articulo

1. Revista de fuentes de energía195 (2010) 8013–8018
Listas de contenidos disponibles enCienciaDirecta
Revista de fuentes de energía
revista Página de inicio :www. els ev ier. com/ l oc ate / j powsou r
Estudio experimental de la resistencia interna de las pilas de combustible microbianas
Zhang Pei-Yuan, Liu Zhong-Liang∗
El Laboratorio Clave del Ministerio de Educación de Transferencia de Calor Mejorada y Conservación de Energía, Universidad Tecnológica de Beijing, Beijing 100124, China
información del artículo resumen
Historial del artículo:
Recibido el 13 de mayo de 2010
Recibido en forma revisada el 18 de junio de 2010
Aceptado el 18 de junio de 2010
Disponible en línea el 25 de junio de 2010
La resistencia interna, incluida la resistencia interna de pérdida de activación (AIR), la resistencia interna de pérdida
óhmica (OIR) y la resistencia interna de pérdida de concentración (CIR), es un parámetro importante que determina
el rendimiento de las celdas de combustible microbianas (MFC). Las investigaciones experimentales se completaron
para estimar las contribuciones de estos tres componentes a la resistencia interna. Se encuentra que la resistencia
interna varía con la corriente eléctrica, aunque es casi constante porque la corriente se encuentra dentro de cierta
región. El componente más grande de la resistencia interna es CIR excepto por pequeñas corrientes. El AIRE
disminuye rápidamente para corrientes pequeñas y reduce su tasa decreciente a medida que la corriente aumenta y
se acerca a una constante. El OIR es constante en todo el rango de corriente.
© 2010 Elsevier BV Todos los derechos reservados.
Palabras clave:
pila de combustible microbiana
Resistencia interna
Actual
corriente limitante
Pérdida de concentración
1. Introducción La baja potencia de salida es la mayor desventaja de la tecnología MFC en la
actualidad (tres órdenes de magnitud menor en comparación con una pila de
combustible). La resistencia interna de un MFC está estrechamente relacionada
con la potencia de salida. La resistencia interna particular que da como resultado
la mayor potencia de salida se utiliza como un parámetro importante para evaluar
el rendimiento de MFC en la mayoría de las publicaciones. Varios métodos
diferentes para evaluar la resistencia interna de MFC se resumieron en[1]. Cao y
Liang hicieron un ensamblaje de electrodos de membrana (MEA) tipo MFC y
descubrieron que la resistencia interna era de aproximadamente 10–30, en
condiciones de operación de estado estable[2]. Liang y Fan utilizaron nanotubos
de carbono, grafito flexible y carbón activado como material de ánodo, y
encontraron que las resistencias internas eran de 263, 301 y 381, respectivamente.
[3]. Min y Angelidaki construyeron un MFC sumergible y encontraron que la
resistencia interna era de 35±2 -[4]. Wen y Liu fabricaron un MFC de cátodo de aire
y encontraron que la resistencia interna era 33.8 -[5]. Él[6] usó la resistencia
interna como parámetro para definir el rendimiento de UMFC y analizó varios
factores que afectan la resistencia interna. Manohar y Mansfeld dividieron la
resistencia interna en tres partes, a saber, la resistencia de polarización del cátodo,
la resistencia de polarización del ánodo y la resistencia óhmica. La idea es en
realidad de la electroquímica y se utiliza para presentar las influencias de los
materiales de los electrodos y la configuración de los electrodos en el rendimiento
de MFC.[7]. La composición de la resistencia interna de la MFC se obtuvo con base
en conocimientos eléctricos y un modelo unidimensional de celdas de
combustible, que ignoraba los efectos de los electrodos en el desempeño de la
MFC. Por lo tanto, es importante separar o dividir la resistencia interna de la MFC
de acuerdo con la propia celda de combustible microbiana para obtener una
comprensión precisa y detallada del proceso de la MFC. Por lo tanto, en este
trabajo se lleva a cabo un estudio experimental para determinar
En la actualidad, la reducción de la contaminación ambiental y la
exploración de nuevas fuentes de energía son las dos medidas
importantes para lograr el desarrollo sostenible y la economía de
circulación. La celda de combustible microbiana (MFC) es una de las
nuevas tecnologías que hace ambas cosas al mismo tiempo. Las MFC
utilizan microorganismos como catalizador biológico para convertir
directamente la biomasa orgánica, que puede considerarse como un
tipo de contaminación, en energía eléctrica. Se puede utilizar una
variedad de aguas residuales como materia prima. MFC tiene muchas
ventajas sobre las tecnologías tradicionales, como la diversificación de
las fuentes de combustible, la no contaminación, la alta eficiencia
energética, las condiciones de operación suaves, la biocompatibilidad
fuerte, etc. Por todas estas ventajas y su gran potencial de aplicación en
diversas áreas como sensores microbianos, biorremediación,
tratamiento de aguas residuales,
Una MFC generalmente consta de una cámara de ánodo y una cámara
de cátodo separadas físicamente por una membrana de intercambio de
protones (PEM). Los microorganismos en la cámara del ánodo forman un
miniecosistema que recolecta energía y genera protones y electrones
mediante la oxidación de sustratos en un entorno anaeróbico. Cuando está
en funcionamiento, los protones viajan a través del PEM y los electrones
viajan a través del circuito externo hacia la cámara del cátodo, donde se
consumen para reducir el oxígeno a agua.
