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Microbes Chow Down最新的燃料电池技术

Cullen Buie操纵微尺度现象以优化能量转换设备

2014年5月29日·麻省理工学院新闻

你可以很快地用手指和脚趾数我们浪费能源的许多方式。以我们的污水处理系统为例:废水中的能量含量是处理它所需能量的10倍。在美国,我们花了3%的能源处理废水,这意味着大约30%的能源被白白消耗掉了。

“即使你能得到一小部分,你可以抵消处理废水所需的能量,并且可能销售一些回到网格,”抬起头来麻省理工学院能源和微系统创新实验室(LEMI)。“我们正在努力使用微生物燃料电池来收获目前正在刷新厕所的一些能量。”

Buie在微生物燃料电池方面的工作只是LEMI众多工作中的一个,他们的项目涉及的领域包括微流体学、电动力学、电化学和微尺度表面工程。除了微生物燃料电池,潜在的应用还包括生物柴油的收获、用于基因研究的细胞分类、船体保护,以及Buie迄今为止最大的突破:一种低成本、不需要膜的氢溴流电池。

布伊2010年来到麻省理工学院时创立了LEMI。“这个实验室涵盖了我感兴趣的所有东西,包括替代能源,”机械工程助理教授Buie说。“我们的很多应用都依赖于微尺度操作或微流体原理。我们还通过观察流体中的电场来根据物理性质区分或分类细胞。”

与化学燃料电池一样,微生物燃料电池消耗燃料和氧化剂,并产生有用的能量,并释放出热量等副产品。随着化学燃料电池催化剂成本的增加,这项技术受到了越来越多的关注。

“而不是需要珍贵金属催化剂如铂,微生物燃料电池使用的细菌,它在电极上享受并吃燃料,”Buie解释说。“作为呼吸的副产品,它们向电极释放电子,提供能量,您可以收获电力。”

该技术的主要限制是低功率密度,导致低转换速率。Buie说,例如,要运行一辆汽车,微生物燃料电池库需要比汽车本身还要大。他补充说:“然而效率如此之高,它将是轻量级废水处理的理想选择,在通常情况下,你没有什么其他的废水可以处理。”“食品加工设施可以使用[微生物燃料电池]来处理食品加工废水,然后将其排放到市政当局进行处理。”

Buie说,为了将微生物燃料电池扩大到更大的系统,还需要进一步研究微尺度上的相互作用。“微生物只有一微米大小,所以要了解反应物和电子的流动,以及系统的几何形状如何影响细胞,你需要探索一个更接近它们规模的环境,”他说。

LEMI开发了微型微流控微生物燃料电池,以探索当地环境如何影响细胞将有机材料、糖和醋酸酯转化为电能的能力。为了提高废水处理效率,该实验室还在研究废水流体流动。

Buie说:“这一领域的大部分工作都是由生物学家完成的,所以重点是生物。”“但随着我们朝着实用设备的方向努力,我们需要了解流体力学、材料和运输等东西。处理设施的规模是巨大的,所以我们需要了解扩大规模将如何影响当地的生物学。我们必须知道需要什么机制来让这些流动最有效地进出,并允许这些生物体在电极上茁壮成长。”

无膜的流动技术旨在更强硬,更便宜的电池

LEMI与麻省理工学院化学工程系的Martin Bazant教授合作,也在研究一种叫做氢溴流电池的电化学电池。这种基本设计最早出现于20世纪70年代,与传统的氢氧燃料电池相比,它具有某些关键优势:例如,要获得适当高浓度的氧气,必须在一个昂贵的大油箱中压缩它。另一方面,溴不仅便宜,而且在室温下是液态的,所以你可以把它溶于高浓度的水或氢溴酸中。

溴流电池也更加柔韧。“这是一种类似可逆的燃料电池,因为它以两个方向运行,”布莉解释说。在一个方向上,您“流动”氢气和溴,产生有用的能量,废热和氢溴酸。在相反的方向上,在氢溴酸和电力流动以产生氢和溴。

然而,由于开发可以将反应物分离的电解质膜的挑战,该技术已经停滞不前,同时随着时间的推移能够在实现一致反应的同时。膜倾向于被氢溴酸腐蚀。

Buie尝试了一种不同的方法。“我们所做的是开发一个没有膜的系统,”他说。“相反,我们使用流体力学来分离阳极和阴极的反应。”

大约十年前,哈佛大学(Harvard University)就提出了利用流体力学实现无膜系统的想法,但由于其低功率输出,最初基本上被忽略了。Buie公司的创新之处是改进工艺,并将其与增强版的氢溴流电池相结合。

由于这种薄膜的成本占到总成本的30%到40%,Buie的设计也应该便宜得多。Buie表示:“我们的系统不仅具有更高的耐久性和更长的使用寿命,而且还可以移除最昂贵的组件。”

无膜电池还使具有非常高功率密度的非常紧凑的装置。“我们能够展示任何化学系统的任何电化学系统的一些最高功率密度,”Buie说。“你投入了大量的精力。”

Buie说,LEMI已经开始了扩大氢溴电池原型的工作,并且正在积极寻找合作伙伴并申请资助。他说:“我们甚至可能围绕它开一家公司。”“由于风能和太阳能等可再生能源的发展,市场潜力巨大,主要是在能源储存方面。存储机制可以抑制可再生能源的间歇性。”

用dep上间谍细胞

其他几个LEMI项目利用介电泳(DEP)的功率,施加非均匀电场的过程,以产生施加力的偏振效果,从而基于其电性能操纵介电颗粒或细胞。在这里,Buie再次占据了一个旧的未充分利用的技术,并改编了新的任务。该技术已用于测试细胞的内部特性,但它倾向于忽略外表面,其中发现许多最有趣的品质。Buie有洞察力使用较低的频率使得DEP看看外表面上发生的情况而不杀死或对细胞造成多大损害。

他说,在Lemi,Buie和他的团队使用低频Dep来“对细胞进行分类或形成生物膜的能力”。“我们创建了一种可帮助根据其曲面属性对普通单元格进行排序的设备。”

除了病原体检测外,另一个潜在的应用是用于收获生物燃料的藻类。“某些藻类积累脂质,作为生物柴油的前体,”Buie解释道。“对积累更多油的工程生物有很多基因工程和合成生物学研究,但没有低成本或快速的方式来确定哪些生物产生油。我们的微流控和介电泳技术允许我们使用更高频率的电场通过其油含量对细胞进行分类。我们可以使用不伤害或杀死细胞的非侵略性技术来解决最丰脂的细胞,因此我们可以测试或培养它们。“

Buie预测,目前聚焦于医疗保健的微流体技术将转移到生物技术和工业生物技术的“下一个前沿”。他指出:“利用微生物产生从燃料到特殊药物等人类感兴趣的化学物质,引起了大量的兴趣和研究。”“为了快速确定细胞执行某些功能的效率,我们需要微型流体处理。”

例如,在基因工程中,研究人员想知道它们的哪些突变表现出感兴趣的物理特性。他说:“目前,他们改变基因结构的速度比弄清这种改变造成了什么还要快。”Buie的技术将提供快速检测,同时保持细胞的活力,以便未来处理。

“微流体可以通过将最初针对医疗保健的工具掺入遗传工程和合成生物学,”布莉说。“有类似的问题,对可以从微观工程中受益的人类同样重要。”


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