微生物燃料电池之原理教学文案.ppt

,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,第 四 章,生質能氣態燃料與微生物燃料電池,4-1,氣化,4-2,合成氣,4-3,沼氣,4-4,生物氫能,4-5,微生物燃料電池,氣化歷史,1669,年,Thomas Shirley,首次以碳氫化合物進行粗略的氣化實驗可謂氣化技術發展的開始。,1812,年於英國國內成立倫敦氣體、照明及焦炭公司（,London Gas,Light,and Coke Company,），此時氣化所產生燃氣開始應用於商業。,二次世界大戰期間，德國也曾利用煤炭氣化技術製造合成氣，而後合成液態燃料或作為化學品。,南非過去曾實施種族隔離政策，因而遭受到經濟制裁及石油禁運，在經濟制裁期間，南非曾利用煤炭氣化技術並配合,費托合成法（,Fischer-Tropsch synthesis,）,製造合成燃料及拓展石化工業。,2,氣化歷史,台灣光復前亦曾在台北市萬華設立煤氣公司，應用,煤炭氣化,技術將煤炭氣化製成煤氣供應都市瓦斯；光復後，則在台北南港設立煤炭氣化廠，提煉尿素供作製作肥料的原料。,當時氣化乃以空氣作為氧化劑，所生產的燃氣品質粗糙，熱質低。而隨著科技的日新月異，目前以純氧作為氧化劑居多，甚而通入蒸汽，使得燃氣的熱質增加、提高煤料利用率、降低生產成本。,3,氣化技術的發展與演進情形,由煤的熱裂解實驗得到合成燃氣,首次以碳氫化合物進行氣化實驗,1669,1699,第一個氣化專利,合成氣開始被用於照明與烹飪,將氣化爐應用於工業中,1788,1792,1861,1878,1984,1986,合成氣被成功地引入引擎發電,合成氣應用於汽車引擎,利用煤炭氣化技術製造燃料與化學品,廉價之石油及天然氣取代合成氣,南非經濟制裁期間利用煤炭氣化技術製造燃料,1901,1945,1914,第一次世界大戰開始,第二次世界大戰結束,Cool Water,煤炭氣化示範電廠開始運轉,1973,第一次能源危機,1979,第二次能源危機,4,氣化,原理,基本原理乃在高溫及,不充分氧化劑,環境下，使燃料與,空氣,(,或氧氣,),進行不完全或部分燃燒，甚至通入,蒸汽,參與反應，以產生,富燃料氣體,(fuel-rich gas),。,氣化後產氣成分主要包含了,一氧化碳、氫氣與部分甲烷,，前兩者即俗稱之,合成氣,(synthesis gas or syngas),。除了上述氣體外，氣化之產物尚包括了焦油,(tar),及硫化物等。,5,氣化,反應過程,乾燥及熱解作用：生質物進入氣化爐後，乾燥作用先將水分脫除，而後將生質物內揮發分釋放,(,去揮發反應,),。,燃燒反應：揮發分及焦炭將與氧氣反應，燃燒反應釋放大量熱量，以提供後續氣化反應所需的熱能。,焦炭重組反應：剩餘之焦炭將與二氧化碳及蒸汽進行吸熱反應，二氧化碳及蒸汽經還原反應後產生一氧化碳和氫氣。,產物平衡：最後在氣化爐高溫下，氣相可逆之水氣轉移反應達到平衡，使得一氧化碳、蒸汽、二氧化碳及氫氣等氣體的濃度達到平衡。,6,氣化反應,若以相（,phase,）變化而言，氣化爐中的化學反應涉及,異相反應（,heterogeneous reactions,）,及,均相反應（,homogeneous reactions,）,，異相反應有燃燒、裂解及氣化反應等，均相反應以氣相為主，包含有則有水氣轉移反應（,water gas shift reaction,）及甲烷化反應（,methanization,）。,若以吸放熱而言，化學反應亦涉及吸熱及放熱反應，藉由燃燒及裂解反應的放熱反應，,釋放的熱量可作為氣化反應的熱源,，因而將碳氫化合物轉變為合成氣及甲烷等。