微生物燃料电池与建筑节能分析

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随着经济的发展和人口的激增，能源消耗日益增长，化石能源即将枯竭，全球面临能源危机。社会总能耗中建筑能耗占了很大的比例，如建筑材料的生产加工、建筑的施工及日常运行、建筑拆除所消耗的能量等。其中，建筑的日常运行能耗最大。在发达国家，建筑能耗一般占总能耗的30％～45％。因此，建筑节能成为了研究热点。新能源和可再生能源的开发利用是有效的节能途径。微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将生物质能转化为电能的装置，是近年来在环境科学和能源科学领域兴起的一项新技术。我国城市和工业行业平均每年排放近600亿t废水，处理费用超过400亿元。研究表明，废水中含有9．3倍于处理废水所消耗的能量。人体排放的尿液是生活污水的重要组成部分。实验证明，尿液可以作为MFC阳极的“燃料”，经过反应产生电能［9］。若将MFC与污水处理相结合，在净化污水的同时回收污水中的低品位化学能，并产生高品位电能，既可为小功率电器供电，又能降低建筑能耗，避免对电网造成干扰。这将是今后节能环保领域的一个重要应用技术。鉴于此，作者对MFC的工作原理、特点、关键制约因素进行了分析，对利用MFC及MFC与其它能源耦合实现建筑节能的研究进行了综述，拟为实现建筑节能以及航空航天领域尿液处理提供有效手段，为建筑节能有效途径的研究提供帮助。

1MFC的工作原理

在MFC阳极室，阳极液中的营养物在微生物作用下被分解，生成电子、质子及代谢产物。对于浮游在溶液中的微生物，产生的电子通过载体传送到阳极表面；对于附着在阳极表面的微生物，电子直接被传递到阳极表面，然后，电子通过外电路传导到阴极，质子则通过溶液穿过质子交换膜（protonexchangemem－brane，PEM）扩散至阴极。在阴极表面，处于氧化态的物质（如O2等）与阳极传递过来的质子或电子结合发生还原反应生成水。

2MFC的特点

1）燃料来源多样性MFC可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可以利用光合作用或者直接利用污水、尿液等为燃料产电。

2）安全无污染MFC产电的唯一产物是水，对环境不会造成污染。

3）高效且连续只要阳极有源源不断的有机物供应，则MFC的产电就能够维持下去。未来MFC可以成为热电联用系统的重要组成部分，使能源的利用效率大大提升。

4）操作条件温和且无噪声MFC一般在常温、常压且接近中性的环境中工作，维护成本较低且安全性高。MFC靠电化学反应发电，其内部没有任何活动部件，因此运行的噪声很小。

5）模块化MFC采用模块化设计，各组件在制造厂生产，在现场安装，简单省时，建设周期很短。另外，由于标准化的设计，制造、安装方便，MFC的系统规模按负荷要求可大可小，容易扩容，便于根据电负荷的实际需求进行分期建设。

3MFC的关键制约因素

目前存在的制约因素有很多，对阳极而言，以具有高导电率、无腐蚀性、大比表面积、高孔隙率、生物相容性好、廉价、容易制造并且可放大等特性的材料作阳极，能够提高阳极的性能。对阴极而言，需要寻找替代Pt的催化剂以降低成本。对整体构型而言，需要寻找可放大的高效MFC反应器。MFC内阻大、微生物保持活性的温度和溶液条件范围窄、底物降解速率慢及生物膜动力学性能差是影响功率密度的主要因素。MFC的输出功率密度小（传统燃料电池为1W•cm－2）是制约其规模化应用的主要因素。

4利用MFC实现建筑节能

MFC阳极的营养物可以是废水中的有机物，也可以是人体排出的有机物。人体排出的典型有机物是尿液。MFC阳极的微生物分解尿液中的尿素产生电子，并通过外电路传导到阴极，产生的阳离子通过质子交换膜扩散到阴极，然后在阴极发生还原反应，从而形成一个完整的回路。在此过程中尿素被分解，蕴含在尿素中的化学能得以释放，并通过微生物的催化分解作用转化为高品位的电能。类似地，也可以将人体排泄的粪便进行稀释沉淀，将其中的有机物提取到溶液中，然后再利用MFC处理含有机物的溶液。利用这一技术，能够将卫生间人体排泄物转化为电能。为避免由于MFC产电不稳定损坏用电器，产生的电能可以储存在蓄电池中，经过蓄电池的放电作用为卫生间或室内的小功率用电器（如厨卫照明灯、床头灯等）供电，这样不仅从排泄的废物中提取了能量，而且减少了从国家电网中获取的电量，也降低了排泄污水的化学需氧量（COD），一举三得。将装置扩大化，能实现以一栋楼或者一个单元为单位，整合收集，集中处理。该技术直接减少了家庭从电网获取的电量，实现了家庭污水降解，回收能量，还可以实现闲时蓄电：在白天用电高峰时段，蓄电池储能的同时被用电器消耗部分电能，如果蓄电池的电被耗尽，可以继续利用电网供电；在夜间或非用电高峰时段，可以利用MFC持续为蓄电池充电，充满后，多余的电量可以并入国家电网。研究表明，该技术具有可行性，在未来具有一定的研究价值和发展前景，但还需解决如下问题：是否有能够分解尿素的微生物菌种；MFC结构是否可以适配排泄物的采集与处理同步进行；微生物能否在变化的溶液pH值区间持续工作等。

5利用MFC与其它能源耦合实现建筑节能

MFC技术可以与其它新能源、可再生能源耦合实现建筑节能。

1）MFC与太阳能光伏发电技术耦合对于别墅类的小型独立住所，可以实现自主独立供电。在屋顶或向阳面安装太阳能光伏电池板，将太阳能转化为电能；对于普通住所，可在卫生间利用MFC将人体排泄物分解，将化学能转化为电能。二者可以进行简单的并联，也可以进行串联，形成MFC－太阳能协同产电系统，有效提升系统的开路电压、短路电流、最大输出功率密度，为家庭供电提供更多电能。

2）MFC与氢能耦合通过对MFC外加电压，将装置运行模式改变为微生物电解池，在阴极回收氢气，仅消耗少量电能就能从排泄物化学能中回收高品位氢能。电解水需要的电压为1．8～2．0V，而施加在微生物电解池的理论电压为0．114V，实际施加0．25V电压即可产生氢气。因此，利用微生物电解池制氢所消耗的电能相较于直接电解水消耗的电能要少，提高了电能利用率。所制得的氢气可以输送至车库，为氢燃料电池车、氢能汽车提供动力能源，但要特别注意氢气输送的安全性。

6结语

目前，有多种方式能够实现建筑节能，如：加强建筑物用能系统的运行管理、提高保温隔热性能、提高采暖供热及空调制冷制热系统效率、增大室内外能量交换热阻等。减少建筑的电能消耗是实现建筑节能的有效方法。MFC正是这样一种能够将人体排泄物中的化学能回收转化为高品位电能的装置，尽管存在着很多限制因素，而且MFC的产能较低，与太阳能、氢能耦合也存在一些技术问题，但随着技术的不断进步，相信不久的将来，MFC会成为服务于人类的新型节能产电技术。

作者：周宇 胡俊晖 唐丽君 刘中良 侯俊先 杨斯琦 李艳霞 单位：北京工业大学环境与能源工程学院 教育部传热强化与过程节能重点实验室 北京市传热与能源利用重点实验室