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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2229515

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen auf Basis von immobilisierten Enzymen

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen auf Basis von
immobilisierte Enzyme

Name des Erfinders:
Der Name des Patentinhabers: Department of Chemistry, Moscow State University. MV University (RU)
Korrespondenzanschrift: 119992, Moskau, Lenin - Berge, Fakultät für Chemie, Moscow State University. MV Lomonosov Moscow State University, Patentamt, EN Zykova
Startdatum des Patents: 2003.05.06

Die Erfindung bezieht sich auf die Biotechnologie und kann verwendet werden, um Elektrizität elektrochemischen Generatoren zu erzeugen, insbesondere Brennstoffzellen, die molekularen Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, einschließlich eines Teils der Luft. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle auf immobilisiertem Enzym auf Basis enthält Wasserstoffelektrode aus Kohlenstoffmaterial, das als Katalysator die Oxidation von Wasserstoff Hydrogenase immobilisiertem Enzym und einer Sauerstoffelektrode aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet, in dem die Sauerstoffreduktionskatalysator ist Oxidase immobilisierte Enzym abgetrennt zwischen einem Ionenleiter. Die Erfindung stellt eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff in der Zusammensetzung der jeweils durch Reformieren und mikrobiologischen erzeugtem Wasserstoff enthalten.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Biotechnologie und der verwendet wird , um eine elektrochemische Stromerzeuger zu schaffen, insbesondere Brennstoffzellen , die molekularen Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, einschließlich eines Teils der Luft. Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler chemische Oxidation von Wasserstoff in elektrischen Strom. Die Erfindung kann für den Transport verwendet werden, einschließlich Straßenverkehr, sondern auch für den Hausgebrauch als lokale Energiequelle.

Brennstoffzellen sind chemische Stromquellen, die Durchführung der Oxidation des Brennstoffs Oxidationsmittel. Eine Brennstoffzelle mit einer negativen Elektrode, die Anode, und eine positive Elektrode bezeichnet, die so genannte Kathode. Die Elektroden sind mit Ionenleiter, welche die Elektrolytlösung oder ionenleitende Polymermembran. Das Interesse an Brennstoffzellen als elektrische Stromquelle wird sowohl durch die Eigenschaften der hohen Energiewandler bestimmt (Wirkungsgrad 50-95%). Zwischen den Elektroden wird eine Potentialdifferenz erzeugt wird, um einen elektrischen Strom in einer externen elektrischen Schaltung bereitstellt.

Im Fall der Reaktion Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle elektrochemischen an der Anode stattfindet, stellt die Gleichung:

Dementsprechend kann die Kathode Verfahren dargestellt werden als:

Derzeit gibt es mehrere Typen von Wasserstoff-Sauerstoff - Brennstoffzellen einen flüssigen Elektrolyten verwenden - Trägerionen und die protonenleitende Polymermembran. Beispielsweise US - Patent 5707755 (1998) wird auf die Beschreibung der auf eine protonenleitende Membran als Festpolymerelektrolyt (SPE) basierend Brennstoffzelle gewidmet - EP 127 414 612 (veröffentlicht am 08.01.2003), die ein ionenleitendes Medium Phosphorsäure verwendet. Die Verwendung als Brennstoffzellen-Polymerfestelektrolyt Leiter NAFION (sulfoniertes Fluorkohlenwasserstoff, EI DuPont de Nemours & Co.) bekannt gegeben , im Jahr 1993 (US - Patent N 5272017, Veröffentlichungsdatum 21.12.1993).

Die größte Entwicklung erhalten derzeit Brennstoffzellen auf Basis von festen Polymer - Polyelektrolyten. Gemäß US 5707755, die als nächstkommender analoger betrachtet werden kann, ist die Brennstoffzelle dieser Art der Kombination der Elektrolytmembran und Elektroden, die Anode und Kathode auf jeder Seite der Trennmembran Polymer. Zusätzlich geklemmt jede der Elektroden mit der protonenleitenden Polymermembran oder teilweise in die Membran eingetaucht ist. Da sowohl der Anodenkatalysator (Reaktion 1) und Kathode (Reaktion 2) Das Verfahren verwendet Platinmetall auf Kohlenstoffmaterialien verschiedener Strukturen abgeschieden. Nach Ansicht der Autoren des Patents Organisation dieser Art von Membranelektrodenanordnungen erhöht die katalytische Wirksamkeit der Kathoden- und Anodenprozesse und deutlich den Verbrauch an Edelmetall zu reduzieren. Die optimale Rate von Platin auf der Kathode entspricht 0,07 Mg pro Quadratzentimeter der Elektrodenverbrauch von Platin auf der Anodenseite des Brennstoffelements kleiner als 3 mal.

