專利名稱：燃料電池以及酶電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用氧化還原酶的燃料電池，以及在其中使用的酶電極。
背景技術(shù)：
作為具有大容量和高安全性的下一代燃料電池，在電極上固定地設(shè)置有氧化還原酶來用作催化劑的燃料電池(下文中也稱為酶電池)正受到關(guān)注。這是因?yàn)?，這樣的燃料電池可以有效地從在葡萄糖、乙醇或其他對(duì)于一般工業(yè)催化劑所無法使用的燃料中提取電子。在酶電池使用葡萄糖作為燃料的情況下，如圖27中所示的反應(yīng)圖解，在陽極處發(fā)生葡萄糖(Glucose)的氧化反應(yīng)，而在陰極處發(fā)生空氣中的氧氣(02)的還原反應(yīng)。在陽極處，引導(dǎo)電子按順序通過葡萄糖、葡萄糖脫氫酶(glucose dehydrogenase)、煙酰胺腺嘌呤二CTSI (NAD+ ；Nicotinamide AdenineDinucleotide)(diaphorase) >
體(electron mediator)以及電極(碳)。另一方面，在陰極處，引導(dǎo)從陽極發(fā)出的電子按順序通過電極(碳)、電極傳遞介體以及膽紅素氧化酶(BOD)。然后通過這些電子和來自外部的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)使得生成電能。以這樣的酶電池作為例子的生物燃料電池在其實(shí)際使用上有若干問題。例如，針對(duì)任何從前的生物燃料電池，將由此產(chǎn)生的功率小于任何其他類型的燃料電池所產(chǎn)生的功率。因此，為了獲得更高的功率，需要增加電池的容量并且需要將電池配置為分層電池狀。 另一個(gè)問題是因?yàn)槿剂咸幱谝后w狀態(tài)并且非常粘，所以生物燃料電池經(jīng)常導(dǎo)致燃料泄漏。 如果存儲(chǔ)燃料的容器被密封得更緊以便阻止這樣的燃料泄漏，則這將因?yàn)槔缛剂虾苷扯鴮?dǎo)致難于將燃料供應(yīng)至電池內(nèi)部的問題。鑒于此，近年來，為了解決關(guān)于生物燃料電池的這些問題，進(jìn)行了各種研究(稱為專利文獻(xiàn)1和幻。專利文獻(xiàn)1描述了紐扣形的生物燃料電池，其包括陰極、質(zhì)子傳導(dǎo)體以及陽極，它們按照此順序被彼此堆疊布置。所產(chǎn)生的分層結(jié)構(gòu)夾在陰極集電器和陽極集電器之間。陰極集電器形成有氧化劑的供應(yīng)口，而陽極集電器形成有燃料供應(yīng)口。在這樣的燃料電池中，陰極集電器的外邊緣通過墊圈被塞(caulk)至陽極集電器的外圍部分以使將被施加在部件上的壓力均勻，并且使部件之間的接觸程度提高，從而防止功率變化和燃料泄漏。專利文獻(xiàn)2描述了酶電池，其目的在于通過在電池中設(shè)置多個(gè)電池部來增加輸出電流或輸出電壓。圖觀示出了專利文獻(xiàn)2中描述的這樣的從前的酶電池的配置。該酶電池100設(shè)置有電池部115和116。電池部115由陰極103、質(zhì)子傳導(dǎo)體104以及陽極105來配置。電池部116由陽極109、質(zhì)子傳導(dǎo)體110以及陰極111來配置。這些電池部115和 116布置有夾在其之間的間隔裝置107。以包圍陽極105和109、陽極集電器106和108以及間隔裝置107這樣的方式設(shè)置了燃料存儲(chǔ)容器114。在陰極103和111外部分別布置了陰極集電器102和112，而在陰極集電器102和112外部設(shè)置了可以使空氣穿過其的間隔裝置 101 和 103。針對(duì)這樣的酶電池100，陽極105和109分別固定地設(shè)置有酶，并且當(dāng)燃料存儲(chǔ)容器114填充有用作燃料的葡萄糖溶液時(shí)，在陽極105和109處，通過由酶分解葡萄糖來提取電子，并且生成質(zhì)子(H+)。在陰極103和111處，通過H+和電子與空氣中氧氣的反應(yīng)生成水。這些H+是通過質(zhì)子傳導(dǎo)體110和104傳輸?shù)腍+，而這些電子是在從陽極105和109處被提取之后經(jīng)由外部電路提供的電子。當(dāng)陰極集電器102和112和陽極集電器106之間連接有負(fù)載時(shí)，負(fù)載被提供有流過其間的作為兩個(gè)電池部115和116的輸出電流之和的電流。 從而，所產(chǎn)生的輸出電流和電壓可以大于從前的酶電池中的輸出電流和電壓。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2008-282586號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2007-188810號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，因?yàn)槠潢帢O是接觸空氣的配置的，如專利文獻(xiàn)1和2中描述的這樣的從前的生物燃料電池存在如下問題。即，在這樣的配置的生物燃料電池中，由于外部環(huán)境的影響 (諸如濕度)，陰極的性能容易發(fā)生改變，而這導(dǎo)致了功率降低的問題。此外，由于任何所供應(yīng)的溶液需要時(shí)間從陽極側(cè)到達(dá)陰極側(cè)，從而存在初始發(fā)電性能低的問題。也存在容易導(dǎo)致溶液從陰極向空氣側(cè)泄漏的問題。尤其是，當(dāng)電池被配置為分層電池狀以增加功率時(shí)，由于外界環(huán)境和溶液滲透性對(duì)其影響極大，所產(chǎn)生的生物燃料電池的功率在其整體上可能會(huì)相當(dāng)大地降低。鑒于此， 針對(duì)多層電池結(jié)構(gòu)的生物燃料電池，重要的是將這些燃料電池配置為易于吸收溶液的。此外，針對(duì)在接觸空氣的配置中彼此堆疊布置地電池，溶液的泄漏可能關(guān)系到相鄰電池，從而可能導(dǎo)致生物燃料電池在其整體上的功率下降。從而需要以彼此之間足夠的間隔來布置電池。就此而言，接觸空氣的多層電池結(jié)構(gòu)的生物燃料電池在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，從而存在低容積效率的問題。同樣針對(duì)從前的生物燃料電池，使用的電極(酶電極)的集電器是延展的金屬制成的軋制板。然而，該集電器設(shè)置有將酶固定至電極上的酶固定膜。因此，降低了從電極收集電流的能力，而這導(dǎo)致了功率降低問題?？紤]到這些問題，提出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供初始發(fā)電性能和容積功率密度高且產(chǎn)生穩(wěn)定功率的燃料電池。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供如下的酶電極其可以增加其中帶有改進(jìn)的集電器配置的本發(fā)明的燃料電池的功率。