碳质管状微生物燃料电池堆构建与性能特性

发布时间：2017-03-28 13:16

  本文关键词：碳质管状微生物燃料电池堆构建与性能特性，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源和环境问题是现阶段影响和制约人类社会发展的两大瓶颈。人类迫切需要寻找新型清洁能源以及新的污水处理技术,实现人类社会的可持续发展。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)作为一种可以同时实现污水处理和产电的新型可再生能源技术,近年来受到了国内外研究者的广泛关注。目前MFC输出功率密度和输出电压较低且经济成本较高,难以满足实际应用的需求。为了加速MFC实际应用的进程,可以通过设计低成本的无膜空气阴极MFC,并对其进行串并联连接,提高其产电性能。针对上述情况,本文设计了两种低成本的无膜空气阴极MFC:活性炭空气阴极MFC和竹炭管空气阴极MFC,并对其性能进行了对比研究。实验研究发现,相比活性炭空气阴极MFC,竹炭管空气阴极MFC具有更好的产电性能。同时,本文构建了不同水路和电路连接方式下的竹炭管空气阴极MFC电堆,并对电堆性能特性进行研究。研究发现单个竹炭管空气阴极MFC阴极性能是电堆性能的主要影响因素,针对此现象提出了改善措施。本文的主要研究成果如下:(1)活性炭空气阴极MFC和竹炭管空气阴极MFC性能对比研究。竹炭管空气阴极MFC的最大功率密度和最大输出电压分别为7.8 W/m3和472 mV,分别是活性炭空气阴极MFC最大功率密度(5.5 W/m3)和最大输出电压(380 mV)的1.4和1.2倍。上述研究结果表明,相比活性炭空气阴极MFC,竹炭管空气阴极MFC具有更好的产电性能。(2)竹炭管空气阴极MFC电堆性能衰减原因及改善措施研究。研究结果表明,单个竹炭管空气阴极MFC阴极性能衰减是电池电堆性能的主要影响因素,而造成单个竹炭管空气阴极MFC阴极性能衰减的原因可能是由于阴极内表面附着的生物膜阻止了质子传递,导致阴极性能下降。因此,针对上述情况,可以采用低浓度的培养基(200 mg/L)抑制阴极生物膜生长,使得电堆性能得到改善。(3)不同水路和电路连接方式下的竹炭管空气阴极MFC电堆性能研究。分别构建了四种不同连接方式的电堆:水路并联电路并联电堆、水路串联电路并联电堆、水路并联电路串联电堆和水路串联电路串联电堆。研究表明,电路并联电堆的最大功率密度比电路串联电堆的高,但开路电压则比电路串联电堆低。。
【关键词】：微生物燃料电池堆 竹炭管空气阴极 活性炭空气阴极 性能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;O613.71
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 前言9-10
• 1.2 微生物燃料电池（MFC）简介10-11
• 1.2.1 MFC的发展历程10
• 1.2.2 MFC的产电原理10-11
• 1.3 MFC的研究现状11-19
• 1.3.1 MFC的阳极研究现状11-13
• 1.3.2 MFC的阴极研究现状13-14
• 1.3.3 MFC的放大化研究现状14-19
• 1.4 MFC的应用19-20
• 1.4.1 分布式小型电源19
• 1.4.2 废水处理19-20
• 1.5 本课题的主要工作20-23
• 1.5.1 已有研究工作的不足20
• 1.5.2 本课题的研究内容20-23
• 2 MFC实验装置和实验方法23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 MFC关键材料的选取和制备23-27
• 2.2.1 碳纤维刷阳极23-24
• 2.2.2 活性炭空气阴极24-25
• 2.2.3 竹炭管空气阴极25-27
• 2.3 新型MFC构建27-30
• 2.3.1 活性炭空气阴极矩形MFC27
• 2.3.2 竹炭管空气阴极管状MFC27-29
• 2.3.3 管状微生物燃料电池堆29-30
• 2.4 MFC系统的测试方法和评价指标30-35
• 2.4.1 MFC的电压和阴阳极电势30
• 2.4.2 MFC的功率密度曲线和极化曲线30-31
• 2.4.3 循环伏安法31
• 2.4.4 生物膜结构和形貌观测31-32
• 2.4.5 COD去除效率和库伦效率32-35
• 3 活性炭阴极MFC和竹炭管阴极MFC性能特性研究35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 两种空气阴极MFC的构建及启动35-36
• 3.3 活性炭空气阴极MFC的性能特性36-41
• 3.3.1 MFC启动后的电压响应及稳定产电过程中的COD去除率36-38
• 3.3.2 10Ω 和 50Ω 两种不同外阻培养后MFC性能对比38-40
• 3.3.3 MFC的阳极生物膜电化学活性测试40-41
• 3.4 竹炭管空气阴极MFC性能特性41-45
• 3.4.1 竹炭管空气阴极MFC启动期间电压和阴阳极电势变化41-43
• 3.4.2 竹炭管空气阴极MFC的性能特性43-45
• 3.5 AC-MFC与BC-MFC性能对比45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 4 竹炭管MFC电堆中单电池性能特性研究49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 电堆系统的搭建和启动49-50
• 4.3 水路串联的通流式BC-MFC电堆中各单电池启动特性50-55
• 4.3.1 各BC-MFC单电池的启动50-52
• 4.3.2 BC-MFC电堆中单电池的性能对比52-53
• 4.3.3 BC-MFC电堆中单电池的电压和阴阳极变化趋势53-55
• 4.4 水路并联BC-MFC电堆中各单电池启动特性55-59
• 4.4.1 各BC-MFC单电池的启动55-56
• 4.4.2 BC-MFC电堆中单电池性能对比56-57
• 4.4.3 序批循环过程中各BC-MFC的电压和阴阳极电势变化情况57-59
• 4.5 阴极内表面生物膜表征59-60
• 4.6 不同COD浓度培养对BC-MFC性能的影响60-62
• 4.6.1 不同COD浓度培养对BC-MFC电压和电极电势的影响60-61
• 4.6.2 200 mgCOD/L底物浓度下BC-MFC的序批放电特性61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 5 四种不同水路电路连接方式下BC-MFC电堆性能特性63-79
• 5.1 引言63
• 5.2 BC-MFC电堆实验系统的构建和启动63-64
• 5.3 水路并联时不同电路连接的BC-MFC电堆特性64-70
• 5.3.1 水路并联电路并联的BC-MFC电堆特性64-67
• 5.3.2 水路并联电路串联的BC-MFC电堆特性67-70
• 5.4 水路串联时不同电路连接的BC-MFC电堆特性70-75
• 5.4.1 水路串联电路并联的BC-MFC电堆特性70-73
• 5.4.2 水路串联电路串联的BC-MFC电堆特性73-75
• 5.5 四种不同水路电路连接方式下BC-MFC电堆性能对比75-77
• 5.6 本章小结77-79
• 6 结论及展望79-81
• 6.1 本文结论79-80
• 6.2 后续研究工作的展望80-81
• 致谢81-83
• 参考文献83-89
• 附录89
• A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目89
• B. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉89

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本文编号：272346