CN101578727A - 用于燃料电池的具有高的表面积与体积比的纤维阳极及具有这样的阳极的燃料电池 - Google Patents
用于燃料电池的具有高的表面积与体积比的纤维阳极及具有这样的阳极的燃料电池 Download PDFInfo
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Abstract
公开了由纤维垫制成的具有高的表面积与体积比的燃料电池阳极。该燃料电池阳极可为通过电纺丝方法制备的纤维垫。该公开的阳极使得能够向燃料电池供以糖类燃料。在优选实施方案中，提供了燃料电池阳极，其中该阳极是电纺丝纤维垫，其中纤维由用导电材料优选银涂覆的聚合物制成。该阳极还可由如下的纤维垫制成，其中纤维由含有金属颗粒的聚合物纤维制成。在本发明中还公开了含有所公开的阳极和燃料例如葡萄糖的燃料电池。
Description
发明领域
本发明涉及燃料电池领域。更具体地，本发明涉及具有燃料溶液和具有高的表面积与体积比的纤维阳极的燃料电池。
发明背景
燃料电池包括阴极(氧化剂电极)和阳极(燃料电极)，它们互相面对，电解质(离子导体)介于它们之间，并且阳极保持与燃料溶液接触。阴极保持与氧化剂接触。燃料电池通过下面机制产生电能。阳极供给有燃料，该燃料被氧化和分解成电子和离子。电子通过金属性电子导电材料向阳极移动。离子通过电解质发生移动。阴极供给有来自外部的氧和通过金属性电子导电材料来自阳极的电子。
本发明提供了燃料电池，其阳极(或者阳极和阴极二者)是涂覆有催化导电材料例如银的具有高的表面积与体积比的纤维膜。这样的阳极使得能够使用例如葡萄糖的燃料或任何其它燃料。此外，本发明提供了制备这样的阳极和这样的燃料电池的方法。
本发明特别用作燃料电池，该电池包含镀银的电纺丝纤维阳极和作为燃料的葡萄糖溶液。为了核查这样的组合的可行性，进行了实验工作。下文将参考图1至3详细描述该工作。
葡萄糖是理想的可再生燃料。其具有高的含能量：体积燃烧焓(ΔHc 0)v(其定义为当1cm3燃料被完全氧化时释放的能量)为24.3kJ/cm3。葡萄糖具有其它优点：其不爆炸，丰富(葡萄糖及其衍生物占植物(Flora)重量的大于50％)，易于提取，可再生，可输送，易于贮存，不可燃，无毒，不挥发，无臭，易于在任何地方生产且环境友好。
燃料电池是能够从燃料将化学能直接转化为电能的电化学装置，在室温下理论效率高于0.8且具有低的污染物排放。在将来，由葡萄糖和其它糖类产生电的燃料电池可替代便携装置中的蓄电池，可用于消耗生物质废弃物的发电厂，以及充当用于交通运输的发动机。
供以葡萄糖燃料的燃料电池尚不可商业获得。两个障碍阻碍了该装置的可行性。第一是糖类的高稳定性，这需要良好的催化剂由该燃料产生电。第二涉及到燃料电池的性质：电化学过程是表面现象。为了获得高的功率密度，需要具有高的表面积与体积比的结构。克服这两个障碍是本发明的目的。
电纺丝是制备直径在几微米至小于100nm范围内的纤维的方法。在该方法中，聚合物溶液由喷丝头供给并且在该喷丝头出口形成液滴。在施加到该溶液的电场(～1kV/cm)的存在下并且在距喷丝头若干距离处放置对电极(收集体)时，Maxwell电应力拉伸所述液滴，产生泰勒锥(Taylor cone)并且开始喷射。喷射体表现出电致弯曲不稳定性，这导致该喷射体弯曲部分的拉伸。最终溶剂蒸发，该喷射体发生干燥和凝固，纺制状态的纤维沉积在对电极上。所制得纤维的直径的相对大的可变性对于电纺丝是固有的。