Mikrobenbrennstoffzellen

Mikrobenbrennstoffzellen, kurz MFCs, sind bioelektrochemische Systeme, die chemische Energie organischer Substrate direkt in elektrischen Strom umwandeln. Typischerweise nutzen sie einen Biofilm exoelektrogener Mikroben an der Anode, die organische Substrate oxidieren und dabei Elektronen auf den Elektrodenkontakt übertragen.

Die Elektronen fließen durch einen externen Strompfad zur Kathode, während Protone aus dem Substrat durch eine Protonenaustauschmembran oder eine andere Trenneinrichtung zum Kathodenraum gelangen. Dort reagieren Elektronen, Protonen und der Elektronenakzeptor (häufig Sauerstoff aus der Luft) zu Wasser. Die Elektronenübertragung kann direkt über äußere Membranproteine oder Pilusstrukturen erfolgen (direkte Elektronenübertragung), oder über lösliche Elektronenüberträger (Mediator).

Typische Bauformen umfassen zwei Kammern mit einer Membran, membranlose oder ein-Kammer-Systeme. Die Anode arbeitet in der Regel unter anaeroben Bedingungen, die Kathode unter aeroben Bedingungen. Neben der direkten Elektrodenübertragung spielen auch Mikrobenartenvielfalt, Substratzusammensetzung und Elektrodenmaterial eine zentrale Rolle. Materialien wie Kohlenstoffelektroden und kostengünstige Katalysatoren ersetzen zunehmend teure Pt-Katalysatoren.

Anwendungen liegen vor allem in der energierückgewinnenden Abwasserbehandlung, sensorgestützten Bioreaktoren und in Mikrobiellen Desalination Cells. Leistungskennzahlen variieren stark: Labormuster erreichen oft Milliwatt pro Liter bis Watt pro Liter bzw. Einzellektrodenoberflächen von einigen bis zu mehreren Watt pro Quadratmeter.

Historisch reicht die Wurzel der Idee bis in die frühen 20er Jahre; in den späten 1990er Jahren wurden MFCs durch Arbeiten von Forschern wie Brock und Logan systematisch weiterentwickelt. Perspektiven liegen im effizienteren Substratmanagement, verbesserten Elektroden und skalierbaren Systemen, während Herausforderungen wie geringe Leistungsdichte, Langzeitstabilität und Kosten bestehen bleiben.