∗Autor correspondiente. Tel.: +86 10 67391917; fax: +86 10 67391917.
Dirección de correo electrónico:liuzhl@bjut.edu.cn (Z.-L. Liu).
0378-7753/$ – vea el frente© 2010 Elsevier BV Todos los derechos reservados. hacer:
10.1016/j.jpowsour.2010.06.062
Traducido del inglés al español - www.onlinedoctranslator.com

2. 8014 ces195 (201
Figura 2.Tensión de estado estacionario generada en función de la corriente.
Figura 1.Diagrama esquemático del MFC.
caudal másico de 350 lh−1por una bomba de circulación para asegurar el suministro
adecuado del aceptor de electrones.
Se discuten las contribuciones de los componentes de resistencia
interna de MFC y las influencias de varios factores en la resistencia
interna, tratando de proporcionar una base teórica para reducir las
resistencias internas de MFC y optimizar las configuraciones de MFC.
2.3. Adquisición y cálculo de datos
El voltaje se midió con un multímetro digital (UT70D, China; rango:
0-800 mV, precisión: 0,1 mV). Las curvas de polarización se obtuvieron
variando la resistencia externa en un rango de 10 a 9999 cuando el
voltaje se mantuvo constante. La temperatura ambiente y la humedad
relativa se midieron con un medidor de temperatura y humedad
(Rotronic K15, Suecia; rango de temperatura: 0–100◦C, precisión: 0,1◦C;
humedad relativa: rango: 0–100 %, precisión: 0,1 %). La conductividad
iónica se midió con un instrumento multiparamétrico (Multi 340i,
Alemania; rango: 0–199,9 S m−1, precisión: 0,1 S m−1).
La corriente eléctrica, la potencia y la resistencia interna se calculan a
partir de las Ecs.(2.1), (2.2) y (2.3), respectivamente.
2. Materiales y métodos
2.1. construcción MFC
El MFC utilizado en este artículo está compuesto por dos cámaras de
plexiglás de 1300 ml que actúan como ánodo y cátodo. Cada cámara
tiene tres puertos en la parte superior que se utilizan para la salida de
gas, el muestreo y el sondeo de electrodos, respectivamente (Figura 1).
Todos estos puertos están sellados con tapones de butilo y fijados con
tapones de rosca. Dos cámaras fueron separadas por un PEM (5,0 cm×
5,0 cm, Nafion-117, Dupont) y ensamblados con espárragos, arandelas
y tuercas de acero inoxidable. Cada cámara contenía dos piezas de
fieltro de grafito con una superficie efectiva de 100 cm2cada. Los
electrodos están conectados con alambre de cobre para proporcionar
las conexiones para el circuito externo. Se utiliza una caja de resistencia
(ZX36, China; rango: 0–9999 -, precisión: 1 -) como carga del circuito
externo. El voltaje se mide con un multímetro digital (UT70D, China;
rango: 0–800 mV, precisión: 0,1 mV) y se registra con una computadora
personal.
