专利名称：膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池，尤其涉及一种基于碳纳
米管的膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池。
背景技术：
燃料电池是一种将燃料及氧化剂气体转化为电能的电化学发电装置，被广泛应用 于军事国防及民用的电力、汽车、通信等领域。生物燃料电池是以酶或微生物为催化剂，将 有机物中的化学能直接转化为电能的装置。请参见图l，为2003年10月23日公开的第CN1993855A号大陆专利申请(申请
人索尼株式会社；发明人酒井秀树等)揭示的一种燃料电池。该燃料电池包含燃料电极 (负极)l，该燃料电极l通过酶催化剂分解作为燃料的多糖以获得电子和产生质子or);电 解层3，用来仅传导质子；和空气电极(正极)5，该空气电极5通过电解层3与燃料电极1 隔离。该空气电极5使经电解层3传输的质子、从燃料电极1外部电路供给的电子和空气
中的氧气反应形成水。燃料电极l包括电极ll以及固定于该电极ll上的酶。电极ll通
常为玻璃碳电极。所述电解层3由这样的材料构成，其为用于传输在燃料电极1产生的质 子H+到空气电极5的质子传导膜，该质子传导膜并没有电子传导性能且可传输质子H+。所 述空气电极5包括催化剂层和由多孔碳物质构成的扩散层，且催化剂层位于扩散层与电解 质层3之间。该催化剂层由负载有催化剂的碳粉或没有负载在碳上的催化剂颗粒构成。
所述燃料电池工作时，燃料电极1 一端酶催化剂分解生物燃料以获得电子和产生 质子。所述质子通过电解层3扩散至空气电极5—端。所述电极ll用来收集和传导反应 生成的电子，并将电子通过外电路传导至空气电极5。在空气电极5 —端通入氧化剂气体， 则该氧化剂气体与所述电子、质子反应生成水。 然而，上述的燃料电池具有以下不足第一，电极ll通常为玻璃碳电极。玻璃碳电 极是将有机物高温炭化制得的碳电极，其比表面积小，电阻率大，制约电极11传导反应所 生成的电子的功能。这些缺点直接影响了燃料电池的反应活性。第二，玻璃碳电极柔韧性 差，不易加工。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高的反应活性，且可以提高催化剂的利用率 的膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池。 —种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与 阴极电极分别设置于该质子交换膜两个相对的表面，其中，所述阳极电极包括一扩散层与 生物燃料催化剂，所述扩散层包括碳纳米管。 —种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与 阴极电极分别设置于该质子交换膜相对的两个表面，其中，所述阳极电极包括一碳纳米管 复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于该碳纳米管结构中的生物燃料催化剂。 —种生物燃料电池，其包括一质子交换膜；一阳极电极与一阴极电极，所述阳极 电极与阴极电极分别设置在该质子交换膜两个相对的表面；一装有生物燃料的容室，且阳 极电极浸泡于该生物燃料中；一导流板设置于阴极电极远离质子交换膜的表面；以及一个 供气和抽气装置与该导流板相连通，其中，所述阳极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂， 所述扩散层包括碳纳米管。 相较于现有技术，所述膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池具有以下优点第 一，所述阳极电极包括碳纳米管，碳纳米管具有较大的比表面积和较低的电阻率，所以该阳 极电极可以有效的收集和传导反应所必需的电子和反应生成的电子，有助于改善燃料电池 膜电极的反应活性。第二，碳纳米管具有较好的柔韧性，易于加工。
图1现有技术的燃料电池的结构示意图。 图2为本发明第一实施例的膜电极的结构示意图。 图3为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管拉膜的扫描电 镜照片。 图4为图3中的碳纳米管拉膜中的碳纳米管片段的结构示意图。
图5为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的非扭转的碳纳米管线的 扫描电镜照片。
图6为本发明第
描电镜照片。 图7为本发明第
的扫描电镜照片
图8为本发明第 电镜照片。 图9为本发明第 镜照片。 图10为本发明第二实施例的膜电极的结构示意图。
图11为本发明第三实施例的膜电极的结构示意图。
图12为本发明第四实施例的生物燃料电池的结构示意图。
实施例提供的作为膜电极的扩散层的扭转的碳纳米管线的扫 实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管碾压膜 实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管絮化膜的扫描 实施例提供的表面蒸镀有铂层的碳纳米管拉膜的局部扫描电
具体实施例方式
以下将结合附图对本发明提供的膜电极以及生物燃料电池作进一步的详细说明。