,7,氣化,8,氣化反應的指標,氣體產率（,yield,）,：係指單位質量生質物氣化所得的燃氣體積，單位為,m,3,/kg-,燃料 或,kmol/kg-,燃料。,產氣熱值,：可燃氣體部分，除了合成氣及甲烷等氣體外，氣化過程亦會產生少量的,乙烷、丙烷、乙烯、丙烯,及,苯,等。整體而言，若產氣熱值低於,8,374 kJ/m,3,，其稱為,低熱值氣體,；若產氣熱值介於,16,747 33,494 kJ/m,3,之間，為,中熱值氣體,；若產氣熱值大於,33,494 kJ/m,3,，則為,高熱值氣體,。,9,氣化生成各種氣體之高位發熱值,氣體,高位發熱值（,MJ/Nm,3,）,一氧化碳,12.67,氫氣,12.74,甲烷,39.73,乙烷,69.18,丙烷,98.51,乙烯,64.43,丙烯,92.42,苯,146.1,10,氣化反應的指標,冷氣體效率（,cold gas efficiency,CGE,）,：單位質量生質物氣化所得到的,產氣所擁有的熱量,與,氣化使用或進料的生質物熱值之比,，是衡量氣化結果的主要指標。,熱效率（,thermal efficiency,）,：熱效率為,生成物的總能量與總消耗能量之比,，物理意義為所有加到氣化過程中熱量的利用程度。,11,氣化反應的指標,碳轉化率（,carbon conversion,）,：其係指生質物（固相）中元素碳轉化成產氣（氣相）及焦油（液相）的比例,12,氣化反應的污染物,氣化時燃料中硫及氮則會產生硫化物及氮化物等污染物，其中硫化物包含有,硫化氫（,H,2,S,）、,COS,及,CS,2,，氮化物則包含有,HCN,及,NH,3,等。,高溫氣化反應程序中，燃料中的硫份主要轉化成,H,2,S,及,COS,，而兩者間的關係主要由以下兩式所決定,13,氣化反應的污染物,典型的氣化條件下，硫化物的主成分是,H,2,S,，約,9396%,的硫份以,H,2,S,呈現，其餘則是,COS,。,氮化物,HCN,及,NH,3,的生成，其來自,燃料氮（,fuel nitrogen,）遠大於分子氮（,molecular nitrogen,）或氮氣,，此係由於燃料氮大部分以,N-H,鍵或,N-C,的形式存在燃料，其鍵結能量遠小於氮氣中的參鍵，因此由氮氣生成,HCN,及,NH,3,的效應幾乎可忽略不計。,14,氣化反應的污染物,前述合成氣中的,H,2,S,可以,克勞斯程序（,Claus process,）,將硫份回收，克勞斯程序中的化學反應式表示如下：,15,氣化反應的污染物,克勞斯程序分成兩階段反應：第一階段中，三分之一的硫化氫先經歷,燃燒反應,以生成二氧化硫及水；,第二階段中，在觸媒作用及相對低溫環境下（,200,300,），剩餘硫化氫與二氧化硫反應以生成,元素硫,。因此，克勞斯的總反應可表示為,16,氣化爐的形式,固定床,流體化床,挾帶床,17,固定床,或稱為,移動床（,moving bed,）,，為最早及最普及的氣化方法，也是商業化應用最多的技術。,燃料與空氣的移動方向恰好相反，此形式的流動稱為,對流式（,countercurrent flow,）,。,大粒徑燃料由氣化爐上端輸入，而空氣或蒸汽則由底部內流入。,氣化爐內依燃料的受熱及反應情形及可區分成,乾燥區（,drying zone,）、去揮發區（,devolatilization zone,）、氣化區（,gasification zone,）及燃燒區（,combustion zone,）,等。