微生物燃料电池阳极材料研究进展

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）是一种新型的生物电化学装置,能将可生物降解有机物中的化学能直接转化成电能,而阳极材料性能是影响MFC性能的重要因素之一。通过对阳极材料进行改性和修饰可以有效地增大其比表面积、生物相容性等,以提高其微生物负载率和电子传递速率,进而提高MFC的产电性能。本文全面介绍和总结了近年来国内外关于微生物燃料电池阳极材料的研究进展,分析微生物燃料电池阳极材料在规模放大应用中存在的问题,并对微生物燃料电池阳极材料今后的发展方向进行了展望。     

泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的产电特性

研究了泡沫镍阴极的制备和对单室微生物燃料电池产电性能的影响。研究发现,当阴极PTFE扩散层超过4+1层时,MFC的功率密度随扩散层数增加而逐渐下降;当阴极扩散层为五层(4+1层)时,微生物燃料电池最大功率密度最大,达到31.3 W/m3,电池的库仑效率为25%;当使用7+1层PTFE扩散层时,电池功率下降到25.6 W/m3;泡沫镍阴极厚度对阴极性能影响不大;研究发现,滚压后再涂一层扩散层能够抑制泡沫镍阴极的长期运行的析盐。     

基于广州市政垃圾渗滤液的MFC性能及阳极微生物分析

为了分离纯化可适应渗滤液极端环境的产电菌,以广州市白云区李坑和兴丰两处垃圾填埋场获取的渗滤液为底物运行微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）,待稳定输出多个周期后剪取阳极碳布进行单菌落培养和电镜扫描。结果显示,各组渗滤液底物MFC均能成功启动。李坑四季样的MFC峰值电压分别为0.334、0.331、0.321、0.328 V;兴丰四季样的MFC峰值电压分别为0.512、0.54、0.523、0.536 V。对各组渗滤液底物微生物燃料电池的阳极进行菌株分离纯化并单菌落培养构建阳极微生物系统发育树,发现经过MFC驯化后的阳极菌株具有较高丰度和差异性;SEM扫描发现各组实验中菌株均吸附在阳极碳布上形成稳定的膜结构,根据产电呼吸的基本电子传递机制推测渗滤液底物MFC中的微生物通过与阳极直接接触来传递电子。     

微生物燃料电池阴极电子受体与结构的研究进展

从工程应用的角度分析了微生物燃料电池的结构变化趋势;从电化学角度介绍了几种两室微生物燃料电池中阴极室采用不同电子受体对提高电池输出功率的影响和单室空气阴极微生物燃料电池的研究现状及应用前景;分析了电池组在电池放大过程中可能存在的串挠和电压反转等问题,为微生物燃料电池的工程应用提供了理论参考。     

平板状固体氧化物燃料电池的数值模拟

利用流体力学计算软件FLUENT建立平板状固体氧化物燃料电池（SOFC）三维数值模型，研究在不同操作条件和支撑形式下，活化极化、欧姆极化、浓度极化对SOFC性能的影响。在多孔电极中的气体流动符合达西定律的前提下，为满足不同的多孔电极设计，综合考虑了摩尔扩散和Knudsen扩散。另外还考虑了电池电化学反应热对欧姆极化的影响。分析结果表明，阴极和阳极支撑固体氧化物燃料电池具有较低的操作温度和较好的输出特性。     

生物阴极微生物燃料电池餐饮废水处理与发电性能研究

对比研究生物阴极微生物燃料电池与一般微生物燃料电池的废水处理与同步发电能力。以学校食堂餐饮废水为微生物燃料电池的底物,首先通过实验为微生物燃料电池选择合适的电子受体;其次,在采用较适宜电子受体的同等条件下,对生物阴极微生物燃料电池与一般微生物燃料电池处理餐饮废水的COD去除率及产电电流密度进行对比。实验结果表明,生物阴极微生物燃料电池处理餐饮废水的废水处理效果和发电能力均优于一般微生物燃料电池。     

微生物燃料电池的反应动力学研究

微生物燃料电池的理论基础包括热力学、反应动力学和酶动力学3个方面。从反应动力学方面分析,微生物燃料电池中,葡萄糖在阳极的电化学反应是异相的,只能发生在阳极电极和阳极溶液的交界处。微生物燃料电池的电压损失包括活化损失、欧姆损失和浓度损失。活化损失可通过降低溶液温度和提高交换电流密度的方法减小。欧姆损失可通过采用高电导率的阳极溶液和阴极溶液、减小电极之间的距离和增大反应器截面面积的方法减小。浓度损失可通过采用降低溶液温度和增大极限电流密度的方法减小。     

