CN101884131A - 新型燃料电池以及使用它的电力供应设备和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够简单、快速地供应燃料，高效地发电的燃料电池。该燃料电池通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应而发电，所述燃料电池包括：至少一个通过燃料的汽化形成的燃料汽化层；负极，来自燃料汽化层的汽化的燃料被提供至负极；正极，以能够传导质子的状态与负极连接。由于该燃料电池将汽化状态的燃料提供至电极，汽化燃料被提供至电极的内部，在电极内表面上的反应完全进行，由此通过高效地发电而获得更高的输出。此外，即使将酶等固定在电极上，由于将燃料以汽化状态提供至电极，因此能够防止酶等被洗脱进入液体燃料，从而防止了因酶等的洗脱而导致的输出下降。

Description

新型燃料电池以及使用它的电力供应设备和电子装置
技术领域
本发明涉及燃料电池。更具体地说，本发明涉及通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应而产生电力的燃料电池，通过简单的燃料供应实现高的输出等的燃料电池，并涉及使用该燃料电池的电力供应设备和电子装置。
背景技术
近年来，作为下一代具有高容量和安全性的燃料电池，将用作催化剂的微生物或氧化还原酶固定在负极和正极中的至少一个上的燃料电池(在下文中称为生物燃料电池)引起了人们的关注。这是由于在活体的生物新陈代谢中，在室温条件下可执行高效的能量转换，因此能够实现具有高安全性的高效发电；并且通过使用具有底物特异性的酶，能够从诸如葡萄糖或乙醇的燃料中提取出电子，但典型的工业催化剂很难使这些燃料发生反应。
例如，在通过糖酵解途径和三羧酸循环产生二氧化碳的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(在下文中称为“NAD+”)还原为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(在下文中称为“NADH”)，以期望将微生物或者细胞、糖类、蛋白质、脂肪等转换为电能。
此外，在光合作用中，通过吸收光能，将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(在下文中称为“NADP+”)还原为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(在下文中称为“NADPH”)，从而将光能转换为电能。
如上所述，在生物新陈代谢中，由于将光能和包括诸如糖类、脂肪和蛋白质的养分的化学能转换为电能，因此已经开发出利用这样的转换的燃料电池。
例如，日本未审查的专利申请公开第2000-133297号公开了使用微生物或细胞的发电方法和电池，以及用于该发电方法和电池的电极，电极通过固定电子介质而获得。此外，日本未审查的专利申请公开第2001-208719号公开了一种通过将氧化还原酶固定到在基板电极上形成的聚二烷基硅氧烷膜中或聚二烷基硅氧烷膜上而获得的酶电极。日本未审查的专利申请公开第2004-71559号公开了一种燃料电池，其中该燃料电池具有从使用基于NAD+的脱氢酶的乙醇或糖类产生NADH的机制。
这里，图9示出了生物燃料电池的反应图。在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池中，在图9中给出了发生在负极的葡萄糖的氧化反应和发生在正极的空气中的氧气(O2)的还原反应。此外，在负极，电子以葡萄糖、葡萄糖脱氢酶、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、心肌黄酶、介质和电极(碳)的顺序迁移。
在生物燃料电池中的这样的发电通常通过将燃料以水溶液的状态供应至电极而进行。
