TW201401632A - 膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種膜電極，其包括：一質子交換膜，一陽極電極及一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置於該質子交換膜兩個相對的表面，其中，所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述生物燃料催化劑設置於質子交換膜與擴散層之間，所述擴散層包括一奈米碳管複合結構。

Description

膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池

本發明涉及一種膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池，尤其涉及一種基於奈米碳管的膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池。

燃料電池係一種將燃料及氧化劑氣體轉化為電能的電化學發電裝置，被廣泛應用於軍事國防及民用的電力、汽車、通信等領域。生物燃料電池係以酶或微生物為催化劑，將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。

請參見圖1， 為2003年10月23日公開的第CN1993855A號大陸專利申請（申請人：索尼株式會社；發明人：酒井秀樹等）揭示的一種燃料電池。該燃料電池包含燃料電極（負極）1，該燃料電極1通過酶催化劑分解作為燃料的多糖以獲得電子和產生質子（H⁺）；電解層3，用來僅傳導質子；和空氣電極（正極）5，該空氣電極5通過電解層3與燃料電極1隔離。該空氣電極5使經電解層3傳輸的質子、從燃料電極1外部電路供給的電子和空氣中的氧氣反應形成水。燃料電極1包括電極11及固定於該電極11上的酶。電極11通常為玻璃碳電極。所述電解層3由這樣的材料構成，其為用於傳輸於燃料電極1產生的質子H⁺到空氣電極5的質子傳導膜，該質子傳導膜並沒有電子傳導性能且可傳輸質子H⁺。所述空氣電極5包括催化劑層和由多孔碳物質構成的擴散層，且催化劑層位於擴散層與電解質層3之間。該催化劑層由負載有催化劑的碳粉或沒有負載於碳上的催化劑顆粒構成。

所述燃料電池工作時，燃料電極1一端酶催化劑分解生物燃料以獲得電子和產生質子。所述質子通過電解層3擴散至空氣電極5一端。所述電極11用來收集和傳導反應生成的電子，並將電子通過外電路傳導至空氣電極5。空氣電極5一端通入氧化劑氣體，則該氧化劑氣體與所述電子、質子反應生成水。

然而，上述的燃料電池具有以下不足：第一，電極11通常為玻璃碳電極。玻璃碳電極係將有機物高溫炭化製得的碳電極，其比表面積小，電阻率大，制約電極11傳導反應所生成的電子的功能。這些缺點直接影響燃料電池的反應活性。第二，玻璃碳電極柔韌性差，不易加工。

有鑒於此，確有必要提供一種具有較高的反應活性，且可提高催化劑的利用率的膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池。

一種膜電極，其包括：一質子交換膜，一陽極電極及一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置於該質子交換膜兩個相對的表面，其中，所所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述生物燃料催化劑設置於質子交換膜與擴散層之間，所述擴散層包括一奈米碳管複合結構。

一種生物燃料電池，其包括：一質子交換膜；一陽極電極與一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置於該質子交換膜兩個相對的表面；一裝有生物燃料的容室，且陽極電極浸泡於該生物燃料中；一導流板設置於陰極電極遠離質子交換膜的表面；及一個供氣和抽氣裝置與該導流板相連通，其中，所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述生物燃料催化劑設置於質子交換膜與擴散層之間，所述擴散層包括一奈米碳管複合結構。

相較於先前技術，所述膜電極及採用該膜電極的生物燃料電池具有以下優點：第一，所述陽極電極包括奈米碳管，奈米碳管具有較大的比表面積和較低的電阻率，故，該陽極電極可有效的收集和傳導反應所必需的電子和反應生成的電子，有助於改善燃料電池膜電極的反應活性。第二，奈米碳管具有較好的柔韌性，易於加工。

以下將結合附圖對本發明提供的膜電極及生物燃料電池作進一步的詳細說明。

請參閱圖2，本發明第一實施例提供一種燃料電池膜電極300，其包括：一質子交換膜302，一陽極電極304及一陰極電極306。所述陽極電極304與陰極電極306分別設置於該質子交換膜302的兩個相對的表面。其中，所述陽極電極304包括一擴散層304a及分散於該擴散層304a中的生物燃料催化劑304b。

