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《厦门理工学院》 2019年
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微生物燃料电池电能收集及其驱动温湿传感器的研究

严辉智  
【摘要】:随着经济的快速发展,能源需求量逐年升高,传统化石能源濒临枯竭,对清洁高效的再生能源的研究迫在眉睫。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFC)在降解污染物的同时获得电能,在环境和新能源领域具有广阔的前景。但MFC输出开路电压较低,输出功率较小,因此,微生物燃料电池通常难以直接驱动目前已有的微功耗元器件。本课题开展了针对微生物燃料电池的新型能量管理方法,对MFC中电能进行有效收集,并将其应用于温湿传感器的驱动,为MFC的推广应用奠定了一定的基础。本文采用无水乙酸钠、葡萄糖、乳糖、预处理的野芋作为阳极底物,研究不同底物电池电压的周期曲线以及极化曲线,通过电压周期曲线和极化曲线分析不同底物的产电特性,选出具有最佳产电性能的阳极底物作为供能的微生物燃料电池。然后使用单个MFC、串联或并联多个MFC的不同运行方式分别对不同型号超级电容进行充电,对比不同运行方式下对超级电容充电速率的影响,得出MFC的最佳运行方式。最后,对不同超级电容和负载供电,选出最适合储存微生物燃料电池能量的超级电容。最终确定最佳的充电蓄能路径,为温湿传感器供能,实现MFC电能收集及其驱动温湿传感器的应用。实验结果表明,不同底物对MFC产电性能具有不同的影响,不同底物对电池组输出电压也不同,对比不同底物条件下电池的电流密度、功率密度、电池内阻值,可以得到无水乙酸钠、葡萄糖、乳糖、预处理的野芋四种底物启动MFC时,最佳开路电压值分别为0.77V、0.75V、0.71V、0.66V,并研究电池的产电特性和其功率密度曲线,求得最佳产电性能MFC内阻和输出功率密度分别为330Ω和718.84mW·cm~(-2)。进而采用高性能、同步升压电能收集模块BQ25504作为主要元件构建电源管理系统的驱动电路,对MFC最佳运行方式的研究,分析了并联2个、4个、6个MFC和串联6个MFC充电方式,得出串联6个MFC最适合给超级电容充电;进而通过串联6个MFC对1F、2.5F、3.5F、4F四种型号的超级电容进行充电实验,结果表明3.5F的超级电容平均存储功率最大,平均充电功率为0.973mW,验证了3.5F超级电容对串联MFC电量存储的性能最佳。当使用存储电容(4.0F)使其充电电压达到3.0V时,两个4.0F超级电容串联对温湿传感器负载放电,传感器维持时间为226s,验证了MFC电源管理系统可以驱动温湿传感器负载工作。
【学位授予单位】:厦门理工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM911.45;TP212

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