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本文对微生物燃料电池空气阴极的制备工艺进行了系统研发和优化,并在此基础上对阴极运行状态进行了探索。开发出了以超级电容器活性炭为催化剂,聚四氟乙烯为粘结剂,泡沫镍为集电体的高性能、低成本泡沫镍空气阴极。采用泡沫镍空气阴极的微生物燃料电池的最大功率密度达到32W/m3。此功率密度虽比碳布载铂炭阴极微生物燃料电池的最大功率密度低10%(36W/m3),但泡沫镍空气阴极的制造成本仅为碳布载铂炭阴极的1/30,且泡沫镍阴极易于扩大化生产,具有更广阔的应用前景。对泡沫镍空气阴极制备工艺的系统研究表明：活性炭种类和用量、粘结剂种类和用量、催化层中导电碳的种类、碳基层的碳载量、以及PTFE扩散层的制备工艺对空气阴极性能有较大影响,而碳基层用不同的导电碳对阴极性能没有明显影响。最佳的泡沫镍空气阴极的制备条件为：碳基层5.83mg/cm2F900导电碳黑,23.3uL/cm260%PTFE,33.3uL/cm2异丙醇;催化层15mg/cm2超级电容器活性炭,0.6mg/cm2F900导电碳黑,37.5uL/cm210%PTFE,16.7uL/cm2异丙醇,16.7uL/cm2蒸馏水。集电体的结构对阴极性能有较大影响,采用单层不锈钢网制备阴极,其电池最大功率密度为24.4W/m3,比碳布载活性炭阴极的微生物燃料电池低6%,而采用双层不锈钢网,集电体结构从二维变成三维多孔结构,不仅使催化剂在集电体内分布均匀,而且提高了催化层的导电性,从而使阴极性能显著增加。对不同目数不锈钢网制造双层不锈钢集电体的的组合研究表明：以外侧120目和内侧30目构成的双层不锈钢网为集电体时,电池功率密度最大,达到29.5W/m3,与泡沫镍空气阴极的功率密度相当,说明集电体的结构是影响阴极性能的关键因素。阴极状态的探索表明：当外电路有两条回路时,阴极电位首先受到外部小电阻回路电流控制；当内电路有两条回路时,阴极电位首先受到内部电阻小的回路控制,本文首次提出了多电路概念,对微生物燃料电池的扩大化具有重要的指导意义。