[發(fā)明專(zhuān)利]燃料電池以及酶電極

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980139270.8
• 申請(qǐng)日: 2009-08-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102171880A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 酒井秀樹(shù);中川貴晶;汲田英之;三田洋樹(shù);細(xì)田育英;杉山太喜;松本隆平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 索尼公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/16
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/16;G01N27/327;H01M4/86;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 王萍;李春暉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及使用氧化還原酶的燃料電池，以及在其中使用的酶電極。

背景技術(shù)

作為具有大容量和高安全性的下一代燃料電池，在電極上固定地設(shè)置有氧化還原酶來(lái)用作催化劑的燃料電池(下文中也稱(chēng)為酶電池)正受到關(guān)注。這是因?yàn)?，這樣的燃料電池可以有效地從在葡萄糖、乙醇或其他對(duì)于一般工業(yè)催化劑所無(wú)法使用的燃料中提取電子。

在酶電池使用葡萄糖作為燃料的情況下，如圖27中所示的反應(yīng)圖解，在陽(yáng)極處發(fā)生葡萄糖(Glucose)的氧化反應(yīng)，而在陰極處發(fā)生空氣中的氧氣(O2)的還原反應(yīng)。在陽(yáng)極處，引導(dǎo)電子按順序通過(guò)葡萄糖、葡萄糖脫氫酶(glucose?dehydrogenase)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+；Nicotinamide?AdenineDinucleotide)、心肌黃酶(diaphorase)、電子介體(electron?mediator)以及電極(碳)。另一方面，在陰極處，引導(dǎo)從陽(yáng)極發(fā)出的電子按順序通過(guò)電極(碳)、電極傳遞介體以及膽紅素氧化酶(BOD)。然后通過(guò)這些電子和來(lái)自外部的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)使得生成電能。

以這樣的酶電池作為例子的生物燃料電池在其實(shí)際使用上有若干問(wèn)題。例如，針對(duì)任何從前的生物燃料電池，將由此產(chǎn)生的功率小于任何其他類(lèi)型的燃料電池所產(chǎn)生的功率。因此，為了獲得更高的功率，需要增加電池的容量并且需要將電池配置為分層電池狀。另一個(gè)問(wèn)題是因?yàn)槿剂咸幱谝后w狀態(tài)并且非常粘，所以生物燃料電池經(jīng)常導(dǎo)致燃料泄漏。如果存儲(chǔ)燃料的容器被密封得更緊以便阻止這樣的燃料泄漏，則這將因?yàn)槔缛剂虾苷扯鴮?dǎo)致難于將燃料供應(yīng)至電池內(nèi)部的問(wèn)題。

鑒于此，近年來(lái)，為了解決關(guān)于生物燃料電池的這些問(wèn)題，進(jìn)行了各種研究(稱(chēng)為專(zhuān)利文獻(xiàn)1和2)。專(zhuān)利文獻(xiàn)1描述了紐扣形的生物燃料電池，其包括陰極、質(zhì)子傳導(dǎo)體以及陽(yáng)極，它們按照此順序被彼此堆疊布置。所產(chǎn)生的分層結(jié)構(gòu)夾在陰極集電器和陽(yáng)極集電器之間。陰極集電器形成有氧化劑的供應(yīng)口，而陽(yáng)極集電器形成有燃料供應(yīng)口。在這樣的燃料電池中，陰極集電器的外邊緣通過(guò)墊圈被塞(caulk)至陽(yáng)極集電器的外圍部分以使將被施加在部件上的壓力均勻，并且使部件之間的接觸程度提高，從而防止功率變化和燃料泄漏。

專(zhuān)利文獻(xiàn)2描述了酶電池，其目的在于通過(guò)在電池中設(shè)置多個(gè)電池部來(lái)增加輸出電流或輸出電壓。圖28示出了專(zhuān)利文獻(xiàn)2中描述的這樣的從前的酶電池的配置。該酶電池100設(shè)置有電池部115和116。電池部115由陰極103、質(zhì)子傳導(dǎo)體104以及陽(yáng)極105來(lái)配置。電池部116由陽(yáng)極109、質(zhì)子傳導(dǎo)體110以及陰極111來(lái)配置。這些電池部115和116布置有夾在其之間的間隔裝置107。以包圍陽(yáng)極105和109、陽(yáng)極集電器106和108以及間隔裝置107這樣的方式設(shè)置了燃料存儲(chǔ)容器114。在陰極103和111外部分別布置了陰極集電器102和112，而在陰極集電器102和112外部設(shè)置了可以使空氣穿過(guò)其的間隔裝置101和103。

針對(duì)這樣的酶電池100，陽(yáng)極105和109分別固定地設(shè)置有酶，并且當(dāng)燃料存儲(chǔ)容器114填充有用作燃料的葡萄糖溶液時(shí)，在陽(yáng)極105和109處，通過(guò)由酶分解葡萄糖來(lái)提取電子，并且生成質(zhì)子(H+)。在陰極103和111處，通過(guò)H+和電子與空氣中氧氣的反應(yīng)生成水。這些H+是通過(guò)質(zhì)子傳導(dǎo)體110和104傳輸?shù)腍+，而這些電子是在從陽(yáng)極105和109處被提取之后經(jīng)由外部電路提供的電子。當(dāng)陰極集電器102和112和陽(yáng)極集電器106之間連接有負(fù)載時(shí)，負(fù)載被提供有流過(guò)其間的作為兩個(gè)電池部115和116的輸出電流之和的電流。從而，所產(chǎn)生的輸出電流和電壓可以大于從前的酶電池中的輸出電流和電壓。

引用列表

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2008-282586號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2007-188810號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容

然而，因?yàn)槠潢帢O是接觸空氣的配置的，如專(zhuān)利文獻(xiàn)1和2中描述的這樣的從前的生物燃料電池存在如下問(wèn)題。即，在這樣的配置的生物燃料電池中，由于外部環(huán)境的影響(諸如濕度)，陰極的性能容易發(fā)生改變，而這導(dǎo)致了功率降低的問(wèn)題。此外，由于任何所供應(yīng)的溶液需要時(shí)間從陽(yáng)極側(cè)到達(dá)陰極側(cè)，從而存在初始發(fā)電性能低的問(wèn)題。也存在容易導(dǎo)致溶液從陰極向空氣側(cè)泄漏的問(wèn)題。