[发明专利]一种采用细菌纤维素制备质子交换燃料电池膜电极方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用燃料电池中质子交换膜的制备方法，特别是一种细菌纤维素膜制备燃料电池中质子交换膜的方法。

背景技术

燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。由于燃料电池具有高能量转换效率、高比功率、无运动部件、低红外辐射和环境友好等优点，世界各国研究人员都把燃料电池视为解决环境与能源短缺问题的重要攻关项目之一。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Memberane Fuel Cell，PEMFC)可以在常温下使用，同时以聚合物为电解质提供质子传导通道，因而可用在电动汽车、移动通讯、潜艇、航天方面及作为固定电站等首选电源。

质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、催化剂和质子交换膜等部分组成。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心，它在燃料电池中的作用是双重的：一是作为电解质提供氢离子通道；二是作为隔膜隔离两极反应气体，防止它们直接发生作用。其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能，因此为了进一步提高燃料电池的性能，推进质子交换膜燃料电池商业化进程，需开发新型的、低成本的碳氢聚合物型质子交换膜，它不仅成本低而且环境污染相对较小，代表着质子交换膜的发展趋势。

目前制备膜电极三合一(MEA)常用的方法为：聚合物电解质膜、阳极催化层、阴极催化层通过一定的疏水处理后经热压成膜电极。制备工艺中的粘结剂在热压过程中对催化层的催化性能有很大影响，粘结剂的过多可导致聚合物电解质膜和催化剂之间的接触面积减小而影响催化性能，而粘结剂过少可导致聚合物电解质膜和催化剂粘结不牢导致膜电极综合性能降低。简化质子交换膜燃料电池的膜电极制备工艺，可提高膜电极性能的稳定性。

在当今全球能源紧张、油价高涨的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。氢能具有清洁、高效等特点，因此其被认为是替代当前的化石燃料成为未来主要能源，而燃料电池是利用氢能最好的方式。由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，倍受各国研究人员关注。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源，它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。

美国已有一篇利用细菌纤维素作为模版，在细菌纤维素膜表面自然沉积钯粒子制备出具有催化性能的膜材料。钯粒子对氢和氧的催化能力在同样条件下要比铂粒子弱的多，并且由未改性的细菌纤维素和钯复合出来的膜电极的综合性能还不太理想。因此，开发碳氢聚合物型质子交换膜为代表的性能更高、耐久性更好、成本更低廉、环境适应性更强的新型细菌纤维素质子交换膜迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的细菌纤维素膜制备燃料电池中质子交换膜的方法，它是一种利用微生物发酵制备出新型的、低成本、环境污染相对较小的碳氢聚合物型质子交换膜。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种采用细菌纤维素制备质子交换燃料电池膜电极方法，其步骤如下：

(1)取活化的木醋杆菌Acetobacter xylinum接入种子培养液中，27-29℃恒温振荡培养8-16h，摇床转速100-220r·min^-1；以2-10％的接种量接入发酵培养液中，摇匀，于27-29℃恒温培养7-10d，获得细菌纤维素膜；

(2)将细菌纤维素膜取出，先后用自来水和去离子水冲洗，冲洗后放入去离子水中，70-100℃浸泡处理0.5-4h；用1-5％的氢氧化钠或氢氧化钾或碳酸钠或碳酸钾溶液对其浸泡，并将浸泡液放在15-25℃的水浴中处理60-90h；用pH为3.5-5.5的HAc-NaAc缓冲溶液对细菌纤维素膜中残留的氢氧化钠或者氢氧化钾或者碳酸钠或者碳酸钾溶液进行中和处理；再用去离子水浸泡细菌纤维素膜，去除膜内离子，用pH试纸检测细菌纤维素膜表面，当其表面pH值为7.1-7.4时停止去离子水漂洗，于20-60℃真空条件下干燥12-36h，保存备用；

(3)a：用杂多酸对细菌纤维素膜进行掺杂处理，所述杂多酸是指具有质子交换功能的H₃BM₁₂O₄₀，其中B＝P、Si或As，M＝Mo、W或V，利用过量的质量浓度为1-35％的杂多酸溶液对细菌纤维素膜进行浸泡，时间超过10min；取出细菌纤维素膜后擦去膜表面残余的酸即得掺杂性质子交换膜，用去离子水润洗2-4次后20-60℃真空干燥2-6h，备用；

或者，