,18,固定床氣化爐,的形式,上排氣式,(up-draught),下,排氣,式,(down-draught),橫排氣,式,(cross-draught),19,氧化劑由爐底,送入爐床（,hearth,），在工業大型爐體中，蒸汽的加入可降低爐床的溫度。氣體會依序通過還原區、去揮發區及乾燥區，而後,產氣由上方排出,。至於燃料，其經過爐床反應後，殘餘灰渣將經過爐格而掉入灰渣區。,上排氣式,(up-draught),20,其主要目標為將焦油（,tars,）轉化成產氣，爐床中為燃燒區，其上為蒸餾區及乾燥區，爐床下則為還原區，,產氣則由還原區下方排出,。,下排氣式,(down-draught),21,橫排氣式,(cross-draught),空氣及氣體橫越過爐體，且藉由小型空氣噴嘴（,nozzle,）將燃燒區及還原區侷限住。由於較短的反應時間，因此,燃料中焦油含量需低,，粒徑需較小，最後產氣則由爐體側邊排出。,22,上排氣式、下排氣式及橫排氣式氣化爐之優缺點,氣化爐,優點,缺點,上排氣式,較小壓力降,較高熱效率,較不易結渣,對焦油、水氣及燃料中水分較敏感,高氣體負載時反應性較差,下排氣式,對氣體產生及裝載（,load,）比較有彈性,對燃料中焦油含量及木炭的灰份較不敏感,較高的反應器高度,不適用於甚小的燃料顆粒,橫排氣式,設計高度較短,對裝載有較快速反應時間,氣體生產較有彈性,對結渣現象極敏感,較大壓力降,23,流體化床,當流體由下往上通過固體顆粒層時，在較高速流體作用下，固體顆粒層會呈現類似流體行為之現象，稱之為,流體化（,fluidization,）,，流體化床的特性即在於爐床中充填流體化介質，較高速反應氣體則由底部向上流動以產生紊流，並使充填的介質產生流體化。,流體化床氣化爐內生質物顆粒僅佔一部分，其他粒子則有灰渣、砂及空氣污染物吸附劑,(,如石灰石,),等。由於砂是良好的蓄熱介質，因此當生質物顆粒被送入爐床內時，,熱量能均勻傳至燃料顆粒而產生氣化反應,。,24,流體化床,流體化床氣化爐內，氣固兩相能充分接觸反應，反應速度快，且氣化效率高。此外，若流體化介質中含有,吸附劑,時，反應所產生的,硫化物能一併被吸收,，產氣中的污染物將較少。流體化床操作溫度須控制在,結渣點（,slagging temperature,）以下,，以避免灰渣的燒結（,sintering,）進而失去流體化。,流體化床的優點有較低的操作溫度、適中的燃料停留時間、燃料顆粒尺寸範圍的限制較小等，但缺點在於,運轉溫度範圍小,，通常需低於,灰分的融點,，並,高於焦油產生的溫度,。,25,氣泡式流體化床,氣體由給風區經氣體,分佈器,進入床內，並於分佈器上方形成許多小氣泡，小氣泡向上運動後合併為較大氣泡，氣泡移至床表面後破裂並離開。由於床中的氣泡運動，致使粒子循環運動。氣泡式流體化床的氣體流速較低，適用於較大顆粒物料的氣化。,26,循環式流體化床,當氣體流速高至使床內粒子被大量帶離床體，而後被旋風集塵器收集並循環回流至流體化床。循環式流體化床中的,氣體流速較高,，適用於,較小顆粒物料的氣化,。,27,雙床式流體化床型式,其中一座流體化床為,燃燒爐,，另一座流體化床則為,氣化爐,。生質物於燃燒爐內進行燃燒反應以加熱床料，高熱的床砂被送至另一座流體化床，以利生質物於氣化爐內進行氣化反應。生質物經氣化反應後，,部分床料回流至燃燒爐再加熱,，,氣體及焦炭則流出氣化爐進行分離,，其中焦炭回收至燃燒爐作為燃料，產氣則被收集或部分回流至氣化爐再反應。,28,雙床式流體化床型式,29,挾帶床（,Entrained bed,）,其乃將燃料,粉末化（,pulverized,）,，並與氣體以同,向流（,co-current flow,）,方式直接吹送至爐中。