1 微生物燃料电池的定义与发展历程

生物燃料电池是一种特殊的燃料电池，它以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。它不仅具有燃料电池效率高、无污染等优点，还有一些独特的优点^[1]：（1）燃料来源广泛，自然界大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有机物都可作为燃料。（2）反应条件温和，可在常温、常压、中性pH值条件下反应，易于操作，控制和维护（3）生物相容性好，可为植入人体的人造器官或生物传感器提供能源。

1901年，英国植物学家potter把酵母或大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，其产物能在铂电极上显示0.3V~0.5V的开路电压和0.2mA的电流，生物燃料电池的研究由此开始。20世纪50年代起，随着航天研究领域的迅速发展，对微生物燃料电池研究的兴趣随之升高，原因之一是考虑将来人类在进行太空飞行时如何及时处理飞行中的生活垃圾，并产生电能80年代以后，随着各种氧化还原介体的使用，生物燃料电池的电流密度和功率有了很大提高，越来越多的科研人员对此产生兴趣90年代初，我国也开始了这项研究^[2] 。

2 微生物燃料电池的基本原理

MFC通常由阳极、阴极和膜组成，系统示意图如图1所示。氧化底物在微生物的催化作用下，阳极室内被氧化，产生的电子传递到阳极，再通过连接阴阳两极的导线传递给阴极；质子通过质子交换膜或者直接通过电解质到达阴极，在阴极催化剂的作用下与电子和O₂反应生成水^[3]。

MFC用微生物作生物催化剂，可以在常温下进行能量转换^[4]。从电化学的角度讲,微生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳两极反应如下式所示：

阳极反应: C₆H₁₂O 6H₂O 6CO₂ 24e- 24H

阴极反应: 6O2 24e- 24H 12H₂O。

阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质(葡萄糖等) ,产生电子和质子。电子传递到阳极,再经由外电路到达阴极;质子则穿过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极。在阴极室,质子、电子和氧相结合生成水。阴阳两极之间存在电位差,最高电位可达(0. 5 - 0. 8) V,这与微生物燃料电池产生的电压相接近,通过对反应器的集成,可以将这样的低电压转换成较高电压,从而获得可利用的电能 ^[5-9] 。

图1 微生物燃料电池系统示意图