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《哈尔滨工业大学》 2009年
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三种不同阴极类型微生物燃料电池产电性能研究

张金娜  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种全新的生物技术,由于能在处理污水的同时回收清洁能源——电能而得到了研究人员的广泛关注。目前有关MFC的研究主要集中在阳极产电微生物特性,电极材料改性和反应器设计与运行等方面,而针对MFC阴极性能影响因素与优化的研究鲜有报道。为了提高阴极的性能,需要降低MFC阴极的各种电化学损失和造价,这对促进MFC的产业化有着十分重要的实际意义和工程价值。因此,本文针对目前研究中所涉及的主要三种类型的MFC的阴极产电性能及影响因素进行了全面的考察,包括:高锰酸钾阴极MFC的性能与影响因素、空气阴极MFC阴极催化剂的性能优化及生物阴极MFC的性能与影响因素。研究结果表明: 在双室高锰酸钾阴极MFC中,电解液的性质对电压影响较大,pH越低电压越高。当pH为5,此时电池的开路电压(OCV)为1.104 V(最大功率密度45.37 W/m3)。对阴极电解液进行搅拌可使最大功率密度提高7 %左右;长时间运行后系统性能会发生衰减,通过水力清洗可去除绝大部分的MnO2,系统性能可基本恢复先前的水平。将MFC串联能够有效提高电压输出,但内阻的增加使功率的进一步提高受到限制;MFC反应器初步放大后可有效地缩短启动时间(80 h),并能得到更稳定的电压输出(1.002 V);增大膜面积可以使阴极内阻显著降低,从而提高功率输出。 催化剂是影响空气阴极MFC性能的关键因素。主要考察了Pt催化剂及Nafion溶液的用量对阴极氧催化还原性能的影响;在此基础上,为了降低阴极的造价,研究了过度元素Co、Fe与Pt掺杂作为阴极催化剂时对阴极催化及全电池性能的影响。结果表明,Pt负载量由0.2 mg/cm2降至0.1 mg/cm2时,电池电压(Rex=500 ?)下降5.5 %左右;在Pt负载量不变的条件下(0.2 mg/cm2),增加Nafion溶液用量可显著降低阴极的内阻,Nafion最佳用量为13.34μL/mg Pt/C。Co与Pt掺杂使用可以实现在达到同等电压输出水平的前提下将Pt的用量降低1倍,当Co与Pt比例为1:3时MFC的最大功率密度最高,可达到8.4 W/m3;Fe与Pt掺杂时,催化剂的活性有较为明显的提高,当Fe与Pt以1:1的比例配合时电池性能最好,电压输出达到0.399 V(Rex=500 ?),与载Pt为0.5 mg/cm2时的结果相当,同时系统的功率密度也达到了最大值11.7 W/m3。X射线衍射(XRD)分析表明,掺杂元素(Co,Fe)的加入使Pt金属晶格收缩,Pt原子间距变小是催化剂活性增强的根本原因。 MFC中的另一类阴极是以好氧微生物作为催化剂的生物阴极。本章对双室生物阴极MFC的启动过程、产电效能、电极材料及pH的变化等方面进行了全面的研究。结果表明,经过200 h的启动运行电池的输出电压可达到0.32 V(Rex =500 ?),最大功率密度为20.17 W/m3(91.67 A/m3)。对于本试验中的MFC反应器来说,最佳曝气量为300 mL/min(DO=5 mg/L),此时输出电压为0.355 V。无机碳源浓度的升高可以降低电池内阻,回流对阴极性能影响不大。对不同电极材料的比较发现石墨颗粒作为电极材料时电池性能最优,启动时间只需100 h,稳定电压0.582 V,最大功率密度50.3 W/m3。与所有的双室MFC类似,电解液的缓冲能力是限制MFC性能的重要因素。当不使用磷酸盐缓冲液时,在70 h的运行时间内,阳极电解液的pH由6.78降低到6.25,阴极电解液的pH由7.02升高到7.94,相应地,电压从0.319 V降至0.236 V,这说明MFC电解液的缓冲能力在维持系统稳定过程中起到重要作用,同时也表明在工程应用中,实际废水缓冲性能的缺失是限制该技术应用的瓶颈之一。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM911.4

【引证文献】
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【同被引文献】
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