專利名稱：生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物燃料電池。
背景技術：
燃料電池是通過發生電化學反應而產生電能的一種發電裝置，被廣泛應用于軍事國防及民用的電力、汽車、通信等領域(請參見，Recent advances in fuel celltechnology and its application, Journal of Power Sources, V100, P60_66(2001))o生物燃料電池是以有機物為燃料、以酶為催化劑，將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。通常，現有的生物燃料電池包括一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜兩個相對的表面的陰極電極和陽極電極；一裝有生物燃料的陽極·容室，且陽極電極浸泡于該生物燃料中；一導流板，該導流板設置于陰極電極遠離質子交換膜的表面；一供氣和抽氣裝置，該供氣和抽氣裝置與所述導流板連通且用于通過所述導流板向所述陰極電極輸入反應氣體和抽出反應產物水等物質。其中，陽極電極包括一碳纖維紙以及分布于該碳纖維紙表面的酶催化劑。陰極電極包括一催化劑層和一氣體擴散層，且催化劑層設置在氣體擴散層與質子交換膜之間。所述催化劑層的主要成份包括催化劑、催化劑載體、質子導體及粘結劑，所述催化劑載體通常為碳顆粒，所述催化劑為高度分散在該催化劑載體中的納米貴金屬顆粒。催化劑層是生物燃料電池發生電化學催化反應的重要場所，因此，其催化效率的高低很大程度上決定了燃料電池的性能。提高催化劑層催化效率的關鍵是要增加納米貴金屬催化劑顆粒表面與反應氣體、質子及電子的三相反應界面。具體地，陽極電極產生的質子和電子以及從陰極電極輸入的反應氣體均需要傳輸到催化劑層的催化劑顆粒表面參與反應。如果該質子、電子及反應氣體傳輸到該催化劑顆粒處的傳輸通路不通暢，則該生物燃料電池的電化學反應就會受阻。然而，目前生物燃料電池的陰極電極的催化劑層是通過刷涂、噴涂、印刷等各種工藝手段將催化劑漿料制備到氣體擴散層或質子交換膜的表面，通過該方法形成的催化劑層是一種由很多團聚體構成的無序堆積結構，很多貴金屬催化劑顆粒深埋在團聚體內部，很難起到催化作用，因此，這種無序堆積結構勢必會造成局部質子傳導、電子傳導或氣體傳導的死區，使得催化劑的利用率很低。
發明內容
有鑒于此，確有必要提供一種生物燃料電池，該生物燃料電池的陰極電極具有較高的催化劑利用率。一種生物燃料電池，其包括至少一生物燃料電池單體，該生物燃料電池單體包括一膜電極、一導流板及一裝有生物燃料的陽極容室，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室中的生物燃料中，其中，所述催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。一種生物燃料電池，其包括至少一生物燃料電池單體，該生物燃料電池單體包括一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層；一導流板，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面；及一裝有生物燃料的陽極容室，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室的生物燃料中；其中，所述催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體作為導電粒子和質子的通道連接導流板與質子交換膜。一種生物燃料電池，其包括多個相互串聯的生物燃料電池單體，該每個生物燃料電池單體包括一膜電極、一導流板及一裝有生物燃料的陽極容室，該膜電極包括一質子·交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室中的生物燃料中，該每個生物燃料電池單體的陽極電極與另一個生物燃料電池的陰極電極電連接，其中，該催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。一種生物燃料電池，其包括多個相互并聯的生物燃料電池單體，該每個生物燃料電池單體包括一膜電極、一導流板及一裝有生物燃料的陽極容室，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室中的生物燃料中；該多個生物燃料電池單體的陽極電極相互電連接，該多個生物燃料電池單體的陰極電極或與該陰極電極電連接的導流板相互電連接；其中，該催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。相較于現有技術，通過本發明提供的生物燃料電池中的陰極電極中的催化劑顆粒均勻吸附在具有電子導電性的多個管狀載體的內壁上，且該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使得該生物燃料電池在工作的過程中反應氣體可通過該多個反應氣體通道到達所述管狀載體的管壁，進而透過所述管狀載體的管壁充分與所述催化劑顆粒接觸；由于該管狀載體內填充的質子導體不僅直接與質子交換膜接觸，還與管狀載體管壁上的催化劑顆粒直接接觸，從而使所述通過質子交換膜或質子導體傳導的質子可充分與催化劑顆粒接觸，且由于該質子導體位于管狀載體管內，使得該質子導體不會阻擋所述反應氣體充分到達所述催化劑顆粒；由于管狀載體自身具有電子導電性，從而使得管狀載體傳導的電子也可直接與催化劑顆粒接觸，因此，該生物燃料電池的膜電極中的催化劑顆粒可充分與
反應氣體、質子和電子接觸，提高了該催化劑的利用率。
圖I為本發明第一實施例提供的生物燃料電池結構示意圖。圖2為本發明第一實施例提供的具有相互交叉形成網狀結構的多個管狀載體的
生物燃料電池膜電極的結構示意圖。圖3為本發明第一實施例提供的具有多個不同形狀的管狀載體的生物燃料電池
膜電極的結構示意圖。圖4為本發明第一實施例提供的具有多個相互平行且間隔設置的管狀載體的生
物燃料電池膜電極的結構示意圖。圖5為本發明第一實施例提供的生物燃料電池的陽極電極結構示意圖。圖6為本發明第二實施例提供的生物燃料電池結構示意圖。圖7為本發明第三實施例提供的生物燃料電池結構示意圖。圖8為本發明實施例提供的生物燃料電池陰極電極的制備工藝流程圖。圖9為本發明實施例提供的生物燃料電池陰極電極的制備過程流程圖。主要元件符號說明
權利要求
1.一種生物燃料電池，其包括至少一生物燃料電池單體，該生物燃料電池單體包括 一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層； 一導流板，該導流 板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面；及 一裝有生物燃料的陽極容室，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室的生物燃料中； 其特征在于，所述催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。
2.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，該多個管狀載體之間具有多個間隙，從而使反應氣體通過該間隙直接擴散至所述管狀載體的管壁。
