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微生物燃料电池生物阳极构造和产电性能研究

作　者: 叶遥立
导　师: 成少安
学　校: 浙江大学
专　业: 热能工程
关键词: 阳极生物膜 阳极界面双电层电容 溶解氧 阳极电阻计算
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


本文从阳极电阻、阳极材料电容和电池放电电压曲线三方面研究了微生物燃料电池生物阳极结构和产电性能性能。本文应用MATLAB数值模拟研究了大型化微生物燃料电池阳极电流导出形式对电池产电功率的影响,并通过实验结果验证计算结果的准确性。实验结果表明：不当的连接方式会造成21.7%的产电性能下降,结合计算和实验的结果推断在微生物燃料电池大型化的过程中,不当的连接造成的功率损失占阳极总功率损失的47.1%。本文还提出两种降低电阻造成产电功率损失的途径：(1)采用金属网作为集电体；(2)采用合理的高效的电流导出形式。通过改变阳极材料界面双电层电容研究了阳极材料电容对生物膜生长的影响。实验结果表明：增大阳极表面的双电层电容可显著提高电池的产电性能。用35目不锈钢网载超级电容器活性炭电极作为阳极的微生物燃料电池的功率密度最高可以达到585mWm-2。而载200nm粒径纳米活性炭作为阳极的电池功率密度只有31mWm-2。电池功率随着双电层电容的增大而增加,而与电极表面积相关度低。扫描电子显微镜的结果表明,阳极材料电容的增大使得阳极表面附着的微生物膜厚度、覆盖度增加,生物量的增加可能是功率密度随双电层电容增大而增加的原因。载超级电容器活性炭的电极的平均生物膜厚度为259urn,是在纳米活性碳电极生物膜厚度的203.1%。以补料式单室空气阴极微生物燃料电池首次研究了更换溶液之后电池电压的恢复过程和影响因素。研究发现,更换溶液后,以碳纤维材料为阳极的微生物燃料电池的放电电压曲线上出现两个电压平台(对应阳极电位分别为-250~-290mV和-390±10mV)。电压平台的现象主要和阳极有关,与阴极无关。碳刷阳极的电池第一个电压平台持续时间比碳纤维布阳极长。第一个电压平台受阳极表面特性的影响,其形成的原因可能是微生物燃料电池部分电流对阳极的双电层电容充电的过程；第二个电压平台与溶解氧有关,溶解氧增加会导致第二个电压平台的持续时间增加,并使得阳极性能变差。第二个电压平台的形成可能是阳极附近溶液从厌氧环境到微氧环境的变化造成的。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
图目录  11-12
表目录  12-13
第1章 绪论  13-26
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 微生物燃料电池简介  14-24
    1.2.1 微生物燃料电池原理  14-16
    1.2.2 微生物燃料电池结构  16-19
    1.2.3 微生物燃料电池阴极  19
    1.2.4 微生物燃料电池阳极  19-22
    1.2.5 大型化微生物燃料电池研究现状  22-23
    1.2.6 微生物燃料电池研究现状  23-24
  1.3 本文的研究内容  24-26
第2章 实验设备及测试方法  26-31
  2.1 电极制备及反应器的组装  26-27
    2.1.1 阳极的制备  26
    2.1.2 阴极的制备  26-27
    2.1.3 反应器的组装和准备  27
  2.2 微生物燃料电池运行  27-28
  2.3 分析方法  28-31
    2.3.1 微生物燃料电池性能测试  28
    2.3.2 电化学测试方法  28-30
    2.3.3 其他测试方法  30-31
第3章 阳极电阻对大型微生物燃料电池功率影响  31-43
  3.1 功率损失计算方法  31-32
  3.2 计算和实验结果  32-38
    3.2.1 不同尺寸阳极电阻和功率损失的计算  32-33
    3.2.2 不同导出形式功率损失的计算及实际运行实验  33-38
  3.3 对大型微生物燃料电池阳极导出形式的建议  38-41
    3.3.1 通过改变阳极材料减少功率损失  38-39
    3.3.2 通过改变阳极导出形式减少功率损失  39-41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 界面双电层电容对阳极性能和生物膜影响  43-54
  4.1 界面双电层电容测试  43-45
  4.2 双电层电容对微生物燃料电池性能的影响  45-52
    4.2.1 电容对微生物燃料电池启动影响  45-46
    4.2.2 电极双电层电容对微生物燃料电池产电性能影响  46-49
    4.2.3 双电层电容对阳极生物膜的影响  49-52
  4.3 本章小结  52-54
第5章 微生物燃料电池阳极暂态性能测试  54-66
  5.1 电压恢复曲线  54-57
    5.1.1 电压恢复曲线  54-56
    5.1.2 电压恢复过程中阴阳极电位变化  56-57
  5.2 电化学阻抗谱测试  57-60
  5.3 第一个电压平台  60-61
  5.4 第二个电压平台  61-64
    5.4.1 第二个电压平台的影响因素  61-63
    5.4.2 第二个电压平台形成原因  63-64
  5.5 本章小结  64-66
第6章 总结及展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-72
作者简介及在学期间所取得的科研成果  72-73

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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