在燃料电池具有正极（２）和负极（１）相对且质子导体位于正极（２）和负极（１）之间的结构，并且正极（２）由其上固定有氧还原酶等的电极形成，该电极内部具有孔隙的情况下，该电极的至少部分表面被赋予拒水性。例如，通过在该电极的表面上形成拒水剂来赋予拒水性。从而，在正极由其上固定有酶的电极形成并且该电极内部具有孔隙的情况下，可以提供通过优化正极中的含水量而能够稳定地获得高电流值的燃料电池以及其制造方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池及其制造方法、电子设备、酶固定电极及其制造方法、拒 水剂以及酶固定材料，并且尤其适合应用于采用酶的生物燃料电池以及采用这种生物燃料 电池作为电源的各种类型的电子设备。
技术介绍
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)通过中 间的电解质(质子导体)而相对。在常规的燃料电池中，供给到负极的燃料(氢)被氧化 以分离成电子和质子(H+)。电子被传递给负极，并且H+穿过电解质以移动至正极。在正极， 该H+与从外部供给的氧和经由外电路从负极发出的电子反应，以生成水(H2O)。如刚才所描述的，燃料电池是一种高效率发电装置，该发电装置将燃料所具有的 化学能直接转化成电能，并且不管使用地点和使用时间如何，化石能源(如天然气、石油以 及煤)所具有的化学能都可以被提取作为电能，并且具有高的转化效率。因此，过去积极进 行了燃料电池的研究和开发，作为用于大规模发电等的用途。例如，有记录表明，燃料电池 被安装在航天飞船中，在提供电力的同时可以补充乘务人员的用水，而且燃料电池是一种 清洁发电装置。此外，近年来，呈现出从室温至约90°C的相对低的工作温度范围的燃料电池，如固 体聚合物燃料电池，已被开发并引起关注。因此，不仅探索了用于大规模发电的用途，而且 还探索了用于诸如汽车的驱动电源以及个人计算机和移动设备的便携式电源的小型系统 的用途。如刚才所描述的，燃料电池将具有从大规模发电到小规模发电的各种用途，并且 作为高效率的发电装置正吸引更多的关注。然而，对于燃料电池，通常通过重整器将天然 气、石油、煤等转化成氢气并用作燃料，因而有限的资源被消耗。此外，存在各种问题即，需 要将燃料电池加热至高温并且需要昂贵的贵金属如钼(Pt)等的催化剂。此外，即使氢气或 甲醇被直接用作燃料，在处理它们时也需要小心。因此，已经提出了着眼于在活的生物体中进行的生物代谢是一种高效率的能量转 化机制的事实，并将它应用于燃料电池。本文中的术语“生物代谢”包括在微生物的体细胞 中进行的呼吸、光合作用等。生物代谢同时具有发电效率极高的特点和反应在约室温的温 和条件下进行的特点。例如，呼吸是以下的机制。具体地，营养物如糖、脂肪以及蛋白质被捕获到微生物 或细胞中，并且在经由糖酵解系统和柠檬酸(TCA)循环(具有许多酶反应步骤)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)而使它们的化学能转化成氧化还原能，即电能。此外，在电子传递链中，这些 NADH的电能被直接转化成质子梯度的电能，并且氧被还原以产生水。其中获得的电能经由 ATP合酶从二磷酸腺苷(ADP)产生三磷酸腺苷(ATP)，并且这种ATP被用于微生物或细胞的生长所必需的反应。这样的能量转换在细胞液和线粒体中进行。此外，光合作用是一种这样的机制，其中在经由电子传递链，通过将烟酰胺腺嘌呤 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)来捕获光能并将 它转化成电能的过程中，水被氧化以产生氧。这种电能可以捕获CO2并用于碳固定，并且被 用于碳水化合物的合成。作为将上述生物代谢用于燃料电池的技术，已报道了一种微生物电池，其中经由 电子介质在微生物中产生的电能被提取到微生物以外，并且这种电子被传递给电极，从而 获得电流(参见例如，日本专利公开第2000-133297号)。然而，在微生物和细胞中，不仅存在期望的反应如从化学能转化成电能，而且还存 在许多不必要的反应。因此，在上述方法中，不期望的反应会消耗电能，因而不会发挥足够 的能量转化效率。因此，已提出一种燃料电池(生物燃料电池)，通过利用酶，该电池仅进行所期望 的反应(参见例如，日本专利公开第2003-282124号、日本专利公开第2004-71559号、日本 专利公开第2005-13210号、日本专利公开第2005-310613号、日本专利公开第2006-24555 号、日本专利公开第2006-49215号、日本专利公开第2006-93090号、日本专利公开第 2006-127957号、日本专利公开第2006-156354号、日本专利公开第2007-12281号、日本专 利公开第2007-35437号以及日本专利公开第2007-87627号)。这种生物燃料电池通过酶 来分解燃料以将燃料分离成质子和电子，并且已开发了一种采用醇(例如甲醇或乙醇)或 单糖(例如葡萄糖)作为燃料的生物燃料电池。
技术实现思路