In all den oben genannten Patenten, trotz der großen Vielfalt von strukturellen Merkmale und Unterschiede, eine gemeinsame Verwendung von Platin oder dessen Legierungen als Katalysatoren in den Verfahren der elektrochemischen Ionisation von Wasserstoff und Sauerstoff durch die Gleichung (1) fließt , und (2). Dies wird durch die einzigartigen Eigenschaften von Platin als ein Katalysator für elektrochemische Reaktionen bestimmt.

Zahlreiche Versuche wurden Elektroden für die Wasserstoff-Sauerstoff - Brennstoffzellen auf andere Metalle als Platin - Basis zu schaffen gemacht (vgl. Beispielsweise Anoden Patente Brennstoffzelle auf einer diser basierend dered katalytische Material US - Patent 4.487.818 (11.12.1984) und der Brennstoffzelle Katode Das US - Patent 4430391 (02.07.1984)). Sie haben jedoch nicht zu signifikanten positiven Ergebnissen geführt. Elektroden, die auf diesen Materialien zeigten unterschiedliche Redoxpotentiale von 200-300 mV vom Gleichgewicht basieren.

Somit sind derzeit die besten Ergebnisse erhalten, wenn Platinmetall, in der Regel in feinverteilter Form als Katalysatoren sowohl in der Anode (Reaktion 1) und Kathode (Reaktion 2) Prozessen. Allerdings Platin Nachteile bei der Verwendung von gut bekannten skaliert:

1) Platin ist ein Edelmetall, hohe Kosten, Platinpreise auf dem Weltmarkt wächst kontinuierlich.

2) Platin ist eine nicht erneuerbare Rohstoffe, die die Regeneration der möglichen Formen von dispergierten ziemlich schwierig (nicht mehr als 60%). Darüber hinaus sind alle erkundeten Reserven der Platinmetalle nur 15-20 Jahre Automobilproduktion kann bei der gegenwärtigen Geschwindigkeit ausreichend sein.

3) Der bedeutendste Nachteil von Platin als Katalysator ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber den Spuren von Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H 2 S), in der industriellen Wasserstoff enthalten. CO und H 2 S in Spurenmengen hemmen irreversibel (Gift) der Katalysator Platin elektrochemischen Reaktionen.

Das Problem der irreversiblen Hemmung (Vergiftung) von Platin mit niedrigen Konzentrationen von Kohlenmonoxid ist besonders relevant. Derzeit ist die wirtschaftlichste Verfahren billig Wasserstoff zu erhalten, ist ein komplexes System mit Methanol oder Kohlenwasserstoffen zu reformieren. Reformergas enthalten theoretisch 75% Wasserstoff und 25% Kohlendioxid direkt des Brennstoffelements zu der Anode zugeführt werden kann. In der Praxis jedoch enthält das Reformierungsgas Stickstoff, Sauerstoff, und am wichtigsten ist, signifikante Mengen an Kohlenmonoxid. In Abhängigkeit von dem Verfahren und dem Grad der Reinigung von CO-Gehalt variiert und 2 Vol-% erreichen.

Platin-Katalysatoren sind sehr empfindlich gegenüber CO und im wesentlichen irreversibel bei einem Gehalt von mehr als 10 ppm CO inaktiviert. Versuche wurden unternommen, die Empfindlichkeit gegenüber Platinkatalysatoren hemmende Wirkung von Kohlenmonoxid, wie im US-Patent 6007934 (1999.12.28) offenbart ein Verfahren zur Katalysatorherstellung zu verringern, so dass ihre Toleranz gegenüber Kohlenmonoxid und 100 ppm zu erhöhen. Jedoch wurde die beanspruchte erhöhte Toleranz nur für einen kurzen Zeitraum beobachtet.

