生物燃料電池的研究進展探析

張雯雯+李峰+許明先

摘 要：隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人口逐漸的增加，環(huán)境短缺和能源短缺的問題變得越來越嚴重，尋找和研究可再生的清潔能源也就成為一項非常重要的工作。生物燃料電池就是新型綠色能源的一種，也是一種能夠控制的發(fā)電能源。本文的寫作目的就是對生物燃料電池的研究進展進行分析和探究。

關(guān)鍵詞：催化劑；生物燃料電池；能源短缺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.243

隨著人口的不斷增加，能源短缺的問題也日益暴露，尋找新的綠色能源已經(jīng)迫在眉睫。生物燃料電池則是應(yīng)用微生物或者酶作為催化劑，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，這種生物燃料電池原料易得，擁有非常高的能量轉(zhuǎn)化率，對環(huán)境產(chǎn)生的危害更小，可以廣泛的應(yīng)用在很多行業(yè)之中。

1 生物燃料電池優(yōu)勢

生物燃料電池和其他電池有著很大的不同，它主要是通過生物原料經(jīng)過催化劑的催化從而生成氫離子，生成的氫離子又與空氣中的氧氣或者其他氧氣中的氧相結(jié)合從而生成電流[1]。以葡萄糖分子為例，完全氧化葡萄糖分子的過程中能夠讓24個電子生成電流，通過光合作用產(chǎn)生的葡萄糖在氧化過程中碳元素不會發(fā)生變化，更有利于對環(huán)境的保護。而且生物燃料電池的原料非常易得，可以是有機物、無機物還可以利用污水。相對于其他類型的電池，生物燃料電池在操作的時候只需要在一般的溫度和壓力的環(huán)境下操作就可以，因為生物電池的催化劑一般采用的是酶或微生物，所以不需要創(chuàng)造額外的環(huán)境和條件。此外，生物燃料電池還能夠通過和人體內(nèi)的葡萄糖、氧氣相結(jié)合，幫助被移植在人體中的人造的器官產(chǎn)生電能。

2 工作原理與分類

2.1 微生物電池

微生物電池是將燃料放置在陽極室內(nèi)，微生物不斷的發(fā)生代謝和氧化反應(yīng)，在外電路的連接下電子達到陰極，而質(zhì)子則是利用交換膜到達陰極，已經(jīng)發(fā)生了氧化的物質(zhì)受到催化劑的影響在陰極室發(fā)生氧化還原反應(yīng)[2]。在最理想的操作狀態(tài)之下，每包含 0. 4 g 濕微生物細胞（相當(dāng)于 0.1g干細胞） 的電池能夠輸出電壓0. 4 V輸出電流0. 6 mA。因為電子轉(zhuǎn)移形式的不同微生物燃料電池又被分為兩種，其中燃料在電極上直接發(fā)生氧化反應(yīng)的是直接微生物電池，燃料在其他地方發(fā)生氧化反應(yīng)并通過一些特定的途徑將電子傳遞在電極上的為間接微生物電池。

2.2 酶生物電池

微生物電池雖然在工作期間比較穩(wěn)定，催化燃料的程度比較徹底，但是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率可能會因為在傳輸過程中受到生物膜的影響而大大降低。但是酶生物電池就能夠克服這一問題。因為酶催化劑擁有非常高的濃度，在電能傳輸?shù)倪^程中能夠不收到生物壁壘的影響，所以能夠輸出更多的電流和電壓。它的工作原理為，葡萄糖被氧化輔酶進行催化從而變化為葡萄糖酸，利用介質(zhì)將產(chǎn)生的電子進行轉(zhuǎn)移，并由氫離子利用隔膜進行擴散。在陰極中獲得電子的過氧化氫經(jīng)過催化劑催化和與氫離子進行反應(yīng)，從而產(chǎn)成水。

3 研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

現(xiàn)在對生物燃料電池的研究還處于不斷探索的階段，生物燃料電池還存在著電能轉(zhuǎn)化和輸出效率低，使用的時間較短等問題[3]。有研究表明，科學(xué)家利用從菠菜葉葉綠體中分解出來的多種蛋白質(zhì)放入特殊導(dǎo)電裝置進行電池的制作，但是這樣的電池使用壽命僅有21天，將光能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)化率僅僅只有12%，但是電能的轉(zhuǎn)化了率可能會隨著科技的不斷發(fā)展，提高為 20% ，到那時這種生物燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率就將超過太陽能硅電池，所以這項研究也吸引了很多的關(guān)注，相關(guān)的研究人員也在一直積極的探索者這種電池對環(huán)境變化的適應(yīng)情況。可以預(yù)見生物燃料電池在很多領(lǐng)域都能得到應(yīng)用。

3.1 交通運輸供能方式更換

現(xiàn)階段的交通運輸采用的能源主要是利用一些化石燃料燃燒所產(chǎn)生的能量，最主要的就是應(yīng)用石油。但是化石燃料的燃燒會對環(huán)境產(chǎn)生極大的危害而且不便于攜帶儲存量較小。但是應(yīng)用生物燃料電池，就能夠應(yīng)用其他材料作為能源，有效的緩解化石燃料燃燒造成的不好影響，減輕相關(guān)的環(huán)境問題研究證實1L 濃縮的碳水化合物溶液可以驅(qū)動一輛車行駛 25～30km。

3.2 可植入的能量來源

生物燃料電池能夠在生物的身體內(nèi)進行工作，而且產(chǎn)生電能所需要的氧和燃料能夠直接從生物體內(nèi)獲得，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中，能夠為移植在人體內(nèi)的醫(yī)學(xué)裝置提供能量。比如說，葡萄糖生物傳感器就可以應(yīng)用生物燃料電池，其中葡萄糖氧化酶為陽極，一個細胞色素 C 的最為陰極，為裝置提供電能。

3.3 污水處理

廢水也可以作為生物燃料電池原料的來源，產(chǎn)生電能。這樣一來不僅能夠獲得能源，同時也能將廢水中的有機化合物提出出去，對污水起到凈化的作用。有研究表明150000 人口的城鎮(zhèn)的廢水如果效率為100%的話甚至能夠產(chǎn)生2.3Mwof 的能量。

4 前景展望

生物燃料電池原料來源廣泛，操作方便的同時對環(huán)境的危害也很小，是一種新型的優(yōu)質(zhì)可再生的綠色能源。雖然現(xiàn)階段生物燃料電池還存在著不夠穩(wěn)定，電能轉(zhuǎn)化率低等問題，但是隨著科技的不斷進步，生物燃料電池將被不斷的發(fā)展和完善，在今后的智能電網(wǎng)發(fā)電體系中發(fā)揮出重要的作用。同時還需要加強對材料穩(wěn)定性、增加生物催化效率以及電子轉(zhuǎn)移等相關(guān)知識的研究，配合生物燃料電池的探究和開發(fā)。

5 結(jié)束語

生物燃料電池是一種新的能源，雖然對生物燃料電池的研究還處于初級階段，但是可以預(yù)見生物燃料電池未來會在污水處理、智能電網(wǎng)建設(shè)、交通、醫(yī)療等方面發(fā)揮出巨大的作用，對我們的生活和環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。

參考文獻：

[1]葛小萍，劉財鋼，石琰璟.微生物燃料電池在污水處理方面的應(yīng)用研究進展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（14）：3419-3424.

[2]劉昌云.微生物燃料電池的反應(yīng)動力學(xué)研究[J].可再生能源，2010，28（05）：56-59.

[3]駱海萍，張翠萍，宋海紅等.降解苯的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究[J].中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，49（01）：113-118.