微生物燃料电池电化学性能研究

论文摘要

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）是燃料电池的一种,它是以微生物作为阳极催化剂,通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置,具有原料广泛,反应条件温和能量利用高效等特点。本文以泡沫金属为阳极,石墨板为阴极,分别采用高锰酸钾、铁氰化钾、重铬酸钾为阴极电子受体,构建双室微生物燃料电池。结果表明,以葡萄糖溶液为有机燃料,当KMnO4浓度为500 mg/L,pH值为2时,MFC的最大开路电压可达1.68V,最大输出功率密度为8657 mW/m3,电池的内阻为232Ω。库仑效率为46.2%。当铁氰化钾浓度和重铬酸钾浓度分别为10000 mg/L,最大输出功率密度分别为4061mW/m3和5281mW/m3。可知高锰酸钾作为双室MFC的阴极电子受体时产电性能明显高于其他阴极电子受体。本文以泡沫金属为阳极,空气电极为阴极,构建的三种类型空气阴极燃料电池,并对其电化学性能进行了研究。结果表明,Ⅰ型MFC的开路电压为0.62V,内阻为33.8Ω,最大输出功率为700mW/m2,体积功率为4146mW/m3,电子回收率20%。放电曲线、循环伏安测试表明,MFC首次放电比容量和比能量分别为263mAh/L和77mWh/L。MFC运行8h,且COD的降解符合表观一级反应动力学。Ⅱ型MFC的表观内阻19.5Ω,最大输出功率为490mW/m2,体积功率密度为3490mW/m3。放电曲线、循环伏安测试表明,首次放电比能量为73mWh/L,首次放电比容量为277mAh/L。Ⅲ型MFC的表观内阻为3.89Ω,最大输出功率为775mW/m2,体积功率为21458mW/m3。通过放电曲线可知,其放电比容量为220mAh/L,放电比能量为106mWh/L。Ⅲ型MFC的电池性能高于其他两种类型,且具有内阻小,性能稳定,输出功率高等特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物燃料电池（MFC）的研究进展
• 1.3 微生物燃料电池材料
• 1.3.1 阳极材料
• 1.3.2 阴极材料
• 1.3.3 质子交换膜
• 1.3.4 空气电极
• 1.4 评价MFC性能的参数
• 1.4.1 开路电压与工作电压
• 1.4.2 电池内阻
• 1.4.3 电池的功率和功率密度
• 1.4.4 极化曲线和放电曲线
• 1.4.5 微生物燃料电池的实际容量与比容量
• 1.4.6 库伦效率
• 1.4.7 废水处理效率
• 1.5 研究的目的与意义
• 1.6 本课题研究内容
• 第2章 实验材料与测试方法
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.2 菌种的培养
• 2.3 空气电极的制作
• 2.4 微生物电极的培养
• 2.5 质子交换膜
• 2.6 电化学测试方法及原理
• 2.6.1 循环伏安法
• 2.6.2 交流阻抗法
• 2.7 化学需氧量（COD）的测定
• 2.8 微生物燃料电池测试系统
• 2.8.1 开路电压和工作电压测试系统
• 2.8.2 功率测试
• 2.8.3 循环伏安、交流阻抗测试
• 2.8.4 放电测试
• 2.9 本章小结
• 第3章 双室微生物燃料电池阴极电子受体研究
• 3.1 引言
• 3.2 双室微生物燃料电池的构建
• 3.3 双室微生物燃料电池的启动
• 3.4 高锰酸钾作为阴极电子受体电化学性能研究
• 3.4.1 高锰酸钾溶液pH值对MFC产电性能的影响
• 3.4.2 高锰酸钾溶液浓度对MFC产电性能的影响
• 3.4.3 高锰酸钾浓度对输出功率的影响
• 3.4.4 高锰酸钾浓度对微生物燃料电池内阻的影响
• 3.4.5 COD去除率
• 3.4.6 电子回收率
• 3.5 铁氰化钾作为阴极电子受体电化学性能研究
• 3.5.1 铁氰化钾溶液pH值对MFC输出功率的影响
• 3.5.2 铁氰化钾溶液pH值对MFC内阻的影响
• 3.5.3 铁氰化钾溶液浓度对MFC输出功率的影响
• 3.5.4 铁氰化钾溶液浓度对MFC内阻的影响
• 3.6 重铬酸钾作为阴极电子受体电化学性能研究
• 3.6.1 重铬酸钾溶液pH值对MFC输出功率的影响
• 3.6.2 重铬酸钾溶液pH值对MFC内阻的影响
• 3.6.3 重铬酸钾溶液浓度对MFC输出功率的影响
• 3.6.4 重铬酸钾溶液浓度对MFC内阻的影响
• 3.7 高锰酸钾作为双室微生物燃料电池的阴极电子受体
• 3.8 本章小结
• 第4章 单室微生物燃料电池电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 空气阴极微生物燃料电池的构建
• 4.3 Ⅰ型微生物燃料电池的启动运行和电化学性能研究
• 4.3.1 Ⅰ型MFC的启动和运行
• 4.3.2 Ⅰ型MFC的极化曲线和内阻的分析
• 4.3.3 Ⅰ型MFC的功率曲线的分析
• 4.3.4 Ⅰ型MFC的循环寿命分析
• 4.3.5 Ⅰ型MFC的放电曲线
• 4.3.6 Ⅰ型MFC的电化学阻抗测试
• 4.3.7 Ⅰ型MFC的废水处理
• 4.3.8 Ⅰ型MFC的电子回收
• 4.4 Ⅱ型微生物燃料电池的启动运行和电化学性能研究
• 4.4.1 Ⅱ型MFC的启动和运行
• 4.4.2 Ⅱ型MFC的极化曲线和内阻的分析
• 4.4.3 Ⅱ型MFC的功率曲线的分析
• 4.4.4 Ⅱ型MFC的循环寿命分析
• 4.4.5 Ⅱ型MFC的放电曲线
• 4.4.6 Ⅱ型MFC的电化学阻抗测试
• 4.5 Ⅲ型微生物燃料电池的启动运行和电化学性能研究
• 4.5.1 Ⅲ型MFC的启动和运行
• 4.5.2 Ⅲ型MFC的极化曲线和内阻分析
• 4.5.3 Ⅲ型MFC的功率曲线分析
• 4.5.4 Ⅲ型MFC的循环伏安分析
• 4.5.5 Ⅲ型MFC的放电曲线
• 4.5.6 Ⅲ型MFC的电化学阻抗测试
• 4.6 Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型MFC的性能比较
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