请参阅图2，本发明第一实施例提供一种燃料电池膜电极300，其包括一质子交 换膜302， 一阳极电极304以及一阴极电极306。所述阳极电极304与阴极电极306分别设 置在该质子交换膜302的两个相对的表面。其中，所述阳极电极304包括一扩散层304a以 及分散于该扩散层304a中的生物燃料催化剂304b。 所述扩散层304a包括一碳纳米管结构或碳纳米管复合结构。所述碳纳米管结构 包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管结构中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多 种。所述单壁碳纳米管的直径为0. 5纳米 10纳米，双壁碳纳米管的直径为1. 0纳米 15 纳米，多壁碳纳米管的直径为1. 5纳米 50纳米。所述碳纳米管的长度大于50微米。本 实施例中，该碳纳米管的长度优选为200 900微米。当碳纳米管结构包括无序排列的碳 纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米 管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。 具体地，所述碳纳米管结构包括至少一层碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构 或其组合。当碳纳米管结构仅包括一个碳纳米管线状结构时，该碳纳米管线状结构多次折 叠或缠绕成一层状碳纳米管结构。当碳纳米管结构包括多个碳纳米管线状结构时，多个碳 纳米管线状结构可以相互平行设置，交叉设置或编织设置成一层状碳纳米管结构。当碳纳 米管结构同时包括碳纳米管膜和碳纳米管线状结构时，所述碳纳米管线状结构设置于碳纳 米管膜的至少一表面。所述碳纳米管膜包括多个均匀分布的碳纳米管，具体地，该多个均匀 分布的碳纳米管有序排列或无序排列，碳纳米管之间通过范德华力连接。该碳纳米管膜为 碳纳米管絮化膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管拉膜。 所述碳纳米管拉膜的厚度为0. 01 100微米。所述碳纳米管拉膜通过拉取一碳 纳米管阵列直接获得。可以理解，通过将多个碳纳米管拉膜平行且无间隙铺设或/和重叠 铺设，可以制备不同面积与厚度的碳纳米管结构。每一碳纳米管拉膜包括多个择优取向排 列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华力首尾相连。请参阅图3及图4，具体地，每一碳 纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过 范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互 平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、 均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向排列。可以理解， 在由多个碳纳米管拉膜组成的碳纳米管结构中，相邻两个碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排 列方向有一夹角a，且0。《a《90° ，从而使相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管相互 交叉组成一网状结构，该网状结构包括多个微孔，该多个微孔均匀且规则分布于碳纳米管 结构中，其中微孔直径为1纳米 0.5微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米 管拉膜结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13 公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管薄膜结构及其制备方法，申请 人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。 所述碳纳米管线状结构包括至少一非扭转的碳纳米管线、至少一扭转的碳纳米管 线或其组合。所述碳纳米管线状结构包括多根非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线 时，该非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线可以相互平行呈一束状结构，或相互扭转 呈一绞线结构。 请参阅图5，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向 排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管 片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结 合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米 管线长度不限，直径为0. 5纳米 100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过 有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范 德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收縮为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发 性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处 理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。
