微生物燃料電池與建筑節(jié)能分析

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隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的激增，能源消耗日益增長，化石能源即將枯竭，全球面臨能源危機。社會總能耗中建筑能耗占了很大的比例，如建筑材料的生產(chǎn)加工、建筑的施工及日常運行、建筑拆除所消耗的能量等。其中，建筑的日常運行能耗最大。在發(fā)達國家，建筑能耗一般占總能耗的30％～45％。因此，建筑節(jié)能成為了研究熱點。新能源和可再生能源的開發(fā)利用是有效的節(jié)能途徑。微生物燃料電池（MFC）是一種利用微生物將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是近年來在環(huán)境科學和能源科學領(lǐng)域興起的一項新技術(shù)。我國城市和工業(yè)行業(yè)平均每年排放近600億t廢水，處理費用超過400億元。研究表明，廢水中含有9．3倍于處理廢水所消耗的能量。人體排放的尿液是生活污水的重要組成部分。實驗證明，尿液可以作為MFC陽極的“燃料”，經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)生電能［9］。若將MFC與污水處理相結(jié)合，在凈化污水的同時回收污水中的低品位化學能，并產(chǎn)生高品位電能，既可為小功率電器供電，又能降低建筑能耗，避免對電網(wǎng)造成干擾。這將是今后節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用技術(shù)。鑒于此，作者對MFC的工作原理、特點、關(guān)鍵制約因素進行了分析，對利用MFC及MFC與其它能源耦合實現(xiàn)建筑節(jié)能的研究進行了綜述，擬為實現(xiàn)建筑節(jié)能以及航空航天領(lǐng)域尿液處理提供有效手段，為建筑節(jié)能有效途徑的研究提供幫助。

1MFC的工作原理

在MFC陽極室，陽極液中的營養(yǎng)物在微生物作用下被分解，生成電子、質(zhì)子及代謝產(chǎn)物。對于浮游在溶液中的微生物，產(chǎn)生的電子通過載體傳送到陽極表面；對于附著在陽極表面的微生物，電子直接被傳遞到陽極表面，然后，電子通過外電路傳導到陰極，質(zhì)子則通過溶液穿過質(zhì)子交換膜（protonexchangemem－brane，PEM）擴散至陰極。在陰極表面，處于氧化態(tài)的物質(zhì)（如O2等）與陽極傳遞過來的質(zhì)子或電子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)生成水。

2MFC的特點

1）燃料來源多樣性MFC可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機、無機物質(zhì)作為燃料，甚至可以利用光合作用或者直接利用污水、尿液等為燃料產(chǎn)電。

2）安全無污染MFC產(chǎn)電的唯一產(chǎn)物是水，對環(huán)境不會造成污染。

3）高效且連續(xù)只要陽極有源源不斷的有機物供應(yīng)，則MFC的產(chǎn)電就能夠維持下去。未來MFC可以成為熱電聯(lián)用系統(tǒng)的重要組成部分，使能源的利用效率大大提升。

4）操作條件溫和且無噪聲MFC一般在常溫、常壓且接近中性的環(huán)境中工作，維護成本較低且安全性高。MFC靠電化學反應(yīng)發(fā)電，其內(nèi)部沒有任何活動部件，因此運行的噪聲很小。

5）模塊化MFC采用模塊化設(shè)計，各組件在制造廠生產(chǎn)，在現(xiàn)場安裝，簡單省時，建設(shè)周期很短。另外，由于標準化的設(shè)計，制造、安裝方便，MFC的系統(tǒng)規(guī)模按負荷要求可大可小，容易擴容，便于根據(jù)電負荷的實際需求進行分期建設(shè)。

3MFC的關(guān)鍵制約因素

目前存在的制約因素有很多，對陽極而言，以具有高導電率、無腐蝕性、大比表面積、高孔隙率、生物相容性好、廉價、容易制造并且可放大等特性的材料作陽極，能夠提高陽極的性能。對陰極而言，需要尋找替代Pt的催化劑以降低成本。對整體構(gòu)型而言，需要尋找可放大的高效MFC反應(yīng)器。MFC內(nèi)阻大、微生物保持活性的溫度和溶液條件范圍窄、底物降解速率慢及生物膜動力學性能差是影響功率密度的主要因素。MFC的輸出功率密度小（傳統(tǒng)燃料電池為1W•cm－2）是制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素。

