เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุชีวภาพเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์ ตรงกันข้ามกับการใช้เชื้อเพลิงชีวภาพแบบดั้งเดิมเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจากความร้อนจากการเผาไหม้ของวัสดุ หลักการที่อยู่เบื้องหลังเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือการเลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติต่าง ๆ ที่ใช้ในการผลิตพลังงานภายในสิ่งมีชีวิต ในบางกรณีแบคทีเรียอาจมีบทบาทในเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ ในปี 2011 เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแสดงศักยภาพเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกและในการใช้งานด้านการแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพ
สิ่งมีชีวิตได้รับพลังงานจากการออกซิเดชั่นของคาร์โบไฮเดรตซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชและกินเป็นอาหารโดยสัตว์ เอนไซม์ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาซึ่งคาร์โบไฮเดรตจะถูกเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำโดยการกำจัดอิเลคตรอนซึ่งจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุล adenosine triphosphate (ATP) ในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพอิเล็กตรอนที่ผลิตโดยการออกซิเดชั่นของโมเลกุลอินทรีย์ - มักจะเป็นคาร์โบไฮเดรตเช่นเดียวกับในสิ่งมีชีวิต - ถูกใช้เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า แนวคิดของการใช้กระบวนการทางชีวภาพเหล่านี้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้ามีมาตั้งแต่ทศวรรษ 1960 แต่ความพยายามเริ่มแรกในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ใช้งานได้จริงนั้นมีปัญหา
โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพจะประกอบด้วยภาชนะแบ่งออกเป็นสองส่วนโดยสิ่งกีดขวางที่สามารถซึมผ่านได้ ในส่วนหนึ่งออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรต - ตัวอย่างเช่นกลูโคส - ให้อิเล็กตรอน ในส่วนอื่น ๆ จะเกิดปฏิกิริยาการลดซึ่งใช้อิเล็กตรอนเหล่านี้ โดยการเชื่อมต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองสามารถทำกระแสไฟฟ้าจากขั้วไฟฟ้าในส่วนออกซิเดชั่น - ขั้วบวก - กับขั้วไฟฟ้าในส่วนลด - ขั้วลบ
หนึ่งในปัญหาเชิงปฏิบัติที่ใหญ่ที่สุดที่ขัดขวางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการรับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากคาร์โบไฮเดรตเข้าสู่ขั้วบวก อิเล็กตรอนจะถูกเก็บไว้ในเอนไซม์ออกซิไดซ์ในขั้นต้นและในกระบวนการทางธรรมชาติจะถูกถ่ายโอนทางเคมีไปยังโมเลกุล ATP มีวิธีที่เป็นไปได้สองวิธีในการสกัดอิเล็กตรอนจากเอนไซม์เข้าสู่ขั้วบวกในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ
ในวิธีการโอนอิเล็กตรอนโดยตรง (DET) เอนไซม์จะต้องถูกผูกเข้ากับขั้วบวก ซึ่งสามารถทำได้ทางเคมีหรือโดยวิธีอื่น ๆ เช่นการสร้างขั้วบวกจากตาข่ายของท่อนาโนคาร์บอนซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ถูกดูดซับ วิธีการเหล่านี้ส่งผลให้กิจกรรมที่ลดลงในเอนไซม์และการสูญเสียประสิทธิภาพที่เป็นผล แต่ในเวลานี้การเขียนอาจจะพัฒนาพื้นที่ของการวิจัยอย่างต่อเนื่องและเทคนิคที่ได้รับการปรับปรุง
วิธีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอีกวิธีหนึ่งเรียกว่า Mediated Electron Transfer (MET) สิ่งนี้ไม่ต้องการให้เอนไซม์สัมผัสกับขั้วบวก แทนอิเล็กตรอนจะถูกส่งผ่านไปยังโมเลกุลอื่นที่มีศักยภาพรีดอกซ์ต่ำกว่าซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนไปยังขั้วบวก สารประกอบนี้เรียกว่าตัวกลางไกล่เกลี่ยต้องมีศักยภาพรีดอกซ์สูงกว่าแอโนด ขั้นตอนพิเศษนี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงานดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในทางทฤษฎี
เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยเชิงรุกและกำลังแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ความเป็นไปได้คือการใช้แบคทีเรียในเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ แบคทีเรียรีดิวซ์เหล็กที่อาศัยอยู่ในสภาวะไร้ออกซิเจนแสดงให้เห็นถึงสัญญาที่เฉพาะเจาะจงเนื่องจากพวกเขาลดธาตุเหล็กลงในสถานะออกซิเดชัน +3 ให้อยู่ในสถานะ +2 ออกซิเดชัน จากนั้นธาตุเหล็กสามารถปล่อยอิเล็กตรอนที่ขั้วบวกกลับสู่สถานะ +3 และทำหน้าที่เป็นโมเลกุลของสารตัวกลางตามธรรมชาติโดยถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแบคทีเรียไปยังขั้วบวก
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือไม่ก่อให้เกิดมลพิษไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาแพงและใช้วัตถุดิบธรรมดาราคาไม่แพงและทดแทนได้ง่าย ข้อเสียเปรียบหลักของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือความไร้ประสิทธิภาพและกำลังงานต่ำ อย่างไรก็ตามในปี 2011 มีความหวังว่าปัญหาเหล่านี้จะสามารถเอาชนะได้ซึ่งเป็นการเปิดโอกาสใหม่ ๆ สิ่งเหล่านี้รวมถึงพลังงานสะอาดราคาถูกและพลังงานหมุนเวียน แต่ยังรวมถึงโอกาสในการปลูกฝังเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ใช้กับสารที่ร่างกายผลิตขึ้นเพื่อนำไปใช้กับอุปกรณ์ทางการแพทย์เช่นเครื่องกระตุ้นหัวใจ