所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请 的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国大陆公告专利( 一种碳纳米管绳及 其制造方法，申请人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)，以及于2005年12月 16日申请的，于2007年6月20日公开的第CN1982209A号中国大陆公开专利申请(碳纳米 管丝及其制作方法，申请人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。
所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭 转获得。请参阅图6，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的 碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过 范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳 米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不 限，直径为0. 5纳米 100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米 管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中 相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强 度增大。 所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管各向同性，沿同一方向 或不同方向择优取向排列。请参阅图7，本实施例中，碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿不同 方向择优取向排列。优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于碳纳米管碾压膜的 表面。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合， 使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳 纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为 一自支撑的结构，可无需基底支撑，自支撑存在。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米 管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的基底的表面形成一 夹角a，其中，a大于等于0度且小于等于15度(0《a《15° )，该夹角a与施加在
碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小。所述碳纳米管碾压膜的长度和宽度不 限。所述碾压膜包括多个微孔结构，该微孔结构均匀且规则分布于碳纳米管碾压膜中，其中 微孔直径为l纳米 0.5微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米管碾压膜及其 制备方法请参见范守善等人于2007年6月1日申请的第200710074027. 5号中国大陆专利 申请(碳纳米管薄膜的制备方法，申请人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。
所述碳纳米管絮化膜的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择。本发明提供 的碳纳米管絮化膜的长度为1 10厘米，宽度为1 10厘米，厚度为1微米 2毫米。请 参阅图8，所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕的碳纳米管，CNT长度大于10微米。所述碳纳 米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜各向同性， 其中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的微孔结构，微孔孔径为1纳米 0. 5 微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法请参见范守善等 人于2007年4月13日申请的第200710074699. 6号中国大陆专利申请(碳纳米管薄膜的
