CN102017267A - 燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备 - Google Patents

燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN102017267A
CN102017267A CN2009801161811A CN200980116181A CN102017267A CN 102017267 A CN102017267 A CN 102017267A CN 2009801161811 A CN2009801161811 A CN 2009801161811A CN 200980116181 A CN200980116181 A CN 200980116181A CN 102017267 A CN102017267 A CN 102017267A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
fuel cell
lysine
poly
negative pole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2009801161811A
Other languages
English (en)
Inventor
杉山太喜
酒井秀树
户木田裕一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of CN102017267A publication Critical patent/CN102017267A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001—Enzyme electrodes
    • C12Q1/005—Enzyme electrodes involving specific analytes or enzymes
    • C12Q1/006—Enzyme electrodes involving specific analytes or enzymes for glucose
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供了一种燃料电池，当使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极之上时能够提高电流密度和其维持率。该燃料电池具有正极2和负极1彼此相对而电解质层3夹在其间的结构，通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得负极1，其中，固定材料中聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比被设置为5∶1至80∶1，葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比被设置为1∶3至200∶1。聚-L-赖氨酸的平均分子量被设置不小于21500。

Description

燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备
技术领域
本发明涉及燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法、以及电子设备。具体地，本发明适用于其中使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极之上的燃料电池，以及制造该燃料电池的方法。此外，本发明涉及适用于该燃料电池的酶固定电极、制造该酶固定电极的方法以及电子设备。
背景技术
燃料电池具有正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)彼此相对而电解质(质子导体)夹于其间的结构。在传统的燃料电池中，供给至负极的燃料(氢)被氧化并分离成电子和质子(H+)；电子被传递至负极；而H+通过电解质移至正极。在正极，H+与由外部供给的氧以及来自负极的通过外部电路传递的电子发生反应以产生H2O。
如上所述，燃料电池是将燃料所含的化学能直接转化成电能的高效发电设备。即，任何使用地点或使用时间，燃料电池都能够高转化效率地将诸如天然气、石油或煤的化石燃料所拥有的化学能作为电能提取出来。因此，传统上，关于燃料电池应用于大规模发电等，已经积极地进行了研究和开发。例如，已经证明，在太空船上安装的燃料电池能够为航天员提供电能和水，而这些燃料电池是洁净的发电设备。
此外，近年来，那些具有从室温至约90℃相对低的工作温度的燃料电池(诸如固体聚合物燃料电池)已经开发出来而受到关注。因此，不仅大规模发电应用，而且对诸如汽车驱动电源和个人电脑和移动器件的便携电源的小系统的应用也受到追捧。
如上所述，燃料电池被认为具有从大规模发电到小规模发电的很宽应用范围，并且作为高效发电设备一直受到很大的关注。然而，在燃料电池、天然气、石油、煤等中，通常使用重整器转化成氢气，氢气用作燃料，所存在的问题是消耗了有限的资源。此外，所存在的问题是燃料电池需要加热至高温并要求由诸如铂(Pt)重金属组成的催化剂。此外，即使在其中氢气或甲醇直接使用作为燃料的情况下，其处理措施仍需小心翼翼。
在这些情况下，针对发生于生物中的生物代谢是高效能量转化机制，已经提出了生物代谢燃料电池的应用。本文中，生物代谢包括发生于微生物细胞中的呼吸作用、光合作用等。生物代谢所具特征在于产能效率非常高而反应在诸如约室温的温和条件下进行。
例如，呼吸作用是诸如糖类、脂肪和蛋白质等营养物质被摄入微生物或细胞中的机制，而其化学能通过以下步骤转化电能。即，通过包括多个酶反应步骤的糖酵解途径和三羧酸(TCA)循环而从所摄取的营养物中产生二氧化碳(CO2)。在产生(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)而将化学能转化成氧化还原能，即电能。此外，在电子传输系统中，NADH的电能直接转化成质子梯度的电能，而氧也被还原而生成水。这里所获得的电能通过三磷酸腺苷(ATP)合成酶而从二磷酸腺苷(ADP)生成ATP。ATP用于微生物和细胞生长所需的反应。这种能量转化发生于细胞液和线粒体中。
此外，光合作用是这样一种机制，在吸收光能并通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(NADP+)由电子传输系统还原成还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(NADPH)而将光能转化成电能的过程中，水被氧化而产生氧。电能用于碳固定反应，在此反应中吸收CO2以合成碳水化合物。
作为将上述生物机制应用于燃料电池的技术，微生物电池已被报道，其中，在微生物中产生的电能通过电子介体而从微生物中取出，而电子递送至电极而获得电流(例如，参见日本未审查专利申请公开第2000-133297号)。
然而，微生物和细胞包括许多除了将化学能转化成电能的目标反应之外的多余反应。因此，在上述方法中，化学能在非所需的反应中消耗，而不能获得充足的能量转化效率。
在这些情况下，其中，已经提出利用酶使得仅发生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，日本未审查专利申请公开第2004-71559号，日本未审查专利申请公开第2005-13210号，日本未审查专利申请开第2005-310613号，日本未审查专利申请公开第2006-24555号，日本未审查专利申请公开第2006-49215号，日本未审查专利申请公开第2006-93090号，日本未审查专利申请公开第2006-127957，日本未审查专利申请公开第2006-156354号，日本未审查专利申请公开第2007-12281号，日本未审查专利申请公开第2007-35437号，以及日本未审查专利申请公开第2007-87627号)。在这样的生物燃料电池中，燃料通过酶分解而分成质子和电子。已经开发出使用作为燃料的诸如甲醇和乙醇的醇；诸如葡萄糖的单糖；或诸如淀粉的多糖的生物燃料电池。
