燃料电池制造技术

在包含阳极电极(10)、阴极电极(12)、具有离子导电性并置于所述阳极电极(10)和所述阴极电极(12)之间的膜(14)的燃料电池(1)中，离子导电凝胶状物质(15)保持在所述阴极电极(12)和具有离子导电性的所述膜(14)之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池
本专利技术涉及一种具有这样结构的燃料电池:其中，阳极电极和阴极电极越过(across)具有离子导电性的膜彼此相对。
技术介绍
例如，在固体聚合物燃料电池中，可采用具有这样结构的燃料电池:其中，阳极电极和阴极电极越过具有离子导电性的膜彼此相对。燃料电池通常具有这样的结构:其中，阳极电极作为层配置在具有离子导电性的膜(例如，由离子交换树脂组成的电解质膜)的一侦牝且阴极电极作为层配置在所述膜的另一侧。燃料(例如，氢)被供应到阳极电极，在此，在催化剂的作用下，其成为质子(H+)，并向阴极电极释放两个电子(e_)。在阳极电极产生的质子通过具有离子导电性的膜并达到阴极电极，在此，在催化剂的作用下，其接受来自阳极电极的两个电子(e_)，并与由来自外部供应的氧产生的氧离子一起生成水。通过此外部电路的电子的运动被引出成为电流。也就是说，在阳极侧发生H2 — 2H++2e反应，且在阴极侧发生2H++l/202+2e — H2O反应。通过发生作为总反应的反应H2+l/202 —H2O而发电。如上所述，为了化学反应有效地进行，在电极中使用催化剂。例如，通常使用钼作为在固体聚合物燃料电池中的催化剂。近年来，已聚焦于这样的事实，在活着的有机体中发生的生物代谢是高效的能量转换机制，能源研究人 员致力于将此机制用于燃料电池。生物代谢的优点包括高的能量利用率以及反应在约室温的温和条件下进行的事实。然而，由于除了用于将化学能转化为电能的反应以外，在微生物和电池中还发生了许多不必要的反应，因而不能显示出足够的能量转化效率。因此，已提出使用酶作为催化剂的仅进行想要的反应的燃料电池(生物燃料电池)。这样的生物燃料电池使用作为催化剂的酶裂解燃料，将燃料分解为质子和电子。被开发的在这样的燃料电池中使用的燃料为醇，如甲醇和乙醇，单糖，如葡萄糖，或者多糖，如淀粉。在生物燃料电池中，在电极上的酶的固定是非常重要的，并对于，例如，电池的功率性能、寿命和效率有非常大的影响。因此在酶固定的电极的制造过程中使对酶的损伤最小化是非常重要的。为了解决这一问题，日本专利申请公开第2009-48833号(JP-2009-48833A)公开了一种燃料电池，其中，以光固化树脂或热固化树脂在正极和负极上固定酶。日本专利申请公开第2007-225444号(JP-2007-225444A)公开了一种燃料电池，其中，使用凝胶状物质在阳极电极上固定酶。可以预期的是，这样的凝胶状物质可以作为用于阳极电极上的电解质溶液的实际替代物，并且还可以保护酶。然而，在使用凝胶状物质代替电解质溶液时，有离子电导率下降且功率输出降低的风险。
技术实现思路
在使用氢作为燃料以及贵金属如钼作为催化剂的燃料电池中，以及在使用醇、如葡萄糖的单糖或如淀粉的多糖作为燃料以及酶作为催化剂的燃料电池中，都需要增加的功率输出。考虑到本领域中的上述情况，本专利技术提供了一种燃料电池，其能够实现比常规燃料电池更优异的功率输出。本专利技术还提供了制造这样的燃料电池的方法。本专利技术的专利技术人已发现，通过在具有离子导电性的膜和常规生物燃料电池中的阴极电极之间插入离子导电凝胶状物质，可以极大地改进电池的发电效率。在第一个方面中，本专利技术提供了一种燃料电池，其包括阳极电极、阴极电极、具有离子导电性并配置在所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜，以及在阴极电极和具有离子导电性的膜之间保持的离子导电凝胶状物质。在根据本专利技术的上述方面的燃料电池中，优选地所述阳极电极和所述阴极电极各自含有作为催化剂的酶。此外，可以使用羧甲基纤维素(CMC)或海藻酸钠作为离子导电凝胶状物质。依据本专利技术的上述方面，可以在具有这样结构的燃料电池中实现改进的功率输出:其中，阳极电极和阴极电极越过具有离子导电性的中间的膜彼此相对。也就是说，根据本专利技术的燃料电池与不采用本专利技术的常规燃料电池相比，能够显示出优异的功率输出。