CN101494296A - 生物燃料电池及其制法、电子设备、酶固定电极及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物燃料电池，其结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持有质子传导体，上述正极和上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极制成，其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

Description

生物燃料电池及其制法、电子设备、酶固定电极及其制法

背景技术

本发明涉及一种生物燃料电池及其制造方法以及将该生物燃料电池用于电源而得到的电子设备以及固定有酶的电极及其制造方法。

生物燃料电池通过使用酶或微生物作为催化剂，可以组合糖和有机酸等可再生的能量源即燃料的氧化和氧(O₂)的还原，在稳定的条件(常温、pH中性)下发电(例如，参照非专利文献1～14)。生物燃料电池与锂离子电池及直接甲醇燃料电池等现有的电池相比，有望成为更高的能量密度，且更安全的新一代能量设备。被提出用于医疗设备的可移植电源的小型生物燃料电池的输出功率密度(power density)，即使采用机械搅拌或泵之类的燃料及氧的对流系统也不足mW/cm²级，单个生物燃料电池的输出功率也不过数μW(参照非专利文献1、10)。在不采用对流系统的情况下，由于燃料及氧的物质输送速度的限制和固定在电极上的催化剂层中的物质透过障碍，使得输出密度会减少几个数量级左右(参照非专利文献15)。

便携式电子设备需要的电力根据设备及操作条件而有所不同，但至少为100mW，这个电力对于例如便携式音乐播放器等的操作上是足够的。为了获得这样的输出功率，本发明人等提出电子介体在电极和酶之间转移电子的电子介体型生物燃料电池(例如参照专利文献1～12)。

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[专利文献2]日本特开2005-13210号公报

[专利文献3]日本特开2005-310613号公报

[专利文献4]日本特开2006-24555号公报

[专利文献5]日本特开2006-49215号公报

[专利文献6]日本特开2006-93090号公报

[专利文献7]日本特开2006-127957号公报

[专利文献8]日本特开2006-156354号公报

[专利文献9]日本特开2007-12281号公报

[专利文献10]日本特开2007-35437号公报

[专利文献11]日本特开2007-87627号公报

[专利文献12]日本特开2007-188810号公报

但是，对于上述电子介体型生物燃料电池，期望更进一步地提高其电流密度或提高输出密度。

因此，本发明要解决的问题在于，提供一种生物燃料电池及其制造方法以及适合用于该生物燃料电池的正极或负极并且固定有酶的电极及其制造方法，所述生物燃料电池对与酶一同固定于正极或负极上的电子介体的浓度进行最优化，由此可以谋求大幅度地提高电流密度或输出功率密度。

本发明要解决的其它问题在于，提供一种采用了如上所述的优异的生物燃料电池的电子设备。

上述课题及其它课题通过本说明书的记述来明确。

发明内容

本发明人等为了解决上述课题进行了潜心研究，结果提出了本发明。

就本发明人等所知，迄今为止，关于对与酶一同固定化于生物燃料电池的正极或负极上的电子介体进行高浓度化、且在固定化层内可通过扩散来移动、并且维持较高的酶活性的方法，几乎没有研究，但根据本发明人等的研究可知，这些对于生物燃料电池的电流密度及其维持系数有很大的影响。于是，为了实现固定在电极上的催化剂层中的电子介体浓度的最优化，在实验及理论上进行了深入的研究，结果得出如下结论：将该电子介体的浓度设定为电子介体相对于酶的米氏常数K_m(以电子介体为底物的酶反应的米氏常数K_m)的10倍以上(该米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而得到)是有效的，由此提出本发明。如上所述，通过将固定在电极上的催化剂层中的电子介体的浓度设定为K_m的10倍以上，电流值基本上达到最大电流值。

即，为了解决上述课题，本发明的第一方面为一种生物燃料电池，

其结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持质子传导体，

上述正极及上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶及至少一种电子介体的电极制成，

其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，该米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

在该生物燃料电池中，电子介体通过扩散而在固定化层内自由移动，并且可以维持与电子介体一同固定化的酶的较高活性。

本发明的第二方面为一种生物燃料电池的制造方法，

其中，在下述生物燃料电池时，将固定在下述电极上的下述电子介体的浓度调整为下述电子介体相对于下述酶的米氏常数K_m的10倍以上，该米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求出。

所述生物燃料电池的结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持质子传导体，

上述正极及上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶及至少一种电子介体的电极制成。

本发明的第三方面为一种电子设备，

其至少具有一个生物燃料电池，

其中，上述生物燃料电池的结构是正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持质子传导体，

上述正极及上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶及至少一种电子介体的电极制成，

固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，该米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求出。

作为正极或负极的电极材料，一般采用碳多孔质材料，具体而言，大多采用例如：多孔质碳、碳颗粒、碳毡、碳纤维、碳纸等，尤其是，由于碳毡的表面积特别大且容易操作，因此特别优选。作为正极或负极的电极材料，也可以使用碳多孔质材料以外的材料。

在正极及负极的电极为碳多孔质电极的情况下，正极电极和负极电极的厚度及表面积(氮(N₂)气吸附表面积)之比存在最佳范围。该比优选为1∶1～3，更优选为1∶2～2.5。举例说明，正极电极和负极电极的厚度之比为1∶2.33，正极电极和负极电极的表面积之比为1∶2。另外，特别是负极电极的体积(包含空隙)和负极的酶/电子介体固定化层的体积之比也存在最佳范围，该比为50～30∶1。举例来讲，该比为40.3∶1。

固定在正极及负极的电极上的酶可以为各种酶，可根据使用的燃料等适当选择。

就固定在负极电极上的酶而言，例如在使用葡萄糖之类的单糖类作为燃料的情况下，包含促进单糖类的氧化并将其分解的氧化酶，此外，通常还包含将由于氧化酶而被还原的辅酶恢复为氧化体的辅酶氧化酶。通过该辅酶氧化酶的作用，辅酶在恢复为氧化体时生成电子，电子通过电子介体从辅酶氧化酶被传递到电极。作为氧化酶，可使用例如NAD⁺依赖型葡萄糖脱氢酶(GDH)；作为辅酶可使用例如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)；作为辅酶氧化酶，可使用例如心肌黄酶(DI)。

在使用多糖类(为广义的多糖类，指通过水解生成2分子以上的单糖的所有碳水化合物，包含双糖、三糖、四糖等低聚糖)作为燃料的情况下，优选在上述的氧化酶、辅酶氧化酶、辅酶及电子介体的基础上，固定化促进多糖类水解等分解、生成葡萄糖等单糖类的分解酶。作为多糖类，具体而言，包括，例如淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、纤维素、麦芽糖、蔗糖、乳糖等。它们为两个以上单糖类键合在一起而得到的多糖类，在任一种多糖类中都含有作为结合单元的单糖类的葡萄糖。需要说明的是，直链淀粉和支链淀粉为淀粉中所含的成分，淀粉为直链淀粉和支链淀粉的混合物。在使用葡萄糖淀粉酶作为多糖类的分解酶、使用葡萄糖脱氢酶作为分解单糖类的氧化酶的情况下，只要是可利用葡萄糖淀粉酶而分解成葡萄糖的多糖类、例如淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、麦芽糖中的任一种，都可以将其作为燃料来发电。需要说明的是，葡萄糖淀粉酶是将淀粉等α-葡聚糖进行水解生成葡萄糖的分解酶，葡萄糖脱氢酶是将β-D-葡萄糖氧化成D-葡糖酸-δ-内酯的氧化酶。优选将分解多糖类的分解酶也设定为固定在负极上，最终会变为燃料的多糖类也固定在负极上。