在这样的生物燃料电池中，已知酶和电子介体固定于电极上是及其重要的，这会显著影响生物燃料电池的输出特性、寿命和效率。传统上，已知在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池的负极、葡萄糖脱氢酶、心肌黄酶、电子介体等固定于电极之上。在另一方面，包由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料是已知作为固定材料用于固定酶等(例如，参见日本未审查专利申请公开第2005-13210号)。
在上述生物燃料电池的负极中，在使用上述固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极之上时，没有关于聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比的详细考虑。类似地，也没有关于葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比的详细考虑。此外，也没有关于聚-L-赖氨酸的分子量的详细考虑。
然而，本发明的发明人实施的研究已经揭示出这些质量比和分子量显著地影响电流密度及其维持率。
因此，本发明的一个目的是提供一种当使用固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极之上时其电流密度和维持率得以改进的燃料电池，以及制造这种燃料电池的方法。
本发明的另一目的是提供适用于通过使用固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极上而获得的燃料电池的负极的酶固定电极，和制造这种酶固定电极的方法。
本发明又一目的是提供一种使用上述优异燃料电池的电子设备。
发明内容
尽管以下将进行具体描述，但是本发明的发明人在使用上述固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极之上时对聚-L-赖氨酸与戊二醛的质量比进行了广泛地研究。此外，本发明人也对聚-L-赖氨酸的分子量和葡萄糖脱氢酶与心肌黄酶的质量比进行了广泛地研究。因此，本发明人已经发现，对于这些质量比和平均分子量存在最佳范围，并已完成了本发明。
即，为了解决上述问题，本发明提供了：
具有其中正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构的燃料电池，
其中，负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，而
聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
本发明也提供了：
制造这种燃料电池的方法，其中，当制造具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构且负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的燃料电池时，所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比被设定为5∶1至80∶1。
在本发明中，葡萄糖脱氢酶(具体地，就是NAD+依赖性葡萄糖脱氢酶)是促进葡萄糖氧化以分解为单糖的葡萄糖的氧化酶。心肌黄酶是将通过葡萄糖脱氢酶还原的辅酶转化回氧化剂的辅酶氧化酶。除了葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶之外，电子介体适当地固定于负极上，而辅酶也可选地固定于负极上。例如，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)被用作固定于负极上的辅酶，而心肌黄酶是辅酶的氧化酶。在这种情况下，通过心肌黄酶的作用，在辅酶转化回氧化剂时产生电子，而电子从辅酶氧化酶通过电子介体转移至电极。
同时，当酶固定于正极时，该酶典型地包括氧还原酶。可使用的氧还原酶的实例包括胆红素氧化酶、漆酶和抗坏血酸氧化酶。表1示出了一些氧还原酶(多铜氧化酶)的细节。在这种情况下，除了酶之外，也期望电子介体固定于正极上。电子介体的实例包括亚铁氰化钾、铁氰化钾和八氰合钨酸钾。期望电子介体以例如平均0.64×10-6mol/mm2以上的足够高浓度进行固定。
Figure BDA0000031095210000061
任何电子介体基本上都可以使用，而具有醌骨架的化合物，尤其是具有萘醌骨架的化合物的使用是理想的。各种萘醌衍生物能够用作具有萘醌骨架的化合物。这种萘醌衍生物的实例包括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)和2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)。关于具有醌骨架的化合物，例如，除了具有萘醌骨架的化合物之外，蒽醌及其衍生物也可使用。除了具有醌骨架的化合物之外，电子介体可以可选地包括一种类型或两种类型以上类型的其它化合物而用作电子介体。当具有醌骨架的化合物，尤其是具有萘醌骨架的化合物固定于负极上时，对于所使用的溶剂，使用丙酮是合乎需要的。以这种方式通过使用丙酮作为溶剂，具有醌骨架的化合物溶解性可提高，而具有醌骨架的化合物可有效地固定于负极上。溶剂可以任选包括一种或两种以上丙酮之外的溶剂。
各种物质都可用作正极或负极的材料。例如，可以使用诸如多孔碳、碳丸、碳毡和碳纸的碳类材料。
关于质子导体，各种物质都能够使用，只要它们不具有电子传导性而仅传导质子，并按需要进行选择。具体地，以下物质作为质子导体举例说明。
·玻璃纸
·全氟碳磺酸(PFS)类树脂模
·三氟苯乙烯衍生物的共聚物膜
·浸渍磷酸的聚苯并咪唑膜
·芳族聚醚酮磺酸膜
·PSSA-PVA(聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇共聚物)
·PSSA-EVOH(聚苯乙烯磺酸-乙烯乙烯醇共聚物)
·具有含氟碳磺酸基团的离子交换树脂(例如，Nafion(商品名，DuPont，USA))
在含缓冲物质(缓冲溶液)的电解质用作质子导体的情况下，期望即使在高输出工作期间电极中或酶固定膜中由于使用质子的酶反应而发生质子数量上的增加和降低，也能够实现足够的缓冲作用。通过实现这种充分的缓冲作用，pH从最佳pH发生的漂移可充分降低，而酶的固有容量可得到满意发挥。为了实现此目的，指定电解质中所含的缓冲物质的浓度大于等于0.2M且小于等于2.5M是有效的，优选大于等于0.2M且小于等于2M，更优选大于等于0.4M且小于等于2M，进一步优选大于等于0.8M且小于等于1.2M。通常，只要任何缓冲物质具有的pKa大于等于5且小于等于9，就都可以使用，具体实例如下。
·磷酸氢根离子(H2PO4 -)
·2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(缩写为Tris)
·2-(N-吗啉基)乙磺酸(MES)
·卡可酸
·碳酸(H2CO3)
·柠檬酸氢根离子
·N-(2-乙酰胺)亚胺二乙酸(ADA)
·哌嗪-N，N′-二(2-乙磺酸)(PIPES)
·N-(2-乙酰胺基)-2-氨基乙磺酸(ACES)
·3-(N-吗啉基)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)
·甘氨酰甘氨酸
·N，N-二(2-羟乙基)甘氨酸(缩写为bicine)
产生磷酸二氢根(H2PO4 -)的物质的实例包括磷酸二氢钠(NaH2PO4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)。具有咪唑环的化合物也优选作为缓冲物质。具有咪唑环的化合物的具体实例如下。
·咪唑
·三唑
·吡啶衍生物
·二吡啶衍生物
·咪唑衍生物
咪唑衍生物的具体实例如下。
·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-甲酸乙酯
