单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析

D01:10.13374.isml001053x2007.s2.095 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 冯雅丽)李浩然)祝学远) 1)北京科技大学土木与环境工程学院.北京1000832)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室.北京100080 摘要利用构建的单室微生物燃料电池.进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生 物燃料电池性能影响的研究.结果表明：在其它条件相同的情况下.随着阴极电极板中F+含量的增加.电池负载输出电压 随之提高：不同底物的阳极反应.随着产生的电子和质子数的提高，电量随之增大：输出电压亦随底物浓度的增加而提高.但 底物葡萄糖的浓度饱和值为Q72gL:增加阳极板数量加大阳极比表面积，更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子，电池输 出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据。 关键词单室微生物燃料电池：电池性能：阴极电极板：底物浓度：阳极电极面积 分类号TM91145 微生物燃料电池是指在微生物催化作用下将化 积物中自行分离（海底沉积物由中国大洋样品库提 学能转化为电能的装置.微生物燃料电池一般包含 供).培养基成分如下(1L):KCl01g,NH4C10.2 阴阳两个极室，中间由质子交换膜分隔开，燃料于 g,NaH2PO406g,NaHCO325g,Wolfe微量维生素 阳极室在微生物作用下被氧化，电子通过外电路到 混合液10mL,Wolfe微量矿物元素到混合液10 达阴极，质子透过质子交换膜到达阴极，氧化物（一 mL,电子供体葡萄糖10 mmol'L1或10mmo/L醋 般为氧气)在阴极得到电子被还原.根据电子传递 酸钠.调pH=68~7.0.利用N2C02(体积比为 方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接 8020)除去灭菌前培养基中的氧气后，分装入厌氧 微生物燃料电池).直接微生物燃料电池是指燃料 培养管中，121℃灭菌15min,在厌氧培养箱进行必 直接在电极上氧化，电子直接从燃料分子转移到电 要的转接等操作，整个过程严格厌氧培养.固体 极：间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，在 FOH)3作为电子受体，浓度为100 mmol'L1,经 别处氧化后，电子通过某种途径再转移到阳极板上. 紫外线灭菌10min后加入厌氧管中.培养温度为 目前质子交换膜燃料电池一般为双室电池，电 极催化多数使用铂系催化剂？.这种双室微生物燃 30℃.细菌在接入电池之前，为了除去Fe(Ⅱ)或Fe 料电池有其不实际之处：(1)在阴极室要通入氧气： (离子对电极反应可能的干扰，将细菌从以Fe (2)铂电极成本高：(3)操作复杂，难以放大应用.因 (OH)3作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作 此寻找操作简单、成本低的电池是微生物燃料电池 电子受体的培养基，培养3代后，取对数生长期菌液 的发展方向.本文制作了一种廉价的阴极催化电极 按10%接入阳极室.阳极室的溶液，其成分与培养 (石墨掺杂Fe3+),通过对电池装置的改造，利用 基稍有不同：在阳极室加入电解质NaCl(2.9 Rhodoferax ferrireducens吸附电极的性质构建了单 gL:继续用NaHCO3的缓冲体系：阳极需加入 室直接微生物燃料电池，并对影响单室微生物燃料 电子供体（燃料）葡萄糖或醋酸钠， 电池的几个因素作了研究 1.2阴极电极的制作 以硫酸铁、石墨粉、高岭土和氯化镍为原料制作 1实验材料和方法 阴极电极.这四种原料均为分析纯.购买于北京化 1.1菌种及其培养条件 学试剂公司.其中石墨粉的粒径为一500目，高岭 Rhodoferax ferrireducens(简称R.f)由海底沉 土的粒径为一400目.四种粉末按照一定的质量比 混合，其比例为3%（硫酸铁）：60%（石墨粉）：36% 收稿日期：2007-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.20476009.No. (高岭土)：1%（氯化镍）.将四种粉末与一定量的造 20576137:国家长远发展专项(Na.DY105040一08)：“973"项目 孔剂混合均匀，加入一定量的蒸馏水搅拌均匀，放入 (No.2003CB716001):支撑项目(Na2006BAB02A11) 一个面积为50cm2的圆形模具中，在20kg°cm2的 作者简介：冯雅丽(1967一)，女，副教授，硕士 压力下压成直径为8am,厚度为5mm的圆形薄板

