CN100521347C - 燃料电池、燃料电池的使用方法、燃料电池的阴极、电子装置、电极反应利用装置和电极反应利用装置的电极 - Google Patents

Abstract

提供有一种能够实现能够充分表现出色的电极特性的反应环境的燃料电池，其使用方法，燃料电池电极、电极反应利用装置和电极反应利用装置的电极。燃料电池(10)具有夹置于阴极(1)和阳极(5)之间的电解质溶液(7)。阴极(1)通过将酶固定化在比如碳的多孔材料中来形成。使得至少部分的阴极(1)与气相反应的反应物接触。优选地是，除了酶之外，电子传输介体也固定到阴极(1)。气相反应的反应物可以例如为空气或氧。

Description

燃料电池、燃料电池的使用方法、燃料电池的阴极、电子装置、电极反应利用装置和电极反应利用装置的电极

技术领域

本发明涉及燃料电池、燃料电池的使用方法、燃料电池的阴极、电子装置、电极反应利用装置和电极反应利用装置的电极。本发明有利地适用于燃料电池，以用作比如移动电话的电子装置的电源。

背景技术

生物内的生物新陈代谢是具有高基体选择性和显著高效率的反应机制。其特征在于反应于保持在室温和中性的比较温和的环境中进行。这里的生物新陈代谢除了别的以外涉及呼吸和光合作用，其将氧和比如糖、脂肪、油和蛋白质的各种营养成分转变为微生物和细胞的生长所需的能量。

这样的生物反应极大地依赖于由蛋白质制成的生物催化剂，即酶。自从人类的早期历史起，利用酶的催化反应的构思已经被付诸实践。

具体而言，在技术上研究了利用固定化酶的构思和技术。密集固定化酶即使数量小也表现出高的催化性能，具有高特异性，且可以如通常用于化学反应的固体催化剂一般来处理。这样的密集固定化酶作为酶的用途是非常有用的。

固定化酶的应用范围涉及许多工业领域，包括酿造工业、发酵工业、纤维工业、皮革工业、食品工业和医药工业。最近，其对于电子领域的应用，比如将生物作用引入电极系统的生物传感器、生物反应器、生物燃料电池已经被试验并付诸实践。

对于在燃料电池中利用生物新陈代谢的技术，已经报导了微生物细胞，其中形成于微生物中的电能通过电子介体被提取到微生物之外，且所得的电子被传输到电极(例如，JP-A No.2000-133297)。这涉及一种利用提取能量的酶的技术。

对于酶对于电极系统的应用，电极上酶的高密度固定化使得可以高效地捕捉发生在电极附近的酶促反应作为电信号。

对于电极系统的研究，一般而言，需要使用电子接受化合物，其表现为作为酶的蛋白质和电极之间的电子传输介体，其中电子的媒介作用(intermediation)不可能发生。该电子接受化合物优选地类似于酶被固定化。

为了进行酶的催化反应，反应基本上在能够迁移电子和/或质子的条件下进行。对于在其上承载酶和固定的电子接受化合物的上述功能电极(酶固定化电极)也是如此。

这样的酶固定化电极的评估一般在水和缓冲溶液中进行，因为有机溶剂可能不利地影响酶的活性。

在该情形，在酶催化反应中用作反应物的材料优选地被溶解在水或缓冲溶液中，因为溶解的反应物可以更均匀和更高效地经历酶催化反应。

然而，当用作反应物的材料被溶解在水或缓冲溶液中时，材料的溶解度是材料特有的参数，由此材料的溶解受限，且这又限制了电极反应。

在反应物中，相比在空气中，氧在溶液中具有非常低的溶解度(溶解的氧含量)，这显著地限制了电极反应。另外，氧在溶液中比在空气中扩散要快得多。

如上述，如果在使用氧作为反应物时使用水或缓冲溶液，由于氧在水或缓冲溶液中的溶解度，电极反应具有限制。因此，非常期望当在燃料电池中实际使用酶时解决该技术问题。

另外，酶固定化电极表现的催化反应越出色，对于电极的反应材料的供给就越限制或控制整个反应的速率。这里的供给受到材料在水或缓冲溶液中的特定溶解度限制，且不能充分表现酶固定化电极的出色性能。

