燃料电池及其制造方法、电子设备、酶固定化电极及其制造方法、拒水剂以及酶固定材料的制作方法

专利名称：燃料电池及其制造方法、电子设备、酶固定化电极及其制造方法、拒水剂以及酶固定材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池以及一种制造其的方法、一种电子设备、一种酶固 定化电极(enzyme-immobilized electrode)及其制造方法、一种拒水剂(抗水剂， water repellent agent) M一禾中611 " 14 ( 1 Bl白勺#14， enzyme-immobilizing material)。尤其是，本发明适合应用于利用酶的生物燃料电池以及利用生物燃料电池作为 电源的各种电子设备。
背景技术：
燃料电池具有这样的结构，其中正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)在其间 具有电解质(质子导体(proton conductor))的情况下彼此面对(face)。在传统燃料电 池中，供应到负极的燃料(氢)被氧化并分离成电子和质子(H+)；电子被递送至负极；而H+ 移动通过电解质到达正极。在正极处，H+与从外部供应的氧和通过外电路从负极传递的电 子发生反应而生成水(H2O)。如上所述，燃料电池是高度有效的发电装置，其将燃料具有的化学能直接转化成 电能，并且能够将化石能源如天然气、石油或煤具有的化学能以高转化效率提取作为电能， 而与使用地点或使用时间无关。因此，传统上，对于应用于大规模发电等的燃料电池积极地 进行了研究和开发。例如，已经证实，安装在航天飞机中的燃料电池能够供应电力以及用于 机组人员和燃料电池清洗发电装置的水。此外，近年来，具有在室温至约90°C的相对低操作温度范围的燃料电池，如固体聚 合物燃料电池已经被开发并且已受到关注。因此，已经在寻求不仅应用于大规模发电，而且 应用于小系统如用于运行汽车的电源以及用于个人计算机和移动装置的便携式电源。如上所述，认为燃料电池具有从大规模发电到小规模发电的宽范围应用，并且作 为高度有效的发电装置已经受到更多的关注。然而，在燃料电池中，天然气、石油、煤等利 用重整器(reformer)通常转化成氢气体，并且该氢气体用作燃料，其具有的问题在于，消 耗有限的资源以及燃料电池需要加热至高温并且需要由昂贵贵金属如钼(Pt)构成的催化 剂。此外，即使在其中氢气体或甲醇直接用作燃料的情况下，其处理也需要谨慎。在这些情况下，聚焦于在生物中发生的生物学代谢是一种高度有效的能量转化机 制的事实，已经提出了将生物学机制应用于燃料电池。这里，生物学机制包括在微生物细胞 中发生的呼吸作用、光合成等。生物学机制的一个特征是，发电效率非常高并且反应在温和 条件如在约室温下进行。例如，呼吸作用是用于将营养物如糖类、脂肪和蛋白质吸收到微生物或细胞中的 一种机制；其化学能转化成氧化还原能，即，在通过包括许多酶反应步骤的糖酵解途径和柠 檬酸(TCA)循环的产生二氧化碳(CO2)的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)还 原成还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的电能；以及在电子传递系统中，NADH的电能 直接转化成质子梯度的电能，并且氧也被还原而产生水。这里获得的电能，通过三磷酸腺苷(ATP)合成酶，从二磷酸腺苷(ADP)产生ATP。ATP用于微生物和细胞生长所需的反应。这 样的能量转化在细胞溶质和线粒体中发生。而且，光合成是这样一种机制，利用该机制，在接受光能并通过电子传递系统将烟 酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)还原成还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)从而 将光能转化成电能的过程中，水被氧化而产生氧。电能用于其中吸收CO2的碳固定化反应 以及用于碳水化合物的合成。作为其中上述生物学机制用于燃料电池的一种技术，已经报道了微生物电池，其 中在微生物中产生的电能通过电子介体(电子媒介物，electronmediator)从微生物提取， 并且电子被递送到电极而获得电流(例如参考PTL (专利文献)1)。然而，微生物和细胞包括许多不同于将化学能转化成电能的靶反应的不必要的反 应。因此，在上述方法中，电能在不期望的反应中被消耗，并且没有实现足够的能量转化效 率。在这些情况下，已经提出了其中仅利用酶进行期望反应的燃料电池(生物燃料电 池)(例如，参考PTL 2 13)。在这样的生物燃料电池中，燃料通过酶被分解并且分离成质 子和电子。已经开发了利用醇类如甲醇和乙醇或单糖如葡萄糖作为燃料的生物燃料电池。引用文献列表
专利文献
PTL1 日本未审查专利申请公开No.2000-133297
PTL2 日本未审查专利申请公开No.2003-282124
PTL3 日本未审查专利申请公开No.2004-71559
PTL4 日本未审查专利申请公开No.2005-13210
PTL5 日本未审查专利申请公开No.2005-310613
PTL6 日本未审查专利申请公开No.2006-24555
PTL7 日本未审查专利申请公开No.2006-49215
PTL8 日本未审查专利申请公开No.2006-93090
PTL9 日本未审查专利申请公开No.2006-127957
PTL10日本未审查专利申请公开No. 2006-156354
PTL11日本未审查专利申请公开No. 2007-12281
PTL12日本未审查专利申请公开No. 2007-35437
PTL13日本未审查专利申请公开No. 2007-87627。

发明内容
技术问题一般地，具有孔隙(微孔，pore)的材料如多孔碳用作以上提及的生物燃料电池的 正极以供应氧。然而，在由具有孔隙这样的材料构成的正极处，正极中的孔隙被从供应到负 极的燃料溶液穿过电解质移动到正极侧的水、通过引起穿过电解质从负极供应的H+与从外 部供应的氧和通过外电路从负极发送的电子反应而产生的水、以及从包含缓冲液的电解质 通过渗透压排出的水填充。作为结果，正极的内部可以浸没在水中。当正极的内部以这样 的方式浸没在水中时，将氧供应到正极就变得很困难。因此，从燃料电池获得的电流显著降低。因此，控制在正极中包含的水分(湿气，moisture)量很重要，但是关于这样的控制还 没有提出有效的技术。因此，本发明的一个目的是提供一种燃料电池，其通过优化正极中包含的水分量 而能够稳定地提供高电流，例如，在其中正极包括其上固定了酶的电极并且该电极内部具 有孔隙的情况下，以及一种制造燃料电池的方法；一种适合用于这种燃料电池的正极或负 极的酶固定化电极以及一种制造该酶固定化电极的方法；一种适合用于酶固定化电极的拒 水剂；以及一种酶固定材料。本发明的另一个目的是提供一种利用上述优异的燃料电池的电子设备。本发明的 所述目的和其他目的在本说明书的描述中将变得更加明显。技术手段作为通过本发明的发明人解决以上问题而实施的广泛研究的结果，本发明的发明 人发现，在其中正极包括其上固定了酶的电极并且该电极由内部具有孔隙的材料如多孔碳 构成的情况下，通过对电极的至少一部分表面(包括孔隙内表面)赋予(提供，impart)拒 水性而能够将正极中包含的水分量保持在最佳范围内，并设计了本发明。这里，由于要被固 定在电极上的酶和其他固定物质(immobilizing substance)通常具有高亲水性，所以对电 极赋予拒水性同时保持这样的状态是非常困难的。而且，还存在这样的问题，即如果这样的 亲水性酶和其他固定物质被固定到经受拒水处理的电极上，则疏水性表面被改变成亲水性 表面。鉴于前述，本发明的发明人已经开发了一种对电极表面赋予拒水性同时保持酶等的 活性的技术，所述表面包括电极内部的孔隙的内表面。作为进一步研究的结果，本发明的发 明人推断，赋予拒水性的这种技术甚至在负极包括其上固定了酶的电极并且该电极由内部 具有孔隙的材料如多孔碳构成的情况下也是有效的。也就是说，为了解决以上问题，第一个发明提供了一种燃料电池，具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结 构，其中正极和负极中的至少一个包括其上固定了酶的电极，该电极内部具有孔隙，并且对该电极的至少一部分表面赋予拒水性。第二发明提供了一种制造燃料电池的方法，其中制造了当燃料电池具有正极和负极在其间具有质 子导体的情况下彼此面对的结构时，正极和负极中的至少一个包括其上固定了酶的电极， 该电极内部具有孔隙，对该电极的至少一部分表面赋予拒水性。第三个发明提供了 一种利用一个或多个燃料电池的电子设备，其中燃料电池中的至少一个具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结构，正极和负极中的至少一个包括其上固定了酶的电极，该电极内部具有孔隙，并且对电极的至少一部分表面赋予拒水性。在第一个至第三个发明中，为了对正极或负极的表面赋予拒水性，例如，在电极的表面上形成包含拒水材料的拒水剂。具体地，例如，拒水剂施加(涂覆)在电极的表面上， 电极用拒水剂充满(impregnate)，或电极浸渍(浸泡)在拒水剂中。各种拒水剂能够用作 所述拒水剂并且根据需要进行选择。例如，能够使用通过在有机溶剂中分散拒水材料，尤其 是微粒拒水材料制得的拒水剂。拒水剂中的拒水材料的比率可以为极低。作为拒水剂，优 选使用至少包含拒水材料和与水分开(发生相分离)的有机溶剂的拒水剂，或至少包含拒 水材料和其中酶的溶解度足够低如10mg/ml以下并且优选lmg/ml以下的有机溶剂的拒水 剂。能够合适地使用的上述有机溶剂的实例包括甲基异丁基酮、庚烷、己烷、甲苯、异 辛烷和二乙醚。更一般地，能够使用各种有机溶剂如脂族、脂环族或芳族烃溶剂、醚溶剂、以 及前述溶剂的卤化物。有机溶剂的具体实例包括丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、 十二烷、环己烷、环戊烷、苯、二甲苯、丁醇、戊醇、甲醚、乙醚、异丙基醚、二氯甲烷、氯仿、四 氯化碳、二氯二氟甲烷、全氯乙烯、以及用至少一个氯原子、溴原子和/或碘原子取代的苯 或甲苯的溶剂。有机溶剂不局限于此，并且可以单独使用或组合使用。