本發(fā)明的燃料電池設(shè)置有多個(gè)電池，在每個(gè)電池中陰極和陽極被彼此相向布置， 陰極和陽極之間夾有質(zhì)子傳導(dǎo)體。在燃料電池中，作為陰極或陽極的電極中的一個(gè)或全部電極固定地設(shè)置有用作催化劑的氧化還原酶，并且陰極和陽極都接觸燃料溶液。本發(fā)明的燃料電池是吸水多層電池結(jié)構(gòu)的，其中陰極也暴露于燃料溶液。這樣的配置不僅當(dāng)然地提高了氧氣供應(yīng)的性能也提高了燃料和電解溶液供應(yīng)的性能，并且保護(hù)燃料溶液不受外界環(huán)境的影響。因此，這帶來了初始發(fā)電性能和容積功率密度的很大的提高， 并且產(chǎn)生穩(wěn)定的功率。本發(fā)明的酶電極設(shè)置有電極襯底、用于將酶固定至電極襯底的酶固定膜以、及形成有高于酶固定膜的厚度的凸起部分的集電器。集電器的凸起部分和電極襯底通過或不通過所生成的轉(zhuǎn)矩來彼此以機(jī)械和電的方式接觸。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，使用其中陰極和陽極都接觸燃料溶液的吸水多層電池結(jié)構(gòu)。這因此導(dǎo)致高初始發(fā)電高性能和高容積功率密度，從而可以穩(wěn)定功率。此外，根據(jù)本發(fā)明的酶電極，集電器設(shè)置有高于酶固定膜的厚度的凸起部分，并且經(jīng)由該凸起部分，集電器和電極襯底彼此接觸。因此，這降低了形成有酶固定膜的電極襯底和集電器之間的接觸阻抗，以便所產(chǎn)生的燃料電池的功率可以高很多。




示的線A-A的剖視圖<[圖10
[圖11
[圖12
[圖13
[圖14
[圖15
[圖16
[圖17
[圖18
[圖19
[圖20
[圖21
[圖22
[圖23
[圖24
[圖25
濃度相關(guān)
圖1]本發(fā)明第一實(shí)施例中的燃料電池的透視圖，示出了其使用狀態(tài)。 圖2]圖1中所示的燃料電池之間的連接部的剖視圖，并且⑶是切過㈧中所
圖3]圖1中所示燃料電池的剖視圖，示出了其內(nèi)部配置。 圖4]圖3中所示陰極的平面圖，示出了其配置。 圖5]圖1中所示燃料電池的透視圖，示出了其間的另一連接狀態(tài)。 圖6]本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池的透視圖。 圖7]圖6中所示燃料電池的剖視圖，示出了其內(nèi)部配置。 圖8]本發(fā)明修改示例中的燃料電池的透視圖。 圖9]圖8中所示燃料電池的前視圖。 圖8中所示燃料電池的后視圖。 圖8中所示燃料電池的右視圖。 圖8中所示燃料電池的左視圖。 圖8中所示燃料電池的俯視圖。 圖8中所示燃料電池的仰視圖。 切過圖9中所示的線A-A的燃料電池的剖視圖。 切過圖9中所示的線B-B的燃料電池的剖視圖。 切過圖9中所示的線C-C的燃料電池的剖視圖。 修改示例中的酶電極的剖視圖。 另一修改示例中的酶電極的剖視圖。 又一修改示例中的酶電極的剖視圖。 使用圖18的酶電極的燃料電池的剖視圖。 轉(zhuǎn)矩生成裝置的示意性圖示。 示出示例2中的轉(zhuǎn)矩和阻抗值之間的關(guān)系的特性圖。 示出示例4中的LSV測(cè)量(葡萄糖0.4M)的結(jié)果的特性圖。 示出關(guān)于示例4中的LSV中在-0. 3V的電流密度的情況下關(guān)于葡萄糖的生(在集電器(a)和集電器(b)之間)的比較結(jié)果的特性圖。 圖26]比較示例中的酶電極的剖視圖。 圖27]示出了酶電極反應(yīng)圖解的圖。 圖28]從前的燃料電池的剖視圖，示出了其配置。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。按照如下順序給出描述。1.第一實(shí)施例(具有吸水多層電池結(jié)構(gòu)的燃料電池)2.第二實(shí)施例(具有吸水單層電池結(jié)構(gòu)的燃料電池)3.修改示例4.酶電極的另一示例(改進(jìn)的電極集電器)(1.第一實(shí)施例)(整體配置)首先，描述本發(fā)明第一實(shí)施例中的燃料電池1。圖1是該燃料電池1的示意圖，示出了其使用狀態(tài)。在本實(shí)施例中，例如，燃料電池1與其他三個(gè)燃料電池串聯(lián)。圖2(A)和 ⑶分別示出圖1的任意兩個(gè)燃料電池，示出了其之間的連接部的配置。圖2(B)是圖2㈧ 的燃料電池的剖視圖，示出了其沿線A-A剖切的配置。本實(shí)施例中的燃料電池1是生物燃料電池，其中陽極和陰極分別被固定地設(shè)置有用作催化劑的氧化還原酶，并且容器2在其中容納了蓄電池組電池。注意，這里描述的是其中陽極和陰極都被固定地設(shè)置有用作催化劑的氧化還原酶的示例。然而，本發(fā)明當(dāng)然可應(yīng)用于陽極或陰極被固定地設(shè)置有氧化還原酶的情形。在該燃料電池1中，容器2的上部形成有開口，在開口上，布置了上蓋5。上蓋5形成有用于燃料供應(yīng)或排放用途的多個(gè)孔(燃料供應(yīng)孔6和排放孔7)。如圖1和圖2 (A)中所示，容器2的外表面設(shè)置有端子3和4，且這些端子3和4允許多個(gè)燃料電池1的串聯(lián)或并聯(lián)。(內(nèi)部配置)圖3是示出圖1中所示的每個(gè)燃料電池的內(nèi)部配置的圖。圖3對(duì)應(yīng)沿圖2中所示的線A-A剖切的剖面。燃料電池1在其中設(shè)置有多個(gè)電池部(單電池)，并且電池部分別在吸水多層電池結(jié)構(gòu)中，在該結(jié)構(gòu)中陽極和陰極都接觸燃料溶液。具體而言，在固定板IOa和 IOb之間設(shè)置了第一和第二電池部。第一電池部由陽極11a、陰極12a以及質(zhì)子傳導(dǎo)體18b 來配置，而第二電池部由陽極lib、陰極12b以及質(zhì)子傳導(dǎo)體18b來配置。布置陽極Ila和lib使其通過夾在其之間的陽極間隔裝置13而彼此相向。在陽極 Ila和lib和間隔裝置13之間，分別設(shè)置了陽極集電器15a和15b。在質(zhì)子傳導(dǎo)體18a和陰極1 之間，以及在質(zhì)子傳導(dǎo)體18b和陰極12b之間，分別設(shè)置了陰極集電器16a和16b。 陽極集電器15a和15b以及陰極集電器16a和16b分別連接至設(shè)置于容器2的側(cè)表面的端子3和4。第一和第二電池部彼此并聯(lián)。具體而言，經(jīng)由陽極間隔裝置13中存儲(chǔ)的電解溶液，第一電池部中的陽極Ila和第二電池部中的陽極lib彼此連接，而經(jīng)由陰極集電器16a 和16b，第一電池部中的陰極1 和第二電池部中的陰極12b彼此連接。在陰極12a和12b周圍，分別布置了陰極間隔裝置14a和14b。在陰極12a和12b、 陰極間隔裝置Ha和14b以及固定板IOa和IOb之間，分別設(shè)置了氣-液分離滲透膜17a 和 17b。在這樣的燃料電池1中，在由氣-液分離滲透膜17a和17b、陽極間隔裝置13以及陰極間隔裝置Ha和14b形成的間隔中，填充了諸如葡萄糖溶液的燃料溶液。在下文中，更加詳細(xì)地各自描述了該燃料電池1中的配置部件。(陽極Ila 和 lib)陽極Ila和lib各自通過在由傳導(dǎo)性多孔材料制成的電極的表面上固定地設(shè)置氧化還原酶來配置。在這些陽極Ila和lib中，表面上固定設(shè)置的酶分解燃料，從而提取電子且產(chǎn)生質(zhì)子(H+)。關(guān)于配置這些陽極Ila和lib的傳導(dǎo)性多孔材料，可以使用任意已知的材料，但碳材料尤其適合，諸如多孔碳、碳顆粒、碳?xì)?、碳紙、碳纖維或碳微粒層板。關(guān)于要固定地設(shè)置在陽極Ila和lib的表面上的酶，例如，當(dāng)燃料是葡萄糖時(shí)，可能使用的是用于分解葡萄糖的葡萄糖脫氫酶(GDH)。當(dāng)使用的燃料是單糖(諸如葡萄糖)時(shí)，理想的是將陽極Ila和lib與諸如GDH 的、加速單糖在其分解前的氧化的氧化酶固定地設(shè)置在帶有輔酶氧化酶或電子介體的表面上。輔酶氧化酶用于將被氧化酶(例如，NAD+和NADP+)所還原的輔酶的氧化，并且是輔酶 (例如，NADH和NADPH)的還原劑，并且以硫辛酰胺脫氫酶作為示例。由于這樣的輔酶氧化酶的反應(yīng)，當(dāng)輔酶在形式上再次變?yōu)檠趸瘎r(shí)生成電子，并且由輔酶氧化酶經(jīng)由電子介體將這些電子提供至電極。使用的電子介體優(yōu)選是醌骨架化合物，尤其是萘醌骨架化合物合適。具體而言，可能的選擇包括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(VD)、2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)等。作為醌骨架化合物，除了萘醌骨架化合物，蒽醌或其衍生物也是可能的。同樣，按照要求，可以和醌骨架化合物一起固定地設(shè)置各自用作電子介體的一種或多種其他類型的化合物。當(dāng)使用的燃料是多醣時(shí)，理想的是，除了固定地設(shè)置氧化酶、輔酶氧化酶、輔酶以及電子介體之外，固定地設(shè)置分解酶用于加速分解(諸如多醣的水解)和產(chǎn)生單糖(諸如葡萄糖)。注意，術(shù)語“多醣”表示廣義上的“多醣”，指示每個(gè)通過水解產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)單糖分子的碳水化合物，并且包括諸如二糖、三糖和四糖的低聚糖。具體而言，示例包括淀粉、 直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖元、纖維素、麥芽糖、蔗糖以及乳糖。這些是兩種或多種單糖結(jié)合的結(jié)果，并且在任何多醣中，包括葡萄糖作為是結(jié)合單元的單糖。此外，直鏈淀粉和支鏈淀粉各自是包含在淀粉中的成分，而淀粉是直鏈淀粉和支鏈淀粉的混合物。當(dāng)用于多醣的分解酶是葡萄淀粉酶并且當(dāng)用于分解單糖的氧化酶是葡萄糖脫氫酶時(shí)，例如，使用的燃料可以是多醣，其可以進(jìn)一步通過葡萄淀粉酶分解為葡萄糖。 這樣的多醣的示例有淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖元以及麥芽糖。本文中，葡萄淀粉酶是用于諸如淀粉的α-葡聚糖的水解以及用于產(chǎn)生葡萄糖的分解酶。葡萄糖脫氫酶是用于將 β -D-葡萄糖氧化為D-葡萄糖酸-δ -內(nèi)酯的氧化酶。(陰極12a 和 12b)陰極1 和12b各自通過在由傳導(dǎo)性多孔材料制成的電極的表面上固定地設(shè)置氧化還原酶和電子介體來配置。在這些陰極1 和12b中，例如通過質(zhì)子、電子以及空氣中的氧氣來生成水。這些質(zhì)子是由陽極Ila和lib通過質(zhì)子傳導(dǎo)體18a和18b而提供的質(zhì)子， 而這些電子由陽極Ila和lib經(jīng)由外部電路而提供的電子。關(guān)于配置陰極12a和12b的傳導(dǎo)性多孔材料，可以是用任何已知的材料，但碳材料尤其適合，諸如多孔碳、碳顆粒、碳?xì)帧?碳紙、碳纖維或碳微粒層板。
要固定地設(shè)置于陰極1 和12b的氧化還原酶的示例有膽紅素氧化酶、漆酶以及抗壞血酸氧化酶。用于與這樣的酶固定在一起的電子介體的示例有亞鐵氰化鉀、鐵氰化鉀以及八氰合鶴酸鉀(potassiumoctacyanotungstate)。在實(shí)施例中的燃料電池1中，理想的是，陰極1 和12b被制造為至少在表面上部分地防水。如果配置是這樣的，則所產(chǎn)生的陰極1 和12b的水分含量可以保持在最優(yōu)范圍內(nèi)，并且通過這樣的陰極12a和12b，電解電流值可以非常高。本文中，陽極Ila和lib的電極表面和陰極1 和12b的電極表面各自整體地包括外電極表面和電極內(nèi)部的空隙的內(nèi)表面。為了在陰極1 和12b表面上制造部分地防水，可能的方法是在陰極1 和12b 的表面上應(yīng)用防水劑，或者將陰極1 和12b浸在防水劑中。對(duì)陰極1 和12b使用的防水劑可以是各種類型，但是適合的一種防水劑是散布在有機(jī)溶劑中的有細(xì)密紋理的防水劑材料。防水劑中的有機(jī)溶劑理想的是具有足夠低的酶溶解性，例如10mg/ml或更低的溶解性，并且優(yōu)選的是lmg/ml或更低的溶解性?？商孢x的是，防水劑可以包括粘合劑樹脂，諸如聚乙烯醇縮丁醛。防水劑中的粘合劑樹脂的質(zhì)量百分比是0.01至10，但這當(dāng)然不是限制性的。此外，當(dāng)粘合劑樹脂是防水性的材料(諸如PVDF)時(shí)，粘合劑樹脂本身可以用作防水材料。使用的防水材料可以是各種類型，并且示例包括碳材料，并且適合的是碳粉末。碳粉末例如包括諸如自然石墨的石墨、 活性炭、碳納米纖維(氣相生長(zhǎng)的碳纖維)以及科琴黑(Ketjen black)。圖4是示出平面圖中的圖3中的陰極12a和12b的配置的圖。在本實(shí)施例的燃料電池1中，陰極1 和12b各自被劃分成多個(gè)用于間隔的片，而這些電極各自被布置與其他電極相間隔。電極之間這樣的間隔有助于用燃料溶液代替空氣，從而能夠快速地將燃料溶液提供至電池內(nèi)。因此，這改進(jìn)了初始發(fā)電性能，從而允許緊接在供應(yīng)燃料和電解溶液之后以高效率進(jìn)行發(fā)電。在本實(shí)施例中的燃料電池1中，陰極12a和12b各自被劃分成四片，但是劃分割數(shù)目當(dāng)然不限于此，而是任意確定的。此外，陰極1 和12b不是必須被劃分成片來放置。可替選的是，可以在它們每個(gè)的中間部分處形成通孔使燃料溶液的穿過成為可能，或者可以設(shè)置多個(gè)小孔使燃料溶液通過毛細(xì)管現(xiàn)象的穿過成為可能。如圖4中所示，在本實(shí)施例的燃料電池1中，陰極間隔裝置14a和14b被布置在陰極12a和12b周圍。