專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用氧化還原酶的生物燃料電池。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于增強生物燃料電池的操作性能的技術。
背景技術：
利用氧化還原酶作為反應催化劑的生物燃料電池是有利的，因為電子能夠有效地從不能在普通工業(yè)催化劑情況下利用的燃料如葡萄糖和乙醇中提取出來。鑒于此，生物燃料電池有望成為容量和安全性高的下一代燃料電池。圖5示出了使用酶的一種生物燃料電池的反應圖解。例如，在利用葡萄糖作為燃料的生物燃料電池的情形中，如圖5所示，在負極進行葡萄糖的氧化反應并提取電子，而在正極進行空氣中的氧氣(O2)的還原反應。同時，在目前通常使用的原電池和二次電池中，發(fā)電或充電通過僅利用在內側設置的活性物質執(zhí)行。因此，這樣的原電池和二次電池沒有設置用于向其內注入(澆注， pouring)燃料的機構，并且不需要這樣的機構。在另一方面，燃料電池是一種設計成通過從外部向內部注入燃料而產生電力的裝置。因此，燃料電池需要一種燃料供應機構，并且電池的內部空間地連接至外部。另外，通過補充燃料溶液，燃料電池能夠用于重復發(fā)電。而且，在根據(jù)相關技術的生物燃料電池中，外殼(包裝，casing)設置有燃料溶液注入口(fuel solution pouring port)(參見，例如，日本專利臨時公開No. 2008-282586和日本專利臨時公開 No. 2009-048848(下文分別成為專利文獻1和幻)。例如，專利文獻1提出了使用金屬外殼的紐扣型和管狀電池，而專利文獻2提供了使用塑料制成的外殼的立方體電池，并且在這兩種情形下，在外殼上表面處設置了燃料溶液注入口。

發(fā)明內容
然而，根據(jù)相關技術的以上提及的生物燃料電池可能是不利的，因為很難掌控燃料溶液注入口。在這樣的情況下，很可能發(fā)生燃料溶液的誤用，如燃料溶液的錯誤注入。在其中由小孩或視力障礙人員使用燃料電池的情況下，這種誤用的危險尤其高。因此，對于不可能發(fā)生誤用的燃料電池存在需要。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種燃料電池，包括一個或多個電池部 (cell section)，其具有表面存在氧化還原酶的電極；以及容納該一個或多個電池部的容器；其中該容器設置有燃料溶液注入口，通過該燃料溶液注入口將燃料溶液注入到該一個或多個電池部中，并且該燃料溶液注入口至少在注入燃料溶液時定向(orient)在一個固定方向上(朝向一個固定方向)。這里，電極的表面包括電極的整個外表面和電極內部的孔隙(void)的內表面。這在下文中也適用。在這種燃料電池中，燃料溶液注入口定向在一個固定方向上，這允許即使小孩或視力障礙人員可以容易地識別燃料溶液注入口的位置。作為結果，能夠防止在將燃料溶液注入電池中時發(fā)生燃料電池的誤用。在該燃料電池中，容器的底部可以具有彎曲面(curved surface)(或容器的底部可以由彎曲面構成)。在這種情況下，理想地，燃料電池的重心設置在燃料電池的中心下方。在該燃料電池中，磁體(磁鐵，magnet)附著至容器的底部，以使該燃料電池通過磁力進行定位。而且，采用這樣一種構造，其中燃料電池具有裝配臺(支座，mount)，在其上安裝所述容器，并且磁體至少附著至該裝配臺的安裝容器的部分，以使燃料電池通過磁力定位。此外，燃料溶液注入口可以至少設置有用于防止燃料溶液泄漏的閥。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，燃料電池的燃料溶液注入口定向在一個固定方向上。因此，即使對于小孩或者視力障礙人員來說，也很容易識別該燃料溶液注入口的位置；因此， 能夠防止發(fā)生燃料電池的誤用。