例如，在日本未审专利申请公开号第2000-133297号中，通过给负极电池填充包括10μM的葡萄糖的0.1M的磷酸盐缓冲液(pH7)来提供燃料(参见日本未审查的专利申请公开第2000-133297号的第0040段)。此外，在日本未审查的专利申请公开第2001-208719号中，通过将覆盖有聚二甲基硅氧烷膜的电极插入到0.1mol/L的磷酸盐缓冲液(pH 7)来发电(参见日本未审查的专利申请公开第2001-208719号的第0013段)。此外，在日本未审查的专利申请公开第2004-71559号中，通过将1M的甲醇等加入到3mL0.1M的三盐酸缓冲液(pH 7.0，I.S.＝0.3)中来发电(参见日本未审查的专利申请公开第2004-71559号的第0066段)。
在现有的生物燃料电池中，由于燃料是以水溶液状态提供至电极，因此高浓度的燃料溶液不能平稳地提供进入电极。因此，即使将电极设置为多孔结构以增加燃料的供应效率，在电极的内表面不能充分地进行反应，从而引起输出下降的问题。
此外，发生固定在电极上的酶、微生物、辅酶、电子转移介质等浸出而进入燃料溶液的现象也导致输出下降的问题。
因此，本发明的一个主要目标是提供能够通过简单的燃料供应方法来实现高输出等的燃料电池。
发明内容
首先，在本发明中，提供了一种通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应来产生电力的燃料电池，该燃料电池至少包括：
燃料汽化层，通过燃料的汽化而形成；
负极，来自燃料汽化层的汽化燃料被提供至负极；和
正极，以能够传导质子的状态连接至负极。
根据本发明的燃料电池可进一步包括燃料能够通过其中的负极集电体，该负极集电体与负极连接；以及氧气能够通过其中的正极集电体，该正极集电体与正极连接。
此外，根据本发明的燃料电池可进一步包括用于存储液体状态的燃料的燃料存储元件。
包括在根据本发明的燃料电池中的负极和正极的结构没有特别的限制。可如此形成负极，使得在负极内部形成汽化燃料能够通过的空气层，并且可如此形成正极，使得在正极内部形成空气能够通过的空气层。
此外，可将负极和/或正极形成为具有多孔结构。
此外，将具有质子传导性的电解质层层叠在负极和/或正极的表面上。
在负极和/或正极上，使用酶作为催化剂来进行氧化还原反应，并且将酶固定到负极/或正极上。
在此情况下，用于固定酶的方法没有特别的限制。例如，示例性的方法是将酶固定到电解质层上。
固定到负极和/或正极上的酶没有特别的限制。例如，示例性的有氧化酶。
此外，将电子转移介质固定在负极和/或正极上。
固定在负极上的酶可至少包括氧化型辅酶。
当固定到负极上的酶包括氧化型辅酶时，该酶可进一步包括辅酶氧化酶。
其次，在本发明中，提供了一种电力供应设备，其中至少两个如上所述的燃料电池为串联连接。
此外，在本发明中，提供了一种使用至少一个通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应而产生电力的燃料电池的电子装置，该电子装置的特征在于：
至少一个燃料电池至少包括：
燃料汽化层，通过燃料的汽化而形成；
负极，来自燃料汽化层的汽化燃料被提供至负极；和
正极，以能够传导质子的状态连接至负极。
在根据本发明的燃料电池中，由于将燃料以汽化状态提供至电极，因此汽化燃料被有效地提供至电极内部，并且反应在电极的内表面能充分地进行，从而由于有效地发电而达到高输出。
此外，即使将酶等固定在电极上，也可以防止酶等浸出而进入液体燃料，因为燃料是以汽化状态被提供至电极，这可以防止由于酶等浸出而造成的输出的下降。结果，改善了电极上的反应效率。
附图说明
[图1]图1是示出了根据本发明的燃料电池1的一个实施方式(第一实施方式)的示意性截面图。
[图2]图2是示出了根据本发明的不同于图1中所示的燃料电池1的一个实施方式(第二实施方式)的示意性截面图。
[图3]图3是示出了根据本发明的不同于图1和图2中所示的燃料电池的一个实施方式(第三实施方式)的示意性截面图。
[图4]图4是示出了根据本发明的电力供应设备7的一个实施方式(第一实施方式)的示意性截面图。
[图5]图5是示出了根据本发明的不同于图4所示的电力供应设备7的一种实施方式(第二实施方式)的示意性截面图。
[图6]图6是根据本发明的燃料电池的示意性截面图，该燃料电池用于实施例1中。
[图7]图7是代替图纸的曲线图，示出了在实施例1中负极电势和电池电压随时间的变化。
[图8]图8是代替图纸的曲线图，示出了在实施例1中当将电池电压设为0.4V时输出值随时间的变化。
