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用微生物或者酶作為催化劑，把燃料中的化學能轉(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，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[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)生氧化反應的是直接微生物電池，燃料在其他地方發(fā)生氧化反應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，從而產(chǎn)成水。

3 研究現(xiàn)狀與應用

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)境變化的適應情況?？梢灶A見生物燃料電池在很多領(lǐng)域都能得到應用。

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。但是應用生物燃料電池，就能夠應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，應用在醫(yī)學中，能夠為移植在人體內(nèi)的醫(yī)學裝置提供能量。比如說，葡萄糖生物傳感器就可以應用生物燃料電池，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用研究進展[J].科學技術(shù)與工程，2010，10（14）：3419-3424.

[2]劉昌云.微生物燃料電池的反應動力學研究[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].中山大學學報（自然科學版），2010，49（01）：113-118.