·咪唑-2-羧醛
·咪唑-4-甲酸
·咪唑-4，5-二甲酸
·咪唑-1-基-乙酸
·2-乙酰基苯并咪唑
·1-乙酰咪唑
·N-乙酰咪唑
·2-氨基苯并咪唑
·N-(3-氨基丙基)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
关于缓冲物质，除了上述那些缓冲物质之外，也可以使用2-氨基乙醇、三乙醇胺、TES(N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸)、BES(N，N-二(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸)等。
除了上述缓冲物质之外，例如，至少一种选自由盐酸(HCl)、乙酸(CH3COOH)、磷酸(H3PO4)和硫酸(H2SO4)组成的组中的酸可以作为中和剂加入，从而可维持更高酶活性。包含缓冲物质的电解质pH优选为约7，但是通常可以是1至14的任何值。
这种燃料电池的整个结构根据需要进行选择。例如，当燃料电池具有硬币型或纽扣型结构时，优选这种燃料电池具有其中正极、电解质和负极都容纳于具有氧化剂能够渗透通过的结构的正极集电体和具有燃料能够渗透通过的结构的负极集电体之间形成的空间内的结构。此外，在这种情况下，典型地正极集电体和负极集电体中的一个的边缘填嵌至正极集电体和负极集电体中的另一个，而其间填充绝缘密封件，由此形成容纳正极、电解质和负极的空间，但是该结构并不仅限于此。例如，该空间可以根据需要通过另一处理方法形成。正极集电体和负极集电体通过绝缘密封件相互电绝缘。由于使用绝缘密封件，典型地使用由诸如硅橡胶的弹性体材料构成的垫圈，而绝缘密封件并不仅限于此。正极集电体和负极集电体的平面形状可以根据需要进行选择，并为例如圆形、椭圆形、四方形、六角形等。典型地，正极集电体具有一个或多个氧化剂供给端口而负极集电体具有一个或多个燃料供给端口，但是该配置并不仅限于此。例如，氧化剂可渗透通过的材料可用作正极集电体的材料而代替形成氧化剂供给端口。类似地，燃料可渗透通过的材料可用作负极集电体的材料而代替形成燃料供给端口。负极集电体典型地包括燃料储存部。这个燃料储存部可以与负极集电体一体设置或可以从负极集电体可拆卸地设置。燃料储存部典型地包括密封用盖。在这种情况下，燃料可通过取下盖后注入燃料储存部。燃料可以从燃料储存部的侧面注入而不需使用这种密封用盖。当燃料储存部可拆卸地设置在负极集电体时，可以连接预先填充燃料的燃料箱或燃料筒作为燃料储存部。燃料箱或燃料筒可以是一次性的，但从资源有效利用的观点看，优选燃料箱或燃料筒可以加注燃料。可选地，用过的燃料箱或燃料筒可以用充满燃料的燃料箱或燃料筒替换。此外，例如，燃料储存部可以以具有燃料供给端口和燃料卸出端口的密封容器的形式设置，从而燃料从外部通过这个供给端口连续地供给至密封的容器，从而燃料电池可连续使用。可选地，燃料电池可以在这种状态中使用，其中，燃料电池漂浮于容纳在敞开燃料箱中的燃料上，从而负极朝下，正极朝上，而无需提供上述燃料储存部。
这种燃料电池可以具有这样的结构：负极、电解质、正极和具有氧化剂能够渗透通过的结构的正极集电体顺序设置预定中心轴的周围，并且具有燃料能够渗透通过的结构的负极集电体被设置为电连接至负极。在这种燃料电池中，负极可以具有筒状(具有圆形、椭圆形或多边形的截面形状)，或柱状(具有圆形、椭圆形或多边形的截面形状)。当负极具有筒状时，例如，负极集电体可以位于负极的内周边侧面上、位于负极和电解质之间、位于负极的至少一个端面上、或位于上述的两个以上的位置。此外，负极可以配置为储存燃料。例如，负极可以由多孔材料构成从而负极也起到燃料储存部的作用。可选地，柱状燃料储存部可以形成于预定中心轴上。例如，当负极集电体位于负极内周侧上时，燃料储存部可以是由负极集电体包围的空间或设置在该空间内的独立于负极集电体的诸如燃料箱或燃料筒的容器。该容器可以可拆卸地设置或固定。燃料储存部具有例如圆柱形、椭圆柱形、诸如四方形或六边形环形等的多边柱形形状，但是该形状并不仅限于此。电解质可以形成为袋状容器以缠绕整个负极和负极集电体。在这种情况下，当燃料储存部完全填充燃料时，燃料可与整个负极接触。在该容器中，夹于正极和负极之间的至少一部分可以由电解质形成，而其余部分可以由不同于电解质的材料形成。容器可以是具有燃料供给端口和燃料卸出端口的密封容器，从而燃料从外部通过燃料供给端口连续供给至容器，从而燃料电池可连续使用。负极优选地具有高孔隙率，例如60％以上的孔隙率，从而负极可充分将燃料储存于其间。
片状电极可用作正极和负极。片状电极可使用如下例如碳类材料(特别地，优选具有高电导率和高表面积的精细粉末碳材料)形成。碳类材料的实例包括赋予高电导率的KB(科琴黑)和诸如碳纳米管、富勒烯等的功能碳材料。碳类材料与上述酶粉末(或酶溶液)、辅酶粉末(或辅酶溶液)、电子介体粉末(或电子介体溶液)、固定聚合物粉末(或聚合物溶液)等使用玛瑙研钵等进行混合。可选地加入诸如聚偏氟乙烯的粘结剂。混合物适当地进行干燥而随后压制成预定形状以形成片状电极。片状电极的厚度(电极厚度)也根据需要进行确定，但是可以是例如约50μm。例如，当制造硬币型燃料电池时，片状电极可通过将上述形成片状电极的材料使用压片机压制成圆形而形成。圆形片状电极的直径为例如15mm，但是并不仅限于此，可根据需要确定。当形成片状电极时，电极厚度通过控制形成片状电极的材料中所含的碳用量、压制压力等来调节至所需的值。当正极或负极插入到硬币型电池壳中时，例如，优选地通过将金属网隔板插入于正极或负极与电池壳之间而建立电接触。
不使用上述的制造片状电极的方法，例如，可以适当地将碳类材料、可选的粘合剂、以及酶固定组分的混合溶液涂布到集电体等之上并干燥，可以整体压制，随后切成所需的电极尺寸。酶固定组分包括酶、辅酶、电子介体和聚合物。此外，混合溶液是水性混合溶液或有机溶剂混合溶液。
不管设备大小如何，这种燃料电池可用于几乎所有需要电能的设备。具体地，该燃料电池可用于电子设备、移动式设备(例如，汽车、两轮车、飞行器、火箭和航天器)、供电设备、施工机械、机床、发电系统、热电联产系统等。在这种情况下，燃料电池的输出、尺寸和形状以及燃料类型等根据应用等进行确定。
本发明也提供一种电子设备，包含：
一个或多个燃料电池，
其中，至少一个燃料电池具有其中正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构；负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；而聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
这种电子设备可以基本上是任何类型的设备，并包括便携式设备和固定型设备。其具体实例包括便携式电话、可移动设备、机器人、个人电脑(包括台式计算机和笔记本电脑)、游戏机、便携式摄像机(磁带录像机)、车载设备、家用电器和工业产品。可移动设备的实例是个人数字助理(PDA)。
本发明也提供酶固定电极，
其中，至少葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶使用包含聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极之上，而
聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
本发明也提供制造酶固定电极的方法，其中当制造使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极之上的至少包含葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比设定为5∶1至80∶1。
关于燃料电池和制造根据本发明的燃料电池的方法的描述适用于上述电子设备、酶固定电极以及制造根据本发明的酶固定电极的方法。
本发明也提供一种燃料电池，包括正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构，
其中，负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，而
聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
本发明也提供制造燃料电池的方法，其中，当制造具有其中正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间且负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的结构的燃料电池时，聚-L-赖氨酸的平均分子量设定为21500以上。
本发明也提供一种电子设备，包含：
一个或多个燃料电池，
其中，至少一个燃料电池具有其中正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构；负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
本发明也提供酶固定电极，
其中，使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料而至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极之上，而
聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
本发明也提供制造酶固定电极的方法，其中，当制造使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极之上的至少包含葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，聚-L-赖氨酸的平均分子量设定为21500以上。
在指定聚-L-赖氨酸平均分子量的本发明中，除非另外说明，否则聚-L-赖氨酸的平均分子量都指重均分子量(Mw)。将聚-L-赖氨酸的平均分子量设定为21500以上，等于将聚-L-赖氨酸的聚合度设定为103以上。此外，指定聚-L-赖氨酸与戊二醛质量比的本发明的描述适用于指定聚-L-赖氨酸的平均分子量的本发明。
本发明也提供一种包含其中正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构的燃料电池，
其中，负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，而
葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
本发明也提供了制造该燃料电池的方法，其中，当制造具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间且负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的结构的燃料电池时，葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比被设定为1∶3至200∶1。
本发明也提供一种电子设备，包含：
一个或多个燃料电池，
其中至少一个燃料电池具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间结构；负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；而葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
本发明也提供一种酶固定电极，
其中，使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极之上，以及
葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
本发明也提供了制造酶固定电极的方法，其中，当制造使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛的组成的固定材料固定于电极上的至少包括葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的质量比被设定为1∶3至200∶1。
指定聚-L-赖氨酸与戊二醛质量比的本发明的描述适用于指定葡萄糖脱氢酶与心肌黄酶质量比的本发明。
在具有上述配置的本发明中，通过设定在固定材料中聚-L-赖氨酸与戊二醛质量比为5∶1至80∶1可防止葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶从电极上洗脱。此外，通过在固定材料中聚-L-赖氨酸的平均分子量设定为21500以上可以类似地防止葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶从电极上洗脱。此外，通过设定葡萄糖脱氢酶与心肌黄酶为1∶3至200∶1可以类似的方式防止葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶从电极上洗脱。
根据本发明，可防止固定于电极上的葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的洗脱，从而可改进电流密度及其维持率，这可提供具有高性能的燃料电池。此外，使用这种优异的燃料电池，可实现高性能的电子设备。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施方式的生物燃料电池的示意性线图。
图2是示出根据本发明第一实施方式的生物燃料电池负极的详细结构，固定于负极上的一组酶的实例和通过该组酶实施的电子传递反应的示意性线图。
图3是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图4是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图5是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图6是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图7是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图8是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图9是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图10是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图11是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图12是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图13是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的实验结果的示意性线图。
图14是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的计时安培分析法结果的示意性线图。
图15是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的计时安培分析法结果获得的缓冲溶液和电流密度之间关系的示意性线图。
图16是示出用于图14中所示的计时安培分析法测定的测定系统的示意性线图。
图17是示出用于评价根据本发明第一实施方式的生物燃料电池所实施的循环伏安法结果的示意性线图。
图18是示出图17中所示的循环伏安法测定所用测定系统的示意性线图。
图19是示出根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用含有咪唑的缓冲溶液和NaH2PO4缓冲溶液而实施的计时安培分析法结果的示意性线图。
