微生物燃料電池的案例
變"廢"為寶——蒼耳子在微生物燃料電池中的妙用
基于堆積型陽極的微生物燃料電池因材料成本低且在大型反應器中適用性強，在實際應用中具有較好前景。但是，堆積結構常帶來堵塞問題，因此基于堆積型陽極的微生物燃料電池通常穩定性較差。
有鑒于此，南京工業大學閭敏、謝小吉課題組以自然界中的“廢物”蒼耳子為原料，制備了生物炭堆積的疏松陽極，從而提升堆積型陽極微生物燃料電池的長期穩定性。該工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9368。
圖1 基于蒼耳子的堆積型疏松陽極用于微生物燃料電池
生物炭由蒼耳子直接炭化獲得，保持了蒼耳子特殊的外形，保證了其在制備成堆積型陽極后具有疏松的結構和良好的導電性。用于微生物燃料電池時，該生物炭堆積型陽極獲得了與常用的活性炭材料堆積陽極相當的產電性能，且該燃料電池在150天的運行時間內產電性能無明顯下降，而作為參照的活性炭堆積陽極燃料電池的性能呈現極大下降。這一良好的穩定性是因為生物炭堆積陽極的疏松結構減少了長期運行過程中的堵塞現象。
這種基于蒼耳子的生物炭材料可以作為高效穩定的微生物燃料電池陽極材料，有望在實際應用中大型化長期運行。
展開 加州大學洛杉磯分校在細菌中加入銀 使微生物燃料電池的功率超過以往兩倍
隨著電子傳輸效率大幅提升，由此產生的含銀希瓦氏菌薄膜能夠將80%以上的新陳代謝電子輸出至外部電路，使功率達到0.66Nw/Cm 2，超過以前微生物燃料電池最佳功率的兩倍。
這項研究得到美國海軍研究辦公室（Office of Naval Research）的支持。該項研究表明，隨著電流增加和效率提升，由銀-希瓦氏菌（silver-Shewanella）混合細菌驅動的燃料電池，可能為在實際應用中提供足夠的功率輸出鋪平道路。
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段鑲鋒等人《Science》：銀納米顆粒，提高微生物燃料電池效率！
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf3427
微生物燃料電池(MFCs)，可以通過微生物代謝將儲存在多種可生物降解有機物中的化學能直接轉化為電能。多種多樣的細菌種類和廣泛的燃料，使MFCs成為利用生物質和廢水處理產生可再生生物電力的有吸引力的技術。因此，MFCs越來越受到學術界和產業界的關注。在驅動這些系統的細菌中，Shewanella由于在好氧和厭氧環境中生長旺盛，并在土壤和海水中分布豐富而被廣泛研究用于生物修復和環境能量恢復。然而，從典型的希瓦氏菌MFCs中獲得的電流密度和功率密度一般都過低，不適合實際應用。低功率輸出，很大程度上受到細菌負極的限制，因為細菌負載能力低和/或相對較差的胞外電子轉移效率。
展開 武漢理工麥立強&徐林Chem綜述：納米線–生物界面進展：從能量轉換到電生理學
有趣的是，美國微生物科學院院士Derek R. Lovley教授研究組發現Geobacter細菌在一定條件下能生長出具有高電導率的蛋白質納米線，這更有利于細菌和電極之間高效的直接電子傳輸。
圖6 微生物燃料電池
4.2 納米電極結構優化
細菌和電極之間的電子轉移是制約微生物燃料電池功率密度的重要因素。一維納米材料（納米線、納米管等）因具有連續的電子傳輸路徑、大的比表面積、易形成網狀結構等特點，有利于增強細菌和無機電極材料的電子傳輸。美國斯坦福大學崔屹教授及其合作者使用碳納米管包覆的海綿復合物作為電極組裝微生物燃料電池，這種碳納米管海綿電極具有很低的內阻、均勻的大孔結構和增強的力學性能，提高了微生物燃料電池的功率密度。Zhao等人采用導電的PANI納米線三維分級多孔網絡結構修飾的石墨氈作為電極，和Shewanella loihica PV-4細菌組裝成微生物燃料電池，發現大的孔隙率和比表面積使功率密度提高了一個數量級。
5.電生理學
電生理學是一門研究生物細胞或組織的電學特性的科學。主要包括細胞膜電勢變化， 跨膜電流的調節。在神經科學上主要研究神經元的電學特性，尤其是動作電位。它涉及在多種尺度上從單個離子通道蛋白到整個器官如心臟的電壓變化或電流變化的測量值。在神經科學方面，它包括神經元的放電活動的測量，特別是動作電位的活動。記錄來自神經系統的大規模電信號，如腦電圖的記錄，也可以被稱為電生理記錄。