有机溶剂的实例还包括卤代烃溶剂如二氯甲烷、1，2_ 二氯乙烷、氯仿、一氯代苯、 1,2- 二氯苯、2-氯甲苯、3-氯甲苯、4-氯甲苯、2-氯间二甲苯、2-氯对二甲苯、4-氯邻二甲 苯、2，3-二氯甲苯、2，4-二氯甲苯、2，5-二氯甲苯、2，6-二氯甲苯、3，4-二氯甲苯和一氟代 苯；以及烃溶剂如硝基苯和苯。有机溶剂的实例还包括环己烷、正己烷、环己酮、1-甲氧基 异丙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、石油醚和硅油。离子液体也能够用作有机溶剂。例如，离子液体包含选自由氟烷基硫酸盐 (fluoroalkyl sulfate)阴离子、氟环烷基硫酸盐(flurocycloalkyl sulfate)阴离子和氟 苄基硫酸盐(fluorobenzyl)阴离子组成的组中的至少一种阴离子。除了拒水材料和有机溶剂之外，粘结剂等可选地添加到拒水剂中。各种粘结剂能 够用作所述粘结剂，并且优选使用具有高拒水性的粘结剂如聚乙烯醇缩丁醛。拒水剂中粘 结剂的比率例如为0. 01% 10%，但不局限于此。在其中粘结剂是具有拒水性的材料如聚 偏二氟乙烯(PVDF)的情况下，该粘结剂本身能够用作拒水材料。各种拒水材料能够用作所述拒水材料。例如，能够使用碳材料，优选碳粉(末)。能 够使用的碳粉的实例包括石墨如天然石墨、活性炭、用作锂离子电池的添加剂的碳纳米纤 维(蒸汽生长碳纤维)、以及科琴黑。拒水性聚合物也能够用作拒水材料。例如，聚乙烯醇 缩丁醛或各种氟类聚合物用作拒水聚合物。氟类聚合物的实例包括但不限于四氟乙烯-六 氟丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共 聚物、聚氟乙烯、全氟烷氧基树脂、四氟乙烯-乙烯共聚物、聚氯三氟乙烯和聚醚砜。一般地，多孔材料用作具有孔隙并用于正极或负极的电极的材料。例如，经常使用 碳材料如多孔碳、碳颗粒、碳毡(carbon felt)或碳纸，但也可以使用其他材料。通常，在将酶固定在正极或负极的电极表面上之后，通过在电极表面上形成包含 拒水材料的拒水剂而赋予拒水性。如上所述，对电极表面赋予拒水性同时保持固定在电极 表面上的酶的活性是极其困难的。这种燃料电池例如构造成使燃料溶液接触电极的一部分或使燃料溶液接触负极 的外周表面和正极的侧表面。然而，构造并不局限于此。在后一种情况下，例如，由通过空 气但不通过燃料溶液的材料构成的薄片(sheet)设置在正极的表面上，该表面在质子导体相反侧。各种酶能够用作固定在正极和负极上的酶，并且根据需要选择这些酶。另外，在其 中酶被固定在正极和负极上的情况下，优选地，除了酶之外，电子介体也被固定。固定在正极上的酶通常包括氧还原酶。例如，胆红素氧化酶、漆酶(Iaccase)、抗 坏血酸氧化酶等能够用作氧还原酶。在这种情况下，除了酶之外，电子介体优选被固定在 正极上。作为电子介体，例如，使用亚铁氰化钾(potassium hexacyanoferrate)、铁氰化钾 (potassium ferricyanide) > A^tS^St^P (potassium octacyanotungstate)等。电〒: 体优选以例如平均为0. 64X 10_6mol/mm2以上的足够高的浓度被固定。例如，在其中单糖如葡萄糖用作燃料的情况下，固定在负极上的酶包括促进单糖 氧化并分解单糖的氧化酶。一般地，除此之外，酶包括辅酶氧化酶，其将通过该氧化酶还原 的辅酶复原(恢复，return)为氧化形式。当通过这种辅酶氧化酶的作用辅酶复原为氧化 形式时，产生电子，并且这些电子从辅酶氧化酶通过电子介体递送至电极。例如，NAD+-依 赖型葡萄糖脱氢酶(GDH)用作氧化酶。例如，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)用作辅酶。例 如，心肌黄酶(diaphorase)用作辅酶氧化酶。在其中多糖(提及广义上的多糖并且是指通过水解产生两种以上单糖分子的所 有碳水化合物，并且包括寡糖如二糖、三糖和四糖)用作燃料的情况下，优选地，除了上述 氧化酶、辅酶氧化酶、辅酶和电子介体之外，促进多糖分解例如水解并产生单糖如葡萄糖的 分解代谢酶也被固定。多糖的具体实例包括淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、纤维素、麦芽 糖、蔗糖和乳糖。这些由键接在一起的两个以上的单糖构成，并且所有多糖包括作为键接单 元的单糖的葡萄糖。注意，直链淀粉和支链淀粉是包含在淀粉中的成分，并且淀粉是直链淀 粉和支链淀粉的混合物。在其中葡糖淀粉酶用作用于多糖的分解代谢酶并且葡萄糖脱氢酶 用作用于分解单糖的氧化酶的情况下，通过利用包含能够由葡糖淀粉酶分解成葡萄糖的多 糖例如淀粉、直链淀粉、直链淀粉、糖原和麦芽糖中的任一种的燃料，能够实施发电。注意， 葡糖淀粉酶是一种水解α -葡聚糖如淀粉而产生葡萄糖的分解代谢酶，而葡萄糖脱氢酶是 一种将β -D-葡萄糖氧化成D-葡萄糖酸-δ -内酯的氧化酶。在优选的构造中，用于分解 多糖的分解代谢酶也被固定在负极上并且最后充当燃料的多糖也被固定在负极上。此外，在其中淀粉用作燃料的情况下，也能够使用通过凝胶化淀粉产生的固化凝 胶燃料。在这种情况下，优选地，可以采用其中使凝胶化淀粉与其上已固定了酶等的负极接 触或者与酶等一起被固定在负极上。如果使用这样的电极，则负极表面上的淀粉的浓度水 平能够保持在高于在其中使用溶解在溶液中的淀粉的情形下的水平，并且通过酶引起的分 解反应的速率增大以改善输出。另外，燃料的管理比溶液情形下更容易，并因此能够简化燃 料供应系统。而且，燃料电池的翻折(turnover)的抑制不是必需的，并因此对于在例如移 动装置中使用该燃料电池是非常有利的。可以基本地使用任何电子介体，并且优选使用具有醌骨架(主体结构，skeleton) 的化合物，特别是具有萘醌骨架的化合物。各种萘醌衍生物能够用作具有萘醌骨架的化合 物。萘醌衍生物的具体实例包括2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)、2-氨基-3-甲基-1，4-萘醌 (AMNQ)、2_甲基-1，4-萘醌(VK3)和2-氨基-3-羧基_1，4_萘醌(ACNQ)。对于具有醌骨 架的化合物，除了具有萘醌骨架的化合物之外，例如能够使用蒽醌及其衍生物。除了具有醌 骨架的化合物之外，电子介体可以可选地包含一种或两种以上的用作电子介体的其他化合物。对于具有醌骨架的化合物，特别是具有萘醌骨架的化合物被固定在负极上时使用的溶 剂，优选使用丙酮。通过以这种方式使用丙酮作为溶剂，能够增大具有醌骨架的化合物的溶 解度，并且具有醌骨架的化合物能够被有效地固定在负极上。溶剂可以可选地包含一种或 多种不同于丙酮的溶剂。在一个实施例中，用作电子介体的2-甲基-1，4-萘醌(VK3)、用作辅酶的还 原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、用作氧化酶的葡萄糖脱氢酶和用作辅酶氧化酶的 心肌黄酶被固定在负极上。优选地，它们以1.0 (mol) 0. 33 l.O(mol) (1. 8 3. 6) XlO6(U) (0.85 1.7) X IO7(U)的比率被固定。这里，U(单位)是指示酶活性的指 数并且表示在特定温度和PH下每分钟进行的1 μ mol底物的反应程度。各种材料能够用作固定材料以将酶、辅酶、电子介体等固定在负极和正极上。优选 地，能够使用通过利用聚阳离子如聚-L-赖氨酸(PLL)或其盐和聚阴离子如聚丙烯酸(例 如聚丙烯酸钠(PAAcNa))或其盐而形成的聚离子复合物。聚离子复合物能够被构造成其内 包含酶、辅酶、电子介体等。同时，在其中电子介体被固定在这种燃料电池的正极和负极上的情况下，由于电 子介体通常具有低分子量，所以不总是容易地完全抑制洗脱以及保持其中电子介体被固定 在正极和负极上的状态达很长时间。因此，正极中使用的电子介体能够移动到负极侧，而 负极中使用的电子介体能够移动到正极侧。在这样的情况下，可能引起燃料电池输出降低 和容量降低。为了解决这个问题，使用具有与电子介体的氧化形式或还原形式相同符号的 电荷的电解质是有效的。在这种情况下，在电解质的电荷和电子介体的氧化形式或还原形 式的电荷之间施加排斥力。从而，电子介体不易于移动到电解质侧，因此有效地抑制电子 介体通过电解质向相反侧移动。通常，当电解质包含具有与电子介体的氧化形式或还原形 式相同符号的电荷的聚合物例如聚阴离子或聚阳离子时，电解质具有与电子介体的氧化形 式或还原形式相同符号的电荷，但是该方法不局限于此。可以采用其他方法以使电解质具 有与电子介体的氧化形式或还原形式相同符号的电荷。具体地，在其中正极和负极的至少 一个中使用的电子介体的氧化形式或还原形式具有负电荷的情况下，电解质制成包含具有 负电荷的聚合物例如聚阴离子。在其中电子介体的氧化形式或还原形式具有正电荷的情 况下，电解质制成包含具有正电荷的聚合物例如聚阳离子。作为聚阴离子，例如，能够使用 Nafion(商品名，DUPont，USA)(其是一种具有含氟碳磺酸基团的离子交换树脂)、重铬酸盐 离子(Cr2O72)、仲钼酸盐离子([Mo7O24D、聚丙烯酸(例如，聚丙烯酸钠(PAAcNa))等。作 为聚阳离子，例如，能够使用聚L-赖氨酸(PLL)。各种材料能够用作质子导体并且该质子导体根据需要进行选择。其具体实例包括 由玻璃纸、无纺织物、全氟碳磺酸(pre)类树脂膜、三氟苯乙烯衍生物的共聚物膜、磷酸浸 渍聚苯并咪唑膜(phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole film)、芳方矣聚醚酮 磺酸膜、PSSA-PVA(聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇共聚物)、PSSA-EV0H(聚苯乙烯磺酸-乙烯乙 烯醇共聚物)和具有含氟碳磺酸基团的离子交换树脂(Nafion(商品名，DUPont，USA)等形 成的材料。在其中包含缓冲物质(缓冲液)的电解质用作质子导体的情况下，为了即使在高 输出操作期间通过利用质子的酶反应电极内部或酶固定化膜中的质子数量增大或减少，能 够实现足够的缓冲作用，能够充分地减小PH从最佳pH的漂移，以及酶固有的能力能够满意地发挥，规定电解质中包含的缓冲物质的浓度为0. 2M以上2. 5M以下，优选0. 2M以上 2M以下，更优选0. 4M以上2M以下，并且进一步优选0. 8M以上1. 2M以下是有效的。一般 地，可以使用任何缓冲物质，只要该物质具有5以上9以下的pKa。