由於燃料顆粒甚小，因此燃料體粉將懸浮爐中以進行氣化反應，並於高溫環境下於數秒時間內完成。,因氣體與煤粉的停留時間甚短，因此挾帶床的溫度需控制在,熔渣點（,slagging point,）以上,，以期得到較高的碳轉換率。,挾帶床內,溫度十分均勻,，氣體和煤氣之間幾乎沒有溫度差異，且固氣混合情況優於固定床及流體化床，因此目前挾帶床為煤炭氣化發電機組主要採用的氣化爐形式。,30,氣化複循環系統,(IGCC,）,氣化複循環系統（,IGCC,）發電係將生質物、煤炭或重質油等碳氫化合物置於氣化爐中，藉由氣化反應以生成合成氣（,CO,H,2,）及,CH,4,等氣體，而後經,除塵、除硫和除氮,後，再送至複循環機組當燃料發電，其發電效率較傳統燃煤發電高出甚多。,整體而言，,IGCC,主要設備包括,燃料供給系統、氧氣製造廠、氣化爐、產氣淨化系統、熱回收、煤渣處理及複循環發電系統,等部分。,31,煤炭氣化複循環系統,32,煤炭,氣化複循環系統,首先，將煤炭研磨成細粉，和氧氣廠所提供的,氧氣,一併送入氣化爐中，氣化爐內的溫度高達攝氏,7001,600,，壓力在,168,個大氣壓力下，煤炭在氣化爐中經由不完全燃燒而產生,煤氣,，煤炭在氣化爐內之化學反應與煤炭品質、氧化劑、壓力、溫度、氣化爐形式及進料方式等有及密切的關係。氣化爐中所產生的煤氣因含有硫化物（如,H,2,S,、,COS,、,CS,2,）、氮化物（如,NH,3,、,HCN,）及粒狀污染物等，必須經由,煤氣淨化,系統予以清除，成為乾淨的產氣，以供複循環機組使用。,33,Varnomo demonstration plant at Sweden,生質物氣化複循環系統,（,Biomass IGCC,）,34,甲醇合成,甲醇是一碳醇，為直鏈醇系最簡單之分子，是製造各種化學物品的重要原料，例如,甲醛、醋酸、甲酸、聚乙烯醇、甲基第三丁基醚,(MTBE),等。,1920,年代,鋅鉻氧化物觸媒,發展成功後，促使該類觸媒大量應用於甲醇合成。,35,二甲醚,(DME),合成,二甲醚,(dimethyl ether,DME),可作為,柴油替代燃料、家庭用燃料,及,發電用燃料,等，也可作為,噴霧劑,。,二甲醚應用於柴油引擎時，可減少,氮氧化物、硫氧化物及粒狀污染物的排放,外，也具有燃燒效率佳及低引擎噪音等優點。,二步合成乃以合成氣生成甲醇，再進行,甲醇脫水反應,製成二甲醚。,36,氫能經濟,氫能經濟的開發涉及氫氣的,生產,(production),、運輸,(delivery),、儲存,(storage),、轉換,(conversion),及,末端使用,(end-use),等。,不論是生產、輸送、儲存、轉換或末端使用，其皆需要完整的氫能基礎設施,(infrastructure),為骨幹。除了上述基本元件外，氫能,基礎研究、安全、法規、標準、教育,及,系統分析,亦十分重要。,37,氫氣製造,氫氣的來源方面，其生產主要可分成：,(1),熱化學,(thermochemical),法,；,(2),電化學,(eletrochemical),法,；,(3),光電化學,(photoelectrochemical),法,；及,(4),光生物,(photobiological),法,等四類，其中商業運轉產氫以熱化學法為主。,熱化學法中常見之產氫方式有,蒸汽重組,(steam reforming),、,自熱重組,(autothermal reforming),、,部分氧化法,(partial oxidation),、,氣化、裂解、直接分解,(direct decomposition),及,水氣轉移,(water gas shift reaction),等。