生物燃料電池系統

在生物燃料電池中，不管材料是如何被加工與改質，最終將被安裝在反應器系 統中，一個反應器的構造將決定生物燃料電池的功率輸出、庫倫效率與使用壽命等，

在實際應用中，不僅要達到上述的功能，還要兼具經濟性與實用性，才能應用於大 規模試驗中，因此本節將介紹不同系統裝置。

生物燃料電池的裝置可分成雙腔式與單腔式兩種，示意圖如下 Figure 2-1[30, 31]。雙腔式包含一個厭氧陽極槽與一好氧陰極槽，兩槽之間以離子交換膜區隔開 來，離子交換膜不僅可以區隔開正負兩極，也可以避免氧氣從陰極擴散到陽極，而 陰極腔室則使用曝氣的方式或者添加溶水的氧化劑。由於添加了交換膜，雙腔式的 內阻比單腔式大上數倍[5]，尤其增加了電解液阻抗與離子質傳阻抗。單腔式則是 省略掉離子交換膜，因此降低了電池內阻，且可以將陰極一側暴露在空氣中，將空 氣中的氧氣利用濃度差擴散到陰極上，減少了曝氣所需的能耗與花費。

(A) (B)

Figure 2-1 Schematic illustration of two microbial fuel cell systems: (A) with membrane system[31], (B) membrane-less system. [30]

在 Logen 的文獻中詳細的描述了不同的反應器裝置，如下 Figure 2-2[31]。圖 Figure 2-2 (A)與(F)中所展現的是最簡易的生物燃料電池裝置，僅將兩個燒杯充當 陰極與陽極腔室，此即為最簡易的“H”型裝置。Figure 2-2 (B)為與 C 則為典型的雙 槽式裝置，中間有隔離膜分隔陰陽兩極，氧化劑部分則如圖中所式，以曝氣的方式 使氧氣溶解於空氣中。但也可額外添加氧化劑，Rabaey 等人[19]即使用此裝置，額 外添加鐵氰化鉀充當氧化劑而得到 4.1W/m²的高功率密度。Figure 2-2 (D)中則是可 應用於光反應的系統，此系統較多用在培養微藻或其他自營生物，產物也不局限於 電力，可用來養殖微藻產油或其他高單價產品。Figure 2-2 (E)則為最常見的單槽式 反應器，在當時是一種嶄新的做法，以前只有雙槽式反應器，直到此一裝置於 2004 年被 Logan 與 Liu[21]創造出來，在此之後，許多裝置都以此為雛型被創造出來，

往後十幾年來的研究也都著重在單槽式空氣陰極。但此裝置因開口過多，若有不密 封的開口則會讓電解液快速蒸發，同時讓空氣進入到反應器內使得厭氧產電菌因 氧氣而慢慢失去活性，最終導致死亡，因此須特別注意整體的緊閉性。

Figure 2-2 Types of MFCs used in studies[31]

為了大量降低電解液與離子質傳阻抗，Min 與 Logan 建立了一個長 15 公分寬 15 公分、高 2 公分的平版型裝置，如 Figure 2-3(A)所示[32]，原先預計得到兼具高 功率密度與庫倫轉換率，但結果不如預期，使用民生廢水為營養物的生物燃料電池 僅得到 40-65mW/m²功率密度與 5-7%之間的庫倫效率，兩者都低於電極距離更大 的裝置。推測是因為氧氣穿過離子交換膜來到陽極，使得產電的厭氧菌無法成功附 著在陽極上成長，反而讓不產電的好氧菌茁壯成長。此外氧氣穿過離子交換膜也會 使質子或有機物直接與氧氣反應，而不會在陰極上催化反應，使得功率密度與庫倫 效率都低於先前的反應器許多[21]。為了打造能耐高溫且保持無菌的系統，Logan 與其團隊[33]又發明一種低成本的系統，可用於混菌與純菌培養實驗。此裝置的概 念即是半個“H”，參考圖如下 Figure 2-3 (B)，陰極材料夾在管壁側邊，將反應器側 面開口加大以增加氧氣質傳，以葡萄糖為營養物得到最大功率密度 1430mW/m²、 庫倫效率 23%。

(A) (B)

Figure 2-3 Images of MFC (A)A flat plate MFC [32], (B) A half “H” type membrane-less MFC [33].