发现控制电纺丝方法中的参数涉及聚合物溶液流变性、导电性、流速、电场以及环境湿度和温度。电纺丝纤维形成具有大的单位体积表面积和非常小的孔尺寸的非织造垫，该非织造垫在许多应用例如过滤、膜、复合材料中的增强纤维、生物医学装置和用于组织工程的支架中是令人感兴趣的。发现电纺丝垫的孔隙率和输运性能高度依赖于纤维直径。通过应用静电透镜，使用图案化收集电极或者在两个收集电极之间施加AC场，可控制电纺丝纤维的取向和横条(cross bar)的形成。
通过将聚己内酯电纺丝成非织造纤维垫制得催化阳极。通过无电沉积使聚合物纤维镀覆有银。银的沉积产生氧化葡萄糖的催化能力并产生高导电性。将电镀垫作为阳极结合到供以葡萄糖燃料的无膜AFC中。测量电池电压对负载电阻的依赖性。
下面描述获得导电的电催化非织造微米或亚微米纤维垫的实验方法，所述纤维垫能够在碱性环境中氧化葡萄糖。假定葡萄糖的氧化远未彻底，则产物是葡萄糖酸。阳极半反应为：
2C6H12O6+4OH-→4e-+2C6H12O7+2H2O [1]
且在阴极的反应为：
O2+4e-+2H2O→4OH- [2]
因此总反应为：
2C6H12O6+O2→2C6H12O7 [3]
将所述结果与就纯银的平整箔制成的对照阳极所获得的结果进行对比。使用垫的物理性能间的简单数学关系估算纤维膜的表面积。所得实验结果证实了电流密度与阳极中纤维的估算总表面积成比例的假设。
化学品和溶液-对于本工作，制备6种不同的溶液。各种溶液的目的、它们的制备中涉及的化学品、它们的供应商和使用量均列于表1中。所有材料是分析级并且按收到时那样使用而不进行另外处理。
表1.用于本工作的化学品和溶液
*恰在镀覆前才混合这些溶液。
膜的制备-将溶液A泵送到具有25规格(gauge)针头的注射器中。通过高压变压器(Glassman Inc.高压电源)在溶液和水平旋转的圆盘式阴极收集体之间施加约1KV/cm的电场。阴极(10-cm半径)的旋转速度为30RPM。将针头垂直向下放置，尖部高于阴极约15cm。经过该针头的流速为3ml/h。为各个垫收集纤维，持续约1小时的电纺丝，然后在真空中将其干燥24小时。在电纺丝处理后，膜经过分为两个阶段的无电镀银过程：(1)用亚锡-钯溶液活化预处理，和(2)银金属镀覆。两个阶段均汇总于表2中。
表2.预处理和银金属镀覆阶段。关于各种溶液的描述参见表1。
燃料电池-使用KOH(HKU-002C，Fuel Cell Research Lab.，Dept.of Chemistry，Hong Kong University)作为电解质对供以葡萄糖燃料的AFC进行测量。将燃料溶解在液体碱性电解质中并且将二者一起置于电池中。电池以类似于蓄电池的分批模式进行工作，其中向该电池加入初始有限量的燃料。阴极(E-TEK，Somerset，NJ)是不可渗透的并且是侧壁之一的一部分，使得其可与环境空气接触。该电池具有长度为8-cm、宽度为6-cm且高度为11cm的矩形基底。
电极表征-制备两种不同的膜电极。一种具有平均直径d＝3μm(SC3μ)的纤维，另一种具有平均直径d＝0.76μm(SC0.76μ)的纤维。为了对比，还制得具有高度抛光表面的纯银箔对照电极(PAg)。
用高分辨率扫描电子显微镜(HRSEM，LEO Gemini 982)测量纤维的直径。使用ImageJ图像处理程序，就各个膜在20个不同纤维位置处对纤维的显微照片进行取样，并且计算平均纤维直径和标准偏差。用数字测微计通过将垫按压在两个载玻片之间测量膜的厚度。通过四点技术(Fluke 8840A万用表)测试电阻。
