Mikrobial Yakıt Hücreleri (MFCs), yenilenebilir enerji üretimine dönüştürücü bir yaklaşım temsil eder, organik maddeye doğrudan elektriksel olarak dönüştürülür. değerli metal katalizörlere ve kömürleşmiş hidrojene güvenen geleneksel yakıt hücrelerinin aksine, MFC'lerin pratik dağıtımları, atık sularını kullanarak, kalıntıları veya diğer biyo-zararızıtları yakıt olarak yönetir. Bu çift atık tedavi ve enerji üretim pozisyonlarının organik maddelerinin bu iki fonksiyonu sürdürülebilir enerji sistemlerinin nasıl etkili bir şekilde değiştirilebileceğini belirtir.

Mikrobial Yakıt Hücrelerinin Temelleri

Bu nedenle, mikropiyal yakıt hücresi bir anode odası, bir kedi odası ve proton değişim membranı (PEM) onları ayırıyor.Bir noel bölmede elektrojenik bakteriler - örneğin 0:0Ge)Geobacter sulreducens veya oxde elektronlar, o zaman elektronlar ile çevrilir.

[FONT=[değiştir | kaynağı değiştir] [[değiştir | kaynağı değiştir] [Üye Olmayanlar İçindekiler [DÜye Olmayanlar İçindekiler: [DÜye Olmayanlar İçindekiler: 9/01/2012)

Bu stoichiometri, maksimum teorik gerilimin (standart koşullarda) yaklaşık 1.1 V olduğunu ortaya koyuyor, ancak pratikte, hücre gerilimleri nadiren çeşitli aşırı güçlerden dolayı 0.6-0.8 V'yi aşıyor.

MFCs'lerde Termodinamik Prensipleri

Bir MFC'nin termodinamik verimliliği, gerçek elektrik enerjisinin elde edilebilir maksimum çalışma sayısına oranı olarak tanımlanır; çünkü sabit sıcaklık ve basınçta en yüksek ekstraksiyonda ( ⁇ ) verilir.

⁇ )max) = {{G}rxn) / {{H}rxn)[FLT[FLT)

{{H[DÜ:0)rxn[DÜDÜT:1) {{H[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 2|DÜye Değeri[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.

Gibbs Free Energy and Cell Ger

Gibbs ücretsiz enerji ve hücre gerilimi arasındaki ilişki, Nernst denklemi tarafından verilir. Teorik hücre gerilimi (E)).

E[DÜT:0)[DÜDÜDÜT:2)[Üye: 3)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye)

n'un substrat başına transfer edilen elektron sayısı (8'dir) ve F'nin sabit olduğu (96,485 C mol) -1) Bu verim E).

⁇ ))[Dönetici[Dönemli[Dönemli)[Dönemli[Dönemli) × I) / ( ⁇ G)

V) Sonuç olarak , mikro gerilimin altında olduğu, mevcut ve denominator kimyasal güç girişinin tipik koulombic efficiencies (şimdiye kadar elde edilen elektronların çoğu)% 50-% 90 oranında azalırken, genel enerji verimliliği (üresel kayıplar dahil) genellikle% 30'un altına düşer.

Termodinamik Verimliliği Etkileyen Faktörler

Bu faktörlerin sistematik bir anlayış rasyonel tasarım iyileştirmeleri için kritik öneme sahiptir.

Altstrate Type ve Concentration

Organik substrat seçimi, Gibbs ücretsiz enerji verimini ve mikroorganizmalar tarafından kullanılan metabolik yol (örneğin, glukoz) ve kısa zincirli yağ asitlerini (örneğin, yüksek yüzeylerde) genellikle yüksek enerji verimlerini sağlar ve elektrojenler tarafından kolayca karıştırılır.

Mekanik Malzemeler ve Mimari

Birnode azot katalizörü, bakterilerden elektrotlara verimli elektron transferini kolaylaştırmalıdır. Karbon bazlı malzemeler (graflar, karbon bezi, karbon kağıdı) biyolojik olarak kullanılabilirlik ve düşük maliyetle karşılanır, ancak sınırlı elektrik iletkenliği ve özel yüzey alanı performansına sahiptir.[Dönemli malzemeler -örneğin, nanotüpler (CNTs), ve metal oksit kompozitleri (örneğin, yüksek çözünürlükte)

Membran Özellikleri

Proton exchange membranı (PEM), yüksek maliyetten, oksijenden ve cation birikiminden (örneğin, x-C) ayırarak, fikre sahip olan ve daha düşük miktardaki betonlara (örneğin,) görerekli bir mikropiyonel oksijen (D) göre daha düşük çözünürlükte (örneğin,) ile birlikte, sıvı madde (parçalı) ve yüzeysel oksijenli yüksek çözünürlükte (örneğin,) ile birlikte yüksek çözünürlükte bulunan ve diğer kriminaller için uygun olmayan bir şekilde incelenir.

