1.1 研究動機
目前地球上人口數量已超過 70 億人，人口急遽增加的情況下，對於能源需求 也更高，越來越多人思考是否該有替代的能源能夠使用，目前除了風力、水力、太 陽能發電之外，生物燃料電池也是一總有潛力的綠色能源，不僅擁有理論上的高能 源轉換率、對環境無危害，且能降解廢水中的有機物進而減少能源消耗。生物燃料 電池在此背景下被研究開發，使用微生物作為催化劑將碳氫化合物的化學能轉化 成電能，藉此可以不受熱力學卡諾引擎之限制，達到高轉換效率，將原本需要被處 理、降解的廢棄有機物用於生產{電能，達到碳足跡中無碳排放的環保能源。
以美國為例，美國全國有 1.5%的能源用於汙水處理廠，其中曝氣這個製程就 消耗了超過 60%以上的能源[1]，而生物燃料電池可以直接將廢水中的有機物轉換 為電能，其理論轉換率可以很高，且幾乎不產生任何汙染物，能夠將原本需要淨化 的工業廢水、民生廢水初步降解，並從中獲得額外電能，若能有效運用，其產電將 會超過原先的廢水處理所需要之電力，還有淨能源可以產出。且此總發電的比發電 量也大於傳統的厭氧沼氣發電，生物燃料電池的理論發電量為 3.3-4.2kWh/kg-COD[2, 3]，此發電方法能夠直接將有機物從化學能轉換成電能，不僅減少了能量 傳遞的耗損。
以台灣幾種工廠廢水排放為例，如 Table 1-1[1]所示，台灣年廢水量超過兩百 萬公噸化學需氧量，若以能源效率 20%、3.8kWh/kg-COD 來計算，每年將可從中 獲得超過二十億度的能源，並且大幅減少用於傳統廢水處理技術帶來的能耗，如此 一舉兩得的產電系統，將對綠色能源可做出不可忽略的貢獻。
Table 1-1 Amount of wastewater from varied sources in Taiwan[1]
Source of wastewater kilotonne-COD per year Power generation (kWh/y) (energy efficiency 20%)
Beer industry 14 1.1 x107
Paper recycling industry 74 5.6 x107
Swine wastewater 730 5.5 x108
Domestic wastewater 723 5.5 x108
Kitchen wastewater 87 6.6 x107
Monosodium glutamate industry 1080 8.2 x108
Total 2708 2.06 x109
目前實際的發電量過低，若使用實驗室配置的培養基培養微生物，並使用葡萄 糖、醋酸等等單一營養源所得到的功率約為 100-2000 mW/m2，使用民生或工業廢 水當作營養源的功率約為 10-1000 mW/m2[4]。Figure 1-1[4]整理各個實驗室所作出 的功率密度，大部分的技術都未突破 2000 mW/m2，少數實驗室用小規模系統已達 到約 6000 mW/m2，目前最高的生物燃料電池功率密度為 6708 mW/m2[5]，此系統 僅為 12 毫升大小，陰極面積比陽極大 14 倍，僅為測試燃料電池理論功率的模型，
並沒辦法實用。此系統雖然離 Zhang 提出的理論功率 53600mW/m2還差一個數量 級[4]，但仍然做出了相當大的突破。生物燃料電池功率與一般燃料電池功率還是 有三個數量級的差距，但是生物燃料電池的燃料本身就是需要被分解的有機物，沒 有燃料成本的問題，因此生物燃料電池還是一種極具潛力的發電方式。
Figure 1-1 Power density versus anodic chamber volume data.[4]
本研究使用廢水有機物作為原料來發電，設計不同實驗以探討將不同情況下 的電流密度、庫倫效率與化學需氧量去除率，並能找出目前生物燃料電池受限制的 步驟，使用成本較低的製程，開發出不同的陽極材料以同時兼顧微生物的親和性與 電化學活性，希望開發出較實際可運行之生物燃料電池陽極材料，以解決目前生物 燃料電池低功率密度之問題，此技術若發展成熟將可用於降低工廠廢水或家庭汙 水之化學需氧量，並可以用來產生電力以同時達到環保與綠色能源兩個目的。