切割各个膜阳极以适合燃料电池的尺寸，用螺钉夹在两个黄铜棒之间，并且浸没到电池的燃料-电解质溶液内。阳极膜的一侧与电池壁接触，因此仅一侧暴露于燃料-电解质溶液。表3汇总了本工作中研究的3个电极的尺寸。
表3.3个电极的尺寸
*高度和面积是关于浸没在溶液F中的电极部分。
实验程序-在引入到燃料电池腔室之前即时制得溶液F。将阳极浸没在该溶液中。所有测量在室温下进行。在平衡几分钟后，记录OCV。然后以不同的外部电阻负载RL闭合电路。监测作为时间的函数的电压行为。在电池电压达到稳定值即断开电压Vd之前电路保持闭合至少1分钟。使用“连接-断开”循环以1.5-1970Ω的不同外部RL负载进行测量。
用这些纤维膜电极并且用纯银箔对照电极重复该程序。对于后者，所得电压小很多，因此使用更灵敏的电压表(Mastech M9803R万用表)。
该工作期间使用的数学关系为：
为了绘制极化曲线，在不同负载RL下，测量处于断开情形的燃料电池电压Vd。由如下计算电流密度J：
J＝Vd/(RLAe) (A/m2) [4]
其中Ae是电极与溶液F接触的物理面积(浸没高度×宽度)。
还使用各个RL的Vd值由下式来确定功率密度：
PD＝JVd＝Vd 2/(RLAe) (W/m2) [5]
使用下式计算垫的孔隙率P(定义为孔相对于整个垫的体积分数)：
P＝1-(Bf/Bp) [6]
其中Bf是通过膜的重量除以纤维材料的密度计算出的纤维总体积，且Bp是由垫的外部尺寸计算出的它的物理体积。
可显示出的是，估算的总纤维表面积与电极物理面积之比即Ff/e为：
Ff/e＝4b(1-P)/d [7]
其中b是电极的厚度。按照定义，PAg对照电极具有为1的Ff/e。
下文描述了该实验工作的结果；图1和2是垫中SC0.76μ纤维的HRSEM图像。图1显示了金属镀覆处理前的垫，而图2显示了金属镀覆后的该垫。
表4汇总了本工作中与纯银对照阳极一起开发的镀银电纺丝PCL纤维阳极的特性参数。表4还汇总了在用不同电极操作电池时获得的数据。OCV、峰值功率密度、PPD、记录PPD时的的电流密度、和膜电极的PPD与对照PAg阳极的PPD之比(称为FPPD)。
表4.电极特性和燃料电池性能
*金属镀覆之前。
阳极的纤维表面积的影响-阳极中纤维总表面积的提高应引起催化位点表面密度的增加。每单位面积较多的燃料分子能够将它们的电子传输到阳极，从而在给定的电池电压下产生提高的电流和功率密度。在表4中验证了该假设，其中d＝0.76μm的膜比d＝3μm的膜在所有参数中均表现出更好的电性能。
下面是尝试定量地探究纤维直径的降低引起电流密度增加的假设。如果这是正确的，则Ff/e比(如等式7中所给出)应预期与FJ相关，FJ是对于给定的电压下膜电极的电流密度JSC与箔电极PAg的电流密度JPAg之比，即：
FJ＝JSC/JPAg [8]
使用表3和4的数据，对于按平均值±1个标准偏差定义的一定范围的纤维直径使用等式7计算纤维膜的Ff/e值。结果作为水平虚线绘制在图3中，所述水平虚线显示了当考虑纤维直径的离散时Ff/e的上限值和下限值。通过数据的内插法就13个不同电压得出各个阳极膜的电流密度。使用内插的JSC和相应的JPAg点用等式10来计算FJ，结果绘制在图3中。
图3显示，在给定电压下的实验电流密度比率FJ处在通过等式9就Ff/e比所预测的理论极限之间。这证实了我们的假设：电流与纤维的总表面积成比例。
