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三维阳极微生物燃料电池的产电性能研究

作　者: 何亚婷
导　师: 唐玉兰
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 市政工程
关键词: 微生物燃料电池空气阴极三维阳极复合阳极
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

进入21世纪以来,能源开发和环境污染已经成为制约全球经济发展的两大关键性因素。微生物燃料电池作为一种融合污水处理和生物产电的新技术日益受到人们的广泛关注。从MFC的构成来看,阳极担负着微生物附着并传递电子的作用,是决定MFC产电能力的重要因素,因此对MFC阳极的研究具有十分重要的意义。试验证明,三维阳极和复合阳极均能够有效地改善电池的产电性能,但目前对三维阳极的研究仅限于比较了几种不同材料间的性能,而缺乏同种材料制成三维阳极时,电极形状不同对电池的影响；对复合阳极的研究不但少,且已报道的均存在制作方法特别复杂和造价很高的缺点。因此,本文从提高MFC的性能出发,针对三维阳极和复合阳极研究较少且不彻底的缺点,分别制作并测试三维阳极和复合阳极MFC的性能,完成的主要工作有以下几个方面。首先,使用铁作为阴极催化剂,制作含铁碳布空气阴极并构建MFC。测试铁含量对电池产电性能的影响,结果表明,电池产电性能随着铁含量的增加先提高后下降,当铁含量为0.7mg·cm-2时,MFC的产电性能最优,最大开路电压为593mV,表观内阻为89Ω,最大功率密度达到13W·m-3并且经循环伏安测试,电池放电容量几乎没有变化,连续运行30d,开路电压基本稳定在0.5～0.6V。然后,分别考察了不同厚度的碳毡、不同质量的不锈钢丝簇以及不同形状的活性炭颗粒分别作为三维阳极时铁碳布空气阴极MFC的产电性能。结果表明,三维阳极能够增大电池的功率密度,但三维阳极有一定的适用条件,即孔隙量和孔径均对电池的产电性能有影响。最后,选取碳毡材料制作自制涂层型三维复合阳极,以铁网为三维框架,将碳毡覆盖至其上,并使用碳粉和30%PTFE溶液的混合液作为涂料在阳极表面添加涂层。结果表明,自制涂层型三维阳极能有效地改善电池的产电性能；涂层的含量对电池产电性能有较大影响；当碳粉和PTFE的含量分别为750mg和10mL时,电池的产电性能最好,表观内阻为190Ω,最大功率密度为5189.4mW·m-3。本课题使用铁代替铂作为催化剂制作铁碳布空气阴极组装单室微生物燃料电池,使电池的造价大幅度降低,并且克服三维阳极研究不彻底的缺陷,系统深入地研究了阳极条件不同时对电池性能的影响,最后将三维阳极和复合阳极两种新型电极结合在一体,制作涂层型三维复合阳极。自制涂层型三维复合阳极具有价格低、性能高且制作方法简单的优点,并且同样可以运用在除微生物燃料电池外的其他燃料电池中,对提高电池性能,实现废水能源化具有十分重要的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-27
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 微生物燃料电池简介  15-18
    1.2.1 微生物燃料电池的原理  15-16
    1.2.2 空气阴极微生物燃料电池  16-17
    1.2.3 表征微生物燃料电池的电化学指标  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-23
    1.3.1 新型微生物燃料电池  19-21
    1.3.2 阳极材料改进  21
    1.3.3 三维阳极微生物燃料电池  21-22
    1.3.4 新型阴极催化剂  22-23
    1.3.5 存在的问题  23
  1.4 应用前景  23-24
  1.5 研究的目的、内容和创新之处  24-27
    1.5.1 研究的目的  24-25
    1.5.2 主要研究内容  25-26
    1.5.3 技术路线  26
    1.5.4 创新之处  26-27
第二章试验装置与方法  27-31
  2.1 试验装置  27-28
  2.2 试验仪器  28
  2.3 微生物驯化  28
  2.4 试验启动与运行  28-29
  2.5 测定和计算方法  29-31
    2.5.1 表观内阻  29
    2.5.2 电流密度  29
    2.5.3 最大功率密度  29-30
    2.5.4 库仑效率  30
    2.5.5 化学需氧量  30
    2.5.6 底物去除效率  30
    2.5.7 循环伏安曲线  30-31
第三章铁碳布空气阴极MFC的产电性能  31-45
  3.1 铁碳布空气阴极的制备  31-32
    3.1.1 扩散层制备  31-32
    3.1.2 催化层制备  32
    3.1.3 铁碳布空气阴极制备  32
  3.2 微生物接种与运行  32-33
  3.3 铁作为催化剂的催化原理  33-36
    3.3.1 试验装置  33
    3.3.2 结果与讨论  33-36
  3.4 铁含量对MFC产电性能的影响  36-40
    3.4.1 试验装置  36-37
    3.4.2 铁含量对启动期MFC开路电压的影响  37-38
    3.4.3 铁含量对铁碳布空气阴极MFC产电性能的影响  38-40
  3.5 铁碳布空气阴极MFC的性能稳定性  40-42
    3.5.1 试验装置  40
    3.5.2 循环伏安测试  40-41
    3.5.3 稳定运行期的开路电压  41-42
  3.6 铁碳布空气阴极MFC与含铂PEM-MFC的性能比较  42-44
    3.6.1 试验装置  42
    3.6.2 结果与讨论  42-44
  3.7 本章小结  44-45
第四章单一材料作为三维阳极时MFC的性能  45-57
  4.1 三维阳极的制作  45-47
    4.1.1 碳毡三维阳极的制作  45-46
    4.1.2 不锈钢丝簇三维阳极的制作  46
    4.1.3 活性炭三维阳极的制作  46-47
  4.2 微生物接种与运行  47
  4.3 不同单一材料作为三维阳极时电池的性能  47-56
    4.3.1 不同厚度碳毡作为三维阳极时MFC的性能  47-50
    4.3.2 不同质量不锈钢丝簇作为三维阳极的MFC性能  50-53
    4.3.3 不同形状活性炭填充作为三维阳极的MFC性能  53-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章自制涂层型三维阳极MFC的性能  57-69
  5.1 自制涂层型三维阳极MFC的组建  57-60
    5.1.1 自制涂层型三维阳极的制备  57-58
    5.1.2 自制涂层型三维阳极MFC的组建  58-60
  5.2 自制涂层型三维阳极MFC的性能  60-67
    5.2.1 铁网单独作为三维阳极时MFC的产电性能  60-61
    5.2.2 涂层含量对三维复合阳极MFC性能的影响  61-63
    5.2.3 PTFE溶液含量对三维复合阳极MFC性能的影响  63-65
    5.2.4 碳粉含量对三维复合阳极MFC性能的影响  65-67
  5.3 本章小结  67-69
第六章结论  69-71
  6.1 结论  69
  6.2 展望  69-71
参考文献  71-75
附录  75-111
作者简介  111
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  111-113
致谢  113

三维阳极微生物燃料电池的产电性能研究

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