微生物燃料電池(MFC)是一種生物電化學燃料電池系統，它通過將陽極上的還原化合物（也稱為燃料或電子供體）的微生物氧化產生的電子轉移到氧化化合物如氧氣（也稱為作為氧化劑或電子受體）通過外部電路在陰極上。MFC可以分為兩大類：介導的和非介導的。xxx個MFC在20世紀初得到證明，它使用了一種介質：一種將電子從細胞中的細菌轉移到陽極的化學物質。1970年代出現了無中介的MFC；在這種類型的MFC中，細菌通常在其外膜上具有電化學活性的氧化還原蛋白，例如可以將電子直接轉移到陽極的細胞色素。在21世紀，MFC已開始在廢水處理中找到商業用途。

使用微生物發電的想法是在20世紀初構思的。邁克爾·克雷塞·波特于1911年發起了這一課題。波特設法從釀酒酵母中發電，但這項工作很少得到報道。1931年，BarnettCohen創造了微生物半燃料電池，當串聯連接時，能夠產生超過35伏的電壓，電流僅為2毫安。DelDuca等人的一項研究。使用丁酸梭菌發酵葡萄糖產生的氫氣作為氫氣和空氣燃料電池陽極的反應物。盡管該電池起作用，但由于微生物產生氫氣的不穩定性質，它并不可靠。鈴木等人解決了這個問題。1976年，他在一年后制作了成功的MFC設計。在1970年代后期，人們對微生物燃料電池的功能知之甚少。這一概念由RobinM.Allen和后來的H.PeterBennetto研究。人們將燃料電池視為發展中國家發電的一種可能方法。Bennetto的工作始于1980年代初期，幫助建立了對燃料電池如何運作的理解，他被許多人視為該主題的首要權威。2007年5月，澳大利亞昆士蘭大學與Foster'sBrewing合作完成了MFC原型。該原型為10L設計，可將啤酒廠廢水轉化為二氧化碳、清潔水和電力。該小組計劃為即將舉行的國際生物能源會議創建一個試點模型。

微生物燃料電池（MFC）是一種通過微生物的作用將化學能轉化為電能的裝置。這些電化學電池使用生物陽極和/或生物陰極構建。大多數MFC包含一個膜來分隔陽極（發生氧化的地方）和陰極（發生還原的地方）的隔室。氧化過程中產生的電子直接轉移到電極或氧化還原介體物質。電子通量被移動到陰極。系統的電荷平衡通過細胞內的離子運動來維持，通常穿過離子膜。大多數MFC使用有機電子供體，該電子供體被氧化產生CO2、質子和電子。已經報道了其他電子供體，例如硫化合物或氫。陰極反應使用多種電子受體，最常見的是氧氣(O2)。研究的其他電子受體包括通過還原回收金屬、水制氫、硝酸鹽還原和硫酸鹽還原。

MFC對于只需要低功率但更換電池可能不切實際的發電應用很有吸引力，例如無線傳感器網絡。然后，由微生物燃料電池供電的無線傳感器可以用于遠程監控（保護）。幾乎任何有機材料都可用于為燃料電池供電，包括將電池耦合到廢水處理廠。化學工藝廢水和合成廢水已被用于在雙室和單室無介質MFC（無涂層石墨電極）中產生生物電。使用生物膜覆蓋的石墨陽極觀察到更高的功率產生。燃料電池排放遠低于監管限制。MFC比標準內燃機更有效地轉換能量，后者受到卡諾效率的限制。理論上，MFC的能效遠超50%。Rozendal生產氫氣的能量輸入比傳統氫氣生產技術少8倍。此外，MFC還可以在較小的規模上工作。在某些情況下，電極只需7μm厚x2cm長，這樣MFC就可以代替電池。它提供可再生能源形式，無需充電。MFC在20°C至40°C和pH值約為7的溫和條件下運行良好，但缺乏長期醫療應用（例如起搏器）所需的穩定性。發電站可以基于藻類等水生植物。如果位于現有電力系統附近，則MFC系統可以共享其電力線。

基于土壤的微生物燃料電池可用作教育工具，因為它們包含多個科學學科（微生物學、地球化學、電氣工程等），并且可以使用常用材料（例如土壤和冰箱中的物品）制成。提供用于家庭科學項目和教室的工具包。課堂上使用微生物燃料電池的一個例子是托馬斯杰斐遜科學技術高中的IBET（綜合生物學、英語和技術）課程。國際微生物電化學與技術學會(ISMETSociety)也提供了一些教育視頻和文章。