存在FJ随着J增加而降低的明显趋势。该行为可解释为如下：假定阳极由长的圆柱形纤维构成，等式9预测了纤维的表面积与阳极的物理面积之比。然而，电化学反应不仅仅受与溶液接触的催化剂表面积控制。反应物和产物分子的迁移率也影响从燃料分子到电极的电子迁移速率。分子迁移率的影响在较高电流密度下更显著。
在室温下使用电纺丝技术，并且使用葡萄糖作为燃料，利用对PCL纤维进行无电镀银所产生的阳极膜进行本工作。
可考虑涉及本工作的其它方法：
■通过与无电镀不同的其它方法例如电镀、溅射等镀覆纤维。
■用其它金属例如铂、镍、铜等来镀覆纤维。
■使用除PCL外的其它聚合物例如聚丙烯、聚乙烯、聚吡咯等用于纤维的构造。
■非膜(non-membranic)板的无电镀覆。
■通过除电纺丝方法外的其它方法制备纤维。
■将金属颗粒纳入到聚合物纤维中。
■使用比室温高的温度。
■使用除葡萄糖外的其它糖类例如果糖、乳糖等作为燃料。
■使用除葡萄糖外的其它有机物质例如醇类、烃类、有机酸类、醛类和含碳-氢链的其它物质作为燃料。
■使用与阴极类似的膜，特别是对于分子氧的还原。
■使用无机物质例如氢和硼氢化物作为燃料。
得出的结论是，已开发了高的表面积与体积比的阳极，其能够电氧化葡萄糖。该电极由通过电纺丝，接着进行无电镀银产生的聚合物纤维的非织造垫构成。这种制造燃料电池电极的技术简单且经济，并且显示有利于在相对小的物理体积中“装填(packing)”大表面积。确立了电池电流和估算的纤维膜总表面积之间的关系。
还发现在电流密度J增加时实验电流密度比率FJ的降低。这种事实通过葡萄糖相对低的迁移率得到解释。
发明概述
本发明提供了涂覆有导电材料的具有高的表面积与体积比的纤维阳极，具有这样的阳极的燃料电池和制备这样的阳极的方法。本发明使得能够使用稳定燃料例如葡萄糖或溶解于水中的任何其它有机化合物来制备燃料电池。
根据本发明的教导，提供了包含如下的燃料电池：(a)互相面对的阳极和阴极，(b)介于它们之间的电解质，(c)保持与阳极的至少一部分接触的燃料，其中所述阳极是涂覆有导电材料的具有高的表面积与体积比的纤维垫阳极(由导电纤维或用导电材料涂覆的非导电纤维制成)，并且其中阴极的至少一部分与空气或氧自由接触。
根据一个优选实施方案提供了本发明，其中阳极或阴极中至少之一是具有高的表面积与体积比的电纺丝纤维垫。
根据另一个优选实施方案提供了本发明，其中纤维垫阳极由用导电材料涂覆的非导电纤维制成。
根据另一个优选实施方案提供了本发明，其中纤维垫阳极由用银涂覆的聚合物纤维垫制成并且其中燃料是葡萄糖。
根据另一个优选实施方案提供了本发明，其中纤维垫阳极的纤维由含有金属颗粒的聚合物制成。
根据又一个优选实施方案提供了本发明，其中纤维垫阳极由用铂、镍、铜或任何其它金属涂覆的聚合物纤维垫制成，并且其中燃料是果糖、乳糖或任何其它糖类。聚合物可以是聚己内酯、聚丙烯、聚乙烯、聚吡咯或任何其它聚合物。
根据又一个优选实施方案提供了本发明，其中纤维垫阳极由用银、铂、镍、铜或任何其它金属涂覆的聚合物纤维垫制成，并且其中燃料是醇类、烃类、有机酸类、醛类或任何其它含有碳-氢链的有机燃料物质。
根据又一个优选实施方案提供了本发明，其中燃料是氢、硼氢化物或任何其它无机燃料物质。
根据本发明的另一个方面，提供了由纤维垫制成的具有高的表面积与体积比的燃料电池阳极。该燃料电池阳极可以是通过电纺丝方法制备的纤维垫。