這些陰極間隔裝置14a和14b各自是用于防止電池中的空氣和燃料溶液泄漏的密封構(gòu)件，且各自由高密度塑料材料制成，諸如不允許氣體和液體在穿過其中的硅樹脂和PTEF(聚四氟乙烯)。陰極間隔裝置14a和14b各自在其中填充有燃料溶液。例如，這些陰極間隔裝置14a和14b可以各自形成有多個(gè)孔用于固定至陽極間隔裝置13。(質(zhì)子傳導(dǎo)體18a和18b)質(zhì)子傳導(dǎo)體18a和18b是分別用于將陽極Ila和lib中產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)傳輸至陰極1 和12b的質(zhì)子傳導(dǎo)體，并且分別由不傳導(dǎo)電子且能夠傳輸質(zhì)子(H+)這樣的材料制成。關(guān)于具有這樣的特性的材料，示例有賽璐玢、凝膠以及包括含氟碳璜基酸組的離子交換樹脂。質(zhì)子傳導(dǎo)體18a和18b也可以由電解材料制成。如果情形是這樣的，則可以使用任何非紡織纖維等作為分離裝置，并且該分離件可以浸在電解材料中以便所產(chǎn)生的分離件能夠易于結(jié)合至燃料電池中。
(陽極間隔裝置13)陽極間隔裝置13在平面方向形成有多個(gè)通孔(未示出)，以允許燃料和電解溶液穿過其中。陽極間隔裝置13a的端部也用作防止燃料溶液泄漏的密封構(gòu)件。在本實(shí)施例的燃料電池1中，該陽極間隔裝置13也用作存儲(chǔ)燃料的燃料池。這樣的陽極間隔裝置13只要是絕緣的即可，并且例如可以由硬塑料材料(諸如丙烯酸樹脂)制成。(氣-液分離滲透膜17a和17b)氣-液分離滲透膜17a和17b各自是不允許液體而只允許氣體穿過其中的膜，并且在防止燃料溶液泄露的同時(shí)各自允許空氣(氧氣)穿過其中。例如，這樣的氣-液分離滲透膜17a和17b可以各自是由聚偏二氟乙烯(PVDF)和PTFE制成的膜，或者是在表面上涂覆PVDF或PTEF所產(chǎn)生的多孔膜。氣-液分離滲透膜17a和17b當(dāng)然不限于此，而可以使用任和已知的膜來作為適當(dāng)?shù)倪x擇。(固定板 IOa 和 IOb)固定板IOa和IOb用于通過從兩邊夾住部件來固定地定位這些部件。這些固定板 IOa和IOb各自由硬質(zhì)材料(諸如在表面上陽極電鍍的鋁板)制成。固定板IOa和IOb各自在平面方向形成有多個(gè)通孔(未示出)以允許空氣(氧氣)穿過其中。(連接方法)本實(shí)施例中的燃料電池1可以連接至其他燃料電池1。如圖2(B)中所示，例如， 一種連接方法是在容器2的內(nèi)側(cè)表面上布置一個(gè)或多個(gè)磁體8，并且通過其磁力，燃料電池 1被彼此拉近以便端子3和4彼此接觸。在該配置中，磁體8只要被布置為能夠使正端子3 和負(fù)端子4靠近到一起即可。圖2示出了其中只有端子3和4接觸并且容器2被布置為其之間有間隔的配置。本發(fā)明當(dāng)然不限于此，并且容器2也可以像端子3和4 一樣接觸。圖5是示出燃料電池1的另一連接狀態(tài)的圖。每個(gè)容器2中沒有設(shè)置端子3和4 的側(cè)表面也可以設(shè)置磁體8，以便任何未連接的燃料電池1都可以布置為彼此相鄰的。通過由這樣的磁力在端子3和4之間建立連接，可以阻止任何錯(cuò)誤的連接，并且可以用快速方便的方式自組織地連接燃料電池1。以這樣的連接方法，端子3和4只是彼此接觸。因此，即使對(duì)任何一個(gè)連接的燃料電池1施加外力，都可以容易地將該燃料電池和其他燃料電池?cái)嚅_而不引起對(duì)端子3和4和任何其他元件的破壞。此外，基于S和N極的布局組合來布置磁體8允許了對(duì)燃料電池1的定位。(燃料供應(yīng)方法)在該燃料電池1中，容器2在上表面上形成有燃料供應(yīng)孔6和排放孔7。燃料供應(yīng)孔6各自用于將液體燃料(諸如葡萄糖和乙醇)再填充至電池部，而排放孔7各自用于通過向外釋放其中的空氣來防止容器2中的任何壓力增加。燃料供應(yīng)孔6和排放孔7優(yōu)選地盡可能小，以便保持燃料存儲(chǔ)容器的氣密。如果它們是這樣的，則注射器等可以用來容易地填充燃料。同樣為了防止池中的燃料溶液和氣體向容器外部泄漏，優(yōu)選的是排放孔7各自設(shè)置有液體池。這樣的燃料電池1允許從上面填充燃料，但是可替選的是，可以設(shè)置有燃料填充部用于在燃料池中的預(yù)定位置處和/或以預(yù)定方向填充通過燃料供應(yīng)孔6提供的燃料。作為可能的具體配置，可以在燃料池內(nèi)部布置管用于從電極下方填充燃料。這允許有效地將燃料池中的空氣釋放到外部，從而大量的燃料可以到達(dá)池內(nèi)部，并且由反應(yīng)生成的任何氣體(例如C02)預(yù)期在燃料池中被向上推以被排放?？商孢x的是，燃料池內(nèi)部空間可以配置為像毛細(xì)管，并且可以通過利用毛細(xì)管現(xiàn)象將燃料填充至燃料池中。如果配置是這樣的，則燃料可以從燃料池外部被引導(dǎo)至其內(nèi)部，而沒有壓力和流動(dòng)改變。(效果)就此來說，本實(shí)施例中的燃料電池1為吸水電池結(jié)構(gòu)的，在該結(jié)構(gòu)中陽極和陰極都接觸燃料溶液。這不但改進(jìn)了氧氣的供應(yīng)表現(xiàn)而且改進(jìn)了燃料和電解溶液的供應(yīng)表現(xiàn)， 而所產(chǎn)生的燃料電池不再輕易受外界環(huán)境的影響。因此，改進(jìn)了初始發(fā)電性能，并且穩(wěn)定了功率。此外，該配置允許多個(gè)電池共享燃料池，以便不再需要為每個(gè)池設(shè)置墊圈來防止泄漏。因此，這有利地增加了容積功率密度并減少了體積。同樣在本實(shí)施例中的燃料電池1中，為了使燃料溶液的穿過更加順利，陰極1 和 12b分別被劃分成用于間隔的片，從而獲得滿意的燃料供應(yīng)表現(xiàn)，且進(jìn)一步改進(jìn)初始功率。 同樣在本實(shí)施例的燃料電池1中，容器2的外側(cè)表面設(shè)置有正端子3和負(fù)端子4用于與其他燃料電池連接，該配置從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)燃料電池之間的容易的連接。因此，當(dāng)一個(gè)燃料電池在功率方面不夠時(shí)，通過簡(jiǎn)單地將燃料電池耦合至其他燃料電池，可以用快速容易的方式地獲得更高的功率。同樣在本實(shí)施例的燃料電池1中，燃料供應(yīng)孔6和空氣排放孔7形成于沒有設(shè)置端子3和4的表面。這有助于增加燃料電池之間的耦合程度，并且在燃料電池被耦合在一起之后，可以很有效地將燃料填充至蓄電池組電池。因此，可以在較短的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)完成燃料供應(yīng)，并且可以進(jìn)一步地改進(jìn)初始功率。注意，在本實(shí)施例中，示例是其中兩個(gè)電池部并聯(lián)的多層電池。當(dāng)然本發(fā)明不限于此，而是還可應(yīng)用于各種其中多個(gè)單電池并聯(lián)和/或串聯(lián)的配置的分層電池配置。