其具体实例包括磷酸二 氢离子、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(简称为Tris)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、 卡可酸(cacodylic acid)、碳酸(H2CO3)、氢柠檬酸盐离子、N-(2-乙酰胺)亚氨基二乙酸 (ADA)、哌嗪-N，N' -二 乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酰胺基)_2_氨基乙磺酸(ACES)、 3- (N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、N-2-羟乙基哌嗪-N' -2-乙磺酸(HEPES)、N-2-羟乙基哌 嗪-N' -3-丙磺酸(HEPPS)、N-[三(羟甲基)甲基]甘氨酸(简称为tricine)、双甘氨肽 (glycylglycine)和N，N-二(2_羟乙基)甘氨酸(简称为bicine)。产生磷酸二氢离子 (H2PO4-)的物质的实例包括磷酸二氢钠(NaH2PO4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)。具有咪唑环的化 合物也优选作为缓冲物质。具有咪唑环的化合物的具体实例包括咪唑、三唑、吡啶衍生物、 二吡啶衍生物和咪唑衍生物(组氨酸，1-甲基咪唑，2-甲基咪唑，4-甲基咪唑，2-乙基咪 唑，乙基咪唑-2-羧酸盐(酯)，咪唑-2-羧醛(imidazole-2-carboxaldehyde)、咪唑_4_羧 酸，咪唑-4，5- 二羧酸，咪唑-1-基-乙酸，2-乙酰基苯并咪唑，1-乙酰基咪唑，N-乙酰基咪 唑，2-氨基苯并咪唑，N-(3-氨基丙基)咪唑，5-氨基-2-(三氟甲基)苯并咪唑，4-氮杂苯 并咪唑，4-氮杂-2-巯基苯并咪唑，苯并咪唑，1-苯基咪唑和1-丁基咪唑。作为缓冲物质， 也可以使用2-氨基乙醇、三乙醇胺、TES (N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸)、BES (N， N-二(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸)等。优选地，包含缓冲物质的电解质的pH为约7，但一 般可以为1 14的任何值。根据需要，这些缓冲物质也可以固定在其上固定了酶和电子介 体的膜上。 根据需要选择这种燃料电池的整体结构。例如，当燃料电池具有硬币型或纽扣 型结构时，优选地，燃料电池具有这样的结构，其中正极、电解质和负极容纳在正极集流体 (具有氧化剂能够通过的结构)和负极集流体(具有燃料能够通过的结构)之间形成的空 间的内部。在这种情况下，通常，正极集流体和负极集流体中的一个的边缘在其间用绝缘 密封件与正极集流体和负极集流体中的另一个之间用绝缘密封件填缝密封，由此形成用于 容纳正极、电解质和负极的空间。然而，用于形成该空间的方法不局限于此，并且该空间可 以根据需要通过另一种加工方法形成。正极集流体和负极集流体通过绝缘密封件彼此绝 缘。作为绝缘密封件，通常，使用由弹性材料如硅橡胶构成的垫圈，但是绝缘密封件不局限 于此。可以根据需要选择正极集流体和负极集流体的平面形状，并且例如为圆形、椭圆形、 四边形、六边形等。通常，正极集流体具有一个或多个氧化剂供应孔口(suppy port)并且 负极集流体具有一个或多个燃料供应孔口，但是构造不局限于此。例如，氧化剂可透过的材 料可以用作用于正极集流体的材料，代替形成氧化剂供应孔口。类似地，燃料可透过其的材 料可以用作用于负极集流体的材料，代替形成燃料供应孔口。负极集流体通常包括燃料储 存部(fuelstorage portion) 0该燃料储存部可以与负极集流体整体地提供或者可拆卸地 安装至负极集流体。燃料储存部通常具有用于密封的盖子。在这种情况下，燃料可以通过 取下盖子而注入到燃料储存部中。燃料可以例如从燃料储存部的外部注入，而不使用这样 的用于密封的盖子。当燃料储存部设置成可拆卸地安装至负极集流体时，例如，填充有燃料 的燃料箱或燃料储筒首先可以作为燃料储存部附着。燃料箱或燃料储筒可以抛弃，但是从 有效利用资源的角度看，优选燃料能够装入其中的燃料箱或储筒。可替换地，用过的燃料箱或燃料储筒可以与用燃料填充的燃料箱或燃料储筒调换。此外，例如，燃料储存部可以以具 有燃料供应孔口和燃料释放孔口的密封容器的形式提供以使燃料通过供应孔口从外部连 续地供应给该密封容器，从而燃料电池能够被连续使用。可替换地，燃料电池可以以其中燃 料电池在开口燃料箱中包含的燃料上漂浮的状态使用，以使负极朝下并且正极朝上，而不 用提供这样的燃料储存部。这种燃料电池可以具有这样的结构，其中负极、电解质、正极和正极集流体(具有 氧化剂可透过的结构)顺序地设置在预定中心轴周围，并且负极集流体(具有燃料可透过 的结构)设置成电连接至负极。在这种燃料电池中，负极可以具有带有圆形、椭圆形或多边 形部分的圆筒形状或带有圆形、椭圆形或多边形部分的圆柱形状。当负极具有圆筒形状时， 例如，负极集流体可以设置在负极内周表面侧上、设置在负极和电解质之间、设置在负极的 至少一个端面上，或设置在前述的两个以上位置处。另外，负极可以构造成储存燃料。例如， 负极可以由多孔材料构成以使负极还充当燃料储存部。可替换地，圆柱状燃料储存部可以 设置在预定中心轴上。例如，当负极集流体设置在负极内周表面侧上时，燃料储存部可以是 由负极集流体包围的空间本身或者与负极集流体分隔开的设置在该空间中的容器如燃料 箱或燃料储筒。这种容器可以可拆卸安装或固定。燃料储存部例如具有圆形圆柱形状、椭圆 形圆柱形状、多边形圆柱形状如四边形或六边形圆柱形状等，但是所述形状并不局限于此。 电解质可以形成为袋状容器以便包裹(wrap)整个负极和负极集流体。在这种情况下，当燃 料储存部用燃料完全填充时，能够使燃料接触整个负极。在这种容器中，夹在正极和负极之 间的至少一部分可以由电解质形成，而其他部分可以由不同于电解质的材料形成。这种容 器可以是具有燃料供应孔口和释放孔口的密封容器，以使容器从外部通过供应孔口连续供 应到容器，从而能够连续使用燃料电池。负极优选具有高孔隙率，例如60%以上的孔隙率， 以使负极能够充分地储存燃料。颗粒电极(pellet electrode)能够被用作正极和负极。颗粒电极能够形成如 下。例如，将碳类材料(尤其是，优选具有高导电性和大表面积的细粉末碳材料)，具体 地，例如赋予高导电性的材料如KB (科琴黑)或功能性碳材料如碳纳米管、球壳状碳分子 (fullerene)等，可选地粘结剂如聚偏二氟乙烯、酶粉末(或酶溶液)、辅酶粉末(或辅酶溶 液)、电子介体粉末(或电子介体溶液)、固定化聚合物粉末(或聚合物溶液)等在玛瑙研 钵等中混合。将该混合物恰当地干燥，然后压制成预定形状。颗粒电极的厚度(电极厚度) 也根据需要确定，而例如为约50 μ m。例如，当制造硬币型燃料电池时，颗粒电极能够通过利 用压片机，将用于形成颗粒电极的上述材料压制成圆形形状(其直径例如为15_，但不局 限于此并且根据需要确定)而形成。当形成颗粒电极时，通过控制包含在用于形成颗粒电 极的材料中包含的碳量、压制压力等而将电极厚度调整为期望值。当正极或负极插入到硬 币型电池壳中时，电接触优选通过例如将金属筛网间隔物插入在正极或负极和电池壳之间 而建立。代替上述用于制造颗粒电极的方法，例如，碳类材料、可选地粘结剂和酶固定化成 分(酶、辅酶、电子介体、聚合物等)的混合溶液(含水或有机溶剂混合溶液)可以恰当地 施加至集流体等并干燥，并且该整体可以进行压制，然后切割成期望电极尺寸。这种燃料电池能够用于几乎所有需要电力的事物，而与尺寸无关。例如，燃料 电池能够用于电子设备、移动装置(如汽车、两轮车、飞机、火箭和宇宙飞船)、供电设备(power unit)、建筑机械(construction machine)、机床(machine tool)、发电系统(power generation system)、热电系统(cogeneration system)等，并且输出、尺寸、形状、燃料类 型等根据用途等确定。电子设备可以基本地是任何类型的设备，并且包括便携式类型设备和静止类型设 备。其具体实例包括蜂窝式电话、移动设备、机器人、个人计算机、游戏机、车载设备、家用电 器以及工业产品。第四个发明提供了一种酶固定化电极，包括其上固定了酶的电极，其中对该电极的至少一部分表面赋予拒水性。第五个发明提供了—种制造酶固定化电极的方法，其中当制造包括其上固定了酶的电极的酶固定化电极时，对该电极的至少一部分 表面赋予拒水性。根据第四个和第五个发明的酶固定化电极适合应用于这样的燃料电池，其中正极 包括其上固定了酶的电极并且该电极内部具有孔隙。通常，在酶被固定在电极表面上之后， 通过在电极表面上形成包含拒水材料的拒水剂而赋予拒水性。具体地，例如，拒水剂施加到 电极的表面上，电极用拒水剂充满，或电极浸渍(浸泡)在拒水剂中。如上所述，对电极表 面赋予拒水性同时保持电极表面上固定的酶的活性是极其困难的。第四个和第五个发明不同于上述的那些特征对应于关于第一个和第二个发明描 述的那些特征，只要其特性不会受损。第六个发明提供了一种拒水剂，至少包括拒水材料和引起与水发生相分离的有机溶剂。第七个发明提供了一种拒水剂，至少包括拒水材料和其中酶的溶解度为10mg/ml以下的有机溶剂。在第六个和第七个发明的拒水剂中，例如，拒水材料是碳粉，并且有机溶剂是甲基 异丁基酮、庚烷、己烷、甲苯、异辛烷或二乙醚。第六个和第七个发明不同于上述的那些特征对应于关于第一个和第二个发明描 述的那些特征，只要其特性不会受损。第八个发明提供了一种燃料电池，具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结 构，其中在正极和负极中的至少一个上固定了酶，并且用于酶的固定材料包含拒水材料。第九个发明提供了一种制造燃料电池的方法，其中当制造具有正极和负极在其间具有质子导体的情 况下彼此面对的结构并且在正极和负极中的至少一个上固定了酶的燃料电池时，该酶利用 包含拒水材料的固定材料进行固定。第十个发明提供了一种制造燃料电池的方法，其中当制造具有正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结构并且在正极和负极中的至少一个上固定了酶的燃料电池时，酶被固定 在电极上，然后通过在该电极表面上形成拒水剂而赋予拒水性。在第十个发明中，可以使用固定材料来固定酶或者可以不使用固定材料。不包含 拒水材料的材料通常用作该固定材料，但是可以可选地使用包含拒水材料的材料。第十一个发明提供了一种酶固定(用)材料，至少包括拒水材料和引起与水发生相分离的有机溶剂。第十二个发明提供了一种酶固定材料，至少包括拒水材料和其中酶的溶解度为10mg/ml以下的有机溶 剂。第八个至第十二个发明不同于上述的那些特征对应于关于第一个和第二个发明 描述的那些特征，只要其特性不会受损。在第一个和第二个发明中，例举了无纺织物作为质子导体。还没有提出被用作质 子导体的无纺织物，其具有新颖性。因此，第十三个发明提供了一种燃料电池，具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结 构，其中在正极和负极中的至少一个上固定了酶，并且该质子导体由无纺织物构成。第十三个发明不同于上述的那些特征对应于关于第一个和第二个发明描述的那 些特征，只要其特性不会受损。在具有上述构造的本发明中，通过对内部具有孔隙的电极的至少一部分表面赋予 拒水性，例如，正极中包含的水分量能够保持在最佳范围内并且在正极处能够实现极高的 催化剂电流值(catalyst current value) 0可替换地，能够在负极处实现极高的催化剂电流值。发明的有利效果根据本发明，例如，通过优化正极中包含的水分量，能够实现可稳定地提供高电流 值的燃料电池。而且，通过利用这种优异的燃料电池，能够实现高性能电子设备等。