根据一个优选实施方案，提供了燃料电池阳极，其中该阳极是纤维垫，其中纤维由用导电材料涂覆的聚合物制成。阳极还可由纤维垫制成，其中纤维由含有金属颗粒的聚合物纤维制成。
根据另一个优选实施方案，提供了燃料电池阳极，其中它是纤维垫阳极并且其中纤维由用银涂覆的聚合物制成。
根据另一个优选实施方案，提供了燃料电池阳极，其中该阳极与阴极面对面组装在一起，电解质介于它们之间，即可与任何燃料电池一起使用。该组件为所谓的膜电极组件(MEA)。
根据本发明的又一个方面，提供了制备具有高的表面积与体积比的燃料电池阳极的方法。该方法包括下面步骤：
(a)由直径非常小的纤维制备纤维垫；和
(b)用导电材料涂覆所述垫的纤维。
还提供了所述及的方法，其中通过电纺丝方法进行纤维垫的制备，纤维具有几微米至小于30nm的直径。
还提供了所述及的方法，其中在0.4kV/cm至2.0kV/cm的高电压电场存在下使用电纺丝方法。
还提供了所述及的方法，其中纤维垫由任何聚合物制成并且其中用银进行涂覆。
根据本发明的另一个方面，提供了包含电纺丝元件的制品，其可以在燃料电池中充当阳极或阴极，具有可控的孔隙率和渗透率。该电纺丝元件可通过如下方法制备：在静电场内沿旋转收集体的方向由分散器分散至少一种液化聚合物，以便形成至少一射束的聚合物纤维。
根据另一个优选实施方案，提供了制品，其中平均孔尺寸具有约200μm的最大平均孔直径和约0.1μm的最小平均孔直径。
根据另一个优选实施方案，提供了制品，其中聚合物是生物相容性的，并且至少一种生物相容性聚合物选自PCL、PLA、PGA、PAN、PMMA、聚酰胺和聚酰亚胺。
根据本发明的又一个方面，提供了制造电纺丝元件的方法，该方法包括：(a)在静电场内沿旋转收集体的方向由分散器分散至少一种液化聚合物，以便形成至少一射束的聚合物纤维。
附图简要描述
这里参照附图即图4、5、6和7对本发明进行描述，其是为了举例说明。现在具体参考详细的附图，需要强调的是，所显示的细节仅是为了举例说明以及出于对本发明的优选实施方案进行说明性论述的目的，并且是为了提供认为是本发明原理和概念性特点的最有用和易于理解的描述而提出的。在这点上，并不试图显示比对于本发明的基本理解所需更详细的结构细节，对附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何在实践中实施本发明的若干形式。
在附图中：
图1至3涉及上文背景技术部分。图4、5、6和7说明了优选实施方案。
图4说明了本发明的燃料电池实施方案。
图5说明了燃料电池的优选实施方案的横截面，有助于过程的阐明。
图6说明了根据本发明的阳极的结构。
图7说明了设计本发明燃料电池的许多方式的一个样例。
优选实施方案的描述
本发明是涂覆有导电材料的纤维聚合物阳极，制备这样的阳极的方法和其阳极(以及任选地其阴极具有相同结构)为上述阳极的燃料电池。
参考附图(4、5、6和7)和所附的描述可更好地理解本发明的原理和操作。
现参照附图，图4说明了本发明的燃料电池实施方案。所说明的燃料电池10由互相面对的阳极11和阴极12构成，电解质13介于它们之间，阳极的背部与壳体15容纳的葡萄糖燃料溶液14接触。阴极12的背部向空气敞开。阳极11(以及阴极12)包含导电框架11a，在该框架中框住有纤维垫11b。该纤维垫11b是由涂覆有银的聚合物纤维制成的电纺丝垫。阳极输出接点11c和阴极输出接点12a中出现电能。
