料电池,提取小部分的血糖阳离子交换夏利用其中的葡萄糖发电,一方面维持自身的能量,另一方面则可以产生电磁信号,向外界传递关于血糖浓度的信息,从而达隔层布料科到长时间监测血糖的功能。类似的关于生物体内部的检测装置,均可采用MEMS和MFC技术的结合,由此实现对生物体图10一个微生物燃料电池的结构示意图吗内部参数的长期、实时的观测。进一步的,或许可以发展出微Fig 10 Schematic diagram of a microbial fuel cell structure型的医疗设备,对生物体内部进行排毒。由于此时所采用的是微型的生物燃料电池,能源直接来自于生物体内部,所以不会产生“多余”物质,从而可避免对生物体的感染和伤害。5分解有机物作为能源的机器人吃肉的机器人( gastrobot)是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器5.1基于微生中国煤化工术的吃肉机器人CNMHG图11组装后的微生物燃料电池外形如图13所示的是一种吃肉机器人,它所依靠的正是典型ssembly drawing of a microbial fuel cells4的微生物燃料电池技术,可将食物的能源转化为电流。以葡萄Vol 29 No 5 338 May 2005电源技术Chinee oumal y e purm糖溶液作为基础燃料,利用发酵来起作用。这种基于微生物燃52吃肉机器人的结构系统和设计料电池的吃肉机器人,主要包括以下几个必要部件:生物催化图15所示的是“美食者”号吃肉机器人两,是一个基于剂;氧化还原反应的中介物(例如图13中的甲基蓝溶液微生物燃料电池的机器人。其结构系统包括:平台和驱动系methylene blue);一个阳离子交换隔膜;电极;阴极氧化反应物统;微生物燃料电池的堆栈;胃槽;胃泵;肺槽;中心泵。(例如图13中的铁氰化物 ferricyanide阳极,r电子简萄甲基蓝液还厚态e(CNECo2图15一个基于微生物燃料电池的吃肉机器人"美食者"阳离子交换膜Fig, 15 Gastronome"-a prototype MFC powered Gastrobot图13一种典型的吃肉机器人所用的微生物燃料电池的基本工作过程吗在设计和组装微生物燃料电池驱动的吃肉机器人时,需Fig 13 Basic operation of a microbial fuel cell used in gastrobot s1要考虑很多机械上的问题。例如基于最大化“功率/重量”的上述产能方式的不足之处在于,用来对所喂食的食物起比例出发,这个吃肉机器人的结构材料应该是轻型的,并且材发酵作用的酵母,是一种作用缓慢的生物催化剂,它与利用食料中和生物体接触的部分,应该是绝缘和没有毒性的。物的微生物燃料电池产生的电力输出,很不容易耦合上。从生使用微生物燃料电池的吃肉机器人,要发展到能够在物电化学的观点看来,真核细胞中心的减少,是由于线粒体被“野外”自行取食来维持自己的生存,还有很长一段路要走。深深的埋藏于细胞的细胞质中,所以不易被氧化还原的中介必须考虑从如何寻找食物,直到自行清除不能消化的食物残物质所接触。这种结果导致了基于对食物起发酵作用的系统渣等种种纷繁复杂的问题。但是现阶段,能够做到尽量充分的的电力输出很慢很低。酵母是一种安全的有机体,但是在利用利用所喂食的食物来作为能源动力,就已经很值得满意了。食物做电力输入的微生物燃料电池中,却显然不够高效。下面我们跟踪一下阳离子溶液的循环,来看看吃肉机器其它存在着的限制微生物燃料电池用于吃肉机器人的人的基本构造和部件(图16)还包括(1)尺寸问题。为了驱动一个吃肉的机器人,所用的微生8的的物燃料电池可能用到1L溶液。Alla(2)费用问题。阳离子的交换膜和电极,均很昂贵。(3)安全问题。要非常小心作为阴离子溶液的铁氰化物的毒性(见图14)。1.嘴;2.食道;3.胃槽;4.海绵状的细菌群体;5.一对风箱泵(4)堵塞问题。使用真正的食物和使用葡萄糖溶液相比6.混和阀;7供应阀;8.逆流过滤阀;9生物体过滤器10.六个阳极室;11.细胞隔绝阀会大大增加堵塞交换膜的可能性,从而要求经常和及时的清图16阳离子溶液在吃肉机器人"美食者"中的循环示意图啊洁出不能被消化利用的食物残渣。Fig. 16 Plumbing arrangement for the anolyte circuit in"Gastronome"1-吃肉的机器人,是基于微生物燃料电池的方法,结合了觅食、取食、消化(微生物发电)、吸收利用和排出等人性化的过程,是一个涉及了诸多学科的综合课题。类似的概念,本文认为如何将吃肉的机器人微型化,会是继MFC和MEMS结合之后的一个新的重要发展课题。在通过MEMS技术将微生物燃料电池(MFC)微型化以后,就可以为许多针对生物体的微型器械和医疗设备提供能源。进一步的,参考吃肉的机器人FecN这个概以提出生物质燃料微型机器人的概念。相对于MEMS和MFC的结合,生物质微型机器人可以实现更为复杂的操作和多样机部,自行的寻觅某离子交换谟种特定的微生物中国煤化工亥种微生物的同图14阴极处铁氰化物和氧气的反应凹时,通过微生物CNMH的运行和向外界Fig 14 Ferricyanide and oxygen cathode reactions 57发送信息。Vol 29 No 5339 May 2005电源技术Chinee oumal y e purm6小结water under visible light irradiation with an oxide semiconductor本文总结了生物质燃料电池的研究进展,并对其中利用photocatalyst [J]. 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