在这些情形下，一种特定的技术采用了利用在溶液中所溶解的氧作为反应物的系统，且其被如此配置从而通过增加氧分压或搅拌溶液来由此增加氧的供给而改善了酶固定化电极的作用。在例如N.Mano，H.H Kim，Y.Zhang和A.Heller，J.Am.Chem.Soc.124(2002)6480中披露了该技术。

如上所述，在相关技术中利用酶的氧还原电极采用了在液体中进行反应的配置，且被如此配置从而通过增加氧分压或搅拌溶液来增加氧供给，以由此改善电极反应的效率。

然而，增加氧分压或搅拌溶液的工序从而增加氧供给就所得的燃料电池的实际使用而言，在设计上是不适当的。

具体而言，因为反应应当在静态进行，且溶解的氧的扩散速率被限制，所以氧供给被限制。因此难于产生大的氧还原电流。

因此，在这里期望提供一种燃料电池，其可以产生这样的反应环境以充分展现作为电极的出色特性；一种使用该燃料电池的方法；一种适于该燃料电池的阴极；和具有该燃料电池的电子装置。

更一般而言，期望提供一种电极反应利用装置，比如燃料电池，其可以产生这样的反应环境以充分展现作为电极的出色特性；和电极反应利用装置的电极。

发明内容

在积极研究以解决相关技术中的所述问题之后，本发明人发现在酶催化反应中将反应物作为气体直接接触供给到包括比如酶固定化多孔材料的酶固定化导电和气体可渗透的材料的电极。已经在实验上证实根据该技术对于气相的反应物，酶实际经历了酶催化反应。在酶催化反应中使用气相的反应物还没有被报导过，且就本发明人所知，根据相关领域的技术，这样的反应物主要浸没在水或缓冲溶液中。然而，根据本技术实现利用气相的反应物，可以立刻解决所述问题。

本发明基于这些发现而作出。

具体而言，根据本发明解决所述问题的第一方面，提供有：

燃料电池，包括阴极、阳极和设置在阴极和阳极之间的质子导体，

其中阴极包括导电和气体可渗透的材料和固定化在该材料上的酶，且燃料电池被如此设置以使得阴极的至少一部分与气相的反应物接触。

根据本发明的第二方面，提供有：

燃料电池的阴极，其包括导电和气体可渗透的材料和该材料上的固定化酶。

根据本发明的第三方面，提供有：

电子装置，其包括燃料电池，该燃料电池包括阴极、阳极和设置在阴极和阳极之间的质子导体，

其中燃料电池的阴极包括导电和气体可渗透的材料和固定化在该材料上的酶，且电子装置被如此设置以使得阴极的至少一部分与气相的反应物接触。

在第一、第二和第三方面中所使用的导电和气体可渗透的材料作为电极基体。材料基本上可以为任何材料，只要其具有如此满意的电导率以被用作电极且均具有气体可渗透的内结构。在它们中，优选的为多孔材料，其通常包括碳且具有高比表面积，用于产生满意的反应区域。

阴极被如此配置，从而使用其至少一部分在使用时与气相的反应物接触。阴极优选地在使用时处于湿的状态，用于进行还原反应。更具体而言，利用优选地通常通过将阴极浸没在缓冲溶液中来使得酶与缓冲溶液接触并润湿。这里可以使用气相的各种反应物。氧是代表性的反应物，其在常温和常压处于气相。氧通常作为空气或氧气来供给。氧在还原反应中使用是非常有效的，因为其用之不竭地存在于空气中且不会不利地影响环境。取代氧或除了氧之外，例如还可以使用NO_x作为气相的反应物。任何气相的反应物均可以基本上被应用于此，只要其是可汽化的物质。将气相的反应物作为气泡提供同时将阴极放置在液相中也是可接受的。