图1是示意性线条图(line diagram)，示出了根据本发明第一实施方式的一种生 物燃料电池。图2是示意性线条图，示出了根据本发明第一实施方式的生物燃料电池的负极的 详细结构、固定在负极上的一组酶的实例，以及通过该组酶实施的电子转移反应。图3是示意性线条图，示出了根据本发明第一实施方式的生物燃料电池的整个构 造的一个实例。图4是示意性线条图，示出了根据本发明第一实施方式的生物燃料电池的整个构 造的另一个实例。图5是示意性线条图，示出了用于为了评价根据本发明第一实施方式的生物燃料 电池而实施的计时安培法(chronoamperometry)测量的测量系统。图6是示意性线条图，示出了为了评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池而实施的计时安培法的结果。图7是示意性线条图，示出了为了评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池 而实施的计时安培法的结果。图8是示意性线条图，示出了用于本发明第一实施方式中的评价的生物燃料电池 的输出的测量结果。图9是示意性线条图，示出了用于为了评价根据本发明第一实施方式的生物燃料 电池而实施的计时安培法的测量的测量系统。图10是示意性线条图，示出了为了评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电 池而实施的计时安培法的结果。图11是示意性线条图，示出了为了描述通过在根据本发明第一实施方式的生物 燃料电池中利用包含咪唑的缓冲液实现的效果而实施的计时安培法的结果。图12是示意性线条图，示出了缓冲液浓度和获得的电流密度之间的关系、从为了 描述通过在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中利用包含咪唑的缓冲液实现的效 果而实施的计时安培法的结果获得的关系。图13是示意性线条图，示出了用于为了描述通过在根据本发明第一实施方式的 生物燃料电池中利用包含咪唑的缓冲液实现的效果而实施的计时安培法的测量的测量系统。图14是示意性线条图，示出了为了描述通过在根据本发明第一实施方式 的生物燃料电池中利用包含咪唑的缓冲液实现的效果而实施的循环伏安法(cyclic voltammetry)的结果。图15是示意性线条图，示出了用于图14中所示的循环伏安法的测量的测量系统。图16是示意性线条图，示出了为了描述通过在根据本发明第一实施方式的生物 燃料电池中利用包含咪唑的缓冲液实现的效果而实施的计时安培法的结果。图17是示意性线条图，用于描述当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池 中使用包含咪唑的缓冲液时能够稳定地获得大电流的机制。图18是示意性线条图，用于描述当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池 中使用NaH2PO4缓冲液时能够稳定地获得大电流的机制。图19是示意性线条图，示出了当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中 使用各种缓冲液时缓冲液浓度和电流密度之间的关系。图20是示意性线条图，示出了当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中 使用各种缓冲液时缓冲液浓度和电流密度之间的关系。图21是示意性线条图，示出了当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中 使用各种缓冲液时缓冲液的缓冲物质的分子量和电流密度之间的关系。图22是示意性线条图，示出了当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中 使用各种缓冲液时缓冲液的PKa和电流密度之间的关系。图23是示意性线条图，示出了为了验证在根据本发明第二实施方式的生物燃料 电池中防止电子介体通过的效果而实施的循环伏安法的结果。图M是示意性线条图，示出了为了验证在根据本发明第二实施方式的生物燃料 电池中防止电子介体通过的效果而实施的循环伏安法的测量系统。
图25是示意性线条图，示出了为了验证在根据本发明第二实施方式的生物燃料 电池中防止电子介体通过的效果而实施的循环伏安法的结果。图沈是示意性线条图，示出了为了验证在根据本发明第二实施方式的生物燃料 电池中防止电子介体通过的效果而实施的循环伏安法的结果。图27包括示出了根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的俯视图、剖视图和 仰视图。图观是分解透视图，示出了根据本发明第三实施方式的一种生物燃料电池。图四是示意性线条图，用于描述一种制造根据本发明第三实施方式的生物燃料 电池的方法。图30是示意性线条图，用于描述根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的第 一个应用实例。图31是示意性线条图，用于描述根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的第 二个应用实例。图32是示意性线条图，用于描述根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的第 三个应用实例。图33是示意性线条图，示出了根据本发明第四实施方式的一种生物燃料电池。图34包括示出了根据本发明第五实施方式的一种生物燃料电池的前视图和纵向 剖视图。图35是分解透视图，示出了根据本发明第五实施方式的生物燃料电池。图36是示意性线条图，示出了在根据本发明第七和第八实施方式的生物燃料电 池上实施的计时安培法的测量结果。
具体实施例方式现在将参考附图描述本发明的实施方式。图1示意性地示出了根据本发明第一实施方式的一种生物燃料电池。在这种生物 燃料电池中，葡萄糖用作燃料。图2示意性地示出了该生物燃料电池的负极的详细结构，在 负极上固定了一组酶的实例，以及通过该组酶实施的电子转移反应。如图1所示，该生物燃料电池具有这样的结构，其中负极1和正极2在其间具有电 解质层3的情况下彼此面对，电解质层3仅传导质子。在负极1处，作为燃料供应的葡萄糖 通过酶分解以提取电子并且还产生质子(H+)。在正极2处，利用通过电解质层3从负极1 传递的质子、通过外电路从负极1转移的电子以及空气等中的氧而生成水。负极1具有这样的结构，其中将贡献于葡萄糖分解的酶、利用葡萄糖分解过程中 的氧化反应产生其还原形式的辅酶(例如NAD+或NADP+)、氧化该辅酶的还原形式(例如 NADH或NADPH)的辅酶氧化酶(例如心肌黄酶)、以及接收伴随从辅酶氧化酶的辅酶氧化而 产生的电子并将这些电子递送到电极11的电子介体，利用由聚合物等构成的固定材料固 定在例如由多孔碳构成的电极11上(参考图2)。例如，葡萄糖脱氢酶(GDH)能够用作贡献于葡萄糖分解的酶。在氧化酶存在下，例 如，β -D-葡萄糖能够被氧化成D-葡糖酸-δ -内酯。而且，在两种酶，即葡糖酸激酶和磷酸葡糖酸脱氢酶(WiGDH)存在下，D-葡糖酸-S -内酯能够分解成2-酮-6-磷酸-D-葡糖酸酯。换句话说，D-葡糖酸-δ -内酯通过 水解转化成D-葡糖酸酯，并且在葡糖酸激酶存在下，通过将三磷酸腺苷(ATP)水解成二磷 酸腺苷(ADP)和磷酸，D-葡糖酸酯磷酸化成6-磷酸-D-葡糖酸酯。通过氧化酶Wi⑶H的 作用，6-磷酸-D-葡糖酸酯被氧化成2-酮-6-磷酸-D-葡糖酸酯。而且，利用葡萄糖代谢同时不利用上述分解过程，葡萄糖能被分解成C02。利用葡 萄糖代谢的分解过程通过糖酵解途径和TCA循环(其是熟知的反应系统)广义上分成葡萄 糖分解和丙酮酸产生。单糖分解过程中的氧化反应与辅酶的还原反应一起进行。在大多数情况下，辅酶 根据在分解过程中起作用的酶确定。如果使用GDH，则NAD+用作辅酶。S卩，当β-D-葡萄糖 通过⑶H的作用被氧化成D-葡糖酸-δ -内酯时，NAD+被还原成NADH而产生H+。所产生的NADH在心肌黄酶(DI)存在下立即被氧化成NAD+而产生两个电子和H+。 因此，通过单个步骤的氧化反应，每个葡萄糖分子产生两个电子和两个H+。通过两个步骤的 氧化反应总共产生四个电子和四个H+。通过上述过程产生的电子通过电子介体从心肌黄酶递送至电极11而H+通过电解 质层3传递至正极2。电子介体实施电子至/从电极11的转移，并且燃料电池的输出电压取决于电子介 体的氧化还原电势。即，为了实现更高的输出电压，对于负极1侧可以选择具有更大负电 势的电子介体。然而，还必须考虑电子介体对于酶的反应亲合性、与电极11的电子交换速 率、对抑制因素(例如光和氧)的结构稳定性等。从这些角度，2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌 (ACNQ)、维生素Κ3等优选用作在负极1上起作用的电子介体。