微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

基础设施水平改善农民生产生活

第28卷第8期2007年8月

环　　境　　科　　学Vol.28,No.8Aug.,2007

微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞

北京　100084)

摘要:将微生物燃料电池内部各种阻力用表观内阻统一表征,内阻2部分.通过稳态放电法测量微生物燃料电池表观内阻,s,通过稳态放电法测定一室型微生物燃料电池的表观内阻为289Ω,2最大,为241mWΠm;Ω,测定结果与断电前电流强度无关;当一

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,王诚

2

(11清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京　100084;21,

、,非欧姆电阻占总内阻的比例分别为93%、

66%和75%,.提高微生物燃料电池产电能力需要同时降低电池的欧姆

关键词:;极化曲线

中图分类号:X382:A　文章编号:025023301(2007)0821894205

CompositionandMeasurementoftheApparentInternalResistanceinMicrobialFuelCell

LIANGPeng,FANMing2zhi,CAOXiao2xin,HUANGXia,WANGCheng

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(11EnvironmentalSimulationandPollutionControlStateKeyJointLaboratory,DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,)TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;21InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstract:Theelectrochemicallimitationsontheperformanceofmicrobialfuelcells(MFCs)aremainlyduetotheinternalresistance.Thetotal

resistanceintheMFCwasexpressedastheapparentinternalresistance(Ri)whichwaspartitionedintoohmicresistance(RΩ)andnon2ohmicresistance(Rn),referringtotheequivalentcircuitoftheMFC.Intheone2chamberMFC,RiandRΩweremeasuredusingthesteadydischargingmethodandthecurrentinterruptmethod,andtheywere289Ωand99Ω,respectively.Themaximalpowerdensitywas241

2

mWΠmwhentheexternalresistanceequaledtotheapparentinternalresistance.Thestabilizationtimeof60swasenoughtoremovetheinfluenceofthecapacitorsinthesteadydischargingmethod.WhentheMFCwasintheactivationoverpotentialarea,theohmicoverpotentialareaandtheconcentrationoverpotentialarearespectively,Rnaccountedfor93%,66%and75%inRi.TheratioofRntoRiwasthelowestwhenpoweroutputoftheone2chamberMFCreacheditshighestvalue.DecreasingRnandRΩisthekeytoone2chamberMFC’soutputincreasing.

Keywords:microbialfuelcell;apparentinternalresistance;polarizationcurve

　　利用微生物产电能力进行产电的装置称为微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC).微生物燃料电池在净化污水的同时收获电能,有可能降低污水处

[1～4]

理的成本,因而近年受到了广泛关注.但是,目前MFC输出功率很低,国外文献中报道的最大输出

2[3,5]

功率密度在600～4300mWΠm,比普通氢氧燃料电池低3～4个数量级.MFC产电能力通常用最大输出功率密度衡量,当外电阻等于电池的内阻时,电池

[6]

对外输出电能功率Pm达到最大:

2

(1)Pm=EΠ4Ri,式中,E为电池电动势,Ri为电池内阻.由公式(1)可知,MFC对外供电能力受E和Ri的影响,E是MFC产能的推动力,Ri则是MFC产能的阻力.由于MFC中所发生的反应确定,因此提高E的空间不

大,而Ri和电池结构密切联系,可以通过调整电池结构、优化电极以及运行方式等手段加以降低.因

此,测量MFC内阻的构成是提高MFC产电能力的前提.

然而,目前在

MFC研究中,对MFC的内阻测定方法没有专门进行研究,相关方法不统一,文献中涉

[7]

及内阻的测定有3种方法:电流中断法、交流阻抗[6][7～9]法、极化曲线法.这3种方法分为2类:一类是暂态法,包括电流中断法和交流阻抗法,其中交流

[10～12]

阻抗法在氢氧燃料电池测定中采用广泛,而在

收稿日期:2006210209;修订日期:2006211229基金项目:国家自然科学基金项目(20577027)

作者简介:梁鹏(1976～),男,博士,主要研究方向为污水资源化与能

源化,E2mail:liangpeng@http://www.77cn.com.cn

3通讯联系人,E2mail:xhuang@http://www.77cn.com.cn

基础设施水平改善农民生产生活

8期梁鹏等:微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

[6]

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微生物燃料电池中通常用来测定欧姆内阻;另一类是稳态法,通过稳态放电得到极化曲线,通过线性

[9]

拟和得到电池的表观内阻,包括欧姆电阻、活化电阻和传质电阻,当外电阻等于电池的表观内阻时,MFC对外供电能力最大,所以又称为最佳外电阻.因此,考察MFC对外最大供电能力时应测定MFC的表观内阻.

但表观内阻中的活化内阻和传质内阻测定值均随电流变化,同时受极化曲线法中稳定时间的影响,有关表观内阻测定条件尚需完善,如Menicucci人发现改变外电阻的速度不同,MFC大供电能力不同,定的影响,的表观内阻,然后MFC的欧姆内阻,参照等效电路,进而确定不同电流条件下MFC各部分内阻所占比例,以期为提高MFC产电能力提出合理的建议.1　材料与方法111　MFC试验装置

[8]

经乙酸自配水在厌氧条件下驯养3d后作为接种污

泥,接种量为10mL.阳极室供给的基质为乙酸自配水,主要成份为:CH3COONa1640mgΠL;NH4Cl500mgΠL;KH2PO4300mgΠL;MgCl2 6H2O100mgΠL;CaCl2 2H2O100mgΠL;KCl100mgΠL

[13]

;pH在7左

右.阳极室上有盖密封,2min,2在mgΠL,℃.13种阻力:电化学(),由电化学反应顺利进行需要克服活化能的能垒引起;传质阻力,由反应物和生成物由于传质限制引起;欧姆阻力,由电解质中离子(质子)和电极中电子传递受到的阻力引起.这3种阻力分别对应3种电阻,分别为电化学反应电阻、传质电阻

[14,15]

和欧姆电阻.参考氢氧燃料电池,建立MFC内部等效电路如图2.图2中…… 此处隐藏：7873字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……