所述擴散層304a包括一奈米碳管結構或奈米碳管複合結構。所述奈米碳管結構包括複數均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管結構中的奈米碳管有序排列或無序排列。該奈米碳管結構中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~10奈米，雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~15奈米，多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度大於50微米。本實施例中，該奈米碳管的長度優選為200~900微米。當奈米碳管結構包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管結構包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數方向擇優取向排列。

具體地，所述奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。當奈米碳管結構僅包括一個奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管線狀結構多次折疊或纏繞成一層狀奈米碳管結構。當奈米碳管結構包括複數奈米碳管線狀結構時，複數奈米碳管線狀結構可相互平行設置，交叉設置或編織設置成一層狀奈米碳管結構。當奈米碳管結構同時包括奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構時，所述奈米碳管線狀結構設置於奈米碳管膜的至少一表面。所述奈米碳管膜包括複數均勻分佈的奈米碳管，具體地，該複數均勻分佈的奈米碳管有序排列或無序排列，奈米碳管之間通過凡得瓦力連接。該奈米碳管膜包括奈米碳管絮化膜、奈米碳管碾壓膜及奈米碳管拉膜中的一種或幾種。

所述奈米碳管拉膜的厚度為0.01~100微米。所述奈米碳管拉膜通過拉取一奈米碳管陣列直接獲得。可以理解，通過將複數奈米碳管拉膜平行且無間隙鋪設或/和重疊鋪設，可製備不同面積與厚度的奈米碳管結構。每一奈米碳管拉膜包括複數擇優取向排列的奈米碳管。所述奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。請參閱圖3及圖4，具體地，每一奈米碳管拉膜包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段143。該複數奈米碳管片段143通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段143包括複數相互平行的奈米碳管145，該複數相互平行的奈米碳管145通過凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管片段143具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管145沿同一方向擇優取向排列。可以理解，由複數奈米碳管拉膜組成的奈米碳管結構中，相鄰兩個奈米碳管拉膜中的奈米碳管的排列方向有一夾角α，且0°≦α≦90°，從而使相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管相互交叉組成一網狀結構，該網狀結構包括複數微孔，該複數微孔均勻且規則分佈於奈米碳管結構中，其中微孔直徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管拉膜結構及其製備方法請參見范守善等人於2007年2月12日申請的，於2010年7月11公告的第I327177號中華民國公告專利“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。

所述奈米碳管線狀結構包括至少一非扭轉的奈米碳管線、至少一扭轉的奈米碳管線或其組合。所述奈米碳管線狀結構包括多根非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線時，該非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線可相互平行呈一束狀結構，或相互扭轉呈一絞線結構。

請參閱圖5，該非扭轉的奈米碳管線包括複數沿該非扭轉的奈米碳管線長度方向排列的奈米碳管。具體地，該非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管拉膜的整個表面，於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管拉膜中的相互平行的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，從而使奈米碳管拉膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小，黏性降低。

所述奈米碳管線狀結構及其製備方法請參見范守善等人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號中華民國公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司，及於2005年12月16日申請的，於2009年7月21日公告的第I312337號中華民國公告專利“奈米碳管絲及其製作方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。

所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖6，該扭轉的奈米碳管線包括複數繞該扭轉的奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管。具體地，該扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管各向同性，沿同一方向或不同方向擇優取向排列。請參閱圖7，本實施例中，奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。優選地，所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於奈米碳管碾壓膜的表面。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互交疊，並通過凡得瓦力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管碾壓膜具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構，可無需基底支撐，自支撐存在。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的基底的表面形成一夾角α，其中，α大於等於0度且小於等於15度(0≦α≦15°)，該夾角α與施加於奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小。所述奈米碳管碾壓膜的長度和寬度不限。所述碾壓膜包括複數微孔結構，該微孔結構均勻且規則分佈於奈米碳管碾壓膜中，其中微孔直徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法請參見范守善等人於2007年5月11日申請的，於2011年6月1日公告的第I342864號中華民國公告專利“奈米碳管薄膜的製備方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。