,38,水氣轉移反應,氣化方式產生合成氣中除含高濃度的氫氣外，另也有一氧化碳，此時可藉由,水氣轉移,進一步提升氫氣濃度。,水氣轉移反應通常需要在觸媒環境中進行，而最常用的觸媒有,高溫水氣轉移觸媒,及,低溫水氣轉移觸媒,，前者以,鐵鉻基,(Fe-Cr-based),觸媒,為主，操作溫度約介於,320-450,；後者則以,銅鋅基,(Cu-Zn-based),觸媒,為主，操作溫度約介於,200-250,。,39,費,希爾,托普希,合成法,（,Fischer-Tropsch synthesis,）,將,合成氣,轉化成,液態碳氫化合物，以做為石油替代物,的一種方法，,因此又稱為,氣轉液,(Gas To Liquid,GTL),技術。,合成氣將轉化成,烷烴類,(alkane),，其中以直鏈之烷烴類為主產物。此外，合成過程中也會產生少量的烯烴類,(alkene),、醇類及其他含氧碳氫化合物。,一般費托合成法的操作溫度介於,150300 C,之間，壓力則在,1,大氣壓至數十大氣壓之間。,40,沼氣,當有機物質於厭氧環境中，在一定的溫度、濕度及酸鹼度條件下，通過微生物的,厭氣發酵作用,，會產生一種可燃氣體，由於這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中被發現，故稱為,沼氣（,biogas,）,，又稱為,消化氣（,digester gas,）,或,沼澤氣（,swamp or marsh gas,）,，沼氣也會出現在垃圾掩埋場中，故其也稱為,垃圾掩埋氣（,landfill gas,）,。,沼氣主要成分是,甲烷（,methane,CH,4,）和二氧化碳（,CO,2,）,，另外還含有少量,一氧化碳、硫化氫（,H,2,S,）、氫氣、氧氣,和,氮氣,等氣體。,41,甲烷化,廚餘（,garbage,）、畜禽排泄物（,manure,）、有機廢水（,organic wastewater,）、污泥（,sludge,）、農產廢棄物（,agricultural waste,）或都市廢棄物（,MSW,）可以做為原料，進行沼氣生成反應，而經,厭氣發酵法,處理，以產生沼氣作為能源之處理方式即稱為,甲烷化（,methanation,）,。,42,瑞典沼氣動力火車,commons.wikimedia.org/wiki/,www.sweden.se/templates/cs/Article_14363.aspx,43,厭氧發酵,（,Anaerobic Fermentation,）,或稱為,厭氧消化,（,anaerobic digestion,），係微生物在,缺乏氧氣,的狀態下，將構造複雜之有機物分解轉變為簡單之成分，最後產生甲烷和二氧化碳等氣體。,此種厭氧發酵過程可分成二個主要階段：第一階段為,酸生成階段之酸化期（,acidification phase,）；,第二階段則為,產生甲烷之甲烷發酵期（,methane fermentation phase,）,。,44,厭氧發酵,第一階段酸化期主要由,兼性細菌,（,facultative bacteria,）和,酸化細菌,（,acidogenic bacteria,）將蛋白質、碳水化合物、脂肪等轉化成以,揮發性脂肪酸,為主的中間產物。,第二階段甲烷發酵期中，,甲烷菌,（,methanogenic bacteria,）利用上述中間產物形成最終產物（甲烷及二氧化碳）。,每一步驟均需由,不同種類,之甲烷菌促成，而幾乎有,85%,之甲烷是經由乙酸和丙酸之代謝反應而生產。真正有機物之穩定化是在第二階段進行，而其生物污泥之含量也少。