改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜的制備方法及采用該膜的燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及膜的制備方法，具體涉及改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜的制備方法及采 用該膜的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑中的化學(xué) 能高效率（50%?70%)地、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池 (proton exchange membranefuel cell，PEMFC)由于具有能量轉(zhuǎn)化率高、功率密度高、啟 動快和無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年發(fā)展最快的一類燃料電池。質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換燃料 電池的核心組件，它在燃料電池中所起的作用是雙重的：作為電解質(zhì)提供氫離子通道，作為 隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體。質(zhì)子交換膜是燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵，其性能的優(yōu)劣直接影響著燃 料電池的工作性能、成本和應(yīng)用前景。因此，對于質(zhì)子交換膜材料的研究已成為燃料電池研 究工作中的熱點(diǎn)之一。
[0003] 微生物燃料電池 （Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物作為生物催化劑 降解有機(jī)物將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。在MFC中，氧化底物的細(xì)菌通常在厭氧條件下將 電子通過電子傳遞中介體或者細(xì)菌自身的納米導(dǎo)線傳遞給陽極，電子通過連接陰陽兩極的 導(dǎo)線傳遞給陰極，而質(zhì)子通過隔開兩極的質(zhì)子交換膜（Proton exchange membrane, PEM) 到達(dá)陰極，在含鉬的陰極催化下與電路傳回的電子和O2反應(yīng)生成水。微生物燃料電池主 要組成部分為陽極、陰極、質(zhì)子透過材料。質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔 膜。但理想的材料應(yīng)該是只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧等都被截留的微孔材料。Min 等人通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了用鹽橋的產(chǎn)電量不如用PEM的高，因?yàn)辂}橋的內(nèi)電阻高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證 明，用PEM的最大功率密度為（40 ±1) mW /m2,而用鹽橋其最大功率密度僅為2.2 mW /m2。 PEM大多采用美國杜邦公司的Naf ion全氟磺酸膜，該膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、質(zhì) 子導(dǎo)電率高（較大水含量時）等優(yōu)點(diǎn)，但其成本高、甲醇滲透率大，極大限制了 PEMFC的應(yīng) 用。因此，開發(fā)導(dǎo)電性能優(yōu)良、成本經(jīng)濟(jì)、甲醇滲透率低的新型質(zhì)子交換膜是現(xiàn)在研究的熱 門。
[0004] 圖1為微生物燃料電池工作原理圖，圖2是以Nafion膜為隔膜材料的微生物燃 料電池示意圖；Nafion膜具有良好的質(zhì)子擴(kuò)散性能，但價格昂貴，不利于MFC技術(shù)的大規(guī) 模應(yīng)用。
[0005] 圖3是以鹽橋?yàn)殛庩杻墒覍?dǎo)通材料的微生物燃料電池示意圖，鹽橋的內(nèi)電阻高； 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，用Nafion等質(zhì)子交換膜的最大功率密度為（40 ±1) mW /m2,而用鹽橋其 最大功率密度僅為2. 2 mW /m2;其它各種分隔材料的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜的制備方法，其特征是它包括以下步驟： (1) 細(xì)菌纖維素膜的制備：以葡萄糖為碳源，以蛋白胨為氮源，培養(yǎng)基經(jīng)木醋桿菌發(fā)酵 得細(xì)菌纖維素膜；發(fā)酵條件是：pH 5.0,溫度30 〇C，葡萄糖1.5 g/ dL，蛋白胨I g/ dL，0. 4 g/ dL 醋酸，1 g / dL 乙醇,0.4 g/ dL 乳酸； (2) 細(xì)菌纖維素膜的改性：在容器中加入0. I M的KCl水溶液，步驟（1)的細(xì)菌纖維素 膜濾紙吸干表面水分后浸入其中l(wèi)〇-15min，得改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜。
2. 燃料電池，其特征是：由兩個對稱的半室構(gòu)成雙室電池反應(yīng)器；兩個半室通過聚四 氟乙烯法蘭連接，并將權(quán)利要求1的改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜夾在聚四氟乙烯法蘭之 間，由O形圈密封；其中陽極電解質(zhì)溶液為0. 5M CH3OH+ XK-2,陰極電解質(zhì)為0. 5M HClO4，陽 極選用Pt電極，陰極選用鉬黑電極，得細(xì)菌纖維素膜燃料電池。
【專利摘要】本發(fā)明公開了改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜的制備方法及采用該膜的燃料電池，以葡萄糖為碳源、蛋白胨為氮源，經(jīng)木醋桿菌發(fā)酵得細(xì)菌纖維素膜；將細(xì)菌纖維素膜浸入0.1M的KCl水溶液中10-15？min，得改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜。由對稱的半室構(gòu)成雙室電池反應(yīng)器；兩個半室通過聚四氟乙烯法蘭連接，將改性細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜夾在法蘭之間；陽極電解質(zhì)溶液為0.5M？CH3OH+？XK-2，陰極電解質(zhì)為0.5M？HClO4，Pt電極作陽極，鉑黑電極作陰極，得細(xì)菌纖維素膜燃料電池。本發(fā)明將改性細(xì)菌纖維素膜用作燃料電池隔膜，采用導(dǎo)入離子的方法增加細(xì)菌纖維素膜的導(dǎo)電能力，工藝簡單，成本低廉，該方法快速、簡便，電池的功率密度是鹽橋電池最大功率的1.9倍。
【IPC分類】H01M8-02, C08J7-00, C12R1-01, H01M2-16, C08L1-02, C12P19-04
【公開號】CN104558654
【申請?zhí)枴緾N201510030349
【發(fā)明人】宋潔, 趙樸素, 徐繼明, 劉曉燕, 許家興, 徐寧, 鄧媛方, 吳真
【申請人】淮陰師范學(xué)院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月21日