5.1 納米線晶體管
納米線晶體管通常具有源極、漏極和柵極。在源極和漏極間施加電壓，可測得該晶體管的電導，其大小取決于該器件的尺寸和摻雜濃度。在源極和漏極間施加電壓不變的前提下，通過改變柵極電壓，即可改變源極和漏極間的電流。通過在溶液中施加已知的電壓改變柵極電壓，可獲能源極和漏極間電流的變化。
展開 
紙”燃料電池可以測試水是否可以安全飲用
受試驗石蕊試紙的簡單性的啟發-巴斯水資源創新與研究中心（WRIC @ Bath）和可持續化學技術中心（CSCT）的跨學科研究人員開發了一種創新微生物燃料電池（MFC），這種電池通過將導電墨水中的可生物降解碳電極絲網印刷到單張紙上而獲得。
MFC使用附著在碳電極上的“電”細菌產生電信號這一自然生物過程。當細菌處于被污染的水中時，它就會發出這是不安全的水的用于警告的異樣電信號。研究人員將他們的MFC作為概念驗證試驗，作為傳感器來探測水中生物活化物質（如甲醛）的含量。
研究人員在《生物傳感器和生物電子學》雜志上發表的論文中寫道：“由于紙張基質本身就是兩個電極之間的隔膜，所以它無膜。此外，由于毛細管壓力產生的自動微流體可以通過改變紙張結構來操縱，從而可以調節設備的性能，因此不需要樣品泵送。
人們希望該設備能夠為世界上最貧窮的一些國家提供低成本、簡單和快速的檢測水源的方法。每臺設備的成本預計不超過1英鎊，紙傳感器是由可生物降解的組件制成的，因此它也是環保的，不會留下任何金屬殘留物。設備重量不到一克，所以也方便使用和運輸。
研究人員目前正在研究一種將傳感器和電子設備連接起來的方法，例如通過無線發射器將傳感器連接到手機上，從而快速、方便地識別供水是否安全。該研究小組已經發現，他們可以通過將兩個連續的MFCs 并聯在一起來增強傳感器的性能。
研究的主要作者WIRC @ Bath和 CSCT的Mirella Di Lorenzo博士說：“這項工作可能會是在水使用點測試水安全性的革命性突破，因為這項設備不僅是綠色的、易于操作的和快速的，而且對所有人都是負擔得起的。”
她補充道：“這種類型的研究將會產生顯著的積極影響，特別是對那些甚至連最基本的測試工具都難以獲取的區域時十分有利的。
展開 用于燃料電池的碳基無金屬ORR電催化劑：過去，現在和將來
4、全電池中的性能評價
盡管無金屬催化劑對ORR有很大的應用前景，但其中大部分都是通過旋轉圓盤電極(RDE)來評估的，而不是真正的燃料電池裝置。眾所周知，來自RDE測試的良好ORR活性并不總是能夠轉化為良好的膜電極（MEA）性能，因為后者處于更加復雜的環境中。
4.1、在堿性燃料電池中
無金屬碳基催化劑是一種非常適合堿性體系的催化劑，與PEMFCs相比，摻雜碳材料在堿性燃料電池中的電流密度和功率密度要高得多。此外，其堿性系統的腐蝕性也更小，這可能會延長燃料電池中管道和雙極板等組件的使用壽命。值得一提的是，盡管在開發高性能陰離子交換膜（AEM）方面已經取得了巨大的進展，但目前我們仍然無法獲得可與陽離子膜或離子單體相媲美的AEM或陰離子聚合物。
圖十一、堿性燃料電池性能舉例
（a） 以糠醛(FU)和葡萄糖(GU)為原料，采用無金屬催化劑制備的MEAs堿性燃料電池；
（b） 以糠醛為原料的無金屬催化劑的N2吸附等溫線和孔徑分布。
4.2、在質子交換膜燃料電池中
雖然碳基無金屬電催化劑顯示出pH依賴的ORR活性，其在酸性電解質中通常較低。然而，無金屬催化劑所帶來的顯著的成本節約及其獨特耐久性促使其在實際PEMFC中的應用得到了持續的關注。
圖十二、無金屬陰極PEMFCs舉例
（a）NPC-4-1100和NPC-4-1100-Zn陰極催化劑的PEMFC性能；
（b）PEMFC中NPC-4-1100-Zn催化劑在0.5 V恒定電壓下的時電流響應；
（c） 在質子交換膜燃料電池(PEMFC)中，在0.5 V下測量的無金屬N-G-CNT+KB和Fe/N/C催化劑的耐久性比較。
展開 新能源汽車講解丨燃料電池與車用燃料電池(PEMFC)
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車用燃料電池耐久性的解決策略 附燃料電池衣寶廉下載
車用燃料電池系統控制策略
