環保生物燃料電池的研究現狀與前景

陳丁丁

(武寧縣環境保護局,江西武寧332300)

1 引言

環保生物燃料電池并非剛剛出現的一項技術。1910年英國植物學家馬克·比特首次發現了細菌的培養液能夠產生電流,于是他用鉑作電極放進大腸桿菌和普通酵母菌培養液里,成功制造出了世界第一個微生物燃料電池。1984年美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池,使用的燃料為宇航員的尿液和活細菌,不過放電率極低。傳統的燃料電池是利用氫氣發電,但從來沒有嘗試使用富含有機物的污水來發電。環保生物燃料電池是一種特殊的燃料電池,以自然界的微生物或酶為催化劑,直接將燃料中的化學能轉化為電能。

2 環保生物燃料電池的工作原理

環保生物燃料電池(M icrobial Fuel Cell MFC)是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學能轉化為電能的裝置,由陽極區和陰極區組成,中間用質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分開,如圖1所示。環保生物燃料電池的工作過程分為幾個步驟:在陽極區,微生物利用電極材料作為電子受體將有機底物氧化,這個過程要伴隨電子和質子(NADH)的釋放;釋放的電子在微生物作用下通過電子傳遞介質轉移到電極上;電子通過導線轉移到陰極區,同時,由NADH釋放出來的質子透過質子交換膜也到達陰極區;在陰極區,電子、質子和氧氣反應生成水,隨著陽極有機物的不斷氧化和陰極反應的持續進行,在外電路獲得持續的電流[1],其反應式如下:

陽極反應:

陰極反應:

圖1 生物燃料電池結構示意圖