[图9]图9是示出了生物燃料电池的反应方案的概念图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来描述实施本发明的优选实施方式。需要注意的是，下面所描述的实施方式仅仅是本发明有代表性的实施方式的实施例，而并不是对本发明的范围的限制。
<燃料电池>
图1是示出了根据本发明的燃料电池的一个实施方式(第一实施方式)的示意性截面图。根据本发明的燃料电池1大致包括至少一个燃料汽化层2、负极3和正极4。负极3和正极4以能够传导质子的状态彼此相互连接。在下文中，将描述其结构、功能和效果。
(1)燃料汽化层2
通过燃料的汽化来形成燃料汽化层2。在该实施方式中，将燃料存储元件5设置在燃料电池1上，由此将燃料存储在燃料存储元件5中，并且通过燃料的汽化来形成燃料汽化层2。然而，根据本发明，燃料存储元件5不是燃料电池1所必需的。例如，通过将汽化的燃料直接从外部提供至燃料电池1，或者将填充有燃料的可拆装的燃料盒(cartridge)等连接至燃料电池1，并对燃料进行汽化，以形成燃料汽化层2。
用于汽化燃料的方法没有特定的限制，可以根据燃料的类型自由选择。该方法的实例包括利用诸如大气温度变化或者人工加热的外部热量来汽化燃料的方法，以及将燃料电池1内部产生的热用作挥发热的方法。
如上所述，在根据本发明的燃料电池1中，由于通过提供汽化的燃料来发电，因此相比于使用液体燃料的情况，能够提高燃料渗透进电极的百分比，从而能够实现燃料电池1的高输出。
此外，通过使用这样的汽化燃料，能够容易实施将燃料提供至电极并对其进行控制。并且，还能够增加燃料存储元件5的能量密度。
此外，由于液体燃料不接触电极，从而即使将酶、微生物、辅酶、电子转移介质等固定在电极上，也能够防止其浸出而进入液体燃料中。因此，在电极处的反应效率提高，并能实现高效的发电。
只要燃料能够被汽化，则可提供至根据本发明的燃料电池1的燃料类型没有特别的限制，并且能够自由使用公知的燃料。例如，可使用乙醇、甲醇、有机酸等。
此外，当使用能够汽化并且是可食用、可饮用或者是对人体接触是安全的燃料时，能够获得更高安全性的燃料电池1。这些燃料的实例包括诸如果汁、运动饮料、糖水、酒精饮料的饮料和诸如洗液的化妆品。并且，如果将人们在日常生活中使用的饮料、化妆品等用作根据本发明的燃料电池1中的燃料，除了燃料安全之外，还具有在任意地点可提供任意燃料的优势。
(2)负极3
在根据本发明的燃料电池1的负极3中，通过已经被汽化并由燃料汽化层提供的燃料(在下文中称为“汽化燃料”)进行氧化反应而释放电子。
用于负极3的材料可以是任何公知的材料，并且只要该材料能够与外界电连接，则没有特别的限制。该材料的实例包括诸如Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge和Hf的金属；诸如铝镍合金、黄铜、硬铝、青铜、铜镍锌合金、铂铑合金、海波可(hyperco)、坡莫合金、波明德合金、镍黄铜和磷青铜的合金；诸如聚乙炔的导电聚合物；诸如石墨和碳黑的碳材料；诸如HfB2、NbB、CrB2和B4C的硼化物；诸如TiN和ZrN的氮化物；诸如VSi2、NbSi2、MoSi2和TaSi2的硅化物；以及这些材料的组合物。
可选地，可以将酶固定在负极3上。例如，在将包含乙醇的燃料用作燃料的情况下，可固定用于氧化分解乙醇的氧化酶。氧化酶的实例包括醇脱氢酶、醛还原酶、醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、羟基丙酮酸还原酶、甘油酸脱氢酶、甲酸脱氢酶、果糖脱氢酶、半乳糖脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖酸5-脱氢酶和葡萄糖酸2-脱氢酶。
此外，除了上述氧化酶，可以在负极3上固定氧化型辅酶和辅酶氧化酶。氧化型辅酶的实例包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(在下文中称为“NAD+”)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(在下文中称为“NADP+”)、黄素腺嘌呤二核苷酸(在下文中称为“FAD+”)和吡咯喹啉苯醌(在下文中称为“PQQ2+”)。辅酶氧化酶的实例包括心肌黄酶。