单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 冯雅丽1) 李浩然2) 祝学远1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080 摘 要 利用构建的单室微生物燃料电池, 进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生 物燃料电池性能影响的研究.结果表明:在其它条件相同的情况下, 随着阴极电极板中 Fe 3 +含量的增加, 电池负载输出电压 随之提高;不同底物的阳极反应, 随着产生的电子和质子数的提高, 电量随之增大;输出电压亦随底物浓度的增加而提高, 但 底物葡萄糖的浓度饱和值为 0.72 g/ L ;增加阳极板数量加大阳极比表面积, 更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子, 电池输 出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据. 关键词 单室微生物燃料电池;电池性能;阴极电极板;底物浓度;阳极电极面积 分类号 TM 911.45 收稿日期:2007-10-29 基金 项目:国家 自然 科学 基金 资助 项目 ( No .20476009, No . 20576137) ;国家长远发展专项( No.DY105-04-01-08 ) ;“ 973” 项目 ( No .2003CB716001) ;支撑项目( No.2006BAB02A11) 作者简介:冯雅丽( 1967—) , 女, 副教授, 硕士 微生物燃料电池是指在微生物催化作用下将化 学能转化为电能的装置.微生物燃料电池一般包含 阴阳两个极室, 中间由质子交换膜分隔开.燃料于 阳极室在微生物作用下被氧化, 电子通过外电路到 达阴极, 质子透过质子交换膜到达阴极, 氧化物( 一 般为氧气) 在阴极得到电子被还原 .根据电子传递 方式的不同, 可将微生物燃料电池分为直接和间接 微生物燃料电池 [ 1] .直接微生物燃料电池是指燃料 直接在电极上氧化, 电子直接从燃料分子转移到电 极;间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化, 在 别处氧化后, 电子通过某种途径再转移到阳极板上 . 目前质子交换膜燃料电池一般为双室电池, 电 极催化多数使用铂系催化剂[ 2] .这种双室微生物燃 料电池有其不实际之处 :( 1) 在阴极室要通入氧气 ; ( 2) 铂电极成本高;( 3) 操作复杂, 难以放大应用 .因 此寻找操作简单 、成本低的电池是微生物燃料电池 的发展方向.本文制作了一种廉价的阴极催化电极 ( 石墨掺杂 Fe 3 +) , 通过对电池装置的改造, 利用 Rhodoferax ferrireducens 吸附电极的性质构建了单 室直接微生物燃料电池, 并对影响单室微生物燃料 电池的几个因素作了研究 . 1 实验材料和方法 1.1 菌种及其培养条件 Rhodoferax ferrireducens( 简称 R .f ) 由海底沉 积物中自行分离( 海底沉积物由中国大洋样品库提 供) .培养基成分如下( 1 L) :KCl 0.1 g, NH4Cl 0.2 g, NaH2PO4 0.6 g, NaHCO3 2.5 g, Wolfe 微量维生素 混合液 10 mL, Wolfe 微量矿物元素[ 3] 混合液 10 mL, 电子供体葡萄糖 10 mmol·L -1或 10 mmol/L 醋 酸钠 .调 pH =6.8 ～ 7.0 .利用 N2-CO2 ( 体积比为 80∶20) 除去灭菌前培养基中的氧气后, 分装入厌氧 培养管中, 121 ℃灭菌 15 min, 在厌氧培养箱进行必 要的转接等操作, 整个过程严格厌氧培养[ 4] .固体 Fe( OH) 3 作为电子受体, 浓度为 100 mmol·L -1 , 经 紫外线灭菌 10 min 后加入厌氧管中.培养温度为 30 ℃.细菌在接入电池之前, 为了除去 Fe( Ⅱ) 或 Fe ( Ⅲ) 离子对电极反应可能的干扰, 将细菌从以 Fe ( OH) 3 作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作 电子受体的培养基, 培养 3 代后, 取对数生长期菌液 按 10 %接入阳极室.