【附图说明】将参考附图在以下的本专利技术的示例性实施方式的详细描述中说明本专利技术的特征、优点、以及技术和工业重要性，其中，同样的标号表示同样的元件，其中:图1是图示说明了采用本专利技术的一个实施方式的燃料电池的图；图2是在本专利技术的一个实施例中构建的测试电池的示意图；以及图3是绘出在本专利技术的实施例中构建的测试电池的测量的功率性能的图。【具体实施方式】以下将结合附图更详细地描述根据本专利技术的燃料电池。如在图1中图示示出的，根据本专利技术的第一个方面的燃料电池I具有阳极电极10、阴极电极12、具有离子导电性并配置在所述阳极电极10和所述阴极电极12之间的膜14(以下称为“电解质膜14”)，以及含有离子导电凝胶状物质且位于阴极电极12和电解质膜14之间的离子导电性凝胶膜15。也就是说，在根据本专利技术的燃料电池I中，离子导电性凝胶膜15在阴极电极12和电解质膜14之间保持。此外，在燃料电池I中，所述阳极电极10置于阳极电极腔室6的内部，且所述阴极电极12置于阴极电极腔室8的内部。燃料被填充进或者被供应至所述阳极电极腔室6。在此，所述离子导电性凝胶膜15可以使用任何凝胶状物质来生产，只要所述物质具有离子导电性。所述凝胶状物质的说明性实施例包括CMC、海藻酸钠、琼脂糖、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、角叉菜胶、明胶、聚甲基丙烯酸羟乙酯、结冷胶(gellan gum)、聚U -谷氨酸)、聚乙烯醇和聚葡萄糖。通过使用这些凝胶状物质生产离子导电性凝胶膜15，可以实现并保持半干状态，同时保留在阴极电极12处用于酶反应所需的最小量的水分。此外，此凝胶状物质优选含有50mM至3000mM的电解质或缓冲成分。例如，可以使用钠、钾和磷酸作为电解质和缓冲成分。虽然没有特别限定，但是离子导电性凝胶膜15的厚度优选为从约I μ m至约Imm,且更优选为从约Iym至约10 μ m。所述离子导电性凝胶膜15可以通过以下生产:向上述的凝胶状物质添加所需含量的电解质或缓冲成分，然后向面对电解质膜14的阴极电极12的主要面上和/或者向面对阴极电极12的电解质膜14的主要面上流延所述物质，并固化所述物质。然而，生产离子导电性凝胶膜5的方法并不限于上述方法的任何方式。在此，所述阳极电极10由电极材料和包含酶和介体的与氧化反应相关的试剂组成。在阳极电极10处的与氧化反应相关的试剂中的介体是一种能够传递电子并在与氧化反应相关的试剂酶和电极材料之间进行电子交换的生物蛋白。虽然不受到任何特别限制，能够传递电子的所述生物蛋白包括含有铁、铜等的含金属的蛋白质。说明性的例子包括血红蛋白，铁氧化还原蛋白，细胞色素C511,细胞色素450,天青蛋白，质体蓝素,细胞色素a、al、a3、b、b2、b3、b5、b6、b555、b559、b562、b563、b565、b566、c、cl、c2、c3、d、e、f、o、P_450、血监蛋白和铁蛋白。能够传递电子的生物蛋白的更具体的例子包括来自牛的血红蛋白(NakalaiTesque公司)、来自梭状芽孢杆菌的铁氧化还原蛋白(SIGMA)、来自假单胞菌属的细胞色素C551 (SIGMA)和来自假单胞菌属的天青蛋白(SIGMA)。在阳极电极10处的所述与氧化反应相关的试剂中的酶参与被填充进或者被供应至所述阳极电极腔室6中的并根据下面所列燃料选择的燃料上的氧化反应。例如，当甲醇被用作燃料时，所述酶可以是使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其具有阳极电极，阴极电极和具有离子导电性并置于所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜，所述燃料电池包括：离子导电凝胶状物质，其保持在所述阴极电极和具有离子导电性的所述膜之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.30 JP 2011-2617601.一种燃料电池，其具有阳极电极，阴极电极和具有离子导电性并置于所述阳极电极和所述阴极电极之间的膜， 所述燃料电池包括: 离子导电凝胶状物...

【专利技术属性】
技术研发人员：河野典子，久寿米木幸宽，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP