微生物燃料電池產電原理

剛開始，MFC系統的產電機制主要以額外加入電子介體（mediator）的方式進 行產電，添加的電子介體例如中性紅（McKinlay and Zeikus, 2004）、硫堇（Choi et al., 2003）等以加快產電速率，但過程中常因為更換基質而使電子介體受到流 失，因此需要不斷添加，導致操作上的不便與成本的增加，而且當前已發表的研 究中，MFC系統所使用的電子介體大部分為有毒化合物，因此，添加電子介體的 操作方式使MFC系統的實用價值降低。爾後，學者Kim等人首次發現，廢水中的 Shewanella微生物具備產電特性，無需額外添加其他電子介體即可產電，因此設 計無電子介體之MFC系統（mediator-less MFC）（Kimet al., 1999）。

演變至今，雙槽式MFC主要藉由陰陽兩槽體加上質子交換膜組合而成，連接 外部電阻後，系統形成一個封閉的迴路；以陽極槽作為電子供給者(electron donor），

通常包含微生物與可分解之基質進行氧化作用（Logan, 2009），而陰極槽則通常 提供氧氣作為最終電子接受者（electron acceptor）以進行還原作用。

MFC的發電原理主要是藉由微生物作為催化劑，以微生物呼吸鏈反應進行氧 membrane, PEM）作為陽極厭氧槽傳遞氫離子於陰極好氧槽的介質，轉換過程中 可由下列反應式得知，陽極槽內微生物氧化葡萄糖，將其分解為質子並同時釋出 電子（式2-5）；緊接著，質子藉由薄膜移動至陰極槽，再與陰極槽內氧氣進行還 原作用形成水（式2-6），此時，葡萄糖為總反應之電子供應者，而水與二氧化碳 則為最終反應後之產物（式2-7），故MFC於處理有機物質之同時，還可同時具被 淨化水質之功效（Patrick et al., 2011），圖2-3為上述概念之示意圖。

陽極槽之氧化半反應式：

資料來源：Patrick et al., 2011

圖 2-3 微生物燃料電池發電原理圖 一、 微生物種類

MFC 於厭氧環境下，微生物氧化有機物轉化成 CO2，過程中生成電子於電極 上進而產生電流。2006 年學者 Logan 提出以 Exoelectrogens 作為產電菌統稱，其 利用電極為電子受體能氧化有機物的微生物。

利用葡萄糖轉換成 CO2，以葡萄糖作為電子供給者時，電流密度可達 31 mA/m，

電子回收率 81 %，亦可利用果糖、蔗糖、乳糖和木糖等長期穩定產電；後者屬δ -變形細菌綱（δ-Proteobacteria）具有較佳的凝聚力，利用醋酸轉換成 CO2，以 有機酸為電子供給者時，電流密度 65 mA/m，電子回收率高達 95 %，同時可完全 氧化有機酸，但需藉由發酵菌將大分子有機物降解為小分子基質（Rabaey &

Verstraete, 2005）。

比較不同 MFC 研究之產電情形，並依電流密度由大至小排列如表 2-2，可以 H2O

O2

電阻

e

三用電表

e

-CO2

有機物 H⁺

陽極 薄膜 陰極 曝氣機

發現不同微生物種類及種源會影響 MFC 電流密度，其中電流密度最高的純種菌 與混合菌種源，分別為雙槽式 Clostridium butyricum 與單槽式活性污泥。

表 2-2 不同微生物產電之差異

純種菌 MFC類型 電流密度

(mA/cm²） 參考文獻

Clostridium butyricum 雙槽 1.300 Niessen et al., 2004

S. japonica 雙槽 0.400 Biffinger et al., 2011

S. platensis 單槽 0.450 Fu et al., 2010

Enterobacter cloacae 雙槽 0.067 Mohan et al., 2008

Shewanella oneidensis MR-1 雙槽 0.005 Manohar and Mansfeld, 2009

Exoelectrogenic 單槽 1.120 Ishii et al., 2012