Noch wichtiger ist das Problem der Schwefelwasserstoff-Vergiftung von Platinkatalysatoren, zwangsläufig in der Zusammensetzung der sogenannten Biogas oder Wasserstoff durch mikrobiologische hergestellt. Schwefelwasserstoff reagiert irreversibel mit einer Platinoberfläche, vollständig seine katalytische Aktivität zu hemmen. Betriebszeit der Brennstoffelektrode in der Gegenwart von Schwefelwasserstoff wird durch die Geschwindigkeit der Elektro Vergiftung völlig bestimmt. Zum Betrieb der Brennstoffzelle 1000 Stunden H 2 S - Verunreinigung aus Wasserstoff sollte nicht mehr als 10 Teile pro Milliarde (ppb) nicht überschreiten. Eine solche tiefe Reinigung führt offensichtlich zu einem starken Anstieg der Kosten für Kraftstoff.

Die obigen Merkmale als Platinkatalysator Kathode und Anode in der Brennstoffzelle Verfahren (hohe Kosten, begrenzte Lebensdauer, Empfindlichkeit gegen gemeinsamen hemmenden Verunreinigungen) im Wesentlichen macht es erforderlich, nach neuen Lösungen zu suchen. Wir schlagen vor, eine Brennstoffzelle als Enzymkatalysatoren zu verwenden. Dies wird durch die folgenden spezifischen Merkmale der enzymatischen Katalyse bestimmt.

1) Enzyme - biologisch hochaktive Katalysatoren. Berechnungen zeigen, dass die katalytische Aktivität von Enzymen so hoch ist, dass sie unter Verwendung von hohen spezifischen Eigenschaften der Brennstoffzelle erreicht werden kann.

2) Enzyme - erneuerbare Katalysatoren erhalten, falls erforderlich, in einer unbegrenzten Anzahl von nachwachsenden Rohstoffen. Enzyme sind Katalysatoren, deren Eigenschaften (katalytische Aktivität, Stabilität, etc.) durch Gentechnik und Proteindesign verbessert werden kann. Es gibt herkömmliche Verfahren zur Herstellung der Enzyme im industriellen Maßstab herzustellen.

Systeme sind bekannt , bei denen die Möglichkeit der Verwendung von Enzymen als Katalysator in Brennstoffzellen gezeigt. Somit führte das Unternehmen Powerzyme PCT - Patentanmeldung WO 02/086999 A1 (15.04.2002) für die Oxidation von Verbindungen , die durch C1 - Dehydrogenasen und Elektronenüberträger, Bereitstellen conjugation enzymatische und elektrochemische Verfahren A. Heller (US - Patent 2002/0025469 A1 ( 28.02.2002) unter Berücksichtigung biochemischen Brennstoffzellen mit Enzymen. dies die Verwendung von Redox-Hydrogelen und Polymeren für den Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem aktiven Zentrum des Enzyms nachgewiesen. der Kraftstoff in dem diskutierten Patent die Möglichkeit diskutiert eine Vielzahl von biologischen Flüssigkeiten verwendet und die Schaffung von Brennstoffzellen in Pflanzen implantiert werden, Tier oder Mensch.

Als eine oder andere der oben genannten Brennstoffzelle entwickelt denen Enzyme berücksichtigen nicht das Problem der Schaffung Brennstoffzelle eine enzymatische Wasserstoff-Sauerstoff. Weiterhin wird in beiden Erfindungen stellt sie für die Verwendung von Mediatoren Transferelektrode gewünschten Elektronenaustausch zwischen der Elektrode und den aktiven Zentren der Enzyme bereitstellt. Unsere Erfindung ist auf eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gerichtet ist, und auf einem grundsätzlich anderen Konzept basiert. Die Grundlage unserer Erfindung einen direkten elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und dem aktiven Zentrum des Enzyms zu liefern. Die Erfindung basiert auf etablierte Autoren Enzymen Fähigkeit Elektronentransferprozesse zwischen dem elektronischen Leiter (Elektrode) und dem Substrat in der Elektrolytlösung in direktem Kontakt mit dem aktiven Zentrum des Enzyms elektronischen Leiters zu katalysieren.