其他合适的电子介体的实例 包括具有醌骨架的化合物；锇(Os)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)等的金属复合物；紫精化合物 (viologen compound)如苄基紫精；具有烟酰胺结构的化合物；具有核黄素结构的化合物； 以及具有核苷酸-磷酸结构的化合物。电解质层3是将在负极1处产生的H+传递到正极2并且由不具有电子传导性的材 料构成而且能够传递H+的质子导体。电解质层3能够由例如从上述材料充分选择的材料 构成。在这样的情况下，电解质层3包含缓冲液，该缓冲液包含具有咪唑环的化合物作为缓 冲物质。具有咪唑环的化合物，其用作缓冲物质，根据需要进行选择，并且浓度优选为0. 2M 以上3M以下。在这样的情况下，即使当生物燃料电池以高输出操作时，也能够实现高缓冲 能力并且酶固有的能力能够满意地展现。而且，太高或太低的离子强度(I. S.)有害地影响 酶活性。还考虑到电化学响应，优选恰当的离子强度，例如约0.3。然而，对于pH和离子强 度，根据所使用的酶，最佳值是不同的，并且也不局限于上述值。上述酶、辅酶和电子介体优选利用固定材料而固定在电极11上，以有效地将在电 极附近出现的酶反应现象转换成电信号。此外，在负极1处的酶反应系统能够通过同样在 电极11上固定分解燃料的酶和辅酶而被稳定。固定材料的实例包括由戊二醛(GA)和聚 L-赖氨酸(PLL)构成的材料以及由聚丙烯酸钠(PAAcNa)和聚L-赖氨酸(PLL)构成的材 料。这些材料可以单独使用或者可以使用其他聚合物。通过利用由戊二醛和聚L-赖氨酸 构成的固定材料，能够显著地改善戊二醛和聚L-赖氨酸具有的酶固定化能力，并因此能够 实现作为整体的固定材料的优异酶固定化能力。在这种情况下，尽管最佳值依赖于固定的 酶和酶的底物，但是戊二醛与聚L-赖氨酸的组成比通常为任意的。具体地，戊二醛水溶液(0. 125% )对聚L-赖氨酸水溶液(1% )的比率可以为1 1、1 2或2 1。作为实例，图2示出了其中贡献于葡萄糖分解的酶是葡萄糖脱氢酶(GDH)；辅酶 (其还原形式利用葡萄糖分解过程中的氧化反应产生)是NAD+ ；氧化NADH(其是辅酶的还 原形式)的辅酶氧化酶是心肌黄酶(DI)；以及从辅酶氧化酶接受辅酶氧化产生的电子并将 这些电子递送至电极11的电子介体是CANQ的情形。正极2构造成氧还原酶和从/到电极接收和转移电子的电子介体固定在由内 部具有孔隙的材料如多孔碳构成的电极上。例如，胆红素氧化酶(bilirubin oxidase) (BOD)、漆酶、抗坏血酸氧化酶等能够用作氧还原酶。作为电子介体，例如，能够使用通过亚 铁氰化钾电离产生的氰化铁离子(hexacyanoferrate ion)。电子介体优选以例如平均为 0. 64X 10_6mol/mm2以上的足够高的浓度固定。在正极2处，在氧还原酶存在下，空气中的氧通过从电解质层3转移的H+和从负 极1发送的电子被还原而产生水。在具有上述构造的燃料电池的操作(应用)中，当葡萄糖供应到负极1侧时，葡萄 糖通过包含氧化酶的分解代谢酶而分解。作为在这个单糖分解过程中涉及氧化酶的结果， 电子和H+能够在负极1上产生并且电流能够在负极1和正极2之间产生。在这种生物燃料电池中，用于正极2并且内部具有孔隙的电极的至少一部分表面 并且优选大部分表面被制成为拒水性的。这里，电极的表面包括电极的外表面和电极内部 的孔隙的内表面。具体地，例如通过在电极的至少一部分表面上形成拒水材料而实现拒水 性。为了在电极内部的孔隙的内表面上形成拒水材料，拒水材料需要是尺寸上比孔隙足够 小的微粒(粉末)并且拒水材料需要形成为不占据孔隙中的大多数空间。各种拒水材料能 够用作该拒水材料，并且拒水材料根据需要进行选择。优选地，例如，使用碳颗粒如石墨粉。 如上所述，为了在电极的至少一部分表面上形成拒水材料，例如，将通过在有机溶剂中分散 拒水材料而制得的拒水剂施加到电极的表面；电极通过其内的孔隙用拒水剂充满；以及除 去有机溶剂。当使用这样的拒水剂时，重要的是不会使正极2上固定的酶失活。酶的失活 能够通过利用以上提及的有机溶剂而防止。而且，在这种拒水性电极中，固定物质如固定在 电极上的酶和电子介体的亲水性优选为高。图3和图4示出了这种生物燃料电池的总体结构的两个实例。图3所示的生物燃料电池具有这样的结构，其中负极1和正极2在其间具有电解 质层3的情况下彼此面对；由通过空气但不通过燃料溶液12的材料构成的薄片13附着至 正极2的表面，该表面在电解质层3相反侧；并且使燃料溶液12(燃料溶液12的容器未示 出)与负极1的整个外表面(顶面和侧面)、负极1和正极2的侧面、以及从正极2突出的 电解质层3的部分接触。例如，无纺织物用作电解质层3，但是电解质层3并不局限于此。 而且，例如，PTFE(聚四氟乙烯)膜用作薄片13，但薄片13不局限于此。这种生物燃料电池 具有的一个优点在于，燃料溶液12的浓度能够基本上保持恒定，因为正极2的侧面与燃料 溶液12接触并因此在正极2内部产生的水随着电池反应的进展，通过正极2的侧面返回到 燃料溶液12。图4所示的生物燃料电池具有这样的结构，其中负极1和正极2在其间具有电解 质层3的情况下彼此面对；并且使燃料溶液12 (燃料溶液12的容器未示出)与负极1的整 个外表面(顶面和侧面)以及从负极1和正极2突出的电解质层3的部分接触。例如，玻璃纸用作电解质层3，但是电解质层3不局限于此。关于其中对电极的表面赋予拒水性的情形以及其中对表面不赋予拒水性的情形， 描述了正极2的评价结果。如下制备的酶/电子介体固定化电极用作正极2。首先，商购碳毡(由TORAY Industries Inc.制造的B0050)制备作为多孔碳，并将这种碳毡切割成1厘米方块。接着， 碳毡依次用80 μ 1的氰化铁离子(hexacyanoferrateion) (IOOmM)、80 μ 1的聚L-赖氨酸 (lwt% )和80μ 1的BOD溶液(50mg/ml)浸渍，然后干燥。随后，碳毡浸渍在拒水剂中以用 拒水剂涂覆碳毡的表面。该拒水剂包含13% 18%作为拒水材料的天然石墨、3% 8%作 为粘结剂的聚乙烯醇缩丁醛、8. 4%的炭黑和69. 48%作为有机溶剂的甲基异丁基酮。之后， 通过干燥除去拒水剂中包含的有机溶剂。因此，石墨粉作为拒水材料形成在碳毡的表面上 并且对该表面赋予拒水性。由此获得的酶/电子介体固定化电极具有的厚度为0. 35mm并 且面积为1平方厘米。将2或6个酶/电子介体固定化电极置于另一个的顶上而获得正极 2。另外，制备如上所述相同的正极2，只是对碳毡表面没有赋予拒水性。为了考察上述拒水剂对正极2上固定的酶，即BOD的效果，当将甲基异丁基酮(其 是包含在拒水剂中的有机溶剂)、B0D溶液(5mg/ml，50mM磷酸盐缓冲溶液)以及ABTS溶液 彼此混合时，证实了甲基异丁基酮和水之间发生相分离。在这种情况下，证实了 BOD仍然有 活性。这是因为由于BOD存在于水相中所以BOD不易于失活。这里，甲基异丁基酮在水中 的溶解度为1. 91g/100mL。而且，庚烷、己烷、甲苯、异辛烷和二乙醚用作有机溶剂。当每一种有机溶剂、BOD溶 液和ABTS溶液彼此混合时，证实有机溶剂和水之间发生相分离。在这些情况下，证实了 BOD 仍然有活性。本文中，庚烷、甲苯和异辛烷在水中是不溶的，己烷在水中的溶解度为i:3mg/L， 而二乙醚在水中的溶解度为6. 9g/100mL。此外，四氢呋喃(THF)、丙酮、乙醇和N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)用作有机溶剂。当 每一种有机溶剂、BOD溶液和ABTS溶液彼此混合时，证实了该混合溶液变混浊。从该结果 明显的是，BOD发生变性。即，当使用这些有机溶剂时BOD失活。这里，四氢呋喃、丙酮、乙 醇和N，N- 二甲基甲酰胺都与水混合(或混溶)。接下来，确认如上所述表面被制成拒水性的碳毡的拒水性。这里，拒水剂中包含 的有机溶剂是甲基异丁基酮。具体地，制备表面利用拒水剂制成拒水性的碳毡和表面没有 制成拒水性的碳毡。随后，利用卡尔费休湿度计(Karl Fischer Moisture Meter)(由DIA INSTRUMENTS Co.，Ltd.制造的型号VA-100)测量这些碳毡在它们留置在室温下时以及在 它们留置在25°C的温度和100%湿度达6小时时包含的水分量。结果在以下示出。没有拒水性的碳毡(1)留置在室温下第一个632.5第二个718.9第三个645.1平均665.5(2)留置在25°C温度和100%湿度达6小时第一个18482.2
第二个15434.4第三个12549. 1平均15488.6具有拒水性的碳毡(1)留置在室温下第一个1481.7第二个756.6第三个698. 1第四个1338. 1平均1068.6(2)留置在25°C温度和100%湿度达6小时第一个4943.8第二个3516.8第三个7280.8平均5M7. 1从以上结果发现，利用拒水剂将表面制成拒水性的碳毡中包含的水分量小到为约 表面没有制成拒水性的碳毡中包含的水分量的三分之一，并且因此利用拒水剂将表面制成 拒水性的碳毡确实具有拒水性。将描述由如上所述制备的酶/电子介体固定化电极构成的正极2的电化学特性 的测量结果。图5示出了所使用的测量系统。如图5所示，设置为工作电极的正极2置 于透气性PTFE膜14上并压缩，并实施测量同时缓冲液15接触正极2。反电极(counter electrode) 16和参比电极(reference electrode) 17浸没在缓冲液15中，并且电化学测量 装置(未示出)连接至用作工作电极的正极2、反电极16和参比电极17。Pt线用作反电极 16而AglAgCl用作参比电极17。在25°C大气压力下实施测量。咪唑/盐酸缓冲液(pH 7， 2. 0M)用作缓冲液15。利用图5所示的测量系统实施计时安培法达3600秒(s)。图6示出 了在其中正极2是酶/电子介体固定化电极(利用表面没有制成拒水性的碳毡)的情形下 获得的结果。图7示出了在其中正极2是酶/电子介体固定化电极(利用具有拒水剂而具 有拒水性的碳毡)的情形下获得的结果。如从图6和图7清楚的，在由利用具有拒水剂而 具有拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极构成的正极2处在3600秒之后的电流值为 比在由表面没有制成拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极构成的正极2处在3600秒 之后的电流值高约50%。因此，证实了对正极2的电极表面赋予拒水性的有效性。测量具有图3所示构造的生物燃料电池的输出。