另外，在以淀粉为燃料的情况下，也可以使用将淀粉糊化制成的凝胶状固体燃料的淀粉。该情况下优选采用将糊化的淀粉与固定有酶等的负极接触、或者与酶等一同固定在负极上的方法。使用这种电极时，可以使负极表面的淀粉浓度保持在比使用溶解在溶液中的淀粉的情况还高的状态；不仅可以使酶催化的分解反应更快、输出功率提高，还可以使燃料的处理比使用溶液的情况更容易、并简化燃料供给系统；而且不需要禁止将生物燃料电池倒置，故非常有利于用于例如移动设备。

在以甲醇为燃料的情况下，通过使用与甲醇发生作用而并将其氧化成甲醛的醇脱氢酶(ADH)、与甲醛发生作用并将其氧化成甲酸的甲醛脱氢酶(FalDH)和与甲酸发生作用并将其氧化成CO₂的甲酸脱氢酶(FateDH)作为催化剂，经过三个阶段的氧化工艺分解成CO₂。即，每1分子甲醇生成三个NADH，生成六个电子。

在以乙醇为燃料的情况下，通过使用作用于乙醇并将其氧化成乙醛的乙醇脱氢酶(ADH)和作用于乙醛并将其氧化成乙酸的乙醛脱氢酶(AlDH)作为催化剂，经过二个阶段的氧化工艺分解成乙酸。即，每1分子乙醇通过二个阶段的氧化反应，总计生成4个电子。

需要说明的是，乙醇也可以采用与甲醇同样地分解成CO₂的方法。在该情况中，使用乙醛脱氢酶(AalDH)作用于乙醛生成乙酰CoA后，进入TCA循环。由TCA循环再生成电子。

作为与酶一同固定在负极电极上的电子介体，基本上可以使用任意的电子介体，优选醌类电子介体，更具体而言，可使用具有醌骨架的化合物，尤其具有萘醌骨架的化合物。作为具有该萘醌骨架的化合物，可以采用各种萘醌衍生物，具体而言，例如有：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(VK₃)、2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)等。作为具有醌骨架的化合物，除具有萘醌骨架的化合物以外，还可以采用例如蒽醌或其衍生物。在电子介体中，根据需要，除具有醌骨架的化合物以外，也可以包含作为电子介体起作用的一种或两种以上的其他化合物。

在使用2-甲基-1，4-萘醌(VK₃)作为电子介体的情况下，优选将固定在电极上的电子介体的浓度设为4μM以上。另外，在使用2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)作为电子介体的情况下，优选将固定在电极上的电子介体的浓度设为20μM以上。另外，在使用2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)作为电子介体的情况下，优选将固定在电极上的电子介体的浓度设为360μM以上。

典型的固定在正极电极上的酶包含氧化还原酶。作为该氧化还原酶，可以使用例如：胆红素氧化酶、虫漆酶、抗坏血酸氧化酶等。作为与酶一同固定在正极电极上的电子介体，使用例如：六氰合铁酸钾(K₃[Fe(CN)₆]、铁氰化钾、八氰基钨酸钾等。

作为用于将酶、辅酶、电子介体等固定在负极及正极的电极上的固定化材料，可以采用各种材料，可以优选使用组合使用例如以聚-L-赖氨酸(PLL)为代表的聚阳离子或其盐和以聚丙烯酸(例如聚丙烯酸钠(PAAcNa))为代表的聚阴离子或其盐形成的聚离子络合物(polyioncomplex)或组合戊二醛(GA)和聚-L-赖氨酸(PLL)而成的材料，也可以采用其它聚合物。

作为质子传导体(隔板)，可以使用各种材料，可根据需要进行选择，具体而言，例如包括：玻璃纸、无纺布、全氟碳磺酸(PFS)类树脂膜、三氟苯乙烯衍生物的共聚膜、含浸有磷酸的聚苯并咪唑膜、芳香族聚醚酮磺酸膜、PSSA-PVA(聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇共聚物)或PSSA-EVOH(聚苯乙烯磺酸-乙烯-乙烯醇共聚物)、具有含氟碳磺酸基的离子交换树脂(ナフィオン(商品名、美国杜邦(デユポン)公司)等)等构成的材料。

例如，使用玻璃纸作为质子传导体(隔板)，正极由在碳等多孔材料上固定酶及电子介体的材料构成，由此可以从大气获取氧，提高对电极内的氧的供给，实现电流值的大幅度提高(参照专利文献6)。

在使用包含缓冲物质(缓冲液)的电解质作为质子传导体的情况下，在高输出功率工作时，利用通过质子的酶反应，即使在电极内部或酶的固定层内发生质子的增减，也可以获得充分的缓冲作用，可以将pH从最佳pH的偏移量抑制到足够小，可以充分地发挥酶本来具有的能力，因此，将电解质中所含的缓冲物质的浓度设为0.2M～2.5M是有效的，优选为0.2M～2M，更优选为0.4M～2M，进一步优选为0.8M～1.2M。一般来讲，缓冲物质只要Pka为5～9，则可以使用任意的缓冲物质，具体例有：磷酸二氢根离子(H₂PO₄ ^-)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(简称TRIS)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、二甲胂酸、碳酸(H₂CO₃)、柠檬酸氢根离子、N-(2-乙酰胺)亚氨基二乙酸(ADA)、哌嗪-N，N’-二(2-乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酰胺)-2-氨基乙磺酸(ACES)、3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、N-2-羟乙基哌嗪-N’-2-乙磺酸(HEPES)、N-2-羟乙基哌嗪-N’-3-丙磺酸(HEPPS)、N-(三(羟甲基)甲基)甘氨酸(简称Toricine)、甘氨酰替甘氨酸、N，N-双(2-羟乙基)甘氨酸(简称Bicine)等。生成磷酸二氢根离子(H₂PO₄ ^-)的物质为例如磷酸二氢钠(NaH₂PO₄)或磷酸二氢钾(K H₂PO₄)等。作为缓冲物质，还优选包含咪唑环的化合物。具体而言，该包含咪唑环的化合物可以使用咪唑、三唑、吡啶衍生物、联二吡啶衍生物、咪唑衍生物(组氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、咪唑-2-羧酸乙酯、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-氨丙基)咪唑、5-氨基-2-(三氟甲基)苯并咪唑、4-氮杂苯并咪唑、4-氮杂-2-巯基苯并咪唑、苯并咪唑、1-苄基咪唑、1-丁基咪唑)等。作为缓冲物质，可采用2-氨基乙醇、三乙醇胺、TES(N-三(羟基甲基)甲基-2-氨基乙磺酸，N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid)、BES(N，N-双(2-羟基乙基)-2-氨基乙磺酸，N，N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid)等。包含缓冲物质的电解质的pH优选为7左右，一般可以为1～14任意值。根据需要，这些缓冲物质也可以固定在上述酶及电子介体的固定化层上。

该生物燃料电池可以用于几乎所有的需要电力的设备，而与大小无关，可以用于例如：电子机器、移动体(汽车、摩托车(二輪車)、航空器、火箭、宇宙飞船等)、动力装置、建设机械、机床、发电系统、热电联产系统等，根据用途等来确定输出功率、大小、形状、燃料种类等。

