微生物燃料电池电极界面及邻近区域传递过程相关热物理和生化参数实时测量方法研究

The performance of microbiological fuel cell (MFC) are influenced by the biochemical reactioins on the electrode interface and its surrounding processes of heat and mass transmission, which will involve multi-scale thermophysical parameters and biochemical parameters. In the past, the investigation into the mechanism of these processes were limited by the lack of effective measurement methods. In this project, by ultilizing the real-time measurement method of the "temperature and refractive index sensing array system based on the 3D distributed fiber Bragg gratings(FBG) ", "refractive index sensing system based on the long period fiber grating (LPFG)" and "sensing system based on the bandwidth fiber evanescentwave spectrum", the multi-scale thermophysical parameters and biochemical parameters on and surrounding the electrode interface will be investigated from the aspects of reactor scale, biofilm scale and micro-ecological scale, respectively. These parameters include the temperature field and concentration field in the cathode room,the average biofilm thickness on the anode interface, changes of different constituents of the compounds on the anode interface. The research contents in this project can provide not only effective investigation into the theoretical model of the heat and mass transmission in the MFC but also important references to the optimization of processing control. Besides, these researches are very important to the progress of the investigation and application of MFC and fiber measurement technology as well.

微生物燃料电池(MFC)的性能受到电极界面的生化反应和邻近区域的传热传质等耦合过程的影响，涉及多个尺度的热物理参数和生化参数。过去由于缺乏有效的测量手段，限制了人们对其机理和规律的深入的认识。本项目拟通过研究基于"三维准分布式光纤Bragg光栅(FBG)温度-折射率传感阵列系统"、"长周期光纤光栅(LPFG)折射率传感系统"和"带宽光纤倏逝波谱传感系统"的实时测量方法，分别从反应器尺度、生物膜尺度和微生态尺度实时获取MFC电极界面及临近区域的多尺度的物理参数和生化参数，包含：阳极室(阴极室)的温度场和基质浓度场、阳极界面的微生物膜平均厚度、基质中不同组分的化合物含量在阳极界面的变化。项目研究工作的开展可为微生物燃料电池内部的传热传质特性的研究和理论模型的建立提供有效的实验手段，同时还可为其过程的优化控制提供重要的方法和依据，对促进微生物燃料电池及光纤测量方法的研究和应用具有非常重要的作用。

本项目完成了（1）研究了用于MFC 内部阳极室或阴极室温度场、基质浓度场的准分布式同时实时测量的“三维准分布式FBG 温度－折射率传感阵列系统”的FBG 传感器单元及其阵列；建立该传感器单元及阵列研究的测量原理，获得了在不同的外部运行条件下MFC 内部的相关温度场、基质浓度场的准分布数据。（2）研究了实时测量MFC 阳极界面微生物膜厚度的“LPFG 折射率传感系统”，建立了该传感器的测量原理，获得了不同外部运行条件下阳极界面的微生物膜的生长状况。（3）研究了实时监测MFC 阳极界面基质中不同组分的化合物含量变化的“带宽光纤倏逝波谱传感系统”，将该系统应用于运行中的MFC 的阳极界面多组分的化合物含量变化的实时测量，获得了在不同的外部运行条件下MFC阳极界面基质中不同组分化合物含量的变化。（4）编写了相应参数的可视化软件，该可视化软件能实时显示MFC 运行过程中阳极界面基质中的各不同组分化合物含量的变化曲线或曲面。在国内外发表24篇学术论文，其中， SCI收录12篇（一区3篇、二区6篇、三区1篇、四区2篇），EI核心期刊2篇，核心期刊10篇，申请国家发明专利14 项，参加国内外相关学术会议交流10余人次，培养研究生14名。

内容获取失败，请点击重试