当在负极3发生汽化燃料的氧化分解时，重复进行氧化还原反应，其中上述氧化型辅酶分别被还原为NADH、NADPH、FADH和PQQH2，所得到的还原型辅酶利用辅酶氧化酶而成为氧化型辅酶。这里，当还原型辅酶成为氧化型辅酶时，产生两个电子。
此外，除了上面描述的氧化酶和氧化型辅酶，还可在负极3上固定电子转移介质。这是为了增强在电极之间所产生电子的迁移平稳性。电子转移介质的实例包括2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)，维生素K3，2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)，2-氨基-3-甲基-1，4-萘醌(AMNQ)，2，3-二氨基-1，4-萘醌，锇(Os)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)等的金属络合物，诸如苄基紫精(benzyl viologen)的紫精化合物，具有苯醌结构的化合物，具有烟酰胺结构的化合物，具有核黄素结构的化合物，以及具有核苷磷酸结构的化合物。
(3)正极4
在根据本发明的燃料电池1的正极4，利用从负极3释放出并通过下述的负极集电体31和正极集电体41的电子以及从外界所提供的氧气，发生还原反应。
用于正极4的材料也可以是任何公知的材料，并且只要该材料能够与外界电连接，则没有特别限制。该材料的实例包括诸如Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、和Hf的金属；诸如铝镍合金、黄铜、硬铝、青铜、铜镍锌合金、铂铑合金、海波可、坡莫合金、波明德合金、镍黄铜和磷青铜的合金；诸如聚乙炔的导电聚合物；诸如石墨和碳黑的碳材料；诸如HfB2、NbB、CrB2和B4C的硼化物；诸如TiN和ZrN的氮化物；诸如VSi2、NbSi2、MoSi2和TaSi2的硅化物；以及这些材料的组合物。
可选地，可将酶固定在正极4上。只要该酶具有使用氧气作为反应底物的氧化酶活性，则固定在正极4上的酶的类型没有特别限制，并且在需要时能够随意选择。酶的实例包括漆酶、胆红素氧化酶和抗坏血酸氧化酶。
此外，除了上述酶，在正极4上固定电子转移介质。这是为了增强在负极3所产生并通过负极集电体31和正极集电体41迁移的电子的接收平稳性。能固定在正极4上的电子转移介质的类型没有特别的限制，并且可根据需要自由选择。例如，可使用ABTS(2，2′-谷硫磷(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸盐))(2，2′-azinobis(3-ethylbenzoline-6-sulfonate)、K3[Fe(CN)6]等。
(4)质子传导体6
上面描述的负极3和正极4以质子能够传导的状态相互连接。该连接方法没有特别的限定。例如，如图1的实施方式所示，将负极3和正极4设置在燃料电池1中，并通过质子传导体6相互面对，从而负极3和正极4以质子能够传导的状态相互连接。
用于质子传导体6的材料可以是任何公知的材料，只要该材料没有电子传导性并且是能传送H+的电解质，则没有特别的限制。例如，可使用包含缓冲物质的电解质。缓冲物质的实例包括由磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等所产生的磷酸二氢根离子(H2PO4 -)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(缩写为Tris)、2-(N-吗啉)乙磺酸(MES)、二甲次胂酸、碳酸(H2CO3)、柠檬酸氢根离子(hydrogen citrate ions)、N-(2-乙酸胺)亚氨二乙酰乙酸(ADA)、哌嗪-N，N′-二(2-乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酸胺)-2-氨基乙磺酸(ACES)、3-(N-吗啉)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(缩写为Tricine)、双甘氨肽、N，N-双(2-羟乙基)甘氨酸(缩写为Bicine)、咪唑、三唑、吡啶衍生物、双吡啶衍生物、以及具有咪唑环的化合物，例如咪唑衍生物(组氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、乙基-咪唑-2-羧酸盐、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-甲酸、咪唑-4，5-二甲酸、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-苯甲基咪唑和1-丁基咪唑)。