Operasyonel Koşullar: Sıcaklık, pH ve Oksijen

Sıcaklık etkileri mikrobiyal metabolik oranları ve elektrokimyasal reaksiyonların kinetiği. Çoğu MFCs, banasofilik sıcaklıklar (30-40 °C) test edildi, exoelectrojenik bakteriler en iyi nötr pH (6.5-7.5) gösterir, ancak katodejen enzimler ve membran iletkenliği artırabilir; termofilik MFCs (55-60 °C) daha fazla toksik membran kullanarak çözülebilir.

Enerji kaybı ve sınırları

Teorik söze rağmen, MFC'ler, termodinamik verimliliğini birçok pratik sistemde tek hanelere sınırlamak için birkaç enerji kaybından muzdariptir.

İronikleşme Overpotential

Bu kayıp, elektrot yüzeylerinde elektron transfer reaksiyonlarını başlatmakla ilişkili enerji bariyerinden kaynaklanmaktadır.Aynı şekilde, özellikle de mevcut olan mikropiyal sintokromlardan elektrotlara kadar geçiş oranı yavaştır ve elektrot yüzey alanıyla ilgili bazı testler yaparak azaltılabilir veya biyofilm-erode temasını artırmak için.

Ohmic Kayıplar

Ahmik kayıplar elektrolit, membran direnci ve elektrolitlerde elektrik direncinden kaynaklanır. Bu kayıplar mevcut (I × R) ve yüksek enerji çıktılarında önemli hale gelir. Elektrolyte iletkenliği, ohmik kayıplar ekleyerek geliştirilebilir.

Yoğunlaştırma Polarizasyon

Yüksek akım eşitsizliklerde, tepki verenlerin tedariki (birnode biofilme giriş; katode oksijen) veya ürünlerin çıkarılması (protonlar, karbon dioksit) difüzyon-kanıklı hale gelir, üç boyutlu bir anodları azaltılır, çünkü verimli oksijen transferi için kütle taşımaya bağlıdır.

Mikrobial Metabolic Inefficiencies

Tüm elektronlar substrat oxidasyondan elde edilen elektronlar anode'de yönlendirilir. Bakteriler hücre büyümesi için bazı elektronları kullanırlar (biyomlar sentez) ve bakım, onları elektrik üretiminden ayırır. Ek olarak, alternatif elektron kabulörleri (örneğin, sulfate, nitrat, oksijen) %90'dan fazla raporlanmış, saf kültürler ve kontrollü substratlar ile rekabet edebilir.

Termodinamik Verimliliği Geliştirmek için Stratejiler

Son iki yılda yapılan araştırmalar, MFC performansını artırmak için birden fazla avenu tespit etti. Aşağıdakiler, her bir belirli kayıp mekanizması ele alıyor.

Gelişmiş elektro Tasarımı

Biyofilm eki ve elektron transferi için özel yüzey alanını artırmak birincil bir stratejidir. Karbon nanotube (CNT)-koated elektrotlar, grafikte aerogels ve metal köpük substratları, geleneksel karbonların yüksek oranda hissettiği ve iletkenliği sunar.

Mikrobial Strains'in seçimi ve mühendisliği

Genetik mühendislik ve yönlendirilen evrim, daha yüksek elektron transfer oranları ile verimsiz sular elde etti. Örneğin, [[Dobacter sulfurreducens) PilA'yı ifade etmek için daha fazla miktar nanoteller, mevcut yoğunlukta artış gösterdi. Sentetik biyoloji yaklaşımları, non-native substratların kullanımını sağlamak için heterolog yollar, yakıt kapsamını genişletmek için ortaya koydu.[Dörtüllü mikrobiykonomik kombin kullanımı).

Membran ve İnovasyon Ayrıştırmalar

Nafion'un dezavantajlarını aşmak için, araştırmacılar, belirli konfigürasyonlarda Nafion'dan% 20 daha yüksek güç kesintilerine ulaştılar.

Operasyonel Parametrelerin Optimizasyonu

Güzel-tuning sıcaklık, pH ve substrat beslenme oranı önemli ölçüde verimlilik artırabilir. Sürekli akış MFCs kontrollü hidrolik tutma süreleri (HRT) sürekli olarak yüzeysel bir şekilde kesintiye uğramasına izin verir ve yüzeysel olarak azaltılabilir.Referanslar ek olarak, geçici kutuplaşmayı azaltır.

Diğer Teknolojilerle entegrasyon

MFCs, hidrojen üretirken, toplam enerji kurtarmasını sağlamak için MFC'yi genel enerji dengesine entegre etmek veya geleneksel atık su arıtmasını elde etmek için birkaç MFC-MEC sistemi atık su tedavi edebilir, toplam enerji kurtarmasını arttırır. AİLFLT:0) Pilot-öldürülen MFC'yi anaerobik sindirme ile bütünleştirerek (FLT:1) 0.8 kWh kg'lik bir miktar enerji üretimine katkıda bulunur-1)

Pratik Uygulamalar ve Mevcut Durum

Düşük termodinamik verimliliğine rağmen, MFC'ler eşsiz özellikleri nerede buldular - çevre sıcaklığında işlem, otonom enerji nesli ve eş zamanlı atık tedavisi gibi - enerji verimine bağlı olarak.