图20是用于描述当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用含有咪唑的缓冲溶液时能够恒定地获得高电流的机制的示意性线图。
图21是用于描述当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用NaH2PO4缓冲溶液时电流降低的机制的示意性线图。
图22是示出当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用各种缓冲溶液时缓冲溶液浓度和电流密度之间关系的示意性线图。
图23是示出当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用各种缓冲溶液时缓冲溶液浓度和电流密度之间关系的示意性线图。
图24是示出当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用各种缓冲溶液时缓冲溶液的缓冲剂物质分子量和电流密度之间关系的示意性线图。
图25示出当在根据本发明第一实施方式的生物燃料电池中使用各种缓冲溶液时缓冲溶液的pKa和电流密度之间关系的示意性线图。
图26是示出根据本发明第一实施方式的生物燃料电池具体结构实例的示意性线图。
图27包括示出根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的顶视图、截面图和底视图。
图28是示出根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的分解透视图。
图29是用于描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的制造方法的示意性线图。
图30是用于描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的使用方法的第一实例的示意性线图。
图31是用于描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的使用方法的第二实例的示意性线图。
图32是用于描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池的使用方法的第三实例的示意性线图。
图33是示出根据本发明第三实施方式的生物燃料电池和该生物燃料电池的使用方法的示意性线图。
图34包括示出根据本发明第四实施方式的生物燃料电池的正视图和纵剖视图。
图35是示出根据本发明第四实施方式的生物燃料电池的分解透视图。
具体实施方式
现在将描述实施本发明的最佳模式(在下文中称为“实施方式”)。注意，将按照以下顺序进行描述。
1.第一实施方式(生物燃料电池)
2.第二实施方式(生物燃料电池)
3.第三实施方式(生物燃料电池及其制造方法)
4.第四实施方式(生物燃料电池)
<1.第一实施方式>
[生物燃料电池]
图1示意性地示出了根据本发明第一实施方式的生物燃料电池。在该生物燃料电池中，葡萄糖用作燃料。图2示意性地示出了该生物燃料电池的负极的详细结构，固定于负极上的一组酶的实例和通过该组酶执行的电子传递反应。
如图1中所示，该生物燃料电池具有这样的结构：负极1和正极2彼此相对而电解质层3介于其间，电解质层3无电子传导性而仅传导质子。在负极1处，作为燃料供给的葡萄糖被酶分解以提取电子并也产生质子(H+)。在正极2处，使用从负极1通过电解质层3传输的质子、从负极1通过外电路传输的电子以及在空气等中的氧而生成水。
在负极1处，用固定材料(未示出)将有助于葡萄糖分解的氧化酶、辅酶、辅酶氧化酶、电子介体等固定于由例如多孔碳构成的电极11(参见图2)之上。在本文中，有助于葡萄糖分解的氧化酶是葡萄糖脱氢酶(GDH)。辅酶在葡萄糖分解过程中通过氧化反应而被还原以变成还原形式。辅酶的实例包括NAD+和NADP+。辅酶氧化酶氧化辅酶的还原形式(例如，NADH和NADPH)，而是心肌黄酶(DI)。电子介体被配置为从心肌黄酶接收通过辅酶氧化产生的电子并将该电子递送至电极11。固定材料由聚-L-赖氨酸(PLL)和戊二醛(GA)构成。在本文中，固定材料中聚-L-赖氨酸和戊二醛的质量比优选地选择为5∶1至80∶1。此外，固定材料中的聚-L-赖氨酸的平均分子量优选地选择为21500以上。此外，固定于电极11之上的葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶之间的质量比优选地选择为1∶3至200∶1。例如，图2示出了其还原形式利用葡萄糖分解过程中的氧化反应产生的辅酶为NAD+和被配置用于从心肌黄酶接收通过辅酶氧化产生的电子并将电子递送至电极11的电子介体为ACNQ的情况。
在作为有助于葡萄糖分解的酶的葡萄糖脱氢酶(GDH)存在下，例如，β-D-葡萄糖能够被氧化成D-葡萄糖酸-δ-内酯。
此外，D-葡萄糖酸-δ-内酯在两种酶，即葡萄糖酸激酶和磷酸葡糖酸脱氢酶存在下能够分解成2-酮-6-磷酸-D-葡萄糖酸酯。即，D-葡萄糖酸-δ-内酯通过水解转化成D-葡萄糖酸酯。D-葡萄糖酸酯通过在葡萄糖酸激酶存在下将三磷酸腺苷(ATP)水解成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸，从而磷酸化成6-磷酸-D-葡萄糖酸酯。通过氧化酶PhGDH的作用，6-磷酸-D-葡萄糖酸酯被氧化成2-酮-6-磷酸-D-葡萄糖酸酯。
此外，通过使用葡萄糖代谢而不使用上述分解过程，葡萄糖能够分解成CO2。使用葡萄糖代谢的分解过程大致分为通过糖酵解途径的葡萄糖分解和丙酮酸生成、以及TCA循环，这是公知的反应体系。
单糖分解过程中氧化反应的进行伴随辅酶的还原反应。在大多数情况下，辅酶根据在分解过程中起作用的酶进行确定。如果GDH用作酶，则NAD+就用作辅酶。即，当β-D-葡萄糖通过GDH的作用而被氧化成D-葡萄糖酸-δ-内酯时，NAD+就还原成NADH以产生H+。
产生的NADH在心肌黄酶(DI)存在下立即被氧化成NAD+以生成两个电子和H+。因此，每个葡萄糖分子通过一步氧化反应生成两个电子和两个H+。通过两步氧化反应而总计产生四个电子和四个H+。
通过上述过程生成的电子从心肌黄酶通过电子介体递送至电极11而H+通过电解质层3传输至正极2。
电子介体执行至/来自电极11的电子的传输。生物燃料电池的输出电压取决于电子介体的氧化还原电位。即，为了获得更高的输出电压，具有更负电位的电子介体可以选择用于负极1侧。然而，电子介体对酶的反应亲和性、与电极11的电子交换速率、对抑制因子(例如，光和氧)的结构稳定性等也不得不进行考虑。从这些观点出发，2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)、维生素K3(VK3)等优选地用作固定于负极1上的电子介体。其它可使用的电子介体的实例包括具有醌骨架的化合物；锇(Os)、钌(Ru)、铁(Fe)、钴(Co)等的金属络合物；诸如苄基紫精的紫精化合物；具有烟酰胺结构的化合物；具有核黄素结构的化合物；和具有核苷酸-磷酸结构的化合物。
电解质层3是将负极1处产生的H+传输至正极2的质子导体，并由不具有电子传导性但能传输H+的材料构成。例如，电解质层3可以由从上述材料适当地选择出的材料构成。在这种情况下，电解质层3包含含有具有咪唑环的化合物作为缓冲物质的缓冲溶液。具有咪唑环的化合物可适当地选自以上提及的化合物，例如，咪唑。用作缓冲物质的具有咪唑环的化合物的浓度，根据不同情况进行选择，而该浓度优选大于等于0.2M并小于等于3M。在这种情况下，可实现高缓冲容量，即使当该生物燃料电池在高输出电压下工作时也可展示令人满意的酶的固有能力。此外，太高或太低的离子强度(I.S.)对酶活性有不利影响。在还考虑电化学响应性时，例如，约0.3的适当离子强度是优选的。然而，对于pH和离子强度，最佳值根据所用的酶不同而不同，而并不仅限于上述值。
配置正极2使氧还原酶和接收和传输来自/至电极的电子的电子介体固定于例如多孔碳构成的电极之上。例如，胆红素氧化酶(BOD)、漆酶、抗坏血酸氧化酶等都可用作氧还原酶。作为电子介体，例如，通过六氰合铁酸钾的离子化而产生的六氰合铁酸根离子也可使用。电子介体优选地以足够高浓度，例如，平均0.64×10-6mol/mm2或更高浓度进行固定。