7制备方法，申请人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。 所述生物燃料催化剂304b指任何能够对生物燃料进行催化分解的催化剂，其可 以为酶催化剂、微生物或其组合。所述酶催化剂可以为含有辅基FAD的氧化酶或含有辅基 NAD(P) +的脱氢酶等。该酶催化剂均匀吸附于碳纳米管结构中的碳纳米管表面，并通过羧基 或羟基与该碳纳米管结合。可以理解，对不同的生物燃料，所选用的酶催化剂不同。本实施 例中，生物燃料为葡萄糖溶液，酶催化剂为葡萄糖氧化酶。所述葡萄糖氧化酶均匀分散于碳 纳米管结构中的碳纳米管表面，并与该碳纳米管结构形成一复合结构。进一步，所述生物燃 料催化剂304b中还可以包括多个电子介体，该电子介体用于收集反应产生的电子，并将电 子传输给碳纳米管结构。 本实施例中，所述阳极电极304通过以下方法制备
首先，对上述碳纳米管结构进行功能化处理。 对碳纳米管结构进行功能化处理的方法为将碳纳米管结构于强酸溶液中浸泡。本 实施例中，取浓硫酸和浓硝酸按一定的比例，如1 : 3，混合于试管中，将制作好的碳纳米 管结构裁剪合适的长度，放入混合液中超声处理2小时左右；取出碳纳米管结构再放入双 氧水中超声处理1小时左右；取出后将碳纳米管结构浸泡在超纯水中继续超声处理，直至 碳纳米管结构回复中性为止。 其次，提供一含有酶催化剂的溶液，并将功能化处理后的碳纳米管结构浸泡于该 催化剂的溶液中。 本实施例中，在冰水混合物环境下，配制10mg/ml的EDC盐酸盐和12mg/ml的葡萄 糖氧化酶(GOD)水溶液。然后将功能化处理后的碳纳米管结构在该葡萄糖氧化酶水溶液中 于4t:温度条件下浸泡约1 5日。可以理解，其它酶催化剂均可以采用类似的方法，通过 选用合适的溶剂配制成一酶催化剂溶液。 最后，将含有催化剂的溶液浸泡后的碳纳米管结构取出烘干得到一碳纳米管与酶 催化剂的复合结构作为阳极电极304。 所述阴极电极306结构不限，可以包括一扩散层及一催化剂层设置于该扩散层 上，且该催化剂层设置于质子交换膜与扩散层之间。所述扩散层可为一碳纤维纸或碳纳米 管结构。该催化剂层包含有催化剂材料(如贵金属或酶催化剂)及其载体(一般为碳颗粒， 如石墨、炭黑、碳纤维或碳纳米管)。 所述阴极电极306也可以包括至少一个碳纳米管复合结构，且该碳纳米管复合结 构包括碳纳米管结构及分布于该碳纳米管结构中的贵金属催化剂或酶催化剂。所述贵金属 包括铂、金及钌中的一种或其任意组合的混合物。该贵金属颗粒的直径尺寸为1 10纳 米。所述贵金属催化剂的担载量低于O. 5mg/cn^，且均匀分布于碳纳米管结构中的碳纳米管 表面。 本实施例中，所述阳极电极304为一碳纳米管结构与酶催化剂的复合结构。所述 阴极电极306为一个碳纳米管结构与贵金属催化剂的复合结构，该贵金属催化剂为铂颗 粒。所述阳极电极304与阴极电极306中的碳纳米管结构均包括多个重叠设置的拉膜。请 参阅图9，铂颗粒均匀分布于碳纳米管拉膜中的碳纳米管表面。所述碳纳米管复合结构通过 自身的粘性、粘结剂或热压的方法固定于质子交换膜302的表面。 所述质子交换膜302的材料为全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛树脂磺酸或碳氢化合物。本实施例中，质子交换膜302材料为全氟磺酸。
本实施例提供燃料电池膜电极300具有以下优点第一，所述阳极电极采用碳纳 米管复合结构，碳纳米管结构中的碳纳米管具有较大的比表面积，故，采用该碳纳米管结构 可以有效且均匀的担载催化剂，使催化剂与生物燃料具有较大的接触面积，提高了催化剂 的利用率。第二，由于碳纳米管具有较大的比表面积和较低的电阻率，所以采用该碳纳米管 复合结构的电极可以有效的收集和传导反应所必需的电子和反应生成的电子，有助于改善 燃料电池膜电极的反应活性。第三，所述阳极电极采用碳纳米管复合结构，由于碳纳米管密 度小，所以该膜电极300质量较小，使用更方便。 请参阅图IO，本发明第二实施例提供一种燃料电池膜电极400，其包括一质子交 换膜402， 一阳极电极404以及一阴极电极406。所述阳极电极404与阴极电极406分别设 置在该质子交换膜402的两个相对的表面。所述膜电极400与本发明第一实施例提供的膜 电极300结构基本相同，其区别在于，所述阳极电极404包括一扩散层404a以及设置于该 扩散层304a表面的生物燃料催化剂层404b。所述生物燃料催化剂层404b设置于所述扩散 层404a的至少一表面。本实施例中，所述生物燃料催化剂层404b设置于所述扩散层404a 与质子交换膜402之间。 所述扩散层404a结构与本发明第一实施例提供的扩散层304a结构相同。
所述生物燃料催化剂层404b包括催化剂及碳颗粒载体。所述催化剂与本发明第 一实施例提供的生物燃料催化剂304b相同。所述碳颗粒为石墨颗粒、炭黑颗粒、碳纤维及 碳纳米管中的一种或几种的混合物，优选为碳纳米管。本实施例中，所述催化剂为酶催化 剂，且酶催化剂分散于碳颗粒中，形成催化剂层404b。 所述阴极电极406与本发明第一实施例提供的膜电极300的阴极电极306的结构 相同。本实施例中，所述阴极电极406为一个碳纳米管结构与贵金属催化剂的复合结构，该 贵金属催化剂为铂颗粒。 本实施例提供的燃料电池膜电极400中的扩散层404a为一碳纳米管结构，具有以 下优点第一，由于碳纳米管具有较大的比表面积和较低的电阻率，所以采用该碳纳米管结 构的电极可以有效的收集和传导反应所必需的电子和反应生成的电子，有助于改善燃料电 池膜电极的反应活性。第二，由于碳纳米管结构包括多个均匀分布的微孔，所以该扩散层可 以均匀的扩散生物燃料，使生物燃料与催化剂充分反应。 请参阅图ll，本发明第三实施例提供一种燃料电池膜电极500，其包括一质子交 换膜502，一阳极电极504以及一阴极电极506。所述阳极电极504与阴极电极506分别设 置在该质子交换膜502的两个相对的表面。所述阳极电极504包括一扩散层504a以及设 置于该扩散层504a表面的生物燃料催化剂层504b。所述生物燃料催化剂层504b设置于所 述扩散层504a的至少一表面。本实施例中，所述生物燃料催化剂层504b设置于所述扩散 层504a与质子交换膜502之间。所述膜电极500与本发明第二实施例提供的膜电极400 结构基本相同，其区别在于，所述扩散层504a包括一碳纳米管复合结构。