阴极的材料除了酶之外还优选地还承载在其上固定化的电子传输介体。电子传输介体最初用于取得由酶促反应所得的电子且将其传输到阴极。如果电子传输介体以充分高的浓度被固定化在构成阴极的材料上，其可以被用作暂时存储电子的电子池。具体而言，当相关技术中的生物燃料电池以低于其临界功率的功率水平进行放电时或当它们连接到无限电阻时，该生物燃料电池利用它们剩余的功率或容量不完全。对于它们，难于产生等于或高于临界功率的功率。另外，氧分压和/或燃料浓度的暂时降低显著灵敏地影响了输出功率。这些问题可以通过使用电子传输介体作为电子池来立即解决。在该情形，电子传输介体优选地以充分高的浓度被固定化在阴极的表面上。更具体而言，电子传输介体优选地以例如阴极表面的每平方毫米(单位单元)0.64×10^-6或更多的平均量被固定化。在电子传输介体中存储电子具有以下的优点。电子可以被电子传输介体暂时自发存储，换言之，当连接无穷大电阻作为对于生物燃料电池的外部电路的负载，或当燃料电池提供低功率时，通过使剩余酶的催化活性最大化，可以自发进行充电。即使如果生物燃料电池应产生等于或高于其临界功率的输出(功率)，除了利用生物燃料电池的催化活性之外，还通过使用充电的电子传输介体可以产生等于或高于临界功率的这样的功率。用于电子池的电子传输介体除了阴极之外还可以被固定化在阳极上。

设置于阴极和阳极之间的质子导体例如可以包括电解质。

用于这里的电子装置可以基本为任何电子装置，且包括便携装置和静止装置。其具体的示例包括移动电话、便携设备、机器人、个人计算机、车载设备和各种家用电子设备。

根据本发明的第四方面，提供有：

一种燃料电池的使用方法，燃料电池包括阴极、阳极和设置在阴极和阳极之间的质子导体的；阴极包括导电和气体可渗透的材料和每个在该材料上固定化的酶和电子传输介体，构成电子池的电子传输介体被如此配置以存储电子，燃料电池被如此配置以通过使得阴极的至少部分与气相中的反应物接触来进行功率产生。

所述方法包括当反应物对于阴极的供给停止时、当反应物对于阴极的供给减少时、或当输出被增加时，将电子从电子池供给到阴极的步骤。

与本发明的第一、第二和第三方面的其他描述还可以应用于第四方面，只要不与它们的性能相反。

根据本发明的第五方面，提供有：

利用电子反应的装置，包括电极对，

其中电极对之一包括导电和气体可渗透的材料和在该材料上固定化的酶，且该装置被如此配置以通过使得电极对之一的至少部分与气相中的反应物接触。

根据本发明的第六方面，提供有：

用于利用电极反应的装置的电极，其包括导电和气体可渗透的材料和在该材料上固定化的酶。

电极反应利用装置的示例包括基于生物新陈代谢建模的生物燃料电池、生物传感器、和生物反应器。电极反应利用装置中的一对电极例如分别对应于生物燃料电池中的阴极和阳极，和生物反应器中的工作电极和相对电极。

与本发明的第一、第二和第三方面的其他描述还可以应用于第五和第六方面，只要不与它们的性能相反。

根据上述的本发明，包括导电和气体可渗透的材料和该材料上的固定化酶的阴极被如此配置，从而至少部分地与气相的反应物接触。通过满足该条件，固定化在阴极上的酶作为催化剂以诱发气相的反应物的还原，比如通常作为空气或氧气供给的氧。根据该技术，根据的反应物的量不受限制，且酶催化反应可以以出色的效率进行，由此产生大的还原电流且产生实用功率产生的出色效率。利用电极反应的燃料电池或装置具有简单的结构。

根据本发明，提供有一种反应环境以充分表现作为酶固定化电极的出色特性。因此，提供有一种具有高效的生物燃料电池，以及利用电极反应的其他高效装置，比如生物传感器和生物反应器。利用电极反应的这样的装置使得能够进行环境补救和气相的污染物的分解。利用该技术的生物传感器可以在宽范围内选择基体，且可以以新的方式进行感测。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的燃料电池的示意图。

图2是显示比较例中电极的配置的示意图。

图3是显示示例中电极的配置的示意图。

图4是显示分别根据比较例和示例的样品的电流-时间(I-t)测量的数据的示意图。

图5是根据本发明的实施方式的燃料电池的示意图。

图6是显示利用该燃料电池的电流-时间(I-t)测量的数据的示意图。

图7是显示电子传输介体的浓度变化时的燃料电池的电流-时间(I-t)测量。

图8是显示根据本发明的实施方式的燃料电池的更实用的适当配置的示意图。

具体实施方式

参考附图示出本发明的实施方式。

图1显示了根据本发明的实施方式的燃料电池。

参考图1，根据实施方式的燃料电池10包括第一元件11和第二元件12。第一元件11包括阴极(正极)1。第二元件12包括阳极(负极)5。该燃料电池还包括电解质溶液7以作为设置在该电极对(阳极和阴极)之间的质子导体。

阴极1包括酶固定化电极。该电极包括通常由碳制成的多孔材料和在面对该电解质溶液7的多孔材料的表面上固定化的酶。酶例如可以为具有氧化酶活性且利用氧作为反应物的酶，比如漆酶、胆红素氧化酶或抗坏血酸氧化酶。多孔材料除了酶之外还优选地承载在其上固定化的电子传输介体。电子传输介体更优选地以充分高的浓度被固定化，例如以0.64×10^-6/mm²或更多的平均浓度。可以使用任何已知或常规的工序来固定化酶和电子传输介体。具体而言，在本发明中可以使用易受在相关技术中使用的水或缓冲溶液的pH或离子强度影响的固定化工序。

在第一元件11中，承载固定化酶的阴极1与通常由钛网制成的集电器组装。根据该结构，可以容易地进行电流收集。

阳极5可以为能够供给质子(H⁺)的任何电极，比如氢铂电极或甲醇-钌-铂电极。

阳极5设置于第二元件12中的电解质溶液7中。如果需要，参考电极(未显示)也设置于电解质溶液7中。

电解质溶液7可以通常为比如硫酸溶液的强酸溶液或比如氢氧化钾的强碱溶液。然而，该生物燃料电池也可以在温和、中性的条件下工作，因为即使在大约7的pH下，在阴极1上被固定化作为催化剂的酶也展现催化活性，且生物燃料电池可以使用具有大约7的pH的缓冲溶液或水。

第一元件11和第二元件12通过分隔体9的作用从彼此分开。分隔体9包括通常由玻璃纸(甲基纤维素)制成的绝缘和质子可渗透的膜。这防止电解质溶液7被迁移到阴极1中。

燃料电池10被如此配置从而使得阴极1与气相的反应物接触。因此，通过将至少部分的阴极1放置在气相中，使得阴极1与反应物接触。阴极1包括多孔材料，且这允许与阴极1接触的气相的反应物渗透阴极1，以由此与固定化在多孔材料上的酶反应。

燃料电池10被配置如下。阴极1供给有来自与阴极1接触的气相的氧(O₂)，且还供给有来自电解质溶液7的H⁺。这诱发了通过固定化在阴极1上的酶的催化的以下反应(1)。在阳极5中，当阳极5是甲醇-钌-铂电极时发生了以下的反应(2)，且当阳极5是氢-铂电极时发生了以下的反应(3)。由此，电子交换且由此电流通过外部电流流过阴极1和阳极5之间。

已经证实阴极1中的氧还原反应满意地在湿的状态下进行。

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O                         (1)

阳极(甲醇-钌-铂电极)：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-    (2)

阳极(氢-铂电极)：H₂→2H⁺+2e^-                   (3)

制备并评估了根据本发明的实施方式的燃料电池的特定样品和构成燃料电池的阴极的酶固定化电极(正极)。

当分别使用缓冲溶液中溶解的氧时和使用气相的氧以作为反应物时，确定以下样品的反应性。

为了确定承载用于还原反应物(氧)的固定化的酶的电极是否实际使用了气相的氧作为反应物，酶固定化电极应具有充分高于溶解的氧的扩散速率的催化反应速率。

因此，在以下所示的样品中，胆红素氧化酶和铁氰化钾被分别用作酶和电子传输介体。这些通过聚L赖氨酸的静电交互作用的作用被固定化在电极的表面。

所得的酶固定化电极已知具有非常高的氧还原能力，其中溶液中溶解的氧的扩散作为速率限制因子(Nakagawa，T.，Tsujimura，S.，Kano，K.，和Ikcda，TChem.Lett.，32(1)，54-55(2003))。

最初，以以下的方式制备酶固定化电极。

可商业获得的碳毡(TORAY Industries，Inc.的产品；B0030)被用作多孔材料，且该碳毡被冲压为具有6mm直径的圆件。

接下来，碳毡被顺序注入20μl的聚L赖氨酸(1wt％)、10μl的铁氰盐离子(10mM)作为电子传输介体和10μl(100mg/ml)的胆红素氧化酶的溶液(得自Myrothecium verrucaria)，且被干燥，由此产生酶固定化电极。

