三種不同陰極類型微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種全新的生物技術(shù)，由于能在處理污水的同時回收清潔能源——電能而得到了研究人員的廣泛關(guān)注。目前有關(guān)MFC的研究主要集中在陽極產(chǎn)電微生物特性，電極材料改性和反應(yīng)器設(shè)計與運(yùn)行等方面，而針對MFC陰極性能影響因素與優(yōu)化的研究鮮有報道。為了提高陰極的性能，需要降低MFC陰極的各種電化學(xué)損失和造價，這對促進(jìn)MFC的產(chǎn)業(yè)化有著十分重要的實際意義和工程價值。因此，本文針對目前研究中所涉

2、及的主要三種類型的MFC的陰極產(chǎn)電性能及影響因素進(jìn)行了全面的考察，包括：高錳酸鉀陰極MFC的性能與影響因素、空氣陰極MFC陰極催化劑的性能優(yōu)化及生物陰極MFC的性能與影響因素。研究結(jié)果表明：
　　在雙室高錳酸鉀陰極MFC中，電解液的性質(zhì)對電壓影響較大，pH越低電壓越高。當(dāng)pH為5，此時電池的開路電壓（OCV）為1.104V（最大功率密度45.37W/m3）。對陰極電解液進(jìn)行攪拌可使最大功率密度提高7％左右；長時間運(yùn)行后系統(tǒng)性能會發(fā)

3、生衰減，通過水力清洗可去除絕大部分的MnO2，系統(tǒng)性能可基本恢復(fù)先前的水平。將MFC串聯(lián)能夠有效提高電壓輸出，但內(nèi)阻的增加使功率的進(jìn)一步提高受到限制；MFC反應(yīng)器初步放大后可有效地縮短啟動時間（80h），并能得到更穩(wěn)定的電壓輸出（1.002V）；增大膜面積可以使陰極內(nèi)阻顯著降低，從而提高功率輸出。
　　催化劑是影響空氣陰極MFC性能的關(guān)鍵因素。主要考察了Pt催化劑及Nafion溶液的用量對陰極氧催化還原性能的影響；在此基礎(chǔ)上，為了

4、降低陰極的造價，研究了過度元素Co、Fe與Pt摻雜作為陰極催化劑時對陰極催化及全電池性能的影響。結(jié)果表明，Pt負(fù)載量由0.2mg/cm2降至0.1mg/cm2時，電池電壓（Rex=500）下降5.5%左右；在Pt負(fù)載量不變的條件下（0.2mg/cm2），增加Nafion溶液用量可顯著降低陰極的內(nèi)阻，Nafion最佳用量為13.34μL/mg Pt/C。Co與Pt摻雜使用可以實現(xiàn)在達(dá)到同等電壓輸出水平的前提下將Pt的用量降低1倍，當(dāng)Co與

5、Pt比例為1:3時MFC的最大功率密度最高，可達(dá)到8.4W/m3；Fe與Pt摻雜時，催化劑的活性有較為明顯的提高，當(dāng)Fe與Pt以1:1的比例配合時電池性能最好，電壓輸出達(dá)到0.399V（Rex=500），與載Pt為0.5mg/cm2時的結(jié)果相當(dāng)，同時系統(tǒng)的功率密度也達(dá)到了最大值11.7W/m3。X射線衍射（XRD）分析表明，摻雜元素（Co，F(xiàn)e）的加入使Pt金屬晶格收縮，Pt原子間距變小是催化劑活性增強(qiáng)的根本原因。
　　MFC中的

6、另一類陰極是以好氧微生物作為催化劑的生物陰極。本章對雙室生物陰極MFC的啟動過程、產(chǎn)電效能、電極材料及pH的變化等方面進(jìn)行了全面的研究。結(jié)果表明，經(jīng)過200h的啟動運(yùn)行電池的輸出電壓可達(dá)到0.32 V（Rex=500），最大功率密度為20.17W/m3（91.67A/m3）。對于本試驗中的MFC反應(yīng)器來說，最佳曝氣量為300mL/min（DO=5mg/L），此時輸出電壓為0.355V。無機(jī)碳源濃度的升高可以降低電池內(nèi)阻，回流對陰極性能影

7、響不大。對不同電極材料的比較發(fā)現(xiàn)石墨顆粒作為電極材料時電池性能最優(yōu)，啟動時間只需100h，穩(wěn)定電壓0.582V，最大功率密度50.3W/m3。與所有的雙室MFC類似，電解液的緩沖能力是限制MFC性能的重要因素。當(dāng)不使用磷酸鹽緩沖液時，在70h的運(yùn)行時間內(nèi)，陽極電解液的pH由6.78降低到6.25，陰極電解液的pH由7.02升高到7.94，相應(yīng)地，電壓從0.319V降至0.236V，這說明MFC電解液的緩沖能力在維持系統(tǒng)穩(wěn)定過程中起到重要