所述奈米碳管絮化膜的長度、寬度和厚度不限，可根據實際需要選擇。本發明提供的奈米碳管絮化膜的長度為1~10厘米，寬度為1~10厘米，厚度為1微米~2毫米。請參閱圖8, 所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞的奈米碳管，奈米碳管長度大於10微米。所述奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。所述奈米碳管絮化膜各向同性，其中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量的微孔結構，微孔孔徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法請參見范守善等人於2007年6月29日申請的，於2010年12月21日公告的第I334851號中華民國公告專利“奈米碳管薄膜的製備方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。

所述生物燃料催化劑304b指任何能夠對生物燃料進行催化分解的催化劑，其可為酶催化劑、微生物或其組合。所述酶催化劑可為含有輔基FAD的氧化酶或含有輔基NAD(P)⁺的脫氫酶等。該酶催化劑均勻吸附於奈米碳管結構中的奈米碳管表面，並通過羧基或羥基與該奈米碳管結合。可以理解，對不同的生物燃料，所選用的酶催化劑不同。本實施例中，生物燃料為葡萄糖溶液，酶催化劑為葡萄糖氧化酶。所述葡萄糖氧化酶均勻分散於奈米碳管結構中的奈米碳管表面，並與該奈米碳管結構形成一複合結構。進一步，所述生物燃料催化劑304b中還可包括複數電子介體，該電子介體用於收集反應產生的電子，並將電子傳輸給奈米碳管結構。

本實施例中，所述陽極電極304通過以下方法製備：

首先，對上述奈米碳管結構進行功能化處理。

對奈米碳管結構進行功能化處理的方法為將奈米碳管結構於強酸溶液中浸泡。本實施例中，取濃硫酸和濃硝酸按一定的比例，如：1:3，混合於試管中，將製備好的奈米碳管結構裁剪合適的長度，放入混合液中超聲處理2小時左右；取出奈米碳管結構再放入雙氧水中超聲處理1小時左右；取出後將奈米碳管結構浸泡於超純水中繼續超聲處理，直至奈米碳管結構回復中性為止。

其次，提供一含有酶催化劑的溶液，並將功能化處理後的奈米碳管結構浸泡於該催化劑的溶液中。

本實施例中，於冰水混合物環境下，配製10mg/ml的EDC鹽酸鹽和12mg/ml的葡萄糖氧化酶（GOD）水溶液。然後將功能化處理後的奈米碳管結構於該葡萄糖氧化酶水溶液中於4°C溫度條件下浸泡約1~5日。可以理解，其他酶催化劑均可採用類似的方法，通過選用合適的溶劑配製成一酶催化劑溶液。

最後，將含有催化劑的溶液浸泡後的奈米碳管結構取出烘乾得到一奈米碳管與酶催化劑的複合結構作為陽極電極304。

所述陰極電極306結構不限，可包括一擴散層及一催化劑層設置於該擴散層上，且該催化劑層設置於質子交換膜與擴散層之間。所述擴散層可為一碳纖維紙或奈米碳管結構。該催化劑層包含有催化劑材料（如貴金屬或酶催化劑）及其載體（一般為碳顆粒，如：石墨、炭黑、碳纖維或奈米碳管）。

所述陰極電極306也可包括至少一個奈米碳管複合結構，且該奈米碳管複合結構包括奈米碳管結構及分佈於該奈米碳管結構中的貴金屬催化劑或酶催化劑。所述貴金屬包括鉑、金及釕中的一種或其任意組合的混合物。該貴金屬顆粒的直徑尺寸為1~10奈米。所述貴金屬催化劑的擔載量低於0.5mg/cm²，且均勻分佈於奈米碳管結構中的奈米碳管表面。

本實施例中，所述陽極電極304為一奈米碳管結構與酶催化劑的複合結構。所述陰極電極306為一個奈米碳管結構與貴金屬催化劑的複合結構，該貴金屬催化劑為鉑顆粒。所述陽極電極304與陰極電極306中的奈米碳管結構均包括複數重疊設置的拉膜。請參閱圖9，鉑顆粒均勻分佈於奈米碳管拉膜中的奈米碳管表面。所述奈米碳管複合結構通過自身的黏性、黏結劑或熱壓的方法固定於質子交換膜302的表面。

