高水压下空气阴极单室微生物燃料电池产电性能的研究
随着人类社会的发展，全球性的能源匮乏和环境污染问题不断加剧，可持续、无污染的新能源研究逐渐被重视。微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)利用微生物催化降解废水中可降解的有机物，在处理废水的同时产生电能，是一项新型的废水处理和电源技术，对解决能源危机和环境污染具有重要意义。但目前MFC还存在造价昂贵、扩大化后产电功率密度低等问题，规模化应用进展缓慢。 针对扩大化MFC性能下降问题，本文以被认为最具有实用化潜质的单室空气阴极电池为研究对象，首先研究了MFC的容积从28mL(mL-MFC)扩大到4.5L(L-MFC)对电池产电性能的影响，并考察了L-MFC串联和并联系统的产电性能。研究发现:mL-MFC的最大功率密度为30Wm-3（1200mWm-2），L-MFC的最大功率密度为7.3Wm-3(435mWm-2)，扩大化后活性炭空气阴极性能下降是导致L-MFC功率降低的主要原因。电化学交流阻抗(EIS)分析表明:L-MFC阴极性能下降的主要原因是水压增加导致阴极扩散电阻增大。串联或并联方式组合L-MFC，可明显提高电池的输出电压或电流，但串并联组合后电池的功率密度有所下降，主要由电池连接时的接触电阻引起。 鉴于MFC尺寸扩大后，水压增加易发生空气阴极漏水和析盐，从而降低空气阴极的性能，本文通过研究水压对MFC产电性能的影响，研发出高性能的新型耐水压空气阴极。研究发现:在100mmH2O水压下，MFC的最大功率密度为1260±24mWm-2，当水压增加到500mmH2O和2000mmH2O，产电功率分别降低了22.4％和44.7％。值得注意的是，阴极和阳极性能均随着水压的增加而下降。EIS的结果表明:高水压导致阴极催化剂淹没，阴极的电子传递电阻和扩散电阻明显增加。利用聚合酶链式反应和变性梯度凝胶电泳相结合的方法(PCR-DGGE)对不同水MFC阳极微生物进行种群分析，结果显示:不同水压下阳极微生物生物群落的相似性均大于90％，且各MFC中优势产电菌种均为Geobactersp.。通过交换在100mmH2O和2000mmH2O两种MFC的阳极，研究发现:阳极的产电性能与水压有很好的契合度，即阳极性能改变只与水压有关，而与阳极本身无关。由此可见:高水压没有改变阳极微生物的群落结构，只是暂时抑制了产电菌的新陈代谢。 本文研制了以浸满PTFE的隔膜材料为扩散层的新型空气阴极，提高了空气阴极的耐水压性能，新型阴极耐受水压达到2000mmH2O。同时将阴极扩散层的炭基层改为催化层涂层，使发生氧气还原反应界面的纵向深度增加，减轻了高水压下催化层淹没。
微生物燃料电池;空气阴极;催化层淹没;高水压;生物群落结构;产电性能
浙江大学
硕士
热能工程
成少安
2014
中文
TM911.45;TM910.2
70
2014-07-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）