主要問題是成本和功率密度。

1 引言 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一種以微生物為陽極催化劑，將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。1911年，英國植物學家Potter便發現細菌培養液可產生電流，這是關于微生物燃料電池的最早報道。近年來，MFC技術因其諸多優點及應用范圍的擴大，引起了世界各國研究者的高度關注。
毋庸置疑，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是一種新興的高效的生物質能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現今社會的研究熱點之一。
2 微生物燃料電池的工作原理
圖1是典型的雙室結構MFcs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極．電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下。與陰極室中的電子接受體結合，并發生還原反應。

圖1 微生物燃料電池工作原理示意圖
下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成后葡萄糖完全被氧化。
陽極反應：
?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622
陰極反應：
?_6O2?24H?24e?12H2O
總反應：
C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料電池的應用現狀
迄今為止，MFCs的性能遠低于理想狀態。制約MFCs性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率。內電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFCs的內阻，這時得到的最大功率密度有質子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響。
當前針對微生物燃料電池主要研究其產電性能，同時由于其特殊的結構與原理，MFCs還有許多潛在應用領域，主要包括廢水處理、電助產氫、傳感器三方面。
3.1 廢水處理
近年來，微生物燃料電池被嘗試用來處理富含生物可降解有機物的廢水，在廢水降解的同時產電。表3.1列舉了目前MFCs用于廢水處理的現狀。

微生物燃料電池用于污水處理的例子

此外，微生物燃料電池處理廢水具有諸多優點，還可與傳統厭氧、好氧工藝相結合，達到更好的處理效果。

3.2 電助產氫
微生物燃料電池由于輸出效率低，難以直接應用，而MFC電助產氫技術是較有前途的一種方式。其工作原理為：無氧條件下，對雙室MFC陰極施加一個遠小于水分解電壓的小電壓，可促進轉移到陰極的電子和質子結合生成氫氣，達到利用MFC系統產氫的目的。
微生物燃料電池電助產氫反應器的優點是陰極省略了MFC常用的電子受體——氫氣，可避免因氧氣通過質子交換膜向陽極擴散而影響反應器運行；同時該工藝產生的氫氣純度較高，可積累、儲存及運輸，推動了MFC技術的實際應用。
3.3 生物傳感器
根據MFCs的工作原理，在一定濃度范圍內，MFCs的電流(或電壓)輸出與陽極的基質濃度有線性關系，因此可開發基于MFCs的傳感器，最典型的是BOD5快速檢測。Lorenzo等以人工廢水為燃料構建型BOD5傳感器，該傳感器輸出功率與BOD5濃度有良好的線性關系，且有非常高的重復性和穩定性，可連續運行7個月。
除了作為BOD5傳感器外，有研究者嘗試利用MFC型的傳感器通過對UAFB中發
酵液pH和沼氣流速進行實時監測，實現對厭氧硝化過程動態變化的監測。還有研究者通過在MFCs的質子交換膜兩側添加2片微硅板作電流收集器，由電流變化來反映基質中的有毒化合物。這些研究都有助于擴大MFCs技術的應用領域。
4 微生物燃料電池技術發展前景
MFCs技術正在不斷成長并且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基于其產電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點。
(1)深入研究并完善MFCs的產電理論。MFCs產電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴重制約了MFCs的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今后的研究重點。
(2)篩選與培育高活性微生物。目前大多數微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質的微生物。今后的研究應致力于發現和選擇這種高活性微生。
(3)優化反應器的結構；5建議；微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分；(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物；(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，；MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起；力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多；7參考文獻；[1]姜秀華.微生物電池技術研究[D].科技資訊；[2]張靜，張寶

(3)優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池，利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質子的材料作為陰極。

5 建議
微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分看好，但由于輸出功率較低，限制了在生產生活中的應用。因此，建議研究者主要從以下三方面對MFCs做進一步研究：
(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物確定電子產生和傳遞機理，實現對高效產電微生物的篩選和改造。
(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，提高電子傳質速率，降低電壓損失，提高MFCs產電性能。嘗試MFCs的工程放大，實現實際應用。 6 結語
MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，并已逐步顯現出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用。與微生物燃料電池相比，燃料電池目前使用存在著成本仍偏高, 利用率不太高的缺點，所以微生物電池有著廣闊的應用前景。與現有的其它利用有機物產能的技術相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢：首先，它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率；其次，不同于現有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環境條件下能夠有效運作；第三，微生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因為若是單室微生物燃料電池僅需通風就可以被動的補充陰極氣體；第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，微生物燃料電池具有廣泛應用的潛
力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。研究微生物電池是一件造福人類的偉大舉措，我們應該投入更多的人力和物力。

標簽：微生物燃料尚未