(5)负极集电体31和正极集电体41
负极集电体31和正极集电体41每一个均与外部电路连接，从而将由负极3释放的电子通过外部电路从负极集电体31传送到正极集电体41，并提供至正极4。
在该实施方式中，形成负极集电体31，使得汽化的燃料能够通过负极集电体31，并且形成正极集电体41，使得氧气能通过正极集电体41，负极集电体31和正极集电体41将负极3和正极4夹在其间。然而，该结构不局限于此。例如，可将负极集电体31(正极集电体41)设置在负极3(正极4)和质子传导体6之间，或者负极集电体31(正极集电体41)沿着负极3(正极4)延伸。
用于负极集电体31和正极集电体41的材料可以是任何公知的材料，并且只要该材料能够与外界电连接，则没有特别限制。该材料的实例包括诸如Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge和Hf的金属；诸如铝镍合金、黄铜、硬铝、青铜、铜镍锌合金、铂铑合金、海波可、坡莫合金、波明德合金、镍黄铜和磷青铜的合金；诸如聚乙炔的导电聚合物；诸如石墨和碳黑的碳材料；诸如HfB2、NbB、CrB2和B4C的硼化物；诸如TiN和ZrN的氮化物；诸如VSi2、NbSi2、MoSi2和TaSi2的硅化物；以及这些材料的组合物。
图2是示出了根据本发明的不同于图1中所示的燃料电池1的一个实施方式(第二实施方式)的示意性截面图。
在根据本实施方式的燃料电池1中，分别在负极3和正极4内形成空气层32和42(在下文中称为“负极空气层32”和“正极空气层42”)。以这种方式在负极3和正极4内形成负极空气层32和正极空气层42，从而汽化的燃料能渗透进入负极3的内部，如图2中的箭头F所示，并且反应所需的氧气能够渗透进入正极4的内部，如图2中的箭头O所示。
例如，通过利用用于负极3和正极4的具有多孔结构的传导性材料来形成负极空气层32和正极空气层42。该多孔结构的孔的尺寸没有特定的限制，并且能自由设置。例如，孔的尺寸为9nm以上且1mm以下，优选1μm以上且1mm以下，更优选1μm以上且600μm以下。
此外，在根据本发明的燃料电池1中，将具有质子传导性的电解质层33和34(在下文中称为“负极电解质层33”和“正极电解质层43”)分别层叠在负极3和正极4的表面上。
负极电解质层33和正极电解质层43具有将在负极3处的反应所产生的H+从负极电解质层33通过质子传导体6传送给正极电解质层43，并传送给正极4的功能。此外，将在正极4处的反应所产生的水从正极电解质层43通过质子传导体6回传给负极电解质层33，并传送给负极3。该水起到在负极3处反应所需的水的作用。如上所述，在根据本发明的燃料电池1中，很容易控制在正极4处的水。
用于负极电解质层33和正极电解质层43的电解质没有特别的限制，只要该电解质没有电子传导性并且能传送H+，并且可随意使用任何公知的电解质。例如，可使用包含缓冲物质的电解质。缓冲物质的实例包括由磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等所产生的磷酸二氢根离子(H2PO4 -)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(缩写为Tris)、2-(N-吗啉)乙磺酸(MES)、二甲次胂酸、碳酸(H2CO3)、柠檬酸氢根离子、N-(2-乙酸胺)亚氨二乙酰乙酸(ADA)、哌嗪-N，N′-二(2-乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酸胺)-2-氨基乙磺酸(ACES)、3-(N-吗啉)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(缩写为Tricine)、双甘氨肽、N，N-双(2-羟乙基)甘氨酸(缩写为Bicine)、咪唑、三唑、吡啶衍生物、双吡啶衍生物、以及具有咪唑环的化合物，例如咪唑衍生物(组氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、乙基-咪唑-2-羧酸盐、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-甲酸、咪唑-4，5-二甲酸、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-苯甲基咪唑和1-丁基咪唑)。
