[发明专利]燃料电池

说明书

此案是申请日为2003年7月25日、申请号为03801386.X，发明名称为“燃料电池”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种利用生物新陈代谢的燃料电池。

背景技术

燃料电池主要包括:燃料电极、氧化剂电极(或空气电极)和电解质。它的工作原理基于水电解的反作用。就是说，燃料电池接收氢和氧并产生水(H₂O)和电。更具体地说，燃料(氢)被提供给燃料电极。在氧化时，氢分成电子和质子(H⁺)。这些质子移动到空气电极通过空气电解质。质子与提供给它的氧在空气电极反应，从而产生水。

燃料电池将燃料的能量直接转换为电能，因此起到作为高效的电力发生器的功能。它可将化石燃料(如天然气、汽油和煤)的能量在任何时间、任何地点很有效地转化为电能。

持续的努力已经投入到产生大规模电力的燃料电池的研究与开发中。事实上，装在航天飞机上的燃料电池不仅产生电力而且为机组人员提供水。燃料电池已经证明其本身是一种无污染的电力发生器。

新近的值得注目的发展是具有聚合的固体电解质的燃料电池，工作于比较低的温度，从室温到大约90摄氏度。预期会发现这种燃料电池不仅用作为大规模的电力发生器，而且用作为用于汽车的小规模电源和用作为用于个人计算机和移动设备的便携式电源。

不幸的是，尽管上述具有聚合的固体电解质的燃料电池有运行于比较低温度的优点，但它仍然存在要解决的问题。例如，当它在室温附近使用甲醇做燃料运行时，它经历了与CO的催化剂中毒。它需要如铂的昂贵的贵金属催化剂；由于交叉(crossover)，它遭受了能量损失；并且当它使用氢做燃料时遇到了困难。

考虑到前述的问题，提出一种想法:注意到生物体内发生的生物新陈代谢是一种高效的能量转化机制，将生物新陈代谢用于燃料电池。如在这里使用的术语“生物新陈代谢”包含呼吸作用、光合作用等。生物新陈代谢的优势在于功率产生效率和在室温的温和条件下进行的优越之处。

呼吸作用是一种由下列步骤组成的机制。首先，营养物质如糖类、脂肪和蛋白质被并入微生物和细胞。它们通过糖分解和TCA循环，涉及几个酶的反应（TCA代表三羧酸（tricarboxylic acid））。在其通过的过程中，它们产生二氧化碳（CO₂）并且还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），从而将它们的化学能转换为氧化还原能或电能。NADH的电能被直接转换为在电子转移系统中呈梯度的质子的电能。这一步伴随着氧的还原形成水。这样得到的电能在合成酶的帮助下从ADP形成ATP。而该ATP用于微生物和细胞生长所需要的反应。这样的能量转换发生在胞液和线粒体内。

光合作用是一种由以下步骤组成的机制：吸收光能并且通过电子转移系统还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺）为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），从而产生电能。结果是水的氧化产生氧。电能被用来为固化碳而吸收CO₂并用来合成碳水化合物。

生物新陈代谢包括重要的NADH生成反应，由下面的公式（3）表示。

迄今为止，已经知道的脱氢酶有几百种。作为催化剂，它们在高选择性的酶作用物到产物的转化中扮演重要角色。它们的选择性来源于以下事实：酶由蛋白质分子组成并且因此具有唯一的三维结构。因此断定，装入生物体的燃料顺序地经历包含几十种脱氢酶的反应直到被氧化为CO₂。

将生物新陈代谢用于燃料电池的技术想法已经产生微生物电池，它通过电子介体（mediator）提取微生物产生的电能并将电子转移到电极，因此产生电流。（JP-A No.2000-133297）

不幸的是，微生物和细胞不仅具有将化学能转化为电能的功能，而且具有其它对能量转化不必要的功能。因此，上述的系统导致因为不希望的反应而消耗电能，因此降低能量转化效率。

为应付这种情形，基于以下想法的燃料电池被提出来：将反应中涉及的酶和电子介体从微生物和细胞隔离开来，并且为它们重新构造适当的环境，使得仅仅希望的反应才发生。

但是，事实上这样的燃料电池由于酶的反应速度慢仅产生很低的电流密度。

本发明被完成以解决在传统技术中涉及的上述问题。本发明的目的是提供一种燃料电池，使用生物新陈代谢而且还产生高的电流密度。

发明内容