什么是微生物燃料電池？

近年來，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，并開始在公共道路上投入實際使用。它的能源效率是傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的三倍以上，并且不排放二氧化碳，因此期望值很高，但也存在延長鉑電極壽命、制氫、運輸和基礎(chǔ)設(shè)施等諸多問題。另一方面，使用生物質(zhì)（包括來自作為工業(yè)原料和能源的動植物的有機物質(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制（2016 年 12 月號）通過微生物電解廢物（2015 年 8 月號“從 CO2 產(chǎn)生物質(zhì)的微生物電解”）的能源生產(chǎn)。“從有機廢水中生產(chǎn)氫氣和通過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物質(zhì)（保留化學能的物質(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）和負極（陽極）組成。在負極，電極收集燃料（有機物）被微生物氧化分解時產(chǎn)生的電子。電子通過外部電路移動到正極。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)生在負極的化學反應(yīng)和發(fā)生在正極的化學反應(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。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 作為一個概念已經(jīng)有很長一段時間了。例如，在1970年代，據(jù)說在美國NASA研究它是因為它期望作為空間站的能源。此后，20世紀一些實驗室開始對微生物燃料電池進行研究，但并未受到太多關(guān)注。究其原因，當時（20世紀），對石油資源短缺和全球變暖等問題的認識不高，對新能源的期望不高，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)了無需人工添加電子介質(zhì)即可相對高效地將電子傳輸?shù)截摌O的微生物，并且在21世紀對設(shè)備進行了改進。對微生物燃料電池的興趣。對可再生能源需求的廣泛認可也推動了微生物燃料電池的研究。

MFC利用微生物分解有機物過程中產(chǎn)生的電子來發(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，可以用相對簡單的設(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)點是可以將污水、污泥等有機物作為燃料，在發(fā)電的同時可以應(yīng)用于有機廢棄物的處理、水質(zhì)的改善等環(huán)境凈化。此外，通過將燃料電池燃料來源的生物質(zhì)從廢水擴展到未使用的農(nóng)業(yè)廢物，如稻草和糖蜜，可以開發(fā)出更高產(chǎn)量的生物質(zhì)利用微生物燃料電池。

MFC 的社會化實施有多種可能性，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是一種將有機物轉(zhuǎn)化為電能同時利用電極氧化分解有機物的裝置，未來將應(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