圖IA是側視圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的生物燃料電池的外部形狀，而圖IB是該生物燃料電池的平面圖(或俯視圖)；圖2A和2B各自示意性地示出了一種在注入燃料溶液后封閉燃料溶液注入口的方法；圖3是用于防止燃料溶液等誤飲(或吞入)的另一種方法的示意圖；圖4是剖視圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的生物燃料電池的結構；以及圖5是示出了一種利用酶的生物燃料電池的反應圖解的圖示。
具體實施例方式現(xiàn)在，下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明的一些實施方式。順便提及地，本發(fā)明不限于以下實施方式。將按照以下順序進行描述。1、第一實施方式(底表面具有彎曲面的的生物燃料電池的一個實例)2、第二實施方式(底表面附著有磁體的生物燃料電池的一個實例)<1、第一實施方式〉[總體構造]首先，將描述根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的生物燃料電池。圖IA是示意性地示出了這個實施方式中的生物燃料電池的外部形狀的側視圖，而圖IB是該生物燃料電池的平面圖(或俯視圖)。在根據(jù)該實施方式的生物燃料電池10中，具有表面存在氧化還原酶的電極的一個或多個電池部容納在容器1中。另外，如圖IA和IB所示，容器1具有由彎曲面構成的底表面，并且例如，在其上表面設置有燃料溶液注入口 2，通過該燃料溶液注入口 2將燃料溶液3注入到一個或多個電池部中。[電池部]
電池部可以具有例如這樣的構造，其中負極和正極彼此相對設置，其間具有質子導體(protonic conductor) 0作為負極，例如能夠使用由表面上固定了氧化還原酶的導電多孔材料制成的電極。作為正極，例如能夠使用由表面上固定了氧化還原酶和電子介體 (electron mediator)的導電多孔材料制成的電極。這里，電極的表面包括電極的整個外表面和電極內部存在的孔隙的內表面。這在下文同樣適用。在這種構造中，在負極處，燃料通過負極表面上固定的酶分解，提取電子，并產生質子(H+)。相反，在正極處，由經過質子導體的從負極傳輸?shù)馁|子、經過外部電路從負極輸送的電子以及例如從空氣供應的氧而產生水。另外，作為用于形成負極的導電多孔材料，能夠使用已知的材料。特別優(yōu)選碳材料，如多孔碳、碳顆粒、碳氈、碳紙、碳纖維或碳顆粒的層壓體等。而且，作為固定在負極表面上的酶，例如在其中燃料為葡萄糖的情況下，能夠使用使葡萄糖分解的葡萄糖脫氫酶。此外，在其中單糖如葡萄糖用作燃料的情況下，除了加速單糖的氧化的酶如 GDH(葡萄糖脫氫酶)之外，理想地，在負極表面上固定輔酶氧化酶和/或電子介體，以由此分解該單糖。輔酶氧化酶用于氧化通過氧化酶還原的輔酶(例如，NAD+、NADP+等)和還原的輔酶(例如，NADH、NADP等)。輔酶氧化酶的實例包括心肌黃酶。當輔酶在輔酶氧化酶的作用下恢復到氧化形式時，產生電子。由此產生的電子經過電子介體從輔酶氧化酶傳遞到電極。作為電子介體，優(yōu)選使用具有醌骨架的化合物，尤其是，具有萘醌骨架的化合物。這樣的化合物的具體實例包括2-氨基_1，4萘醌(ANQ)、2-氨基-3-甲基-l，4-萘醌 (AMNQ)、2-甲基-1，4-萘醌(VK3)和2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)。作為具有醌骨架的化合物，例如，不僅能夠使用具有萘醌骨架的化合物，而且能夠使用蒽醌及其衍生物。而且，如有必要，連同具有醌骨架的化合物一起，在負極表面上可以固定充當電子介體的一種或多種其他化合物。在其中多糖用作燃料的情況下，除了以上提及的氧化酶、輔酶氧化酶、輔酶和電子介體之外，理想地在負極表面上固定能夠加速多糖分解(例如水解)以產生單糖如葡萄糖的裂解酶(breakdown enzyme)。