微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一种新型的生物能源转换技术,是利用产电菌作为阳极反应的催化剂,将有机物中的化学能转化为电能的装置。根据反应器尺度来说,微型化是微生物燃料电池的重要发展趋势之一,微型化之后可以作为微生物基础研究的平台或者用作新型便携式电源驱动微型传感器、低能耗集成电路、可植入式生物医学设备及不便更换燃料的偏远地区电子设备,因此,得到了国内外研究者的广泛重视。层流型微流体微生物燃料电池相对于传统的微型微生物燃料电池,去除了用于分隔阴阳极的质子交换膜,不但降低了成本,而且减小了电池内阻,有利于提高电池的产电。然而,目前层流型微流体微生物燃料电池阳极微小槽道内产电菌成膜的机理研究有待深入,需要外部驱动设备,严重限制了层流型微流体微生物燃料电池的发展。根据层流型微流体微生物燃料电池的成膜条件,本文构建了微小槽道内阳极产电菌成膜反应器,系统研究了不同启动条件下微小槽道内产电菌的成膜及其产电特性,采用光学显微镜实时观测了阳极产电菌的整个成膜过程,采用扫描电子显微镜表征了成膜后产电菌生物膜的微观形貌,并对成膜后生物膜的电化学性能进行了测试。此外,本文还提出了一种只依靠重力来驱动阴阳极液流动的新型层流型微流体微生物燃料电池,实现了全被动式的结构,研究了其启动特性,以及不同外阻、不同温度、间断反应物供给条件下电池的电压响应特性。本文的主要研究成果如下:(1)不同阳极液流量下产电菌附着成膜所需时间无明显区别,但其成膜过程及成膜完成后形貌特征差异较大,电化学活性及产电性能略有差别。在阳极流量为100μL/min、200μL/min、800μL/min下产电菌成膜的启动时间都接近为45h。从数码图像和光学显微镜图像可知,在较高阳极液流量下,浓度边界层较薄,生物膜附着量较多。此外,不同阳极液流量下产电菌附着成膜呈现出差异较大的微观形貌特征,阳极液流量100μL/min下形成的生物膜疏松多孔,阳极液流量200μL/min下形成的生物膜较为密集均匀,阳极液流量升至800μL/min时生物膜更为厚实且在入口处出现皲裂状特征。较小阳极液流量下产电菌成膜过程中底物供给不充分,故其产电性能及生物电化学活性较差。较大阳极液流量下,产电菌成膜过程中底物供应充足,但由于较大的剪切力导致生物膜附着厚实,底物在膜传递阻力增加,故阳极液流量为200μL/min时产电菌所形成的生物膜生物电化学活性及产电性能及较好。(2)不同阳极电位下产电菌附着成膜所需时间、成膜过程及成膜完成后形貌特征、电化学活性及产电性能均有明显差别。在阳极电位-50 m V、50 m V和150m V(vs.Ag/Ag Cl)下,产电菌成膜所需的时间分别为35h、45h和47.5h。从数码图像和光学显微镜图像可知,在较高阳极电位下,生物膜附着量较少。此外,不同阳极电位下产电菌附着成膜呈现出差异较大的微观形貌特征,阳极电位-50 m V下所形成的生物膜疏松多孔,阳极电位50 m V下所形成的生物膜较为密集均匀,阳极电位150 m V下生物膜呈现为较多胞外聚合物与产电菌形成网状的微观形貌。随着启动过程施加阳极电位的增大,产电菌转移电子到电极表面所获得能量增高,电极表面上产电菌的附着成膜过程中转移电子数量增加,生物膜在较大电流下形成,其生物电化学活性及产电性能也相应较好。(3)重力驱动式层流型微流体微生物燃料电池启动时间较短仅为90h,由于入口段效应及阴极液的扩散混合沿流动方向不断增强,阳极生物膜附着量沿电极液流动方向递减。启动完成后,测试了电池在不同外阻、温度和底物间断供给条件下的电压响应,实验结果表明该电池在这几种条件下电压响应较为迅速,而且输出电压稳定。该层流型微流体微生物燃料总内阻为1577Ω,最大体积功率密度达3250W/m~3,其性能优于其他无膜型微流体微生物燃料电池。