所述質子交換膜302的材料為全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳氫化合物。本實施例中，質子交換膜302材料為全氟磺酸。

本實施例提供燃料電池膜電極300具有以下優點：第一，所述陽極電極採用奈米碳管複合結構，奈米碳管結構中的奈米碳管具有較大的比表面積，故，採用該奈米碳管結構可有效且均勻的擔載催化劑，使催化劑與生物燃料具有較大的接觸面積，提高催化劑的利用率。第二，由於奈米碳管具有較大的比表面積和較低的電阻率，故，採用該奈米碳管複合結構的電極可有效的收集和傳導反應所必需的電子和反應生成的電子，有助於改善燃料電池膜電極的反應活性。第三，所述陽極電極採用奈米碳管複合結構，由於奈米碳管密度小，故，該膜電極300品質較小，使用更方便。

請參閱圖10，本發明第二實施例提供一種燃料電池膜電極400，其包括：一質子交換膜402，一陽極電極404及一陰極電極406。所述陽極電極404與陰極電極406分別設置於該質子交換膜402的兩個相對的表面。所述膜電極400與本發明第一實施例提供的膜電極300結構基本相同，其區別在於，所述陽極電極404包括一擴散層404a及設置於該擴散層304a表面的生物燃料催化劑層404b。所述生物燃料催化劑層404b設置於所述擴散層404a的至少一表面。本實施例中，所述生物燃料催化劑層404b設置於所述擴散層404a與質子交換膜402之間。

所述擴散層404a結構與本發明第一實施例提供的擴散層304a結構相同。

所述生物燃料催化劑層404b包括催化劑及碳顆粒載體。所述催化劑與本發明第一實施例提供的生物燃料催化劑304b相同。所述碳顆粒為石墨顆粒、炭黑顆粒、碳纖維及奈米碳管中的一種或幾種的混合物，優選為奈米碳管。本實施例中，所述催化劑為酶催化劑，且酶催化劑分散於碳顆粒中，形成催化劑層404b。

所述陰極電極406與本發明第一實施例提供的膜電極300的陰極電極306的結構相同。本實施例中，所述陰極電極406為一個奈米碳管結構與貴金屬催化劑的複合結構，該貴金屬催化劑為鉑顆粒。

本實施例提供的燃料電池膜電極400中的擴散層404a為一奈米碳管結構，具有以下優點：第一，由於奈米碳管具有較大的比表面積和較低的電阻率，故，採用該奈米碳管結構的電極可有效的收集和傳導反應所必需的電子和反應生成的電子，有助於改善燃料電池膜電極的反應活性。第二，由於奈米碳管結構包括複數均勻分佈的微孔，故，該擴散層可均勻的擴散生物燃料，使生物燃料與催化劑充分反應。

請參閱圖11，本發明第三實施例提供一種燃料電池膜電極500，其包括：一質子交換膜502，一陽極電極504及一陰極電極506。所述陽極電極504與陰極電極506分別設置於該質子交換膜502的兩個相對的表面。所述陽極電極504包括一擴散層504a及設置於該擴散層504a表面的生物燃料催化劑層504b。所述生物燃料催化劑層504b設置於所述擴散層504a的至少一表面。本實施例中，所述生物燃料催化劑層504b設置於所述擴散層504a與質子交換膜502之間。所述膜電極500與本發明第二實施例提供的膜電極400結構基本相同，其區別在於，所述擴散層504a包括一奈米碳管複合結構。

所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及分散於奈米碳管結構中的填充材料。所述填充材料均勻分散於奈米碳管結構中。所述填充材料包括金屬、陶瓷、玻璃及纖維中的一種或複數種。可以理解，當奈米碳管結構中分散有金屬時，可增強該奈米碳管結構的導電性。當奈米碳管結構中分散有填充材料時，需確保奈米碳管結構的微孔不被堵塞，以便擴散燃料或氧化劑。可選擇地，所述奈米碳管複合結構包括一碳纖維布或碳纖維毯及分散於該碳纖維布或碳纖維毯中的奈米碳管。將該碳纖維布或碳纖維毯中添加奈米碳管，可提高其導電性與柔韌性，並增加碳纖維布或碳纖維毯中小尺寸孔隙的數量，從而提高碳纖維布或碳纖維毯的擴散均勻性。所述碳纖維布或碳纖維毯中奈米碳管的添加量不限。優選地，所述碳纖維布或碳纖維毯中奈米碳管的添加量為1~15%。

