下一代小巧玲珑的燃料电池

上一篇 / 下一篇  2011-08-28 20:45:19

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这种世界上最小的微流体燃料电池有可能为水下遥感传感器或甚至医学上的植入物提供动力


四个微生物燃料电池并排地放置在一起(图片所有权来自卡内基梅隆大学的Kelvin Gregory)

【towersimper注:本文为译文,有部分改动,仅用作研究之用,不得用作商业开发,转载请标明翻译者towersimper】

设备:2011年4月发表在Biotechnology and Bioengineering杂志上一篇论文[1]“Microbial electricity generation via microfluidic flow control(通过微流体流量控制微生物产生电流)”中利用微流体(microfluidic)构建的这个微小的生物燃料电池,也是这种类型中最小的一个,它的总体积只有0.3微升,该电池是依赖细菌产生能量。细菌在阳极,即这个体系的带负电荷一端上生长繁殖,通过它们天然的新陈代谢产生流动到阴极的电子,从而构成一个电路。总之,阳极和阴极之间只有几根人头发丝那么宽,但是这个微小的电路产生持续流动的电流。

最新进展:2008年,伊利诺伊大学厄本那—香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究人员构建来了一个3平方毫米的以氢气为动力的燃料电池[2],在当时称为世界上最小的燃料电池[3]。接下来的一年里,加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的一个研究小组构建了一个体积为1.5微升的微生物燃料电池[4]。而“通过微流体流量控制微生物产生电流”这篇最新论文中构建的燃料电池体积只有它的五分之一,从而使得它可能在用于较大的燃料电池不适合放置的或者不能将很多燃料电池包装在一起的地方,同时也不用担心电池空间的问题。


阴极和阳极(图片所有权来自卡内基梅隆大学的Kelvin Gregory)

这个新的燃料电池也采取一种不同的方法在电池中来分离两种流体,一种流体在阴极上,而另一种在阳极上。大多数微生物燃料电池依赖于半通透性的膜来避免液体混合在一起,同时也允许质子从电池一边运行到另一边。位于华盛顿特区的海军科学研究实验所(Naval Research Laboratory)的燃料电池研究人员Leonard Tender(未参与这项研究)说,“对微生物燃料电池而言,那是一个大的问题”,因为设计微小的膜以及封装成越来越小的燃料电池一直是一种挑战。在这个新的电池中,研究人员仅仅是通过全部除去膜以及依赖微流体通道来成功地将两种流体分隔开的方法来解决这个问题,这就像是两条河流并排流动但又不会混合在一起,这是因为两条河流流动速度不同。Tender说,“这就是一个单隔室的微生物燃料电池,没有膜,但是能够以假定中的良好效率发挥功能”,“真是非常有意义的第一步”。


构建微流体通道(图片所有权来自卡内基梅隆大学的Kelvin Gregory)

再者,宾夕法尼亚州卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的一名环境工程师Kelvin Gregory,也是这篇论文的通信作者,他说,因为微流体能够轻易地大规模生产,这个精细的技术是可以扩展的,廉价的而且容易构建。“一旦我们手头上有这种微流体,电池组装起来就非常容易进行。”

重要性:作为能源,燃料电池要比化学电池有许多优势。除了更加廉价和维持更长时间外,它们是由天然的组分组成的,因而不会冒着泄漏有毒的化学物到环境中的风险。特别是,微流体燃料电池依赖于生物体系产生能量,也可作为一种可再生的能源发挥作用,因为它们可能消耗再生性的燃料如有机性的废弃物。专家们说,这些益处使得这种燃料成为吸引人的替代性选择,可以用来为布置在偏僻处的需要长时间里自供电的设备提供燃料,如水下的传感器或者甚至有朝一日在医学上使用的植入物或传感器。


阳极上的细菌生长(图片所有权来自卡内基梅隆大学的Kelvin Gregory)

Tender说,“价值在于你能拥有非常小的以生物燃料来工作的能源供应。”

改善空间:然而,Gregory.说,就如今而言,这种微流体燃料电池只产生非常微小的电量---最高可达到每立方米127安培,大约比一节AA电池小7千倍。在这种水平上,单个微流体微生物电池能够潜在地作为遥感传感器为自己提供能量,但是要能有较大的应用,很多电池将会需要堆积在一起以便增加能量输出。卡内基梅隆大学的一名机械工程师Philip LeDuc,也是这篇论文的共同作者,他说,幸运地是,多路复用(multiplexing)是微流体的一种常见的特征。“它就像是电脑芯片---你能平行放置很多事情。”

研究人员可能也能够通过微调这些电池的结构而改善它们的效率。Tender.说,尽管这种没有膜的微流体方法成功地防止电池两边的流体混合,但是这也可能使得质子很难从阳极运行到阴极,而这有可能造成这种设备输出低能量。“如果那种问题能够得到解决,这将是一次巨大的进步。”


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