V
Ro
yo = (2.1)
(2.2)
(2.3)
P = VI
( )
mit
V
Ri= − 1 Ro
dóndeVes el voltaje eléctrico, V;RoyRison resistencias externas e
internas, -;yola corriente eléctrica, A; ymites la fuerza electromotriz, V.
2.2. Inoculación y funcionamiento del ánodo.
3. Resultados y análisis
El lodo activado de la planta de tratamiento de aguas residuales de Beijing
Gaobeidian se usa como inóculo y se domesticó y cultivó en una solución de ánodo
durante 3 semanas. Se utiliza agua desionizada esterilizada como disolvente.
aguas residuales sintéticas[8]que contiene acetato de sodio como fuente de
carbono se utiliza como solución de ánodo en este estudio a menos que se
especifique lo contrario. Se prepara añadiendo 1000 mg de acetato de sodio,
10.020 mg de NaCl, 681 mg de KH2correos4, 117 mg de NaOH y 20 ml de solución
de elementos de metales raros y vitamina por unidad de litro de agua desionizada.
Su concentración de DQO es de 850 mg l−1aproximadamente. La solución de
cátodo se prepara agregando 10,020 mg de NaCl, 681 mg de KH2correos4y 117 mg
de NaOH por unidad de litro de agua desionizada y ferricianuro de potasio (K3
Fe(CN)6, 1000 mg·l−1) se utiliza como aceptor de electrones. Las cámaras se lavan
con nitrógeno gaseoso durante 2 min para eliminar el oxígeno disuelto a fin de
mantener las condiciones anóxicas. El MFC se hizo funcionar en modo alimentado
por lotes con una carga fija (1000 -, a menos que se indique lo contrario). El MFC se
hizo funcionar a temperatura ambiente que variaba entre 17◦C y 23◦C. La humedad
relativa era de 15 a 45 %. La solución del cátodo se hace circular con una botella de
tampón de 2000 ml a una
3.1. Análisis de resistencia interna
Las pérdidas de tensión MFC incluyen principalmente la cinética de
activación o reacción, la polarización óhmica y las pérdidas por
concentración o transporte de masa. La salida de voltaje real para un MFC se
puede calcular restando las caídas de voltaje debidas a las diversas pérdidas
de su fuerza electromotriz y luego[9]:
V = mit− -Actuar− -óhmico− -concentrado (3.1)
dónde, -Actuar, -óhmicoy -concentradoson las pérdidas de tensión debidas a la cinética de
reacción, la polarización óhmica y el transporte de masa, respectivamente.
Las curvas de polarización son útiles para determinar la dependencia del
rendimiento de MFC en la resistencia. losI–Vcurva se traza en diferentes
resistencias externas (10–9999 -), como se muestra enFigura 2. De esta
figura podemos ver que el voltaje de circuito abierto es 639.3 mV. La salida
de voltaje real del MFC es más pequeña que la predicha
termodinámicamente. Además, cuanto mayor sea la corriente que

3. P.-Y. Zhang, Z.-L. Liu / Revista de fuentes de energía195 (20
extraído del MFC, menor es la salida de voltaje. El voltajeV disminuye casi
linealmente con la corriente para corrientes pequeñas. Sin embargo,
después de que la corriente aumenta a un cierto valor (corriente límite como
se le llama en la literatura), el voltaje cae bruscamente. Esto es consistente
con el resultado del modelo unidimensional para celdas de combustible
convencionales.[9]:
yoL
yoL−yo
V = mit− (unA+bAenyo) - (unC+bCenyo) − IRóhmico−Cen (3.2)
dónde -Actuar= (A+bAenyo) + (C+ segundoCenYO),representa la pérdida por
activación tanto del ánodo (A) como del cátodo (C) según la forma de logaritmo
natural de la ecuación de Tafel; -óhmico=infrarrojosóhmicoes la pérdida óhmica
basada en la corrienteyoy la resistencia interna óhmicaRóhmico;
- concentrado=Cen[yoL/(yoL−YO)]es la pérdida de concentración, dondeCes una
constante empírica yyoLes la corriente limitante.
