[发明专利]膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池

说明书

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（请参见，Recent  advances in fuel cell technology and its application,Journal of Power Sources, V100,P60-66（2001））。

生物燃料电池是以酶为催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的 装置。通常，现有的生物燃料电池包括：一膜电极（Membrane Electrode  Assembly，简称MEA），该膜电极包括一质子交换膜（Proton Exchange  Membrane）和分别设置在质子交换膜两个相对的表面的阴极电极和阳极电 极；一装有生物燃料的阳极容室，且阳极电极浸泡于该生物燃料中；一导流 板（Flow Field Plate，简称FFP）设置于阴极电极远离质子交换膜的表面；一 集流板（Current Collector Plate，简称CCP）设置于导流板远离质子交换膜的 表面；以及相关的辅助部件，如：鼓风机、阀门、管路等。

其中，阳极电极包括一碳纤维纸以及分布于该碳纤维纸表面的酶催化剂。 阴极电极包括一气体扩散层和一设置于该气体扩散层表面的催化剂层，且催 化剂层位于质子交换膜和气体扩散层之间。该催化剂层包含有催化剂材料（一 般为贵金属颗粒，如：铂、金或钌等）及其载体（一般为碳颗粒，如：石墨、 炭黑、碳纤维或碳纳米管）。所述气体扩散层主要由碳纤维纸构成。质子交换 膜材料选自全氟磺酸、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。

然而，现有技术中的生物燃料电池的膜电极存在以下不足：第一，由于 阳极电极包括一碳纤维纸以及分布于该碳纤维纸表面的的酶催化剂，一方面， 该碳纤维纸中含有大量杂乱分布的碳纤维，导致碳纤维纸中孔隙结构分布不 均匀，而且比表面积小，从而影响了酶催化剂分布的均匀性，使得酶催化剂 与生物燃料的接触面积小，限制了催化剂的利用率；另一方面，碳纤维纸电 阻率大，制约了反应生成的电子的传输，从而直接影响了膜电极的反应活性。 第二，由于阴极电极包括一气体扩散层和一形成于气体扩散层表面的催化层， 一方面，该阴极电极结构使得制备的膜电极具有较大的厚度，且增大了膜电 极中气体扩散层和催化层之间的接触电阻，不利于反应所必需的电子传导， 从而直接影响了膜电极的反应活性；另一方面，该阴极电极结构中的催化层 中的催化剂分散布均匀，与反应气体的接触面积小，限制了催化剂的利用率。

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 的利用率的膜电极以及采用该膜电极的生物燃料电池。

发明内容

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 阳极电极包括多个碳纳米管长线复合结构，该碳纳米管长线复合结构由碳纳 米管长线和酶催化剂组成，所述碳纳米管长线由多个碳纳米管组成，所述碳 纳米管表面包括多个羧基或羟基，所述酶催化剂通过该羧基或羟基均匀吸附 于碳纳米管表面。

一种生物燃料电池，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 生物燃料的阳极容室，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，所述阳极电极包括多个碳纳米管长线复合结构，该碳纳米管长线复合 结构由碳纳米管长线和酶催化剂组成，所述碳纳米管长线由多个碳纳米管组 成，所述碳纳米管表面包括多个羧基或羟基，所述酶催化剂通过该羧基或羟 基均匀吸附于碳纳米管表面。