图5说明燃料电池的优选实施方案的横截面。阳极11和阴极12互相面对，保持电解质13介于它们之间。葡萄糖燃料14介于阳极11的背部和壳体壁15之间。
燃料电池10通过下面机制产生电能。阳极11供给有燃料14，该燃料被氧化和分解成电子和离子。电子通过金属性电子导电材料朝向阳极11移动。阴极12供给有来自外部的氧16和通过外部电路17来自阳极11的电子。离子通过电解质13发生移动。
因为燃料14是稳定化合物，需要具有有效催化剂的足够表面来接受有价值的电能。为了实现这些要求，由涂覆有银的具有高的表面积与体积比的电纺丝纤维垫制造阳极11(以及任选阴极12)。
图6说明了根据本发明的阳极的结构。纤维垫11b(由涂覆有银的电纺丝纤维制成)由导电框架11a框住，从而产生阳极11(或具有相同结构的阴极)。阳极11具有将燃料电池连接到电用户的导电接点11c。
图7说明了设计燃料电池的许多方式的一个样例。在所说明的设计中，燃料电池可组装为圆柱形状。所说明的设计由3个圆柱制成，内圆柱是阴极12并且其是中空的，从而使得能够与空气16接触。阴极12被中间圆柱11界定的电解质13包围，所述中间圆柱11是阳极。葡萄糖燃料14位于阳极11和壳体15即外圆柱之间。
如本文中说明书和下面权利要求书部分所使用的，术语“垫”等是指非织造的微米或纳米纤维膜，且术语“稳定”材料或溶液是指在化学上难以改变的材料或溶液。
如本文中所使用的，术语“聚合物溶液”是指可溶聚合物，即包含溶解在溶剂中的一种或多种聚合物、共聚物或聚合物的共混物的液体介质。本发明使用的聚合物可为天然、合成、生物相容性和/或可生物降解的聚合物。
术语“合成聚合物”是指自然界中未发现的聚合物，即使该聚合物由天然产生的生物材料制得。例子包括但不限于：脂族聚酯、聚(氨基酸)、共聚(醚-酯)、聚亚烷基草酸酯(polyalkylenes oxalates)、聚酰胺、酪氨酸衍生的聚碳酸酯、聚(亚氨基碳酸酯)、聚原酸酯、聚氧杂酯(polyoxaester)、聚氨基酯、含有胺基的聚氧杂酯、聚(酸酐)、聚磷嗪、和它们的组合。
本发明使用的适宜的合成聚合物还可包括基于在如下中发现的序列的生物合成聚合物：胶原、弹性蛋白、凝血酶、纤连蛋白、淀粉、聚(氨基酸)、聚(亚丙基富马酸酯)、明胶、藻酸盐、果胶、纤维蛋白、氧化纤维素、甲壳质、壳聚糖、弹性蛋白原、透明质酸、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚(四氟乙烯)、聚碳酸酯、聚丙烯和聚乙烯醇、核糖核酸、脱氧核糖核酸、多肽、蛋白质、多糖、多核苷酸、以及它们的组合。
术语“天然聚合物”是指天然产生的聚合物。这样的聚合物的非限制性例子包括丝(silk)、胶原基材料、壳聚糖、透明质酸、白蛋白、纤维蛋白原和藻酸盐。
如本文中所使用的，术语“共聚物”是指至少两种化学上相异的单体的聚合物。共聚物的非限制性例子包括：聚乳酸(PLA)-聚乙二醇(PEG)、聚对苯二甲酸乙二酯(PBGT)/聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、PLA-聚乙醇酸(PGA)、PEG-聚己内酯(PCL)和PCL-PLA。
如本文中所使用的，术语“聚合物的共混物”是指由于将两种或更多种聚合物混合在一起而产生的具有不同物理性能的新材料。
术语“生物相容性聚合物”是指在与有机体的细胞、组织或体液接触时不引起不利作用例如免疫学反应和/或排异反应等的任何聚合物(合成或天然)。应理解生物相容性聚合物还可以是可生物降解的聚合物。
