燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种能够在不使阴极特性劣化的情况下具有更高电池容量的燃料电池。在包括一个或多个电池单元的生物燃料电池1中，在阳极2和/或阴极3的表面上存在有氧化还原酶，且所述阴极3与液相和气相都接触，在设置于所述阳极2周围的阳极溶液单元4和设置于所述阴极3周围的阴极溶液单元5之间设置有用于至少对燃料成分的透过进行抑制的选择性透过膜6。与所述阳极2接触的溶液的燃料成分浓度高于与所述阴极3接触的溶液的燃料成分浓度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用氧化还原酶的生物燃料电池。更特别地，本专利技术涉及用于改善生物燃料电池的性能的技术。
技术介绍
使用氧化物还原酶作为反应催化剂的生物燃料电池能够有效地从诸如葡萄糖或乙醇等不能用作普通工业催化剂的燃料中提取电子。因此，生物燃料电池作为具有较大容量和高安全水平性的下一代燃料电池受到关注。图8示出了使用酶的生物燃料电池的反应示意图。如图8所示，在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池中，葡萄糖在负电极(阳极)处发生氧化反应以提取电子，大气中的氧气(O2)在正电极(阴极)处发生还原反应。在常规生物燃料电池中，阳极和阴极被安置成隔着绝缘膜和电解质层彼此面对， 且燃料溶液不与用作空气电极的阴极接触，其中，该绝缘膜具有质子透过性，该电解质层包含缓冲物质(例如，参见专利文献I至3)。还提出了具有与饱含有溶解氧的缓冲溶液相接触的阴极的生物燃料电池(例如，参见专利文献4)。在专利文献4披露的这个生物燃料电池中，与阳极接触的燃料溶液和与阴极接触的缓冲溶液通过盐桥(salt bridge)或聚合物电解质膜彼此分离。在生物燃料电池中，用作反应催化剂的酶具有高的底物特异性(substratespecificity)。因此,即使当使诸如葡萄糖等燃料与空气电极(阴极)接触时，电池特性几乎不受影响，且不容易发生跨接(cross-over)。于是，不仅能够实现专利文献I至3披露的空气暴露型生物燃料电池，而且能够实现各具有与阳极和阴极接触的燃料溶液的浸入型生物燃料电池。引用文献列表专利文献专利文献I :日本专利申请特开号2006-93090专利文献2 :日本专利申请特开号2008-305559专利文献3 :日本专利申请特开号2009-245920专利文献4 :日本专利申请特开号2006-508519
技术实现思路
本专利技术解决的问题为了通过生物燃料电池中的燃料电极(阳极)持续发电，需要在燃料溶液中存在足够的诸如葡萄糖等燃料成分。而且，为了增加电池容量，需要使用比燃料的成分浓度具有更高的成分浓度的燃料溶液。然而，如果诸如葡萄糖等燃料成分的浓度变高，则燃料溶液的粘性变高。因此，在浸入型生物燃料电池的情况下，扩散系数变低，且空气电极(阴极)的特性变差。因此，本专利技术的主要目的在于提供如下一种燃料电池，该燃料电池能够增加它的电池容量而不会劣化阴极特性。解决问题的方案本专利技术的燃料电池包括一个或多个电池单元，在所述一个或多个电池单元中，在阳极和/或阴极的表面上存在有氧化还原酶，且所述阴极与液相(liquid phase)和气相(gas phase)都接触。在该电池单元中，在设置于所述阳极周围的第一溶液单元和设置于所述阴极周围的第二溶液单元之间设置有选择性透过膜，所述选择性透过膜至少对燃料成分的透过进行抑制。这里，所述阳极和所述阴极中的每一个的表面包括该电极的整个外表面和该电极内部的空间的整个内表面，并且这也适用于下述情形。 在本专利技术中，至少对燃料成分的透过进行抑制的所述选择性透过膜设置于所述第一溶液单元和所述第二溶液单元之间。因此，能够抑制所述燃料成分扩散到所述阴极侧。在该燃料电池中，与所述阳极接触的溶液比与所述阴极接触的溶液具有更高的燃料成分浓度。在这种情况下，具有较低的燃料成分浓度的燃料溶液经由所述选择性透过膜从所述第一溶液单元弓I入到所述第二溶液单元中。 而且，可以设置将溶液弓I入所述第一溶液单元中的第一入口和用于将溶液弓I入所述第二溶液单元中的第二入口，且在所述第一溶液单元和所述第二溶液单元中存储有彼此具有不同燃料成分浓度的溶液。