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随着人类社会的发展,全球性的能源匮乏和环境污染问题不断加剧,可持续、无污染的新能源研究逐渐被重视。微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)利用微生物催化降解废水中可降解的有机物,在处理废水的同时产生电能,是一项新型的废水处理和电源技术,对解决能源危机和环境污染具有重要意义。但目前MFC还存在造价昂贵、扩大化后产电功率密度低等问题,规模化应用进展缓慢。针对扩大化MFC性能下降问题,本文以被认为最具有实用化潜质的单室空气阴极电池为研究对象,首先研究了MFC的容积从28mL (mL-MFC)扩大到4.5L (L-MFC)对电池产电性能的影响,并考察了L-MFC串联和并联系统的产电性能。研究发现：]mL-MFC的最大功率密度为30W m-3(1200mW m-2), L-MFC的最大功率密度为7.3W m-3(435mW m-2),扩大化后活性炭空气阴极性能下降是导致L-MFC功率降低的主要原因。电化学交流阻抗(EIS)分析表明：L-MFC阴极性能下降的主要原因是水压增加导致阴极扩散电阻增大。串联或并联方式组合L-MFC,可明显提高电池的输出电压或电流,但串并联组合后电池的功率密度有所下降,主要由电池连接时的接触电阻引起。鉴于MFC尺寸扩大后,水压增加易发生空气阴极漏水和析盐,从而降低空气阴极的性能,本文通过研究水压对MFC产电性能的影响,研发出高性能的新型耐水压空气阴极。研究发现：在100mmH2O水压下,MFC的最大功率密度为1260±24mW m-2,当水压增加到500mmH2O和2000mmH2O,产电功率分别降低了22.4%和44.7%。值得注意的是,阴极和阳极性能均随着水压的增加而下降。EIS的结果表明：高水压导致阴极催化剂淹没,阴极的电子传递电阻和扩散电阻明显增加。利用聚合酶链式反应和变性梯度凝胶电泳相结合的方法(PCR-DGGE)对不同水MFC阳极微生物进行种群分析,结果显示：不同水压下阳极微生物生物群落的相似性均大于90%,且各MFC中优势产电菌种均为Geobacter sp.。通过交换在100mmH2O和2000mmH2O两种MFC的阳极,研究发现：阳极的产电性能与水压有很好的契合度,即阳极性能改变只与水压有关,而与阳极本身无关。由此可见：高水压没有改变阳极微生物的群落结构,只是暂时抑制了产电菌的新陈代谢。本文研制了以浸满PTFE的隔膜材料为扩散层的新型空气阴极,提高了空气阴极的耐水压性能,新型阴极耐受水压达到2000mmH2O。同时将阴极扩散层的炭基层改为催化层涂层,使发生氧气还原反应界面的纵向深度增加,减轻了高水压下催化层淹没。