微生物燃料电池基本原理

微生物燃料電池基本原理

微生物燃料電池（microbial fuel cells, MFCs）是藉由微生物的催化反應，將化學能（燃料）轉換為電能的組件（Allen and Bennetto, 1993； Min and Logan, 2004；Lovley et al., 2004）。典型的微生物燃料電池是由陽極和陰極，以及一片質子交換膜所構成，微生物於陽極分解氧化燃料，並同時產生電子和質子，電子可經由外部電路到達陰極，而質子則通過質子交換膜到陰極，在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水（Kim et al., 2003 ）。如下圖所示（Scholz and Schronder, 2003），這是以葡萄糖作為燃料，Rhodoferax ferrireducens 做為催化氧化還原反應的微生物，可簡易說明微生物燃料電池的反應。

圖2 微生物燃料電池示意圖

附著在電極上的微生物，對燃料電池而言，除了分解槽中的燃料外，傳遞電子到電極表面也為重要的功能之一。Chaudhuri and Lovley（2003）發現附著在電極纖維上的嗜甜微生物（R. ferrireducens）的生物膜，不僅具有將電極表面作為終端電子接受者的細胞構造，也具有在細胞膜運輸電子與質子的功能，但這些機制的細節仍須加以研究，且細胞的附著性與細胞之間的訊息傳遞情形，對細胞生物學的領域而言，也是個重要但未知的學問（Palmore, 2004）。

微生物燃料電池發展過程

1910年，英國植物學家Potter發現，含有代謝作用微生物的燃料電池槽與另一含有無菌鹽類溶液槽之間會有電位差，因此Potter 便在這兩個槽之間加入電阻而獲得電流，由此證明微生物能產生電壓及傳送電流（Potter, 1911）。1931年，Cohen重複Potter的概念，結果發現批次式的微生物燃料電池可產生超過35 V 的電力（Shukla et al., 2004）。直到1960年代，生物燃料電池才開始受到歡迎。當時美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration,

NASA）對於長期在太空飛行，且如何將有機廢棄物轉為電力的想法感到興趣，而海藻及細菌則是第一個應用在生物燃料電池上的微生物（Shukla et al., 2004）。

Rohrback等人（1962）第一次設計出生物燃料電池，這是以Clostridium butyricum作為微生物菌種來源，並利用葡萄糖發酵來產生氫氣。到1963年，生物燃料電池已可利用在商業上，主要運用在海上航行船隻的收音機、信號燈，及其他設備的電源。但這些燃料電池在商場上不算很成功，且不久就從市場上消失，這是由於技術的蓬勃發展，所以選擇太陽能作為太空飛行的能量來源，生物燃料電池也因此遭受短暫的挫敗（Shukla et al., 2004）。

由於1970~1980年代出現的石油危機，生物燃料電池的發展才再次受到重視。在1966年，Williams（1966）以稻米外殼作為生物燃料電池的燃料，可以產生40 mA、6 V的電力，這是由於稻米外殼為木質纖維素的潛能來源，因此經由發酵可產生很多有用的酵素與生物燃料（如乙醇），所以能應用於生物燃料電池。1986年，Karube等人（1986）以Anabaena為生物燃料電池的菌種來源，並使用磷酸做電解液，可以產生約300 mA的電流。較值得注意的是Bennetto 及他的團隊，所研究的連續流式生物燃料電池，他們已經使用不同微生物及載具系統，開發及實驗展示改良的生物燃料電池，並發現載具可以提高電子轉移的效

率以及反應的速率（Bennetto et al., 1981；Thurston et al., 1985；Allen and Bennetto, 1993）。

最近，Chaudhuri and Lovely（2003）研究指出，R. ferrireducens菌

種能在Fe3+環境下，不需載具就可由葡萄糖的氧化反應來獲得電子，效率更高達83 %。對於微生物燃料電池的發展，開展了一個新的契機。目前，主要努力的目標在於改善生物燃料電池的效率，及微生物與電極間的有效路徑，以便也能提升電子轉換的效率。