為了連接多個(gè)燃料電池，串聯(lián)當(dāng)然不是唯一的選擇，并且多個(gè)燃料電池也可以并聯(lián)。如果配置是這樣的，正和負(fù)端子可以被布置在任何其他表面上，換句話說，可以根據(jù)連接狀態(tài)適當(dāng)?shù)馗淖儽景l(fā)明的燃料電池中的端子的數(shù)目和位置。類似地，只要燃料供應(yīng)孔和排放孔形成在沒有設(shè)置端子的表面上，可以基于燃料電池的用途、其連接狀態(tài)和其中的蓄電池組電池，適當(dāng)?shù)馗淖內(nèi)剂峡缀团欧趴椎臄?shù)目和位置。在示例性配置中，可以在上表面和下表面上都布置正和負(fù)端子，并且多個(gè)燃料電池可以連接為好像將它們?cè)诖怪狈较蛏隙询B一樣。如果配置是這樣的，則燃料供應(yīng)孔和排放孔可以形成在任一側(cè)表面上。此外，端子的連接方法不限于使用磁力的方法，并且可替選地，例如正端子3可以被定形為凸形，而負(fù)端子4可以被定形為凹形。如果情形是這樣的，則正端子3可以接合至任何其他燃料電池1的負(fù)端子4，從而能夠容易地將燃料電池1連接到一起。還可替選的是，正端子3可以被定形為外螺紋狀，而負(fù)端子4可以被定形為內(nèi)螺紋狀，用于將正端子3 螺旋地插入負(fù)端子4。(2.第二實(shí)施例)(整體配置)下面將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例中的燃料電池。圖6是示意地示出本實(shí)施例中的燃料電池21的圖，而圖7示出了其內(nèi)部配置。本實(shí)施例中的燃料電池21是如下的生物燃料電池其中作為陽極或陰極的一個(gè)或全部電極被固定地設(shè)置有用作催化劑的氧化還原酶，并且容器22在其中容納了用作電池部的蓄電池組電池。同樣在這樣的燃料電池21中， 和第一實(shí)施例類似，容器22的上部形成有開口，并且在開口上布置了上蓋25。上蓋25形成有用于燃料供應(yīng)或排放用途的多個(gè)孔(燃料供應(yīng)孔26和排放孔27)。容器22的外側(cè)表面設(shè)置有端子，這些端子允許多個(gè)燃料電池21的串聯(lián)或并聯(lián)。(內(nèi)部配置)燃料電池21在其中設(shè)置有固定板20a和20b之間的電池部，該電池部由陽極11、 陰極12以及質(zhì)子傳導(dǎo)體18來配置。具體而言，在固定板20a和20b之間，按順序設(shè)置了氣-液分離滲透膜17a、陰極12、陰極集電器16、質(zhì)子傳導(dǎo)體18、陽極11、陽極集電器15、陽極隔離裝置19以及氣-液分離滲透膜17b。與圖4中所示的陰極12a和12b類似，陰極12被劃分成多個(gè)用于間隔的片，并且陰極隔離裝置14被布置在其周圍。陰極12側(cè)面的固定板20a在平面方向形成有多個(gè)通孔 (未示出)以允許空氣(氧氣)穿過其中。陽極11的側(cè)面的固定板20b不是必須形成有這樣的通孔。同樣在燃料電池21中，陽極集電器15和陰極集電器16分別連接至在容器22的側(cè)表面上設(shè)置的端子。在本實(shí)施例中的燃料電池21中，在由氣-液分離滲透膜17a和17b、 陽極間隔裝置13以及陰極間隔裝置14形成的間隔中填充燃料溶液。換句話說，該燃料電池21有其中陽極11和陰極12都接觸燃料溶液的吸水單層電池結(jié)構(gòu)。(效果)由于本實(shí)施例中的燃料電池21也是其中陰極也接觸燃料溶液的吸水結(jié)構(gòu)的，所以燃料電池21不再輕易受外界環(huán)境的影響，并且可以獲得穩(wěn)定的功率。同樣由于陰極12 被劃分成了多個(gè)用于間隔的片以更好地使燃料溶液穿過，所以產(chǎn)生的燃料的供應(yīng)表現(xiàn)變得令人滿意，并且改進(jìn)了初始功率。此外，由于容器2的外側(cè)表面設(shè)置有正端子3和負(fù)端子4 用于與其他燃料電池的連接用途，該配置在多個(gè)燃料電池之間實(shí)現(xiàn)了容易的連接，并且以快速容易的方式獲得了高功率。此外，在該燃料電池21中，燃料供應(yīng)孔沈和空氣排放孔27 被布置在沒有設(shè)置用于這樣的連接用途的端子的表面上，燃料電池能夠以更高的耦合程度來華禹合ο在本實(shí)施例中的燃料電池21中，上面留下的沒有描述的配置和效果與第一實(shí)施例中的燃料電池1中的配置和效果相同。(修改示例)本發(fā)明的燃料電池不限于以上實(shí)施例中描述的燃料電池，并且應(yīng)當(dāng)理解，可以想到多種其他的修改和變形。作為示例，像圖8的修改示例中的燃料電池31，可以不設(shè)置上蓋，并且可以在任何的任意位置處集中地布置燃料供應(yīng)孔32和排放孔33。此外，這些端子可以各自被任意地成形，例如，圓錐形的端子34A和反圓錐形的端子34B。圖9是該燃料電池31的前視圖，圖10是其后視圖，圖11是其右視圖，圖12是其左視圖，圖13是其俯視圖， 而圖14是其仰視圖。圖15是其切過圖9中的線A-A的剖視圖，圖16是其切過其中的線 B-B的剖視圖，而圖17是其切過其中的線C-C的剖視圖。此外，本發(fā)明的燃料電池可以是硬幣或管的形狀的。針對(duì)示例性配置中的硬幣狀的生物燃料電池，例如，在各自也用作底座的陽極集電器和陰極集電器之間可以布置一個(gè)或多個(gè)電池部，并且每個(gè)電池部中的陽極和陰極將接觸燃料溶液。如果配置是這樣的，則理想的是，陰極集電器形成有多個(gè)通孔用于使空氣(氧氣)穿過，并且在陰極集電器和陰極之間布置了氣-液分離滲透膜以防止燃料溶液的泄露。同樣在這樣的硬幣狀的生物燃料電池中，理想的是，陰極被劃分為多個(gè)用于間隔的片以更好地使燃料溶液穿過。針對(duì)管狀的燃料電池，如在可能的配置中那樣，陽極集電器可以在其周圍設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)電池部，每個(gè)電池部包括陽極、質(zhì)子傳導(dǎo)體以及陰極，并且管狀陰極集電器可以被布置于最外部分以使每個(gè)電池部中的陽極和陰極接觸燃料溶液。同樣在這樣的配置中， 理想的是，陰極集電器可以形成有多個(gè)通孔來使空氣(氧氣)穿過，并且在陰極集電器和陰極之間設(shè)置氣-液分離滲透膜以防止燃料溶液的泄露。同樣在這樣的管狀生物燃料電池中，理想的是，陰極被劃分為多個(gè)用于間隔的片以更好地使燃料溶液穿過。就此而言，上面描述的是具有本發(fā)明的吸水多層電池結(jié)構(gòu)的燃料電池，而接下來描述的是可以使這樣的燃料電池的功率增加更多的電極(酶電極)。該酶電極是各自用作陽極或陰極的電極中的集電器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的形式，并且使用這樣的酶電極，可以提高來自電極的集電能力，并且所產(chǎn)生的燃料電池可以在功率上增加。