在正极2处，空气中的氧被从电解质层3传输的H+和从负极1传送的电子在氧还原酶存在下还原生成水。
在具有上述配置的燃料电池中，当以葡萄糖溶液等形式将葡萄糖供给至负极1侧时，通过包含有氧化酶的分解代谢酶分解葡萄糖。由于单糖的这个分解过程中氧化酶的参与，电子和H+可在负极1侧生成，在负极1和正极2之间可产生电流。
接着，将描述用作负极1的酶/辅酶/电子介体固定电极的单电极的电化学测定结果。
酶/辅酶/电子介体固定电极如下进行制备。
首先，各种溶液按照以下描述进行制备。作为制备这些溶液的缓冲溶液，使用100mM磷酸二氢钠(NaH2PO4)缓冲溶液(I.S.＝0.3，pH＝8.0)。
GDH酶缓冲溶液(1)
称15mg GDH(NAD依赖性，EC 1.1.1.47，由Amano Enzyme Inc.制造，77.6U/mg)并溶解于100μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备GDH酶缓冲溶液(1)。将要溶解酶的缓冲溶液优选在4℃或更低温度下冷藏直至使用之前，如果可能，酶缓冲溶液也优选在4℃或更低温度下冷藏。
DI酶缓冲溶液(2)
称重15mg DI(EC 1.6.99.由Amano Enzyme Inc.制造，77.6U/mg)并溶解于100μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备DI酶缓冲溶液(2)。将要溶解酶的缓冲溶液优选地4℃或更低温度下冷藏直至使用之前，酶缓冲溶液如果可能也优选在4℃或更低温度下冷藏。
NADH缓冲溶液(3)
称重41.0mg NADH(由Sigma Aldrich Corporation制造，N-8129)并溶解于64μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备NADH缓冲溶液(3)。
ANQ丙酮溶液(4)
称重6.2mg 2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)(合成产品)并溶解于600μL丙酮溶液中以制备ANQ丙酮溶液(4)。
PLL水溶液(5)
称重适量的聚-L-赖氨酸溴化氢(PLL)(由Sigma Aldrich Corporation制造，P-1524，Mw＝513k)并溶解于离子交换水中以达到1.0wt％，从而制备PLL水溶液(5)。
GA水溶液(6)
称重适量的戊二醛(GA)(由KANTO CHEMICAL Co.，Inc.制造，17026-02，50％水溶液)并溶解于离子交换水中以达到0.125wt％，从而制备GA水溶液(6)。
如上所述制备的溶液(1)至(4)按照以下所述用量取样并进行混合。混合物溶液用微量移液管等施加到玻璃碳电极上，然后按需干燥以制备酶/辅酶/电子介体涂敷的电极。玻璃碳电极由BAS公司制造，并通过围绕直径3mm的电极部分形成厚度1.5mm的塑胶来获得以具有6mm的直径。
GDH酶缓冲溶液(1)：6.2μL(GDH总质量为933μg，而每单位面积的质量为132μg/mm2)
DI酶缓冲溶液(2)：3.1μL(总质量DI为467μg，而每单位面积的质量为66.1μg/mm2)
NADH缓冲溶液(3)：2.0μL
ANQ丙酮溶液(4)：18.7μL
PLL水溶液(5)被涂布于酶/辅酶/电子介体-涂敷的电极之上，随后按需执行干燥。此后，涂布GA水溶液(6)后按需执行干燥以制备酶/辅酶/电子介体-固定的电极。酶/辅酶/电子介体-固定的电极通过改变PLL水溶液(5)和GA水溶液(6)的涂布量来进行制备，从而在最终获得的固定膜中PLL比GA的9个质量比在1∶2至80∶1的范围内。然而，在固定膜中PLL和GA的总质量固定为319μg。此外，GDH与DI的质量比固定为2∶1，并且GDH和DI的总质量固定为319μg。NADH的质量为1.28mg，而ANQ质量为195μg。
由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极的电位被设定为0.1V，这是比电子介体的氧化还原电位足够更高的电位，而使用测定溶液相对于参考电极Ag|AgCl对该电极执行计时安培分析法(CA)。测定溶液通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)中使得浓度调节至0.4M。图3示出了执行计时安培分析法1小时(3600s)之后电流的测定结果。
由图3清楚可见，当PLL与GA的质量比在5∶1至80∶1的范围时，约80μA或更高的高电流即使在1小时之后仍能获得。特别地，当质量比为16∶1时，获得了130μA的极高电流。因此，可以看出，5∶1至80∶1的PLL与GA质量比可提供高电流及其维持率。
从独立执行的实验中也发现，当PLL和GA总质量为300μg至1500μg时，获得了高电流。
接着，将描述酶/辅酶/电子介体-固定的电极中GDH与DI质量比的检测结果。
通过改变GDH酶缓冲溶液(1)和DI酶缓冲溶液(2)的涂布量来制备酶/辅酶/电子介体-固定的电极，从而最终获得的固定膜中GDH与DI的9个质量比在1∶3至10∶1的范围内。本文中，使用如上述的相同玻璃碳电极作为电极。此外，固定膜中GDH和DI的总质量固定为600μg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为30μL而GA水溶液(6)的涂布量为15μL。NADH的质量为1.28mg，而ANQ的质量为195μg。
使用如上所述的那些相同测定溶液和条件对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行计时安培分析法(CA)。图4示出了执行计时安培分析法1小时(3600秒)之后电流的测定结果。
从图4清楚可见，当GDH和DI的质量比在1∶3至4∶1的范围内时，60μA或更高的高电流即使在1小时之后也能获得。特别地，当质量比为2∶1，获得了80μA或更高的极高电流。因此，可以看出，1∶3至4∶1的GDH与DI的质量比可提供高电流及其维持率。本文中，当GDH与DI质量比换算为酶活性单位(U)时，GDH可以77.6U/mg换算，而DI能够以1030U/mg换算。从1∶3至4∶1的GDH与DI质量比可表示成从1∶39.8至1∶3.3的酶活性比。
从独立执行的实验也可以发现，当GDH与DI总质量为500μg至3000μg时，特别是1000μg至2500μg时，获得了高电流。
本文中，U(单位)是表示酶活性的指标，例如能够按照以下描述获得。
<心肌黄酶(DI)>
反应式
DI
NADH+DCIP(氧化)+H+→NAD++DCIP(还原)
DCIP(氧化)的消失通过分光光度法在600nm波长处进行测定。
在以下描述的条件下，1U(单位)可定义为每分钟还原1μmol DCIP(氧化)的酶用量。
试剂
溶液A：60mM Tris-HCl缓冲溶液(pH 8.5)
溶液B：NADH溶液
85.1mg β-NADH(由Oriental Yeast Co.，Ltd.制造)溶解于10mL去离子水中。
溶液C：2，6-二氯酚靛酚(DCIP)溶液
2.35mg DCIP钠盐二水合物溶解于水中。
溶液D：酶溶液
20mg心肌黄酶“Amano”溶解于冷却去离子水中。
该酶溶液的浓度经过调节而使ΔOD/min为0.020±0.005。
测定方法
使用移液管将溶液A：2.5mL、溶液B：0.25mL和溶液C：0.25mL用移液管加入到试管(cuvette)(d＝10mm)中并在30±0.1℃下保持5min。随后，使用移液管将溶液D：0.1mL加入到试管中，而反应溶液立即彻底混合。混合溶液在30±0.1℃下保持。接着，在加入溶液D正好0.5min和1min之后，在600nm波长下测定反应溶液的吸光度(A0.5和A1.0)。作为空白，代替酶溶液D，将去离子水用移液管加入另一试管(d＝10mm)中，而按照相同的方法测定吸光度(Ab0.5和Ab1.0)。
计算方法
使用以下计算式定义心肌黄酶的单位/重量(U/mg)。
