燃料电池和电子设备制造技术

本发明专利技术提供了具有良好性能的燃料电池，其中当酶固定在正极和负极中的至少一个上时，即使在高功率输出操作时也可提供足够的缓冲能力，并可充分发挥该酶的固有能力。生物燃料电池包括这样的结构，其中，正极（２）和负极（１）彼此相对，其间具有电解质层（３），电解质层（３）含有缓冲物质，并且生物燃料电池包括固定在正极（２）和负极（１）中的至少一个上的酶，电解质层（３）含有包括咪唑环的化合物作为缓冲物质，并且电解质层（３）中还添加有选自由乙酸、磷酸和硫酸构成的组中的至少一种酸。作为包括咪唑环的化合物，使用咪唑、１－甲基咪唑、２－甲基咪唑、４－甲基咪唑、２－乙基咪唑等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，其中酶固定在正极和负极中的至少一个上；还涉及采用 这种燃料电池的电子设备。
技术介绍
燃料电池具有如下结构，其中，正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)彼此相 对，其间具有电解质(质子导体)。在现有的燃料电池中，供应到负极的燃料(氢)被 氧化从而被分离为电子和质子(H+)；并且电子被传递至负极，H+通过电解质移动至正 极。在正极中，H+与从外部供应的氧以及从负极通过外部电路输送的电子反应，并生成 H2O。因而，燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的高效发电装置，并且无论 使用地点或使用时间如何，都可以高转化效率地提取诸如天然气、石油或煤等矿物能源 的化学能作为电能。因此，已经对应用于大规模发电等的燃料电池积极地进行了开发和 研究。例如，已实现将燃料电池安装在航天飞机上，并已证实燃料电池可以为机组人员 提供电力和水，且燃料电池是清洁的发电装置。此外，近年来，具有在室温至约90°C范围内的比较低的工作温度的燃料电池 (诸如高分子电解质燃料电池)已被开发并引起了人们的关注。因此，不仅研究了大规模 发电中的应用，而且研究了驱动汽车的电源以及诸如个人计算机和移动设备等的便携式 电源的小型系统中的应用。因而，研究了燃料电池在从大规模发电到小规模发电的广泛应用，并且其作为 高效发电装置倍受关注。然而，燃料电池通常用改质器将燃料(诸如天然气、石油和煤) 转化成氢气，因而具有各种问题，例如，消耗了有限的资源、需要高温加热、需要诸如 钼(Pt)的昂贵的贵金属催化剂。此外，当直接使用氢气或甲醇作为燃料时，需要小心地 对其进行处理。于是，在生物体内进行的生物代谢被认为是高效能量转化机制，并且已经提出 将其其应用在在燃料电池中。这里，生物代谢包括在微生物细胞内进行的呼吸作用、光 合作用等。生物代谢具有的优点在于，发电效率极高，另外，反应在大约室温的温和条 件下进行。例如，呼吸作用是如下机制，S卩，诸如糖、脂肪、蛋白质的营养素被摄取到微 生物或细胞中，在通过包括多个酶反应步骤的糖酵解体系和三羧酸(TCA)循环生成二氧 化碳(CO2)的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)还原成还原型烟酰胺腺嘌 呤二核苷酸(NADH)，营养素的化学能被转化成氧化还原能，即电能；并且，此外，在 电子输送体系中，这些NADH的电能被直接转化成质子梯度的电能，并且氧被还原以生 成水。所获得的电能用在三磷酸腺苷(ATP)合成酶中，从而从二磷酸腺苷(ADP)生成 ATP0 ATP用于微生物和细胞存活和生长所需要的反应。这种能量转化在细胞液和线粒 体中进行。另外，光合作用是如下机制，S卩，摄取光能，并且在电子输送体系中通过将烟 酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH) 而将光能转化成电能的过程中，水被氧化以生成氧。该电能用于吸收的CO2的碳固定反 应，并用于合成碳水化合物。作为将上述生物代谢应用于燃料电池的技术，已报道了如下微生物电池，其 中，通过电子介体将微生物内生成的电能提取到微生物外部，并且这种电子被传递到电 极上从而提供电流(例如，参见日本未审查专利申请公开第2000-133297号)。然而，因为除了将化学能转化成电能的目标反应之外，微生物和细胞内还存在 许多不必要的反应，因此在上述技术中，不需要的反应消耗了电能，并且无法实现足够 的能量转化效率。