La resistencia interna del multímetro digital es tan grande como 10 M-,
por lo que el voltaje de circuito abierto se puede tomar aproximadamente
como la fuerza electromotriz real de la MFC,mit. La expresión de la pérdida
por activación del ánodo (aA+bAenYO)es el mismo que el de la pérdida por
activación del cátodo (aC+bCenYO),entonces podemos combinarlos y ajustar
los resultados experimentales usando la siguiente ecuación:
Fig. 3.La resistencia interna generada en función de la corriente.
yoL
yoL−yo
V = Vabierto− (a + benyo) − IRóhmico−Cen (3.3) Figura 4representa la variación tanto de la pérdida de activación como del AIR
en función de la corriente. Como se puede ver en esta figura, la pérdida de
activación aumenta bruscamente para corrientes pequeñas y luego su tasa de
aumento cae y se acerca a una constante de aproximadamente 20 mV. El AIRE, por
otro lado, disminuye muy rápidamente para pequeños
El resultado ajustado de nuestros resultados experimentales en forma de Eq.
(3.3)viene dada por la Ec.(3.4)y se muestra enFigura 2.
6.0
6,0 -yo
V =639,30 − 14,30 − 3,15 lnyo -15yo -77.12 en (3.4) corriente y luego la tasa de disminución se vuelve más pequeña a medida que la corriente
la renta aumenta y no en vano se acerca a unos 3 -. En una palabra, el
componente AIRE de la resistencia interna es grande a corrientes
relativamente bajas y se vuelve más pequeño con el aumento de la
corriente.
Al dividir la corriente eléctricayoa ambos lados de la Ec.(3.1), la
resistencia externa está relacionada con la resistencia internaRipor:
Ro=Rt− Ri (3.5)
dóndeRtes la resistencia total y está definida por la siguiente ecuación:
3.3. Resistencia interna de pérdida óhmica (OIR)
mi
Rt=t (3.6) La pérdida de tensión debida al transporte de carga eléctrica se denomina
pérdida óhmica. De acuerdo con las Ecs.(3.4), (3.5) y (3.7), la pérdida óhmica del
MFC se calcula mediante la siguiente ecuación:
yo
yRise define por la Ec.(3.7):
- Actuar+ -óhmico+ -concentrado=RActuar
Ri= + Róhmico+Rconcentrado (3.7) - óhmico= 15yo (3.10)
yo
dóndeRActuares la resistencia interna causada por las pérdidas de activación
(resistencia interna de pérdida de activación, AIRE),Róhmicoes causado por pérdidas
óhmicas (resistencia interna de pérdida óhmica, OIR), yRconcentradoes causado por
pérdidas de concentración (resistencia interna de pérdida de concentración, CIR).
Como se puede ver de la Ec.(3.7), la resistencia interna del MFC consta de
tres partes, a saber, AIRE (RActuar), OIR (Róhmico) y CIR (Rconcentrado). La
resistencia interna calculada a partir de las mediciones experimentales se
graficó contra la corriente enFig. 3. Como se puede ver en esta figura, con el
aumento de la corriente, la resistencia interna disminuye bruscamente al
principio, luego permanece casi constante hasta 5 mA. Si la corriente
aumenta aún más, la resistencia interna comienza a aumentar bruscamente.
A partir de esta ecuación, se puede ver que la pérdida óhmica fue directamente
proporcional
La OIR no puede
el moderado
3.2. Pérdida de activación resistencia interna (AIR)
La pérdida de tensión debida al consumo de energía en forma de calor para
iniciar las reacciones de oxidación o reducción es la pérdida de activación. De
acuerdo con las Ecs.(3.4), (3.5) y (3.7), la pérdida de activación de la MFC se calcula
a partir de:
- Actuar= 14,30 + 3,15 lnyo (3.8)
Dividiendo ambos lados de la ecuación anterior por la corrienteyoda
la expresión para calcular el AIR del MFC:
14.30 + 3.15 lnyo
yo
RActuar= (3.9)
Figura 4.Variación de la pérdida de activación y AIRE con diferente corriente.

4. 8016 es195 (2
Figura 6.Variación de la pérdida de concentración y CIR con diferente corriente.
