[科普中國]-生物燃料電池

按燃料電池的原理，利用生物質(zhì)能的裝置。可分為間接型燃料電池和直接型燃料電池。利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。

引言生物燃料電池是以有機(jī)物為燃料，直接 或間接利用酶作為催化劑的一類特殊的燃料電池。

由于全球化石能源短缺及化石能源在開采使用過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定危害，尋求新型可再生能源已引起全世界的廣泛關(guān)注。燃料電池是在金屬催化劑的作用下將燃料(氫氣、甲醇等)和氧化劑（通常是氧氣）的化學(xué)能，按照電化學(xué)的方式直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。與傳統(tǒng)的能源相比，燃料電池在反應(yīng)過程中不涉及燃燒，因而能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)的限制，具有高效、潔凈、環(huán)境友好的顯著特點(diǎn)，是21世紀(jì)首選的潔凈高效發(fā)電技術(shù)，是繼水力、火力、原子能三種發(fā)電方式之后的“第四種發(fā)電方式”，備受廣大研究者們的關(guān)注。生物燃料電池是一種以生物催化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬催化劑的一種特殊的燃料電池，被認(rèn)為是一種新型的綠色能源。1

特點(diǎn)①燃料來源廣泛：乙醇、葡萄糖是典型的生物燃料電池燃料，生物燃料電池還可以利用一般燃料電池不能利用的各種有機(jī)物、無機(jī)物及微生物呼吸的代謝的產(chǎn)物、發(fā)酵的產(chǎn)物、光合作用甚至污水等作為燃料；

②反應(yīng)條件溫和：由于使用酶或微生物作為催化劑，一般只要求在近中性的常溫、常壓條件下反應(yīng)，易于操作，控制和維護(hù)；

③生物相容性好：由于可以利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，一旦開發(fā)成功，便能方便的為植入人體的一些人造器官提供電能；

④催化劑類型多種多樣：生物燃料電池中采取的催化劑主要有三類：微生物、細(xì)胞器和酶。另外一些非酶的蛋白質(zhì)也可以用作催化劑。1

分類生物燃料電池按催化劑類型可以分為微生物燃料電池和酶型生物燃料電池：

1、微生物燃料電池(MicrobialFuelCells)：指利用整個(gè)微生物細(xì)胞作催化劑，依靠合適的電子傳遞媒介體在生物組分和電極之間進(jìn)行有效的電子傳遞。

2、酶型生物燃料電池（EnzymaticBiofuleCells）是用酶作為生物催化劑，通過生物電化學(xué)途徑，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。生物燃料電池按電子傳遞方式可以分為直接生物燃料電池和間接生物燃料電池。

3、直接生物燃料電池(DirectBiofuelCells)：燃料在電極上反應(yīng)，電子從燃料分子直接轉(zhuǎn)移到電極上，生物催化劑的作用是催化燃料在電極表面上的反應(yīng)。

4、間接生物燃料電池(IndirectBiofuelCells)：燃料不在電極上反應(yīng)，而在電解液中或其他地方反應(yīng)，電子則由具有氧化還原活性的媒介體運(yùn)載到電極上去。1

應(yīng)用生物燃料電池作為一種能源轉(zhuǎn)化和供應(yīng)裝置，自身的特點(diǎn)決定其具有獨(dú)特的應(yīng)用，這些應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)領(lǐng)域：

第一個(gè)方面，生物燃料電池在生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等方面的研究具有非常重要的意義。生物燃料電池可以作為植入式體內(nèi)電源，生物燃料電池可以利用內(nèi)源性物質(zhì)如乳酸、維生素C、葡萄糖等作為燃料，這些物質(zhì)大量存在于人體或動(dòng)物體內(nèi)。生物燃料電池作為植入式體內(nèi)電源把這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能，作為人或動(dòng)物內(nèi)植電源，如為血管納米機(jī)器人、心臟起搏器、人造心臟等提供電能。

第二個(gè)方面，生物燃料電池在生物質(zhì)能的利用方面也具有很重要的意義，作為便攜式充電電源，生物燃料電池可以廣泛應(yīng)用于生物芯片，筆記本電腦，手機(jī)，數(shù)碼產(chǎn)品等。隨著大屏幕手機(jī)及各種電子產(chǎn)品的盛行，人們對(duì)便攜式充電電源的需求將會(huì)越來越大，生物燃料電池具有燃料來源廣泛，易于儲(chǔ)存，方便更換，清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)決定它在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用有著潛在的優(yōu)勢(shì)和巨大的市場(chǎng)。1

性能影響因素影響生物燃料電池性能的主要因素有：

燃料氧化速率；電子由催化劑到電極的傳遞速率；回路的電阻；質(zhì)子通過膜傳遞到陰極的速率以及陰極上的還原速率。由于生物催化的高效性燃料氧化速率并非整個(gè)過程的速率控制步驟。因微生物的細(xì)胞膜或酶蛋白質(zhì)的非活性部分對(duì)電子傳遞造成很大阻力電子由催化劑到電極的傳遞速率決定整個(gè)過程的快慢。目前提高電子傳遞速率的方法主要有采用氧化還原分子作介體，通過導(dǎo)電聚合物膜連接酶催化劑與電極等。另外為了提高質(zhì)子傳遞速率和縮小電池體積無隔膜無介體的生物燃料電池也成為研究熱點(diǎn)。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所