电子机器基本上可以为任意的电子机器，包含便携式的电子机器和固定式的电子机器两种，具体例如：移动电话、移动设备、机器人、个人计算机、娱乐设备、车载设备、家电产品、工业产品等。

本发明的第四方面为一种固定有酶的电极，

其由固定有至少一种酶及至少一种电子介体的电极制成，

其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液进行测定而求出。

本发明的第五方面为一种固定有酶的电极的制造方法，其中，

在制造由固定有至少一种酶及至少一种电子介体的电极时，将固定在上述电极上的上述电子介体的浓度调整为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液进行测定而求出。

在本发明的第四方面及第五方面中，上述以外的情况只要不违反其性质，则涉及本发明的第一及第二方面的说明成立。

在如上所述的本发明中，使与酶一同固定在正极或负极的电极上的电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上的高的浓度，所述米氏常数K_m通过在溶液进行测定而求出，由此，电子介体可以保留在固定化层内，并且通过扩散容易在固定化层内移动，可以通过电子介体迅速地进行酶和电极间的电子转移反应。

根据本发明，可以将与酶一同固定在正极或负极的电极上的电子介体的浓度进行最优化，由此获得电流密度或输出功率密度大幅度提高的生物燃料电池。而且，通过将该优异的生物燃料电池用于电源，可以获得高性能的电子设备等。

附图说明

图1为表示本发明的第一实施方式的生物燃料电池的简图。

图2为示意性地表示本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极及正极的详细结构以及该负极及正极上电子的转移反应的简图。

图3为表示本发明的第一实施方式中制造的固定化层的共焦显微镜图像的附图代用照片。

图4为表示使用GC生物负极的电化学测定用电池的简图，该GC生物负极是为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极而制成的。

图5为表示使用图4所示的电化学测定用电池进行的循环伏安法的结果的简图。

图6为表示使用CF生物负极的电化学测定用电池的简图，该CF生物负极为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极而制成。

图7为表示电流密度对缓冲液浓度的依赖性的简图，该依赖性通过使用图6所示的电化学测定用电池进行的计时安培分析法的结果得到。

图8为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极而制成的CF生物负极进行的计时安培分析法中的CF生物负极内的pH变化的简图。

图9为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极而制成的CF生物负极进行的计时安培分析法中，CF生物负极的相对电流对磷酸缓冲液的主体溶液(バルク溶液)的初期pH的依赖性的简图。

图10为表示GDH及DI的相对活性对缓冲液浓度的依赖性的简图，该相关性是通过为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的负极而进行的实验得到的。

图11为表示使用图4所示的电化学测定用电池并改变扫描速度进行的循环伏安法的结果的简图。

图12为表示在溶液中存在足量的NADH及DI的状态下，改变ANQ的浓度进行的循环伏安法的结果的简线图。

图13为表示由图12所示的由循环伏安法的结果得到的电流对ANQ的浓度的依赖性的简图。

图14为表示在溶液中存在足量的NADH及DI的状态下，使用VK₃、ACNQ及ANQ进行的循环伏安法的结果的简图。

图15为表示由图14所示的由循环伏安法的结果得到的电流对VK₃、ACNQ及ANQ的浓度的依赖性的简图。

图16为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而制成的CF生物正极的浸水型电化学测定用电池的简图。

图17为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而制成的CF生物正极的空气开放型电化学测定用电池的简图。

图18为表示使用图16所示的浸水型电化学测定用电池及图17所示的空气开放型电化学测定用电池进行的计时安培分析法的结果的简图。

图19为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而制成的CF生物正极内水分量的测定结果简图。

图20为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而制成的CF生物正极进行的计时安培分析法中的CF生物正极内pH变化简图。

图21为表示使用为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而制成的CF生物正极进行的计时安培分析法中，CF生物正极的相对电流对磷酸缓冲液的主体溶液的初期pH的依赖性的简图。

图22为表示相对电流对缓冲液浓度的依赖性的简图，该简图通过为了评价本发明的第一实施方式的生物燃料电池的正极而使BOD及K₃[Fe(CN)₆]存在于溶液中、并使用GC电极进行实验而得到。

图23为表示为了评价本发明第一实施方式的生物燃料电池而制成的电化学测定用电池的简图。

图24为表示使用图23所示的电化学测定用电池测定的电流及输出的电压特性的简图。

图25为表示图23所示的电化学测定用电池工作中的负极电流的电位特性简图。

图26为表示图23所示的电化学测定用电池工作中的正极电流的电位特性简图。

图27为表示本发明的第二实施方式的叠层型生物燃料电池单元的剖面图。

图28为表示本发明的第二实施方式的叠层型生物燃料电池单元的分解立体图。

图29为表示本发明的第二实施方式的叠层型生物燃料电池单元的燃料保持容器的侧面图。

图30为表示本发明的第二实施方式的叠层型生物燃料电池单元的隔板的一例的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1示意性表示本发明的第一实施方式的生物燃料电池。该生物燃料电池使用葡萄糖作为燃料。图2示意性表示该生物燃料电池的负极及正极的详细构成及该负极及正极中电子的转移反应。

如图1所示，该生物燃料电池的结构为：负极1和正极2对置，负极1和正极2之间夹持只传导质子的电解质层3。负极1利用酶将作为燃料供给的葡萄糖分解并放出电子，同时产生质子(H⁺)。正极2利用由负极1通过电解质层3输送来的质子、由负极1通过外部电路输送来的电子和例如空气中的氧(O₂)来生成水。

负极1的结构是，利用规定的固定化材料将与葡萄糖的分解有关的酶、伴随葡萄糖的分解过程中的氧化反应生成还原体的辅酶(例如：NAD⁺、NADP⁺等)、将辅酶的还原体(例如：NADH、NADPH等)氧化的辅酶氧化酶(例如：心肌黄酶(DI))和接受伴随辅酶的氧化由辅酶氧化酶产生的电子并传递到电极11的电子介体固定化在由例如碳多孔质材料等制成的电极11(参照图2)上。符号12表示该固定化层。为了获得充分的催化剂电流密度，不减少负极1中这些酶、辅酶及电子介体的生物学及电化学活性而将它们紧密固定在电极11上是重要的。

作为与葡萄糖的分解有关的酶，可以使用例如葡萄糖脱氢酶(GDH)。通过使该氧化酶存在，可以将例如β-D-葡萄糖氧化成D-葡糖酸-δ-内酯。

而且，在葡糖酸激酶和磷酸葡糖酸脱氢酶(PhGDH)两种酶的存在下，该D-葡糖酸-δ-内酯，可以分解成2-酮基-6-磷酸-D-葡糖酸。即，D-葡糖酸-δ-内酯通过水解生成D-葡糖酸，在葡糖酸激酶的存在下，D-葡糖酸因三磷酸腺苷(ATP)水解成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸而被磷酸化，形成6-磷酸-D-葡糖酸。该6-磷酸-D-葡糖酸通过氧化酶PhGDH的作用，被氧化成2-酮基-6-磷酸-D-葡糖酸。

另外，葡萄糖除上述分解工艺以外，也可以利用糖代谢分解成CO₂。利用该糖代谢的分解过程大致可以分为：利用糖分解体系的葡萄糖分解、丙酮酸的生成以及TCA循环，这些为众所周知的反应体系。

