高水壓下空氣陰極單室微生物燃料電池產(chǎn)電性能的研究.pdf

1、隨著人類社會的發(fā)展，全球性的能源匱乏和環(huán)境污染問題不斷加劇，可持續(xù)、無污染的新能源研究逐漸被重視。微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)利用微生物催化降解廢水中可降解的有機物，在處理廢水的同時產(chǎn)生電能，是一項新型的廢水處理和電源技術(shù)，對解決能源危機和環(huán)境污染具有重要意義。但目前MFC還存在造價昂貴、擴大化后產(chǎn)電功率密度低等問題，規(guī)?；瘧?yīng)用進展緩慢。
　　針對擴大化MFC性能下降問題，本文以被認(rèn)為最具有實用

2、化潛質(zhì)的單室空氣陰極電池為研究對象，首先研究了MFC的容積從28mL(mL-MFC)擴大到4.5L(L-MFC)對電池產(chǎn)電性能的影響，并考察了L-MFC串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。研究發(fā)現(xiàn):mL-MFC的最大功率密度為30Wm-3（1200mWm-2），L-MFC的最大功率密度為7.3Wm-3(435mWm-2)，擴大化后活性炭空氣陰極性能下降是導(dǎo)致L-MFC功率降低的主要原因。電化學(xué)交流阻抗(EIS)分析表明:L-MFC陰極性能下降的主

3、要原因是水壓增加導(dǎo)致陰極擴散電阻增大。串聯(lián)或并聯(lián)方式組合L-MFC，可明顯提高電池的輸出電壓或電流，但串并聯(lián)組合后電池的功率密度有所下降，主要由電池連接時的接觸電阻引起。
　　鑒于MFC尺寸擴大后，水壓增加易發(fā)生空氣陰極漏水和析鹽，從而降低空氣陰極的性能，本文通過研究水壓對MFC產(chǎn)電性能的影響，研發(fā)出高性能的新型耐水壓空氣陰極。研究發(fā)現(xiàn):在100mmH2O水壓下，MFC的最大功率密度為1260±24mWm-2，當(dāng)水壓增加到500m

4、mH2O和2000mmH2O，產(chǎn)電功率分別降低了22.4％和44.7％。值得注意的是，陰極和陽極性能均隨著水壓的增加而下降。EIS的結(jié)果表明:高水壓導(dǎo)致陰極催化劑淹沒，陰極的電子傳遞電阻和擴散電阻明顯增加。利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和變性梯度凝膠電泳相結(jié)合的方法(PCR-DGGE)對不同水MFC陽極微生物進行種群分析，結(jié)果顯示:不同水壓下陽極微生物生物群落的相似性均大于90％，且各MFC中優(yōu)勢產(chǎn)電菌種均為Geobactersp.。通過交換在10

5、0mmH2O和2000mmH2O兩種MFC的陽極，研究發(fā)現(xiàn):陽極的產(chǎn)電性能與水壓有很好的契合度，即陽極性能改變只與水壓有關(guān)，而與陽極本身無關(guān)。由此可見:高水壓沒有改變陽極微生物的群落結(jié)構(gòu)，只是暫時抑制了產(chǎn)電菌的新陳代謝。
　　本文研制了以浸滿PTFE的隔膜材料為擴散層的新型空氣陰極，提高了空氣陰極的耐水壓性能，新型陰極耐受水壓達到2000mmH2O。同時將陰極擴散層的炭基層改為催化層涂層，使發(fā)生氧氣還原反應(yīng)界面的縱向深度增加，減輕