微生物

小兵立大功～生物燃料電池的原理及應用
國立臺灣大學環境工程學研究所 楊政憲、林彥妗

前言

相較於許多傳統的環保能源，如風力發電、太陽能發電及地熱發電，生物燃料電池 (biological fuel cell) 是一種日益增長的替代能源技術。其中微生物燃料電池 (microbial fuel cell, MFC) 是一種微生物藉由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate, ATP)將有機或無機化合物氧化產生化學能，使電子 (electron)轉移至最終的電子受體產生電流的系統[1]。

不同於限制氧化電子受體的化學燃料電池與酵素燃料電池，微生物燃料電池有更強大的適應性[2]。到目前為止，不同的菌種如：genus Geobacter、Enterobacter、Shewanella和Bacillus經測試在微生物燃料電池中之產能具有最佳的功率。近期相關研究著重於微生物燃料電池內填充混合的微生物菌種，特別是關於它們對營養源的適應性：菌種彼此的競爭力及總體趨勢，使系統更穩定且效果更佳，且研究發現其相較於培養純菌種的系統可以得到更高密度的電流[3]。

原理

生物燃料電池之原理主要藉由微生物做為催化劑，將化學能轉化為電能。其系統組成包含陽極 (anode)、陰極 (cathode)及半滲透膜 (semi-permeable membrane)。如下圖所示，生物燃料電池之陽極灌入含有有機物之燃料供微生物反應，即提供微生物之基質 (fuel)；陰極則灌入氧氣作為氧化劑；半滲透膜只容許帶正電的離子通過，即陽極中產生之質子 (proton, H⁺)，該薄膜介於陽極槽與陰極槽間將其分隔。為避免反應機制於陽極發生，故此系統為封閉式系統，使陽極成無氧狀態，陽極不會發生反應，且陰極灌入氧氣後產生反應使質子濃度減少，誘發陽極經半滲透膜產生滲透作用。

在陽極中，基質藉由微生物行氧化反應 (oxidation)，生成二氧化碳 (carbon dioxide, CO₂)、電子及質子。以葡萄糖 (glucose, C₆H₁₂O₆) 為例，當微生物於陽極反應時，會將葡萄糖分解產生二氧化碳、質子並釋出電子產生能量，其反應機制如下(式一)：

陽極： (式一)

陰極中的氧氣則接受電子，與氫離子結合還原成水分子，如式二所示。其電子通過外部電路轉移至陰極；同時質子通過薄膜轉移至陰極。質子與電子於陰極再與氧氣行還原反應 (reduction-oxidation)產生水，反應機制如下：

陰極： (式二)

生物燃料電池產電機制

(1)   如下圖所示，於陽極加入基質供微生物反應 (Fuel in)，基質於微生物氧化作用下，生成質子、電子、及代謝產物 (CO₂)，並將基質反應後之廢液排出 (Outlet)。

(2)   產生的電子於陽極表面經外部電路傳輸至陰極，且產生的質子經半透膜由陽極傳遞至陰極。

(3)    於陰極中，導入電子受體 (O₂ in)，使氧氣和遷移來之質子與陰極表面之電子發生還原反應，並將反應後所產生之產物 (H₂O)排出 (Outlet)。