[发明专利]燃料电池和电子设备

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，其中酶固定在正极和负极中的至少一个上；还涉及采用这种燃料电池的电子设备。

背景技术

燃料电池具有如下结构，其中，正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)彼此相对，其间具有电解质(质子导体)。在现有的燃料电池中，供应到负极的燃料(氢)被氧化从而被分离为电子和质子(H⁺)；并且电子被传递至负极，H⁺通过电解质移动至正极。在正极中，H⁺与从外部供应的氧以及从负极通过外部电路输送的电子反应，并生成H₂O。

因而，燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的高效发电装置，并且无论使用地点或使用时间如何，都可以高转化效率地提取诸如天然气、石油或煤等矿物能源的化学能作为电能。因此，已经对应用于大规模发电等的燃料电池积极地进行了开发和研究。例如，已实现将燃料电池安装在航天飞机上，并已证实燃料电池可以为机组人员提供电力和水，且燃料电池是清洁的发电装置。

此外，近年来，具有在室温至约90℃范围内的比较低的工作温度的燃料电池(诸如高分子电解质燃料电池)已被开发并引起了人们的关注。因此，不仅研究了大规模发电中的应用，而且研究了驱动汽车的电源以及诸如个人计算机和移动设备等的便携式电源的小型系统中的应用。

因而，研究了燃料电池在从大规模发电到小规模发电的广泛应用，并且其作为高效发电装置倍受关注。然而，燃料电池通常用改质器将燃料(诸如天然气、石油和煤)转化成氢气，因而具有各种问题，例如，消耗了有限的资源、需要高温加热、需要诸如铂(Pt)的昂贵的贵金属催化剂。此外，当直接使用氢气或甲醇作为燃料时，需要小心地对其进行处理。

于是，在生物体内进行的生物代谢被认为是高效能量转化机制，并且已经提出将其其应用在在燃料电池中。这里，生物代谢包括在微生物细胞内进行的呼吸作用、光合作用等。生物代谢具有的优点在于，发电效率极高，另外，反应在大约室温的温和条件下进行。

例如，呼吸作用是如下机制，即，诸如糖、脂肪、蛋白质的营养素被摄取到微生物或细胞中，在通过包括多个酶反应步骤的糖酵解体系和三羧酸(TCA)循环生成二氧化碳(CO₂)的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，营养素的化学能被转化成氧化还原能，即电能；并且，此外，在电子输送体系中，这些NADH的电能被直接转化成质子梯度的电能，并且氧被还原以生成水。所获得的电能用在三磷酸腺苷(ATP)合成酶中，从而从二磷酸腺苷(ADP)生成ATP。ATP用于微生物和细胞存活和生长所需要的反应。这种能量转化在细胞液和线粒体中进行。

另外，光合作用是如下机制，即，摄取光能，并且在电子输送体系中通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)而将光能转化成电能的过程中，水被氧化以生成氧。该电能用于吸收的CO₂的碳固定反应，并用于合成碳水化合物。

作为将上述生物代谢应用于燃料电池的技术，已报道了如下微生物电池，其中，通过电子介体将微生物内生成的电能提取到微生物外部，并且这种电子被传递到电极上从而提供电流(例如，参见日本未审查专利申请公开第2000-133297号)。

然而，因为除了将化学能转化成电能的目标反应之外，微生物和细胞内还存在许多不必要的反应，因此在上述技术中，不需要的反应消耗了电能，并且无法实现足够的能量转化效率。

因此，已经提出了用酶来仅进行所需反应的燃料电池(生物燃料电池)(例如，参见日本未审查专利申请公开第2003-282124号、第2004-71559号、第2005-13210号、第2005-310613号、第2006-24555号、第2006-49215号、第2006-93090号、第2006-127957号以及第2006-156354号)。这些生物燃料电池被配置成用酶将燃料分解成质子和电子，并且已开发出使用诸如甲醇和乙醇的醇、以及诸如葡萄糖的单糖作为燃料的生物燃料电池。