,45,厭氧發酵,46,厭氧發酵槽,47,沼氣生產流程,48,垃圾沼氣的產生過程,整個過程可以分為五階段：,最初調整期（,initial adjustment,）,過渡期（,transition phase,）,酸化期（,acid phase,）,甲烷發酵期（,methane fermentation phase,）,成熟期（,maturation phase,）,49,最初調整期（,initial adjustment,）：此期之生物分解係以,好氧反應（,aerobic reaction,）,進行，因此稱為喜氣階段，而微生物之來源則由,每日及最終覆土之土壤,所提供。,過渡期（,transition phase,）：此期氧氣耗盡，因而喜氣菌消失並由,厭氧菌,取代。一旦掩埋場變成厭氣狀態，此時氮及硫被還原為,氨氣及硫化氫,。,酸化期（,acid phase,）：此期產生,大量的有機酸及少量氫氣,，而二氧化碳則是生成氣體之主成分。本期又分成二步驟：第一步乃以酵素將高分子量成分如脂肪及蛋白質分解成其他物質，第二步則將前述轉化之物質轉換成更小的中間物質如,醋酸,(CH,3,COOH),。,垃圾沼氣的產生過程,50,甲烷發酵期（,methane fermentation phase,）：此期由,甲烷菌佔優勢,，將前期產生的,醋酸,及,氫氣,轉化成,甲烷及二氧化碳,。,成熟期（,maturation phase,）：此時期，因為大部分營養物在前面各期中隨滲出水去除，因而掩埋場中廢氣產生率明顯減少，而留在掩埋場中物質多屬於緩慢且可生物分解性。此時產生廢氣仍以,甲烷及二氧化碳,為主。,垃圾沼氣的產生過程,51,垃圾沼氣的產生過程,52,一般來說，沼氣的產量在掩埋場關閉後的,5,年達到最高峰,，而發電時間約,可持續,15,至,40,年,之久，但台灣因為含水量加上空氣溼度較高等因素，所以沼氣的生成也較國外掩埋場早。,自民國,85,年起政府即協調再生能源業者開發國內垃圾掩埋場以沼氣發電。以台北市為例，,山豬窟,垃圾掩埋場之沼氣處理發電設施為台灣第一座沼氣發電廠，並已於,1999,年,11,月,1,日正式啟用。除了山豬窟垃圾掩埋場，台北市的,福德坑,、高雄市之,西青埔,及台中市,文山,等四座掩埋場，皆已設置沼氣發電廠。,垃圾沼氣的產生過程,53,台北福德坑垃圾掩埋場之沼氣發電廠外觀,54,台灣沼氣統計,沼氣發電廠,2012,年,2,月,2012,年,2,月,開始商轉日,累計處理沼氣量,累計綠色,能源發電量,相當於減少,CH,4,排放量,相當於減少,CO,2,排放量,高雄西青埔,2000,年,5,月,18,978,萬立方公尺,30,364,萬度,67,712,公噸,178,萬公噸,台中文山,2001,年,7,月,5,433,萬立方公尺,8,693,萬度,19,386,公噸,51,萬公噸,台北山豬窟,1999,年,11,月,13,427,萬立方公尺,21,483,萬度,47,907,公噸,126,萬公噸,台北福德坑,2002,年,4,月,6,505,萬立方公尺,10,408,萬度,23,210,公噸,61,萬公噸,55,生物產氫,(Biohydrogen),係指以藻類,(algae),或細菌,(bacteria),等生物，利用其消耗有機物質的反應方式產生氫氣。,生物產氫可分成,光合作用,(photosynthesis),產氫及,醱酵,(fermentation),產氫兩種。,光合作用產氫乃藉由光能進,生物光解作用,而將水分解成氫氣；醱酵作用則是以有機質為電子提供者，經由醱酵作用將有機質分解，並伴隨產生部分電子，藉由特定之電子傳遞系統將電子傳送給水體中的質子,而產生氫氣。