順便提及地，這里所用的術語“多糖”以寬泛含義使用，即， 用于指能夠通過水解產生兩種以上單糖分子的所有碳水化合物，并且包括寡糖如二糖、三糖、四糖等。多糖的具體實例包括淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖原、纖維素、麥芽糖、蔗糖和乳糖。這些具有彼此鍵接的兩個以上的單糖。每一個多糖包含用作鍵接單元的作為單糖的葡萄糖。除此之外，直鏈淀粉和支鏈淀粉是淀粉中包含的組分；換句話說，淀粉是直鏈淀粉和支鏈淀粉的混合物。例如，在其中葡萄糖淀粉酶用作用于多糖的裂解酶以及其中葡萄糖脫氫酶用作用于單糖的氧化酶的情況下，能夠被葡萄糖淀粉酶分解成葡萄糖的多糖能夠用作燃料。這樣的多糖的實例包括淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖原和麥芽糖。這里，葡萄糖淀粉酶是一種用于水解α-葡聚糖如淀粉而產生葡萄糖的裂解酶，而葡萄糖脫氫酶是一種用于將β -D-葡萄糖氧化成D-葡糖酸-δ -內酯的氧化酶。在另一方面，作為用于形成正極的導電多孔材料，同樣能夠使用已知的材料，其中特別優(yōu)選碳材料，如多孔碳、碳顆粒、碳氈、碳紙、碳纖維或碳顆粒的層壓體等。固定在正極上的氧還原酶的實例包括膽紅素氧化酶、漆酶和抗壞血酸氧化酶。除此之外，連同酶一起固定的電子介體的實例包括亞鐵氰化鉀、鐵氰化鉀和八氰基鎢酸鉀(potassium octacyanotungstate)0而且，質子介體可以是沒有電子導電性但能夠傳輸質子(H+)的任何材料。這樣的材料的實例包括玻璃紙(cellophane)、明膠和具有含氟硫酸碳(磺酸碳， carbonsulfonate)基團的離子交換樹脂。除此之外，電解質也能夠用作質子導體。順便提及地，電池部中設置的電極不限于表面上固定了氧化還原酶的那些電極， 只要氧化還原酶存在于電極表面即可。具體地，也能夠使用使得具有氧化還原酶的微生物沉積在其表面上的電極以及使得以上提及的作用在負極和正極處實現(xiàn)的電極。[容器1、燃料溶液注入口2]對于容器1來說滿足具有這樣的結構，其中底表面是彎曲面并且內部容積足以容納所述電池部。除此之外，對容器1的材料沒有特別限制。然而，從燃料電池的外殼的角度來看，容器1理想地由不透水且剛性的材料制成。這樣的材料的實例包括聚乙烯、聚丙烯和
聚對苯二甲酸乙二醇酯。另外，在根據(jù)該實施例的生物燃料電池10中，容器1的底表面由彎曲面構成，以使燃料溶液注入口 2定向在一個固定方向上。在這種情況下，理想地，電池部等設置成使得生物燃料電池10的重心位于生物燃料電池10的中心下方。作為結果，增強了生物燃料電池 10的穩(wěn)定性，并且燃料溶液注入口 2被定向在一個固定方向(在圖2的情況下，朝上的方向)，除非在生物燃料電池10上施加外力。而且，即使在在該燃料電池上10上施加外力的情況下，在移除負載(外力)后，燃料溶液注入口 2回到其初始位置(在圖2的情況下，燃料溶液注入口 2朝上)。在另一方面，在如圖IB所示的平面圖為圓形的容器的情況下，燃料溶液注入口 2 理想地設置在上表面處。然而，例如在平面圖為多邊形的容器的情況下，燃料溶液注入口 2 可以設置在側面處。另外，燃料溶液注入口 2理想地設置有止回閥，用于防止注入電池中的燃料溶液3回流。作為結果，即使在其中容器被放倒的情況下，也能防止燃料溶液3泄漏， 使得能夠實現(xiàn)一種更安全的燃料電池。而且，燃料溶液注入口 2可以設置有各種功能，不限于以使提及的止回閥。圖2A 和2B各自舉例說明了在注入燃料溶液3之后封閉燃料溶液注入口 2的方法。圖3是用于防止燃料溶液被誤飲(或吞入)的另一種方法的示意圖。具體地，如圖2A和2B所示，燃料溶液注入口 2具有這樣的一種結構，使得一旦燃料溶液3被注入到燃料電池中，則之后不可能進行燃料溶液3的注入和排出。例如，在圖2A所示的結構的情況下，燃料溶液3的注入使得密封閥門4關閉燃料溶液注入口 2，而且，被固定在這種狀態(tài)。