微生物燃料電池產生的電流與用作燃料的廢水中的有機物含量成正比。MFC可以測量廢水的溶質濃度（即作為生物傳感器）。通常評估廢水的生化需氧量(BOD)值。BOD值是通過將樣品與適當的微生物來源（通常是從污水處理廠收集的活性污泥）一起培養5天來確定的。MFC型BOD傳感器可以提供實時BOD值。氧氣和硝酸鹽會干擾陽極上的首選電子受體，從而減少MFC產生的電流。因此，MFCBOD傳感器在這些電子受體存在的情況下會低估BOD值。這可以通過使用末端氧化酶抑制劑（如氰化物和疊氮化物）抑制MFC中的需氧和硝酸鹽呼吸來避免。這種BOD傳感器是市售的。美國海軍正在考慮將微生物燃料電池用于環境傳感器。使用微生物燃料電池為環境傳感器供電可以提供更長時間的電力，并能夠在沒有有線基礎設施的情況下收集和檢索海底數據。這些燃料電池產生的能量足以在初始啟動時間后維持傳感器。由于海底條件（鹽濃度高、溫度波動和營養供應有限），海軍可能會部署含有耐鹽微生物混合物的MFC，以便更充分地利用可用的營養。Shewanellaoneidensis是他們的主要候選者，但也可能包括其他耐熱和耐冷的Shewanellaspp。xxx個自供電和自主的BOD/COD生物傳感器已經開發出來，可以檢測淡水中的有機污染物。該傳感器僅依靠MFC產生的電力，無需維護即可連續運行。它會打開警報以告知污染程度：信號頻率增加警告污染程度較高，而頻率較低則告知污染程度較低。

2010年，A.terHeijne等人。構建了一種能夠發電并將Cu2+離子還原為銅金屬的裝置。微生物電解池已被證明可以產生氫氣。

MFC用于水處理以利用厭氧消化來收集能量。該過程還可以減少病原體。然而，它需要超過30攝氏度的溫度，并且需要額外的步驟才能將沼氣轉化為電能。螺旋墊片可用于通過在MFC中產生螺旋流來增加發電量。由于較大表面積的功率輸出挑戰，因此縮放MFC是一項挑戰。

大多數微生物細胞在電化學上是不活躍的。亞硫氨酸、甲基紫精、甲基藍、腐植酸和中性紅等介質促進了電子從微生物細胞到電極的轉移。大多數可用的介質既昂貴又有毒。

無介質微生物燃料電池使用電化學活性細菌，例如腐爛希瓦氏菌和嗜水氣單胞菌，將電子直接從細菌呼吸酶轉移到電極。一些細菌能夠通過其外膜上的菌毛轉移其電子產生。無介體MFC的特征不太好，例如系統中使用的細菌菌株、離子交換膜的類型和系統條件（溫度、pH等）無介質微生物燃料電池可以在廢水中運行，并直接從某些植物和氧氣中獲取能量。這種配置被稱為植物微生物燃料電池。可能的植物包括蘆葦、紫羅蘭、水稻、西紅柿、羽扇豆和藻類。鑒于電力是使用活植物獲得的（就地能源生產），這種變體可以提供生態優勢。

無介質MFC的一種變體是微生物電解槽(MEC)。MFCs通過水中有機化合物的細菌分解產生電流，而MECs通過向細菌施加電壓來部分逆轉產生氫氣或甲烷的過程。這補充了由有機物的微生物分解產生的電壓，導致水的電解或甲烷的產生。在微生物電合成中發現了MFC原理的完全逆轉，其中細菌使用外部電流還原二氧化碳以形成多碳有機化合物。

基于土壤的微生物燃料電池遵循基本的MFC原理，其中土壤充當營養豐富的陽極介質、接種物和質子交換膜(PEM)。陽極放置在土壤中的特定深度，而陰極則位于土壤頂部并暴露在空氣中。土壤天然富含多種微生物，包括MFC所需的產電細菌，并且富含復雜的糖類和其他從植物和動物材料腐爛中積累的營養物質。此外，土壤中的好氧（耗氧）微生物充當氧氣過濾器，與實驗室MFC系統中使用的昂貴PEM材料非常相似，這會導致土壤的氧化還原電位隨著深度的增加而降低。基于土壤的MFC正在成為科學課堂的流行教育工具。沉積物微生物燃料電池(SMFC)已應用于廢水處理。簡單的SMFC可以在凈化廢水的同時產生能量。大多數此類SMFC包含模仿人工濕地的植物。到2015年，SMFC測試已超過150L。2015年，研究人員宣布了一種SMFC應用程序，該應用程序可以提取能量并為電池充電。鹽在水中解離成帶正電和帶負電的離子，移動并附著在各自的負電極和正電極上，為電池充電并可以去除鹽，從而實現微生物電容式脫鹽。微生物產生的能量超過了脫鹽過程所需的能量。2020年，一個歐洲研究項目實現了將海水處理成淡水供人類消費，能耗約為0.5kWh/m3，這意味著在最先進的海水淡化技術方面，當前能耗降低了85%。此外，獲得能量的生物過程同時凈化殘留水，將其排放到環境中或在農業/工業用途中再利用。這已在Aqualia于2020年初在西班牙德尼亞開設的海水淡化創新中心實現。

