Μια κυψέλη βιοκαυσίμου είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί βιολογικά υλικά για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια με άμεσο τρόπο μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη συμβατική χρήση βιοκαυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη θερμότητα που παρέχεται από την καύση του υλικού. Η αρχή πίσω από την τεχνολογία κυψελών βιοκαυσίμου είναι η μίμηση διαφόρων φυσικών διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα βακτήρια μπορεί να παίζουν ρόλο σε αυτές τις κυψέλες καυσίμου. Από το 2011, οι κυψέλες βιοκαυσίμου παρουσιάζουν δυνατότητες ως εναλλακτική πηγή ενέργειας και σε διάφορες ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές.
Οι ζωντανοί οργανισμοί λαμβάνουν ενέργεια από την οξείδωση των υδατανθράκων, οι οποίοι παράγονται από τη φωτοσύνθεση στα φυτά και προσλαμβάνονται ως τροφή από τα ζώα. Τα ένζυμα διευκολύνουν τις αντιδράσεις, στις οποίες οι υδατάνθρακες μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων, τα οποία στη συνέχεια αποθηκεύονται σε μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP). Σε ένα κύτταρο βιοκαυσίμου, τα ηλεκτρόνια που παράγονται από την οξείδωση οργανικών μορίων – συνήθως υδατάνθρακες, όπως και στους ζωντανούς οργανισμούς – χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Η ιδέα της χρήσης αυτών των βιολογικών διεργασιών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υπήρχε από τη δεκαετία του 1960, αλλά οι πρώτες προσπάθειες για την κατασκευή μιας πρακτικής, λειτουργικής κυψέλης βιοκαυσίμου αντιμετώπισαν δυσκολίες.
Μια κυψέλη βιοκαυσίμου θα αποτελείται τυπικά από ένα δοχείο χωρισμένο σε δύο τμήματα από ένα διαπερατό φράγμα. Σε ένα τμήμα, η οξείδωση ενός υδατάνθρακα – για παράδειγμα, της γλυκόζης – παρέχει ηλεκτρόνια. Στην άλλη ενότητα, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση αναγωγής, η οποία χρησιμοποιεί αυτά τα ηλεκτρόνια. Συνδέοντας τα δύο ηλεκτρόδια, μπορεί να δημιουργηθεί ρεύμα από το ηλεκτρόδιο στο τμήμα οξείδωσης — την άνοδο — στο ηλεκτρόδιο στο τμήμα αναγωγής — την κάθοδο.
Ένα από τα μεγαλύτερα πρακτικά προβλήματα που εμποδίζουν την ανάπτυξη των κυψελών βιοκαυσίμου ήταν η εύρεση ενός αποτελεσματικού τρόπου για την απελευθέρωση των ηλεκτρονίων από τον υδατάνθρακα στην άνοδο. Τα ηλεκτρόνια αποθηκεύονται αρχικά στο οξειδωτικό ένζυμο και, στη φυσική διαδικασία, θα μεταφερθούν χημικά σε μόρια ATP. Υπάρχουν δύο πιθανές μέθοδοι εξαγωγής ηλεκτρονίων από το ένζυμο στην άνοδο σε μια κυψέλη βιοκαυσίμου.
Στη μέθοδο Direct Electron Transfer (DET), το ένζυμο πρέπει να συνδεθεί στην άνοδο. Αυτό μπορεί να γίνει χημικά ή με άλλες μεθόδους, όπως η κατασκευή της ανόδου από ένα πλέγμα νανοσωλήνων άνθρακα πάνω στο οποίο προσροφάται το ένζυμο. Αυτές οι μέθοδοι έχουν ως αποτέλεσμα μειωμένη δραστηριότητα στο ένζυμο και συνακόλουθη απώλεια αποτελεσματικότητας, αλλά αυτό είναι, τη στιγμή της συγγραφής, ένας τομέας συνεχιζόμενης έρευνας και μπορεί να αναπτυχθούν βελτιωμένες τεχνικές.
Η άλλη μέθοδος μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως διαμεσολαβημένη μεταφορά ηλεκτρονίων (MET). Αυτό δεν απαιτεί το ένζυμο να είναι σε επαφή με την άνοδο. Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια περνούν σε ένα άλλο μόριο με χαμηλότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής, το οποίο στη συνέχεια δίνει τα ηλεκτρόνια στην άνοδο. Αυτή η ένωση, γνωστή ως μεσολαβητής, πρέπει επίσης να έχει υψηλότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής από την άνοδο. Αυτό το επιπλέον βήμα συνεπάγεται απώλεια ενέργειας και έτσι η κυψέλη καυσίμου είναι στην πράξη λιγότερο αποδοτική από ό,τι θα μπορούσε να είναι θεωρητικά.
Οι κυψέλες βιοκαυσίμου αποτελούν περιοχή ενεργούς έρευνας και διερευνώνται διάφορες πιθανές λύσεις σε αυτά τα προβλήματα. Μεταξύ των δυνατοτήτων είναι η χρήση βακτηρίων σε μικροβιακές κυψέλες καυσίμου. Τα βακτήρια που μειώνουν το σίδηρο που ζουν σε αναερόβιες συνθήκες υπόσχονται ιδιαίτερα καθώς μειώνουν φυσικά τον σίδηρο στην κατάσταση οξείδωσης +3 στην κατάσταση οξείδωσης +2. Ο σίδηρος μπορεί στη συνέχεια να δώσει ένα ηλεκτρόνιο στην άνοδο, επιστρέφοντας στην κατάστασή του +3 και ενεργώντας ως φυσικό μόριο μεσολαβητή μεταφέροντας ηλεκτρόνια από τα βακτήρια στην άνοδο.
Τα κύρια πλεονεκτήματα των κυψελών βιοκαυσίμου είναι ότι δεν ρυπαίνουν, δεν απαιτούν ακριβούς καταλύτες και χρησιμοποιούν κοινές, φθηνές και εύκολα ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Τα κύρια μειονεκτήματα των κυψελών βιοκαυσίμου είναι η αναποτελεσματικότητά τους και η χαμηλή απόδοση ισχύος. Από το 2011, ωστόσο, υπάρχουν ελπίδες ότι αυτά τα προβλήματα μπορούν να ξεπεραστούν, ανοίγοντας ένα νέο φάσμα δυνατοτήτων. Αυτά περιλαμβάνουν όχι μόνο τη φθηνή, καθαρή και ανανεώσιμη ενέργεια, αλλά και την προοπτική εμφυτευμένων κυττάρων βιοκαυσίμου, που λειτουργούν με ουσίες που παράγονται από το σώμα, που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ιατρικών συσκευών όπως οι βηματοδότες.