在此实施方式中，如同第一实施方式，可将酶、微生物、辅酶、电子转移介质等可选地固定在负极3和正极4上。固定方法没有特别的限制，例如，可使用这样的方法，即将酶、微生物、辅酶、电子转移介质等固定在负极电解质层33和正极电解质层43上。
图3是示出了根据本发明的不同于图1和图2中所示的燃料电池1的一个实施方式(第三实施方式)的示意性截面图。
在根据本实施方式的燃料电池1中，负极电解质层33、正极电解质层43和质子传导体6由相同的电解质形成，从而负极3和正极4以能够传导质子的状态而相互连接。
电解质的实例以及将酶、微生物、辅酶、电子转移介质等固定的实例与在第二实施方式中的情况相同。
<电力供应设备>
图4是示出了根据本发明的电力供应设备7的实施方式(第一实施方式)的示意性截面图。
根据本发明，电力供应设备7包括至少两个串联连接的上述燃料电池1。由于现有的生物燃料电池的输出要低于其它电池，因此需要串联多个生物燃料电池以实现高输出。然而，如果相互串联连接生物燃料电池以实现高输出，就需要给多个生物燃料电池中的每一个提供燃料，这会造成燃料提供复杂，并在发电前需要较长时间的问题。
然而，在根据本发明的电力供应设备7中，由于通过提供汽化燃料来发电，因此能够同时将燃料提供至至少两个燃料电池1的负极3。从而，电力供应设备7通过简单的燃料供应就能够实现高输出。
此外，现有的生物燃料电池的燃料是液体燃料。因此，当生物燃料电池如同根据本发明的电力供应设备7那样相互串联连接时，在图4中对应于燃料汽化层的区域(由符号2所表示)需要用液体燃料填充，以便为至少两个负极提供燃料。在这种情况下，由于液体燃料具有电解质的性能，因此离子在至少两个负极之间通过燃料迁移。其结果是，不能进行发电。因此，为了进行发电，在提供液体燃料后，需要防止离子在至少两个负极之间迁移的手段。
然而，在根据本发明的电力供应设备7中，由于提供汽化的燃料，因此液体燃料不与负极3接触，从而能同时给至少两个负极3提供燃料，并防止离子在至少两个负极3之间迁移。
在根据本实施方式的电力供应设备7中，两个燃料电池1以串联的方式相互连接，但是只要至少两个燃料电池1以串联的方式相互连接，则数量没有特别的限定。燃料电池1的数量可自由设定，并根据所需要的电能进行调整。
燃料电池1的连接方法没有特别的限定，只要该连接是串联的方式。例如，如图4所示，一个燃料电池1的负极集电体31与其它燃料电池1的正极集电体41相连接，从而至少两个燃料电池1能够以串联方式连接。
图5是示出了根据本发明的不同于图4所示的电力供应设备7的实施方式(第二实施方式)的示意性截面图。
在根据该实施方式的电力供应设备7中，燃料电池1通过盖部元件51与其它的燃料电池串联相互连接。盖部元件51能够紧密地密封燃料存储元件5。此外，设置燃料电池1的负极3与盖部元件51的内部相对。需要注意的是，在根据本实施方式的电力供应设备7中，将燃料电池1设置在盖部元件51的侧壁上，但是燃料电池1的安放位置没有特别的限制，只要每个负极3能接触到汽化的燃料。除了盖部元件51的侧壁，还可将燃料电池1设置在盖部元件51的上表面上。
通过汽化存储在燃料存储元件5中的液态燃料，将汽化燃料提供至负极3，并在负极3处发生汽化燃料的氧化反应，从而释放电子。因此，通过负极集电体31和正极集电体41将从负极3释放出的电子传送给正极4。
在正极4处，利用从负极3经负极集电体31和正极集电体41传送的电子以及由外界提供的氧气，发生还原反应。因此，盖部元件51的正极4侧需要具有空气渗透性的结构。例如，在本实施方式中，通过形成空气入口511，以获得将氧气提供至正极4的结构。此外，可以通过在盖部元件51的正极4侧形成具有空气渗透性的膜片或薄膜来将氧气提供至正极4。