在圖2B所示的結構的情況下，在燃料溶液注入口 2處設置蓋子5，并且當蓋子5關閉時，燃料溶液注入口 2被損壞，使其不能再次被打開。當采用這樣的結構時，不可能重復使用生物燃料電池10。然而，能夠防止燃料溶液3的誤注入 (mis-pouring) 0另外，能夠防止燃料溶液或發(fā)電之后的廢液被幼兒誤飲(或吞入)。順便提及地，為了防止被幼兒誤飲(或吞入)燃料溶液等，也可以使用不同于以上提及的其他方法。例如，有一種有效的方法，如圖3所示，其中能夠與燃料溶液3發(fā)生反應而產生討厭的氣味或味道同時對發(fā)電沒有影響的材料6可以包含在所述電池部中，或者容器1本身用具有討厭的氣味的材料涂覆。
在根據(jù)本實施方式的生物燃料電池10中，燃料溶液注入口 2的形狀沒有特別限制。然而，例如，在用燃料溶液填充的箱體等連接于燃料溶液注入口 2以將燃料溶液注入到生物燃料電池10中的情況下，期望將燃料溶液注入口 2成形以使該箱體等的排出口能夠裝配在其中。這使得有可能進一步增強防止誤用的效果。具體地，在燃料溶液注入口被成形為類似水果如蘋果、葡萄、桔子和香蕉并且箱體等的排出口成形為裝配到燃料溶液注入口中的情況下，建立了一種鑰匙-鑰匙孔的關系，通過其能夠極大地降低誤注入的危險。特別是在采用以上提及的水果狀形狀的情況下，進一步有利于小孩對其的識別，這從降低誤用角度看也是有效的。[燃料溶液3]燃料溶液3是一種燃料組分或多種燃料組分如糖類、醇類、醛類、脂類、蛋白質類等，或者包含至少一種這樣的組分的溶液。在根據(jù)這個實施方式的生物燃料電池1中使用的燃料組分的實例包括糖類如葡萄糖、果糖、山梨糖等；醇類如甲醇、乙醇、丙醇、甘油、聚乙烯醇等；醛類如甲醛、乙醛等；以及有機酸類如乙酸、甲酸、丙酮酸等。除了這些材料，作為燃料組分，也可以使用脂肪、蛋白質、作為脂肪和蛋白質的糖代謝的中間產物的有機酸等。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實施方式的生物燃料電池10中，采用了其中燃料溶液注入口 2在一個固定方向上被定向的構造，使得即使小孩或視力障礙人員能夠容易地識別燃料溶液注入口 2的位置。這降低了錯誤地將燃料溶液注入不恰當部位的危險。另外，用于生物燃料電池10的燃料溶液3是甚至是能夠被飲用的低危險溶液。因此，通過將電池制成上述構造，即使對于小孩或視力障礙人員，也可以將燃料溶液3安全且確定地注入到電池中。而且，在燃料溶液注入口 2被成形為類似水果等形狀以便即使對于小孩等也容易理解，或者被成形以便能夠安裝燃料溶液箱體等的情況下，誤注入的危險能夠被更大地降低。此外，在不僅燃料溶液注入口 2的形狀，而且其他部分如正(+)端子和負(_)端子的形狀適于互連的情況下，能夠防止發(fā)生誤連接事故。<2、第二實施方式>[總體構造]現(xiàn)在，將描述根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的生物燃料電池。圖4是示意性地示出了根據(jù)本實施方式的生物燃料電池的結構的剖視圖。在圖4中，與在以上圖1中所示的第一實施方式的燃料電池10中的相同的那些組件用以上使用的相同標號指示，并且省略這些組件的詳細描述。如圖4所示，在根據(jù)這個實施方式的生物燃料電池20中，磁體21附著至容器1的底部，以使燃料溶液注入口 2通過磁力定向在一個固定方向。在這種情況下，當生物燃料電池20以被置于由金屬材料形成的底座或工作臺上的狀態(tài)使用時，它能夠單獨地使用。當生物燃料電池20以被置于由磁力不能發(fā)揮作用的塑料或木材等材料形成的底座或工作臺上的狀態(tài)使用時，就可能有必要使用裝配臺22。[裝配臺22]裝配臺22是在將燃料溶液3注入到生物燃料電池20中時用來將生物燃料電池20 放置在其上的構件。裝配臺22的安裝表面由金屬材料形成，或者磁體附著至裝配臺22的安裝部分。這確保了在生物燃料電池20底部提供的磁體21的磁力發(fā)揮作用，使得燃料溶液注入口 2在一個固定方向被定向。