3.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，該管狀載體的管壁具有多個孔，從而使反應氣體通過該多個孔直接擴散至所述管狀載體內。
4.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，該多個管狀載體無序排列。
5.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述每個管狀載體在催化層中設置的形狀為直線形、曲線形或Y字形。
6.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述多個管狀載體相互間隔設置。
7.如權利要求6所述的生物燃料電池，其特征在于，所述多個管狀載體相互平行且垂直于所述質子交換膜的表面。
8.如權利要求7所述的生物燃料電池，其特征在于，所述相鄰兩個管狀載體之間的距離小于50微米。
9.如權利要求7所述的生物燃料電池，其特征在于，所述管狀載體的高度為I微米 100微米。
10.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述管狀載體為碳納米管、二氧化鈦納米管、氧化鋅納米管、氧化鈷納米管或五氧化二釩納米管。
11.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述管狀載體為由無定形碳組成的碳納米管。
12.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述管狀載體的直徑為10納米至10微米。
13.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述管狀載體的壁厚為2nm 15nm0
14.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述催化劑顆粒為鉬顆粒、鈀顆粒、金顆粒或釕顆粒。
15.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述催化劑顆粒的粒徑為I納米 8納米。
16.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，該催化劑顆粒在所述催化層中的附著量為小于等于O. 5mg · cm_2。
17.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述質子導體為全氟磺酸樹脂或磺化聚合物。
18.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述生物燃料電池單體進一步包括氣體擴散層設置于所述催化層遠離所述質子交換膜的一側，該氣體擴散層與多個管狀載體的管壁電接觸。
19.如權利要求18所述的生物燃料電池，其特征在于，所述氣體擴散層由導電的多孔材料組成。
20.如權利要求18所述的生物燃料電池，其特征在于，該氣體擴散層為碳纖維紙或由多個碳納米管組成的碳納米管薄膜。
21.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述導流板的靠近質子交換膜的表面具有一條或多條導流槽。
22.如權利要求21所述的生物燃料電池，其特征在于，所述生物燃料電池單體進一步包括一供氣和抽氣裝置，該供氣和抽氣裝置與所述導流板的導流槽連通，用于通過所述導流槽向所述陰極電極輸入一反應氣體。
23.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述生物燃料電池單體進一步包括一用于收集和傳導電子的集流板，所述集流板與所述導流板電接觸。
24.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述陽極電極包括一催化劑載體及分布于該催化劑載體上的酶催化劑。
25.如權利要求I所述的生物燃料電池，其特征在于，所述催化劑載體為石墨、碳纖維紙或由多個碳納米管組成的碳納米管膜。
26.—種生物燃料電池，其包括至少一生物燃料電池單體，該生物燃料電池單體包括 一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層； 一導流板，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面；及 一裝有生物燃料的陽極容室，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室的生物燃料中； 其特征在于，所述催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體作為導電粒子和質子的通道連接導流板與質子交換膜。
27.如權利要求26所述的生物燃料電池，其特征在于，所述多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至所述催化劑顆粒的表面。
28.如權利要求26所述的燃料電池，其特征在于，所述催化層與所述導流板之間進一步設置有一氣體擴散層。
29.—種生物燃料電池，其包括多個相互串聯的生物燃料電池單體，該每個生物燃料電池單體包括 一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層； 一導流板，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面；及 一裝有生物燃料的陽極容室，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室中； 該每個生物燃料電池單體的陽極電極與另一個生物燃料電池的陰極電極電連接；其特征在于，該催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。
30.一種生物燃料電池，其包括多個相互并聯的生物燃料電池單體，該每個生物燃料電池單體包括 一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層； 一導流板，該導流板設置于所述陰極電極遠離所述質子交換膜的表面； 及 一裝有生物燃料的陽極容室，所述陽極電極浸泡于所述陽極容室中； 該多個生物燃料電池單體的陽極電極相互電連接，該多個生物燃料電池單體的陰極電極或與該陰極電極電連接的導流板相互電連接； 其特征在于，該催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。
全文摘要
本發明涉及一種生物燃料電池，其包括至少一生物燃料電池單體，該生物燃料電池單體包括一膜電極，該膜電極包括一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極，所述陰極電極包括一催化層，所述催化層包括多個管狀載體、吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。
文檔編號H01M8/16GK102956911SQ20111025283
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者劉志祥, 王誠, 毛宗強 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司