生物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种生物燃料电池，所述生物燃料电池包括在燃料箱与正电极罩之间依次布置的用作燃料电极的阳极（负电极）、阳极集电器、隔离器、阴极集电器、用作空气电极的阴极（正电极）、以及气液分离膜片。在形成所述生物燃料电池时，至少所述阳极使用以下的电极：该电极由碳纤维织物形成，所述碳纤维织物具有由碳纤维的单纤维束构成的网状结构，并且该电极在该电极的表面上含有氧化还原酶。

【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。更具体地，本专利技术涉及用于改善电极性能的技术。
技术介绍
使用氧化还原酶作为反应催化剂的生物燃料电池可以从例如葡萄糖和乙醇等通常不能用作工业催化剂的燃料中有效地获取电子，因而生物燃料电池作为具有大容量和高安全水平的下一代燃料电池受到了关注。图IlA表示出使用了酶的生物燃料电池的负电极的反应图解。图IlB表示出使用了酶的生物燃料电池的正电极的反应图解。例如，如图IlA和图IlB所示，在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池的情况下，在负电极(阳极)处进行葡萄糖的氧化反应并且取出电子，而在正电极(阴极)处进行空气中的氧气(O2)的还原 反应。另一方面，输出会依赖于生物燃料电池中的电极的材料而变化。所以，需要选择合适的电极材料，以便获得高输出的电池。因此，在常规生物燃料电池中用到的是主要使用碳材料的电极(例如参见专利文献I至专利文献5)。例如，在专利文献I中所披露的生物燃料电池中，使用由诸如碳租(carbon felt)之类的多孔碳形成的电极。此外，专利文献2披露了一种通过以下方式来形成多孔碳电极的方法将含有多孔碳和空隙形成用材料粉末的碳墨(carbon ink)涂覆到例如碳租和碳布等碳基材上、进行干燥、然后移除上述空隙形成用材料粉末。另外，在专利文献3至专利文献5所披露的用于生物燃料电池的酶电极中，使用碳纸、碳布和类似物作为将酶固定化用的片状碳基材。引用文献列表专利文献专利文献I JP 2009-158466A专利文献2 JP 2009-181889A专利文献3 JP 2010-43978A专利文献4 JP 2006_508519W专利文献5 JP 2007-324005A
技术实现思路
本专利技术要解决的问题然而，上述常规生物燃料电池具有以下问题。S卩，目前在生物燃料电池中通常使用的由多孔碳形成的电极具有如下的问题难以在电极的表面上均一地形成酶固定化膜(enzyme-immobilized membrane),因此作为电极而言反应性不充分。此外,多孔碳电极还具有如下的问题当电极的空隙率(porosity)增加时,物理稳定性降低。另一方面，专利文献3至专利文献5中所披露的使用了诸如碳布和碳纸等片状碳材料的电极是根据具有较大表面积的导电材料的观点来进行选择的，且没有考虑物理稳定性和液体渗透性。因此，对于在生物燃料电池中使用此类片状碳材料的情况而言，存在着难以获得高电流密度的问题。因此，本专利技术的主要目的是在不减小电极的表面积、物理稳定性和液体渗透性的前提下改善电极性能，由此提供具有高输出的生物燃料电池。解决问题的方案本专利技术的生物燃料电池包括如下的电极所述电极由碳纤维织物形成，所述碳纤维织物具有由碳纤维的单纤维束(monofilament strand)构成的网状结构,且所述电极在所述电极的表面上含有氧化还原酶。 这里所使用的“电极的表面”既包括电极的外表面也包括电极内部的空隙的内表面，这也适用于以下说明。在本专利技术中，因为电极是由碳纤维织物形成的，所以能够实现具有高强度和柔软性的薄型电极。此外，由于由碳纤维织物形成的电极具有较大的表面积，所以与常规生物燃料电池相比能够获得优良的电极性能。在该生物燃料电池中，期望至少负电极是由所述碳纤维织物形成的。或者，负电极和正电极两者可以均是由所述碳纤维织物形成的。此外，与所述电极压接接触的集电器(current collector)也可以是由所述碳纤维织物形成的。