3.5. Salida de potencia
Figura 5.Variación de la conductividad con el tiempo.
La resistencia interna de un MFC correspondiente a la mayor potencia de
salida se utiliza como parámetro clave para evaluar el rendimiento del MFC
en la mayoría de las publicaciones. La potencia de salida del MFC cambia con
la corriente eléctrica. Para mostrar esto,Figura 7representa la variación del
voltaje y la potencia de salida del MFC con la corriente eléctrica
La OIRRóhmicotambién se puede expresar según Wang y Huang[10]:
L
Róhmico= (3.11) para varias resistencias externas (10–9999 -). Como se puede ver desde
A laI–Pcurva mostrada enFigura 7, existe un valor de corriente especial
(5,0 mA aproximadamente) en el que la potencia de salida adquiere su
valor máximo (unos 2,2 mW).Figura 8presenta la relación entre la
potencia de salida del MFC y la resistencia interna. Como se puede ver
en esta figura, la resistencia interna de la MFC correspondiente a su
máxima potencia de salida es de aproximadamente 42,2 -. Además,
como indicaFigura 9, la salida de potencia máxima corresponde a la
gran pérdida de concentración. Esto significa que, para mejorar aún
más el rendimiento o aumentar la potencia de salida del MFC, es de
vital importancia reducir su pérdida de concentración.
dóndeLes la distancia, cm;Aes el área de la sección transversal, m2
que se produce la conducción iónica; es la conductividad iónica del
electrolito, S m−1. La conductividad promedio de la MFC cambió ligeramente
durante todo el período experimental. En este experimento es de unos 2,25
S m−1como se muestra enFigura 5. El área de la sección transversal fue de
2.5×10−3metro2y la distancia fue de 0,07 m. Por lo tanto, la OIR es 12.44 -
según la Ec.(3.11). Este resultado está en buen acuerdo con nuestra medida
experimental (15 -) como se muestra en la ecuación.(3.10).
sobre
3.4. Resistencia interna de pérdida de concentración (CIR) 4. Discusión
La pérdida de tensión debida al transporte de masa se denomina pérdida de
concentración. Usando las Ecs.(3.4), (3.5) y (3.7), la pérdida de concentración de la
MFC se obtiene y se calcula mediante:
Figura 10muestra la variación de la resistencia internaRiy sus
componentes AIR, OIR y CIR del MFC con corrienteYO.Como puede
verse en esta figura, la resistencia interna es casi una constante para 1
mA <yo <5 metros
probado, y
resultado de
6.0
6,0 -yo
- concentrado= 77.12 ln (3.12)
Dividiendo ambos lados de la Ec.(3.11)por la corrienteYO,se obtiene
el CIR para el MFC experimental:
77.12
yo
6.0
6,0 -yo
Rconcentrado= en (3.13)
Figura 6presenta tanto la pérdida de concentración como la CIR en
función de la corriente. Como puede verse en esta figura, la pérdida de
concentración aumenta gradualmente con la corriente. Sin embargo,
aumenta bruscamente a medida que la corriente se acerca a la
corriente límite (6,0 mA). Las razones de este fenómeno son muchas.
Sin embargo, la más directa e importante es que a medida que la
corriente aumenta hasta su valor límite, las reacciones en ambos
electrodos se acercan a sus límites y la deposición de microorganismos
cubre la superficie del electrodo. Esto bien puede dificultar los procesos
de transferencia de masa entre la solución, el PEM, los electrodos y las
cámaras. Esto indica que es muy importante mejorar el proceso de
transferencia de masa entre el sustrato y el aceptor de electrones para
mejorar el rendimiento de la MFC. Figura 7.La curva de potencia después de la puesta en marcha.

5. es195 (2
Figura 11.Caudales másicos del sustrato y aceptor de electrones con diferente corriente.