单糖类的分解工艺中的氧化反应伴有辅酶的还原反应。该辅酶根据发生作用的酶而基本上确定，使用GDH时，采用NAD⁺作为辅酶。即利用GDH的作用，β-D-葡萄糖被氧化成D-葡糖酸-δ-内酯时，NAD⁺还原成NADH并产生H⁺。

生成的NADH在心肌黄酶(DI)的存在下立即氧化成NAD⁺，产生二个的电子和H⁺。因而，每1分子葡萄糖在一阶段的氧化反应中生成二个电子和二个H⁺。在两个阶段的氧化反应中生成总计四个电子和四个H⁺。

上述工艺中生成的电子由心肌黄酶通过电子介体传递给电极11，H⁺通过电解质层3输送到正极2。

电子介体与电极11进行电子的交接，所以生物燃料电池的输出电压依赖于电子介体的氧化还原电位。即，如果要获得更高的输出电压，可以在负极1侧选择具有更负电位的电子介体，但同时也必须考虑电子介体对酶的反应亲和性、与电极11的电子交换速度、对于阻碍因素(光、氧等)的结构稳定性等。从这种观点考虑，在负极1的电极11上将酶、辅酶一同固定的电子介体，优选采用醌类电子介体，尤其是具有萘醌骨架的电子介体，例如：2-甲基-1，4-萘醌(VK₃)、2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)、2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)等。

固定在电极11上的电子介体的浓度选定为该电子介体相对于固定在电极11上的酶、尤其是辅酶氧化酶的米氏常数K_m的10倍以上，该米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。例如，采用心肌黄酶作为辅酶氧化酶时，固定在电极11上的电子介体的浓度，在采用VK₃作为电子介体时选择为4μM以上；在采用ACNQ作为电子介体时选择为20μM以上；在采用ANQ作为电子介体时选择为360μM以上(参照后述的表1)。

电解质层3为将在负极1中产生的H⁺输送到正极2的质子传导体，其由不具有电子传导性但可输送H⁺的材料制成。该电解质层3可以使用例如从已经列举出的材料中的适当选择的材料。此时，在该电解质层3中，作为缓冲液，包括：含有例如磷酸二氢根离子(H₂PO₄ ^-)作为缓冲物质的材料、含有例如磷酸二氢钠(NaH₂PO₄)等或具有咪唑环的化合物等作为缓冲物质的材料等。该缓冲物质的浓度可根据需要进行选择，但优选浓度为0.2M～2M。由此可以获得高的缓冲能力，即使在生物燃料电池进行高输出功率工作时，也可以充分发挥酶本来的能力。而且，离子强度(I.S.)过大或过小都对酶活性产生不良影响，但考虑电化学灵敏性时，优选适宜的离子强度，例如为0.3左右。但是，pH及离子强度根据所使用的酶分别存在最佳值，并不限定于上述值。需要说明的是，缓冲液通常不仅渗入到电解质层3，也渗入到负极1及正极2中。

作为用于将上述酶、辅酶及电子介体固定在电极11上的固定化材料，优选使用例如组合聚丙烯酸钠(PAAcNa)和聚-L-赖氨酸(PLL)而得到的聚离子络合物，但并不限于这些。

正极2是在由内部具有空隙的材料、尤其是碳多孔质材料例如碳毡、多孔质碳等制成的电极21上，固定有在氧化还原酶和该电极21之间进行电子转移的电子介体而成的电极。符号22表示该固定化层。作为氧化还原酶，可以使用例如：胆红素氧化酶(BOD)、虫漆酶、抗坏血酸氧化酶等。作为电子介体，可以使用例如由六氰合铁酸钾K₃[Fe(CN)₆]发生电离而生成的六氰合铁酸离子Fe(CN)₆ ^4-/3-。

该正极2中，在氧化还原酶的存在下，利用来自电解质层3的H⁺和来自负极1的电子还原空气中的氧，生成水。

在图2中示出了作为一例的如下情况：在负极1中，与葡萄糖的分解有关的酶为葡萄糖脱氢酶(GDH)，伴随葡萄糖的分解工艺中的氧化反应而生成还原体的辅酶为NAD⁺，将辅酶还原体即NADH氧化的辅酶氧化酶为心肌黄酶(DI)，接受由辅酶氧化酶对辅酶进行氧化而产生的电子并转移给电极11的电子介体为VK₃；在正极2中，氧还原酶为胆红素氧化酶(BOD)，从电极21接受电子、将电子传递给氧还原酶的电子介体为Fe(CN)₆ ^4-/3-。

在如上所述构成的生物燃料电池工作时(使用时)，向负极1侧供给葡萄糖时，该葡萄糖通过含有氧化酶的分解酶进行分解。通过氧化酶参加该单糖类的分解工艺，可以在负极1侧生成电子和H⁺，可以在负极1和正极2之间产生电流。为了从生物燃料电池向外部输出电流，例如在电极11和电解质层3之间、及电极21和电解质层3之间分别设置Ti网等集电体(未图示)。

对为了评价该生物燃料电池的负极1而进行的实验的结果进行说明。

用粒子直径0.05μm的氧化铝粉末对从BAS Inc.购入的直径3mm的玻璃碳(GC)电极的表面进行研磨，用蒸馏水洗涤后，通过利用作为聚阴离子的PAAcNa和作为聚阳离子的聚-L-赖氨酸(PLL)之间的静电相互作用的聚离子络合物法，依次将GDH、NADH、DI及VK₃固化在该GC电极上。

在GC电极上，依次添加10μl的PLL水溶液(2％(w/v))、8μl的GDH溶液(在0.1M磷酸缓冲液(NaH₂PO₄缓冲液)(pH7.0)中为1U/μl)、8μl的DI溶液(在磷酸缓冲液中为10U/μl)、2μl的NADH溶液(在磷酸缓冲液中为0.9μmol/μl)、4μl的VK₃溶液(在丙酮中为0.29M)及4μl的PAAcNa水溶液(0.066％(w/v))。在各添加工序之后，在40℃下干燥10分钟。在进行电化学测定之前，用蒸馏水将这样形成固定化层的GC电极(以下称为GC生物负极)冲洗5分钟。

作为GDH，使用来自Bacillus sp.的GDH(EC1.1.1.47)，作为DI，使用来自Bacillus stearothermophilus的DI(EC.1.6.99.-)，它们都从AmanoEnzyme Inc.(Japan)购入，不进行进一步精制而直接使用。NADH、聚-L-赖氨酸(PLL、M_W＝约93800)及聚丙烯酸钠盐(PAANa、M_W＝约240000)从Sigma-Aldtich Co.购入。VK₃从Nacalai Tesque，Inc.(Japan)购入。

采用共焦显微镜(FV1000-BX6，Olympus Co.Japan)求出进行电化学测定之前的固定化层的厚度，结果在干燥状态下为53μm。图3表示该共焦显微镜(实际为彩色照片)。在该共焦显微镜图像中，可以观察到对应于VK₃的荧光的橙色部分。环形山状的结构被认为是在干燥过程中产生的。固定化层的厚度由该固定化层的最上面和GC电极的表面间的焦点的差求出。