对于上述生物燃料电池的正极，通常具有孔隙的材料如多孔碳用来供给氧。然而， 在由这样的具有孔隙的材料构成的正极的情况下，正极内的孔隙可能充满从供给负极的燃 料溶液经由电解质移向正极侧的水；经由电解质从负极供给的H+与从外部供给的氧和经由 外电路从负极发出的电子进行反应所产生的水；由于渗透压，从包括缓冲溶液的电解质流 出的水等。结果，正极的内部可能被浸没。如果正极的内部因此被浸没，则变得难以向正极 供给氧。由此，由生物燃料电池获得的电流会大大减小。因此，控制包括在正极中的水量很 重要。然而，在过去还未提出一种有效的方法。因此，通过本专利技术解决的一个问题是，如果正极由其上固定有酶的电极形成并且 在该电极的内部具有孔隙，则提供一种通过优化在正极中的含水量可以稳定地获得高电流 值的燃料电池、其制造方法、适合用作该燃料电池的正极的酶固定电极、它们的制造方法、 以及适合用于该酶固定电极的拒水剂。通过本专利技术解决的另一个问题是提供电子设备，该电子设备采用像上述燃料电池 的优异燃料电池。本专利技术的专利技术人努力地进行了研究以解决上述问题。因此，本专利技术的专利技术人已发 现，如果正极由其上固定有酶的电极构成并且该电极是内部具有孔隙的电极，如多孔碳，则 通过使该电极的至少部分表面(包括孔隙的内表面)具有拒水性，包括在该正极中的水量 可以被保持在最佳范围内，由此实现本专利技术的设计。这里，由于通常固定于电极的酶和其它 固定物质具有高的亲水性，所以很难向电极提供拒水性，同时保持这些状态。另外，存在这样的问题，即，如果这样的亲水酶和其它固定物质被固定至被赋予了拒水性的电极，则拒水 表面被改性变成亲水性表面。为了解决这些问题，本专利技术的专利技术人最近已开发了一种用于 赋予电极表面(包括电极内的孔隙的内表面)拒水性，同时保持酶的活性等的技术。具体地，为了解决上述问题，第一专利技术是一种具有这样的结构的燃料电池，在该结 构中，正极和负极相对、并且质子导体介于正极和负极之间。正极由其上固定有酶的电极构 成，并且在电极的内部具有孔隙。该燃料电池的特征在于，电极的至少部分表面被赋予拒水 性。第二本专利技术是具有正极和负极相对、并且质子导体介于正极和负极之间的结构的 燃料电池的制造方法。正极由其上固定有酶的电极构成，并且在电极的内部具有孔隙。该 制造方法的特征在于，电极的至少部分表面被赋予拒水性。第三专利技术是采用一个或多个燃料电池的电子设备。燃料电池中的至少一个具有正 极和负极相对、并且质子导体介于正极和负极之间的结构。正极由其上固定有酶的电极构 成，并且在电极的内部具有孔隙。该电子设备的特征在于，电极的至少部分表面被赋予拒水 性。在第一至第三专利技术中，为了使正极的电极表面被赋予拒水性，例如，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池，该燃料电池具有正极和负极相对、并且质子导体介于正极和负极之间的结构，所述正极由固定有酶的电极形成，所述电极的内部具有孔隙，所述燃料电池的特征在于，所述电极的至少部分表面被赋予拒水性。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2007-12-7 2007-317039一种燃料电池，该燃料电池具有正极和负极相对、并且质子导体介于正极和负极之间的结构，所述正极由固定有酶的电极形成，所述电极的内部具有孔隙，所述燃料电池的特征在于，所述电极的至少部分表面被赋予拒水性。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，通过在所述电极的表面上形成拒水 剂而使所述电极的表面被赋予拒水性。3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述拒水剂至少包含拒水材料和有 机溶剂，其中酶的溶解度等于或低于10mg/ml。4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述电极由多孔材料构成。5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池被构造成使得燃料溶 液与所述正极的一部分接触。6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池被构造成使得所述燃 料溶液与所述负极的外周表面和所述正极的侧面接触。7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，在所述质子导体的相反侧的所述正 极的表面上设置薄板，所述薄板由空气能穿过且所述燃料溶液不能穿过的材料构成。8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述质子导体由无纺布形成。9.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述酶包括氧还原酶。10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述氧还原酶是胆红素氧化酶。11.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，将酶固定至所述负极，并且该酶包 括被固定至所述负极的、并促进单糖的氧化以分解所述单糖的氧化酶。12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，固定至所述负极的酶包括辅酶氧 化酶，所述辅酶氧化酶将伴随所述单糖的氧化而被还原的辅酶返回到氧化形式，并且经由 电子介质将电子传递至所述负极。13.一种燃料电池的制造方法，所述燃料电池具有正极和负极相对、并且质子导体介于 正极和负极之间的结构，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：中川贵晶，汲田英之，角田正也，酒井秀树，三田洋树，后藤义夫，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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