,生物產氫,56,光合作用產氫又分成,直接生物光解,(direct biophotolysis),及,間接生物光解,(indirect biophotolysis),兩種,。,醱酵產氫則分成,光醱酵,(photo fermentation),與,暗醱酵,(dark fermentation),兩種,。,近年來，另發展出結合光醱酵與暗醱酵的,混合,(hybrid),產氫,方式。,生物產氫,57,生物產氫,58,藻類在陽光照射下會進行有氧,光合作用,(oxygenic photosynthesis),，將水分裂後產生氧氣、質子與電子，而電子從水流動至兩個光合系統,(PS,和,PS),，氫化酵素,(hydrogenase),再經由電子攜帶鐵氧化還原蛋白,(ferredoxin,Fd),將電子傳送給以產生氫氣。,直接生物光解產氫,59,產生氫氣可分成兩個步驟，第一階段為,光反應,，透過太陽光所提供之光能，可將二氧化碳固定並轉化成細胞或有機化合物；第二階段為,暗反應,，以,醱酵,方式產生氫氣。,間,接生物光解產氫,60,光合細菌,(photosynthetic bacteria),能將有機物質,(,如有機酸、醣類,),完全分解，並藉由,固氮酵素,(nitrogenase),作用而產生氫氣，此作用稱之為光醱酵作用,光醱酵產氫,61,厭氧微生物在缺氧或無氧狀態下，將複雜有機質經一系列代謝反應，最後於氣相形成,CH,4,及,CO,2,。由於醱酵過程不需要光源，因此稱為,暗醱酵產氫,。,暗醱酵產氫過程可分為,水解,(hydrolysis),、酸化,(acidogensis),、及,甲烷化,(methanogensis),三個步驟,。,暗,醱酵產氫,62,醱酵混合產氫係,結合暗醱酵與光醱酵,方式產氫。,第一階段中，以嗜熱暗醱酵,(thermophilic dark fermentation),方式將生質物轉化成醋酸鹽、二氧化碳和氫氣,第二階段則在一個光生物反應器中將醋酸鹽進一步轉化成二氧化碳和氫氣。,醱酵混合產氫,63,醱酵混合產氫,64,微生物燃料電池之,原理,微生物燃料電池是一種,生物電化學,(bio-eletrochemical),裝置,。,以微生物,(microorganism or microbes),為,催化劑,，在陽極於,厭氧,(anaerobic),條件下，利用微生物進行,新陳代謝,(metabolism),反應，分解有機燃料並將,化學能直接轉化成電能,的裝置。,有機燃料可為,葡萄糖、醋酸、乳酸及家庭污水,等。,65,反應過程,在陽極槽中水溶液或污泥內的有機質在微生物作用下直接,生成質子,(proton,H,+,),、,電子,和,代謝産物,，電子通過載體傳送到電極表面。電子載體可能是外源的染料分子、與呼吸鏈有關的,NADH,和色素分子、也可能是微生物代謝産生的還原性物質，如,S,2-,和,H,2,等。,電子,經由外部迴路,來到陰極,，同時,質子,通過溶液及薄膜而,遷移到陰極,。,陽極傳遞過來的,質子和電子在陰極表面,與氧化劑,(,如氧氣,),結合,發生還原反應,。,66,構造,微生物燃料電池的構造主要有,陽極槽,(anodic chamber),、,陰極槽,(catholic chamber),及,質子交換膜,，陽極槽及陰極槽上各有,電極,(electrode),，其間以電線連接；,質子交換膜,則將陽極槽及陰極槽分離。,陽極槽必須另具有,有機質,及,催化劑,(,微生物,),，陰極槽另具有,緩衝溶液,。,67,陽極是有機物質在微生物,(,催化劑,),作用下進行,氧化反應,(oxidation),的場所。,陽極的電極必需具備有良好的,電導性、生物適應性及化學穩定性,。