使用该GC生物负极作为作用电极进行计时安培分析法(CV)。计时安培分析法采用1480 Multi-Stat(マルチスタット)(Solarton Analytical)，用三电极系统在室温下进行，但不进行测定溶液的对流。图4表示用于实验的电化学测定用电池。如图4所示，在容器31内加入测定溶液(电解质溶液)32，在该测定溶液32内浸渍作为作用电极33的GC生物负极、作为对置电极34的Pt板、作为参照电极35的Ag|AgCl|饱和KCl电极，在这些作用电极33、对置电极34及参照电极35上连接电化学测定装置(未图示)。对置电极34固定在容器31的底部。测定溶液32的体积设为1ml。作为测定溶液32，采用在0.1M的磷酸缓冲液(pH7.0)中含有葡萄糖0mM(A)、10mM(B)、20mM(C)、30mM(D)、40mM(E)、50mM(F)、100mM(G)的溶液。缓冲液中的O₂在测定前通过用H₂O饱和的氩气起泡而除去。

图5表示循环伏安法的结果。图5中的插图表示葡萄糖浓度相对于该循环伏安法的恒定电流值的依存性。如图5所示，在测定溶液32中不存在葡萄糖时，可获得具有-0.17Vvs.Ag|AgCl|的中点电位的被固定化了的VK₃的一对氧化及还原波(图5的波A)。在测定溶液32中存在葡萄糖时，出现葡萄糖氧化的催化剂波(图5的波B-G)，当葡萄糖浓度增加时，电流增加。在葡萄糖的浓度大于20mM时，GC生物负极在葡萄糖浓度为0.4M时显示出最大电流密度0.7mA/cm²的稳定波。此时，可以认为反应速度由酶反应来确定。波的形状在CV的多次扫描中没有变化，这表明在保持GDH及DI的酶活性状态下，GDH、NADH、DI及VK₃四种成分稳定且紧密地固定在固定化层内。

为了进一步增加电流密度，优选使用表面积大且不妨碍葡萄糖的输送的碳纤维(CF)片来取代GC作为电极11，用与GC生物负极同样的方法将GDH、NADH、DI及VK₃固定。具体而言，将用于GC生物负极制作的各溶液的14倍体积的溶液添加在层叠有4张CF片材的材料上，在与GC生物负极同样的条件下进行干燥。下面，将通过这样形成固定化层的CF片材称为CF生物负极。作为CF片材，采用从Toray Industries，Inc.(Japan)购入的片材(BO050，750μm厚)，将其切成10mm见方。在200℃下进行了2小时除气的CF片材的BET比表面积为0.17m²/g，其通过使用Belsorp-Max机器(BELJapan Inc.，Japan)进行77K下的氮吸附-解吸等温分析求出。求出层叠有4张10mm见方的CF片材的总表面积为20.4cm²。为了改善固定化层对CF片材的吸附，在将GDH、NADH、DI及VK₃固定化之前，采用臭氧处理装置(UV.TC.110(BIOFORCE Nanosciences.Inc.))对CF片材进行臭氧处理。进行电化学测定前的CF生物负极的厚度为2.11mm。该厚度采用防油防水测微计(coolant-proof micrometer)(Series No.293，Mitutoyo Corporation，Japan)，在26.5N/cm²的压力下进行测定。

使用该CF生物负极作为作用电极，进行计时安培分析法(CA)。计时安培分析法采用1480 Multi-Stat(マルチスタツト)(Solarton Analytical)，用三电极系统在室温下进行，但不进行测定溶液的对流。图6表示用于实验的电化学测定用电池。如图6所示，在容器41内加入测定溶液(电解质溶液)42，在该测定溶液42内浸渍作为作用电极43的CF生物负极、作为对电极44的Pt金属丝、作为参照电极45的Ag|AgCl|饱和KCl电极，在这些作用电极43、对电极44及参照电极45上连接电化学测定装置(未图示)。作为作用电极43的CF生物负极固定在容器41的底部。作为用于与作用电极43即CF生物负极电接触的集电体46，使用Ti网。该Ti网从Thank-Metal Co.(Japan)购入。在集电体46上安装作为隔板的玻璃纸膜47。作为玻璃纸膜47，采用由Futamura Chemical Co.，Ltd.(Japan)购入的玻璃纸膜。测定溶液32的体积设定为3ml。作为测定溶液42，采用在0.1M的磷酸缓冲液(pH7.0)中含有0.4M葡萄糖的溶液。缓冲液中的O₂在测定之前通过用H₂O饱和的氩气起泡而除去。虽然CF电极的推测表面积与GC电极的表面积相比还大20倍左右，但这样在0.1V下进行1分钟计时安培分析法后的催化剂电流密度的值仅仅比GC生物负极上的催化剂电流密度的值大5.9倍。由该结果判断，CF生物负极上的催化剂电流密度低是由于CF生物负极中质子扩散不充分。由此可以认为，当CF生物负极中质子扩散不充分时，会由葡萄糖氧化反应(葡萄糖→葡糖酸内酯+2H⁺+2e^-)引起固定化层内的质子浓度增加，使GDH及DI的酶活性下降。

为了解决该问题，本发明人等研究了葡萄糖浓度为0.4M的电解质溶液中的缓冲液的浓度的效果。图7表示由缓冲液浓度引起的电流密度的变化的研究结果。测定中使用图6所示的电化学电池，并与上述操作相同。如图7所示，缓冲液浓度增加到1.0M时，1分钟的计时安培分析法后的电流密度增加。在缓冲液浓度为1.0M时，电流密度达到比GC生物负极上的电流密度大15倍左右的最大值10.5mA/cm²后，缓冲液浓度超过1.0M并继续增加时，电流密度缓慢减少。在测定中监控CF生物负极内的溶液的pH的变化。在pH的测定中，采用具有平坦的表面的pH计(TYPE PCE308S-SR，TokoChemical Laboratory Ltd.，Japan)。该pH测定的结果示于图8。图8中，●表示缓冲液浓度为0.1M，▲表示缓冲液浓度为1.0M，■表示缓冲液浓度为2.0M。如图8所示，该pH测定的结果如下，缓冲液浓度为0.1M时，在5分钟的时间里pH由6.85下降到6.20。这比缓冲液浓度为1.0M时pH的下降(6.85→6.62)或缓冲液浓度为2.0M时pH的下降(6.85→6.79)更显著。如图9所示，由于会使与pH有关的酶活性下降，因此pH的下降会引起CF生物负极上的电流密度减少。这些结果明确显示，更高浓度的缓冲液抑制CF生物负极中的pH下降。图9中，●表示1分钟后，▲表示5分钟后。

另一方面，在缓冲液浓度高达1.0～2.0M时，1分钟的计时安培分析法后的电流密度减少。这可以认为，如图10所示，缓冲液浓度从0.4M增加到2.0M时，溶液中的GDH及DI的酶活性下降。图10中，●为GDH，▲为DI。其中，在图10中，将0.4M的缓冲液浓度中的GDH及DI的酶活性分别设为100％。由以上可知，有两个限速过程，即较低的缓冲液浓度(＜1.0M)下的质子扩散不充分及较高的缓冲液浓度(＞1.0M)下的催化剂活性的下降。可知，缓冲液浓度在最大达到最大值2.0M的范围内，CF电极上的固定化层是稳定的。