Die Erfindung wird unter Verwendung von Enzymen fest fähig zum Katalysieren der Anode (Reaktion 1) und Kathode (Reaktion 2) Verfahren, anstelle von Platin und andere Edelmetalle. Jedes der Enzyme immobilisiert ist (adsorbiert chemisch fixiert) zu elektronenleitendes Material ist ein integraler Bestandteil der Elektrode. Die Anode oder Wasserstoffelektrode enthält in seiner Zusammensetzung ein Enzym - Hydrogenase, ist die Aktivierung und die Oxidation von molekularem Wasserstoff durchgeführt wird. Die Kathode oder Sauerstoffelektrode enthält in seiner Struktur-Oxidase, die eine Aktivierung und Reduktion von molekularem Sauerstoff direkt in Wasser durchführt. Die Kathode und die Anode sind durch das Medium getrennt sind, die keine Elektronenleitfähigkeit hat, aber die Bereitstellung Transport von Ionen. Ionenleiter (Nafion-Membran, die Elektrolytlösung) verhindert elektronischen Kontakt zwischen der Anode und der Kathode und Sauerstoff und begrenzt das Eindringen der Anode (hydrogen) des Brennstoffzellenbereich, und umgekehrt.

Zwei verschiedene Enzym lokalisiert an zwei räumlich getrennten Elektroden, elektrochemische Potentiale werden an oder nahe dem entsprechenden Wert für den Gleichgewichtspotentialen (Reaktionen 1 und 2) erzeugt wird, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle bereitstellt.

An der Anode erfolgt die folgende Reaktion unter dem Einfluss von E1 (Dehydrogenase) Enzym:

wobei E 1 - aktive Stelle des Enzyms, E 1 H 2 - ein Enzym - Komplexes mit einem Wasserstoffmolekül.

Der irreversible Schritt ist die Übertragung von Elektronen von dem aktiven Zentrum des Enzyms auf der Elektrode mit der Freisetzung von zwei Protonen in dem ionenleitenden Medium und die Übertragung von zwei Elektronen in dem elektronenleitenden Material.

An der Kathode unter dem Einfluss von E2-Enzym (Oxidase):

wobei E 2 - die zweite aktive Stelle des Enzyms E 2 O 2 - komplexe Enzym mit einem Sauerstoffmolekül.

Und die zweite Stufe ist die Übertragung von Elektronen von dem Elektronenleiter an die aktive Stelle des Enzyms E2 - Molekül mit der Reduktion von Sauerstoff zu Hydroxylionen.

Das ionenleitende Medium die Bildung von Wasser als ein Produkt der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff:

Als Vorteile der Brennstoffzelle auf der Basis von Enzymen sind die folgenden:

1. Enzyme sind vollständig erneuerbare Katalysatoren, deren Herstellung kann eine wachsende Nachfrage nach Brennstoffzellen liefern.

2. Die Kosten für die Enzyme in ihrer Massenproduktion sinkt deutlich auf 10-15 Rubel pro Gramm.

3. Enzymelektroden werden nicht durch die Verunreinigungen von Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H 2 S), in der günstigen Kraftstoff vergiftet.

4. Die Enzyme katalysieren Reaktionen inhärent nur unvermeidliche Eindringen von Gasen in die entgegengesetzte Kammer der Brennstoffzelle wird die Effizienz der Energieumwandlung nicht reduzieren.

Wasserstoff als Kraftstoff Elektrode auf Basis von immobilisierten Enzymen

Um eine Brennstoffelektrode schaffen kann Wasserstoff verwendet werden Klasse Oxidoreduktase-Enzym zur Oxidation befähigt und molekularen Wasserstoff zu aktivieren. Enzyme dieser Art haben den generischen Namen Hydrogenase empfangen.

