[发明专利]燃料电池、制造燃料电池的方法、电子设备、酶固定电极、生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和酶反应利用装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池、制造燃料电池的方法、电子设备、酶固定电极、生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和酶反应利用装置。例如，本发明有利地应用于生物燃料电池、生物传感器、和在其中使用酶的生物反应器、以及在其中用生物燃料作为电源的各种电子设备。

背景技术

燃料电池具有其中正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)通过其间的电解质(质子导体)而相对的结构。关于相关技术中的燃料电池，使提供给负极的燃料(氢)氧化，以便分离成电子和质子(H⁺)。使电子传送到负极，并且，H⁺通过电解质移动至正极。关于正极，产生的H⁺与从外部供给的氧和从负极通过外部电路转移的电子起反应，以便产生H₂O。

如上所述，燃料电池是将燃料具有的化学能直接转换成电能的高效率发电装置，并且，除了高转换效率以外，不管使用的位置和使用的时间如何，可将天然气、石油、煤等的化石能源所具有的化学能作为电能取出。因此，之前已经积极地进行了用于大规模发电等的目的的燃料电池的研究和开发。例如，有这样的跟踪记录：将燃料电池安装在航天飞机上，并验证可供给机组人员电力和同时供给水，并且，燃料电池是清洁的发电装置。

此外，近些年来，已经开发并注意了具有在大约室温至90℃的温度范围内的相对低的工作温度的燃料电池，例如，固体聚合物燃料电池。因此，已经在摸索不仅用于大规模发电的目的，而且用于小型系统(例如，用于驱动机动车的电源和用于个人电脑与移动装置的便携电源)的应用。

如上所述，希望燃料电池具有从大规模发电到小规模发电的广泛范围应用，并希望已经作为高效率的发电装置而受到普遍关注。然而，关于燃料电池，通常，通过用转化装置等转化成氢气，用天然气、石油、煤等作为燃料，并且，存在的各种问题在于，例如，消耗有限的资源，另外，需要加热至高温，并需要昂贵的贵金属催化剂，例如铂(Pt)。此外，即使在直接使用氢气或甲醇作为燃料的情况中，在处理其时也必须小心。

然后，已经注意到，在生物中进行的活体新陈代谢是高效率能量转换机制，并且，已经提出了其对燃料电池的应用。这里所提及的活体新陈代谢包括在微生物体细胞中进行的呼吸、光合作用等。总的来说，活体新陈代谢具有这样的优点：发电效率非常高，并且，反应在室温等级的温和条件下进行。

例如，呼吸是这样一种机制：使营养素(例如，糖类、脂肪和蛋白质)进入微生物或细胞，将其化学能转换成氧化还原能量，即，电能，通过在一个过程中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)，该过程用于通过糖酵解途径和三羧酸(TCA)循环产生二氧化碳(CO₂)，所述循环包括许多酶反应步骤，此外，在电子传送系统中，将这些NADH的电能直接转换成质子梯度的电能，另外，还原氧，以便产生水。这里获得的电能通过ATP合成酶从二磷酸腺苷(ADP)产生三磷酸腺苷(ATP)，并且，产生的ATP用于培育微生物和细胞所需要的反应。在胞液和线粒体中进行上述能量转换。

此外，光合作用是这样一种机制：通过电子传送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)，在用于接收光能并将光能转换成电能的过程中，氧化水以便产生氧。产生的电能在CO₂中获得，并且，该电能用于碳固定反应，并用于碳水化合物的合成。

作为一种使用上述活体新陈代谢用于燃料电池的技术，已经报道了微生物电池，其中，通过电子介体将在微生物中产生的电能从微生物中取出，并且，使产生的电子传送到电极，以便获得电流(例如，参照PTL 1)。

然而，关于微生物和电池，除了期望的反应(即，化学能到电能的转换)之外，还存在许多不必要的反应。因此，在上述方法中，在不想要的反应中消耗化学能，并且，无法表现令人满意的能量转换效率。

然后，已经提出了燃料电池(生物燃料电池)，其中，通过使用酶来仅进行期望的反应(例如，参照PTL 2至11)。此生物燃料电池通过用酶将燃料分离成质子和电子来分解燃料。已经开发了通过使用醇(例如，甲醇和乙醇)、单糖(例如，葡萄糖)、或多糖(例如，淀粉)作为燃料的生物燃料电池。