Figura 8
tres componentes de la resistencia interna, podemos tomar los datos a 3
mA. La resistencia interna es 38.74 - para esta corriente específica, y las
resistencias internas de sus componentes son: AIR 5.92 -, OIR 15 - y CIR
17.82 -. El mayor de los tres componentes es CIR, que ocupa el 46% de la
resistencia interna total. Por lo tanto, reducir la pérdida de concentración es
la forma más eficaz de mejorar el rendimiento de la MFC. La corriente límite
es la corriente más alta alcanzable de un MFC, que es de 6,0 mA en este
experimento. La corriente límite se decide principalmente por los procesos
de transferencia de masa del sustrato y el aceptor de electrones. Las tasas
de flujo másico del sustrato y el aceptor de electrones de la MFC de
diferentes corrientes eléctricas que usan glucosa como sustrato y oxígeno
como aceptor de electrones se muestran enFigura 11. A partir de esta figura
se puede ver claramente que ambos caudales másicos aumentan con la
corriente. El aumento de las tasas de flujo másico del sustrato y el aceptor de
electrones es una forma eficaz de mejorar el rendimiento de la MFC.
La discusión anterior se hace para el voltaje de circuito abierto o la fuerza
electromotriz dada. Sin embargo, de acuerdo con la electroquímica y la
teoría termodinámica, aumentar el voltaje de circuito abierto moverá elI–V
curva a la dirección de voltaje más grande y, por lo tanto, mejora el
rendimiento de MFC. El voltaje ideal predicho termodinámicamente bajo la
condición estándar es tan alto como 1200 mV
[11]. El voltaje de circuito abierto en este experimento es de solo 639,3 mV,
por lo que el rendimiento del MFC puede mejorar mucho, al menos
teóricamente.
Higo.
5. Conclusiones
La resistencia interna de un MFC consta de tres partes: AIR, OIR y CIR. La
resistencia interna es casi constante porque la corriente está dentro de la
región de 1 mA y 5 mA. El componente más grande de la resistencia interna
es CIR, que toma casi el 50% de la resistencia interna total. El AIRE disminuye
rápidamente para corrientes pequeñas y reduce su tasa decreciente a
medida que la corriente aumenta y se acerca a una constante. El OIR es
constante en todo el rango actual y es 15, para nuestro MFC experimental.
Además, el CIR aumenta lentamente con la corriente para corrientes
pequeñas. Sin embargo, a medida que la corriente se acerca a su valor
límite, el CIR aumenta bruscamente con la corriente. Por lo tanto, aumentar
la corriente de limitación es una forma efectiva de reducir el componente
CIR y mejorar el rendimiento de MFC. Nuestro trabajo también reveló que la
salida de potencia máxima de MFC se logra con una gran pérdida de
concentración. Por lo tanto, es muy importante reducir la pérdida de
concentración para mejorar el rendimiento o aumentar la potencia de salida
del MFC.
Figura 10.Variación de la resistencia interna con diferente corriente.

6. 8018 P.-Y. Zhang, Z.-L. Liu / Revista de fuentes de energía195 (2010) 8013–8018
Referencias [7] AK Manohar, F. Mansfeld, Electrochim. Acta 54 (2009) 1664–1670.
[8] H. Gu, Estudios sobre la generación de electricidad y las capacidades de tratamiento de aguas residuales de las
celdas de combustible microbianas, Universidad de Zhejiang, D. Zhejiang, 2007.
[9] R. O'Hayre, S. Cha, Fuel Cell Fundamentals, 1.ª ed., Wiley, Nueva York, 2006.
[10] X. Wang, H. Huang, [T] Fundamentos de las pilas de combustible, 1.ª ed., Editorial de la
industria electrónica, Pekín, 2007.
[11] H. Rismani-Yazdi, S. Carver, J. Fuentes de alimentación 180 (2008) 683–694.
[1] BE Logan, Microbial Fuel Cells, 1.ª ed., Wiley, Nueva York, 2007.
[2] X. Cao, P. Liang, Acta Sci. Circunstancias. 26 (8) (2006) 1252–1257.
[3] P. Liang, M. Fan, Medio Ambiente. ciencia 29 (8) (2008) 2356–2360.
[4] B. Min, I. Angelidaki, J. Fuentes de alimentación 180 (2008) 641–647.
[5] Q. Wen, Z. Liu, Acta Phys. quim. Pecado. 24 (6) (2008) 1063–1067.
[6] Z. He, Microbian Fuel Cells: Their Application and Biotechnology, Universidad de
Washington, D. Washington, DC, 2007.