Wir haben die Verwendung von hydrogenases aus verschiedenen Quellen nachgewiesen Wasserstoffbrennstoffelektrode erzeugen. Graphit, Ruß, Carbongewebe: Als leitende inerte Träger verschiedene Kohlenstoffmaterialien können zur Immobilisierung von Enzymen verwendet werden. Zur Immobilisierung von Hydrogenase ursprünglich hydrophoben Trägeroberfläche kann sein: (a) unterzogen, um eine hydrophilierende chemische oder elektrochemische, (b) mit Promotoren modifiziert ist. Immobilisation hydrogenases kann die Sorption von wässriger Lösung, (b) Aufbringen auf der Oberfläche des Trägers, gefolgt durch Trocknen durchgeführt (a) werden. Im Fall der Lokalisierung des Enzyms Hydrogenase nur auf der Oberfläche der Elektrode kann durch chemische Vernetzungs overlay stabilisiert werden (beispielsweise unter Verwendung von Glutaraldehyd) oder beschichteten wasserunlöslichen Polymer (beispielsweise Nafion).

Die beschriebenen Verfahren sind in den folgenden Beispielen gezeigt.

Beispiel 1
Kohlenstoff TVSH gidrofilizuyut in konzentrierter Schwefelsäure für 15 Minuten, dann in phosphatgepufferter Salzlösung, pH 7,0, für einen Tag gewaschen. Der Stoff wird in der Lösung von Hydrogenase Purna phototrophen Schwefelbakterien Thiocapsa roseopersicina (0,1 mg ml -1) und links für die Adsorption für 10-12 Stunden bei 4 ° C hergestellt Die sich ergebende Elektrode in der wässrigen Lösung mit Wasserstoff gesättigt erzeugt eine Leerlaufpotential von 10,3 mV Potential in Bezug auf die Gleichgewichts Wasserstoff. Bei Überspannung von 200 mV Wasserstoff - Oxidationsstrom war 0,2-0,6 mA cm -2.

Beispiel 2
Graphitstab gidrofilizuyut elektrochemisch in phosphatgepufferter Salzlösung, pH 7,0, alternierend polarisiert in die Anoden- und Kathodenbereich (10 Minuten), die Stromdichte von 30 mA cm -2 einstellen. Dann wird die Elektrode in eine Lösung von Hydrogenase von sulfatreduzierenden Bakterien Desulfovibrio sp eingeführt. (1 mg ml -1) und 12 Stunden für die Sorption links bei 4 ° C. Die sich ergebende Elektrode in der wässrigen Lösung mit Wasserstoff gesättigt erzeugte Leerlaufpotential von 5-15 mV gegenüber dem Gleichgewichtspotential des Wasserstoffs. Bei 75 mV Spannungs Wasserstoff - Oxidationsstrom war 0,1 bis 0,2 mA cm -2.

Beispiel 3
An den Kohlenstoff LSHG Promotorlösung (poliviologena) in Acetonitril (1 mg ml -1) angewendet wird. Eine wässrige Lösung von Hydrogenase Purna phototrophen Schwefelbakterien Th. roseopersicina (0,1 mg ml -1) auf die Oberfläche des Gewebes aufgetragen und bei Raumtemperatur in Luft getrocknet. Die sich ergebende Elektrode in der wässrigen Lösung mit Wasserstoff gesättigt erzeugte Leerlaufpotential von 5,3 mV, bezogen auf das Gleichgewichtspotential des Wasserstoffs. Bei Überspannung von 200 mV Strom Wasserstoff - Oxidation war 0,5-1 mA cm -2.

Beispiel 4
PM-105 Ruß wird in Licht Alkoholen letztere auf einen Gehalt von 15-20 Gewichts-% mit einer Lösung von Nafion gemischt. Die Mischung wurde auf einer Glaskohlenstoffstab aufgebracht und getrocknet. Die Oberfläche der erhaltenen Elektrode wird dann elektrochemisch gidrofilizuyut. Hydrogenase aus Purna phototrophen Schwefelbakterien Th. roseopersicina (0,05 mg ml-1) , die auf der Oberfläche der Elektrode, und bei Raumtemperatur in Luft getrocknet. In einer wässrigen Lösung mit Wasserstoff gesättigt Enzymelektrode ein Potential Leerlauf- 3-5 mV relativ zu der Gleichgewichtswasserstoffpotential zu erzeugen. Bei Überspannung von 200 mV Strom Wasserstoff - Oxidation war 0,5-1 mA cm -2.