外加直流电场对微生物燃料电池阳极微生物的影响研究

为考察外加直流电场作用对微生物燃料电池阳极微生物的影响,采用双室型MFC反应器,在启动开始时分别加以-5,-3,-1,0,+1,+3,+5 V的直流电场,作用时间依次取2 min,30 min,1 h,24 h。结果表明,外加直流电场能够对微生物燃料电池阳极室内微生物的生长产生影响,作用时间为30 min时效果较为明显,提高作用时间后效果变化不大;±1 V的电场强度作用促进微生物的生长;较低的直流电场(±1 V)作用能够促进微生物燃料电池的阳极生物挂膜,且负电场促进效果更好,而较高的直流电场(+3 V和±5 V)作用不利于甚至损害阳极生物挂膜。     

电极面积和电极间距对立方体型MFCs产电能力的影响

以生活污水为底物,普通石墨棒为电极,构建立方体型双室微生物燃料电池(MFCs),研究了阴、阳极电极面积和电极间距对MFCs产电能力的影响。试验结果表明:当阴极表面积作为唯一变量时,阴极表面积越大,电池的产电性能越好,当Acat∶AAn=5时MFC产电最佳;当阳极面积作为唯一变量,AAn∶Acat=0.41时,电池产电能力和运行效果最佳;减小电极间距能有效地减少内阻,同时有利于底物和生成物的流动传质;提高输出功率,电极间距为21 mm的装置产电能力和运行效果最佳。     

微生物燃料电池的反应动力学探究

从反应动力学方面分析,微生物燃料电池中,葡萄糖在阳极的电化学反应是异相的,只能发生在阳极电极和阳极溶液的交界处。微生物燃料电池的电压损失包括活化损失、欧姆损失和浓度损失。活化损失可通过降低溶液温度和提高交换电流密度的方法来减小。欧姆损失可通过采用高电导率的阳极溶液和阴极溶液、减小电极之间的距离和增大反应器截面面积的方法减小。浓度损失可通过采用降低溶液温度和增大极限电流密度的方法减小。     

微生物燃料电池混合菌群的产电特性与分布

将不同来源的污泥进行组合构建混合接种物的微生物燃料电池(MFC),通过比较微生物燃料电池的产电性能寻求更为优良的微生物群落,结果表明:将华南农业大学资源环境学院新肥室沼气池污泥、湖南省祁东县淹水稻田土和燕京啤酒厂废水处理二沉池污泥混合作为组合接种物的MFC性能较优,其最大输出电压0.59 V,最大功率密度10.81 W/m3。利用PCR-DGGE技术解析该电池阳极表面优势微生物的群落,分析发现阳极生物膜中占优势的菌种为Gammaproteobacteria菌纲中的Shewanella,其次为Pseudomonas aeruginosa,还存在Verrucomicrobiae和Flavobacteria菌纲的微生物。     

MnO2为阴极催化剂的微生物燃料电池处理城市垃圾渗滤液研究

主要针对城市垃圾热解预处理过程所产生的渗滤液进行研究。首先改变城市垃圾堆放温度和堆放时间,发现城市垃圾于40℃堆放6 d后所得的渗滤液中生物需氧量(Biological Oxygen Demand,BOD)、氨氮浓度约为20800、1410 mg/L,B/C比、B/N比分别为0.32和14.8,营养物质较均衡,易于生化处理,且将其进行微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理时,电池可获得0.29 V的稳定输出电压。随后,以上述渗滤液为MFC阳极基质,考察廉价易得的Mn O2作为阴极催化剂对空气阴极单室MFC电池性能以及渗滤液中有机污染物去除率的影响。结果发现,由于Mn O2催化氧还原,加速了MFC阴极接受电子的速度,使得MFC电池性能有较大提高。其中,MFC的最大功率密度由0.16 W/m3提高到0.88 W/m3,而电池稳定输出电压明显升高至0.43 V,且阳极渗滤液中BOD和NH4+-N去除率也分别达72.9%和91.6%,比对照MFC分别提高8.1%和5.0%。     

基于BOOST变换器的MFC最大功率跟踪控制

针对微生物燃料电池存在的输出功率低、运行稳定性差等问题,建立微生物燃料电池仿真实验平台,设计改进的扰动观测最大功率跟踪控制算法,通过调节Boost变换器的占空比,对微生物燃料电池进行最大功率跟踪控制。仿真实验结果表明,改进的扰动观测最大功率跟踪控制能及时追踪微生物燃料电池的最大功率点,显著提高稳态输出功率并减小输出功率脉动,有效改善微生物燃料电池的供电质量。     

