生物燃料電池(BFC)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。

它的研究始于上世紀(jì)50年代,最初人們希望利用人的體液或代謝物實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換,應(yīng)用于人體內(nèi)微型電源或在航天飛行中處理宇航員的生活垃圾等。生物燃料電池最早出現(xiàn)在1964年,為植入體內(nèi)的心臟起博器提供電源,但由于電池產(chǎn)生電量小而沒有實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。1980年代,研究人員試圖用生物燃料電池從天然作物的廢棄物中產(chǎn)生電能,出現(xiàn)了采用固定酶電極和電子介體的生物燃料電池。

近年來,固定化酶電極技術(shù)取得很大進(jìn)展,如分子自組裝方法、溶膠-凝膠法以及氧化還原聚合物(redoxpolymer)的設(shè)計(jì)與合成等先后應(yīng)用于生物燃料電池研究中,得到無膜生物燃料電池。這不僅在電池的輸出功率、微生物或酶活性的保持等方面有了較大提高,同時(shí)體積更加微型化,使生物燃料電池的研究進(jìn)入新一輪活躍期。生物燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高、生物相容性好、原料來源廣泛、可以用多種天然有機(jī)物作為燃料,是一種真正意義上的綠色電池。

它在醫(yī)療、航天、環(huán)境治理等領(lǐng)域均有重要的使用價(jià)值,如糖尿病、帕金森氏病的檢測(cè)、輔助治療以及生活垃圾、農(nóng)作物廢物、工業(yè)廢液的處理等。同時(shí)生物原料貯量巨大、無污染、可再生,因此生物燃料電池產(chǎn)生的電能也是一個(gè)潛力極大的能量來源。它可以直接將動(dòng)物和植物體內(nèi)貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為能夠利用的電能。近年來隨著對(duì)可再生能源和人體醫(yī)療技術(shù)發(fā)展的要求,生物燃料電池逐漸引起更廣泛的關(guān)注。

生物燃料電池可以分為直接使用酶的酶燃料電池和間接利用生物體內(nèi)酶的微生物燃料電池。雖然生物燃料電池具有酶燃料電池所不具備的優(yōu)點(diǎn),如長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好以及對(duì)燃料的催化效率較高等,并且由于在傳質(zhì)過程受到生物膜的阻礙導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)換效率較低。雖然酶燃料電池中酶在生物體外催化活性保持比較困難,電池穩(wěn)定性差,但由于酶催化劑濃度較高并且沒有傳質(zhì)壁壘,因此有可能產(chǎn)生更高的電流或輸出功率,在室溫和中性溶液中工作,滿足一些微型電子設(shè)備或生物傳感器等對(duì)電能的需求。