Mikrobiális üzemanyagcella kialakítások

Az üzemanyagcellák kialakításukat tekintve két főbb típusba sorolhatók: kétkamrás vagy egykamrás mikrobiális üzemanyagcellák. A kétkamrás üzemanyagcellák esetében van külön anód­ és katódtér, míg az egykamrás kialakításnál a katód közvetlenül érintkezik a levegővel (DU

et al., 2007).

Kezdeti kutatásokban elsősorban az ún. „H­formájú” MÜC­t alkalmazták, mivel ezeket az eszközöket viszonylag kis átalakítással laboratóriumi üvegeszközökből is létre lehet hozni (3. ábra, A). Hátrányuk azonban, hogy még proton­szelektív membrán használata esetén is nagy a belső ellenállás, mivel a két elektród viszonylag messze helyezkedik el egymástól.

A „szendvics­forma” MÜC a legelterjedtebb üzemanyagcella kialakítás, mind mikrobiális mind kémiai üzemanyagcellák esetében (3. ábra, B). Előnye a kompakt kivitel, kis belső ellenállás és az egyszerű bővíthetőség további cellákkal. Hátránya, hogy a cella hasznos térfogata kicsi és léptéknövelése nehéz.

Alsó betáplálású MÜC esetében a katódtér az anódtér fölött helyezkedik el. A katódtér akár nyitott is lehet az oxigén szabad beáramlása érdekében (3. ábra, C). Ezek a reaktor típusok már léptéknövelésre is alkalmasak, és jól hasznosíthatók szennyvíztisztítási folyamatok kiegészítéseként (HE et al., 2005; 2006). A megfelelő mértékű szerves anyag eltávolítás érdekében, a szennyvíztisztítási alkalmazásoknál recirkulációt is használnak, azonban a folyadékáramoltatás energiaköltségei meghaladják az üzemanyagcella energia kihozatalát, ezért az ilyen kialakítás elsődleges funkciója inkább a szennyvízkezelés és nem az elektromos áramtermelés.

Az alsó betáplálású MÜC­rendszer egy másik altípusánál, amikor a katódrész U­alakban bemerül a cellába, és ezt a részt levegőztetik (3. ábra, D). A H­forma MÜC esetében a belső ellenállás nagyon alacsony, mivel az anód és a katód közel helyezkednek el, csupán egy proton­

szelektív membránfelület választja el a két térrészt.

Az egyik legújabb MÜC konstrukció az ún. multi­anód MÜC­rendszer, aminek lehet egy­

és kétkamrás kivitele is. Ez a reaktor tartalmaz egy hengeres testet, amiben több grafit rúd anódot helyeznek el koncentrikusan a közepén lévő katódtér körül, proton­szelektív membránnal elválasztva (3. ábra, E). A katódtér lehet porózus szerkezetű, amin folyadékot vagy közvetlenül levegőt áramoltatnak keresztül (LIU et al., 2004).

3. ábra: Különböző kétcellás MÜC kialakítások (A: H-forma MÜC; B: Szendvics-forma MÜC; C: Alsó betáplálású MÜC; D: U-Szendvics-forma MÜC; E: multi-anód MÜC)

(DU et al., 2007)

Egykamrás MÜC kialakítások közül a legegyszerűbb kivitelű az ún. „ablakszerű”

légkatódos üzemanyagcella, ahol a reaktor falára vágott nyílásra illesztik a proton­szelektív membránt, amely közvetlenül érintkezik a légkatóddal (4. ábra, A). Ezt a típust csak laboratóriumi kísérletekben alkalmazzák mivel nehéz a léptéknövelése és a belső ellenállása is nagyobb a többi MÜC kialakítással összehasonlítva.

Laboratóriumi kísérletekben gyakori a „csőszerű” MÜC, ahol a kamra egyik végében található az anód a másik végében membránnal elválasztva a katód (4. ábra, B). Az anód

közvetlenül nem érintkezik a levegővel, míg a katód igen. Ez a kialakítás egyszerű, azonban az elektródok messze helyezkednek el egymástól, így jelentős belső ellenállású.

Az egykamrás kialakítások közül a legegyszerűbben léptéknövelhető kivitel az átfolyó anódterű (flow­cell) MÜC. Ebben a MÜC rendszerben a reaktortest oldala perforált, ezzel biztosítva a proton gradienst a membránon keresztül a két elektród között. A cella anódja porózus vagy granulátum szerkezetű, hogy a tápközeg áthaladását biztosítsa a reaktor tölteten keresztül (4.

ábra, C).