单室微生物燃料电池产电特性研究

采用石墨板为阴极构建了单室空气阴极微生物燃料电池(MFC),以混合菌种接种,并以乙酸钠和碳酸氢钠为碳源,研究了该MFC在间歇运行条件下的产电性能、电池内阻情况和COD去除率。结果表明,最高输出电压随着周期数增加而增加,由0.075 9 V上升到0.200 6 V,最大输出功率密度为34.80 mW/m2;在一个运行周期内,电池内阻随着时间的延长而逐渐增大,由376.6Ω上升到682.0Ω,电池内阻的增大将导致输出电压降低。COD去除率由起始的49.23%达到最大值86.99%,说明此单室空气阴极微生物燃料电池在产电的同时处理污水的效果也较好。     

平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池传质传热仿真研究

利用流体力学计算软件F luen t建立平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池(SOFC)的三维数学模型。在阳极与阴极多孔电极中使用尘气模型模拟气体质量传输并采用B rinkm an-Forschhe im er-D acy模型来模拟多孔电极中黏性与惯性效应对气体流动的影响。研究给出了燃料气与空气在同向流与反向流情况下组分浓度、电压与温度分布。结果显示在同向流情况下,电池的最大功率密度较大与温度分布较均匀合理。研究给出了多孔电极结构参数(孔隙率、曲折因子与孔径尺寸)对电池性能的影响。结果表明比较计算的极化性能与文献的实验数据两者较好的吻合。     

微生物燃料电池耦合处理重金属-有机废水性能研究

以双室微生物燃料电池(MFC)为研究对象,构建阳极为糖蜜废水、阴极为不同金属离子废水的微生物燃料电池,对其产电性能和去污能力进行测定。结果表明:微生物燃料电池可同时处理有机废水和金属离子废水,其中,Ag~+为阴极液时,其MFC稳定性最好,最高输出电压为198 m V、最大功率密度为23.1 m W/m~2、内阻为500Ω,Cu~(2+)为阴极液时分别为149 m V、13.9 m W/m~2、600Ω,Zn~(2+)为阴极液时分别为16 m V、1.9×10~(-6)m W/m~2、900Ω。阳极化学需氧量(COD)去除率以Ag~+为阴极液时最高,可达72%,Cu~(2+)和Zn~(2+)分别为54%和19.2%。阴极金属离子去除率Ag~+为72%、Cu~(2+)42%、Zn~(2+)19.8%。     

阳极材料对微生物燃料电池性能影响的研究

以石墨、碳纸、碳布和碳毡为阳极材料,研究不同材料在微生物燃料电池中的产电性能,并利用循环伏安法比较不同材料的电化学活性。结果表明:在电池性能方面,以石墨为阳极微生物燃料电池电压可达0.678V,输出功率为250mW/m2;碳毡电压达0.656V,输出功率204mW/m2,碳纸0.649V,输出功率156mW/m2;碳布最差,电压不稳定,输出功率56mW/m2。循环伏安曲线和电极材料表观吸附量:碳毡作为阳极材料,具有明显的氧化峰和还原峰,对导电微生物具有显著的吸附量,其次是石墨,碳纸次之,最差的是碳布。     

质子交换膜燃料电池数值分析

建立了一个三维的数学模型来模拟研究质子交换膜燃料电池,以及流道里流体的流动、阳极氢气和阴极氧气各组分的传递、热量传递、电荷传递、和氧化还原的电化学反应动力学,得到了电池内的组分浓度分布情况、温度场分布情况、以及多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响.     

微生物燃料电池产电性能试验研究

以双室微生物燃料电池为研究对象,考察了电极间距、电极面积比和阳极室填充活性炭颗粒,阳极室填充液浓度、pH值、流通速度对微生物燃料电池输出电压和功率密度的影响,通过分析建立最优双室微生物燃料电池模型。研究结果表明,微生物燃料电池的最大输出电压为544.3 mV,最大功率密度为341.38 mW/m2,在微生物燃料电池运行1 500 min后,利用极化曲线法测定电池的内阻为375Ω。     

低催化剂载量直接甲醇燃料电池性能实验研究

利用自行设计的直接甲醇燃料电池实验系统研究了电池温度、阴极侧压力、甲醇溶液浓度和流量、氧气流量对低催化剂载量（阳极Pt-Ru载量为0．4mg／cm^2；阴极Pt载量为0．4mg／cm^2）直接甲醇燃料电池性能的影响。重点分析了运行参数对电池内部传质的影响。实验结果表明提高甲醇溶液浓度和流量不仅会强化甲醇向阳极催化剂层的传递，也会加剧甲醇窜流。另外，还研究了电流变化时电池电压的动态响应，结果表明甲醇窜流对电池动态响应起关键作用。