根据本实施方式的电力供应设备7包括位于燃料存储元件5的盖部元件51内部的电子控制器512。当将在燃料电池1中产生的电能提供至外部时，电子控制器512具有控制电能供应的功能。具体地说，在电子控制器512中设置升压电路等，将在燃料电池1中产生的电能的电压控制为将被提供电能的外部设备(例如电子装置)的规定范围内的电压。
<电子装置>
由于根据本发明的燃料电池1通过简单的燃料供应，能有效地提供高的输出电流和电压，因此燃料电池1能适用于各种公知的电子装置。
电子装置的结构、功能等没有特别的限制，只要该电子装置能使用至少一个或多个根据本发明的燃料电池1，并且电子装置包括可电动操作的任何装置。电子装置的实例包括便携式电话、移动装置、机器人、个人计算机、游戏机、车载装置、家用电器、诸如工业产品的电子装置、诸如汽车、两轮车辆、飞机、火箭和太空船的移动单元、测试装置、用于起搏器的电源、诸如体内设备的电源(包括生物传感器)的医疗装置、诸如通过分解厨房垃圾产生电能的系统的电力产生系统、以及热电联产系统。
实施例1
在实施例1中，制造根据本发明的燃料电池，并实际进行发电。
<制造燃料电池>
首先，按照下面的方式制造用于燃料电池的负极。先制备各种溶液(1)至(6)。将100mM的磷酸二氢钠(NaH2PO4)缓冲液(I.S.＝0.3，pH＝7.0)用作缓冲溶液。
(1)ANQ丙酮溶液
为了制备ANQ丙酮溶液(1)，称10至50mg的2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)(合成化合物)并溶解在1ml的丙酮溶液中。
(2)DI酶缓冲液
为了制备DI酶缓冲溶液(2)，称5至10mg的心肌黄酶(DI)(EC1.6.99.-，B1D111，可由UNITIKA Ltd.获得)并溶解在1.0ml的缓冲液中。
(3)NADH缓冲液
为了制备NADH缓冲溶液(3)，称30.0至60.0mg的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)(N-8129，可从Sigma-Aldrich Co.获得)，并溶解在0.1ml的缓冲液中。
(4)ADH酶缓冲液
为了制备ADH酶缓冲溶液(4)，称10至15mg的醇脱氢酶(ADH)并溶解在1.0ml的缓冲液中。
(5)PLL水溶液
为了制备PLL水溶液(5)，称合适重量的聚-L-赖氨酸氢溴酸(PLL)(164-16961，可从Wako获得)并溶解在离子交换水中，从而获得1wt％至2wt％的PLL水溶液。
(6)PAAcNa水溶液
为了制备PAAcNa水溶液(6)，称合适重量的聚丙烯酸钠(PAAcNa)(041-00595，可从Aldrich Co.获得)并溶解在离子交换水中，从而获得0.01wt％至0.1wt％的PAAcNa水溶液。
使用微型注射器按照从(1)至(6)的顺序以表1中给出的量将上述制备的各种溶液应用于多孔碳(可从TOKAI CARBON Co.，Ltd.获得)。随后，适当地干燥该溶液以产生固定有酶/电子介质的电极(负极3)。
表1
 (1)ANQ丙酮溶液   7μL
 (2)DI酶缓冲液   10μL
 (3)NADH缓冲液   10μL
 (4)ADH酶缓冲液   10μL
 (5)PLL水溶液   10μL
 (6)PAAcNa水溶液   4μL
接下来，按照下述方式制造用于燃料电池的正极4。商业上可获得的碳毡(BO050，可从TORAY获得)可用作多孔碳。碳毡用80μL六氰合铁离子(100mM)、80μL聚-L-赖氨酸(1wt％)和80μL胆红素氧化酶(BOD)溶液(50mg/ml)按顺序进行浸渍，然后适当干燥，以得到固定有酶/电子介质的电极(正极4)。
作为质子传导体6的玻璃纸夹在按照上述方式制造的正极4和负极3之间。将正极4、质子传导体6(玻璃纸)和负极3按照如图6所示的顺序进行排列以组装燃料电池1。需要注意的是，尽管在图中没有示出，但正极集电体41和负极集电体31由不锈钢构成。
<测量>
为了将负极3、质子传导体6(玻璃纸)和正极4浸没在磷酸溶液中，从负极3侧加入400μL的1M磷酸溶液。随后，如图6所示设置参比电极(Ag|AgCl)，使其接触浸没在磷酸溶液中的玻璃纸，并测量电势。
