微生物燃料電池堆反極及微生物陽極響應(yīng)特性研究.pdf

1、由于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，造成有機(jī)污水的過度排放，導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。同時，在傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭背景下，有機(jī)污水的處理需消耗巨大能量，使得能源問題日趨嚴(yán)重。因此，尋找清潔新能源和發(fā)展高效污水處理技術(shù)具有重要意義。微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種新型綠色的生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，它利用陽極表面的產(chǎn)電細(xì)菌將廢水中有機(jī)物蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，同時達(dá)到降解廢水的目的。由于其兼顧污水處理和產(chǎn)生電能兩大功能，不

2、僅能有效控制環(huán)境污染問題，還有利于緩解當(dāng)前能源危機(jī)，因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　目前，MFC單電池的正常輸出電壓僅為0.5V左右，尚不能直接用于在處理實(shí)際污水的同時驅(qū)動常見用電裝置。為了增強(qiáng)電池輸出性能，研究者們通過MFC的串/并聯(lián)來提高其電壓/電流的輸出。然而，串/并聯(lián)MFC電堆常伴有反極現(xiàn)象的發(fā)生，限制了其輸出性能。因此，本文首先構(gòu)建了串聯(lián)MFC電堆，研究了其反極現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。研究中發(fā)現(xiàn)電堆中性能較差的MFC單電池容易

3、在放電過程中發(fā)生反極現(xiàn)象。針對以上問題，本文一方面提出新型的三維多孔陽極，強(qiáng)化陽極性能；另一方面，提出了通過將傳統(tǒng)的恒定外阻馴化模式改為變電阻馴化模式（電阻由大變小）以提高單電池陽極性能，從而達(dá)到強(qiáng)化單電池性能進(jìn)而強(qiáng)化電堆的產(chǎn)電性能的目的。本文主要研究成果如下：
　?。?）構(gòu)建了以不同外電阻啟動的 MFC串聯(lián)電池堆，研究了性能較弱的電池對電堆性能的影響及其發(fā)生的反極原因。研究結(jié)果表明，以較小的外電阻啟動，MFC輸出功率較高。當(dāng)串聯(lián)

4、不同外電阻啟動的MFC電池堆放電時，輸出電流最小的單電池(MFC-I)決定了電池堆的電流輸出能力。當(dāng)電堆放電電流超過性能最差單電池極限電流時，此電池發(fā)生反極且陽極電位會急劇上升至+1.2V（vs.SHE）。因此，電堆中性能較差的單電池陽極電位在較大電流時急劇增加是引起電堆發(fā)生反極的原因。此時，由于此電池陽極電位急劇增加，導(dǎo)致陽極發(fā)生碳腐蝕反應(yīng)，使其從產(chǎn)能元件轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪茉?，從而?dǎo)致了電堆輸出性能大幅降低。
　?。?）構(gòu)建了一種基于

5、海綿狀三維陽極的MFC以提升其產(chǎn)電性能。實(shí)驗中以恒電位模式啟動了包括碳布和三維電極（sponge-1、sponge-2）為陽極的半電池系統(tǒng)，對比了不同電極表面生物膜的形貌及其電化學(xué)特性。研究結(jié)果表明，相比碳布電極，三維電極（sponge-1、sponge-2）陽極具有更短的啟動時間和更高的電流密度。由于海綿狀三維陽極具有優(yōu)良的立體開放孔結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)電細(xì)菌附著的表面積，同時也強(qiáng)化了物質(zhì)的傳輸使得電極具有更多的電催化活性位點(diǎn)，導(dǎo)致了其產(chǎn)電

6、性能的大幅增加。
　?。?）提出了變電阻培養(yǎng)單電池提升其組成串聯(lián)電堆的性能。研究中，首先通過啟動以50Ω為外電阻的單電池。啟動成功后對單電池進(jìn)行了50Ω?25Ω?10Ω的變電阻培養(yǎng)。通過考察變電阻過程中單電池的性能變化特性以及以變電阻培養(yǎng)前后為單電池的電堆性能變化，本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)外電阻從50Ω降低至10Ω后，電池陽極生物膜的傳荷內(nèi)阻降低，電化學(xué)活性增強(qiáng)，并且其結(jié)構(gòu)更有利于物質(zhì)傳輸。上述改進(jìn)使得單電池的最大極限電流大幅提升，功率回縮的p