心肌黄酶活性(U/mg)＝[{(A0.5-A1.0)-(Ab0.5-Ab1.0)}/0.5]×(1/19.0)×3.10×(Dm/0.1)
其中
0.5：反应时间
19.0：DCIP的毫摩尔消光系数(波长600nm)
3.1：反应溶液的最终体积
0.1：酶溶液的体积
Dm：酶溶液的稀释比
<葡萄糖脱氢酶(GDH)>
反应式
GDH
β-D葡萄糖+NAD+→D-葡萄糖酸-δ-内酯+NADH+H+
NADH的生成通过分光光度法在波长340nm下测定。
在以下描述的条件下，1U(单位)可定义为生成1μmol NADH/min的酶用量。
试剂
溶液A：0.1M Tris-HCl缓冲溶液(pH 8.5)
溶液B：0.1M磷酸盐缓冲溶液(KH2PO4-Na2HPO4，pH 7.0)
溶液C：基质溶液
6.75g葡萄糖溶解于去离子水中以制备成体积25mL的溶液。基质溶液在放置30min或更长之后使用。仅可使用在室温下储存少于2个星期的基质溶液。
溶液D：NAD溶液
40mgβ-NAD(由Oriental Yeast Co.，Ltd.制造)溶解于1mL去离子水中。仅可使用在2至8℃下储存少于1个星期的NAD溶液。
溶液E：酶溶液
20mg葡萄糖脱氢酶“Amano”溶解于冷却的溶液B。酶溶液浓度经过调节而使ΔOD/min为100±0.020。
测定方法
使用移液管将溶液A：2.7mL、溶液C：0.2mL和溶液D：0.1mL加入到试管中(d＝10mm)并在25±0.1℃下保持5min。随后，使用移液管将溶液E：0.05mL加入到试管中，而反应溶液立即彻底混合。混合溶液在25±0.1℃下保持。接着，在加入溶液E正好2min和5min后，在340nm的波长下测定反应溶液的吸光度(A2和A5)。作为空白，代替酶溶液D，使用移液管将溶液B加入另一试管(d＝10mm)中，并按照相同的方法测定吸光度(Ab2和Ab5)。
计算方法
使用以下计算式定义葡萄糖脱氢酶的单位/重量(U/mg)。
葡萄糖脱氢酶活性(U/mg)＝[{(A5-A2)-(Ab5-Ab2)}/3]×(1/6.22)×3.05×(Dm/0.05)
其中
3：反应时间
6.22：NADH的毫摩尔消光系数(波长340nm)
3.05：反应溶液的最终体积
0.05：酶溶液的体积
Dm：酶溶液的稀释比
在酶/辅酶/电子介体-固定的电极中GDH与DI的质量比是在比上述测定范围更宽的范围内基于线性扫描伏安法(LSV)、而不是计时安培分析法(CA)的测定考虑的。
酶/辅酶/电子介体-固定的电极通过改变GDH酶缓冲溶液(1)和DI酶缓冲溶液(2)的涂布量而使最终在固定膜中获得的GDH与DI的24个质量比处于1∶300至400∶1的范围内来进行制备。本文中，使用上述的相同玻璃碳电极作为电极。在固定膜中的GDH和DI总质量固定为600μg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为30μL，而GA水溶液(6)的涂布量为15μL。NADH的质量为1.28mg，而ANQ的质量为195mg。
使用测定溶液对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行线性扫描伏安法(LSV)(-0.6V至+0.3V，1mV/s)。测定溶液如下制备：通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)而使浓度调节至0.4M。图5示出了LSV的-0.3V和-0.25V下的电流测定结果。
由图5清楚可见，当GDH与DI质量比在1∶3至30∶1的范围中时，获得了约150μA或更高的高电流。特别地，当质量比为5∶1时，获得了约250μA或更高的最高电流。因此，应理解，1∶3至30∶1的GDH和DI的质量比可提供高电流及其维持率。
接着，将描述酶/辅酶/电子介体-固定的电极中有关PLL平均分子量的检测结果。
除了PLL水溶液(5)的PLL的粘度平均分子量(Mv)在0.5k至513k(500至513000)范围内变化之外，酶/辅酶/电子介体-固定的电极按照上述的相同方法进行制备。本文中，使用上述相同的玻璃碳电极作为电极。此外，使用由Sigma Aldrich Corporation制造并根据粘度平均分子量命名的PLL。在固定膜中的GDH质量为933μg，而DI的质量为467μg。NADH的质量为1.28mg，而ANQ的质量为195μg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为28μL，而GA水溶液(6)的涂布量为14μL。
使用如上述的相同测定溶液和条件对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行计时安培分析法(CA)。图6B示出了在计时安培分析法实施1小时(3600秒)之后的电流测定结果。
从图6B清楚可见，当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时，甚至在1小时之后仍获得13μA或更高的高电流。因此，应理解，25k(25000)以上的PLL粘度平均分子量可提供高电流及其维持率。如以下所述，由于25000的粘度平均分子量对应于约21500的重均分子量，所以可说21500以上的PLL重均分子量可提供高电流及其维持率。
此外，对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行SDS-PAGE(使用聚丙烯酰胺凝胶的凝胶电泳，其中通过向系统中加入十二烷基硫酸钠(SDS)以控制样品溶液中分子的电荷密度而执行电泳)以分析GDH和DI的洗脱百分数。图6A示出了该结果。
从图6A清楚可见，当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时，GDH和DI的洗脱甚至在1h后也被抑制，这对应于图6B中当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时获得高电流的所示结果。
以上是当使用玻璃碳电极时获得的结果。接着，将描述使用多孔碳(PC)电极通过执行上述相同的评价法而获得的结果。
首先，各种溶液和在其上涂布导电性涂料(碳类材料)的多孔碳电极按照以下的描述进行制备。作为制备这些溶液的缓冲溶液，使用100mM磷酸二氢钠(NaH2PO4)的缓冲溶液(I.S.＝0.3，pH＝8.0)。
GDH酶缓冲溶液(1)
称重15mg GDH(NAD依赖性，EC 1.1.1.47，由Amano Enzyme Inc.制造，77.6U/mg)并溶解于100μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备GDH酶缓冲溶液(1)。将要溶解酶的缓冲溶液优选在4℃或更低温度下冷藏直至使用之前，而酶缓冲溶液如果可能也优选在4℃或更低温度下冷藏。
DI酶缓冲溶液(2)
称重15mg DI(EC 1.6.99.由Amano Enzyme Inc.制造，1030U/mg)并溶解于100μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备DI酶缓冲溶液(2)。将要溶解酶的缓冲溶液优选在4℃或更低温度下冷藏直至使用之前，而酶缓冲溶液如果可能也优选在4℃或更低温度下冷藏。
NADH缓冲溶液(3)
称重41mg NADH(由Sigma Aldrich Corporation制造，N-8129)并溶解于64μL的100mM磷酸二氢钠缓冲溶液中以制备NADH缓冲溶液(3)。
ANQ丙酮溶液(4)
称重6.2mg 2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)(合成产品)并溶解于600μL丙酮溶液中以制备ANQ丙酮溶液(4)。
PLL水溶液(5)
称重适量的聚-L-赖氨酸溴化氢(PLL)(由Sigma Aldrich Corporation制造，P-1524，Mw＝513k)并溶解于离子交换水中以达到4.0wt％，从而制备PLL水溶液(5)。
GA水溶液(6)
