Microbial fuel cells (MFCs) are a bioelectrochemical system where electrochemically active bacteria convert organic waste into electricity. Poly(vinyl alcohol) (PVA) and chitosan (CS) are polymers that have been studied as potential alternative ion exchange membranes to Nafion for many electrochemical systems. This study examined the optimal mixing ratio of PVA and chitosan CS in a PVA:CS composite membrane for MFC applications. PVA:CS composite membranes with 1:1, 2:1, and 3:1 ratios were synthesized and tested. The water uptake and ion exchange capacity, Fourier transform infrared spectra, and scanning electron microscopy images were analyzed to determine the physicochemical properties of PVA:CS membranes. The prepared membranes were applied to the ion exchange membrane of the MFC system, and their effects on the electrochemical performance were evaluated. These results showed that the composite membrane with a 3:1 (PVA:CS) ratio showed comparable performance to the commercialized Nafion membrane and produced more electricity than the other synthesized membranes. The PVA:CS membrane implemented MFCs produced a maximum power density of 0.026 mW cm-2 from organic waste with stable performance. Therefore, it can be applied to a cost-effective MFC system.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.2
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pp.113-120
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2010
Air-cathode microbial fuel cell consisted of 4 unit cells were operated under batch condition and electricity generation and microbial community structure variation were investigated, depending on separator types and cathode characteristics: A) PEM(Proton Exchange Membrane)-30% Wet proofing Carbon Cloth(WC), B) AEM(Anion Exchange Membrane-WC, C) CEM(Cation Exchange Membrane)-WC, D) PEM-No Wet proofing Carbon Cloth(NC). Maximum power densities of PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC were 510.9, 522.1 and 504.8 $mW/m^2$, respectively. But PEM-NC showed relatively lower maximum power density of 218.3 $mW/m^2$. And PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC showed similar internal resistances(20.0-28.2 ${\Omega}$). PCRDGGE, PCA and diversity indices showed that uncultured bacteria which reported in previous MFC studies were detected in suspended growth bacteria and attached growth bacteria would be affected not by separator type but by cathode characteristic. Thus, cathode characteristic can be one of the critical factors for power generation in air-cathode MFC using PEM, AEM, and CEM as separator.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.31
no.4
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pp.249-255
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2009
The performance of microbial fuel cell (MFC) can be affected by many factors including the rate of organic matter oxidation, the electron transfer to electrode by electrochemical bacteria, proton diffusion, the concentration of electron acceptor, the rate of electron acceptor reduction and internal resistance. the performance of MFC using oxygen as electron acceptor can be influenced by oxygen concentration as limit factors in cathode compartment. Many studies have been performed to enhance electricity production from MFC. The series or parallel stacked MFC connected several MFC units can use to increase voltages and currents produced from MFCs. In this study, a single MFC (S-MFC) and a stacked MFC (ST-MFC) using acetate as electron donor and oxygen as electron acceptor were used to investigate the influence of dissolved oxygen (DO) concentrations in cathode compartment on MFC performance. The power density (W/$m^3$) of S-MFC was in order DO 5 > 3 > 7 > 9 mg/L, the maximum power density (W/$m^3$) of S-MFC was 42 W/$m^3$ at DO 5 mg/L. The power density (W/$m^3$) of ST-MFC was in order DO 5 > 7 > 9 > 3 mg/L and the maximum power density (W/$m^3$) of STMFC was 20 W/$m^3$ at DO 5 mg/L. These results suggest that the DO concentration of cathode chamber should be considered as important limit factor of MFC operation and design for stacked MFC as well as single MFC. The results of ST-MFC operation showed the voltage decrease of some MFC units by salt formation on the surface of anode, resulting in decrease total voltage of ST-MFC. Therefore, connecting MFC units in parallel might be more appropriate way than series connections to enhance power production of stacked MFC.
The internal resistance of microbial fuel cell (MFC) using stainless steel skein for oxidizing electrode was investigated and the factors affecting the voltage generation were identified. We also investigated the effect of power management system (PMS) on the usability for MFC and the removal efficiency of organic pollutants. The performance of a stack microbial fuel cell connected with (PMS) or PMS+LED was analyzed by the voltage generation and organic matter reduction. The maximum power density of the unit cells was found to be $5.82W/m^3$ at $200{\Omega}$. The maximum current density was $47.53A/m^3$ without power overshoot even under $1{\Omega}$. The ohmic resistance ($R_s$) and the charge transfer resistance ($R_{ct}$) of the oxidation electrode using stainless steel skein electrode, were $0.56{\Omega}$ and $0.02{\Omega}$, respectively. However, the sum of internal resistance for reduction electrode using graphite felts loaded Pt/C catalyst was $6.64{\Omega}$. Also, in order to understand the internal resistance, the current interruption method was used by changing the external resistance as $50{\Omega}$, $300{\Omega}$, $5k{\Omega}$. It has been shown that the ohm resistance ($R_s$) decreased with the external resistance. In the case of a series-connected microbial fuel cell, the reversal phenomenon occurred even though two cells having the similar performance. However, the output of the PMS constantly remained for 20 hours even when voltage reversal occurred. Also the removal ability of organic pollutants (SCOD) was not reduced. As a result of this study, it was found that buffering effect for a certain period of time when the voltage reversal occurred during the operation of the microbial fuel cell did not have a serious effect on the energy loss or the operation of the microbial fuel cell.