比较例

在该比较例中，组装了具有如图2所示的电极的配置的测量系统。

以上述方式制备的酶固定化电极101使用由尼龙网制成的固定装置103物理固定到可商业获得的玻璃状碳电极102(Bioanalytical Systems，Inc.的产品；No.002012)，由此构成工作电极100。这具有容易地进行电流收集的结构。

为了视觉上观察玻璃状碳电极102的尖端，图2示出了远离玻璃状碳电极102设置的酶固定化电极101。然而在实际配置中，酶固定化电极101处于与玻璃状碳电极102物理接触。

具有该配置的电极被浸没在氧饱和的缓冲溶液中。然后将包括铂丝的相对电极105和参考电极(Ag/AgCl)106设置于预定的位置。

示例

在该示例中，组装了具有如图3所示的电极的配置的测量系统。

以上述方式制备的酶固定化电极101使用由尼龙网制成的固定装置103物理固定到可商业获得的玻璃状碳电极102(Bioanalytical Systems，Inc.的产品；No.002012)，由此构成工作电极100。这具有容易地进行电流收集的结构。

为了视觉上观察玻璃状碳电极102的尖端，图3示出了远离玻璃状碳电极102设置的酶固定化电极101。然而在实际配置中，酶固定化电极101处于与玻璃状碳电极102物理接触。

具有该配置的电极被设置于缓冲溶液104之外以与空气接触。酶固定化的电极101通过由碳毡制成的引线110连接到缓冲溶液104。由此，配置了电化学测量系统。

然后将包括铂丝的相对电极105和参考电极(Ag/AgCl)106设置于预定的位置。

分别在具有图2和图3所示的配置的测量系统上进行电化学测量。

具体而言，在0.1V的恒定电压下进行电流-时间(I-t)测量。图4显示了结果。在根据具有图2所示的配置的比较例的样品中，由氧还原引起的催化电流逐渐降低且最终达到17μA/cm²，其由虚线Y代表。这是因为酶固定化电极101具有如此高的性能以至于超过缓冲溶液104中溶解的氧的量，且氧在测量开始后开始被排出。

相反，在根据示例的样品中，当由碳毡制成的引线110被浸没在缓冲溶液104中(图4中的实线X的状态A)时，由催化作用引起的电流为3μA/cm²。

接下来，酶固定化电极101用缓冲溶液104润湿以由此稍微激活酶。结果，获得了266μA/cm²的非常高的电流密度(图4中的实线X的状态B)。

这是因为气相中的氧浓度比在缓冲溶液104中所溶解的氧的浓度高很多，且酶固定化电极101作用来高效地还原气相的氧。

这些结果展示了，利用酶固定化电极101上的固定化的酶和气相的氧，可以以出色的效率进行反应。

燃料电池

接下来，通过利用其氧还原反应，以上制备的酶固定化电极101被用作作为燃料电池的阴极，且评估了作为电池的性能。

参考图5，燃料电池200结构上包括作为阴极(正极)的酶固定化电极101、包含甲醇-钌-铂电极的阳极(负极)115和电解质溶液107。酶固定化电极101和阳极115彼此面对，中间夹置电解质溶液107。

通过将碳毡切割为10mm×10mm正方件，且通过示例的工序在其上固定酶，制备了作为阴极的酶固定化电极101。

参考图5，酶固定化电极101放置在电池下部201中的电极接触区121中的连续孔120上方。接下来，将作为集流器的钛网放置在酶固定化电极101上，且由此产生具有这样的结构的工作电极以容易地进行电流收集。然后在酶固定化电极101上设置比如玻璃纸(甲基纤维素)的绝缘和质子可渗透预定膜，作为分隔体109，从而将其与电池上部202分离。

在电池上部202中，包括甲醇-钌-铂电极的阳极115设置于电解质溶液107中，且参考电极106被设置以与电解质溶液107接触。这些阳极115和参考电极106具有足够大的反应表面积。参考标号122代表盖子。

分隔体109被如此配置以防止电解质溶液107从电池上部202渗出。酶固定化电极101作为阴极处于气相中。

在具有以上配置的燃料电池200中，作为阴极的酶固定化电极101供给有来自与酶固定化电极101接触的气相的氧(O₂)，且还供给有来自电解质溶液107的H⁺。这诱发了通过固定化在阴极101上的酶的催化的以下反应(1)。在阳极115中，发生了以下的反应(2)。由此，电子交换且由此电流通过外部电流流过酶固定化电极101和阳极115之间。