所述陰極電極506的結構與與本發明第一實施例提供的膜電極300的陰極電極306的結構相同。本實施例中，所述陰極電極506為一個奈米碳管結構與貴金屬催化劑的複合結構，該貴金屬催化劑為鉑顆粒。

本發明第四實施例提供一生物燃料電池，其包括：一質子交換膜；一陽極電極與一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置於該質子交換膜相對的兩個表面；一裝有生物燃料的容室，且所述陽極電極浸泡於該生物燃料中；一導流板設置於陰極電極遠離質子交換膜的表面；及一個供氣裝置和一個抽氣裝置分別與該導流板相連通。其中，所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述擴散層包括一奈米碳管結構。

請參閱圖12，具體地，本實施例提供一採用上述燃料電池膜電極300的生物燃料電池30，其包括：一燃料電池膜電極300，一個陽極容室314，一個導流板308，一個集流板310及一供氣和抽氣裝置312。所述膜電極300包括一質子交換膜302，一陽極電極304及一陰極電極306。所述陽極電極304與陰極電極306分別設置於該質子交換膜302的兩個相對的表面。所述陽極電極304為一奈米碳管結構與酶催化劑的複合結構。所述陰極電極306為一個奈米碳管結構與貴金屬催化劑的複合結構，該貴金屬催化劑為鉑顆粒。該奈米碳管結構包括複數重疊設置的拉膜。可以理解，所述膜電極還可為本發明第二實施例提供的膜電極400或第三實施例提供的膜電極500。

所述陽極容室314，設置於燃料電池膜電極300的陽極電極304一側，用來裝載生物燃料316。本實施例中，生物燃料316為葡萄糖溶液。所述燃料電池膜電極300將生物燃料316與氧化劑氣體隔開，且陽極電極304浸泡於該生物燃料316中，使得酶催化劑可與生物燃料316接觸。

所述導流板308設置於陰極電極306遠離質子交換膜302的表面，且於導流板308靠近陰極電極306的表面具有一條或多條導流槽318，用於傳導氧化劑氣體及反應產物水。該導流板308採用金屬或導電碳材料製作。

所述集流板310採用導電材料製作，設置於導流板308的遠離質子交換膜302的表面，用於收集和傳導反應所需要的電子。可以理解，本實施例中，由於奈米碳管結構具有良好的導電性，可用來收集電流，故，該集流板310為一可選擇結構。

所述供氣和抽氣裝置312包括鼓風機、管路、閥門等(圖中未標示)。鼓風機通過管路與導流板308相連，用來向陰極電極306提供氧化劑氣體。本實施例中，氧化劑氣體為純氧氣或含氧的空氣。

上述生物燃料電池30工作時，陽極電極304一端，生物燃料316（以葡萄糖為例）於酶催化劑的催化作用下發生如下反應：葡萄糖→葡萄糖酸+2H⁺+2e。反應生成的質子穿過質子交換膜302到達陰極電極306，反應生成的電子則進入外電路。

陰極電極306一端，利用其供氣和抽氣裝置312通過導流板308向陰極電極306通入氧化劑氣體，如氧氣。氧氣擴散到陰極電極306的同時，電子則通過外電路到達陰極電極306。於貴金屬催化劑作用下，氧氣與質子及電子發生如下反應：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。於此過程中，於陽極電極304與陰極電極306之間會形成一定的電勢差，當外電路接入一負載320時，將會形成電流。而反應生成的水則通過導流板308排出生物燃料電池30。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