图3所示的GC生物负极的共焦显微镜像显示，大量的VK₃被均匀固定化。图11表示使用图4所示的电化学测定用电池并改变扫描速度v进行电位-0.6V～+0.6V间的循环伏安法的结果。扫描速度v的变化为50mV/s(A)、20mV/s(B)、10mV/s(C)、5mV/s(D)、2mV/s(E)、1mV/s(F)6个阶段。作为测定溶液32，使用不含有葡萄糖的0.1M的磷酸缓冲液(pH7.0)。如图11所示，当其不含有葡萄糖时，氧化还原波是由固定在GC生物负极上的VK₃的氧化还原反应引起的。峰电流相对于扫描速度v的平方根v^1/2的线形相关性(图11的插图)显示：VK₃在干燥状态下可以扩散到具有53μm的厚度的固定化层内。固定化层中的VK₃的浓度根据由还原体的VK₃的氧化算出的法拉第电量(2.8mC/cm²)确定为2.8mM。

对固定化层中的VK₃的浓度的求法(电化学方法)进行详细说明。在充分脱氧后的测定溶液(磷酸缓冲液)中，对GC生物负极进行充分时间的电解还原(-0.6Vvs.Ag|AgCl)，在与VK₃的氧化还原电位相比充分高的电位(0.6Vvs.Ag|AgCl)下进行定电流测定。在由此得到的电流对于时间的响应曲线中，除去初期的表面充电电流区域，在固定化层(厚度d)内的扩散区域中，通过下述的科特雷尔式(Cottrell equation)的拟合(fitting)，求出VK₃的浓度C及扩散系数D。n＝2(文献值)、A＝0.071cm²、d＝53μm。

科特雷尔式：i(t)＝nFAC(D/πt)^1/2    (1)

i：电流、t：时间、n：电子数、F：法拉第常数、

A：电极表面积、C：浓度、D：扩散系数

VK₃以外的电子介体的浓度也可以与上述同样求出。而且，作为电子介体的浓度的求法，除上述电化学方法以外，还有以下方法：采用化学的或物理的方法将固定化的电子介体溶出在溶剂中，利用液相色谱法及气相色谱法求出浓度。

在此，对以电子介体为底物的酶反应的米氏常数K_m、速度常数k_cat的测定方法进行说明。

在米氏常数K_m及速度常数k_cat之间存在以下的电化学关系式(R.Matsumoto et al，J.Electroanal Chem.535(2002)37)。

$\frac{I_s^{\lim }}{n_M\mathrm{FA}\sqrt{(n_S/n_M)D_M{k}_{\mathrm{cat}}{K}_m\left[E\right]}}=\sqrt{2[\frac{{\left[M\right]}^{*}}{K_m}-\ln (1+\frac{{\left[M\right]}^{*}}{K_m})]}---\left(2\right)$

其中，I_s ^lim为利用循环伏安法得到的曲线的平滑部分的电流值，n_M为电子介体的电子数，n_s为底物的电子数，F为法拉第常数，A为电极表面积，D_M为底物的扩散系数，[E]为酶浓度，[M]^*为电子介体的浓度。

图12表示：在溶液中存在足量的NADH及DI的状态下，使用ANQ作为电子介体，改变其浓度进行循环伏安法得到的结果。图13表示：将图12的曲线的平台部分的电流对电子介体的浓度进行做图而得到的图。

图14表示在溶液中存在足量的NADH及DI的状态下，采用VK₃、ACNQ、ANQ作为电子介体，将它们的浓度[M]^*固定在0.2mM，进行循环伏安法得到的结果。图15表示：将图14的曲线的平滑部分的电流对于电子介体的浓度的进行做图得到的图。

表1表示由式(2)及图12～图15求出的K_m、K_cat的结果。由此求出的K_m的10倍的值分别为：VK₃为4μM、ACNQ为20μM、ANQ为360μM。

表1

	Eo’vsAg|AgCl	Kcat(s-1)	Km(μM)	Kcat/Km
					VK3	-0.22	630	0.4	1.6×109
ACNQ	-0.26	400	2	2.0×108
					ANQ	-0.35	310	36	8.6×106

下面，对为了评价该生物燃料电池的正极2而进行的实验的结果进行说明。

在层叠2片与制备CF生物负极中使用的相同的CF片材而成的CF电极上，使用PLL依次固定BOD及K₃[Fe(CN)₆]。

在CF电极上，依次添加80μl的K₃[Fe(CN)₆]水溶液(0.1M)、80μl的PLL水溶液(1％(w/v))及80μl的BOD溶液(在50mM的磷酸缓冲液(pH7.0)中为50mg/ml)。进行各添加工序后在30℃下干燥10分钟。将在进行电化学测定之前通过这样形成了固定化层的CF电极(以下称为CF生物正极)用蒸馏水冲洗5分钟。用与CF生物负极同样的方法测定电化学测定之前的CF生物正极的厚度，结果为0.905mm。

作为BOD，使用从Amano Enzyme lnc.(Japan)购入的来自Myrotheciumsp.的BOD(EC1.3.3.5)，不进行进一步精制。K₃[Fe(CN)₆]从Wako pure ChemicalIndustries，Ltd.(Japan)购入。PLL(Mw＝约8000)从Peptide Institute Inc.，Ltd.(Japan)购入。

为了评价向CF生物正极输送氧(O₂)的输送物质效率，制作图16及图17所示的两种电化学测定用电池。在图16所示的电化学测定用电池中，加入到容器51内的测定溶液(电解质溶液)52在其底部与玻璃纸膜53接触。CF生物正极作为作用电极54与玻璃纸膜53测定溶液52侧的相反侧的面接触。作用电极54上电连接有Ti网55。作为作用电极54的CF生物正极浸渍于加入到容器56内的测定溶液(电解质溶液)57中，O₂由外部的空气通过该测定溶液57供给作为作用电极的CF生物正极。测定溶液52的体积为3ml，测定溶液57的体积为2ml。在测定溶液52中浸渍作为对置电极58的Pt金属丝、作为参照电极59的Ag|AgCl|饱和KCl电极，在这些作用电极54、对置电极58及参照电极59上连接有电化学测定装置(没有图示)。该电化学测定用电池称为浸水型(sink-type)电池，意思是指作为作用电极54的CF生物正极浸渍在测定溶液57中。另一方面，在图17所示的电化学测定用电池中，加入到容器61内的测定溶液(电解质溶液)62的底部与玻璃纸膜63接触。CF生物正极作为作用电极64与玻璃纸膜63测定溶液62侧的相反侧的面接触。此时，玻璃纸膜63具有控制向CF生物正极供给测定溶液62的作用。在作用电极64上电连接有Ti网65。作为作用电极64的CF生物正极暴露在空气中。因此，O₂可以从空气通过Ti网65扩散到作为作用电极64的CF生物正极内。测定溶液62的体积为3ml。在测定溶液62中浸渍作为对电极66的Pt金属丝、作为参照电极67的Ag|AgCl|饱和KCl电极，在这些作用电极64、对置电极66及参照电极67上连接有电化学测定装置(没有图示)。该电化学测定电池称为空气开放型(open-air type)电池，意思是指作为作用电极64的CF生物正极暴露在空气中。