根据本发明的实施方案，第一和第二聚合物溶液是生物相容性的。
生物相容性聚合物的非限制性例子包括：聚酯(PE)、PCL、硫酸钙、PLA、PGA、PEG、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚四氟乙烯(PTFE，teflon)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺、嵌段聚氨酯、聚碳酸酯-氨基甲酸酯和热塑性的聚醚氨酯、硅酮-聚醚-氨基甲酸酯、硅酮-聚碳酸酯-氨基甲酸酯胶原、PEG-DMA、藻酸盐、羟基磷灰石和壳聚糖、它们的共混物和共聚物。
术语“可生物降解聚合物”是指在生理环境中例如可被蛋白酶降解(即分解)的合成或天然的聚合物。可生物降解能力取决于降解底物(即作为聚合物的一部分的生物材料或其部分)的可获取性，生物降解材料(即微生物、酶、蛋白质)的存在，以及氧(对于需氧生物体、微生物或其部分)、二氧化碳(对于厌氧生物体、微生物或其部分)和/或其它营养素的可获取性。可生物降解的聚合物/材料的例子包括但不限于：胶原(例如胶原I或IV)、纤维蛋白、透明质酸、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚己内酯(PCL)、聚对二氧杂环己酮(PDO)、三亚甲基碳酸酯(TMC)、聚乙二醇(PEG)、胶原、PEG-DMA、藻酸盐、壳聚糖共聚物、或它们的混合物。
根据一个实施方案，聚合物溶液可由一种或多种聚合物制成，每一种可为例如上文所述的聚合物或共聚物。
根据本发明的一个实施方案，本发明的聚合物溶液是至少一种生物相容性聚合物和共聚物(可生物降解或不可生物降解)的混合物。
依据本发明的一个实施方案，用于形成壳层的第一聚合物溶液可由例如下面的聚合物制成：聚(e-己内酯)(PCL)、聚酰胺、聚(硅氧烷)、聚(硅酮)、聚(乙烯)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(乙烯醇)、聚(丙烯酸)、聚(乙酸乙烯酯)、聚丙烯酰胺、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚(乙二醇)、聚(甲基丙烯酸)、聚丙交酯、聚乙交酯、聚(丙交酯-共乙交酯)、聚酸酐、聚原酸酯、聚(碳酸酯)、聚(丙烯腈)、聚(环氧乙烷)、聚苯胺、聚乙烯基咔唑、聚苯乙烯、聚(乙烯基苯酚)、聚羟基酸、聚(己内酯)、聚酸酐、聚羟基链烷酸酯、聚氨酯、胶原、白蛋白、藻酸盐、壳聚糖、淀粉、透明质酸、以及它们的共混物和共聚物。
根据本发明的实施方案，用于在壳层的内表面上形成涂层的第二聚合物溶液可由例如下面的聚合物制成：聚(丙烯酸)、聚(乙酸乙烯酯)、聚丙烯酰胺、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚(乙二醇)、聚(甲基丙烯酸)、聚丙交酯聚乙交酯、聚(丙交酯-共乙交酯)、聚酸酐、聚原酸酯、聚(碳酸酯)、聚(环氧乙烷)、聚苯胺、聚乙烯基咔唑、聚苯乙烯、聚(乙烯基苯酚)、聚羟基酸、藻酸盐、淀粉、透明质酸、以及它们的共混物和共聚物。
虽然结合本发明的具体实施方案对其进行了描述，但显然许多替代方案、改进和变化对于本领域技术人员将是明显的，因此，意欲涵盖落入所附权利要求书的精神和宽范围内的所有这些替代方案、改进和变化。
Claims (24)