Beispiel 5
Der pH-Wert der Enzymelektrode, wie in Beispiel 1 gezeigt hergestellt wurde, für 15 Minuten in einem Dampf von Glutaraldehyd stabilisiert. Elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode sind praktisch unverändert nach der Behandlung.

Als unbestreitbaren Vorteile enzymatische Wasserstoff über einem Platinelektrode sollte für ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (sulfidanionu), die in der Zusammensetzung der jeweils durch Reformieren und mikrobiologischen erzeugtem Wasserstoff zu verzeichnen.

Beispiel 6
Der pH - Wert der Enzymelektrode in den Beispielen 1-5 wurde in einer Atmosphäre aus einer Mischung aus CO und H 2 gesetzt. Es wurde festgestellt, dass bis zu 1% CO elektrochemischen Eigenschaften des Wasserstoffenzymelektrode unverändert bleibt, die eine solche Elektrode, die auf dem Rohgas Reformers zu nutzen erlaubt. Darüber hinaus, auch nach der Einwirkung von 100% CO Wasserstoff Enzymelektrode vollständig ihre Aktivität wieder hergestellt wird, sobald die Atmosphäre wurde wieder in Wasserstoff geändert. Zum Vergleich, in der Belichtung der Brennstoffelektrode eine Platin Mischung aus H 2 und CO in einem Gehalt von 0,1% letzte Elektrode verliert irreversibel seine Aktivität um 99% in 10 Minuten.

Beispiel 7
Der pH-Wert der Enzymelektrode in den Beispielen 1-5 wurde in einer Lösung mit Wasserstoff und anschließend zugegeben Natriumsulfid bei einer Endkonzentration von 0,005 M. C innerhalb des Meßfehlers elektrochemische Leistung nach Zugabe der Enzymelektrode angeordnet gesättigten Sulfid blieb unverändert.

OXYGEN Enzymelektrode basierend auf immobilisierte Enzyme

Um eine Sauerstoffelektrode erzeugen kann, ein Enzym Oxidase verwendet werden, die die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser durchgeführt wird. Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid ist thermodynamisch ineffizient: während bei der Brennstoffzelle Wasserstoff-Sauerstoff auf 50% Energieverlust auf. Als Enzyme für die Herstellung der Sauerstoffelektrode verwendet werden kann, Polyphenol-Oxidase (Laccase), Ascorbat-Oxidase, Tyrosin, Cytochrom c Oxidase.

Verfahren zur Herstellung der Enzymelektrode von Sauerstoff ähnlich zu den oben beschriebenen, für das Enzym der Wasserstoffelektrode. Vorteilhafterweise wird jedoch zeigen sie die folgenden Beispiele.

Beispiel 8
Kohlenstoff LSHG gidrofilizuyut in konzentrierter Schwefelsäure für 10 Minuten, dann in phosphatgepufferter Salzlösung, pH 7,0, für einen Tag gewaschen. Das Gewebe wurde dann in einer Lösung von Laccase von dem Pilz Coriolos hirsitus (0,1 mg ml -1) und adsorbieren während 12 Stunden bei 4 ° C isoliert platziert Um die Gewebeoberflächenelektrode stabilisiert wurde für 15 Minuten in Glutaraldehyddampf gehalten. In einer Atmosphäre von Sauerstoff erhalten Elektrode Leerlaufpotential erzeugt (-30) - (-50) mV vs. Gleichgewichtspotential (Sauerstoff / Wasser) und Überspannung - 200 mV Sauerstoffreduktionsstrom betrug 0,03 bis 0,15 mA cm -2.

Beispiel 9
Laccase aus Polyporos versicolor wurde in Isopropanol aufgenommen und mit rastorom Nafion suspendiert. Der Endgehalt an Polyelektrolyten und Enzym betrug 1 mg ml -1 bzw. 0,3%. Das Gemisch wurde zu einer Ruß-PM 105, so dass der Inhalt über Polyelektrolyt Kohlenstoffmaterial 20% betrug und auf einer Glaskohlenstoffplatte aufgetragen. Die Elektrode wurde in der Luft getrocknet. In einer Atmosphäre von Sauerstoff erhalten Elektrode Leerlaufpotential erzeugt (-30) - (-50) mV vs. Gleichgewichtspotential (Sauerstoff / Wasser) und Überspannung - 200 mV Sauerstoffreduktionsstrom betrug 0,05-0,1 mA cm -2.