将利用具有拒水剂而具有拒水性 的碳毡的酶/电子介体固定化电极以及利用表面没有制成拒水性的碳毡的酶/电子介体 固定化电极用作正极2。将通过在多孔碳电极上固定用作酶GDI、用作辅酶的DI和用作电 子介体的ANQ而制备的酶/辅酶/电子介体固定化电极用作负极1。无纺织物用作电解质 层3。作为燃料溶液，使用0.4M葡萄糖溶液。图8示出了输出的测量结果。如从图8清楚 的，在其中利用具有拒水剂而具有拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极用作正极2的 情况下，输出高达比在其中利用表面没有制成拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极用 作正极2的情况下的输出高约10倍。这可能是因为正极2中包含的水分量保持在最佳范围。从单独实施的实验发现，当测量在根据正极2中包含的水分量的催化剂电流值中的变 化时，当(电极中包含的水分体积)/(电极的孔隙体积)达到70%时，催化剂电流值显著改 变并且在70%以下获得极高的催化剂电流值。考虑这个结果，认为正极2中包含的水分量 保持在70%以下。接下来，将描述由如上所述制备的酶/电子介体固定化电极构成的正极2的电化 学特性的测量结果，这些电化学特性利用图9所示的测量系统测量。如图9所示，在该测量 系统中，实施测量同时将膜状玻璃纸18置于正极2上并且缓冲液15接触玻璃纸18。利用 该测量系统实施计时安培法达3600秒钟。图10示出了在其中正极2是利用表面没有制成 拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极的情况下以及在其中正极2是利用具有拒水剂而 具有拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极的情况下获得的结果。如从图10清楚的，在 其中正极2是由利用具有拒水剂而具有拒水性的碳毡的酶/电子介体固定化电极构成的情 况下在1200秒之后的电流值高达比在其中正极2由利用表面没有制成拒水性的碳毡的酶 /电子介体固定化电极构成的情况下在1200秒之后的电流值高约两倍。因此，也证实了对 正极2的电极表面赋予拒水性的有效性。接下来，描述在其中BOD作为氧还原酶固定在正极2上并且通过混合咪唑和盐酸 以具有PH 7而制备的溶液用作缓冲液的情况下的在保持电流值方面的改善效果。表1和 图11示出了在这种情况下通过改变咪唑的浓度测得的计时安培法的结果。而且，图12示 出了电流值(表1和图11中示出的在3600秒(s)之后的电流密度)对缓冲液的浓度(缓 冲液中缓冲物质的浓度)的依赖性。为了对比，表1和图12还示出了在其中LOMNaH2PO4/ NaOH缓冲液(pH 7)用作缓冲液的情况下获得的结果。如图13所示，实施测量同时将膜状 玻璃纸21置于正极2上并且缓冲液22接触玻璃纸21。如下制备的酶/电子介体固定化电 极用作正极2。首先，商购碳毡(由TORAY Industries Inc.制造的B0050)用作多孔碳，并 将这种碳毡切割成1厘米方块。接着，碳毡依次用80 μ 1的氰化铁离子(IOOmM)、80 μ 1的 聚L-赖氨酸(Iwt和80μ1的BOD溶液(50mg/ml)浸渍，然后干燥以获得酶/电子介 体固定化电极。由此获得的酶/电子介体固定化电极中的两个布置成彼此重叠而获得正极 2。[表 1] 如从表1和图11清楚的，当NaH2PO4的浓度为1. OM时，产生初始电流但是该电流 在3600秒之后显著减小。相反，特别是当咪唑浓度为0. 4M、1. OM或2. OM时，即使在3600 秒之后也几乎观察不到电流的减小。如从图12明显的，在0. 2 2. 5M的咪唑浓度下，电流 值相对于浓度线性地增大。此外，尽管NaH2P04/Na0H缓冲液和咪唑/盐酸缓冲液二者都具 有约7的pKa以及相同的氧溶解度的事实，但是在其中缓冲液的浓度彼此相同的情况下，在包含咪唑的缓冲液中获得了更大的氧还原电流。在如上所述实施计时安培法达3600秒之后，在-0. 3 +0. 6V电势范围内实施循 环伏安法(CV)。图14示出了结果。注意，这种测量在这样的状态下实施，即，如图15所示， 其中由如上所述相同的酶/电子介体固定化电极构成，只是没有赋予拒水性的正极2用作 工作电极；这种工作电极置于透气性PTFE膜23上；并且缓冲液22接触正极2。反电极M 和参比电极25浸没在缓冲液22中，并且电化学测量装置(未示出)连接至用作工作电极 的正极2、反电极M和参比电极25。在25°C大气压力下实施测量。两种类型的缓冲液，即 咪唑/盐酸缓冲液(pH 7，1. 0M)和NaH2P04/Na0H缓冲液(pH 7，1. 0M)用作缓冲液22。如从图14清楚的，当咪唑/盐酸缓冲液(pH 7，1. 0M)用作缓冲液22时，实现极其 满意的CV特性。从以上结果，证实了优点在于咪唑缓冲液，即使改变测量系统。图16示出了通过如上所述的相同方法实施的计时安培法的结果，同时BOD固定在 正极2上，并且使用2. OM咪唑/盐酸缓冲液和1. 0MNaH2P04/Na0H缓冲液。图16还示出了 在计时安培法期间获得的在电极表面上的PH的测量结果。这里，咪唑/盐酸缓冲液的PKa 为6. 95，电导率为52. 4mS/cm,氧溶解度为0. 25mM以及pH为7。另外，NaH2P04/Na0H缓冲 液的PKa为6. 82 (H2PO4-)，电导率为51. 2mS/cm，氧溶解度为0. 25mM以及pH为7。如从图 16清楚的，在其中使用2. OM咪唑/盐酸缓冲液的情况下，电流密度高达比在其中使用1. OM NaH2PCVNaOH缓冲液的情况下的电流密度高约15倍。而且，如从图16明显的，电流的变化 基本上对应于电极表面上的PH变化。为什么获得这些结果的原因将参考图17和图18进 行描述。图17和图18各自示出了其中利用固定材料33如聚离子复合物将BOD 32连同电 子介体固定在电极31上的状态。如图17所示，认为当使用2. OM咪唑/盐酸缓冲液时，供 应足够大量的质子(H+)，从而实现高的缓冲能力并且pH被稳定，这稳定地实现高电流密度。 相反，如图18所示，认为当使用1. OMNaH2PCVNaOH缓冲液时，供应的H+量小，因而缓冲能力 变得不足够并且PH显著增大，这降低了电流密度。图19和图20各自示出了当使用各种缓冲液时，作为缓冲液浓度的函数的在3600 秒(1个小时)之后电流密度的变化。如从图19和图20清楚的，在其中使用各自包含具有 咪唑环的化合物的缓冲液的情况下，相比于其中使用其他缓冲液如包含NaH2PO4的缓冲液 的情形，通常实现高电流密度。尤其是，这种趋势随着缓冲液浓度增大而变得显著。而且， 如从图19和图20清楚的，在其中使用包含2-氨基乙醇、三乙醇胺、TES或BES作为缓冲物 质的缓冲溶液的情况下，也实现高电流密度。尤其是，这种趋势随着缓冲液浓度增大而变得 显者ο图21和图22分别是当使用图19和20中所示的缓冲液时，作为缓冲物质分子量 和PKa的函数在3600秒之后的电流密度的图示。如上所述，根据第一实施方式，由于正极2的电极表面具有拒水性同时保持酶的 活性，所以正极2中包含的水分量能够保持在最佳范围内并因此能够实现高催化剂电流， 从而能够在生物燃料电池中连续地实现高电流值。另外，电解质层3包含具有咪唑环的化 合物作为缓冲物质，因而能够实现足够的缓冲能力。因此，即使在生物燃料电池的高输出操 作期间，由于利用质子的酶反应而引起电极或酶固定化膜中的质子数量增大和减小，也能够实现足够的缓冲能力，并且能够充分减少酶周围的电解质的PH从最佳pH的漂移。因此， 酶固有的能力能够满意地发挥，并且利用酶、辅酶、电子介体等引起的电极反应能够有效且 稳定地实施。这能够提供可实施高输出操作的高性能生物燃料电池。这样的生物燃料电池 适合应用于各种电子设备、移动装置和发电系统的电源。接下来，将描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池。在这种生物燃料电池中，电解质层3具有与正极2和负极1中使用的电子介体的 氧化形式或还原形式相同符号的电荷。例如，电解质层3的至少正极2侧的表面带负电并 且具有负电荷。具体地，例如，具有负电荷的聚阴离子包含在电解质层3的至少正极2侧的 整个部分中。优选地，Nafion (商品名，DuPont,USA)，其是一种具有含氟碳磺酸基团的离子 交换树脂，用作聚阴离子。这里，将描述为了证实当电解质层3具有与电子介体的氧化形式或还原形式相同 符号的电荷时，能够防止电子介体的氧化形式或还原形式穿过电解质层3而执行的比较实 验的结果。首先，制备两个商购玻璃碳(GC)(直径3mm)，并将这两个电极抛光并冲洗。接着， 将5μ1商购Nafion(其是一种聚阴离子)的乳液(20%)加入到玻璃碳电极之一，并干 燥该电极。随后，将两个玻璃碳电极浸没在ImM氰化铁离子(多价阴离子)水溶液(50mM NaH2P04/Na0H缓冲液，pH 7)中，并以ZOmVf1的扫描速度实施循环伏安法。图23㈧示出了 结果。图23(B)示出了在其中使用加入Nafion的玻璃碳电极情况下获得的图23(A)中的 放大曲线。如从图23㈧和图23⑶理解的，在加入Nafion的玻璃碳电极中，由用作电子 介体的氰化铁离子产生的氧化还原峰值电流，相比于没有加入Nafion的玻璃碳电极，变为 1/20以下。这个结果表明，相比于Nafi0n(其是具有负电荷的聚阴离子)，氰化铁离子(其 是如这种Nafion —样具有负电荷的多价阴离子)不扩散或通过。接下来，将商购碳毡(由TORAY Industries Inc.制造的B0050)用作多孔碳。这 种碳毡切割成1厘米方块。将碳毡用80μ 1氰化铁离子(IM)浸渍，然后干燥。将由此制备 的电极中的两个布置成彼此重叠而获得试验电极。如图对所示，膜状隔膜42(对应于电解 质层3)置于试验电极41上，并且工作电极43设置成其间具有隔膜42的情况下面对试验 电极41。切成1厘米方块的商购碳毡(由TORAY Industries Inc.制造的B0050)用作该 工作电极43。而且，通过在由0. 4M NaH2P04/Na0H(pH 7)构成的缓冲液44(缓冲液44的容 器未示出)中溶解作为电子介体的氰化铁离子而制备的溶液接触隔膜42和工作电极43。 玻璃纸(其不具有电荷)和Nafion (pH 7)(其是具有负电荷的聚阴离子)用作隔膜42。在 其中溶解了氰化铁离子的缓冲液44 (电解液)接触隔膜42之后，实施循环伏安法5分钟、 1小时和两小时，从而将从试验电极41通过隔膜42的电子介体(即，氰化铁离子)的氧化 还原峰的值彼此进行比较。