注意，下面描述的酶電極適合于具有吸水多層電池結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的燃料電池，但是也可應(yīng)用于如稍后將要描述的任何其他不同配置中的燃料電池。(酶電極)圖18是示出這樣的酶電極40的圖，并且該酶電極40被配置為包括電極襯底41、 酶固定膜42以及集電器43。在下文中，描述了這些部件中的每個(gè)的配置、功能、效果等。(1.電極襯底41)在電極襯底41中，在酶用作催化劑的情況下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。更具體而言，當(dāng)酶電極40用作陽極時(shí)，燃料在電極襯底41上經(jīng)受氧化以便放出電子。當(dāng)酶電極40用作陰極時(shí)，使用電子和氧氣發(fā)生還原反應(yīng)。在電子由陽極放出之后，通過集電器43提供電子，而從外部提供氧氣。用于電極襯底41的材料不具體限制，只要該材料能建立與外部的電連接即可，并且可以為其自由地選擇使用任何已知原材料。可用的材料例如是，金屬(諸如鉬、銀、金、 釕、銠、鋨、鈮、鉬、銦、銥、鋅、錳、鐵、鈷、鈦、釩、鉻、鈀、錸、鉭、鎢、鋯、鍺以及鉿)、合金(諸如鋁鎳合金、黃銅、硬鋁、青銅、銅鎳鋅合金(nickelin)、鉬銠、海波科合金(Hiperco)、坡莫合金、波明德合金、鎳銀(nickel silver)以及磷青銅)、傳導(dǎo)性聚合物(諸如聚乙炔)、碳材料 (諸如石墨和炭黑)、硼化物(諸如HfB2、NbB, CrB2以及B4C)、氮化物(諸如TiN和ZrN)， 硅化物(諸如VSi2、NbSi2、MoSi2以及I1aSU)以及作為其組合的材料。(2.酶固定膜42)酶固定膜42是用于在電極襯底41上固定地設(shè)置酶的膜。這樣的固定地設(shè)置在酶固定膜42上的酶不具體限制，可以自由地選擇使用可用于生物燃料電池中的一種或多種類型的酶。當(dāng)酶電極40用作陽極時(shí)，例如，可以固定地設(shè)置氧化酶。這樣的氧化酶包括例如乙醇脫氫酶、醛還原酶、醛脫氫酶、乳酸脫氫酶、羥基丙酮酸還原酶、甘油酸脫氫酶、甲酸脫氫酶、果糖脫氫酶、半乳糖脫氫酶、葡萄糖脫氫酶、葡萄糖酸-5脫氫酶以及葡萄糖酸-2脫氫酶。酶固定膜42不僅可以固定地設(shè)置有上述的氧化酶，也可以固定地設(shè)置有氧化輔酶和輔酶氧化酶。氧化輔酶包括煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide ；以下稱為“NAD+”)、酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamideadeninedinucleotide phosphate ；稱為“NADP+”)、黃素腺嘌呤二核苷酸(以下稱為 “FAD+”)以及吡咯并喹啉醌(pyrrollo-quinoline quinone ；例如以下稱為“PQQ2+”)。輔
酶氧化酶的示例有心肌黃酶。酶固定膜42不僅可以與上述的氧化酶和氧化輔酶固定，也可以與電子傳遞介體固定。這是為了使電子順利地通過電極。電子傳遞介體的示例有萘醌骨架化合物(諸如 2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌仏0陶)、維生素1(3、2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)、2-氨基-3-甲基-1，4-萘醌(AMNQ)以及2，3_ 二氨基-1，4-萘醌)、金屬絡(luò)合物(諸如鋨(Os)、釕(Ru)、 鐵(Fe)以及鈷(Co))、紫羅堿化合物(諸如芐基紫羅堿)、醌骨架化合物、蒽醌骨架化合物、 煙酰胺結(jié)構(gòu)化合物、核黃素結(jié)構(gòu)化合物、以及核苷酸磷結(jié)構(gòu)化合物。同樣當(dāng)這種酶電極40用作陰極時(shí)，可能用于固定的是展示出與氧氣反應(yīng)底物的氧化酶活性的酶。這樣的酶包括例如漆酶、膽紅素氧化酶以及抗壞血酸氧化酶。除了上述這樣的酶之外，可以固定地設(shè)置電子傳遞介體，這是為了使電子順利通過?？捎糜诠潭ǖ碾娮觽鬟f介體的類型沒有具體限制，并且可以根據(jù)需要自由地選擇類型。使用的一個(gè)示例性介體可以是ABTS0，2’_聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸))和 K3 [Fe (CN) 6]等。用于形成酶固定膜42的方法不受具體限制，并且可以根據(jù)形成用于在一般的生物燃料電池中使用的酶固定電極的方法來形成該膜。例如，首先，電極襯底41被涂覆傳導(dǎo)性涂層，然后被烘干，并且所產(chǎn)生的電極襯底41的表面然后經(jīng)受臭氧清洗工藝。此后，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)被涂覆包括上述的酶、輔酶、電子傳遞介體等的溶液，然后被烘干。用于固定的材料 (例如，聚-L-賴氨酸(PLL)和聚丙烯酸(PAAc))的水溶液隨后被涂覆在所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上， 然后被烘干。以這樣的方式可以形成酶固定膜42。酶固定膜42在厚度上不受具體限制，只要酶等可以固定地設(shè)置在其上即可，但是厚度優(yōu)選為40至80 μ m。(3.集電器 43)集電器43連接至外部電路，負(fù)責(zé)將陽極發(fā)出的電子通過外部電路引導(dǎo)向陰極。集電器43形成有凸起部分43A，并且通過該凸起部分43A，集電器43和電極襯底41相互接觸。 因此，這極大地提高了集電器43從電極襯底41集電的能力，從而實(shí)現(xiàn)了所產(chǎn)生的電能的高輸出。注意，本說明書中的“凸起部分”包括任何部分，只要其是凸形的即可，例如尖狀、 針狀、圓柱體狀、棱柱狀、錐狀以及幾何金字塔狀，并且還包括在集電器43是波狀、山狀等的情況下任何是凸形的部分。凸起部分43A自集電器43起的高度被設(shè)定為高于將與電極襯底41接觸的酶固定膜42的厚度。凸起部分43A的具體高度可以根據(jù)酶固定膜42的厚度自由地設(shè)置，并且優(yōu)選的是0. 1至1. 0mm。這將肯定和電極襯底41接觸。同樣優(yōu)選的是，通過將凸起部分43A設(shè)定為高于酶固定膜42的厚度，在集電器43 和酶固定膜42之間肯定形成了空隙S，該空隙S允許順利地在集電器43和酶固定膜42之間供應(yīng)諸如燃料的物質(zhì)，以便可以將該物質(zhì)均勻地供應(yīng)至電極襯底41的表面，從而實(shí)現(xiàn)高功率。尤其是針對(duì)生物燃料電池，空隙S起到了非常重要的作用，這是因?yàn)槭褂玫娜剂贤ǔｐば韵鄬?duì)高而擴(kuò)散常數(shù)低，諸如葡萄糖。