阳极室的溶液, 其成分与培养 基稍 有不 同:在 阳极 室 加入 电解 质 NaCl ( 2.9 g·L -1 ) ;继续用 NaHCO3 的缓冲体系 ;阳极需加入 电子供体( 燃料) 葡萄糖或醋酸钠 . 1.2 阴极电极的制作 以硫酸铁、石墨粉 、高岭土和氯化镍为原料制作 阴极电极 .这四种原料均为分析纯, 购买于北京化 学试剂公司 .其中石墨粉的粒径为 -500 目, 高岭 土的粒径为-400 目.四种粉末按照一定的质量比 混合, 其比例为 3 %( 硫酸铁) :60 %( 石墨粉) :36 % ( 高岭土) :1 %( 氯化镍) .将四种粉末与一定量的造 孔剂混合均匀, 加入一定量的蒸馏水搅拌均匀, 放入 一个面积为 50 cm 2 的圆形模具中, 在 20 kg·cm -2的 压力下压成直径为 8 cm, 厚度为 5 mm 的圆形薄板, 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.095

Vol.29 SuppL 2 冯雅丽等：单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 163。 在室温下干燥48h.干燥后将薄板置于马弗炉中，1 混合气.混合气通入阳极室前需通过孔径为0.45 100℃恒温锻烧12h,以氮气作为保护气确保厌氧环 m的混合纤维素酯微孔滤膜.阳极室需缓慢搅拌， 境.将圆形薄板电极截成50mm×50mm×2mm的 负载电阻5102. 阴极电极板.利用同样的程序制作了硫酸铁含量为 1.4分析方法及数据采集设备 0和6%的阴极电极（改变高岭土含量）. 电压采集：数据采集卡为瑞博华AD8201H,16 13单室直接微生物燃料电池体系 位，32通道，编程双端方式工作，采集精度0.1mV, 研制的单室微生物燃料电池为一个长方体有机 采集的电压值除以负载电阻，就是电池的电流. 玻璃容器，见图l,尺寸为15cm×12cm×8cm,腔体 电池阳极室内细胞浓度测定：取菌液5mL, 为电池的阳极室8,7为阳极电极.侧面为一台阶式 3500rmin-1下离心20min,去除上清液.加05mL 的窗口6.周围有4个螺孔，以固定阴极板.阴极板 0.1molL1Na0H重悬细胞，一20C储存.测定 和阳极室之间用质子交换膜5(Nafion一l17, 时，把样品解冻，100℃沸水浴20min,冷却后加0.5 Dupont))相隔，质子交换膜与阴极板4之间用真空垫 mL0.1molL1HC,用考马斯亮蓝法9测蛋白浓 保持密封.容器上方开有8个小孔，其中1是气体 度，595nm波长处检测. 进口，2是气体出口，其余6个是电极导线出口3.6 葡萄糖的测定：3,5-二硝基水杨酸法(DNS 是负载电阻. 法)【下9 2结果与讨论 2.1阴极硫酸铁含量对输出电压的影响 为了考察阴极电极中硫酸铁含量对输出电压的 影响，阴极板中硫酸铁的含量分别为0,3%和6%， 阳极为6块高纯石墨电极，外电阻为510Ω的定值 电阻，电池输出电压情况如图2所示. 0.35 0.30 0.25 o-6%Fe3 3%Fe3 0 无Fe 1一气体进口：2一气体出口：3一电极导线出口：4一阴极板：5一质 子交换膜：6一负载电阻：7一阳极电极：8一阳极室 8ae 图1单室直接微生物燃料电池装置图 0 此单室微生物电池是将阴极室去除，只留阴极 0.05 电极暴露在空气中，利用阴极电极传递空气中的氧 02000400060008000100001200014000 时间min 气，同时传递到阴极电极上的电子和质子与氧气发 图2阴极中Fe+含量对电池电压的影响 生反应生成水，这样可以减去在阴极室通入氧气的 工作，从而可以不需要阴极室而构成了单室电池， 从图2可以看出，阴极板中不含铁离子（硫酸 阴极板中的Fe+相当于是一种电子载体，加速电子 铁)的无介体微生物燃料电池电压输出最小（基线电 的传递速率. 压为001V),说明阴极电极中的铁离子加速了阴 质子交换膜使用前需依次在30%H202、去离 极的反应.阴极板含6%硫酸铁的电池产生的电压 子水、05mo/LHS04及去离子水中各煮沸1H匀， 最高，比3%的阴极板高了大约20mV.Fe+在阴极 然后保存在去离子水中以供使用.阳极电极为未抛 电极中发生如下反应： 光的高纯石墨电极，每块石墨电极尺寸为50mm× Fe +e--Fe2t 50mm×5mm,面积为25cm2.阳极电极在使用前用 Fe2++02+H→H20+Fe升 1molL1HCl浸泡去除杂质离子，使用完后再用1 Fe升接受电子变为Fe2+,而Fe+又被空气中 mdL1NaOH浸泡以除去其表面吸附的细菌.阳 的氧气氧化为Fe3+,铁离子在二价和三价间不断循 极室接种前通N一C02(体积比为8020)混合气除 环转化，加速电子的传递速率，从而降低了氧气在阴 尽装入的培养基中的氧气，接种后密封或者缓慢通 极和H反应的超电势，增大了电池的输出电压

