Biogorivna ćelija je uređaj koji koristi biološke materijale za generiranje električne energije na izravan način putem redoks reakcija. To je u suprotnosti s konvencionalnom upotrebom biogoriva za proizvodnju električne energije iz topline dobivene izgaranjem materijala. Princip tehnologije biogorivih stanica je oponašanje različitih prirodnih procesa koji se koriste za proizvodnju energije unutar živih organizama. U nekim slučajevima, bakterije mogu igrati ulogu u tim gorivnim ćelijama. Od 2011. godine biogorivne ćelije pokazuju potencijal kao alternativni izvor energije iu raznim medicinskim i bioinženjerskim primjenama.
Živi organizmi dobivaju energiju oksidacijom ugljikohidrata, koji nastaju fotosintezom u biljkama, a životinje unose kao hranu. Enzimi olakšavaju reakcije u kojima se ugljikohidrati pretvaraju u ugljični dioksid i vodu uklanjanjem elektrona, koji se zatim pohranjuju u molekulama adenozin trifosfata (ATP). U ćeliji biogoriva, elektroni proizvedeni oksidacijom organskih molekula – obično ugljikohidrata, kao u živim organizmima – koriste se za stvaranje električne struje. Ideja korištenja ovih bioloških procesa za proizvodnju električne energije postoji još od 1960-ih, ali rani pokušaji izgradnje praktične, funkcionalne ćelije za biogorivo naišli su na poteškoće.
Ćelija za biogorivo obično se sastoji od spremnika podijeljenog na dva dijela propusnom pregradom. U jednom dijelu, oksidacija ugljikohidrata – na primjer, glukoze – daje elektrone. U drugom dijelu odvija se reakcija redukcije koja koristi ove elektrone. Spajanjem dviju elektroda može se napraviti struja od elektrode u oksidacijskom dijelu — anode — do elektrode u redukcijskom dijelu — katode.
Jedan od najvećih praktičnih problema koji ometa razvoj stanica biogoriva bio je pronalaženje učinkovitog načina dovođenja elektrona oslobođenih iz ugljikohidrata u anodu. Elektroni se u početku pohranjuju u oksidirajućem enzimu i bi se, u prirodnom procesu, kemijski prenijeli u molekule ATP-a. Postoje dvije moguće metode ekstrakcije elektrona iz enzima u anodu u ćeliji biogoriva.
U metodi izravnog prijenosa elektrona (DET), enzim treba biti vezan na anodu. To se može učiniti kemijskim putem ili drugim metodama, kao što je konstruiranje anode od mreže ugljikovih nanocijevi na koje se adsorbira enzim. Ove metode rezultiraju smanjenom aktivnošću enzima i posljedičnim gubitkom učinkovitosti, ali to je, u vrijeme pisanja, područje istraživanja u tijeku i može se razviti poboljšane tehnike.
Druga metoda prijenosa elektrona poznata je kao posredovani prijenos elektrona (MET). To ne zahtijeva da enzim bude u kontaktu s anodom; umjesto toga, elektroni se prenose na drugu molekulu s nižim redoks potencijalom, koja zatim predaje elektrone anodi. Ovaj spoj, poznat kao posrednik, također mora imati veći redoks potencijal od anode. Ovaj dodatni korak uključuje gubitak energije pa je gorivna ćelija u praksi manje učinkovita nego što bi mogla biti u teoriji.
Biogorivne ćelije su područje aktivnog istraživanja i istražuju se različita moguća rješenja ovih problema. Među mogućnostima je korištenje bakterija u mikrobnim gorivnim stanicama. Bakterije koje reduciraju željezo koje žive u anaerobnim uvjetima pokazuju posebno obećanje jer prirodno reduciraju željezo u njegovom +3 oksidacijskom stanju u njegovo +2 oksidacijsko stanje. Željezo tada može odustati od elektrona na anodi, vraćajući se u svoje stanje +3 i djelujući kao prirodna posrednička molekula prenoseći elektrone s bakterije na anodu.
Glavne prednosti biogorivih ćelija su da one ne zagađuju okoliš, ne zahtijevaju skupe katalizatore i koriste uobičajene, jeftine i lako obnovljive sirovine. Glavni nedostaci biogorivih ćelija su njihova neučinkovitost i mala izlazna snaga. Međutim, od 2011. postoje nade da se ti problemi mogu prevladati, otvarajući nove mogućnosti. To uključuje ne samo jeftinu, čistu i obnovljivu energiju, već i mogućnost implantiranih stanica biogoriva, koje rade na tvarima koje proizvodi tijelo, a koje se koriste za napajanje medicinskih uređaja kao što su elektrostimulatori srca.