Surface floating air cathode microbial fuel cell (MFC) having horizontal flow was developed for the application of MFC technology. RVC (Reticulated vitreous carbon) coated with anyline was used as anode electrode and carbon cloth coated with Pt (5.0 g Pt/$m^2$, GDE LT250EW, E-TEK) was used as cathode electrode. As results of continuous operation with changing the flow rate from 4.3 mL/min to 9.5 mL/min, maximum power density of 4.5 W/$m^3$ was acquired at 5.4 mL/min, which was at 0.35 m/hr of flow velocity under anode electrode. When the ratio of cathode surface area to anode surface area($A_c/A_a$) was changed to 1.0, 0.5, and 0.25, the maximum power density of 2.7 W/$m^3$ was shown at the ratio of 1.0. As the ratio decreased from 1.0 to 0.25, the power density also decreased, which is caused by increasing the internal resistance resulted from reducing the surface area to contact with oxygen. Actually, internal resistances of the ratio of 1.0, 0.5, and 0.25 were 63.75${\Omega}$, 142.18${\Omega}$, and 206.12${\Omega}$, respectively.
Microbial fuel cells (MFC) stacked with bipolar plates have been constructed and their performance was tested. In this design, single fuel cell unit was connected in series by bipolar plates where an anode and a cathode were made in one graphite block. Two types of bipolar plate stacked MFCs were constructed. Both utilized the same glucose oxidation reaction catalyzed by Gram negative bacteria, Proteus vulgaris as a biocatalyst in an anodic compartment, but two different cathodic reactions were employed: One with ferricyanide reduction and the other with oxygen reduction reactions. In both cases, the total voltage was the mathematical sum of individual
fuel cells and no degradation in performance was found. Electricity from these MFCs was stored in a supercapacitor to drive external loads such as a motor and electric bulb.
This study presents a bio-chemical energy harvesting system which can generate electric power from bioorganic substance contained in vermicompost. It produced electricity by inoculating microbial fuel cell(MFC) with earthworm-composted food waste. The generated electricity was converted into usable voltage level for mobile electronics through power conditioning circuits. The implemented prototype showed $200{\mu}W$ of maximum output electric power, which successfully supplied a beacon device which continuously transmitted data to nearby smartphone without a battery. The proposed system can help develop portable or bio-mimetic energy supply for sustainable use with further improvement.
In this study, we investigated various cultural and operational factors to enhance electricity generation in a microbial fuel cell (MFC) using Geobacter sulfurreducens. The pure culture of G. sulfurreducens was cultivated using various substrates including acetate, malate, succinate, and butyrate, with fumarate as an electron acceptor. Cell growth was observed only in acetate-fed medium, when the cell concentrations increased 4-fold for 3 days. A high acetate concentration suppressed electricity generation. As the acetate concentration was increased from 5 to 20 mM, the power density dropped from 16 to $13mW/m^2$, whereas the coulombic efficiency (CE) declined by about half. The immobilization of G. sulfurreducens on the anode considerably reduced the enrichment period from 15 to 7 days. Using argon gas to create an anaerobic condition in the anode chamber led to increased pH, and electricity generation subsequently dropped. When the plain carbon paper cathode was replaced by Pt-coated carbon paper (0.5 mg $Pt/cm^2$), the CE increased greatly from 39% to 83%.
Kim, Jiyeon;Kim, Byunggoon;Kim, Hongsuck;Yun, Zuwhan
Journal of Korean Society on Water Environment
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v.31
no.5
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pp.556-562
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2015
In order to remove the organic substances and the nitrate-nitrogen contained in wastewater, some researchers have studied the simultaneous removal of organics and nitrogen by using different biocathode microbial fuel cells (MFCs). The operating conditions for removing the contaminants in the MFCs are the external resistances, HRTs, the concentration of the influent wastewater, and other factors. This study aimed to determine the effect of the external resistors and organic loading rates, from the changing HRT, on the removal of the organics and nitrogen and on the production of electric power using the Denitrification Biocathode - Microbial Fuel Cell (DNB-MFC). As regards the results of the study, the removal efficiencies of $SCOD_{Cr}$ did not show any difference, but the nitrate-nitrogen removal efficiencies were increased by decreasing the external resistance. The maximum denitrification rate achieved was $129.2{\pm}13.54g\;NO_3{^-}-N/m^3/d$ in the external resistance $1{\Omega}$, and the maximum power density was $3,279mW/m^3$ in $10{\Omega}$. When the DNB-MFC was operated with increasing influent organic and nitrate loading by reducing the HRTs, the $NO_3{^-}-N$ removal efficiencies were increased linearly, and the maximum nitrate removal rate was $1,586g\;NO^3{^-}-N/m^3/d$ at HRT 0.6 h.
Jang, Jae Kyung;Kim, Kyung Min;Byun, SungAh;Ryou, Young Sun;Chang, In Seop;Kang, Young Koo;Kim, Young Hwa
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.36
no.11
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pp.753-757
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2014
Anode electrode in a microbial fuel cell (MFC) should transfer the receiving electron as well as provide large surface area that can be immobilized microorganisms. Microorganisms' population is one of important factors to improve the current generation and to treat the livestock wastewater by biological treatment. These studies were attempted to investigate if stainless-steel wire skein (SSWS) could be used as anode electrode replacement a graphite felt electrode in microbial fuel cell. For these studies, pretreated livestock wastewater was used diluted to 500 mg/L as COD before use. At this time, the current showed a little difference of about 5% when using each of a SSW and graphite felt (control). There was no significant difference in the current value. The organic removal rate in the microbial fuel cells used graphite felt and SSWS was 82.4% and 88.3%, respectively. The COD removal in the MFC used the SSWS was higher than that of graphite felt. Ammonium nitrogen was showed similar trend in two case all. These results about current generation and organic matter reduction seem possible that SSWS was used to anode electrode. When SSWS is used, the initial investment for system construction is expected to be able to reduce by approximately 1/50.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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