光養生物膜MFC(ner)使用光養生物膜陽極，其中含有光合微生物，如綠藻門和candyanophyta。它們進行光合作用，從而產生有機代謝物并提供電子。一項研究發現，PBMFC顯示出足以滿足實際應用的功率密度。在陽極使用純氧光合材料的光養MFC子類別有時稱為生物光伏系統。

美國海軍研究實驗室開發了納米多孔膜微生物燃料電池，該電池使用非PEM在電池內產生被動擴散。該膜是無孔聚合物過濾器（尼龍、纖維素或聚碳酸酯）。它提供與Nafion（一種著名的PEM）相當的功率密度，并具有更高的耐用性。多孔膜允許被動擴散，從而減少提供給MFC的必要功率，以保持PEM活躍并增加總能量輸出。不使用膜的MFC可以在需氧環境中部署厭氧細菌。然而，無膜MFC會受到原生細菌和供電微生物的陰極污染。納米多孔膜的新型被動擴散可以實現無膜MFC的好處，而無需擔心陰極污染。納米多孔膜也比Nafion便宜11倍（Nafion-117，$0.22/cm2與聚碳酸酯，<$0.02/cm2）。

PEM膜可以用陶瓷材料代替。陶瓷膜的成本可低至5.66美元/平方米。陶瓷膜的大孔結構允許離子物質的良好傳輸。已成功用于陶瓷MFC的材料有陶器、氧化鋁、莫來石、葉蠟石和赤陶。

當微生物在有氧條件下消耗糖等物質時，它們會產生二氧化碳和水。

微生物燃料電池使用無機介質進入細胞的電子傳輸鏈并引導產生的電子。介質穿過外細胞脂質膜和細菌外膜；然后，它開始從電子傳輸鏈中釋放電子，這些電子通常會被氧氣或其他中間體吸收。現在被還原的介體帶著電子離開細胞，然后轉移到電極上；該電極成為陽極。電子的釋放將介質循環到其原始氧化狀態，準備重復該過程。這只能在厭氧條件下發生；如果存在氧氣，它會收集電子，因為它有更多的自由能可以釋放。在MFC操作中，陽極是陽極室中細菌識別的末端電子受體。因此，微生物活性強烈依賴于陽極的氧化還原電位。在陽極電位和醋酸鹽驅動的MFC的功率輸出之間獲得了Michaelis-Menten曲線。臨界陽極電位似乎提供xxx功率輸出。潛在的介質包括天然紅、亞甲藍、硫氨酸和試鹵靈。能夠產生電流的生物被稱為外電原。為了將這種電流轉化為可用的電能，必須在燃料電池中容納放電原。介質和微生物如酵母在溶液中混合在一起，溶液中加入了底物如葡萄糖。這種混合物被放置在一個密封的室內，以防止氧氣進入，從而迫使微生物進行無氧呼吸。將電極置于溶液中作為陽極。在MFC的第二個腔室中是另一種溶液和帶正電的陰極。它相當于電子傳輸鏈末端的氧匯，位于生物細胞外部。該溶液是一種氧化劑，可在陰極吸收電子。與酵母細胞中的電子鏈一樣，它可以是多種分子，例如氧氣，盡管更方便的選擇是固體氧化劑，它需要的體積更小。連接兩個電極的是一根導線（或其他導電路徑）。完成電路并連接兩個腔室的是鹽橋或離子交換膜。最后一個特征允許產生質子，如方程式中所述。1、從陽極室到陰極室。還原的介體將電子從細胞帶到電極。在這里，介質在沉積電子時被氧化。然后它們通過導線流向第二個電極，該電極充當電子接收器。它們從這里傳遞到氧化材料。此外，氫離子/質子通過質子交換膜（例如Nafion）從陽極移動到陰極。它們將移動到較低的濃度梯度并與氧氣結合，但要做到這一點，它們需要一個電子。這會產生電流，并且氫氣用于維持濃度梯度。已觀察到藻類生物質在用作微生物燃料電池的基質時會產生高能量。