因此，已经提出了用酶来仅进行所需反应的燃料电池(生物燃料电池)(例如， 参见日本未审查专利申请公开第2003-282124号、第2004-71559号、第2005-13210 号、第 2005-310613 号、第 2006-24555 号、第 2006-49215 号、第 2006-93090 号、第 2006-127957号以及第2006-156354号)。这些生物燃料电池被配置成用酶将燃料分解成 质子和电子，并且已开发出使用诸如甲醇和乙醇的醇、以及诸如葡萄糖的单糖作为燃料 的生物燃料电池。一般地，在这种生物燃料电池中，电解质含有缓冲物质(缓冲溶液)。这是因 为，由于用作催化剂的酶对溶液的pH非常敏感，所以缓冲物质用于将pH控制在酶适当 地起作用的pH附近。已使用磷酸二氢钠(NaH2PO4)、3- (N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、 N-2-羟乙基哌嗪-N' -2-乙烷磺酸(HEPES)等作为缓冲物质。并且，一般地，这种缓 冲物质的浓度为0.1M以下。这是因为，通常将缓冲物质浓度尽可能降低到可将pH保持 恒定的最小值，并通过添加合适的无机离子或有机离子使其接近生理条件下的浓度。然而，根据本专利技术的专利技术人的研究，在采用NaH2P04、MOPS、HEPES等作 为包含在电解质中的缓冲物质的上述现有生物燃料电池中，当使用其上固定有酶的多孔 碳的大表面积电极等时或通过增大固定化的酶的浓度来增大功率输出时，缓冲能力是不 够的。因而，酶周围的电解质的pH偏离了最优pH，从而无法充分发挥酶的固有能力 (inherent capability)。因此，本专利技术所要实现的目的在于提供具有良好性能的燃料电池，其中，当酶 固定在正极和负极中的至少一个上时，即使在高功率输出操作时也可提供足够的缓冲能 力，并可充分发挥该酶的固有能力。本专利技术所要达到的另一目的在于提供采用上述这种良好的燃料电池的电子设备。
技术实现思路
为了达到上述目的，第一专利技术提供了一种燃料电池，包括这样的结构，其中，正极和负极彼此相对，其间具有电解 质，电解质含有缓冲物质，其中，酶固定在正极和负极中的至少一个上；以及缓冲物质含有包括咪唑环的化合物。这里，包括咪唑环的化合物具体为，咪唑、三唑、吡啶衍生物、双吡啶衍生 物、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-羰酸酯、咪唑-2-羧醛、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-乙酰咪唑、N-乙酰咪唑、2-氨基苯并咪唑、N-(3-氨丙基) 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-苄基咪唑或1-丁基咪唑)等。可适当选取包括咪唑环的化合物浓度；但考 虑到提供足够高的缓冲能力，浓度优选为0.2M以上3M以下，更优选为0.2M以上2.5M 以下，还更优选为IM以上2.5M以下。因而，当包含在电解质中的缓冲物质浓度为足够 高的0.2M以上3M以下时，即使在高功率输出操作中由于例如通过质子的酶反应引起电 极、酶固定化膜等中发生质子增加或减少时，也可以提供足够的缓冲作用，并可将酶周 围的电解质的pH偏离最优pH的偏离程度充分抑制到较小程度，并且可以充分发挥酶的 固有功能。一般地，缓冲物质的pKa为5以上9以下。包含缓冲物质的电解质的pH优 选约为7 ；但该pH —般可为1至14的任何值。必要时，该缓冲物质还可含有除包括咪唑环的化合物以外的缓冲物质。具体实 例为磷酸二氢盐离子(Η2Ρ04_)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(缩写名称Tris)、 2-(N_吗啉代)乙烷磺酸(MES)、卡可基酸、碳酸(H2C03)、柠檬酸氢盐离子、N-(2-乙 酰氨)亚氨二乙酸盐(ADA)、哌嗪-N，N' -二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其包括这样的结构，其中，正极和负极彼此相对，其间具有电解质，所述电解质含有缓冲物质，　　其中，酶固定在所述正极和所述负极中的至少一个上；以及　　所述缓冲物质含有包括咪唑环的化合物，并且所述缓冲物质中添加有选自由乙酸、磷酸和硫酸构成的组中的至少一种酸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：汲田英之，后藤义夫，中川贵晶，酒井秀树，三田洋树，松本隆平，户木田裕一，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP