Mikrobiologiczne Ogniwo Paliwowe
(Microbial Fuel Cell - MFC)

Istotą mikrobiologicznego ogniwa paliwowego jest to, że mikroorganizmy „czerpią” elektrony bezpośrednio z atomów wodoru, zawartego w molekułach związków organicznych, stanowiących ciekłe odpady, w sensie pierwotnych nośników energii. Tworzą w ten sposób przepływ elektronów, a więc prąd elektryczny. Oznacza to, że w ogniwie tym nie występują procesy pośrednie. Jeżeli sprawność konwersji stanowiłaby 30%, byłby to najbardziej sprawny proces wytwarzania elektryczności. Napięcie, przy którym uzyskuje się moc, wynosi 0,5 V na pojedynczym biologicznym ogniwie. W celu uzyskania pożądanejwartości prądu lub napięcia powstaje konieczność łączenia szeregowo lub równolegle odpowiedniej liczby ogniw paliwowych.

Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa paliwowego (MFC)

Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa paliwowego (Lovley Nature Reviews Microbiology 4, 497-508, July 2006)

Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (MFC)

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (Stanowy Uniwersytet w Pensylwani USA)

W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym materia organiczna jest utleniana na anodzie, której produktem jest CO2 oraz protony i elektrony. Dla glukozy jako substratu reakcje prezentują się następująco:

Reakcja na ANODZIE

C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-

Reakcja na KATODZIE

24H+ + 24e- + 6CO2 → 12H2O

Bakterie stają się źródłem energii, gdy przekazują elektrony od donora elektronów, takiego jak glukoza, do akceptora w sensie odbiornika elektronów, takiego jak tlen, w wyniku czego uzyskuje się wodę. To przekazywanie odbywa się w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym, w którym bakterie stanowią biokatalizatory w bezpośredniej przemianie substancji organicznej w elektryczność. W miarę wzrostu potencjalnej różnicy pomiędzy donorem a akceptorem wzrasta znaczenie bakterii jako źródła energii. W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym bakterie nie przekazują bezpośrednio wytwarzanych elektronów do ich finalnych akceptorów, lecz są one kierowane do anody. Bakterie na anodzie utleniają substancję organiczną oraz przemieszczają elektrony do katody poprzez obwód zewnętrzny, wytwarzając w ten sposób prąd elektryczny. Protony wytwarzane na anodzie przemieszczają się poprzez membranę do katody, gdzie łączą się z tlenem i elektronami tworząc wodę.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe charakteryzują się niższą gęstością mocy niż inne ogniwa paliwowe zasilane na przykład wodorem. Mogą być jednak jedynymi zastosowanymi w najbliżej przyszłości po to, aby równocześnie utylizować wszelkie ścieki, a więc zmniejszać zanieczyszczenie wód oraz wytwarzać energię elektryczną. W wyniku przetwarzania termicznego stałych odpadów można by uzyskać energię ekwiwalentną 0,48 mld ton węgla rocznie mogącą zaspokoić potrzeby 3 mld mieszkańców, obecnie zamieszkujących tereny zurbanizowane. Na podstawie publikowanych danych, uzyskiwanych w wielu instytucjach naukowych, stwierdzić można, że gęstość energii w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych zawierała się w dość szerokim zakresie 200-4300 mW/m2. Trudno dziś przewidywać, jaka wartość z tego zakresu będzie ogólnie osiągalna po przekroczeniu progu opanowania technologicznego omawianych ogniw, spełniając równocześnie warunek ekonomicznej opłacalności. Niezależnie od tego, nie należy oczekiwać, że zasoby biomasy w formie ścieków, jako źródło wodoru, a więc elektronów, byłoby wystarczające, aby zapewnić przejście cywilizacji do ekonomii wodoru w skali globalnej. Natomiast byłoby możliwe, aby ludzkość pozyskując wodór ze wszelkich ścieków, miała szansę równocześnie oczyszczania wód w skali globalnej.

Ogniwa te są projektowane w wielu konfiguracjach. Jedną z nich jest dwukomorowy system, gdzie bakterie w komorze anody są odseparowane od komory katody membraną służącą wymianie protonów. W większości dwukomorowych ogniw stosuje się wodne katody, gdzie wspólnie z powietrzem dostarcza się tlen do elektrody. Wielkość mocy generowanej zależy od powierzchni katody w relacji do powierzchni anody oraz membrany. Gęstość mocy wytwarzanej jest ograniczana wysoką wewnętrzną opornością oraz stratami na elektrodzie. W celu zwiększenia mocy wyjściowej oraz redukcji kosztów mikrobiologicznego ogniwa paliwowego badano ogniwo z powietrzną katodą, eliminując równocześnie polimerową membranę wymiany protonów. Stanowi ono jednokomorowy system o konfiguracji z powietrzną katodą. Tworzą ją anoda i katoda umieszczone po przeciwnych brzegach cylindrycznej komory.

Opis ogniwa MFC powstał w oparciu o artykuł Prof. dr hab. inż. Wiesława Ciechanowicza pt. "Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe przetwarzające ścieki organiczne bezpośrednio w elektryczność" (miesięcznik energetyka, nr 3, marzec 2008)