在室温下干燥 48 h .干燥后将薄板置于马弗炉中, 1 100 ℃恒温锻烧12h, 以氮气作为保护气确保厌氧环 境.将圆形薄板电极截成 50 mm ×50 mm ×2 mm 的 阴极电极板.利用同样的程序制作了硫酸铁含量为 0 和 6 %的阴极电极( 改变高岭土含量) . 1.3 单室直接微生物燃料电池体系 研制的单室微生物燃料电池为一个长方体有机 玻璃容器, 见图 1, 尺寸为 15 cm ×12 cm ×8 cm, 腔体 为电池的阳极室 8, 7 为阳极电极 .侧面为一台阶式 的窗口 6, 周围有 4 个螺孔, 以固定阴极板 .阴极板 和阳 极 室之 间 用 质子 交 换膜 5 ( Nafio n -117, Dupont) 相隔, 质子交换膜与阴极板 4 之间用真空垫 保持密封.容器上方开有 8 个小孔, 其中 1 是气体 进口, 2 是气体出口, 其余 6 个是电极导线出口 3 .6 是负载电阻. 1—气体进口;2—气体出口;3—电极导线出口;4—阴极板;5—质 子交换膜;6—负载电阻;7—阳极电极;8—阳极室 图 1 单室直接微生物燃料电池装置图 此单室微生物电池是将阴极室去除, 只留阴极 电极暴露在空气中, 利用阴极电极传递空气中的氧 气, 同时传递到阴极电极上的电子和质子与氧气发 生反应生成水, 这样可以减去在阴极室通入氧气的 工作, 从而可以不需要阴极室而构成了单室电池 . 阴极板中的 Fe 3 +相当于是一种电子载体, 加速电子 的传递速率. 质子交换膜使用前需依次在 30 %H2O2 、去离 子水 、0.5 mol/ L H2SO4 及去离子水中各煮沸 1 h [ 5] , 然后保存在去离子水中以供使用 .阳极电极为未抛 光的高纯石墨电极, 每块石墨电极尺寸为 50 mm × 50 mm ×5 mm, 面积为 25cm 2 .阳极电极在使用前用 1mol·L -1 HCl 浸泡去除杂质离子, 使用完后再用 1 mol·L -1 NaOH 浸泡以除去其表面吸附的细菌 .阳 极室接种前通 N2-CO2( 体积比为 80∶20) 混合气除 尽装入的培养基中的氧气, 接种后密封或者缓慢通 混合气.混合气通入阳极室前需通过孔径为 0.45 μm 的混合纤维素酯微孔滤膜 .阳极室需缓慢搅拌, 负载电阻 510 Ψ. 1.4 分析方法及数据采集设备 电压采集 :数据采集卡为瑞博华 AD8201H, 16 位, 32 通道, 编程双端方式工作, 采集精度 0.1 mV, 采集的电压值除以负载电阻, 就是电池的电流. 电池阳极室内细胞浓度测定 :取菌液 5 mL, 3 500 r·min -1下离心 20 min, 去除上清液, 加 0.5 mL 0.1mol·L -1 NaOH 重悬细胞, -20 ℃储存.测定 时, 把样品解冻, 100 ℃沸水浴 20 min, 冷却后加 0.5 mL 0.1 mol·L -1 HCl, 用考马斯亮蓝法 [ 6] 测蛋白浓 度, 595 nm 波长处检测 . 葡萄糖的测定:3, 5 -二硝基水杨酸法( DNS 法) [ 7-8] . 2 结果与讨论 2.1 阴极硫酸铁含量对输出电压的影响 为了考察阴极电极中硫酸铁含量对输出电压的 影响, 阴极板中硫酸铁的含量分别为 0, 3 %和 6 %, 阳极为 6 块高纯石墨电极, 外电阻为 510 Ψ的定值 电阻, 电池输出电压情况如图 2 所示 . 图 2 阴极中 Fe 3 +含量对电池电压的影响 从图 2 可以看出, 阴极板中不含铁离子( 硫酸 铁) 的无介体微生物燃料电池电压输出最小( 基线电 压为 0.01 V) , 说明阴极电极中的铁离子加速了阴 极的反应 .阴极板含 6 %硫酸铁的电池产生的电压 最高, 比 3 %的阴极板高了大约 20mV .Fe 3 +在阴极 电极中发生如下反应: Fe 3+ +e - ※Fe 2+, Fe 2+ +O2 +H +※H2O +Fe 3+ . Fe 3+接受电子变为 Fe 2 +, 而 Fe 2+又被空气中 的氧气氧化为 Fe 3 + , 铁离子在二价和三价间不断循 环转化, 加速电子的传递速率, 从而降低了氧气在阴 极和H +反应的超电势, 增大了电池的输出电压 . Vol.29 Suppl.2 冯雅丽等:单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 · 163 ·