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O        (1)

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-  (2)

空气被供给到电极接触区121从而将氧通过连续孔120供给到作为阴极的酶固定化电极101(图5)。在该条件下，在0.1V的电压下进行电流-时间(I-t)测量。该结果显示为图6中的曲线“a”。

在该情形，气相中的氧作为反应物，且在将电解质溶液107放置在电池上部201之后观察氧还原电流，且获得了1.5mA/cm²的静态催化电流，如图6中的曲线“a”的左端所示。

相反，当电解质溶液被放置与电极接触区121时(图5)，在0.1V下进行另一电流-时间(I-t)测量，从而完全将作为阴极的酶固定化电极101浸没在电解质溶液中。该结果显示为图6中的曲线“b”。

在该情形，在测量开始后催化电流减小，且在50μA/cm²变为恒定，如图6中的曲线“b”的左端所示。这是因为电解质溶液中的溶解的氧用作反应物，且所溶解的氧的扩散导致催化电流的减小。

这些结果证实利用作为阴极的酶固定化电极101的燃料电池被如此配置从而高效地还原气相的氧，由此产生为相关技术中利用电解质溶液中的溶解的氧作为反应物的燃料电池的30倍高的电流密度。

接下来，描述了另一实验示例。在该实验示例中，与酶一起固定化在燃料电池的阴极上的电子传输介体的浓度被改变，由电子传输介体构成的电子池用电子填充，且自停止对于阴极的氧供给随着时间的流逝来连续测量电流。在以下描述该结果。

为了进行该实验，将作为酶的胆红素氧化酶和作为电子传输介体的铁氰盐离子(Fe(CN)₆ ^3-/4-)通过作为聚阳离子的聚L赖氨酸的静电交互作用被固定化在5mm²碳毡上，由此产生电极。评估了作为单电极的电极。结果显示于图7中。在图7中，曲线(1)显示了比较例的结果，其中铂催化剂被用于阴极中。曲线(2)显示了其中除了酶之外电子传输介体以1.6×10^-6mol的量(按照0.64×10^-7mol/mm²的平均浓度)被固定化到碳毡的样品的结果。曲线(3)显示了其中除了酶之外电子传输介体以1.6×10^-5mol的量(按照0.64×10^-6mol/mm²的平均浓度)被固定化到碳毡的样品的结果。曲线(4)显示了其中除了酶之外电子传输介体以1.6×10^-4mol的量(按照0.64×10^-5mol/mm²的平均浓度)被固定化到碳毡的样品的结果。图7展示，利用阴极中的铂催化剂的样品(曲线(1))显示了在停止氧供给后约20秒降低到零的电流。使用以1.6×10^-6mol的量(按照0.64×10^-7mol/mm²的平均浓度)的固定化电子传输介体的样品(曲线(2))显示了在停止氧供给后约几十秒降低且约100秒后达到初始电流的约5％的电流。相比而言，使用以1.6×10^-5mol的量(按照0.64×10^-6mol/mm²的平均浓度)的固定化电子传输介体的样品(曲线(3))显示了在停止氧供给后逐渐减小的电流，甚至600秒后保持初始电流的约20％的电流。使用以1.6×10^-4mol的量(按照0.64×10^-5mol/mm²的平均浓度)的固定化电子传输介体的样品(曲线(4))显示了在停止氧供给后更加逐渐减小的电流，甚至600秒后保持初始电流的约50％的电流。虽然在图7中仅显示了达600秒(10分钟)的数据，由曲线(2)所示的样品分别显示了30分钟、1小时和2小时之后的初始电流的2％、1％和1％的电流；由曲线(3)所示的样品分别显示了30分钟、1小时和2小时之后的初始电流的6.3％、5％和3％的电流；由曲线(4)所示的样品分别显示了30分钟、1小时和2小时之后的初始电流的25％、18.9％和14.1％的电流。这些样品可以长时间地保持高电流。这是因为它们使用了承载高浓度固定化的电子传输介体；且高浓度的固定化电子传输介体用作电子池来暂时存储电子；且除了由酶反应形成的电子之外，暂时存储于电子池中的电子流过外部电路。