所述碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于碳纳米管结构中的填充 材料。所述填充材料均匀分散于碳纳米管结构中。所述填充材料包括金属、陶瓷、玻璃以及 纤维中的一种或多种。可以理解，当碳纳米管结构中分散有金属时，可以增强该碳纳米管结 构的导电性。当碳纳米管结构中分散有填充材料时，需确保碳纳米管结构的微孔不被堵塞，以便扩散燃料或氧化剂。可选择地，所述碳纳米管复合结构包括一碳纤维布或毡以及分散 于该碳纤维布或毡中的碳纳米管。将该碳纤维布或毡中添加碳纳米管，可以提高其导电性 与柔韧性，并增加碳纤维布或毡中小尺寸孔隙的数量，从而提高碳纤维布或毡的扩散均匀 性。所述碳纤维布或毡中碳纳米管的添加量不限。优选地，所述碳纤维布或毡中碳纳米管 的添加量为1 15%。 所述阴极电极506的结构与与本发明第一实施例提供的膜电极300的阴极电极 306的结构相同。本实施例中，所述阴极电极506为一个碳纳米管结构与贵金属催化剂的复 合结构，该贵金属催化剂为铂颗粒。 本发明第四实施例提供一生物燃料电池，其包括一质子交换膜；一阳极电极与 一阴极电极，所述阳极电极与阴极电极分别设置在该质子交换膜相对的两个表面；一装有 生物燃料的容室，且所述阳极电极浸泡于该生物燃料中；一导流板设置于阴极电极远离质 子交换膜的表面；以及一个供气装置和一个抽气装置分别与该导流板相连通。其中，所述阳 极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂，所述扩散层包括一碳纳米管结构。
请参阅图12，具体地，本实施例提供一采用上述燃料电池膜电极300的生物燃料 电池30，其包括一燃料电池膜电极300， 一个阳极容室314， 一个导流板308， 一个集流板 310以及一供气和抽气装置312。所述膜电极300包括一质子交换膜302，一阳极电极304 以及一阴极电极306。所述阳极电极304与阴极电极306分别设置在该质子交换膜302的 两个相对的表面。所述阳极电极304为一碳纳米管结构与酶催化剂的复合结构。所述阴极 电极306为一个碳纳米管结构与贵金属催化剂的复合结构，该贵金属催化剂为铂颗粒。该 碳纳米管结构包括多个重叠设置的拉膜。可以理解，所述膜电极还可以为本发明第二实施 例提供的膜电极400或第三实施例提供的膜电极500。 所述阳极容室314，设置于燃料电池膜电极300的阳极电极304 —侧，用来装载生 物燃料316。本实施例中，生物燃料316为葡萄糖溶液。所述燃料电池膜电极300将生物燃 料316与氧化剂气体隔开，且阳极电极304浸泡于该生物燃料316中，使得酶催化剂可以与 生物燃料316接触。 所述导流板308设置于阴极电极306远离质子交换膜302的表面，且在导流板308 靠近阴极电极306的表面具有一条或多条导流槽318，用于传导氧化剂气体以及反应产物 水。该导流板308采用金属或导电碳材料制作。 所述集流板310采用导电材料制作，设置于导流板308的远离质子交换膜302的
表面，用于收集和传导反应所需要的电子。可以理解，本实施例中，由于碳纳米管结构具有
良好的导电性，可以用来收集电流，所以该集流板310为一可选择结构。 所述供气和抽气装置312包括鼓风机、管路、阀门等(图中未标示)。鼓风机通过
管路与导流板308相连，用来向阴极电极306提供氧化剂气体。本实施例中，氧化剂气体为
纯氧气或含氧的空气。 上述生物燃料电池30工作时，在阳极电极304 —端，生物燃料316 (以葡萄糖为 例)在酶催化剂的催化作用下发生如下反应葡萄糖一葡萄糖酸+2lT+2e。反应生成的质子 穿过质子交换膜302到达阴极电极306，反应生成的电子则进入外电路。
在阴极电极306—端，利用其供气和抽气装置312通过导流板308向阴极电极306 通入氧化剂气体，如氧气。氧气扩散到阴极电极306的同时，电子则通过外电路到达阴极电
10极306。在贵金属催化剂作用下，氧气与质子以及电子发生如下反应l/202+2H++2e — H20。 在此过程中，在阳极电极304与阴极电极306之间会形成一定的电势差，当外电路接入一负 载320时，将会形成电流。而反应生成的水则通过导流板308排出生物燃料电池30。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
一种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与阴极电极分别设置于该质子交换膜相对的两个表面，其特征在于，所述阳极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂，所述扩散层包括碳纳米管。
2. 如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述扩散层包括一碳纳米管复合结构。
3. 如权利要求2所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管复合结构包括一碳纤维布 或毡以及分散于该碳纤维布或毡中的碳纳米管。