。164 北京科技大学学报 2007年增刊2 本实验只对Fe升在阴极中的作用作了初步探 高，电池的负载电压呈现一定的上升趋势，当浓度高 索，对其含量的最佳比例有待进一步研究.但并非 于0.72g°L时负载电压不再增大，说明底物对电 含量越多电压就越高.阴极面积为25cm2,载体的 池的电压有个饱和浓度值)，在此条件下，以葡萄 量不宜过多.若硫酸铁含量过高，电极制作较困难， 糖为底物的饱和浓度为072gL1. 易出现裂缝，也影响阴极电极的导电特性 0.50 0.45 0.18gL1葡萄糖 o-0.72gL-1葡萄糖 2.2不同底物对电池输出电压的影响 0.40 一0.36gL-4葡萄糖 ←0.90gL葡萄糖 ▲一0.54gL1葡萄糖 选取两种短碳链有机化合物葡萄糖和醋酸钠为 0.35 0.30 底物，考察不同底物对电池产电的影响.负载电压 0.25 如图3所示. 0.20 0.15 0.40 0.10 035 。一葡萄糖 0.05 0.30 。一醋酸钠 0 -0.05 0.25 -1000 2000 5000 800011000 0.20 时间min 0.15 0.10 图4不同底物（葡萄糖）浓度的输出电压情况 0.05 0以 2.4阳极面积对电池输出电压的影响 0.05 0100020003000400050006000 当底物（葡萄糖）浓度为0.18gL时，在电池 时间min 的阳极室中分别接入不同数量的阳极电极板，每块 阳极电极的面积为25cm2,而阴极只是一块面积为 图3底物为葡萄糖和醋酸钠输出电压的情况 25cm2的阴极电极板，电池负载的电压如图5所示. 从图3可以看出，在其它操作条件相同的情况 0.40 ★一2块阳极 下，葡萄糖为底物的电池产电量比醋酸钠高。以葡 0.36 0.32 ?一3块阳极 ◆一4块阳极 萄糖和醋酸钠为底物的微生物燃料电池，其阳极在 0.28 0一1块阳极 0.24 Rhodoferax ferrireducens催化作用下分别发生以下 反应： 8 0.12 C6H206+6H20Mioism 6C02+24H++ 0.08 0.04 24e, 0 金mmi品ww 0.04 CH3COO+2H20Miroogmi-C -500 1000 2500 4000 时间min 8e. 可见微生物Rhodoferax ferrireducens在阳极 图5不同的阳极板数产生的电压 室氧化两种有机物释放的电子和质子数不同，由阳 随着阳极板的数量增多，即阳极板面积的增大， 极室传到阴极电极板的质子和经外电路到达阴极板 电池的负载电压呈增大的趋势，当接入4块石墨阳 的电子的速度与氧气反应生成水的氧化还原效率不 极电极时，电池负载两端的电压最大，但电压并不是 同.在相同的条件下，以葡萄糖为底物产生的电子 按照阳极板的数量成倍增加.阳极块数量增加导致 和质子数多于醋酸钠，且电子和质子的传递速度及 电池负载电压的升高是由于阳极的比表面积增大， 两者在阴极板与氧气发生反应的效率都比醋酸钠 从而更多的微生物(Rhodoferax ferrireducens)吸附 高，相应的电压就高. 在阳极电极上传递电子10，但电池的负载（输出）电 2.3底物浓度对电池输出电压的影响 压不成倍数递增. 当Rhodoferax ferrireducens菌在阳极电极上 形成了成熟的生物膜后，在阳极室中接入3块有成 3结论 熟生物膜的电极，加入不同浓度的底物（葡萄糖）于 (1)在阴极板中添加Fe3+,通过铁离子在二价 电池阳极室，外电阻为510Ω的定值负载电阻，其电 和三价间循环转化，加速电子的传递速率，构建了单 池的负载电压随时间变化情况如图4所示. 室直接微生物燃料电池.在其它条件相同的情况 从图4可以看出，随着底物（葡萄糖）浓度的提 下，随着阴极电极板中F汁含量的增加，电池负载

本实验只对 Fe 3+在阴极中的作用作了初步探 索, 对其含量的最佳比例有待进一步研究.但并非 含量越多电压就越高.阴极面积为 25 cm 2 , 载体的 量不宜过多 .若硫酸铁含量过高, 电极制作较困难, 易出现裂缝, 也影响阴极电极的导电特性. 2.2 不同底物对电池输出电压的影响 选取两种短碳链有机化合物葡萄糖和醋酸钠为 底物, 考察不同底物对电池产电的影响.负载电压 如图 3 所示. 图 3 底物为葡萄糖和醋酸钠输出电压的情况 从图 3 可以看出, 在其它操作条件相同的情况 下, 葡萄糖为底物的电池产电量比醋酸钠高.以葡 萄糖和醋酸钠为底物的微生物燃料电池, 其阳极在 Rhodoferax ferrireducens 催化作用下分别发生以下 反应 : C6H12O6 +6H2O Microorganism 6CO2 +24H + + 24e - , CH3COO - +2H2O Microorganism 2CO2 +7H + + 8e - . 