低電位陽極海底微生物燃料電池構(gòu)建及溫度對電池性能影響.pdf

1、海底微生物燃料電池(marine benthic microbial fuel cell, BMFC)是一種新型能源供給裝置，其具有原料來源廣泛、免維護(hù)、清潔無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，有望為海洋儀器提供連續(xù)、可靠電源。但是，較低的輸出電壓和輸出功率限制了BMFC的實(shí)際應(yīng)用。本論文主要應(yīng)用尿素和混酸改性電池陽極，降低了陽極電位，大幅提高了電池性能，同時介入溫度因素考察其對電池性能影響，為 BMFC實(shí)際應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下：

2、>　　1）制備了一種新型泡沫石墨-碳板復(fù)合陽極，并采用尿素和石墨粉熔融混合物改性復(fù)合陽極，比較了普通石墨塊(PG)、未改性復(fù)合陽極(PC)和尿素改性陽極(UC)的多種電化學(xué)性能。XRD分析測試表明尿素熔融后基本組成未變化，氮含量維持在46％。電化學(xué)測試顯示，PC較PG陽極極化斜率低，且最大輸出功率密度達(dá)到151.3 mW/m2，提高了7.7倍。UC陽極表面潤濕性、抗極化能力優(yōu)于PC和PG陽極，并且發(fā)現(xiàn)其電位下降了100 mV，達(dá)到-57

3、0 mV(未改性-440 mV)，動力學(xué)活性比PC電極提高了7.6倍，較PG提高了553.0倍。組裝電池最大輸出功率密度達(dá)到256.0 mW/m2，對應(yīng)的電流密度550.5 mA/m2。最后簡要分析了陽極電位下降的原因，并對電極長期運(yùn)行穩(wěn)定性做了研究。
　　2）化學(xué)氧化法改性陽極是提高海底微生物燃料電池性能的重要途徑之一，采用混酸改性泡沫石墨陽極，研究改性前后陽極性能變化。結(jié)果表明：改性后泡沫石墨表面生成羥基、羧基等含氧官能團(tuán)，普

4、通石墨轉(zhuǎn)化為氧化石墨；改性陽極接觸角降低了24.5°，潤濕性提高，有利于微生物附著；交換電流密度達(dá)到6760.8 mA/m2，動力學(xué)活性提高了53.7倍，電池開路電位達(dá)到865 mV(未改性750 mV)，最大輸出功率密度為358.1 mW/m2，提高了2.4倍。循環(huán)伏安和交流阻抗技術(shù)分析表明改性后電極表面電容增大，具有較為理想的電容特性，電容增大有助于緩解電極極化迅速的缺陷。三個月放電測試顯示，改性陽極和電池具有相對穩(wěn)定的性能。同時，

5、分析了改性和未改性陽極附近沉積物灰分含量，推算不同陽極對有機(jī)質(zhì)消耗量。
　　3）環(huán)境溫度對海底微生物燃料電池具有重要影響。結(jié)果表明：4℃環(huán)境下電池陽極啟動時間明顯慢于室溫，陰極啟動幾乎無影響。室溫條件下電池內(nèi)阻703Ω比4℃1005Ω降低了302Ω，同時室溫下電池最大輸出功率密度比4℃環(huán)境下升高了10 mW/m2，對應(yīng)的電流密度也增加了46.6 mA/m2。低溫環(huán)境(4℃)可導(dǎo)致微生物活性降低進(jìn)而導(dǎo)致其性能低于室溫環(huán)境電池。此實(shí)驗(yàn)