正極 positive electrode 與負極 negative electrode
臺師大附中物理科李柏翰老師
正極與負極在不同的場合中其意義是有差異的。
一般而言，導線中電流流動的方向與大小是和外界提供的電極之擺設與電位高低有關，電動勢或是電位較高的電極我們稱之為正極，而電位較低的電極稱之為負極。以常見的電池為例(圖1A)，上端金屬突起為正極，下端則為負極，如果用電池導線連線如下圖(圖1B)所示，帶負電的電子與電位較高的正極有吸引力，與電位較低的負極有排斥力，所以一旦正極與負極有壓差產生，則會形成電子流流動，而所謂電流是指帶正電的電荷流動，由外線路電位較高正極流向電位較低的負極，和下圖電子流方向相反。
圖1A 常見的電池正負極標示在上下，如圖所示(作者提供)
(圖1B)電池導線連線成迴路，外線路電子流方向為負極到正極 (作者提供)
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)。