可见微生物 Rhodoferax ferrireducens 在阳极 室氧化两种有机物释放的电子和质子数不同, 由阳 极室传到阴极电极板的质子和经外电路到达阴极板 的电子的速度与氧气反应生成水的氧化还原效率不 同.在相同的条件下, 以葡萄糖为底物产生的电子 和质子数多于醋酸钠, 且电子和质子的传递速度, 及 两者在阴极板与氧气发生反应的效率都比醋酸钠 高, 相应的电压就高 . 2.3 底物浓度对电池输出电压的影响 当 Rhodoferax ferrireducens 菌在阳极电极上 形成了成熟的生物膜后, 在阳极室中接入 3 块有成 熟生物膜的电极, 加入不同浓度的底物( 葡萄糖) 于 电池阳极室, 外电阻为 510 Ψ的定值负载电阻, 其电 池的负载电压随时间变化情况如图 4 所示. 从图 4 可以看出, 随着底物( 葡萄糖) 浓度的提 高, 电池的负载电压呈现一定的上升趋势, 当浓度高 于 0.72 g·L -1时负载电压不再增大, 说明底物对电 池的电压有个饱和浓度值[ 9] , 在此条件下, 以葡萄 糖为底物的饱和浓度为 0.72 g·L -1 . 图 4 不同底物( 葡萄糖) 浓度的输出电压情况 2.4 阳极面积对电池输出电压的影响 当底物( 葡萄糖) 浓度为 0.18 g·L -1时, 在电池 的阳极室中分别接入不同数量的阳极电极板, 每块 阳极电极的面积为 25 cm 2 , 而阴极只是一块面积为 25 cm 2 的阴极电极板, 电池负载的电压如图 5 所示. 图5 不同的阳极板数产生的电压 随着阳极板的数量增多, 即阳极板面积的增大, 电池的负载电压呈增大的趋势, 当接入 4 块石墨阳 极电极时, 电池负载两端的电压最大, 但电压并不是 按照阳极板的数量成倍增加 .阳极块数量增加导致 电池负载电压的升高是由于阳极的比表面积增大, 从而更多的微生物( Rhodoferax ferrireducens) 吸附 在阳极电极上传递电子[ 10] , 但电池的负载( 输出) 电 压不成倍数递增. 3 结论 ( 1) 在阴极板中添加 Fe 3 +, 通过铁离子在二价 和三价间循环转化, 加速电子的传递速率, 构建了单 室直接微生物燃料电池.在其它条件相同的情况 下, 随着阴极电极板中 Fe 3+含量的增加, 电池负载 · 164 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 冯雅丽等：单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 ·165。 输出电压随之提高. 面电子传递过程.北京科技大学学报，2006.28(11)：1009 (2)分别以葡萄糖和醋酸钠为底物的阳极反应 【刂刘志丹，杜竹玮，李浩然等.利用异化还原菌构建含糖微生物 电池.生物工程学报.2006.22(1)：131 产生的电子和质子数不同，前者大于后者，且输出电 【习于景荣，衣宝廉，韩明，等.Nion膜厚度对质子交换膜燃料电 压亦随底物浓度的增加而提高，但底物浓度有个饱 池的影响.电源技术，2001,25(6)：384 和值，葡萄糖为0.72gL1. [6 Holme D J.Peck H.Analy tical biochemistry.New York:Long (3)增加阳极板数量即加大了阳极的比表面积， man Group Limited,1983 使得更多的微生物吸附在阳极电极上参与电子的传 【7尹银嘉，魏士超，马宝瑕3，一二硝基水杨酸法测二味康口服 液中多糖的含量.中国医药学杂志，2003.23(7)：414 递，电池输出电压的增加并不与阳极板数量成倍数 【习王清吉，尹西竹，刘永举，等.DNS法测定饲用木聚糖酶活力 关系. 兽药与饲料添加剂，2000,5：10 [9 Hyunsoo M.In S C.Byung H K.Continuous dlectricity produc 参考文献 tion from artificial wastew ater using a mediatorless microbial fuel 【刂连静，冯雅丽，李浩然，等。微生物燃料电池的研究进展.过程 cell.Bioresour Technol,2006.97:621 工程学报，2006.6(2)：334 10 Dariel R.Bond,Derek R L.Electricity production by geobacter 【2】连静，冯雅丽，李浩然，等.直接微生物燃料电池的构建及初步 sulfurreducens attached to electmdes.Appl Environ Microbial. 研究.过程工程学报，2006.63)：409 2003,693):1548 【3引冯雅丽，李浩然，连静，等.