这些结果展示，即使在停止对于阴极的氧供给之后，通过以0.64×10^-6mol/mm²或更多的平均浓度将电子传输介体固定化到阴极，可以长时间保持高水平的电流。

图8显示了具有更适于实用配置的燃料电池。与图5中相同或对应的图8中的元件具有相同的参考标号，且如合适将省略重复的描述。

参考图8，燃料电池300结构上包括作为阴极(正极)的酶固定化电极101、阳极(负极)115和作为质子导体的分隔物109。酶固定化电极101和阳极115彼此面对，中间夹置有分隔体109。在该情形，分隔体109包括比如玻璃纸膜的质子导电膜。阳极115设置与燃料123接触。燃料123可以为比如葡萄糖的各种燃料。集电器108设置于酶固定化电极101下和阳极115上，由此容易地进行电流收集。

迄今，具体解释了实施方式和示例。然而，本发明不限于所述实施方式和示例，而基于本发明的技术构思可以预期各种改变和修改。

例如，数值、结构、配置、形状和材料等不仅是示例，且如需要，可以采用各种其他适当的数值、结构、配置、形状、材料等。

Claims (15)

1、一种燃料电池，包括阴极、阳极和设置于所述阴极和所述阳极之间的质子导体，

其中所述阴极包括导电和气体可渗透的材料和固定化在所述材料上的酶，所述酶用于诱发气相的阴极反应物的还原，且其中所述燃料电池被如此设置以使得所述阴极的至少部分与气相的阴极反应物接触。

2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述导电和气体可渗透的材料包括多孔材料。

3、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述燃料电池被如此配置从而使得所述阴极为湿状态。

4、根据权利要求1所述的燃料电池，除了所述酶之外，还包括固定化在所述导电和气体可渗透的材料上的电子传输介体。

5、根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述电子传输介体被如此配置以存储电子且来构成电子池。

6、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述电子传输介体以0.64×10^-6mol/cm²或更多的平均量被固定化。

7、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述燃料电池被如此配置，从而当所述燃料电池连接到作为负载的无穷大电阻时或当所述燃料电池供给低电功率时，在所述电子池中自发存储电子。

8、一种燃料电池的使用方法，所述燃料电池包括阴极、阳极和设置于所述阴极和所述阳极之间的质子导体，所述阴极包括导电和气体可渗透的材料和每个固定化在所述材料上的酶和电子传输介体，所述酶用于诱发气相的阴极反应物的还原，所述电子传输介体构成电子池以用于存储电子，且所述燃料电池被如此设置以使得通过将所述阴极的至少部分与气相的阴极反应物接触来进行功率产生，

所述方法包括当对于所述阴极的反应物的供给停止时，或当对于所述阴极的反应物的供给减小时，或当所述燃料电池的输出增加时，将电子从所述电子池供给到阴极的步骤。

9、一种燃料电池的阴极，包括导电和气体可渗透的材料和固定化在所述材料上的酶，所述酶用于诱发气相的阴极反应物的还原，并且所述阴极的至少部分与气相的阴极反应物接触。

10、根据权利要求9所述的燃料电池的阴极，除了所述酶之外，还包括固定化在所述导电和气体可渗透的材料上的电子传输介体。

11、一种电子装置，包括燃料电池，所述燃料电池包括阴极、阳极和设置于所述阴极和所述阳极之间的质子导体，

其中所述燃料电池的阴极包括导电和气体可渗透的材料和固定化在所述材料上的酶，所述酶用于诱发气相的阴极反应物的还原，且所述电子装置被如此设置以使得所述阴极的至少部分与气相的阴极反应物接触。

12、一种电极反应利用装置，包括电极对，

其中所述电极对之一包括导电和气体可渗透的材料和固定化在所述材料上的酶，且其中所述装置如此配置以使得所述电极对之一的至少部分与气相的反应物接触，所述酶用于诱发气相的反应物的还原。

13、根据权利要求12所述的电极反应利用装置，除了所述酶之外，还包括固定化在所述导电和气体可渗透的材料上的电子传输介体。

14、根据权利要求12所述的电极反应利用装置，作为生物燃料电池、生物传感器和生物反应器之一。

15、一种电极反应利用装置的电极，包括导电和气体可渗透的材料和固定化在所述材料上的酶，所述酶用于诱发气相的反应物的还原，并且所述电极的至少部分与气相的反应物接触。

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