燃料電池最早於 1839 年英國科學家 Grove 的氣體電池，Grove 的氣體電池構 想來自於水的電解，他認為如果把水的分解反應逆轉，將氫氣與氧氣反應產生水，
就有可能從中獲取電力。他將白金放置兩個密封的瓶中，一瓶充滿氫氣，而另一瓶 充滿氧氣，當稀釋的硫酸溶液充滿瓶中時，偵測到電流產生，並在充滿氣體的瓶中 生成了水，此即為公認的世界第一個燃料電池。
生物燃料電池的開發始祖為英國植物學家 Potter，他在 1911 年以白金作為電 極，在一含有大腸桿菌及酵母的培養液中發現了兩極間有電位差[6]，並投身於生 物燃料電池的研究。直到 20 世紀 90 年代因石油價格與全球暖化等議題，才有許 多研究員投入到生物燃料電池領域開發新能源技術，並於 21 世紀開始有快速增長 的啟發成果數量，Figure 1-2 為這半個世紀以來生物燃料電池的論文發表趨勢圖，
可以看出在 20 世紀後論文發表量幾乎為指數成長，代表此項技術在近年來受關注 急劇上升，或許有相當的發展潛力。
Figure 1-2 The number of paper about microbial fuel cell (MFC) over the past few decades.
生物燃料電池的原理是在陽極腔室養殖微生物作為催化劑，微生物進行氧化 還原反應，降解有機物釋放出電子與質子，產生的電子先擴散到陽極再藉由外部迴 路來到陰極，而質子藉由液相通過質子交換膜(PEM)移動至陰極槽，最後電子、質 子與水中氧氣或者空氣中的氧氣再於陰極反應成水，示意圖參考 Figure 1-3[7]。此 方法能夠直接將有機物從化學能轉換成電能，且產物皆為無汙染物質，對環境相當 友善。
Figure 1-3 Schematic illustration of a microbial fuel cell.[7]
在近年來的研究中，值得注意的是在 1981 年由 Benneto 等人[8]發現在生物燃 料電池中，添加電子穿梭體(Mediator)可以提升產電量，其原理是利用電子穿梭體 擴散至微生物細胞內，強迫將細胞內電子傳遞出來。使用的電子穿梭體包括中性紅 (neutral red)[9-11]、鐵氰化鉀[12, 13]、甲基紫精[14-17]等等，但由於電子穿梭體本 身昂貴且須持續補充，反應機制對微生物來說又是有害微生物成長，因此會降低微 生物活性與生命週期。直到 1999 年，Kim 與他的團隊發現不添加電子穿梭體的生 物燃料電池也能夠產電[18]，在這個領域獲得重大的突破。此後許多研究專注在無 添加電子穿梭體的生物燃料電池上[19, 20]，並且對微生物的電子傳遞與生物電化
學特性有更進一步的了解。 學需氧量。Santoro 等人[24]使用 130 毫升的單腔式生物燃料電池，以尿液為營養 源得到 423mW/m3的體積功率密度，化學需氧量也成功降低 75%。同團隊的英國 西英格蘭大學 Ieropouos 教授，打造校園與大型活動流動廁所發電裝置，在容納尿 液 25 公升的小型發電裝置達到 95%化學需氧量去除率，而在每天千人使用的大型 音樂節流動廁所，容納尿液 300 公升的大型生物燃料電池達到 30%化學需氧量去 除率。在 2013 年 Ieropouos 等人[25]發明了世界上第一個用尿液幫手機充電的電 池，之後在 2017 年發表的文獻中指出，他發明一項只需 600 毫升尿液、充電 6 小 時，便能讓手機提供通話 3 小時電量的技術[26]。
在本研究中，我們使用混菌與醋酸當作營養源，針對陽極材料進行改質，將陽 極的內阻降低與增高生物容納密度，進而將生物燃料電池之功率密度提高，開發出 經濟且效果佳的電池，並將擴展更多的應用與更寬廣的利用價值。