小兵立大功～生物燃料電池的原理及應用

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)。

生物燃料電池原理示意圖

應用

1.將微生物降解法運用於廢水處理程序

一般而言，陽極內所需之基質來源，來自於含有豐富有機物之生活廢水、養豬廢水及食品加工廢水等，因此可利用廢水處理廠經初沉池之上澄液為基質運用微生物燃料電池的陽極燃料之方法降低廢水中之生物需氧量 (biological oxygen demand, BOD)與化學需氧量 (chemical oxygen demand, COD)，因此由微生物燃料電池處理廢水是現今熱門研究主題且具發展潛力。

2.提升替代能源產電效率

微生物燃料電池可將廢水中的有機物之化學能轉化為電能，可以避免卡諾循環 (Carnot cycle)因能量轉換產生熱能使效率減少，由文獻可得知微生物燃料電池之能源轉換效率為熱力學理論之150% [4]，因此優化微生物燃料電池及提升能源生產率仍是一個重要的發展課題。

3.生物感測器(BOD Biosensors)

因為陽極中之基質濃度與陰極中電子受體之消耗量皆與微生物燃料電池所產生的電流成正比，故可藉由庫侖 (coulomb)產率的計算，相較於傳統之生物需氧量分析方法，生物感測器可以定量或半定量方式快速求得廢水中的生物需氧量 [5,6]，因此生物燃料電池也可應用於生物感測器來測得生物需氧量，現今相關學者亦致力於開發生物感測器 [7]。

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參考文獻

[1] Torres, C.I., Brown, R.K., Parameswaran, P., Marcus, A.K., Wanger, G., Gorby, Y.A., Rittmann, B.E., 2009. Selecting anode-respiring bacteria based on anode potential: phylogenetic, electrochemical, and microscopic characterization. Environ. Sci. Technol. 43, 9519–9524.

[2] Ren, Z., Ward, T.E., Regan, J.M., 2007. Electricity production from cellulose in a microbial fuel cell using a defined binary culture. Environ. Sci. Technol. 41, 4781–4786.

[3] Nimje V. R., Chen C.-Y., Chen H.-R., Chen C.-C., Huang Y.-M., Tseng M.-J., Cheng K.-C., and Chang Y.-F. (2011) “Comparative Bioelectricity Production from Various Wastewaters in Microbial Fuel Cells Using Mixed Cultures and a Pure Strain of Shewanella oneidensis” Bioresource Technology.

[4] Yue P.L., Lowther K. (1986)” Enzymatic oxidation of C1 compounds in a biochemical fuel cell” The Chemical Engineering Journal.

[5] Karube, S. Mitsuda, T. Matsunaga, S. Suzuki, (1977)” Microbial electrode BOD sensors.Biotechnol. Bioeng.”

[6] Hikuma M., Suzuki H., Yasuda T., Karube I., Suzuki S., (1979)” Amperometric estimation of BOD by using living immobilized yeast.” Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol.,

[7] Rodriguez-Mozaz S., de Alda M. J. L., Barcelo D., (2006)” Biosensors as useful tools for environmental analysis and monitoringAnal. Bioanal.” Chem. 386 .