4. 如权利要求2所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管复合结构包括一碳纳米管 结构以及分散于碳纳米管结构中的填充材料。
5. 如权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管 膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。
6. 如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个均匀分布的碳 纳米管，该多个碳纳米管有序排列或无序排列。
7. 如权利要求6所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管首尾 相连且沿同一方向择优取向排列。
8. 如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少两个重叠设 置的碳纳米管膜，相邻两个碳纳米管膜之间通过范德华力紧密连接。
9. 如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括一个碳纳米管线 状结构折叠或缠绕成层状结构。
10. 如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管线 状结构相互平行设置，交叉设置或编织成网状结构。
11. 如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括至少一非扭 转的碳纳米管线、至少一扭转的碳纳米管线或其组合。
12. 如权利要求11所述的膜电极，其特征在于，所述非扭转的碳纳米管线包括多个碳 纳米管沿该非扭转的碳纳米管线长度方向平行排列，所述扭转的碳纳米管线包括多个碳纳 米管沿该扭转的碳纳米管线长度方向呈螺旋状排列。
13. 如权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的 微孔，该微孔直径为1纳米 0. 5微米。
14. 如权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述填充材料包括金属、陶瓷、玻璃以及 纤维中的一种或多种。
15. 如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述生物燃料催化剂设置于质子交换膜 与扩散层之间。
16. 如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述生物燃料催化剂包括酶催化剂、微 生物或其组合。
17. 如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极电极包括一碳纳米管复合结 构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于该碳纳米管结构中的催化剂。
18. 如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极电极包括一扩散层以及形成于 该扩散层表面的催化剂层，该扩散层包括一碳纳米管结构。
19. 一种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与 阴极电极分别设置于该质子交换膜相对的两个表面，其特征在于，所述阳极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂，所述扩散层为碳纳米管结构。
20. —种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与 阴极电极分别设置于该质子交换膜相对的两个表面，其特征在于，所述阳极电极包括一碳 纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于该碳纳米管结构中 的生物燃料催化剂。
21. 如权利要求20所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管， 该碳纳米管表面连接有多个羧基或羟基，所述催化剂通过该羧基或羟基均匀吸附于碳纳米 管表面。
22. —种生物燃料电池，其包括 一质子交换膜；一阳极电极与一阴极电极，所述阳极电极与阴极电极分别设置在该质子交换膜相对的 两个表面；一装有生物燃料的容室，且所述阳极电极浸泡于该生物燃料中； 一导流板设置于阴极电极远离质子交换膜的表面；以及 一个供气装置和一个抽气装置分别与该导流板相连通，其特征在于，所述阳极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂，所述扩散层包括碳纳米管。
全文摘要
本发明公开了一种膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池。一种膜电极，其包括一质子交换膜，一阳极电极及一阴极电极，所述阳极电极与阴极电极分别设置于该质子交换膜两个相对的表面，其中，所述阳极电极包括一扩散层与生物燃料催化剂，所述扩散层包括碳纳米管。
文档编号H01M8/16GK101752568SQ20081024183
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者刘长洪, 姜开利, 张丽娜, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司