一种使用生物新陈代谢时能够产生高的电流密度的燃料电池。在这种电池中，利用多种酶而燃料逐步地降解，同时转移与氧化有关而生成的电子到电极。在用于降解燃料的酶中，在前一步中实现降解的酶的酶活性不大于在后续步骤中实现氧化的酶的酶活性的和。在辅酶参与的情况下，实现辅酶氧化的氧化酶的酶活性不小于参与还原形式的辅酶的形成的酶的酶活性的和。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用生物新陈代谢的燃料电池。
技术介绍
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。它需要如钼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。燃料(还原形式)+NAD+ 0燃料(氧化形式)+ NADH + H+ ...(3) (酶作用物)脱氢酶 (产物)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_ANo.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。本专利技术被完成以解决在传统技术中涉及的上述问题。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术指向一种燃料电池，它用多种酶在逐步的反应中分解燃料并且将氧化反应产生的电子转移到电极，在其中发生反应使得U(El) <U(E2)，这里U(E1)表示通过它的分解反应产生分解产物-I的酶-I的酶活性，U(E2)表示分解分解产物-I的酶组-2的酶活性的和。用多种酶逐步分解燃料的复杂的酶的反应要求对酶活性有害的中间产物应该被立即分解。根据本专利技术，建立每种酶的酶活性使得用于后续阶段的分解的一组酶的酶活性大于用于前面阶段的分解的酶-I的酶活性。该系统获得快速的燃料分解。在上面定义的燃料电池中，所述酶-I是氧化酶(oxidase)。在上面定义的燃料电池中，所述酶-I的分解反应是氧化反应，它转移电子到辅酶。上面定义的燃料电池还具有辅酶氧化酶以产生所述辅酶的氧化剂使得U(Co) (E)，这里在辅酶还原剂的产生中涉及的所述多种酶中，U (Co)表示所述辅酶氧化酶的酶活性，U(E)表示一组酶的酶活性的和。当没有足够的辅酶氧化酶快速氧化酶辅还原剂时，燃料电池通过所述辅酶氧化酶的酶促反应确定，在燃料电池中，电子由酶-I的氧化反应转移到辅酶。但是，这不是本专利技术的燃料电池的情形，在本专利技术中，氧化辅酶的辅酶氧化酶的酶活性U(Co)大于燃料氧化(或者辅酶的还原剂的产生)中涉及的一组酶的酶活性的和U(E)。在这个系统中，辅酶的还原剂被快速氧化，产生的电子通过电子介体被转移到电极。下面给出使用甲醇作为燃料的燃料电池的更具体的描述。使用甲醇做燃料的燃料电池由燃料电极、空气电极、放在所述燃料电极和所述空气电极之间的质子传导隔膜和转移电子到所述燃料电极的酶溶液组成。所述酶溶液包含(乙)醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase)、甲醒脱氢酶、甲酸脱氢酶、硫辛酰胺脱氢酶(diaphorase)和电子介体。所述(乙)醇脱氢酶、甲醛脱氢酶、甲酸脱氢酶和硫辛酰胺脱氢酶具有其酶活性，分别被表示为U (ADH)、U (FalDH)、U (FateDH)和 U (DI)。假定(乙)醇脱氢酶被表示为酶-I。对应于酶-I的酶活性U(El)的酶活性U(ADH) 应该使得 U (El) =U (ADH) ( U (E2) =U (FalDH) +U (FateDH)，这里 U (E2) =U (FalDH) +U (FateDH)是分解分解产物(甲醛)的酶(甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶)的酶活性的和。然后，假定甲醛脱氢酶被表示为酶-I。对应于酶-I的酶活性U(El)的酶活性U(FalDH)应该使得U (El) =U (FalDH) ( U (E2) =U (FateDH)，这里 U (E2) =U (FateDH)是分解分解产物(蚁酸)的酶(甲酸脱氢酶)的酶活性的和。考虑到这些因素，使用甲醇做燃料的燃料电池最好应该满足下面的公式(I)。O < U (ADH) ( U (FalDH) ( U (FateDH)…(I)在上述的燃料电池中，辅酶氧化酶是硫辛酰胺脱氢酶并且它的酶活性U (DI)对应于U(Co),并且(乙)醇脱氢酶、甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶在辅酶还原剂的产生中都涉及。因此，燃料电池应该满足下面的公本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池，它利用多种酶在逐步的反应中分解燃料并转移氧化反应产生的电子到电极，在其中发生反应使得U(E1)≤U(E2)，这里U(E1)表示通过其分解反应产生分解产物？1的酶？1的酶活性，U(E2)表示分解分解产物？1的酶组？2的酶活性的和。
【技术特征摘要】
2002.07.26 JP 217802/021.一种燃料电池，它利用多种酶在逐步的反应中分解燃料并转移氧化反应产生的电子到电极，在其中发生反应使得U(El) <U(E2)，这里U(El)表示通过其分解反应产生分解产物-I的酶-I的酶活性，U (E2)表示分解分解产物-I的酶组-2的酶活性的和。2.根据权利要求I所述的燃料电池，其中酶-I是氧化酶。3.根据权利要求I所述的燃料电池，其中利用酶-I的分解反应是氧化反应，它将电子转移到辅酶。4.根据权利要求3所述的燃料电池，它还具有辅酶氧化酶产生辅酶氧化剂，使得U(Co) ^U(E),这里在辅酶还原剂的产生中涉及的所述多种酶中，U (Co)表示辅酶氧化酶的酶活性，U(E)表示一组酶的酶活性的和。5.根据权利要求3所述的燃料电池，其中辅酶给出NAD+的氧化剂和NADH的还原剂。6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中辅酶的氧化剂由作为硫辛酰胺脱氢酶的辅酶氧化酶形成。7.根据权利要求3所述的燃料电池，其中辅酶将电子进一步转移到电子介体。8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中电子介体是维生素K3。9.根据权利要求I所述的燃料电池，其中燃料是从下列物质构成的组中选择的至少一种酒精、...
【专利技术属性】
技术研发人员：酒井秀树，富田尚，高木良介，铃木佑辅，畠泽刚信，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：
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