2015年春季学期《现代环境监测技术》课程论文生物燃料电池王颖（大连交通大学，环境科学与工程，20142129）摘要：简介了生物燃料电池的概念和工作原理,回顾了生物燃料电池的发展历史。对80年代后两种生物燃料电池—微生物燃料电池和酶燃料电池的研究动态分别进行了总结,并对目前存在的主要问题进行了分析。阐述了当前研究的发展方向,预计随着燃料电池研究热潮的再度兴起和生物技术的高速发展,生物燃料电池技术研究将取得显著进展。关键词：生物燃料电池微生物燃料电池酶燃料电池0引言生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。它利用生物催化剂将化学能转变为电能,所以除了在理论上具有很高的能量转化效率之外,还有其它燃料电池不具备的若干特点:①原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等[1];②操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强;③生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。1911年,英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验,宣布利用微生物可以产生电流,生物燃料电池研究由此开始。40多年之后,美国空间科学研究促进了生物燃料电池的发展,当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的生物燃料电池。在这一时期,生物燃料电池的研究得以全面展开,出现了多种类型的电池。但占主导地位的是间接微生物电池,即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质,然后再将这些物质通入燃料电池发电。从60年代后期到70年代,直接生物燃料电池逐渐成为研究的中心。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物燃料电池。这种电池多是以葡萄糖为燃料,氧气为氧化剂的酶燃料电池。正当研究取得进展的时候,另一种可植入人体的锂碘电池的研究取得了突破,并很快应用于医学临床。生物燃料电池研究因此受到较大冲击[2]。进入80年代后,对于生物燃料电池的研究又活跃起来。氧化还原介体的广泛应用,使生物燃料电池的输出功率密度有了很大提高,显示了它作为小功率电源的可能性。90年代初,我国也开始了该领域的研究[3]。1生物燃料电池的工作原理和分类生物燃料电池的构造如图1所示，燃料（葡萄糖等)于阳极室在催化剂（酶、微生物等)作用下被氧化，电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物（一般为氧气)在阴极室得到电子被还原。12015年春季学期《现代环境监测技术》课程论文图1：生物燃料电池结构示意图按采用催化剂的不同，生物燃料电池可分为微生物燃料电池[4]和酶生物燃料电池[5]前者利用微生物整体作为催化剂，后者直接利用酶作催化剂。催化剂的研究过去主要集中于阳极"因阴极反应物和普通燃料电池相同，近来为了替代贵金属铂电极"对阴极催化剂的研究也越来越多。生物燃料电池的阳极如图2所示，底物（燃料）在微生物或酶的催化作用下被氧化，电子经过介体的传递到达电极。图2：生物燃料电池阳极示意图按电子转移方式的不同，生物燃料电池又可分为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池，直接生物燃料电池是指燃料直接在电极上氧化。电子直接由燃料转移到电极,间接生物燃料电池的燃料不在电极上氧化。在别处氧化后电子通过某种途径传递到电极上来,还有一种间接生物燃料电池是利用生物方法制氢用作燃料电池的燃料[6]，这也是间接生物燃料电池的一种。影响生物燃料电池性能的主要因素有[7]，燃料氧化速率、电子由催化剂到电极的传递速率、回路的电阻、质子通过膜传递到阴极的速率以及阴极上的还原速率。由于生物催化的高效性，燃料氧化速率并非整个过程的速率控制步骤。微生物细胞膜或酶蛋白质的非活性部分对电子传递造成很大阻力电子由催化剂到电极的传递速率决定整个过程的快慢，目前提高电子传递速率的方法主要有采用氧化还原分子作介体[8]，通过导电聚合物膜连接酶催化剂与电极[9]等。另外，为了提高质子传递速率和缩小电池体积，无隔膜无介体的生物燃料电池也成为研究热点[10-11]。对于含介体的生物燃料电池，介体选择主要考虑以...