专利名称：燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种采用微生物作为燃料电池中质子交换膜的制备方法，更特别地，是指一种从嗜盐菌菌体中分离出的蛋白质作为燃料电池用的菌紫质质子交换膜的制备方法。
背景技术：
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的电化学反应装置。其中质子交换膜燃料电池由于可在常温下使用，同时以聚合物作为电解质，因而可用作电动汽车、移动电器及固定电站的电源。质子交换膜的主要作用是作为电解质提供质子传导的通道，同时作为隔膜隔离两极反应的气体。通过质子在阳极被氧化过程产生能量，宏观上表现为燃料电池的供电效应。质子交换膜是决定质子交换膜燃料电池性能的关键因素，为了进一步提高电池的性能，加速质子交换膜燃料电池的商业化进程，需要对现有的质子交换膜进行改进，包括提高膜的离子交换容量，降低膜厚度以减小膜电阻，降低膜的制作成本等。
极端嗜盐菌(Halobacterium Halobium)是极端微生物的一种，它对15％以上的氯化钠(NaCl)有特殊适应力。与耐盐菌不同，嗜盐菌离开高盐环境是不能生存的。嗜盐菌具有独特的细胞壁，壁结构以离子键维持。在高浓度Na+条件下保持细胞壁蛋白质亚单位间结构和细胞的完整性。同时嗜盐菌也具有独特的细胞膜。细胞膜在长期适应高盐环境下形成了植烷醇这一结构。而紫膜(Purple Membrane，PM)是嗜盐菌细胞膜上的特定功能膜，研究表明紫膜是部分异化的细胞膜。膜上唯一的蛋白质-细菌视紫红质，简称菌紫质(bacteriorhodopsin，BR)，是一种光能转换色素蛋白。受可见光照射时，能发生光致色变并具有质子泵功能。菌紫质分子吸收光子后进行光循环，产生一系列有着不同吸收特性和动力学特征的光循环中间体，在此过程中菌紫质将质子从膜内泵到膜外，在膜两侧产生电化学质子梯度，嗜盐菌可以利用这个梯度进行三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate ATP)合成、推动细胞运动和氨基酸吸收等一系列生理活动。在生物体外，菌紫质的稳定性极好，可利用一定方法在透明的载体(如导电玻璃)上形成单层或多层的菌紫质膜或化学增强膜。菌紫质的色素膜系统十分简单稳定，足以通过其结构的改变来控制光电信号，同时菌紫质作为纯天然的绿色生物功能性材料，不仅易于培养与分离，而且可以进行基因改造与分子排列形式的重组；较大的比吸收面积与良好的双光子特性更有利于对弱光的吸收及能量的转化。因而菌紫质成为国际上生物电子技术和光信息处理的新型热点材料。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用高速离心、差速离心、共混工艺制备菌紫质质子交换膜的方法，该制备方法中通过调节离心设备的转速实现菌体与蛋白质、红膜与紫膜的分离，其分离工艺简单易行。
本发明是一种制备燃料电池用菌紫质质子交换膜的方法，其包括以下步骤第一步高速离心采用离心方式在转速11000～15000g的条件下离心10～20min将嗜盐菌培养基中的菌体分离出；然后，将分离出的菌体与蒸馏水、破核酶混合搅拌10～18h，使菌体溶涨破碎制成菌体混合液，其中，菌体与蒸馏水的体积比为1.5～3∶10，菌体与破核酶的体积比为1.5～3∶0.01；第二步差速离心(A)采用离心方式将第一步骤中制得的菌体混合液在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留上清液；(B)将上述上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留沉淀部分；然后，(C)在沉淀部分中加入浓度为0.05～1mol/L的氯化钠在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留第二次上清液；再将第二次上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留第二次沉淀部分，重复该步骤至上清部分无色透明且保留该最后一次沉淀部分，沉淀部分与氯化钠的体积比为1.5～3∶10；(D)将(C)中的最后一次沉淀部分与蒸馏水按体积配比1.5～3∶10混合，制得紫膜水溶液；第三步共混处理(A)将聚乙烯醇和缓冲剂加入蒸馏水中，并加热至80℃～160℃后冷却至室温制成共混溶剂，聚乙烯醇与蒸馏水的体积比为0.5～1∶10，缓冲剂与蒸馏水的体积比为0.01～1∶10；(B)将第二步骤中制得的紫膜水溶液加入共混溶剂中，经沿壁搅拌，超声去泡后静置10～30min即制得菌紫质质子交换膜溶液，其中，紫膜水溶液与共混溶剂的体积比为1.5～3∶10；