1.燃料电池，其包含：互相面对的阴极和阳极，电解质介于它们之间，保持与所述阳极的至少一部分接触的燃料，其中所述阳极是具有高的表面积与体积比的纤维垫阳极，并且所述阴极的至少一部分与空气或氧自由接触，所述纤维垫阳极由导电纤维或用导电材料涂覆的非导电纤维制成。
2.权利要求的1燃料电池，其中所述阳极或所述阴极中的至少一个是具有高的表面积与体积比的电纺丝纤维垫。
3.权利要求的1燃料电池，其中所述燃料是溶解在水中或任何其它溶剂中的有机化合物。
4.权利要求的1燃料电池，其中所述纤维垫阳极由用导电材料涂覆的非导电纤维制成。
5.权利要求的1燃料电池，其中所述纤维垫阳极由用银涂覆的聚合物纤维垫制成并且其中所述燃料是葡萄糖。
6.权利要求的1燃料电池，其中所述纤维垫阳极的纤维由含有金属颗粒的聚合物制成。
7.权利要求的1燃料电池，其中所述纤维垫阳极由用铂、镍、铜或任何其它金属涂覆的聚合物纤维垫制成，并且其中所述燃料是果糖、乳糖或任何其它糖类。
8.权利要求的7燃料电池，其中所述聚合物是聚己内酯、PAN、PMMA、聚丙烯、聚乙烯、聚吡咯或任何其它聚合物。
9.权利要求的1燃料电池，其中所述纤维垫阳极由用银、铂、镍、铜、任何其它金属或所述金属的组合涂覆的聚合物纤维垫制成，并且其中所述燃料是醇类、烃类、有机酸类、醛类或任何其它含有碳-氢链的有机燃料物质。
10.权利要求的9燃料电池，其中所述燃料是氢、硼氢化物或任何其它无机燃料物质。
11.具有高的表面积与体积比的燃料电池阳极，其是由纤维垫制成。
12.权利要求11的燃料电池阳极，其中所述阳极是通过电纺丝方法制备的纤维垫。
13.权利要求11的燃料电池阳极，其中所述阳极是纤维垫，其中纤维由用导电材料涂覆的聚合物制成。
14.权利要求11的燃料电池阳极，其中所述阳极是纤维垫，其中纤维由含有金属颗粒的聚合物纤维制成。
15.权利要求11的燃料电池阳极，其中所述阳极是纤维垫，并且其中纤维由用银涂覆的聚合物制成。
16.权利要求11的燃料电池阳极，其中所述阳极与阴极面对面组装在一起，电解质介于它们之间，以备与任何燃料电池一起使用。
17.制备具有高的表面积与体积比的燃料电池阳极的方法，所述方法包括：
·由直径非常小的纤维制备纤维垫；和
·用导电材料涂覆所述膜的纤维。
18.权利要求的17的方法，其中通过电纺丝方法进行所述纤维垫的制备，具有直径为几微米至小于30nm的纤维。
19.权利要求的18的方法，其中在0.4kV/cm至2.0kV/cm的高电压电场存在下使用所述电纺丝方法。
20.包含电纺丝元件的制品，所述电纺丝元件具有受控的孔隙率和渗透率以便充当燃料电池中的阳极或阴极。
21.权利要求的20的制品，其中所述电纺丝元件通过如下方法制备：在静电场内沿旋转收集体的方向由分散器分散至少一种液化聚合物，以便形成至少一射束的聚合物纤维。
22.权利要求的21的制品，其中所述平均孔尺寸具有约200μm的最大平均孔直径和约0.1μm的最小平均孔直径。
23.制造电纺丝元件的方法，该方法包括：在静电场内沿旋转收集体的方向由分散器分散至少一种液化聚合物，以便形成至少一射束的聚合物纤维，以充当燃料电池中的阳极或阴极。
24.权利要求的23的方法，其中所述聚合物是生物相容性的，并且至少一种所述生物相容性聚合物选自PCL、PLA、PGA、PAN、PMMA和聚酰胺。
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