图18表示使用图16所示的浸水型电池在静止状态下进行的计时安培分析法的结果(曲线A)及使用图17所示的空气开放型电池在静止状态下进行的计时安培分析法的结果(曲线B)。作为测定溶液52、57、62，使用在1.0M的磷酸缓冲液(pH7.0)下含有0.4M葡萄糖的溶液。测定在0Vvs.Ag|AgCl下进行。图18中的插图表示，使用图17所示的空气开放型电池，改变磷酸缓冲液(pH7.0)的浓度测定0V中的1分钟计时安培分析法后的电流密度的结果。如图1 8所示，通过测定溶液57来供给O₂的浸水型电池中，在1.0M磷酸缓冲液(pH7.0)中、0V下的计时安培分析法中，CF生物正极上的电流密度急速减少，进行1分钟计时安培分析法后的电流密度接近零(曲线A)。该电流密度的显著减少是O₂的供给不充分而造成的。溶解在水溶液中的O₂的浓度及扩散系数分别为0.229mM及2.07±0.66×10^-5cm²/s。相对于此，空气开放型电池的电流密度在1分钟计时安培分析法后为14.1mA/cm²(图18的曲线B)。这是由于空气中的浓度(9mM)及气体的扩散系数(10^-1cm²/s级)远远地高于水溶液中的浓度和扩散系数，因此可以从空气向CF生物正极供给足够的O₂。由此表明空气开放型电池有利于供给O₂。在实际测定空气开放型电池的CF生物正极内的水分量时，得到如图19所示的结果，在1分钟计时安培分析法后只不过达到8.28mg/cm²。这表明为了促进从空气向CF生物正极进行氧的物质输送、引起固定化层内的有效的酶反应，CF生物正极部分湿润是重要的。水分量的测定采用Karl Fisher法及湿度计(CA-200，MitsubishiChemical Co.，Japan)进行。

CF生物正极上的电流密度也依赖于缓冲液浓度(图18的插图)。该缓冲液浓度的变化引起的电流密度的变化的曲线与图7所示的CF生物负极上的该曲线非常相似。在此，虽然最佳值应该取决于酶、电极、固定化层及电解质的种类，但是最佳值同样地出现在缓冲液浓度为1.0M时。如分别与图8、图9及图10相同的测定结果的图20、图21及图22所示，可以通过不充分的质子扩散和CF生物负极中酶活性下降之间的折衷关系来说明。图20中，●表示缓冲液浓度为0.1M，▲表示缓冲液浓度为1.0M，■表示缓冲液浓度为2.0M。图21中，●为1分钟后，▲为5分钟后。

如图23所示，制作在CF生物负极71和CF生物正极72之间夹持有玻璃纸膜73的被动(passive)型的生物燃料电池。在容器74中加入燃料溶液(电解质溶液)75，将CF生物负极71安装在该燃料溶液75的底部。使用Ti网作为用于与CF生物负极71进行电接触的集电体76及用于与CF生物正极72电接触的集电体77。在燃料溶液75中浸渍作为参照电极78的Ag|AgCl|饱和KCl电极。燃料溶液75的体积设为3ml。为了评价该生物燃料电池，使用含有0.4M葡萄糖的1.0M的磷酸缓冲液(pH7.0)作为燃料溶液75。图24表示该生物燃料电池的输出功率特性。该生物燃料电池的输出功率密度(图24的▲)由该生物燃料电池的各电压下进行1分钟计时安培分析法后的电流密度(图24的●)求出。最大输出功率密度在0.3V下为1.45±0.24mW/cm²，开放电压为0.8V，短路电流密度为11mA/cm²。

图25及图26分别表示：将图23所示的生物燃料电池发电中的CF生物负极71及CF生物正极72的电流密度-电位曲线(●)与图6所示的电化学测定用电池中CF生物负极及图17所示的电化学测定用电池中CF生物正极的电流密度-电位曲线(○)进行比较的结果。如图25及图26所示，在生物燃料电池的各电位中求出的CF生物负极71上的电流密度及CF生物正极72上的电流密度分别与图6所示的电化学测定用电池中CF生物负极上的电流密度及图13所示的电化学测定用电池中CF生物正极上的电流密度几乎相等。这说明，在图23所示的生物燃料电池中，即使在mA级的电流密度下，电池电阻引起的电压下降也小到可忽视的程度。

如上所述，根据该第一实施方式，将与酶一同固定在负极1电极11上的电子介体的浓度设定为该电子介体相对于固定在电极11上的酶、尤其是辅酶氧化酶的米氏常数K_m的10倍以上，该米氏常数K_m通过在溶液进行测定而求出。例如，使用心肌黄酶作为辅酶氧化酶时，固定在电极11上的电子介体的浓度在使用VK₃作为电子介体时，选择为4μM以上；在使用ACNQ作为电子介体时，选择为20μM以上；在使用ANQ作为电子介体时，选择为360μM以上。因此，电子介体可以保留在固定化层12内，并且容易地通过扩散在固定化层12内移动，可以迅速在夹持有电子介体的心肌黄酶和电极11之间的电子的转移反应，而且由于可以维持固定化层12的酶的活性，因此可以高效、稳定地进行酶、辅酶及电子介体的电极反应。因此，可以实现生物燃料电池的电流密度或输出功率密度的提高。另外，通过使电解质层3包含足够高的浓度的缓冲液，可以获得充分的缓冲能力。因此，在生物燃料电池进行高输出工作时，通过由质子产生的酶反应，即使在固定化层12或电极11的内部产生质子的增减，也可以获得充分的缓冲能力，可以将酶周围的电解质的pH从最佳pH偏移的量抑制到足够小。因此，可以充分发挥酶本来具有的能力，可以高效、正常地利用酶、辅酶、电子介体等的电极反应。而且，通过使用CF生物正极作为正极2，可以有效地向电极21上的固定化层22供给来自外部空气的氧。由以上可以实现：在静止的条件下可获得超过10mA/cm²的电流密度、例如以40cm²的电池体积可获得50mW的输出功率的高输出功率被动型生物燃料电池。该生物燃料电池优选应用于便携式音乐播放器等便携式电子设备的电源。

下面，对本发明的第二实施方式的叠层型生物燃料电池单元进行说明。

如图27及图28所示，在该叠层型生物燃料电池的单元中，依次层叠隔板81、正极集电体82、正极83、电解质层84、负极85、负极集电体86、隔板87、负极集电体88、负极89、电解质层90、正极91、正极集电体92及隔板93，隔板81、93的外侧利用固定板94、95夹住，这些固定板94、95之间利用螺钉(省略图示)等紧固，由此使各构成要素相互固定。第1生物燃料电池96采用正极83和负极85相对置并夹持电解质层84对置的结构，第2生物燃料电池97采用正极91和负极89相对置且夹持电解质层90的结构。隔板81、正极83、负极85、隔板87、负极89、正极91及隔板93具有几乎相同的形状及大小，例如形成长方形的板状，但并不限定于此。此时，负极集电体86和负极集电体88形成为一体，但并不限定于此。正极集电体82、负极集电体86及正极集电体92分别具有细长延伸的端子82a、86a、92a。符号98表示燃料保持容器。在该燃料保持容器98中放入使用的燃料、例如葡萄糖溶液等。该燃料保持容器98与电解质层84、90一体化，整体上具有密闭成袋状形状。利用与电解质层84、90一体化而成的该袋状燃料保持容器98包住负极85、负极集电体86、隔板87、负极集电体88及负极89，在与负极85、89接触的状态下保持燃料。负极集电体86的端子86a伸出到该燃料保持容器98的外面。该端子86a和燃料保持容器98之间的部分利用例如密封部件(未图示)等进行密封，以使燃料不从该部分泄漏到外部。图29表示从上述层叠方向观察该燃料保持容器98时的形状的一例。