第四步制备菌紫质质子交换膜采用流延制膜法将第三步骤中制得的菌紫质质子交换膜溶液铺展于基板上，经室温干燥10～24小时后脱膜，即得到用于质子燃料电池用的菌紫质质子交换膜。
所述的菌紫质交换膜的制备方法，在第四步骤中铺展于基板上的菌紫质质子交换膜厚度为30～80微米。
所述的菌紫质交换膜的制备方法，在第四步骤中制备得到的菌紫质交换膜保存在常温的去离子水中。
本发明制备菌紫质质子交换膜方法的优点在于(1)在制备过程中通过控制离心设备的转速和离心时间便可实现菌体的分离，故工艺简单易操作，安全可靠，对环境不造成污染；(2)嗜盐菌微生物原材料易得，用作燃料电池的质子交换膜其生产成本低廉；(3)用于燃料电池开发投入相对较少，生产周期较短；(4)菌紫质质子交换膜在20℃～50℃范围内的质子传导率为1.20×10-2S/cm～5.21×10-2S/cm。
具体实施例方式
本发明中采用菌种为嗜盐菌属中的盐生盐杆菌(Halobacterium halobium菌种编号1.2368)，购自中科院微生物所菌种中心，经活化、扩大培养、连续培养，得到所需数量的嗜盐菌。由原理部分知嗜盐菌菌体增殖和紫膜的生长是不同步的，先通空气使菌体大量繁殖，达到对数生长期的最高峰，再停止供氧，以促进紫膜生长。嗜盐菌是一类特殊的兼性菌在氧气充足的条件下以氧化磷酸化产生三磷酸腺苷(ATP)，能较快的实现自我生长和菌群增殖；缺氧条件下利用光能生长紫膜，通过BR光驱动质子泵作用，产生膜两侧电化学势能，推动ATP的生成来维持各项生理活动。研究表明光照射嗜盐菌时有三种作用即ATP增加、基质酸化(表示质子从细胞内泵到了细胞外)和呼吸被抑制。细菌视紫红质与叶绿素相似，在光子的驱动下，产生质子的跨膜运输而形成ATP。如果用pH电极测量紫膜悬浮液，很容易观测到在光驱动下的质子释放，即光驱动质子泵功能。由此可见嗜盐菌只有在环境中氧浓度很低和有光照的条件下才能合成紫膜。这时正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，转而由紫膜的光合磷酸化来提供。嗜盐菌紫膜光合磷酸化，是经典的叶绿素和细菌叶绿素(菌绿素)所进行的光合磷酸化之外的又一种新的光合作用类型，而且是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应。
在本发明中采用的离心设备为美国BECKMAN COULTER公司生产的AVANTI J-25 CENTRIFUGE。
本发明是一种燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法，其有如下步骤第一步高速离心采用离心方式在转速11000～15000g的条件下离心10～20min将嗜盐菌培养基中的菌体分离出；然后，将分离出的菌体与蒸馏水、破核酶混合搅拌10～18h，使菌体溶涨破碎制成菌体混合液，其中，菌体与蒸馏水的体积比为1.5～3∶10，菌体与破核酶的体积比为1.5～3∶0.01；第二步差速离心(A)采用离心方式将第一步骤中制得的菌体混合液在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留上清液；(B)将上述上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留沉淀部分；然后，(C)在沉淀部分中加入浓度为0.05～0.2mol/L的氯化钠NaCl在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留第二次上清液；再将第二次上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留第二次沉淀部分，重复该步骤至上清部分无色透明且保留该最后一次沉淀部分，沉淀部分与氯化钠的体积比为1.5～3∶10；(D)将(C)中的最后一次沉淀部分与蒸馏水按体积配比1.5～3∶10混合，制得紫膜水溶液；在本发明中NaCl作为一种理想的梯度材料具备以下几点①与被分离的生物材料不发生反应即完全惰性，且易与所分离的生物粒子分开；②可达到要求的密度范围，且在所要求的密度范围内，粘度低，渗透压低，离子强度和pH变化较小；③不会对离心设备发生腐蚀作用；④容易纯化，价格便宜或容易回收；⑤浓度便于测定；⑥对于超速离心分析工作来说，它的物理性质、热力学性质是已知的。