,陰極為物質進行,還原反應,(reduction),的場所。,微生物燃料電池的陰極氧化劑主要有,空氣、溶氧、鐵氰化物、二氧化錳,等。,目前，陰極材料多使用,載鉑石墨,、,碳布,或,碳紙,等。,68,質子交換膜作用在於讓,質子由陽極傳輸至陰極,，同時,抑制反應氣體及其他成分的滲透,。,一般常用的質子交換膜有,Nafion,、,Ultrex,、聚乙烯,(,polyethylene),、鹽橋及瓷隔膜,(porcelain septum),等。,微生物可為特定菌種，如,大腸桿菌,(E.Coli),、,地桿菌,(Geobacter),、,腐敗謝瓦納拉菌,(Shewanella putrefaciens),、,異氧鐵還原菌,(Geobacter metallireducens),、,綠膿桿菌,或,銅綠假單胞菌,(Pseudomonas aeruginosa),等。,用於微生物燃料電池的微生物除來自於培養外，亦可來自家庭污水、澱粉廢水、海洋底泥、土壤及活性污泥,(activated sludge),等。,69,微生物,70,微生物,燃料電池,的應用：發電,微生物燃料電池可以將儲存生質物內的,化學能轉化成電能,。,微生物燃料電池特別適合用於只需,低電耗傳送信號的小型遙測系統,及,無線感測器訊號,。,微生物燃料電池本身可作為,分散式發電系統,以用於局部地區，也可應用於太空船內，其除可消耗艙中產生的廢棄物外，也可產生電力。,展望未來將微生物燃料電池,置入人體內,，用人體內的營養分,(nutrient),為燃料以驅動微生物燃料電池，並提供電力予植入體內的人工醫學裝置,(,如人工心臟,),。,71,微生物,燃料電池,的應用：發電,www.ramasamy.uga.edu/research.html,72,微生物,燃料電池,的應用：廢水處理,除了都市廢水外，由於,生活廢水、食品加工廢水、養豬廢水和玉米稈,等皆含有豐富的有機物，其都可作為微生物燃料電池的燃料來源。,微生物燃料電池於廢水處理過程裡所產生的電力，可使傳統的廢水處理過程中用於活性污泥,(activated slude),曝氣所消耗的電能減半；此外，微生物燃料電池可減少,50-90%,的固體產生量。,在某些案例中，微生物燃料電池可除去廢水中,80%,的,化學需氧量,(chemical oxygen demand,COD),，,庫侖效率,(Coulombic efficiency),則可高達,80%,。,73,微生物的應用：生物產氫,如欲以微生物燃料電池作為氫氣產生的裝置，可在電路內的陰極,增加電位,(potential),以克服產生熱力學障礙,。,陽極的反應所產生的質子和電子將在陰極結合形成氫氣。由於陽極槽中生質物氧化過程產生部分能量，微生物燃料電池產生氫氣要求的外部理論電位是,110 mV,，遠低於中性水,(pH=7),直接電解所需的,1210 mV,。,微生物燃料電池具有每莫爾葡萄糖產生,8-9,莫爾氫氣,的潛力。,使用微生物燃料電池產生氫氣的過程中，陰極槽,不再需要氧氣,。,74,微生物的應用：生物產氫,75,微生物的應用：生物感測器,微生物燃料電池技術可作為感測器以,分析污染物,和在,現場監測與控制處理過程,。,微生物燃料電池可能成為,生物需氧量,(biological oxygen demand,BOD),的感測器。,微生物燃料電池型態之感測器具有的優點包含有,優良的操作穩定性,、,良好的再現性與正確性,。,微生物燃料電池型態之,BOD,感測器操作可長達,5,年而,無須額外的維護,，遠久於其他型態的,BOD,感測器。,76,MFC,應用之概念圖,77,