隔板81、83具有由外部引入至少包含氧化剂的气体，例如空气及氧等气体的功能及扩散该气体的功能。具体而言，这些隔板81、93具有可以透过该气体的结构，并由例如电绝缘物质，具体为塑料等制成。这些隔板81、93的结构优选为：具有遍布其整体并连通的空隙，供给到任一个面的气体都可以从其他面排出，但并不限定于此，只要为如下结构即可，该结构是至少供给到与隔板81、93中分别与正极82、91对置的面以外的任一个面的气体能从与该正极82、91对置的面排出。更具体而言，这些隔板81、93例如在各面上以规则或不规则的配置方式形成许多贯穿孔，各贯穿孔的形状及直径可以相同，也可以不同。图30表示在隔板81上规则地形成了许多贯穿孔81a的一例。隔板93也同样。这些隔板81、93可以使用例如丙烯酸树脂板而容易地形成。

隔板87具有保持例如葡萄糖溶液等燃料，即所说的燃料罐的功能及扩散该燃料的功能。具体而言，该隔板87具有可以透过燃料的结构，由例如电绝缘性的物质，具体为塑料等制成。该隔板87的结构优选为：具有遍布其整体而连通的空隙，供给到任一个面的燃料可以从其他面排出，但不限定于此，只要为以下结构即可，该结构是至少与该隔板87中与负极85、89对置的面以外的任一个面接触的燃料从与该负极85、89对置的面排出。更具体而言，隔板87例如在各面上以规则或不规则的配置形成许多贯穿孔，各贯穿孔的形状及直径可以相同，也可以不同。该隔板87的具体例例如与图30所示的例子相同。该隔板87可以与隔板81、93同样，可以使用例如丙烯酸树脂板而容易地形成。

正极集电体82、92用于汇集分别由正极83、91产生的电流，从端子82a、92a向外部引出电流。由于可以透过正极集电体82、92向正极83、91供给包含氧化剂的气体，这些正极集电体82、92由具有可透过该气体的结构的导电体形成，具体而言，由例如钛等金属制的网形成。同样，负极集电体86、88也分别汇集由负极85、89产生的电流，从端子86a向外部引出电流。可以透过负极集电体86、88向负极85、89供给燃料，因此这些负极集电体86、88由具有可透过该燃料的结构的导电体制成，具体而言，例如与正极集电体82、92同样，由钛等金属制的网制成。

负极85、89具有与第一实施方式中的负极1同样的结构，正极83、91具有与第一实施方式中的正极2同样的结构。

固定板94、95利用例如螺钉等相互紧固，由此可以将燃料电池的上述各构成要素相互可靠地固定，因此，由高弹性的材料、例如硬质铝之类的金属等构成，但并不限定于此。用螺钉紧固固定板94、95的位置优选如下选择：可以均匀地对燃料电池的各构成要素施加力。

在如以上所述构成的层叠型生物燃料电池单元中，使用例如葡萄糖作为加入到燃料保持容器98中的燃料时，负极85、89利用酶分解供给的葡萄糖并放出电子，同时产生H⁺。正极83、91利用由负极85、99分别通过电解质层84、90输送的H⁺、由负极85、99通过外部电路输送的电子和例如空气中的氧生成水。而且，正极83和负极85夹持电解质层84并对置的结构的第1生物燃料电池86的端子82a和端子86a之间获得输出电压，同时，正极91和负极89夹持电解质层90而对置的结构的第2生物燃料电池97的端子92a和端子86a之间获得输出电压。因此，例如在该叠层型生物燃料电池单元的端子86a和端子82a及端子92a之间连接负荷时，可以使第1生物燃料电池96的输出电流和第2生物燃料电池97的输出电流的总计的输出电流流过该负荷。

如上所述，根据该第二实施方式，依次层叠可透过包含氧化剂的气体的隔板81、正极集电体82、正极83、电解质层84、负极85、负极集电体86、可透过燃料的隔板87、负极集电体88、负极89、电解质层90、正极91、正极集电体92及可透过包含氧化剂的气体的隔板93，再设置燃料保持容器98，以包入负极85、负极集电体86、隔板87、负极集电体88及负极89，构成叠层型生物燃料电池单元，因此，在可以向正极83、91供给含有氧化剂的气体和向负极85、89供给燃料的状态下，以最紧密的形式将第1生物燃料电池96和第2生物燃料电池97一体化。而且，根据该叠层型生物燃料电池单元，可以获得比以往都大的输出电流及电力，例如可以以80cm³以上的电池体积获得100mW以上的输出功率，可以实现大幅度的高输出化。实际上，在将该叠层型生物燃料电池单元用于电源来驱动便携式音乐播放器及无线电遥控车等方面已获得成功。

以上，对本发明的实施方式进行了具体说明，但本发明并不限定于上述实施方式，可以进行基于本发明的技术思想的各种变形。

例如，在上述的实施方式中列举的数值、结构、构成、形状、材料等，归根结底不过为实例，也可以根据需要采用与其不同的数值、结构、构成、形状、材料等。

Claims (13)

1、一种生物燃料电池，其结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持有质子传导体，

上述正极和上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极制成，

其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

2、如权利要求1所述的生物燃料电池，其中，上述酶为心肌黄酶，上述电子介体为醌类电子介体，上述酶及上述电子介体固定在上述电极上的方法为聚离子络合物法。

3、如权利要求2所述的生物燃料电池，其中，上述电子介体为VK₃，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为4μM以上。

4、如权利要求2所述的生物燃料电池，其中，上述电子介体为ACNQ，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为20μM以上。

5、如权利要求2所述的生物燃料电池，其中，上述电子介体为ANQ，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为360μM以上。

6、如权利要求2所述的生物燃料电池，其中，上述电子介体为VK₃，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为28mM以上。

7、如权利要求2所述的生物燃料电池，其中，固定在上述负极电极上的上述酶包含促进单糖类的氧化并使之分解的氧化酶。

8、如权利要求7所述的生物燃料电池，其中，固定在上述负极电极上的酶包含辅酶氧化酶，该辅酶氧化酶在使随着上述单糖类的氧化而被还原了的辅酶恢复成氧化体的同时，通过上述电子介体将电子传递给上述负极。

9、如权利要求7所述的生物燃料电池，其中，上述单糖类为葡萄糖，上述氧化酶为葡萄糖脱氢酶。

10、一种生物燃料电池的制造方法，其中，在制造下述生物燃料电池时，将固定在下述电极上的下述电子介体的浓度调整为下述电子介体相对于下述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得；

所述生物燃料电池的结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持有质子传导体，

上述正极和上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极制成。

11、一种电子机器，其至少具有一个生物燃料电池，

其中，上述生物燃料电池的结构为正极和负极相互对置，并且正极和负极之间夹持有质子传导体，

上述正极和上述负极中的至少一个由固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极制成，

其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

12、一种固定有酶的电极，其由固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极制成，

其中，固定在上述电极上的上述电子介体的浓度为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

13、一种固定有酶的电极的制造方法，其中，在制造固定有至少一种酶和至少一种电子介体的电极时，将固定在上述电极上的上述电子介体的浓度调整为上述电子介体相对于上述酶的米氏常数K_m的10倍以上，所述米氏常数K_m通过在溶液中进行测定而求得。

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