[發明專利]燃料電池

無效

• 申請號: 201210419815.4
• 申請日: 2003-07-25
• 公開（公告）號: CN102931424A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 酒井秀樹;富田尚;高木良介;鈴木佑輔;畠澤剛信
• 申請（專利權）人: 索尼株式會社
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M8/02
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 賈靜環

此案是申請日為2003年7月25日、申請號為03801386.X，發明名稱為“燃料電池”的發明申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種利用生物新陳代謝的燃料電池。

背景技術

燃料電池主要包括:燃料電極、氧化劑電極(或空氣電極)和電解質。它的工作原理基于水電解的反作用。就是說，燃料電池接收氫和氧并產生水(H₂O)和電。更具體地說，燃料(氫)被提供給燃料電極。在氧化時，氫分成電子和質子(H⁺)。這些質子移動到空氣電極通過空氣電解質。質子與提供給它的氧在空氣電極反應，從而產生水。

燃料電池將燃料的能量直接轉換為電能，因此起到作為高效的電力發生器的功能。它可將化石燃料(如天然氣、汽油和煤)的能量在任何時間、任何地點很有效地轉化為電能。

持續的努力已經投入到產生大規模電力的燃料電池的研究與開發中。事實上，裝在航天飛機上的燃料電池不僅產生電力而且為機組人員提供水。燃料電池已經證明其本身是一種無污染的電力發生器。

新近的值得注目的發展是具有聚合的固體電解質的燃料電池，工作于比較低的溫度，從室溫到大約90攝氏度。預期會發現這種燃料電池不僅用作為大規模的電力發生器，而且用作為用于汽車的小規模電源和用作為用于個人計算機和移動設備的便攜式電源。

不幸的是，盡管上述具有聚合的固體電解質的燃料電池有運行于比較低溫度的優點，但它仍然存在要解決的問題。例如，當它在室溫附近使用甲醇做燃料運行時，它經歷了與CO的催化劑中毒。它需要如鉑的昂貴的貴金屬催化劑；由于交叉(crossover)，它遭受了能量損失；并且當它使用氫做燃料時遇到了困難。

考慮到前述的問題，提出一種想法:注意到生物體內發生的生物新陳代謝是一種高效的能量轉化機制，將生物新陳代謝用于燃料電池。如在這里使用的術語“生物新陳代謝”包含呼吸作用、光合作用等。生物新陳代謝的優勢在于功率產生效率和在室溫的溫和條件下進行的優越之處。

呼吸作用是一種由下列步驟組成的機制。首先，營養物質如糖類、脂肪和蛋白質被并入微生物和細胞。它們通過糖分解和TCA循環，涉及幾個酶的反應（TCA代表三羧酸（tricarboxylic?acid））。在其通過的過程中，它們產生二氧化碳（CO₂）并且還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），從而將它們的化學能轉換為氧化還原能或電能。NADH的電能被直接轉換為在電子轉移系統中呈梯度的質子的電能。這一步伴隨著氧的還原形成水。這樣得到的電能在合成酶的幫助下從ADP形成ATP。而該ATP用于微生物和細胞生長所需要的反應。這樣的能量轉換發生在胞液和線粒體內。

光合作用是一種由以下步驟組成的機制：吸收光能并且通過電子轉移系統還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺）為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），從而產生電能。結果是水的氧化產生氧。電能被用來為固化碳而吸收CO₂并用來合成碳水化合物。

生物新陳代謝包括重要的NADH生成反應，由下面的公式（3）表示。

迄今為止，已經知道的脫氫酶有幾百種。作為催化劑，它們在高選擇性的酶作用物到產物的轉化中扮演重要角色。它們的選擇性來源于以下事實：酶由蛋白質分子組成并且因此具有唯一的三維結構。因此斷定，裝入生物體的燃料順序地經歷包含幾十種脫氫酶的反應直到被氧化為CO₂。

將生物新陳代謝用于燃料電池的技術想法已經產生微生物電池，它通過電子介體（mediator）提取微生物產生的電能并將電子轉移到電極，因此產生電流。（JP-A?No.2000-133297）

不幸的是，微生物和細胞不僅具有將化學能轉化為電能的功能，而且具有其它對能量轉化不必要的功能。因此，上述的系統導致因為不希望的反應而消耗電能，因此降低能量轉化效率。

為應付這種情形，基于以下想法的燃料電池被提出來：將反應中涉及的酶和電子介體從微生物和細胞隔離開來，并且為它們重新構造適當的環境，使得僅僅希望的反應才發生。

但是，事實上這樣的燃料電池由于酶的反應速度慢僅產生很低的電流密度。

本發明被完成以解決在傳統技術中涉及的上述問題。本發明的目的是提供一種燃料電池，使用生物新陳代謝而且還產生高的電流密度。

發明內容