沉積物微生物燃料電池電能收集及應(yīng)用.pdf

1、沉積物微生物燃料電池(Sediment Microbial Fuel Cell，SMFC)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行過程中不需維護(hù)，可持久產(chǎn)電，在野外自供電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，吸引了很多人的關(guān)注。但SMFC輸出電流微弱，輸出電壓低，不滿足一般電子器件的供電要求。而實際環(huán)境中SMFC的陰陽兩極處在同一自然水體中，也無法采用傳統(tǒng)MFC串聯(lián)連接的方式來提高輸出電壓。如何利用SMFC輸出的微弱電能成為SMFC走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸問題。本論文針對此問題，對提

2、高SMFC輸出功率以及收集SMFC的微弱電能用于實際應(yīng)用開展了研究，主要內(nèi)容如下：
　　(1)在實驗室以南京玄武湖沉積物構(gòu)建了湖泊SMFC，比較了電極組態(tài)對SMFC功率密度的影響。在陽極面積(30cm2)相等條件下，陰陽面積比為1:1、3:1和6：l時，SMFC最大功率密度分別為7.7 mw/m2、35.6 mw/m2和40.8 mw/m2；同時發(fā)現(xiàn)，在陰陽面積比為3:1和相等陽極總投影面積(60cm2)的條件下，SMFC-1/l

3、(單陽極)、SMFC-1/2(2陽極)、SMFC-1/3(3陽極)、SMFC-1/4(4陽極)、SMFC-1/5(5陽極)、SMFC-1/6(6陽極)最大功率密度分別為2.58 mW/m2、4.00mW/m2、3.41mW/m2、3.13mW/m2、3.13mW/m2、3.08mW/m2，多陽極SMFC最高功率密度都高于單陽極SMFC，說明陽極適當(dāng)?shù)姆指钣欣赟MFC獲得更高功率密度。
　　(2)為利用SMFC輸出的微弱電能，首先

4、設(shè)計一種基于虛擬儀器技術(shù)的控制方式來控制超級電容器充放電，先通過超級電容器收集SMFC輸出的微弱電流，然后再短時釋放出較高的電能，SMFC短路電流最大2mA，采用1F超級電容，放電時電流最大19mA，為利用SMFC輸出的微弱電能提供一種有效方式；為滿足野外使用的需要，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了SMFC自主電源管理系統(tǒng)(PMS)為負(fù)載有效提供能量，工作過程中所有電能都來自SMFC(SMFC最大輸出功率為62.5μW，對應(yīng)的電壓、電流分別為250mV

5、，0.25mA)。采用PMS1可使輸出電壓達(dá)到3V。在PMS1基礎(chǔ)上，增加一個后端控制電路，設(shè)計了一種負(fù)載能力強(qiáng)的電源管理系統(tǒng)系統(tǒng)(PMS2)，采用4.7F超級電容器，可以22min的間隙，在3V時輸出功率4.5mW；采用二級超級電容器儲能，得到一種大輸出功率的電源管理系統(tǒng)系統(tǒng)(PMS3)，后端超級電容器若選用0.1F，完全放電可以為負(fù)載提供0.45J的電能。。
　　(3)最后，在PMS2基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個基于SMFC自供電的無線