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen

Beispiel 10
Der pH-Wert der Enzymelektrode wurde hergestellt, wie oben beschrieben (siehe Beispiele 1-7). Sauerstoff Enzymelektrode, hergestellt nach den Beispielen (10-11). Beide Elektroden fest gedrückt gegen die protonenleitende Membran aus Nafion (spezifischer Widerstand 20 cm). Durch die Bereitstellung von getrennten Elektroden Zuführen Wasserstoff (in Hydrogenase-Elektrode) und Sauerstoff (auf Oxidase-Elektrode). Auf den Elektroden die Potentialdifferenz stabil 1,15-1,18 V. In dem Gleichgewichtsmodus hergestellt, das thermodynamische Potential einer Wasserstoff / Sauerstoff-Zelle 1,23 V ist somit war die Effizienz der Energieumwandlung in dem diskutierten Beispiel 94-96%. In Abwesenheit dieser Enzyme in der elektronenleitenden Medien instabil ist und die Potentialdifferenz ist in der Umgebung - 0,3-0,5 V.

Beispiel 11
Wasserstoff und Sauerstoff Enzymelektroden in Beispiel 12. Beide Elektroden beschrieben, hergestellt werden in einem Gefäß mit einem gemeinsamen Elektrolyten angeordnet (beispielsweise Natrium und 0,05 M Natriumsulfat 0,1 M Acetat, pH 5,0) und eine separate Zuführung von Wasserstoff zur Anode und Sauerstoff zur Kathode bereitzustellen. Zwischen den Elektroden wird durch die Differenz von 1,16 bis 1,19 V Potential erzeugt, die die Effizienz des Energiewandlers 95-97% macht.

Hintergrund der Erfindung

Die enzymatische Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann die Anwendung in den Bereichen Brennstoffzellen finden unter Verwendung von Platin-basierten. Diese Kraftfahrzeuge, lokale Energiequellen, Stromerzeuger, mit einem Überschuss an Wasserstoff, wie Kernkraftwerke. Die Vorteile ist der Einsatz von ihnen für die Schaffung von erneuerbaren Katalysatoren in Abwesenheit von Strukturelementen von Edelmetallen.

Signifikante schwach enzymatische Brennstoffzelle Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff. Unempfindlichkeit gegenüber Schwefelwasserstoff Hydrogenase Elektrode macht es anwendbar in Anlagen Strom aus Wasserstoff biologischen Quellen, wie zum Beispiel bei der Umwandlung von organischen Abfällen erzeugen.

FORDERUNGEN

  1. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle basierend auf immobilisiertem Enzym, gekennzeichnet durch die Wasserstoffelektrode aus Kohlenstoffmaterial, das als Katalysator die Oxidation von Wasserstoff Enzym Hydrogenase immobilisiert und einer Sauerstoffelektrode aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet, bei dem als Sauerstoffreduktionskatalysator Oxidase immobilisierte Enzym durch einen Ionenleiter getrennt.
  2. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle basierend auf immobilisiertem Enzym nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffmaterial elektrochemisch auf die Hydrophilisierung unterzogen oder chemisch modifiziert oder Promotoren.
  3. Brennstoffzelle Wasserstoff-Sauerstoff basierend auf immobilisiertem Enzym nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Immobilisierung von Enzymen Sorption durch Aufbringen einer wässrigen Lösung oder an der Oberfläche des Kohlenstoffmaterials, gefolgt durch Trocknen durchgeführt.
  4. Brennstoffzelle Wasserstoff-Sauerstoff basierend auf immobilisiertem Enzym nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die immobilisierten Enzyme durch chemische Vernetzung oder Überzugsbeschichtung unlösliches Polymer stabilisiert sind.

Druckversion
Erscheinungsdatum 23.12.2006gg