什么是微生物燃料電池？

近年來(lái)，搭載以氫為燃料的氫燃料電池的燃料電池汽車被積極用于控制全球變暖，并開(kāi)始在公共道路上投入實(shí)際使用。它的能源效率是傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的三倍以上，并且不排放二氧化碳，因此期望值很高，但也存在延長(zhǎng)鉑電極壽命、制氫、運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施等諸多問(wèn)題。另一方面，使用生物質(zhì)（包括來(lái)自作為工業(yè)原料和能源的動(dòng)植物的有機(jī)物質(zhì)的各種廢物）作為燃料的微生物燃料電池正受到關(guān)注。循環(huán)中心還正在研究應(yīng)用微生物燃料電池的機(jī)制（2016 年 12 月號(hào)）通過(guò)微生物電解廢物（2015 年 8 月號(hào)“從 CO2 產(chǎn)生物質(zhì)的微生物電解”）的能源生產(chǎn)?！皬挠袡C(jī)廢水中生產(chǎn)氫氣和通過(guò)電和微生物的共同作用產(chǎn)生廢物”）。

微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC）是一種利用微生物的代謝能力將有機(jī)物質(zhì)（保留化學(xué)能的物質(zhì)）等燃料轉(zhuǎn)化為電能的裝置（圖）。微生物燃料電池由正極（陰極）和負(fù)極（陽(yáng)極）組成。在負(fù)極，電極收集燃料（有機(jī)物）被微生物氧化分解時(shí)產(chǎn)生的電子。電子通過(guò)外部電路移動(dòng)到正極。轉(zhuǎn)移的電子是正極，被氧化劑的還原反應(yīng)消耗掉。電子根據(jù)發(fā)生在負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)和發(fā)生在正極的化學(xué)反應(yīng)之間的氧化還原電位（轉(zhuǎn)移和接收電子的能力）的梯度流動(dòng)。在外電路中獲得等效于兩極電位差與流經(jīng)外電路的電流的乘積的能量。

MFC 作為一個(gè)概念已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間了。例如，在1970年代，據(jù)說(shuō)在美國(guó)NASA研究它是因?yàn)樗谕鳛榭臻g站的能源。此后，20世紀(jì)一些實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)微生物燃料電池進(jìn)行研究，但并未受到太多關(guān)注。究其原因，當(dāng)時(shí)（20世紀(jì)），對(duì)石油資源短缺和全球變暖等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不高，對(duì)新能源的期望不高，獲得的電力輸出量太低。為了將電子從微生物轉(zhuǎn)移到電極，作為電子介質(zhì)的化合物是必不可少的。但是，在1990年代后期，發(fā)現(xiàn)了無(wú)需人工添加電子介質(zhì)即可相對(duì)高效地將電子傳輸?shù)截?fù)極的微生物，并且在21世紀(jì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)微生物燃料電池的興趣。對(duì)可再生能源需求的廣泛認(rèn)可也推動(dòng)了微生物燃料電池的研究。

MFC利用微生物分解有機(jī)物過(guò)程中產(chǎn)生的電子來(lái)發(fā)電，與目前主流的火電、水電、核電等發(fā)電方式不同，它可以直接提取電能。此外，可以用相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備發(fā)電，有望降低成本，安裝在基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備不完善的地區(qū)。MFC的優(yōu)點(diǎn)是可以將污水、污泥等有機(jī)物作為燃料，在發(fā)電的同時(shí)可以應(yīng)用于有機(jī)廢棄物的處理、水質(zhì)的改善等環(huán)境凈化。此外，通過(guò)將燃料電池燃料來(lái)源的生物質(zhì)從廢水?dāng)U展到未使用的農(nóng)業(yè)廢物，如稻草和糖蜜，可以開(kāi)發(fā)出更高產(chǎn)量的生物質(zhì)利用微生物燃料電池。

MFC 的社會(huì)化實(shí)施有多種可能性，例如大型系統(tǒng)并入污水處理設(shè)施、生活垃圾處理和便攜式 MFC，需要相應(yīng)地優(yōu)化系統(tǒng)。MFC是一種將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能同時(shí)利用電極氧化分解有機(jī)物的裝置，未來(lái)將應(yīng)用于小型電源、生物質(zhì)發(fā)電、廢水處理、生物傳感器等多種用途。備受期待。

圖1 微生物燃料電池概念圖