燃料電池運行過程中的反應氣饑餓、動態電位循環及高電位是引起催化劑及其載體等材料衰減的主要原因。此外，一些極限條件如零度以下儲存與啟動、高污染環境也會造成燃料電池不可逆轉的衰減。歸納起來這些衰減因素主要包括在以下幾種車輛運行的典型工況中：1)動態循環工況；2)啟動/停車過程；3)連續低載或怠速運行；4)低溫貯存與啟動過程。下面重點對四種工況下引起的衰減機理進行分析，并介紹可能采取的解決對策。
動態循環工況
動態循環工況是指車輛運行過程中由于路況不同燃料電池輸出功率隨載荷的變化過程。通常車用燃料電池系統是采用空壓機或鼓風機供氣。研究顯示，燃料電池在加載瞬間，由于空壓機或鼓風機的響應滯后于加載的電信號，會引起燃料電池出現短期饑餓現象，即反應氣供應不能維持所需要的輸出電流，造成電壓瞬間過低。尤其是當燃料電池堆各單節阻力分配不完全均勻時，會造成阻力大的某一節或幾節首先出現反極，在空氣側會產生氫氣，造成局部熱點，甚至失效。此外，動態載荷循環工況也會引起燃料電池電位在0.5～0.9 V之間頻繁變化，在車輛5500h的運行壽命內，車用燃料電池要承受高達30萬次電位動態循環，這種電位頻繁變化，會使催化劑及炭載體加速衰減，因此需要針對動態工況采用一定的控制策略減緩衰減。
采用二次電池、超級電容器等儲能裝置與燃料電池構建電- 電混合動力，既可減小燃料電池輸出功率變化速率，又可以避免燃料電池載荷的大幅度波動。
展開 韓國燃料電池商業化取得重大進展 陶瓷燃料電池亮相
近日，韓國科學和信息通信技術部表示，Jong-Ho Lee博士和Ho-Il Ji博士在高溫能源材料研究中心開發了一種質子陶瓷燃料電池（PCFC），可在漢陽大學Dong Wook Shin教授的幫助下實現商業化。
固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高能量轉換效率和使用各種燃料的能力而受到極大關注，并且PCFC尤其成為人們關注的焦點，與傳統SOFC相比，期望在更低的工作溫度下具有高性能。然而，在多孔電極上制造薄而致密的電解質的困難主要源于質子傳導電解質的耐火性質，這阻礙了PCFC的商業化。
KIST研究團隊與漢陽大學的研究團隊合作，提高了PCFC的性能，同時開發了一種以商業化規模生產細胞的方法。在開發過程中，團隊系統地對一個過程進行了方法化，使電解質－電極組件內的電解質熟悉，并降低了生產過程溫度，這是世界首創。
整個過程還采用了微波程序和絲網印刷方法，這些方法由于較高經濟效率，滿足了實際生產。
PCFC厚度為5μm，表面積為5x5cm2的電解質層組成，相較之前性能提高了12倍。由于性能是在實際應用條件下進行的，因此它為燃料電池商業化的可能性提供了明確的證據，得到了專家和行業的廣泛認可。
Jong－Ho Lee博士表示，“研究結果不僅可以應用于簡單的能源生產，還可以應用于燃料生產、保護以及其他各種相關領域和行業，有望成為改善未來可再生能源供應的基石。”
展開 微量氧氣燃料電池傳感器檢測燃料電池式氧氣體分析儀中的氧含量
燃料電池是一種通過使燃料氣體和氧化劑氣體發生電化學反應而將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉換成離子態，再通過電解質的傳遞最終與陽極發生化學反應。反應物之一是樣氣中的氧，另一反應物是存儲在電池中的陽極，綜合反應是樣氣中的氧分子和陽極發生氧化反應，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應類似于燃料電池的反應機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學反應中，陽、陽極之間發生電子遷移，如用導線將共連接，將會有電流產生，該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數量成正比關系，因此只要準確測量出陽、陽極之問的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學能轉換成電能的裝置，一般由陰極、陽極和電解質等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測量微量氧，也可用于測量常量氧(區別在于滲透膜的厚度）。但在測量常量氧時其測量精度和長期使用的穩定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場所。但在測量微量氧時，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優勢，測量下限可達 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應用于專業的高純氣體生產以及對氧含量需精準控制的電子生產廠家等。