离心开始后，当梯度液由于离心力的作用逐渐形成底浓而管顶稀的密度梯度，与此同时原来分布均匀的粒子也发生重新分布。当管底介质的密度大于粒子的密度，即ρm＞ρP时粒子上浮；在弯顶处ρP＞ρm时，则粒子沉降，最后粒子进入到一个它本身的密度位置即ρP＝ρm，此时dx/dt为零粒子不再移动，粒子形成纯组份的区带，与样品粒子的密度有关，而与粒子的大小和其他参数无关，因此只要转速、温度不变，则延长离心时间也不能改变这些粒子的成带位置。
由于嗜盐菌细胞膜主要由红膜和紫膜组成，在(C)步骤中的分离是为了去除红膜得到用作质子交换膜的紫膜。
第三步共混处理(A)将聚乙烯醇和缓冲剂加入蒸馏水中，并加热至80℃～160℃后冷却至室温制成共混溶剂，聚乙烯醇与蒸馏水的体积比为0.5～1∶10，缓冲剂与蒸馏水的体积比为0.01～1∶10；(B)将第二步骤中制得的紫膜水溶液加入共混溶剂中，经沿壁搅拌，超声去泡后静置10～30min即制得菌紫质质子交换膜溶液，其中，紫膜水溶液与共混溶剂的体积比为1.5～3∶10；在本发明中，考虑到蛋白质自身的成膜性较差，故将菌紫质(BR)与聚乙烯醇(PVA)共混。PVA是一种极性高聚合物，具有水溶性和良好的生物相容性，对BR的分子结构和光化学性质没有影响，成膜均一、透明、力学强度好；而且PVA在玻璃表面具有各向异性，成膜的同时便完成了对BR的定向工作，以使光照下产生的质子流具有一定的方向性。
第四步制备菌紫质质子交换膜采用流延制膜法将第三步骤中制得的菌紫质质子交换膜溶液铺展于基板(如石英玻璃片)上，铺展厚度30～80微米，经室温干燥10～24小时后脱膜，即得到用于质子燃料电池用的菌紫质质子交换膜。对所述菌紫质质子交换膜采用英国Salartron公司SI 1260阻抗分析仪测试其在20℃～50℃范围内的传导率为1.20×10-2S/cm～5.21×10-2S/cm。
在本发明中，采用流延制膜法是将一种具有粘稠状的混合物质(菌紫质质子交换膜溶液)均匀铺在一个平滑的石英玻璃片上，经干燥后，粘稠状的物质便形成一块很薄的膜状结构。由于所制得的菌紫质质子交换膜较薄，应保存在室温的去离子水中。
第五步组装燃料电池将菌紫质质子交换膜使用热压成型机在45℃，压力为1Mpa，热压60秒后成型为燃料电池的膜电极，通入氢气，并对其进行电池性能检测如下表所示。
本发明采用万用表对菌紫质质子交换膜进行性能测试，经测得的数据说明本发明制备得到的菌紫质质子交换膜具有良好的电池性能。由于光驱动质子泵的存在，使质子传导能力得到强化。在自然条件下，嗜盐菌能用光驱动质子泵促使ATP的生成。因此用一定浓度的NaCl溶液模拟了嗜盐菌的生长环境。当在上述盐溶液中加入稀酸提供质子源时，可测到不稳定的电压。在日光照射下实验记录记录电压达0.12V。菌紫质光驱动质子泵的特性使其可以实现质子传导的功能，即在“质子泵”的作用下，质子被BR膜由膜的一侧“泵”到另一侧，从而推动质子由阳极向阴极传递；通过与聚乙稀醇共混使其成膜，达到隔绝气体的作用，便可以作为质子交换膜应用到燃料电池中。实验结果表明这种高效的质子泵作用有助于提高燃料电池的质子传递效率，实现了对燃料电池性能的改进。
实施例1第一步高速离心采用离心方式在转速13000g的条件下离心15min将嗜盐菌培养基中的菌体分离出；然后，将分离出的菌体与蒸馏水和破核酶混合搅拌12h，使菌体溶涨破碎制成菌体混合液，其中，菌体与蒸馏水的体积比为1.5∶10，菌体与破核酶的体积比为3∶0.01；第二步差速离心(A)采用离心方式将第一步骤中制得的菌体混合液在转速10000g的条件下离心7min，弃除沉淀杂质，保留含有细胞膜的上清液；(B)将上述上清液以转速40000g的条件下离心35min，弃除上清部分，保留沉淀部分；然后，(C)在沉淀部分中加入浓度为0.1mol/L的氯化钠在转速10000g的条件下离心7min，弃除沉淀杂质，保留第二次上清液；再将第二次上清液以转速740000g的条件下离心35min