反电极45和参比电极46浸没在缓冲液44中，并且电化学测量 装置(未示出)连接至工作电极43、反电极45和参比电极46。Pt线用作反电极45并且 AglAgCl用作参比电极46。在25°C大气压力下实施该测量。图25示出了在其中Naf ion用 作隔膜42的情况下的测量结果。图沈示出了在其中玻璃纸用作隔膜42的情况下的测量 结果。如从图沈理解的，在其中玻璃纸用作隔膜42的情况下，早到在开始测量之后的5分 钟，观察到对应于氰化铁离子的氧化还原峰，并且该氧化还原峰的值随着时间流逝而增大。 相反，如从图25理解的，在其中Nafion用作隔膜42的情况下，即使在开始测量之后过去两个小时，没有观察到对应于氰化铁的氧化还原峰。因此，证实了当玻璃纸用作隔膜42时，氰 化铁离子通过隔膜42，但是当Nafion用作隔膜42时，氰化铁离子不通过隔膜42。根据第二实施方式，除了与第一实施方式相同的优点之外，能够实现以下优点。 即，由于电解质层3具有与正极2和负极1中使用的电子介体的氧化形式或还原形式相同 符号的电荷，能够有效地抑制正极2和负极1之一的电子介体通过电解质层3以及电子介 体移动到正极2和负极1中的另一个。因此，能够充分地抑制生物燃料电池的输出降低和 容量降低。接下来，将描述根据本发明第三实施方式的生物燃料电池。图27和图28示出了这种生物燃料电池。图27㈧>27 (B)和27(C)分别是生物燃 料电池的俯视图、剖视图和仰视图。图观是示出了生物燃料电池的分解单个组件的分解透 视图。如图27和图28所示，正极2、电解质层3和负极1容纳在正极集流体51和负极集 流体52之间形成的空间的内部，以便在垂直方向上夹在正极集流体51和负极集流体52之 间。在正极集流体51、负极集流体52、正极2、电解质层3和负极1中，相邻组件彼此紧密接 触。在这种情况下，正极集流体51、负极集流体52、正极2、电解质层3和负极1各自具有圆 形平面形状，并且该生物燃料电池作为整体也具有圆形平面形状。正极集流体51构造成收集在正极2处产生的电流，并将该电流从正极集流体51 转移到外部。另外，负极集流体52构造成收集在负极1处产生的电流。正极集流体51和负 极集流体52通常由金属或合金构成，但所述材料并不局限于此。正极集流体51是扁平的 并且具有基本上圆筒形形状。负极集流体52也是扁平的并且具有基本上圆筒形形状。而 且，正极集流体51的外周部分51a的边缘对负极集流体52的外周部分5 之间用环状垫 圈56a和环状疏水性树脂56b填缝密封，由此形成其中容纳正极2、电解质层3和负极1的 空间。垫圈56a由绝缘材料如硅橡胶构成并且疏水树脂56b例如由聚四氟乙烯(PTFE)构 成。疏水树脂设置在由正极2、正极集流体51和垫圈56a包围的空间中，以便与正极2、正极 集流体51和垫圈56a紧密接触。疏水树脂56b能够有效地抑制燃料对正极2侧过度浸渍。 电解质层3的末端从正极2和负极1向外延伸以便夹在垫圈56a和疏水树脂56b之间。正 极集流体51具有在其底面的整个表面上形成的多个氧化剂供应孔口 51b，并且正极2暴露 在氧化剂供应孔口 51b中。图27(C)和图观示出了 13个圆形氧化剂供应孔口 51b，但是这 仅是一个实例，并且氧化剂供应孔口 51b的数量、形状、尺寸和排列能够合适地选择。负极 集流体52在其顶面的整个表面上也具有多个燃料供应孔口 52b，并且负极1暴露在燃料供 应孔口 52b中。图观示出了 7个圆形燃料供应孔口 52b，但是这仅是一个实例，并且燃料供 应孔口 52b的数量、形状、尺寸和排列能够合适地选择。负极集流体52具有设置在其表面上的圆筒形燃料箱57，该表面在负极1的相反 侧。燃料箱57与负极集流体52整体地形成。要使用的燃料(未示出)，例如，葡萄糖溶液、 进一步包含电解质的葡萄糖溶液等加载到燃料箱57中。圆筒形盖子58可拆卸地附着于燃 料箱57。盖子58例如固定到或螺栓连接在燃料箱上。圆形燃料供应孔口 58a形成在盖子 58中央。燃料供应孔口 58a例如通过附着在图中未示出的密封件上进行密封。不同于上述构造的该燃料电池的构造与第一实施方式的相同，只要其特性不受 损。
接下来，将描述制造生物燃料电池的一种方法的一个实例。图四示出了该制造方法。如图^KA)所示，首先，制备具有开口端的圆筒形形状的正极集流体51。正极集流 体51具有在其底面的整个表面上形成的多个氧化剂供应孔口 51b。环形疏水树脂56b置于 正极集流体51内底面的外周部分上，并且正极2、电解质层3和负极1依次层叠在底面的中 部上。同时，如图29(B)所示，制备具有开口端的圆筒形形状的负极集流体52和与负极 集流体52整体地形成的燃料箱57。负极集流体52具有在其整个表面上形成的多个燃料供 应孔口 52b。具有U形部分的垫圈56a附着至负极集流体52的外周表面的边缘。而且，负 极集流体52置于负极1上以使开口端朝下，并且负极2、电解质层3和负极1夹在正极集流 体51和负极集流体52之间。接下来，如图四(C)所示，正极集流体51和负极集流体52与夹在其间的负极2、电 解质层3和负极1置于填缝机(caulking machine)的基座61上，并且负极集流体52利用 压制件62压制以使正极集流体51、正极2、电解质层3、负极1和负极集流体52彼此紧密接 触。在这种状态下，填缝工具63向下移动以利用其间的垫圈56a和疏水树脂56b填缝密封 正极集流体51的外周部分51a与负极集流体52的外周部分52a的边缘。实施这种填缝以 使垫圈56a被逐渐地压碎以便在正极集流体51和垫圈56a之间以及负极集流体52和垫圈 56a之间不形成间隙。而且，在这种情况下，疏水树脂56b也被逐渐压缩以便与正极2、负极 集流体51和垫圈56a紧密接触。因此，用于容纳正极2、电解质层3和负极1的空间在正极 集流体51和负极集流体52内部形成，同时正极集流体51和负极集流体52由于垫圈56a 而彼此绝缘。填缝工具63然后向上移动。因此，如图四⑶所示，制造生物燃料电池，其中正极2、电解质层3和负极1容纳 在正极集流体51和负极集流体52之间形成的空间中。接下来，将盖子58附着至燃料箱57，并且将燃料和电解质通过盖子58的燃料供应 孔口 58a注入。燃料供应孔口 58a然后通过例如附着密封件密闭。然而，燃料和电解质可 以在图^KB)中示出的步骤中注入到燃料箱57中。在这种生物燃料电池中，例如，当葡萄糖溶液用作装载到燃料箱57中的燃料时， 在负极1处，供应的葡萄糖通过酶分解而产生电子并产生H+。在正极2处，由通过电解质层 3从负极1传递的H+、通过外电路从负极1发送的电子和例如空气中的氧，产生水。因此， 在正极集流体51和负极集流体52之间产生输出电压。如图30所示，网状电极(mesh electrode) 71和72可以分别形成在该生物燃料电 池的正极集流体51和负极集流体52上。在这种情况下，外部空气通过网状电极71的穿孔 进入正极集流体51的氧化剂供应孔口 51b，并且燃料通过网状电极72的穿孔从盖子58的 燃料供应孔口 58a进入燃料箱57。如31示出了其中两个生物燃料电池彼此串联连接的情形。在这种情况下，网状电 极73夹在一个生物燃料电池(图中的上生物燃料电池)的正极集流体51和另一个生物燃 料电池(图中的下生物燃料电池)的盖子58之间。在这种情况下，外部空气通过网状电极 73的穿孔进入正极集流体51的氧化剂供应孔口 51b。燃料也能够利用燃料供应系统供应。图32示出了其中两个燃料生物燃料电池并联连接的情形。在这种情况下，使一个生物燃料电池(图中上方的生物燃料电池)的燃料箱57和另一个生物燃料电池(图中下 方的生物燃料电池)的燃料箱57彼此接触以使盖子58的燃料供应孔口 58a彼此重合，并 且电极74从这些燃料箱57的侧面拉出。另外，网状电极75和76分别形成在一个生物燃 料电池的正极集流体51和另一个生物燃料电池的正极集流体51上。这些网状电极75和 76彼此连接。外部空气通过网状电极75和76的穿孔进入正极集流体51的氧化剂供应孔 Π 51b。根据第三实施方式，除了燃料箱57，与第一实施方式相同的优点能够在硬币型或 纽扣型生物燃料电池中实现。而且，在这种生物燃料电池中，正极2、电解质层3和负极1夹 在正极集流体51和负极集流体52之间，并且正极集流体51的外周部分51a对负极集流体 52的外周部分52a的边缘利用其间的垫圈56填缝密封。因此，在这种生物燃料电池中，单 个组件能够彼此紧密接触，从而能够防止输出的变化，并且还能够防止电池溶液如燃料和 电解质从各个组件之间的界面发生泄漏。另外，这种生物燃料电池以简单制造工艺制造。此 外，这种生物燃料电池尺寸上易于减小。而且，在这种生物燃料电池中，葡萄糖溶液或淀粉 用作燃料，并且选择约PH7 (中性)作为所使用电解质的pH。因此，即使燃料或电解质泄漏 到外部，也能确保安全性。而且，在当前投入实际使用的空气电池(air cell)中，燃料和电解质需要在制造 期间加入，并因此在制造之后很难加入燃料和电解质。相反，在本生物燃料电池中，由于燃 料和电解质能够在制造之后添加，所以该生物燃料电池比目前投入实际使用的空气电池更