如图6所示，包含乙醇溶液的燃料存储元件5设置在负极3下方，用电压表测量负极3的电势和电池电压。稍后，如图7所示，负极3的电势下降，电池的电压达到0.69V。由此，证实乙醇蒸气作为燃料被提供至负极3，并在固定有酶的电极上发生由酶促进的乙醇的氧化反应。
随后，将电池电压设为0.4V，并随着时间测量输出值(计时安培分析法)。图8给出了结果。5分钟后的输出值为17.61μW/cm2。
在实施例1中，确认了根据本发明的燃料电池1(汽化的乙醇燃料)所进行的发电。
工业实用性
与现有的生物燃料电池相比，根据本发明的燃料电池通过简单的燃料供应能有效地提供高的输出电流和电压。因此，该燃料电池可用作各种电子装置的电源。
此外，如果将人们在日常生活中使用的饮料、化妆品等作为燃料，则在需要时可在任何地方提供燃料。从而，如果发生灾难等事件，电力供应中止时，该燃料电池可用作电源。
此外，如果使用可食用、可饮用或者对于人体接触是安全的燃料，则燃料电池的结构能够被自由地设计，而无需担心燃料泄漏等情况。因此，有趣的效果以及视觉上的美感效果可以加入到配备有根据本发明的燃料电池的电子装置。

Claims (14)

1.一种燃料电池，该燃料电池通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应而发电，所述燃料电池至少包括：
燃料汽化层，通过燃料的汽化而形成；
负极，来自燃料汽化层的汽化燃料被提供至所述负极；和
正极，以能够传导质子的状态连接至所述负极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于还包括：燃料能够通过的负极集电体，所述负极集电体与负极连接；和
氧气能够通过的正极集电体，所述正极集电体与正极连接。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于还包括存储液态燃料的燃料存储元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其特征在于：
在所述负极的内部形成汽化燃料能够通过的空气层，和
在所述正极的内部形成空气能够通过的空气层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池，其特征在于，
所述负极和/或所述正极具有多孔结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池，其特征在于，
将具有质子传导性的电解质层层叠在所述负极和/或所述正极的表面上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池，其特征在于，将酶固定在所述负极和/或所述正极上。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，将所述酶固定在所述电解质层上。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池，其特征在于，固定在所述负极和/或所述正极上的所述酶至少包括氧化酶。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池，其特征在于，将电子转移介质固定在所述负极和/或所述正极上。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的燃料电池，其特征在于，固定在所述负极上的所述酶至少包括氧化型辅酶。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，固定在所述负极上的所述酶包括辅酶氧化酶。
13.一种电力供应设备，包括至少两个串联连接的根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池。
14.一种电子装置，该电子装置使用至少一个通过使用酶作为催化剂进行氧化还原反应而发电的燃料电池，所述电子装置的特征在于：
所述至少一个燃料电池至少包括：
燃料汽化层，通过燃料的汽化而形成；
负极，来自燃料汽化层的汽化燃料被提供至所述负极；和
正极，以能够传导质子的状态连接至所述负极。
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