利用微生物电池研究微生物在矿表 A nalysis of influencing factors on the performance of single chamber direct microbial fuel cell FENG Yali",LI Haoran2,ZHU Xueyuan" 1)School of Civil and Envimonmental Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijng 100083,China 2)State Key Laboratory of Biochemical Engineering,Instit ute of Process Engineering.Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080 China ABSTRACT Some factors affecting single chamber direct microbial fuel cell performance such as iron concentra- tion in the cathode electrode,substrates in anode chamber,subst rate concentration and anode electrode area were studied with a single chamber direct microbial fuel cell.It was proved that the load voltage increased with the Fconcentration increasing under the same conditions.Electricity wa enhanced as more electrons and protons were released during anode chamber reaction for the different substrates.The load voltage was also grow n with the increase of the substrate concentration,but the saturation value of the substrate concentration was 0 72g' L.The more Rhodoferax ferrireducens absorbed on the surface anode electrodes to transport the more elec trons,and the load voltage was not multiple of the number of anode electrode.This study provided scientific base for the application of the single chamber direct microbial fuel cell. KEY WORDS single chamber direct microbial fuel cell;performance of fuel cell;cathode electrode;substrate concentration:anode electrode area

输出电压随之提高. ( 2) 分别以葡萄糖和醋酸钠为底物的阳极反应 产生的电子和质子数不同, 前者大于后者, 且输出电 压亦随底物浓度的增加而提高, 但底物浓度有个饱 和值, 葡萄糖为 0.72 g·L -1 . ( 3) 增加阳极板数量即加大了阳极的比表面积, 使得更多的微生物吸附在阳极电极上参与电子的传 递, 电池输出电压的增加并不与阳极板数量成倍数 关系 . 参 考 文 献 [ 1] 连静, 冯雅丽, 李浩然, 等.微生物燃料电池的研究进展.过程 工程学报, 2006, 6( 2) :334 [ 2] 连静, 冯雅丽, 李浩然, 等.直接微生物燃料电池的构建及初步 研究.过程工程学报, 2006, 6( 3) :409 [ 3] 冯雅丽, 李浩然, 连静, 等.利用微生物电池研究微生物在矿表 面电子传递过程.北京科技大学学报, 2006, 28( 11) :1009 [ 4] 刘志丹, 杜竹玮, 李浩然, 等.利用异化还原菌构建含糖微生物 电池.生物工程学报, 2006, 22( 1) :131 [ 5] 于景荣, 衣宝廉, 韩明, 等.Nafion 膜厚度对质子交换膜燃料电 池的影响.