4利用MFC實現(xiàn)建筑節(jié)能

MFC陽極的營養(yǎng)物可以是廢水中的有機物，也可以是人體排出的有機物。人體排出的典型有機物是尿液。MFC陽極的微生物分解尿液中的尿素產(chǎn)生電子，并通過外電路傳導到陰極，產(chǎn)生的陽離子通過質(zhì)子交換膜擴散到陰極，然后在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，從而形成一個完整的回路。在此過程中尿素被分解，蘊含在尿素中的化學能得以釋放，并通過微生物的催化分解作用轉(zhuǎn)化為高品位的電能。類似地，也可以將人體排泄的糞便進行稀釋沉淀，將其中的有機物提取到溶液中，然后再利用MFC處理含有機物的溶液。利用這一技術(shù)，能夠?qū)⑿l(wèi)生間人體排泄物轉(zhuǎn)化為電能。為避免由于MFC產(chǎn)電不穩(wěn)定損壞用電器，產(chǎn)生的電能可以儲存在蓄電池中，經(jīng)過蓄電池的放電作用為衛(wèi)生間或室內(nèi)的小功率用電器（如廚衛(wèi)照明燈、床頭燈等）供電，這樣不僅從排泄的廢物中提取了能量，而且減少了從國家電網(wǎng)中獲取的電量，也降低了排泄污水的化學需氧量（COD），一舉三得。將裝置擴大化，能實現(xiàn)以一棟樓或者一個單元為單位，整合收集，集中處理。該技術(shù)直接減少了家庭從電網(wǎng)獲取的電量，實現(xiàn)了家庭污水降解，回收能量，還可以實現(xiàn)閑時蓄電：在白天用電高峰時段，蓄電池儲能的同時被用電器消耗部分電能，如果蓄電池的電被耗盡，可以繼續(xù)利用電網(wǎng)供電；在夜間或非用電高峰時段，可以利用MFC持續(xù)為蓄電池充電，充滿后，多余的電量可以并入國家電網(wǎng)。研究表明，該技術(shù)具有可行性，在未來具有一定的研究價值和發(fā)展前景，但還需解決如下問題：是否有能夠分解尿素的微生物菌種；MFC結(jié)構(gòu)是否可以適配排泄物的采集與處理同步進行；微生物能否在變化的溶液pH值區(qū)間持續(xù)工作等。

5利用MFC與其它能源耦合實現(xiàn)建筑節(jié)能

MFC技術(shù)可以與其它新能源、可再生能源耦合實現(xiàn)建筑節(jié)能。

1）MFC與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)耦合對于別墅類的小型獨立住所，可以實現(xiàn)自主獨立供電。在屋頂或向陽面安裝太陽能光伏電池板，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；對于普通住所，可在衛(wèi)生間利用MFC將人體排泄物分解，將化學能轉(zhuǎn)化為電能。二者可以進行簡單的并聯(lián)，也可以進行串聯(lián)，形成MFC－太陽能協(xié)同產(chǎn)電系統(tǒng)，有效提升系統(tǒng)的開路電壓、短路電流、最大輸出功率密度，為家庭供電提供更多電能。

2）MFC與氫能耦合通過對MFC外加電壓，將裝置運行模式改變?yōu)槲⑸镫娊獬?，在陰極回收氫氣，僅消耗少量電能就能從排泄物化學能中回收高品位氫能。電解水需要的電壓為1．8～2．0V，而施加在微生物電解池的理論電壓為0．114V，實際施加0．25V電壓即可產(chǎn)生氫氣。因此，利用微生物電解池制氫所消耗的電能相較于直接電解水消耗的電能要少，提高了電能利用率。所制得的氫氣可以輸送至車庫，為氫燃料電池車、氫能汽車提供動力能源，但要特別注意氫氣輸送的安全性。

6結(jié)語

目前，有多種方式能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能，如：加強建筑物用能系統(tǒng)的運行管理、提高保溫隔熱性能、提高采暖供熱及空調(diào)制冷制熱系統(tǒng)效率、增大室內(nèi)外能量交換熱阻等。減少建筑的電能消耗是實現(xiàn)建筑節(jié)能的有效方法。MFC正是這樣一種能夠?qū)⑷梭w排泄物中的化學能回收轉(zhuǎn)化為高品位電能的裝置，盡管存在著很多限制因素，而且MFC的產(chǎn)能較低，與太陽能、氫能耦合也存在一些技術(shù)問題，但隨著技術(shù)的不斷進步，相信不久的將來，MFC會成為服務(wù)于人類的新型節(jié)能產(chǎn)電技術(shù)。

作者：周宇 胡俊暉 唐麗君 劉中良 侯俊先 楊斯琦 李艷霞 單位：北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院 教育部傳熱強化與過程節(jié)能重點實驗室 北京市傳熱與能源利用重點實驗室