生物燃料电池的研究进展探析

张雯雯+李峰+许明先

摘 要：随着经济的不断发展和人口逐渐的增加，环境短缺和能源短缺的问题变得越来越严重，寻找和研究可再生的清洁能源也就成为一项非常重要的工作。生物燃料电池就是新型绿色能源的一种，也是一种能够控制的发电能源。本文的写作目的就是对生物燃料电池的研究进展进行分析和探究。

关键词：催化剂；生物燃料电池；能源短缺

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

随着人口的不断增加，能源短缺的问题也日益暴露，寻找新的绿色能源已经迫在眉睫。生物燃料电池则是应用微生物或者酶作为催化剂，把燃料中的化学能转化成电能，这种生物燃料电池原料易得，拥有非常高的能量转化率，对环境产生的危害更小，可以广泛的应用在很多行业之中。

1 生物燃料电池优势

生物燃料电池和其他电池有着很大的不同，它主要是通过生物原料经过催化剂的催化从而生成氢离子，生成的氢离子又与空气中的氧气或者其他氧气中的氧相结合从而生成电流[1]。以葡萄糖分子为例，完全氧化葡萄糖分子的过程中能够让24个电子生成电流，通过光合作用产生的葡萄糖在氧化过程中碳元素不会发生变化，更有利于对环境的保护。而且生物燃料电池的原料非常易得，可以是有机物、无机物还可以利用污水。相对于其他类型的电池，生物燃料电池在操作的时候只需要在一般的温度和压力的环境下操作就可以，因为生物电池的催化剂一般采用的是酶或微生物，所以不需要创造额外的环境和条件。此外，生物燃料电池还能够通过和人体内的葡萄糖、氧气相结合，帮助被移植在人体中的人造的器官产生电能。

2 工作原理与分类

2.1 微生物电池

微生物电池是将燃料放置在阳极室内，微生物不断的发生代谢和氧化反应，在外电路的连接下电子达到阴极，而质子则是利用交换膜到达阴极，已经发生了氧化的物质受到催化剂的影响在阴极室发生氧化还原反应[2]。在最理想的操作状态之下，每包含 0. 4 g 湿微生物细胞（相当于 0.1g干细胞） 的电池能够输出电压0. 4 V输出电流0. 6 mA。因为电子转移形式的不同微生物燃料电池又被分为两种，其中燃料在电极上直接发生氧化反应的是直接微生物电池，燃料在其他地方发生氧化反应并通过一些特定的途径将电子传递在电极上的为间接微生物电池。

2.2 酶生物电池

微生物电池虽然在工作期间比较稳定，催化燃料的程度比较彻底，但是将化学能转化为电能的转化率可能会因为在传输过程中受到生物膜的影响而大大降低。但是酶生物电池就能够克服这一问题。因为酶催化剂拥有非常高的浓度，在电能传输的过程中能够不收到生物壁垒的影响，所以能够输出更多的电流和电压。它的工作原理为，葡萄糖被氧化辅酶进行催化从而变化为葡萄糖酸，利用介质将产生的电子进行转移，并由氢离子利用隔膜进行扩散。在阴极中获得电子的过氧化氢经过催化剂催化和与氢离子进行反应，从而产成水。

3 研究现状与应用

现在对生物燃料电池的研究还处于不断探索的阶段，生物燃料电池还存在着电能转化和输出效率低，使用的时间较短等问题[3]。有研究表明，科学家利用从菠菜叶叶绿体中分解出来的多种蛋白质放入特殊导电装置进行电池的制作，但是这样的电池使用寿命仅有21天，将光能转化成电能的转化率仅仅只有12%，但是电能的转化了率可能会随着科技的不断发展，提高为 20% ，到那时这种生物燃料电池的能量转换率就将超过太阳能硅电池，所以这项研究也吸引了很多的关注，相关的研究人员也在一直积极的探索者这种电池对环境变化的适应情况。可以预见生物燃料电池在很多领域都能得到应用。

3.1 交通运输供能方式更换

现阶段的交通运输采用的能源主要是利用一些化石燃料燃烧所产生的能量，最主要的就是应用石油。但是化石燃料的燃烧会对环境产生极大的危害而且不便于携带储存量较小。但是应用生物燃料电池，就能够应用其他材料作为能源，有效的缓解化石燃料燃烧造成的不好影响，减轻相关的环境问题研究证实1L 浓缩的碳水化合物溶液可以驱动一辆车行驶 25～30km。

3.2 可植入的能量来源

生物燃料电池能够在生物的身体内进行工作，而且产生电能所需要的氧和燃料能够直接从生物体内获得，应用在医学中，能够为移植在人体内的医学装置提供能量。比如说，葡萄糖生物传感器就可以应用生物燃料电池，其中葡萄糖氧化酶为阳极，一个细胞色素 C 的最为阴极，为装置提供电能。

3.3 污水处理

废水也可以作为生物燃料电池原料的来源，产生电能。这样一来不仅能够获得能源，同时也能将废水中的有机化合物提出出去，对污水起到净化的作用。有研究表明150000 人口的城镇的废水如果效率为100%的话甚至能够产生2.3Mwof 的能量。

4 前景展望

生物燃料电池原料来源广泛，操作方便的同时对环境的危害也很小，是一種新型的优质可再生的绿色能源。虽然现阶段生物燃料电池还存在着不够稳定，电能转化率低等问题，但是随着科技的不断进步，生物燃料电池将被不断的发展和完善，在今后的智能电网发电体系中发挥出重要的作用。同时还需要加强对材料稳定性、增加生物催化效率以及电子转移等相关知识的研究，配合生物燃料电池的探究和开发。

5 结束语

生物燃料电池是一种新的能源，虽然对生物燃料电池的研究还处于初级阶段，但是可以预见生物燃料电池未来会在污水处理、智能电网建设、交通、医疗等方面发挥出巨大的作用，对我们的生活和环境产生巨大的影响。

参考文献：

[1]葛小萍，刘财钢，石琰璟.微生物燃料电池在污水处理方面的应用研究进展[J].科学技术与工程，2010，10（14）：3419-3424.

[2]刘昌云.微生物燃料电池的反应动力学研究[J].可再生能源，2010，28（05）：56-59.

[3]骆海萍，张翠萍，宋海红等.降解苯的微生物燃料电池产电性能研究[J].中山大学学报（自然科学版），2010，49（01）：113-118.