另外，作为所述碳纤维织物，可以使用单纤维直径为例如15μπι以下的碳纤维织物。本专利技术的效果根据本专利技术，由于电极是由碳纤维织物形成的，所以能够在不减小电极的表面积、物理稳定性和液体渗透性的前提下改善电极性能，并因而能够获得具有高输出的生物燃料电池。附图说明图I是表示了本专利技术实施方式的生物燃料电池的构造的分解立体图。图2示意性地表示了本专利技术实施方式的生物燃料电池的发电原理。图3Α至图3C是实施例I的碳纤维织物的SEM照片。图4Α至图4C是实施例2的碳纤维织物的SEM照片。图5Α至图5C是实施例3的碳纤维织物的SEM照片。 图6Α至图6C是比较例I的碳纤维织物的SEM照片。图7Α至图7C是比较例2的碳纤维织物的SEM照片。图8Α和图8Β是表示了恒电位测量的结果的图表。图9是表示了单纤维直径与电流密度之间的关系的图，其中横轴表示碳纤维织物的单纤维直径，而纵轴表示300秒之后的电流密度。图IOA是表示了在实施例I的碳纤维织物电极上固定有酶的状态的SM照片；图IOB是表示了在比较例3的多孔碳电极上固定有酶的状态的SEM照片。图IlA表示了使用酶的生物燃料电池的负电极的反应图解；图IlB表示了使用酶的生物燃料电池的正电极的反应图解。具体实施例方式下文中将参照附图来详细说明用于实施本专利技术的实施方式。不能将本专利技术解释为受限于下述各个实施例。整体结构首先，将说明本专利技术实施方式的生物燃料电池。图I是表示本专利技术实施方式的生物燃料电池的构造的分解立体图。如图I所示，在本实施方式的生物燃料电池10中，在燃料箱7与正电极罩8之间依次布置有作为燃料电极的阳极(负电极)I、阳极集电器4、隔离器3、阴极集电器5、作为空气电极的阴极(正电极)2、以及气液分离膜片6。阳极I和阴极2在本实施方式的生物燃料电池10中，阳极I和/或阴极2由碳纤维织物形成，并在它(它们)的表面上具有起到反应催化剂作用的氧化还原酶，上述碳纤维织物具有由碳纤维的单纤维束构成的网状结构。期望把由这种碳纤维织物形成的电极应用于至少阳极1，更期望应用于阳极I和阴极2两者。由于阳极I是与燃料溶液接触的燃料电极，所以为了改善阳极I的性能，不仅需要增加表面积，而且需要提高物理稳定性和液体渗透性。具体地，由于液体燃料的渗透速度(扩散速度)低于气体燃料的渗透速度，所以电极中的渗透性的优劣对电极性能有着显著影响。因此，当在阳极I中使用了具有由碳纤维的单纤维束构成的网状结构的碳纤维织物时，由于此类碳纤维织物具有较大的表面积且具有优良的物理稳定性和液体渗透性，所以显著改善了电极性能，并且能够有效地增强该电池整体的输出。此外，显然地，对于在阴极2中使用了具有由碳纤维的单纤维束构成的网状结构的碳纤维织物的情况，与使用由常规电极材料形成的电极的情况相比，也改善了电极性能并且能够增强该电池整体的输出。另外，作为用于形成各个电极的碳纤维织物，优选使用具有15 μ m以下的单纤维直径的碳纤维织物。通过这样做，就能够在不降低对液体渗透性起影响作用的空隙率的前提下增加电极的表面积，由此能够更好地改善电极性能，具体而言更好地改善阳极I的性能。另外，由于燃料的浸透性(perviousness)对阳极I的电极特性起影响作用，且氧气的浸透性对阴极2的电极特性起影响作用，所以能够根据电极的需求来选择网状结构、单纤维直径等。于是，在本实施方式的生物燃料电池10中，可以在阳极I和阴极2中使用具有彼此不同的网状结构和单纤维直径的碳纤维织物。另一方面，作为被固定到阳极I的表面上的酶，例如在燃料成分是葡萄糖的情况下，可以使用用于分解葡萄糖的葡萄糖脱氢酶(GDH)。此外，在将诸如葡萄糖等单糖用作燃料成分的情况下，期望将辅酶氧化酶和电子介体(electron mediator)与用于促进阳极表面上的诸如本文档来自技高网...

【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：寒川恒俊，杉山太喜，酒井秀树，户木田裕一，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：
国别省市：