易于制造。接下来，将描述根据本发明第四实施方式的生物燃料电池。如图33所示，在第四实施方式中，与负极集流体52整体地提供的燃料箱57从根 据第三实施方式的生物燃料电池取下。另外，网状电极71和72分别形成在正极集流体51 和负极集流体52上。该生物燃料电池以其中生物燃料电池漂浮在容纳在开口燃料箱57中 的燃料57a上以使负极1朝下而正极2朝上的状态使用。不同于上述构造的第四实施方式的构造与第一和第三实施方式的那些构造相同， 只要其特性不受损。根据第四实施方式，能够实现与第一和第三实施方式相同的优点。接下来，将描述根据本发明的第五实施方式的生物燃料电池。根据第三实施方式 的生物燃料电池是硬币型或纽扣型，而这种生物燃料电池是圆筒型。图34和图35示出这种生物燃料电池。图34(A)是该生物燃料电池的前视图，图 34(B)是该生物燃料电池的纵向剖视图，而图35是示出了该生物燃料电池的分解单个组件 的分解透视图。如图34和图35中所示，在这种生物燃料电池中，负极集流体52、负极1、电解质层 3、正极2和正极集流体51，其每一个具有圆筒形形状，依次设置在圆柱形燃料储存部77的 外周上。在这种情况下，燃料储存部77由圆筒形负极集流体52包围的空间构成。燃料储 存部77的一端向外突出，并且盖子78设置在该一个端部上。尽管图中未示出，但是在设置 在燃料储存部77的外周上的负极集流体52的整个表面上形成多个燃料供应孔口 52b。另 外，电解质层3具有包裹负极1和负极集流体52的袋子形状。在燃料储存部77的一个端 部处的在电解质层3和负极集流体52之间的部分例如用密封件(未示出)密封，以使燃料不会从这个部分泄漏到外部。在这种生物燃料电池中，燃料和电解质装载到燃料储存部77中。燃料和电解质通 过负极集流体52的燃料供应孔口 52b，到达负极1，并且渗透到负极1的孔隙部分中，从而 燃料和电解质储存在负极1中。为了增大能够储存在负极1中的燃料量，负极1的孔隙率 期望地例如为60%以上，但并不局限于此。在这种生物燃料电池中，气液分隔层可以形成在正极集流体51的外周表面上以 改善耐久性。作为用于气液分隔层的材料，例如，使用防水性可透湿气材料(拉伸聚四 氟乙烯膜和聚氨酯聚合物的符合材料)(例如，由WL Gore & Associates，Inc.制造的 Gore-Tex (商品名))。为了均勻地使生物燃料电池的单个组件彼此紧密接触，优选地，将具 有空气能够从外部通过其的网状结构的可拉伸橡胶(其可以具有带状或片状形状)卷绕在 该气液分隔层的外部或内部，以使生物燃料电池的整体组件被固定。不同于上述构造的第五实施方式的构造与第一和第三实施方式的相同，只要其特 性不受损。根据第五实施方式，能够实现与第一和第三实施方式相同的优点。接下来，将描述根据本发明第六实施方式的生物燃料电池。这种生物燃料电池利用淀粉(其是一种多糖)作为燃料。另外，伴随使用淀粉作 为燃料，在负极1上还固定葡糖淀粉酶，其是一种将淀粉分解成葡萄糖的分解代谢酶。在这种生物燃料电池中，当淀粉作为燃料供应到负极1侧时，淀粉通过葡糖淀粉 酶水解成葡萄糖，并且该葡萄糖通过葡萄糖脱氢酶分解。而且，NAD+在这个分解过程中利 用氧化反应还原成NADH，并且NADH通过心肌黄酶被氧化而分离成两个电子、NAD+和H+。因 此，通过单个步骤的氧化反应，每个葡萄糖产生两个电子和两个H+。通过两个步骤的氧化反 应总共产生4个电子和4个H+。由此产生的电子被转移到负极1的电极11，并且H+穿过电 解质层3移动到正极2。在正极2处，H+与从外部供应的氧和从负极1通过外电路发送的 电子反应而产生吐0。不同于上述构造的构造与根据第一实施方式的生物燃料电池相同。根据第六个实施方式，能够实现与第一实施方式相同的优点。另外，由于淀粉用作 燃料，所以有可能实现的优点在于，相比于其中葡萄糖用作燃料的情形，能够增大所产生的 电力量。接下来，将描述根据本发明第七实施方式的生物燃料电池。在这种生物燃料电池中，当正极2如同根据本发明第一实施方式的生物燃料电池 制造时，通过将聚乙烯醇缩丁醛(其是一种拒水聚合物)分散在有机溶剂中制备的拒水剂 施加到其上利用PLL固定了酶等的电极表面，而赋予拒水性。不同于上述构造的构造与根 据第一实施方式的生物燃料电池的构造相同。图36示出了这种生物燃料电池的正极2 (曲线O))连同比较例(曲线(1))的评 价结果。用于测量的生物燃料电池是利用无纺织物作为电解质层3的浸泡型生物燃料电池 (soaking type biofuel cell)，并且2. OM咪唑/盐酸缓冲液(pH 7)用作缓冲液。在比较例中，如下制备的酶/电子介体固定化电极用作正极2。首先，商购碳毡(由 TORAY Industries Inc.制造的B0050)制备作为多孔碳，并将这种碳毡切割成1厘米方 块，其中的两个置于另一个的顶部。接着，碳毡依次用80μ 1氰化铁离子(50mM，溶剂水)、80 μ 1的聚L-赖氨酸Qwt %，溶剂水)和80 μ 1的BOD溶液(50mg/ml，50mM磷酸/氢氧 化钠缓冲液，PH 7)浸渍，然后干燥。在另一方面，在第六实施方式中，将80μ 1的聚乙烯醇 缩丁醛(聚合度1000)溶剂甲基异丁基酮)，其是拒水性聚合物，加入到比较例的
上述酶/电子介体固定化电极中然后干燥，而制得正极2。如从图36清楚的，在第七实施方 式中，相比于比较例，在长时间上产生大电流。根据第七实施方式，能够实现与第一实施方式相同的优点。接下来，将描述根据本发明第八实施方式的生物燃料电池。在这种燃料电池中，当正极2如根据第一实施方式的生物燃料电池制备时，通过 在电极表面上固定酶等，然后施加通过在有机溶剂中分数聚乙烯醇缩丁醛(其是一种拒水 性聚合物)制备的拒水剂，而赋予拒水性。不同于上述构造的构造与根据第一实施方式的 生物燃料电池相同。图36示出了这种生物燃料电池的正极2的评价结果(曲线(3))。用于测量的生 物燃料电池是利用无纺织物作为电解质层3的浸泡型生物燃料电池，并且2. OM咪唑/盐酸 缓冲液(pH 7)用作缓冲液。在第八实施方式中，如下制备的酶/电子介体固定化电极用作正极2。首先，商购 碳毡(由TORAY Industries Inc.制造的B0050)制备作为多孔碳，并将这种碳毡切割成1 厘米方块，其中的两个置于另一个的顶部。接着，碳毡依次用80 μ 1氰化铁离子(50mM，溶 剂水)、80μ 1的聚L-赖氨酸Qwt %，溶剂水)和80 μ 1的BOD溶液(50mg/ml，50mM磷 酸/氢氧化钠缓冲液，PH 7)浸渍，然后干燥。随后，将80μ 1的聚乙烯醇缩丁醛(聚合度 1000) Owt %，溶剂甲基异丁基酮)，其是拒水性聚合物，加入到由此获得的酶/电子介体 固定化电极然后干燥。如从图36清楚的，在第八实施方式中，相比于比较例，在长时间内连 续地产生大电流，并且另外地，产生比第七实施方式更大的电流。根据第八实施方式，能够实现与第一实施方式相同的优点。本发明的实施方式已经具体地进行如上描述，但是本发明并不局限于上述的实施 方式，并且基于本发明的技术构思能够形成各种变形。例如，在以上实施方式中描述的数值、结构、构造、形状、材料等仅是实例，并且可 以可选地使用不同于以上的其他数值、结构、构造、形状、材料等。标号列表
1负极
2正极
3电解质层
11电极
51正极集流体
51b氧化剂供应孔口
52负极集流体
52b燃料供应孔口
56a垫圈
56b疏水树脂
57燃料箱
58 盖子71、72、73 网状电极77燃料储存部78 盖子。
权利要求
1.一种燃料电池，具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结构，其中所述正极和所述负极中的至少一个包括其上固定了酶的电极， 所述电极内部具有孔隙，并且 对所述电极的至少一部分表面赋予拒水性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，通过在所述电极的表面上形成拒水剂而赋 予拒水性。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述拒水剂至少包含拒水材料和引起与水 发生相分离的有机溶剂。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述拒水剂至少包含拒水材料和其中酶的 溶解度为10mg/ml以下的有机溶剂。
5.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述电极由多孔材料构成。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，燃料溶液接触所述电极的一部分。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，所述燃料溶液接触所述负极的外周表面和 所述正极的侧表面。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，由通过空气但不通过所述燃料溶液的材料 构成的薄片设置在所述正极的表面上，所述表面在所述质子导体的相反侧。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述质子导体由无纺织物构成。
10.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述酶包括氧还原酶。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述氧还原酶是胆红素氧化酶。
12.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，酶被固定在所述负极上并且所述酶包括促 进单糖氧化并且分解所述单糖的氧化酶，所述氧化酶被固定在所述负极上。
13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，固定在所述负极上的所述酶包括将伴随 所述单糖的氧化而被还原的辅酶复原为氧化形式并且通过电子介体将电子递送至所述负 极的辅酶氧化酶。
14.一种电子设备，利用一个或多个燃料电池，其中，所述燃料电池中的至少一个具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下 彼此面对的结构，所述正极和所述负极中的至少一个包括其上固定了酶的电极，所述电极内部具有孔 隙，并且对所述电极的至少一部分表面赋予拒水性。
15.一种酶固定化电极，包括其上固定了酶的电极， 其中，对所述电极的至少一部分表面赋予拒水性。
16.一种拒水剂，至少包括拒水材料和引起与水发生相分离的有机溶剂。
17.一种拒水剂，至少包括拒水材料和其中酶的溶解度为10mg/ml以下的有机溶剂。
18.根据权利要求16所述的拒水剂，其中，所述拒水材料是碳粉，而所述有机溶剂是甲 基异丁基酮、庚烷、己烷、甲苯、异辛烷或二乙醚。
19.一种燃料电池，具有其中正极和负极在其间具有质子导体的情况下彼此面对的结构，其中酶被固定在所述正极和所述负极中的至少一个上，并且， 用于所述酶的固定材料包含拒水材料。
全文摘要
在燃料电池具有其中正极(2)和负极(1)在其间具有电解质层(3)的情况下彼此面对的结构，正极(2)包括其上固定了氧还原酶等的电极，并且该电极内部具有孔隙的情况下，对该电极的至少一部分表面赋予拒水性。例如，通过在电极的表面上形成拒水剂而赋予拒水性。拒水剂包括拒水材料如碳粉和引起与水发生相分离的有机溶剂如甲基异丁基酮。当电极内部具有孔隙时，提供了一种稳定地提供高电流值的燃料电池以及一种制造该燃料电池的方法。
文档编号H01M4/90GK102084531SQ20098012624
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月1日 优先权日2008年7月14日
发明者三田洋树, 中川贵晶, 后藤义夫, 汲田英之, 角田正也, 酒井秀树 申请人:索尼公司