可以將多個(gè)集電器43設(shè)置至一個(gè)酶電極40。如圖19中所示，電極襯底41可以夾在兩個(gè)集電器43之間，或如圖20中所示，例如可以將多個(gè)集電器43設(shè)置為穿過多個(gè)電極襯底41。集電器43的材料不具體限制，只要該材料可以建立與外界的電連接即可，并且可以自由地選擇使用任意的已知原材料。可用的材料是，例如，金屬(諸如鉬、銀、金、釕、銠、 鋨、鈮、鉬、銦、銥、鋅、錳、鐵、鈷、鈦、釩、鉻、鈀、錸、鉭、鎢、鋯、鍺以及鉿)、合金(諸如鋁鎳合金、黃銅、硬鋁、青銅、銅鎳鋅合金、鉬銠、海波科、坡莫合金、波明德合金、鎳銀以及磷青銅)、 傳導(dǎo)性聚合物(諸如聚乙炔)、碳材料(諸如石墨和炭黑)、硼化物(諸如HfB2、NbB, CrB2 以及B4C)、氮化物(諸如TiN和ZrN)，硅化物(諸如VSi2、NbSi2、MoSi2以及TaSi2)，以及作為其組合的材料。上面描述的酶電極40不僅可以用于上面描述的第一和第二實(shí)施例中的燃料電池 1、21以及31中，也可以用于例如圖21中所示的燃料電池51中。該燃料電池51設(shè)置有由上述的電極襯底41、酶固定膜42以及集電器43配置的酶電極40。由圖21中的A指示的部分對(duì)應(yīng)于圖18中所示的酶電極40。燃料電池51按照需要設(shè)置有燃料池52、質(zhì)子傳導(dǎo)體 53等。在下文中，描述了每個(gè)部件的配置、功能、效果等。(1.燃料池 52)燃料池52用于存儲(chǔ)燃料。燃料池52在形狀上不具體限制，并且形狀可以是任意形狀，只要其可以將燃料供應(yīng)至陽極如(酶電極)即可。從燃料池52向陽極40a供應(yīng)燃料的方法也不具體限制，并且可以為其自由地選擇使用任何已知方法。例如，使用壓力注入、 真空注入、接觸吸收、毛細(xì)管現(xiàn)象等原理，可以將燃料供應(yīng)至陽極40a。燃料電池51的燃料不具體限制，只要其可以借助于用作催化劑的酶通過氧化還原反應(yīng)發(fā)出電子即可。這樣的燃料的示例有飲料(諸如汁液、運(yùn)動(dòng)飲料、糖水以及酒精)和化妝品(諸如洗液)。具體地，作為燃料，包括糖、蛋白質(zhì)、糖蛋白，脂肪酸等的材料是被認(rèn)為是理想的。(2.質(zhì)子傳導(dǎo)體53)陽極40a和陰極40b (酶電極)在準(zhǔn)備傳導(dǎo)質(zhì)子的狀態(tài)下相互連接。連接方法不具體限制，但是如圖21中所示，例如，陽極40a和陰極40b可以借助于夾在其間的質(zhì)子傳導(dǎo)體53而彼此相對(duì)地布置，從而有可能在準(zhǔn)備傳導(dǎo)質(zhì)子的狀態(tài)下建立陽極40a和陰極40b之間的連接。用于質(zhì)子傳導(dǎo)體的材料不具體限制，只要其不是電子傳導(dǎo)性的并且是能夠傳輸H+ 的電解質(zhì)即可，并且可以為其選擇使用任何已知材料。作為示例，可以使用包括緩沖物質(zhì)的電解質(zhì)材料。緩沖物質(zhì)的示例有將由磷酸二氫鈉(NaH2P04)或磷酸二氫鉀(KH2P04)生成的磷酸二氫鹽離子012 04)、2-氨基-2-羥甲基-1，3-丙二醇(縮寫為tris)、2-(N-嗎啉代)乙磺酸(MES)、二甲胂酸、碳酸(H2C03)、檸檬酸氫離子、N42-乙酰胺)亞氨基二乙酸 (ADA)、哌嗪-N，N，- 二 (2-乙磺酸)(PIPES)、N_(2_ 乙酰胺)_2_ ?；撬?ACES)、3_(N_ 嗎啉代)丙磺酸(MOPS)、N-2-羥乙基哌嗪-N，-2-乙磺酸(HEPES)、N_2_羥乙基哌嗪-N，-3-丙磺酸(HEPPS)、N-(三(羥甲基)甲基)甘氨酸(縮寫為^^(^1^)、甘氨酰甘氨酸、隊(duì)^二 O羥乙基)甘氨酸(縮寫為bicine)、咪唑、三唑、吡啶衍生物、聯(lián)吡啶衍生物、含有諸如咪唑衍生物(組氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、咪唑-2-羧酸乙基、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-羧酸、咪唑-4，5- 二羧酸、咪唑-1-基-乙酸、2-乙酰苯并咪唑、 1-乙酰咪唑、N-乙酰咪唑、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-氮雜苯并咪唑、4-氮雜-2-巰基苯并咪唑、苯并咪唑、1-芐基咪唑、1- 丁基咪唑、1-丁基咪唑)的咪唑環(huán)的化合物等。此外，例如，也可以使用作為固體電解質(zhì)材料的納芬。注意，在本實(shí)施例中，質(zhì)子傳導(dǎo)體53夾在兩個(gè)集電器43之間，但這當(dāng)然不是限制性的。作為示例，集電器43可以布置在如下平面?zhèn)壬显撈矫媾c其中在酶電極40a和40b 上布置了質(zhì)子傳導(dǎo)體53的平面相對(duì)。另外可替選地，例如，可以將多個(gè)集電器43設(shè)置為穿過多個(gè)電極襯底41。(電子裝置)上述的實(shí)施例中的燃料電池可以導(dǎo)致高輸出電流和電壓，從而可以適合用于任何類型的已知電子裝置。電子裝置在結(jié)構(gòu)、功能等上不具體限制，只要其可以通過燃料電池操作即可，并且包括了每個(gè)類型的電操作裝置，例如，電子裝置(諸如蜂窩電話、移動(dòng)裝置、機(jī)器人、個(gè)人電腦、游戲機(jī)、車載裝置、消費(fèi)者電子設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品)、移動(dòng)單元(諸如汽車、摩托車、飛機(jī)、火箭以及宇宙飛船)、檢查設(shè)備、用于起搏器用途的電源、醫(yī)療設(shè)備(諸如包括生物傳感器的體內(nèi)設(shè)備的電源)、發(fā)電系統(tǒng)(諸如產(chǎn)生電能的垃圾分解系統(tǒng))、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。下文中，描述了上文描述的這樣的酶電極的示例。(示例 1)在示例1中，制造了上面描述的酶電極40。(1.制造集電器)作為示例性集電器，使用的是由包含鈦的延展的金屬制成的軋制板。由這樣的延展的金屬制成的軋制板使用銷釘夾鉗(pinholder)被切成許多部分以形成尖形凸起部分， 從而制造帶有凸起部分的集電器。凸起部分的平均高度為0. 1至1. 0mm。(2.制造酶固定膜)首先，在用以下方式涂覆各種類型的溶液㈧至(E)和傳導(dǎo)性涂覆材料(碳材料) 之后，制備了多孔碳(PC)電極(F)。用于溶液制備的緩沖溶液是50mM磷酸二氫鉀(KH2 P04) (I. S. = 0. 3 且 pH = 7. 5)的緩沖溶液和 IOOmM 磷酸二氫鈉(NaH2 P04) (I. S. = 0. 3，pH = 8.0)的緩沖溶液。(A)⑶H/DI酶緩沖溶液DI (EC :1. 6. 99.，天野酶制品集團(tuán)(Amano Enzyme Inc.)制造)重 47. 6mg，然后溶解于200 μ L的50mM磷酸二氫鉀的緩沖溶液中(溶液(A) ’)。針對(duì)該過程，用于溶解酶的緩沖溶液優(yōu)選是在使用前夕以4°C或更低的低溫來存儲(chǔ)的緩沖溶液，并且如果可能的話，所產(chǎn)生的酶溶解緩沖溶液也優(yōu)選地以4°C或更低的低溫來存儲(chǔ)。同樣在本實(shí)施例中，緩沖溶液和酶溶解緩沖溶液都以4°C或更低的低溫來存儲(chǔ)。GDH(NAD依存型，EC :1. 1. 1. 47.，天野酶制品集團(tuán)制造)重13. lmg，然后溶解于 230 μ L的IOOmM上述磷酸二氫鈉的緩沖溶液中。所產(chǎn)生的溶液添加20 μ m的溶液(A)，然后徹底混合，并且所產(chǎn)生的溶液為⑶H/DI酶溶解緩沖溶液(A)。(B) NADH 緩解溶液