此外，所述选择性透过膜还可以对酶和/或媒介体的透过进行抑制。此外，所述燃料成分例如是糖类。此外，所述选择性透过膜可以具有O. 5μπι以下的平均孔隙尺寸。此外，所述选择性透过膜可以由纤维素膜或合成聚合物膜形成。本专利技术的效果根据本专利技术，能够仅在燃料电极(阳极)侧上使燃料成分浓度变高。因此，能够在保持高的电池功率输出的同时增加电池容量,而不会劣化阴极特性。附图说明图I示意表示本专利技术第一实施例的燃料电池中的电池单元的结构。图2示意表示本专利技术第一实施例的变形例的燃料电池中的电池单元的结构。图3示意表示本专利技术第二实施例的燃料电池中的电池单元的结构。图4中的(a)是表示在各个溶液单元之间设置有玻璃纸的示例的示意图；图4中的(b)是表示在各个溶液单元之间设置有无纺布的对比示例的示意图。图5是表示分别上述示例和比较示例的燃料电池中的燃料溶液中的葡萄糖浓度与输出之间的关系的曲线图，其中横坐标轴表示葡萄糖浓度，而纵坐标轴表示相对电流。图6是示意表示本专利技术第二示例中使用的电池的图。图7中的(a)和(b)是表示所述示例和比较示例中的生物燃料电池的电池电压的时间变化的图，其中横坐标轴表示时间，而纵坐标轴表示电压。图8是表示使用酶的生物燃料电池的反应原理的图。具体实施例方式下文将参照附图详细说明本专利技术的实施方式。应当注意，本专利技术不限于下述实施例。将按照以下次序进行说明I.第一实施例(生物燃料电池的示例，其中设有公共溶液入口，且溶液在电池单元被分离)2.第一实施例的变形例(生物燃料电池的示例，其中，选择性透过膜也用作分离部)3.第二实施例(生物燃料电池的示例，其中，在阳极侧和阴极侧中每一侧上设有生物燃料电池) I.第一实施例电池单元的结构首先，说明本专利技术第一实施例的生物燃料电池。图I是示意表示该实施例的燃料电池中的电池单元的结构的图。如图I所示，本实施例的生物燃料电池是浸入型燃料电池，其中电解质与阳极(燃料电极)2和阴极(空气电极)3都接触。在此生物燃料电池中，在阳极2和阴极3中一者或两者的电极表面上存在有氧化还原酶。这里，电极的表面包括电极的整个外表面和电极的内部空间的整个内表面，这也适用于下述情形。阴极3被设计成与液相(溶液)和气相(空气)都接触。电流收集部7和8设置成分别与阳极2和阴极3接触。在阳极2和阴极3的周围分别设置有阳极溶液单元4和阴极溶液单元5，且在阳极溶液单元4和阴极溶液单元5之间设置有选择性透过膜6。此外，在本实施例的燃料电池中设有用于将燃料溶液10引导到电池单元I中的燃料溶液入口 9，该燃料溶液入口 9通往阳极溶液单元4。阳极2阳极2是燃料电极，并且例如可以是具有固定到由导电性多孔材料制成的电极的表面上的氧化还原酶的电极。对于此时所使用的导电性多孔材料，可以使用已知的材料，但特别优选地使用基于碳的材料，例如多孔碳、碳球、碳带、碳纸、碳纤维或由碳微细颗粒形成的堆叠结构。对于被固定到阳极的表面上的酶，如果燃料成分例如是葡萄糖，可以使用用于分解葡萄糖的葡萄糖脱氢酶(GDH)。在将诸如葡萄糖等单糖用作燃料成分的情况下，优选地，将辅酶氧化酶和电子媒介体以及诸如GDH等促进单糖的氧化和分解单糖的氧化酶固定到阳极的表面上。辅酶氧化酶对被氧化酶还原的辅酶(例如NAD+或NADP+)以及辅酶还原剂(例如，NADH或NADPH)进行氧化。此类辅酶氧化酶可以例如是黄递酶。借助辅酶氧化酶的作用，在辅酶恢复成氧化剂时产生电子，且电子经由电子媒介体被从辅酶氧化酶传输到电极。对于电子媒介体，优选使用具有醌骨架的化合物，更优选地使用具有萘醌骨架的化合物。具体地，能够使用2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)、2_氨基-3-甲基-1，4-萘醌(AMNQ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：中川贵晶，寒川恒俊，三田洋树，杉山太喜，松本隆平，酒井秀树，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：
国别省市：