事實上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護的。但是在使用過程中，需要經常校準，確保其測試的準確性工采網推薦美國AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開 燃料電池漸成藍海，今年一季度我國燃料電池企業注冊量同比增長86.5%
圖片來源：企查查
實際上，不僅是相關企業注冊量增多，去年以來，燃料電池產業鏈的投融資金額也在大幅增加。中汽中心此前發布的數據顯示，2020年我國在氫燃料電池產業鏈的投融資金額達515.2億元，同比增長78.5%。其中氫燃料電池系統環節的投融資金額達196.8億元，約占當年產業鏈總投資額的38%，其余投資為汽車、電堆、膜電極、雙極板等環節投資。
燃料電池企業投融資及企業注冊量大幅增長背后是我國燃料電池汽車廣闊的發展前景。早在2019年，我國就已確定了氫燃料電池汽車將與純電動汽車長期并存、互為補充的地位。2020年，我國發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》還提出了氫燃料電池汽車的發展規劃，即到2025年，新能源汽車銷量將占總銷量20%左右，氫燃料電池汽車保有量要達到10萬輛左右；到2035年，新能源汽車成為主流，占總銷量50%以上，氫燃料電池汽車保有量要達到100萬輛左右，同時，該《路線圖》還對氫燃料電池及整車技術指標作了具體要求。
此外，五部門發布的《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》還明確將選擇符合條件的城市群，開展燃料電池汽車的示范應用。根據最新報道，京滬粵冀豫等地擬被納入燃料電池汽車示范應用城市群。按照要求，這些城市將把此前報送的實施方案進行修改之后在4月30日前上報給五部門，并由專家委員會進行評審并確定最終名單。
根據相關報道，首批燃料電池汽車示范城市群名單有望在未來兩到三個月內公布。
中汽中心今年預測，若今年上半年氫燃料電池汽車示范城市落地，基于各地氫燃料電池汽車發展規劃、部分地區對氫燃料電池汽車的支持力度以及2022年冬奧會影響，今年氫燃料電池汽車產量很有可能超過10000輛。
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ANSYS鋰電池及燃料電池研討會 | 上海
7月24日，ANSYS中國官方將在上海舉辦「ANSYS鋰電池及燃料電池研討會」，此次研討會特別邀請到了負責這個解決方案的ANSYS首席研發專家李少平博士和李革農博士，為大家分享ANSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學方向的仿真技術應用和前沿發展，主要涵蓋MSMD模塊、MSMD高級功能、鋰離子電池熱失控、質子交換膜燃料電池PEMFC、固體氧化物燃料電池SOFC、腐蝕、電鍍、通量電池及鋰離子電極建模等。
此外，ANSYS中國的流體高級工程師井文明將會就鋰離子電池仿真中的熱失控及LTI ROM進行現場演示，期待您的參與！
是不是干貨滿滿呢？聯系技術鄰微信客服 jishulink888 還可享6折優惠，數量稀缺，先到先得！
ANSYS鋰電池及燃料電池研討會
2019年7月23日 (周二)
眾所周知，中國已將新能源汽車作為七大戰略性產業之一。近年來新能源汽車市場蓬勃發展，呈現爆發式的增長，動力電池技術作為其核心和瓶頸一直是研究的重中之重。中國車企以純電動和插電混合動力汽車為主，兼顧燃料電池汽車路線。因此，鋰離子電池和燃料電池在未來相當長時間將是動力電池主要發展方向。
ANSYS擁有目前市場上關于鋰電池和燃料電池最完善也是最被廣泛采用的解決方案。
時間地點
會議時間：7月23日（周二）
會議地點：上海浦東錦江湯臣酒店
報名方式：付費報名，500/人或輸入邀請碼報名參與
報名鏈接：http://t.cn/AipaRV75
技術鄰粉絲專享：客服手上目前有為數不多的幾個6折優惠碼，報名享優惠，先到先得！
展開 馬里蘭大學Nature：高度耐用，焦化和耐硫，燃料靈活的質子陶瓷燃料電池
【引言】
質子陶瓷燃料電池，像它們的高溫固體氧化物燃料電池對應物一樣，可以直接使用氫氣和碳氫化合物燃料以高于50％的效率發電。過去大部分的碳氧化合物燃料電池，主要關注于氧離子傳導電解質的固體氧化物燃料電池。但是，當這種燃料電池直接以含烴和/或含硫燃料運行時會發生碳沉積（焦化）和硫中毒，導致隨著時間的推移嚴重的電池的性能下降。盡管研究表明碳氫化合物燃料質子陶瓷燃料電池具有良好的性能和抗焦化能力，但還沒有關于長期耐久性的系統研究。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通訊）作者等人，研究了在500至600℃之間，11種不同燃料（氫氣，甲烷，家用天然氣（含和不含硫化氫），丙烷，正丁烷，異丁烷，異辛烷，甲醇，乙醇和氨）的質子陶瓷燃料電池的長期測試結果。經過6000多個小時的電池測試，幾種燃料中都表現出優異的性能和卓越的耐用性（在大多數情況下，每1000小時降解量低于1.5個百分點），而無需對電池組成或結構進行任何修正。電池可以容忍大幅度的溫度的波動，即使經過數千小時的運行，也沒有觀察到焦化現象。同時，對于低溫和高溫燃料電池而言，硫磺是一種臭名昭著的毒物，當與商用燃料一致供應時，不會影響質子陶瓷燃料電池的性能。質子陶瓷燃料電池器件展現的燃料靈活性和長期耐用性凸顯了該技術的前景以及其商業應用的潛力。相關成果以“Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells”為題發表在Nature上。
展開 電池技術的未來：從超級電容到空中無線充電
比爾·蓋茨基金會目前開發出一種技術，可以從人類尿液中提取電能，稱之為“微生物燃料電池”；還有通過集成納米薄膜的硅膠結構，貼合在皮膚上產生摩擦生成電力，非常適合作為可穿戴設備的能量來源。
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氫燃料電池能與鋰電池一決高下嗎
氫燃料PK鋰電池，一場新興車企與老牌車廠的拉力賽
發展至今，市場上僅存的兩種電動車品類形勢十分明顯，除了部分德、美系車企處于觀望狀態，以豐田為首的眾多德日系老牌車廠投入氫燃料電池，而以特斯拉為首的新興車企則大面積站隊鋰電池。
從技術層面上看，鋰電池和氫燃料電池勢均力敵，各有優劣。
公開資料顯示，鋰電池造價成本低，商用化則更加成熟，這讓它自然成為電動車廠的首選。然而它的能量密度低、易燃、反應產物有毒、充電慢等特征也是潛在的“隱患”，尤其在量產之后，各類問題也被自然放大。
而氫燃料電池可以直接加氫，補給時間短，續航能力也能夠輕松達到500km以上，且排出物僅是水，完全無污染。這一優勢輕松力壓鋰電池，也更符合環保的理念，但氫燃料使用過程中不可或缺的反應催化劑——鉑稀有貴金屬成本極高，且氫燃料充電站造價為特斯拉超級充電站的五、六倍，其高昂的成本成為氫燃料成為商用之路的攔路虎，事實上，也沒有人愿意為環保買下這筆天價單。
相較于鋰電池，氫燃料電池技術確實過于新穎，馬斯克也一度強懟氫燃料電池。但豐田堅持認為新能源最終的贏家一定是燃料電池，因為新能源產業的正確發展歷程應當是：混動－插電式混動－電動－燃料電池。
混動技術是氫燃料電池得以發展的基礎，在混動技術上，豐田等日系車企確實已經打下了堅實的基礎。數據顯示，豐田混動車銷量已經突破1000萬輛，即便在普及度不高的中國市場，豐田的雙擎車型銷量也占其在華總銷量的10％；而在歐美市場，賣得好的雷克薩斯大多也都是混動車。
有成熟的混動技術作為基石，豐田等日系車廠的氫燃料研究看來也并非空穴來風。根據日本國內的戰略目標，氫燃料電池電動車的續航里程將延長至目前的1．5倍，達到1000公里，到2040年氫燃料的保有量將有目前的2000輛增加到300萬至600萬輛，同時車載電池的單位輸出功率將增至當下的3倍。
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