，弃除上清部分，保留第二次沉淀部分，重复该步骤至上清部分无色透明且保留该最后一次沉淀部分，沉淀部分与氯化钠的体积比为3∶10；(D)将(C)中的最后一次沉淀部分与蒸馏水按体积配比3∶10混合，制得紫膜水溶液；第三步共混处理(A)将聚乙烯醇和N-2-羟乙基-哌嗪-N-2-乙磺酸(缓冲剂)加入蒸馏水中，并加热至120℃后冷却至室温制成共混溶剂，所述聚乙烯醇与蒸馏水的体积比为1∶10，所述N-2-羟乙基-哌嗪-N-2-乙磺酸与蒸馏水的体积比为1∶10；(B)将第二步骤中制得的紫膜水溶液加入共混溶剂中，经沿壁搅拌，超声去泡后静置30min即制得菌紫质质子交换膜溶液，其中，紫膜水溶液与共混溶剂的体积比为3∶10第四步制备菌紫质质子交换膜采用流延制膜法将第三步骤中制得的菌紫质质子交换膜溶液铺展于石英玻璃片上，铺展厚度为50微米，经室温干燥18h后脱膜，即得到用于质子燃料电池用的菌紫质质子交换膜。其在20℃的传导率为2.73×10-2S/cm。
权利要求
1.一种燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤第一步高速离心采用离心方式在转速11000～15000g的条件下离心10～20min将嗜盐菌培养基中的菌体分离出；然后，将分离出的菌体与蒸馏水、破核酶混合搅拌10～18h，使菌体溶涨破碎制成菌体混合液，其中，菌体与蒸馏水的体积比为1.5～3∶10，菌体与破核酶的体积比为1.5～3∶0.01；第二步差速离心(A)采用离心方式将第一步骤中制得的菌体混合液在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留上清液；(B)将上述上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留沉淀部分；然后，(C)在沉淀部分中加入浓度为0.05～1mol/L的氯化钠在转速8000～12000g的条件下离心5～10min，弃除沉淀杂质，保留第二次上清液；再将第二次上清液以转速35000～45000g的条件下离心25～40min，弃除上清部分，保留第二次沉淀部分，重复该步骤至上清部分无色透明且保留该最后一次沉淀部分，沉淀部分与氯化钠的体积比为1.5～3∶10；(D)将(C)中的最后一次沉淀部分与蒸馏水按体积配比1.5～3∶10混合，制得紫膜水溶液；第三步共混处理(A)将聚乙烯醇和缓冲剂加入蒸馏水中，并加热至80℃～160℃后冷却至室温制成共混溶剂，聚乙烯醇与蒸馏水的体积比为0.5～1∶10，缓冲剂与蒸馏水的体积比为0.01～1∶10；(B)将第二步骤中制得的紫膜水溶液加入共混溶剂中，经沿壁搅拌，超声去泡后静置10～30min即制得菌紫质质子交换膜溶液，其中，紫膜水溶液与共混溶剂的体积比为1.5～3∶10；第四步制备菌紫质质子交换膜采用流延制膜法将第三步骤中制得的菌紫质质子交换膜溶液铺展于基板上，经室温干燥10～24小时后脱膜，即得到用于质子燃料电池用的菌紫质质子交换膜。
2.根据权利要求1所述的菌紫质交换膜的制备方法，其特征在于在第三步骤中加入的所述缓冲剂是N-2-羟乙基-哌嗪-N-2-乙磺酸。
3.根据权利要求1所述的菌紫质交换膜的制备方法，其特征在于在第四步骤中铺展于基板上的菌紫质质子交换膜厚度为30～80微米。
4.根据权利要求1所述的菌紫质交换膜的制备方法，其特征在于在第四步骤中基板是石英玻璃片。
5.根据权利要求1所述的菌紫质交换膜的制备方法，其特征在于在第四步骤中制备得到的菌紫质交换膜保存在常温的去离子水中。
6.根据权利要求1所述的菌紫质交换膜的制备方法，其特征在于所制备得到的菌紫质质子交换膜在20℃～50℃范围内的质子传导率为1.20×10-2S/cm～5.21×10-2S/cm。
全文摘要
本发明公开了一种采用微生物作为燃料电池中质子交换膜的制备方法，该制备方法先从嗜盐菌中分离出菌体，并对菌体进行差速离心获得用于制备质子交换膜的紫膜原材料，并对所述紫膜进行共混处理后采用流延制膜工艺在基板上制膜。所制得的菌紫质质子交换膜的质子传导率为1.20× 10
文档编号C08J5/22GK1750308SQ20051011421
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者相艳, 张涛, 崔铮, 杨萌 申请人:北京航空航天大学