细菌纤维素/Nafion复合膜的制备及性能研究(2)
纤文素是由葡萄糖和糖苷键组成的大分子多糖，是一种具有生物可降解性的生物合成高分子材料,也是植物细胞壁的主要成分。纤文素是世界上资源最丰富的天然有机物之一，其碳含量占植物界的50％以上。纤文素的使用渗透在人类的日常生产生活的每一个角落，纤文素是造纸业和纺织业必不可少的原料,在新型高性能功能材料和高分子复合材料的制造方面也有着诸多应用,常用来作为掺杂或基底材料，近年来，纤文素越来越多的应用于在医疗和健康方面，纤文素是一种含量丰富，环境友好，可再生且应用广泛的环保材料[5]。
由于细菌纤文素膜具有超细（可以做到纳米级）、超纯、超强的高杨氏模量、优良的热稳定性、高保湿性和低气体渗透性，并且纤文素膜在醇和水的渗透汽化分离实验结果表明其对甲醇通透性很低,这种种优势表明可利用纤文素膜来制作质子交换膜。大量对于细菌纤文素膜作为质子交换膜的研究结果表明其性能明显高于其他聚合物膜，特别是细菌纤文膜在130 ℃状态下的优良热稳定性和低气体渗透性，使用来源广泛价格便宜的废糖蜜等作为碳源生产纤文素，可以降低纤文素成本，在价格上具有更大优势，细菌纤文素膜在燃料电池中的应用具有广阔前景[6]。
复合膜可以很好的结合多种膜材料的性能，获得远远优于单一膜的综合性能，并且可根据应用目标选择复合的膜种类，进行性能设计。本课题研究的内容即通过将细菌纤文素掺杂进Nafion膜,制取复合膜，通过测定复合膜的红外光谱性质、力学性能(DMA) 、热学性能(TG，DSC，DMA)、质子传导率、吸水率、甲醇渗透率等性质和参数，探讨BC与Nafion之间的相互作用，对复合膜的综合性能进行评价，获得性能更加优良且适用于实际生产和应用的质子交换膜。
1.1燃料电池概述
1.1.1燃料电池发展简介
燃料电池是一种不经过燃烧而直接将燃料的化学能通过电化学反应转变为电能的发电装置。从1839年Grove提出燃料电池的原理实验到如今燃料电池进入实际应用阶段，一百七十多年的时间里，燃料电池经过了多个发展阶段。在二十世纪吹冰十年代之前，世界能源充足，燃料电池一直处于基础研究阶段，到了二十世纪吹冰十年代，由于世界大国对宇宙开发和载人航天的热衷，高功率，高利用率的燃料电池被科学家所重视，阿波罗登月飞船上的主电源就是一种氢氧燃料电池，这一阶段对燃料电池的主要研究也集中在作为高端航空电源的应用上。进入七十年代后，随着能源危机的出现，科学家们意识到高能量转换率的燃料电池在民用方面也有着很大发展空间，研究方向转向了电站式发电装置，燃料电池实验电站发展到了兆瓦级的级别。九十年代地球环境的日益恶化，人们开始评估各种能源对环境的影响。燃料电池基本无污染的特点再度受到重视，燃料电池的开发进入环境时代[7]。如今，燃料电池的作为汽车电源和便携式电源有了更多的应用方向，但是大多尚处于示范阶段，若想大范围投入使用，还有很多成本及寿命生产能力的问题需要解决。
目前燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、碱性燃料电池（alkaline fuel cell,AFC)、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)、磷酸燃料电池(phos-phoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell,MCFC)、直接醇类燃料电池(direct alcohol fuel cell,DAFC)等。
1.1.2燃料电池工作原理
燃料电池与普通化学电池有着一样的工作原理，阳极发生氧化过程，阴极发生还原过程。以常见的氢氧燃料电池为例，氢气在阳极的催化剂作用下氧化，与OHˉ反应生成水和电子，电子经外电路迁移到阴极，阴极催化剂的作用使电子与氧气和水发生反应产生OHˉ，OHˉ又可通过电解质再回到阳极与氢气反应，构成一个循环的反应环[8]。