1．．．燃料電極

3．．．電解層

5．．．空氣電極

11．．．電極

143．．．奈米碳管片段

145．．．奈米碳管

30．．．生物燃料電池

300,400,500．．．膜電極

302,402,502．．．質子交換膜

304,404,504．．．陽極電極

304a,404a,504a．．．擴散層

304b．．．生物燃料催化劑

404b,504b．．．生物燃料催化劑層

306,406,506．．．陰極電極

308．．．導流板

310．．．集流板

312．．．供氣和抽氣裝置

314．．．陽極容室

316．．．生物燃料

318．．．導流槽

320．．．負載

圖1為先前技術的燃料電池的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例的膜電極的結構示意圖。

圖3為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖4為圖3中的奈米碳管拉膜中的奈米碳管片段的結構示意圖。

圖5為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖6為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖7為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。

圖8為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。

圖9為本發明第一實施例提供的表面沈積有鉑層的奈米碳管拉膜的局部掃描電鏡照片。

圖10為本發明第二實施例的膜電極的結構示意圖。

圖11為本發明第三實施例的膜電極的結構示意圖。

圖12為本發明第四實施例的生物燃料電池的結構示意圖。

500．．．膜電極

502．．．質子交換膜

504．．．陽極電極

504a．．．擴散層

504b．．．生物燃料催化劑層

506．．．陰極電極

Claims (23)

1. 一種膜電極，其包括：一質子交換膜，一陽極電極及一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置於該質子交換膜相對的兩個表面，其改良在於，所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述生物燃料催化劑設置於質子交換膜與擴散層之間，所述擴散層包括一奈米碳管複合結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管複合結構包括一碳纖維布或碳纖維毯及分散於該碳纖維布或碳纖維毯中的奈米碳管。
3. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及分散於奈米碳管結構中的填充材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。
5. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜包括複數均勻分佈的奈米碳管，該複數奈米碳管有序排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜中的複數奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
7. 如申請專利範圍第6項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括至少兩個重疊設置的奈米碳管膜。
8. 如申請專利範圍第7項所述的膜電極，其中，所述相鄰兩個奈米碳管膜之間通過凡得瓦力緊密連接。
9. 如申請專利範圍第5項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜中的複數奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。
10. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜包括複數均勻分佈的奈米碳管，該複數奈米碳管無序排列。
11. 如申請專利範圍第10項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜中的複數奈米碳管相互纏繞。
12. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括一個奈米碳管線狀結構折疊或纏繞成層狀結構。
13. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括複數奈米碳管線狀結構相互平行設置，交叉設置或編織成網狀結構。
14. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管線狀結構包括至少一非扭轉的奈米碳管線、至少一扭轉的奈米碳管線或其組合。
15. 如申請專利範圍第14項所述的膜電極，其中，所述非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管沿該非扭轉的奈米碳管線長度方向平行排列，所述扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管沿該扭轉的奈米碳管線長度方向呈螺旋狀排列。
16. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括複數均勻分佈的微孔，該微孔直徑為1奈米~0.5微米。
17. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述填充材料為金屬、陶瓷、玻璃及纖維中的一種或複數種。
18. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述生物燃料催化劑包括酶催化劑、微生物或其組合。
19. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述生物燃料催化劑包括碳顆粒以及分散於碳顆粒中的酶。
20. 如申請專利範圍第19項所述的膜電極，其中，所述碳顆粒包括石墨顆粒、炭黑顆粒、碳纖維及奈米碳管中的一種或複數種的混合物。
21. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述陰極電極包括一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及分散於該奈米碳管結構中的催化劑。
22. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述陰極電極包括一擴散層及形成於該擴散層表面的催化劑層，該擴散層包括一奈米碳管結構。
23. 一種生物燃料電池，其包括：
    一質子交換膜；
    一陽極電極與一陰極電極，所述陽極電極與陰極電極分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面；
    一裝有生物燃料的容室，且所述陽極電極浸泡於該生物燃料中；
    一導流板設置於陰極電極遠離質子交換膜的表面；及
    一個供氣裝置和一個抽氣裝置分別與該導流板相連通，
    其改良在於，所述陽極電極包括一擴散層與生物燃料催化劑，所述生物燃料催化劑設置於質子交換膜與擴散層之間，所述擴散層包括一奈米碳管複合結構。