作為結果，即使小孩或視力障礙人員也能夠容易且確定地將燃料溶液3注入到生物燃料電池20中。而且，在裝配臺22的安裝部分形成為凹槽形狀以使生物燃料電池20的下部裝配到裝配臺22中的情況下，使得更容易識別燃料溶液注入口 2的位置。這在容器1的平面圖為多邊形以及燃料溶液注入口 2設置在容器1的側面的情況下特別有效。因此，在根據(jù)這個實施方式的生物燃料電池20中，利用了磁力，使得不管容器1的形狀如何，都可以將燃料溶液注入口 2的定向(或取向)保持在一個固定方向上。因此，有利于識別燃料溶液注入口 2的位置，并且因此能夠降低將燃料溶液3注入錯誤部位的危險。順便提及地，雖然在圖4中示出了利用具有由彎曲面構成的底表面的容器1的情形，但是本發(fā)明并不局限于這種構造。具體地，本發(fā)明可應用于具有各種底部形狀的容器， 如具有由平整表面構成的底表面的容器、具有形狀為圓錐形或棱錐形的底部的容器等。另外，在根據(jù)本實施方式的生物燃料電池20中，磁體不僅可以附著至容器1的底部，而且可以附著至容器1的內側面，以使這些電池彼此通過磁體的磁力吸引，由此有利于正(+)端子和負(-)端子之間的連接。這確保了甚至一個不能容易地識別正(+)端子和負 (-)端子的幼兒也能夠串聯(lián)地連接多個電池。本本申請包含與于2010年5月12日向日本專利局提交的日本優(yōu)先專利申請JP 2010-109828中公開的主題相關的主題，將其全部內容結合于此供參考。本領域技術人員應當理解，根據(jù)設計要求和其他因素，可以出現(xiàn)各種更改、組合、 子組合和變形，只要它們在所附權利要求或其等同替換的范圍內。
權利要求
1.一種燃料電池，包括一個或多個電池部，其具有表面存在氧化還原酶的電極；以及容納所述一個或多個電池部的容器；其中，所述容器設置有燃料溶液注入口，通過所述燃料溶液注入口將燃料溶液注入到所述一個或多個電池部中，并且所述燃料溶液注入口至少在注入所述燃料溶液時定向在一個固定方向上。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，其中，所述容器的底部具有彎曲面。
3.根據(jù)權利要求2所述的燃料電池，其中，所述燃料電池的重心設置在所述燃料電池的中心下方。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，其中，在所述容器的底部附著有磁體，并且所述燃料電池通過磁力定位。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，進一步包括用于在其上安裝所述容器的裝配臺， 其中，至少在所述裝配臺的安裝有所述容器的部分附著有磁體，并且所述燃料電池通過磁力定位。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，其中，所述燃料溶液注入口至少設置有用于防止所述燃料溶液泄漏的閥。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，其中，所述燃料溶液是選自由糖類、醇類、醛類、 脂類和蛋白質類組成的組中的至少一種燃料組分，或者是包含這些組分中的至少一種的溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池。更具體地，涉及一種燃料電池，包括一個或多個電池部，其具有表面存在氧化還原酶的電極；以及容納該一個或多個電池部的容器，其中該容器設置有燃料溶液注入口，通過該燃料溶液注入口將燃料溶液注入到一個或多個電池部中，并且該燃料溶液注入口至少在注入燃料溶液時定向在一個固定方向上。
文檔編號H01M2/36GK102244287SQ201110114388
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權日2010年5月12日
發(fā)明者杉山太喜, 松本隆平, 汲田英之, 酒井秀樹 申請人:索尼公司