题目：卷式微生物燃料电池的研究

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）技术在净化污水的同时可以将有机物中的化学能直接转化为电能，是一种新型的污水处理与能源回收技术，为未来的污水处理提供了新的思路。然而目前的MFC技术仍然受到输出功率过低和成本过高的限制，是推广MFC实用化的关键问题。而开发更为先进的MFC结构和更为廉价的MFC材料是解决这两个问题的重要手段。本论文首次提出了卷式结构的MFC（Sprial Wound Microbial Fuel Cell, SWMFC），利用阳离子交换膜、碳布及载铂碳纸构建了SWMFC，研究了SWMFC与传统的双室结构MFC(Double chamber Microbial Fuel Cell, DCMFC)及双膜结构的MFC（Double Membrane Microbial Fuel Cel, DMMFC）相比的优越性，并采用几何结构分析的方法，分析了其差异的原因。通过比较同体积情况下SWMFC和DCMFC及DMMFC之间的产电电压、体积功率密度、欧姆阻力及电极的电化学活性等评价指标，证明与传统的DCMFC和DMMFC结构相比，虽然SWMFC在输出电压和电化学活性上无明显提升，但是其体积功率密度分别提高了44%和99%，原因可能是SWMFC较大的膜面积和特殊的电池结构（阴极被夹在两个隔膜之间）极大地降低了欧姆内阻，这对于提高目前MFC的功率密度有着十分重要的意义。为了降低SWMFC成本，本论文通过评价不同材料的电化学活性和功率密度，优化了构成SWMFC的阴阳极材料和隔膜材料。在阳极材料方面，进行了碳布、碳纤维、自制活性纸壳碳的比较实验研究，结果表明，纸壳碳具有低成本、高输出的特点。分析使纸壳碳输出高的主要原因可能是纸壳碳特殊的多孔结构增加了物质传递。在此基础上，进一步比较了平面式纸壳碳阳极和卷绕式的纸壳碳阳极材料，发现卷绕处理没有对纸壳碳阳极材料的性能产生显著的影响，但是卷绕的方式使纸壳碳更方便用于小型MFC中作为阳极材料。在阴极材料方面，尝试利用辊压法、聚四氟乙烯粘结法制备了活性炭阴极，与载铂阴极对阴极氧气还原效果进行了实验分析对比，结果表明这两种方法制备的活性炭阴极具有替代载铂阴极的潜力，并且证明利用辊压方法制备的活性炭阴极催化效果要好于利用聚四氟乙烯粘结方法制备的活性炭阴极。在隔膜材料方面，本论文首次提出了利用普通碱性电池隔膜纸作为MFC隔膜材料，分析比较了这种隔膜和不锈钢—碳粉隔膜及常规的阳离子交换膜的质子、水分及氧气透过率，结果表明普通碱性电池隔膜纸在质子透过率方面优于不锈钢—碳粉隔膜及阳离子交换膜，但是其水分及氧气透过率较大，有待进一步改进。本论文采用MATLAB仿真建模的方法，对SWMFC的结构进行了优化。首先通过实验的方式验证了通过MATLAB建立模型模拟MFC内阻的可行性，结果表明通过MATLAB模拟计算的DCMFC、DMMFC和SWMFC的内阻和实测的欧姆内阻相差不大。在此基础上，分别比较了不同隔膜距离、高度及直径对SWMFC欧姆内阻的影响，结果表明减小隔膜距离，增加高度和直径均能减小SWMFC的欧姆内阻，其中通过减小隔膜距离来降低SWMFC内阻最为有效，仿真结果为建立高效的SWMFC提供了理论基础。