[发明专利]燃料电池及其制造方法、电子设备、酶固定化电极及其制造方法、拒水剂以及酶固定材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池以及一种制造其的方法、一种电子设备、一种酶固定化电极(enzyme-immobilized electrode)及其制造方法、一种拒水剂(抗水剂，water repellent agent)以及一种酶固定材料(固定酶的材料，enzyme-immobilizing material)。尤其是，本发明适合应用于利用酶的生物燃料电池以及利用生物燃料电池作为电源的各种电子设备。

背景技术

燃料电池具有这样的结构，其中正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)在其间具有电解质(质子导体(proton conductor))的情况下彼此面对(face)。在传统燃料电池中，供应到负极的燃料(氢)被氧化并分离成电子和质子(H⁺)；电子被递送至负极；而H⁺移动通过电解质到达正极。在正极处，H⁺与从外部供应的氧和通过外电路从负极传递的电子发生反应而生成水(H₂O)。

如上所述，燃料电池是高度有效的发电装置，其将燃料具有的化学能直接转化成电能，并且能够将化石能源如天然气、石油或煤具有的化学能以高转化效率提取作为电能，而与使用地点或使用时间无关。因此，传统上，对于应用于大规模发电等的燃料电池积极地进行了研究和开发。例如，已经证实，安装在航天飞机中的燃料电池能够供应电力以及用于机组人员和燃料电池清洗发电装置的水。

此外，近年来，具有在室温至约90℃的相对低操作温度范围的燃料电池，如固体聚合物燃料电池已经被开发并且已受到关注。因此，已经在寻求不仅应用于大规模发电，而且应用于小系统如用于运行汽车的电源以及用于个人计算机和移动装置的便携式电源。

如上所述，认为燃料电池具有从大规模发电到小规模发电的宽范围应用，并且作为高度有效的发电装置已经受到更多的关注。然而，在燃料电池中，天然气、石油、煤等利用重整器(reformer)通常转化成氢气体，并且该氢气体用作燃料，其具有的问题在于，消耗有限的资源以及燃料电池需要加热至高温并且需要由昂贵贵金属如铂(Pt)构成的催化剂。此外，即使在其中氢气体或甲醇直接用作燃料的情况下，其处理也需要谨慎。

在这些情况下，聚焦于在生物中发生的生物学代谢是一种高度有效的能量转化机制的事实，已经提出了将生物学机制应用于燃料电池。这里，生物学机制包括在微生物细胞中发生的呼吸作用、光合成等。生物学机制的一个特征是，发电效率非常高并且反应在温和条件如在约室温下进行。

例如，呼吸作用是用于将营养物如糖类、脂肪和蛋白质吸收到微生物或细胞中的一种机制；其化学能转化成氧化还原能，即，在通过包括许多酶反应步骤的糖酵解途径和柠檬酸(TCA)循环的产生二氧化碳(CO₂)的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)还原成还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的电能；以及在电子传递系统中，NADH的电能直接转化成质子梯度的电能，并且氧也被还原而产生水。这里获得的电能，通过三磷酸腺苷(ATP)合成酶，从二磷酸腺苷(ADP)产生ATP。ATP用于微生物和细胞生长所需的反应。这样的能量转化在细胞溶质和线粒体中发生。

而且，光合成是这样一种机制，利用该机制，在接受光能并通过电子传递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)从而将光能转化成电能的过程中，水被氧化而产生氧。电能用于其中吸收CO₂的碳固定化反应以及用于碳水化合物的合成。

作为其中上述生物学机制用于燃料电池的一种技术，已经报道了微生物电池，其中在微生物中产生的电能通过电子介体(电子媒介物，electronmediator)从微生物提取，并且电子被递送到电极而获得电流(例如参考PTL(专利文献)1)。

然而，微生物和细胞包括许多不同于将化学能转化成电能的靶反应的不必要的反应。因此，在上述方法中，电能在不期望的反应中被消耗，并且没有实现足够的能量转化效率。

在这些情况下，已经提出了其中仅利用酶进行期望反应的燃料电池(生物燃料电池)(例如，参考PTL 2～13)。在这样的生物燃料电池中，燃料通过酶被分解并且分离成质子和电子。已经开发了利用醇类如甲醇和乙醇或单糖如葡萄糖作为燃料的生物燃料电池。

引用文献列表

专利文献

PTL 1：日本未审查专利申请公开No.2000-133297