电源技术, 2001, 25( 6) :384 [ 6] Holme D J, Peck H .Analy tical biochemistry .New York:Long￾man Group Limited, 1983 [ 7] 尹银嘉, 魏士超, 马宝瑕.3, 5-二硝基水杨酸法测二味康口服 液中多糖的含量.中国医药学杂志, 2003, 23( 7) :414 [ 8] 王清吉, 尹西竹, 刘永举, 等.DNS 法测定饲用木聚糖酶活力. 兽药与饲料添加剂, 2000, 5:10 [ 9] Hyunsoo M, In S C, Byung H K.Continuous electricit y produc￾tion from artificial w ast ew at er using a mediat or-less mi crobial fuel cell.Bioresour Technol, 2006, 97:621 [ 10] Daniel R, Bond, Derek R L .Electricity production by geobacter sulfurreducens attached to electrodes.Appl Environ Mi crobial, 2003, 69( 3) :1548 Analysis of influencing factors on the performance of single chamber direct microbial fuel cell FENG Y ali 1) , LI Haoran 2) , ZHU X ueyuan 1) 1) School of Civil and Environment al Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) St at e Key Laborat ory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China ABSTRACT Some factors affecting single chamber direct microbial fuel cell performance such asiron concentra￾tion in the cathode electrode, substratesin anode chamber, substrate concentration and anode electrode area w ere studied with a single chamber direct microbial fuel cell .It w as proved that the load voltage increased with the Fe 3 + concentration increasing under the same conditions .Electricity w as enhanced as more electrons and protons w ere released during anode chamber reaction for the different substrates .The load voltage w as also g row n w ith the increase of the substrate concentration, but the saturation value of the substrate concentration w as 0.72 g· L -1 .The more Rhodoferax ferrireducens absorbed on the surface anode electrodes to transpo rt the mo re elec￾trons, and the load voltage w as not multiple of the number of anode electrode.This study provided scientific base for the application of the single chamber direct microbial fuel cell . KEY WORDS single chamber direct microbial fuel cell ;perfo rmance of fuel cell ;cathode electrode ;substrate concentration ;anode electrode area Vol.29 Suppl.2 冯雅丽等:单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 · 165 ·