4. ábra: Különböző egykamrás MÜC kialakítások (A: ablak-forma MÜC; B: cső-forma MÜC; C: átfolyó anódterű MÜC) (DU et al., 2007)

A felsorolt üzemanyagcella konstrukciók nagy része képes szakaszos, fél­folytonos és folytonos üzemmódban is működni. Az elektrontranszfer vonatkozásában alapvetően két típust különböztetünk meg: elektronközvetítővel (mediátor) ellátott üzemanyagcellák és közvetítő nélküliek. Az elektronközvetítő anyagok (mediátorok) abban az esetben alkalmazandók, ha a mikroba kultúra nem képes az anódnak közvetlenül átadni az elektronokat (LOGAN et al., 2006).

A mediátor nélküli MÜC esetében olyan baktériumokat használnak, amelyek képesek a megtermelt elektronokat beavatkozás nélkül az üzemanyagcella elektródjára eljuttatni (REGUERA

et al., 2005). Természetesen a mediátorok alkalmazása nagymértékben megnehezíti a folytonos rendszer kialakításának lehetőségét, hiszen az elhasznált üzemanyag mellett a mediátor molekulák is eltávoznak a reaktortérből.

A membrán nélküli mikrobiális üzemanyagcellák egy különleges csoportot képeznek. A

„konvencionális” MÜC­cel ellentétben ezek a kialakítások nem rendelkeznek membránnal vagy sóhíddal, így az anolit szabadon áramolhat át a katódtérbe. Az anód a cella alján a katód pedig a tetején helyezkedik el. A kialakítás lényege, hogy az anód­ és a katódtér üveggyöngyökkel és üveggyapottal van elválasztva, ami nem engedi a katódtérbe vezetett levegő/oxigén buborékokat az anódhoz, így tartva meg a potenciál különbséget a két tér között (5. ábra) (GHANGREKAR és SHINDE, 2007). A szeparátor nélküli kialakításoknál, ahol semmit nem használnak az anód­ és katódtér elválasztására, a tápközeg és a bevezetett oxigén ellenárama által okozott diffúzió gátolódásának köszönhetően oxigén gradiens alakul ki, amely biztosítja a MÜC megfelelő működését. Egyes esetekben inert gázt is vezethetnek az anódtér felső részébe, hogy az oxigén beáramlását meggátolják (JANG et al., 2004).

5. ábra: Membrán nélküli MÜC kialakítás (GHANGREKAR és SHINDE, 2007) A membrán nélküli MÜC létrehozását a proton­szelektív membránok magas költségei ösztönözték, mivel az üzemanyagcellák költségeinek jelentős részét a membrán teszi ki. A membrán nélküli konstrukciók lehetőséget nyújtanak a léptéknövelésre, valamint kifejezetten alkalmas szennyvíztisztításra, mivel membrán hiányában a korrozív anyagok okozta degradáció elhanyagolható. Ez a konstrukció csak folytonos üzemben alkalmazható és lehetőséget nyújt a léptéknövelésre, valamint kifejezetten alkalmas a szennyvíztisztításra, hiszen membrán hiányában a korrozív anyagok okozta degradáció elhanyagolható. A folytonos gáz (inert vagy levegő) és szubsztrátum áramoltatás jelentős energiafelhasználást igényel (DU et al., 2007).

Azokat az üzemanyagcellákat, ahol a napfényt a mikroorganizmus elektromos árammá alakítja, a szakirodalom fotoszintetikus mikrobiális üzemanyagcelláknak nevezi (ROSENBAUM et al., 2010). A foto­MÜC­nek több típusa is ismeretes. Elsőként az ún. mesterséges mediátoros foto­

MÜC­t fejlesztették ki, ahol főleg Cianobacter fajokat alkalmaztak bio­katalizátorként,

mesterséges redox mediátor hozzáadásával. A mediátoros foto­MÜC működési elvét a 6. ábra szemlélteti.

6. ábra: A mediátort használó foto-MÜC működési elve (ROSENBAUM et al., 2010)

A működés során fény és sötét fázis különíthető el. A fény fázisban a fotoszintézisre képes mikrobák szénhidrátokat állítanak elő szén­dioxidból és vízből, miközben oxigént szabadítanak fel. A sötét fázisban a mikroorganizmusok eloxidálják a szintetizált szénhidrátokat és a mediátor által létrehozott elektrontranszportlánc segítségével az elektronok az anódra kerülnek, létrehozva az elektromos áramot (ROSENBAUM et al., 2010). A foto­MÜC­nek több típusa létezik, mint a mediátor nélküli alga reaktor, vagy a szeparált foto­MÜC konstrukcióknak, amelyek esetében külön bioreaktorban algákat szaporítanak, majd az alga biomasszát kiszárítják, megőrlik és szubsztrátumként használják fel az üzemanyagcellában. A foto­MÜC reaktorok előnye, hogy környezetkímélő módon képesek elektromos áramot létrehozni, azonban még nagyon alacsony hatásfokú a többi mikrobiális üzemanyagcellához képest is.

2.3 Mikrobiális üzemanyagcella elektród kialakítások