NADH (Sigma-Aldrich Japan 制造，N-8129)重 41mg，然后溶解于 64 μ L 的 IOOmM 上述磷酸二氫鈉的緩沖溶液中。所產(chǎn)生的溶液是NADH緩沖溶液(B)。(C)ANQ丙酮溶液2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)(合成品)重6. ^iig,然后溶解于600 μ L的丙酮溶液中。 所產(chǎn)生的溶液是ANQ丙酮溶液(C)。(D) PLL 水溶液多聚賴氨酸(PLL)(Sigma-Aldrich Japan 制造，P-1274，Mw = 93K)重為適量，然后溶解于離子交換水中以具有2. 0的重量百分比，所產(chǎn)生的為PLL水溶液(D)。(E) PAAcNA 水溶液聚丙烯酸鈉(PAAcNA)(Sigma-Aldrich Japan 制造，041-00595，Mw = 30K)重為適量，然后溶解于離子交換水中以具有0. 022的重量百分比，所產(chǎn)生的為PAAcNa水溶液(E)。(F)涂覆有傳導(dǎo)性涂層(碳材料)的多孔碳(PC)電極。作為傳導(dǎo)性涂層材料(碳材料)的Varniphite (日本黑鉛工業(yè)株式會(huì)社制造， Varniphite #27M)以5 1的容積比稀釋到2-丁酮(和光純藥株式會(huì)社制造，133-02506)， 并且在所產(chǎn)生的結(jié)果上涂覆多孔碳電極(東海碳素株式會(huì)社制造，lCmXlCmX2mm，60%的孔隙度，約95-98mg)，在其被烘干之后，重約為105至108mg，所產(chǎn)生的結(jié)果然后被放置一晚以烘干(約105至108mg)。接下來，涂覆有傳導(dǎo)性涂層材料的多孔碳電極(F)在上部和底部表面上各經(jīng)受20 分鐘臭氧清洗工藝。上述制備的溶液(A)至(C)分別以下面表1指示的量混合在一起，并且所產(chǎn)生的混合物用于通過臭氧清洗工藝涂覆多孔碳電極，其中例如采用微量滴管使上部和底部表面上各有一半的量。此后，在烘干爐中以40°C烘所產(chǎn)生的結(jié)果15分鐘，以便制造的結(jié)果是酶-輔酶-電子介體-涂覆電極。(表1)
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括多個(gè)電池，每個(gè)所述電池中陰極和陽極被彼此相向布置，陰極和陽極之間夾有質(zhì)子傳導(dǎo)體，其中，作為陰極或陽極的電極中的一個(gè)或全部固定地設(shè)置有用作催化劑的氧化還原酶，且陰極和陽極都接觸燃料溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，陰極由多個(gè)電極來配置，每個(gè)所述電極彼此之間被布置有間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，配置陰極的電極中的任意電極在其表面上至少部分地防水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的燃料電池，進(jìn)一步包括 用于與其他燃料電池的連接用途的端子；用于將燃料供應(yīng)至所述電池內(nèi)的燃料供應(yīng)孔；以及用于所述電池中的氣體的排放用途的排放孔，其中， 所述端子、所述燃料供應(yīng)孔以及所述排放孔分別被布置在不同的平面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，進(jìn)一步包括燃料引導(dǎo)部，用于在燃料池中的預(yù)定位置處和/或以預(yù)定方向引導(dǎo)通過所述燃料供應(yīng)孔所提供的燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其中，在內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)磁體，且所述端子通過磁力連接至其他端子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中， 所述燃料電池是硬幣狀或管狀電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中， 所述電極包括電極襯底酶固定膜，用于將酶固定地設(shè)置于所述電極襯底，以及設(shè)置有高于所述酶固定膜的厚度的凸起部分的集電器，且通過所述凸起部分，所述集電器與所述電極襯底接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中， 在所述酶固定膜和所述集電器之間形成空隙。
10.一種酶電極，包括電極襯底酶固定膜，用于將酶固定地設(shè)置于所述電極襯底，以及設(shè)置有高于所述酶固定膜的厚度的凸起部分的集電器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的酶電極，其中，所述集電器的所述凸起部分和所述電極襯底彼此接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的酶電極，其中， 在所述酶固定膜和所述集電器之間形成空隙。
全文摘要
提供了一種燃料電池，該燃料電池初始發(fā)電性能和容積功率密度高且產(chǎn)生穩(wěn)定功率。固定板之間10a和10n之間設(shè)置第一和第二電池部。第一電池部包括陽極11a、陰極12a以及質(zhì)子傳導(dǎo)體18b，而第二電池部包括陽極11b、陰極12b，以及質(zhì)子傳導(dǎo)體18b。向由氣-液分離滲透膜17a和17b、陰極間隔裝置14a和14b、以及陽極間隔裝置13形成的間隔填充燃料溶液。在固定板10a和陰極12a之間和固定板10b和陰極12b之間布置氣-液分離和滲透膜17a和17b。分別在陰極12a和12b周圍設(shè)置陰極間隔裝置14a和14b，并在陽極11a和11b之間設(shè)置陽極間隔裝置13。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102171880SQ200980139270
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月6日
發(fā)明者三田洋樹, 中川貴晶, 杉山太喜, 松本隆平, 汲田英之, 細(xì)田育英, 酒井秀樹 申請(qǐng)人:索尼公司