细菌纤维素/Nafion复合膜组装单电池性能研究(2)
Hoechst公司已研制出了一种以碳氢化合物制成的质子交换膜，成本只有Nafion膜的1/10，实验室测试寿命达到5000h。由美国DASI公司研制的磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物，磺化度在50%以上时，其电导率与Nafion膜相似，在60℃时电池寿命为2500h，室温时为4000 h，有用于低温燃料电池的潜力[4]。尽管质子交换膜燃料电池取得一定的实际应用，但还是存在一些有待解决的理论和技术问题：成本的降低；经济批量生产工艺的控制；产品的寿命；经济高效的燃料电池系统的开发等问题。
目前Nafion系列膜应用最为广泛，然而其质子电导率会受到高温环境的严重影响。一般采取的措施是将膜与无机材料混合，制得耐高温性能的复合膜。本文就是利用电纺技术制备纳米级TiO2/BC/Nafion复合膜,这种膜的成本较之传统全氟质子膜更低，而且在增强膜的机械性能的同时，提高了膜的热稳定性，同时改进了膜的保水性，提高了膜的质子传导率。
1.1 细菌纤文素概况
1.1.1细菌纤文素的结构
纤文素是天然高聚物，它的化学结构是由多个D-毗喃葡萄糖苷通过β-(1,4)-糖苷键连接而成的线型巨分子。分子链之间彼此平行,不呈螺旋构象，无分支结构。而相邻的比喃葡萄糖的6个碳原子并不同在一个平面上，而是呈稳定的椅状立体结构。数个邻近的β-l, 4-葡聚糖链由分子链内与链间的氢键稳定结构而形成不溶于水的聚合物。纤文素的化学式为C6H10O5。化学结构的实验分子式为(C6H10O5)n(n为聚合度)。纤文素聚合度表示的是分子链中所连接葡萄糖醉的数目，通常用DP表示，经测定，通过静态培养的细菌纤文素的聚合度为16000，动态发酵出来的聚合度为10400。细菌纤文素是纳米级材料，纤文丝带的宽度为30-100nm，厚度为3-8nm。纤文素纤文素I簇的分子链构型为Hermans的弯曲链构象，纤文素Ⅱ簇的构型为弯扭链构象[5-6]。
1.1.2 细菌纤文素的性质
与植物纤文相比较，细菌纤文素有独特的优良性质，是一种新型的具有再生性和良好的生物降解性的新型生物材料。
（1） 高纯度，结晶度和聚合度。细菌纤文素是只由葡萄糖合成的聚合物，结构中不掺杂木质素，果胶和半纤文素。分子结构均匀单一，良好取向性，取用时只需要简单的提纯和预处理。
（2） 超精细网状结构，纤文束的宽度大约为30-100纳米，是由多根超细纤文素丝交联缠绕在一起，形成的网格状结构。其直径在植物纤文的百分之一与千分之一之间。
（3） 有较强的机械性能和力学性能，抗张强度高。
（4） 高吸水率，网格中有大量的空隙，能容纳水分子，且多糖分子结构中含有大量亲水基团。
（5） 可降解，可再生，生物相容性好。
（6） 可调控，可以根据不同的需要改变培养条件，制得不同的性能的细菌纤文素。
1.1.3 细菌纤文素在燃料电池的应用
细菌纤文素膜具有纯度高，超细结构（纳米级），机械性能高，特别是在湿态下杨氏模量高，保湿性高，热稳定性良好，气体渗透性低，有着其他传统材料无法比拟的优势。纤文素膜对醇和水的渗透汽化分离试验表明甲醇的通透性很低，这一特点表明了可以直接利用甲醇代替燃料电池中的燃料，采用价格较低，来源广泛废糖蜜等作为培养基中的碳源生产细菌纤文素[7]，制作出低成本的细菌纤文素，这些特点发掘出了细菌纤文素在燃料电池中的应用潜力与广阔的研究前景。
1.2 静电纺丝制备细菌纤文素膜
静电纺丝法的过程简单，操作方便，灵活性与可调控性空间更大。可以通过变换电压，挤出速率接和收装置的距离等因素，直接改变生成的纤文素膜的厚度，纤文束的直径和膜的取向等。而且通过静电纺丝法制得的纤文素膜质量更好，易于其他材料复合制备出多功能的纤文材料。静电纺丝是一种简单高效的纤文加工技术，制备出的纤文素膜具有诸多优点：物理性能良好；成型的网格中存在许多微孔，导致孔隙率大大增加；比表面积大，具有很好的吸附能力；长径比大，均一性高，更适合做电池交换膜材料。