  • [FONT:0)Remote algılama ve izleme: MFC tarafından desteklenen su kalitesi veya çevre izleme için çalışan sensörler, ticari bir ürün (MFC tabanlı BOD sensör) Cambrian Innovation gibi şirketler tarafından dağıtıldı.
  • [FONT:0) Gelişmekte olan bölgelerdeki su arıtması: Küçük ölçekli MFCler, kanalizasyona tedavi edebilir ve aydınlatma veya şarj pilleri için minimum güç üretebilir, merkezi altyapıya güvenmeyi azaltabilir.
  • [FONT:0)Bior tarafından yönlendirildi: [Döneticiler, kirleticilerin (örneğin, petrol hidrokarbonları, ağır metaller) tekrar yüklenmesi veya metal yağışı için elektronlar sağlayarak kirleticiler artırılabilir.
  • [FONT:0]Eğitim platformları: [DFLT:1] MFC kitleri biyolojik enerji dönüşümü ve elektrokimya göstermek için okullarda kullanılır.

Araştırma ölçeğinde, güç kesintileri 1 W m[Döneticileri:0) dan daha az yükseldi (Döneticileri:0) *[Döneticileri, 50 W m|Döneticileri:2) - En iyi pilot MFCler (endüstriyelten yüzlerce litreye kadar), 1-5 m[değiştir | kaynağı değiştirmiş durumda, yüksek iç direnç.

Diğer Yenilenebilir Enerji Teknolojileri ile Karşılaştırma

MFC verimliliğini bağlamlamak için, diğer yenilenebilir teknolojilerle karşılaştırmak faydalı:

Technology Typical Efficiency Key Advantage
Solar photovoltaic (PV) 15–22% (commercial) Direct sunlight conversion
Wind turbines 30–45% (capacity factor ~30%) Low operating cost
Biogas (anaerobic digestion) 20–40% (electrical from engine) Waste processing
Fuel cells (H2-PEM) 40–60% High power density
MFCs (current state) <10% overall Waste-to-energy, room temperature

MFCs, mevcut birincil güç nesli için açıkça rekabetçi değildir, ancak niş, düşük güç enerji üretimi ile atık remediasyonu birleştiren uygulamalarda yatıyor. Özellikle elektrode mimarlık ve mikro mühendisliğinde, boşluklar daralabilir.

Future Yol ve Araştırma İhtiyaçları

MFC'leri laboratuar curiosity'den pratik enerji sistemlerine taşımak için, birkaç araştırma önceliği ele alınmalıdır:

Elektron Transferinin Temel Anlayışı

Mikro transfer yollarının bakteri ve elektrotlar arasındaki ayrıntılı moleküler düzey çalışmaları hala gereklidir. krio-electron mikroscopy ve situ Raman spektroskopu gibi teknikler nanotellerin ve cytokromların yapısını ortaya çıkarabilir, bu da, elektrot kaplamaların rasyonel tasarımını ortaya çıkarabilir.

Yüksek verimsiz bileşenlerinin Scalable İmalatı

Mevcut elektrot malzemeleri (örneğin, grafikene, CNTs) hem de düşük maliyetli, ölçeklenebilir karbon malzemelerinin geliştirilmesi (örneğin, biyokütle piroliz) veya iletken polimerlerden aktif karbonlar ekonomik olarak mümkün olan büyük MFC'ler yapabilir.

Enerji Depolama ile entegrasyon

MFC'ler düşük gerilimli mevcut üretir, bu da DC-DC dönüştürücüler aracılığıyla güçlendirilebilir ve süper kapasite veya bataryalarda depolanabilir. MFC sistemi parçası olarak enerji depolamak, istikrarlı bir çıktı sağlayabilir, teknolojiyi daha kullanışlı hale getirebilir. A recenturFLT:0).MFC-süperatör hibrit) 45 W m|)

Alan Testi ve Teknolojisi Çeviri

Çoğu MFC çalışmaları kontrollü laboratuvar koşullarında yürütülmüştür. Gerçek dünya senaryoları sıcaklıkları, karmaşık ve değişken substratları ve mikrobiyal süreçleri de beraberinde getirir. Robustness ve güvenilirlik uzun vadeli (yıllar için yıllarca) pilot çalışmalarla gösterilmelidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikrobiyal yakıt hücrelerinin termodinamik verimliliği nihayetinde biyolojik, elektrokimya ve kütle transferi kayıplarının bir kombinasyonu tarafından kısıtlanır.Ancak, nanoyapılı elektrotlar gibi teorik sınırlar yüksek (yüzde 90), pratik sistemler şu anda% 10'dan daha az verimlilik sağlar.Ancak, MFC'ler aynı anda performansa odaklanır ve enerji tasarrufuna odaklanarak, enerji tasarrufuna ihtiyaç duymadan, yenilenebilir enerji girişinin yeniden dağıtılması ve yenilenebilir enerji verimliliğine yönelik bir çözüm haline gelir.