称重适量的戊二醛(缩写为GA)(由Wako Pure Chemical Industries，Ltd.制造，071-02031，10％水溶液)并溶解于离子交换水中以达到0.0625wt％，从而制备GA水溶液(6)。
涂布有导电性涂料的多孔碳(PC)电极
将导电性涂料溶解于2-丁酮(由Wako Pure Chemical Industries，Ltd.制造，133-02506)而使之具有5∶1的体积比。导电性涂料涂布到切成1-cm2的多孔碳电极上，使之具有约105mg至108mg的干重，而随后干燥一夜。导电性涂料含有13％至18％的天然石墨、3％至8％作为粘合剂的聚乙烯醇缩丁醛、8.4％的碳黑和作为有机溶剂的69.48％的甲基异丁基酮。多孔碳电极的尺寸为1cm×1cm×2mm，孔隙率为60％，重量为约95mg至98mg。
对如上所述的涂布有导电性涂料的多孔碳电极的顶面和底面分别执行20min的臭氧清洁处理。根据上述制备的溶液(1)至(4)按照以下描述的用量取样并混合。用微量移液管等将混合溶液涂布在经过臭氧清洁处理的多孔碳电极的顶面和底面，从而使顶面和底面均具有混合溶液的一半的量。随后，在40℃的干燥炉中执行干燥15min以制备酶/辅酶/电子介体涂层的电极。
GDH酶缓冲溶液(1)：53.5μL(GDH的总质量为8.00mg，而每投影面积的质量为8.00mg/cm2)
DI酶缓冲溶液(2)：13.4μL(DI的总质量为2.00mg，而每投影面积的质量为2.00mg/cm2)
NADH缓冲溶液(3)：6.00μL(NADH的总质量为3.84mg，而每投影面积的质量为3.84mg/cm2)
ANQ丙酮溶液(4)：74.8μL(ANQ的总质量为780μg，而每投影面积的质量为780μg/cm2)
PLL水溶液(5)涂布于酶/辅酶/电子介体-涂层的电极的顶面和底面上，从而顶面和底面每一面具有以下所述的一半用量，随后在40℃的干燥炉中执行干燥15min以制备酶/辅酶/电子介体固定的电极。
PLL水溶液(5)：69.0μL(PLL的总质量为2.76mg。每投影面积的质量为2.76mg/cm2)
GA水溶液(6)：67.2μL(GA的总质量为42.0μg，每投影面积的质量为42.0μg/cm2)
酶/辅酶/电子介体-固定的电极通过改变PLL水溶液(5)和GA水溶液(6)的涂布量，从而最终获得的固定膜中PLL与GA的12个质量比处于1∶1至80∶1的范围内来进行制备。然而，固定膜中GDH与DI的质量比固定为4∶1。GDH和DI的总质量固定为10mg。NADH的质量固定为5.12mg。ANQ的质量固定为780μg。PLL和GA总质量固定为2.8mg。
使用测定溶液对酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行线性扫描伏安法(LSV)(-0.6至+0.3V，1mV/s)。测定溶液通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)中而使浓度调节至1.0M。图7示出了电流密度的测定结果(每电极投影面积的电流密度)。
从图7清楚可见，当PLL与GA的质量比处于5∶1至80∶1的范围时，获得了30mA/cm2或更高的高电流密度。尤其是当质量比为65∶1时，获得了最高的电流密度。因此，可以理解，5∶1至80∶1的PLL与GA的质量比可提供高电流及其维持率。
从独立执行的实验也可以发现，当PLL和GA总质量为1mg至3mg时，获得了高电流密度。
接着，将描述酶/辅酶/电子介体-固定的电极中GDH与DI的质量比检测结果。
酶/辅酶/电子介体-固定的电极通过改变GDH酶缓冲溶液(1)和DI酶缓冲溶液(2)的涂布量而使最终获得的固定膜中GDH与DI的7个质量比处于1∶3至10∶1的范围内来进行制备。本文中，使用上述的相同多孔碳电极作为电极。固定膜中GDH和DI的总质量固定为5.58mg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为70μL，GA水溶液(6)的涂布量为76μL。NADH的质量固定为5.12mg，ANQ的质量固定为780μg。
使用测定溶液对通过将由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极放置于另一电极的顶部而获得的电极执行线性扫描伏安法(LSV)(-0.5至+0.3V，1mV/s)。如下制备测定溶液：通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)中而使浓度调节至0.4M。图8示出了在LSV的-0.3V和-0.25V下电流密度的测定结果。
从图8清楚可见，当GDH与DI的质量比处于1∶1至10∶1的范围时，获得了40mA/cm2或更高的高电流密度。具体地，当质量比为4∶1时，获得了约50mA/cm2的极高电流密度。因此，可以理解，1∶1至10∶1的GDH与DI的质量比可提供高电流及其维持率。本文中，当GDH与DI的质量比的质量比换算为酶活性单位(U)时，GDH可以77.6U/mg换算，而DI可以1030U/mg换算。1∶1至10∶1的GDH与DI的质量比可表示为1∶13.3至1∶1.33的酶活性比。
从独立执行的实验也可以发现，当GDH和DI总质量为5mg至15mg时，获得了高电流。
酶/辅酶/电子介体-固定的电极中GDH与DI的质量比是在比上述测定范围更宽范围内基于线性扫描伏安法(LSV)的测定进行考虑的。
酶/辅酶/电子介体-固定的电极通过改变GDH酶缓冲溶液(1)和DI酶缓冲溶液(2)的涂布量而使最终获得的固定膜中GDH与DI的13个质量比处于1∶300至400∶1的范围内来进行制备。本文中，上述的相同多孔碳电极用作电极。固定膜中GDH和DI的总质量固定为5.58mg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为70μL，GA水溶液(6)的涂布量为76μL。NADH的质量固定为5.12mg，ANQ的质量固定为780μg。
使用测定溶液对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行线性扫描伏安法(LSV)(-0.6V至+0.3V，1mV/s)。如下测定溶液：通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)中而使浓度调节至0.4M。图9示出了在LSV的-0.3V和-0.25V下电流密度的测定结果。
从图9清楚可见，当GDH与DI的质量比处于1∶3至200∶1的范围时，获得了15mA/cm2或更高的高电流密度。具体地，当质量比为4∶1至10∶1时，获得了约28至32mA/cm2的极高电流密度。因此，可以理解，1∶3至200∶1的GDH与DI的质量比可提供高电流及其维持率。
从独立执行的实验也可以发现，当GDH和DI总质量为5mg至15mg时，获得了高电流。
接着，将描述酶/辅酶/电子介体-固定的电极中关于PLL的平均分子量的检测结果。
除了PLL水溶液(5)的PLL的粘度平均分子量(Mv)在0.5k至513k(500至513000)范围内变化之外，酶/辅酶/电子介体-固定的电极按照上述的相同方法进行制备。本文中，使用上述的相同多孔碳电极作为电极。此外，使用了由Sigma Aldrich Corporation制造并根据粘度平均分子量命名的PLL。在固定膜中的GDH质量为3.73mg，DI的质量为1.87mg。NADH的质量为5.12mg，ANQ的质量为780μg。此外，PLL水溶液(5)的涂布量为76μL，GA水溶液(6)的涂布量为76μL。
由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极的电位被设定为0.1V，这是比电子介体的氧化还原电位足够更高的电位，而使用测定溶液相对于参照电极Ag|AgCl对该电极执行计时安培分析法(CA)测定。如下制备测定溶液：通过将作为燃料的葡萄糖溶解于2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液(pH7.0)(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的缓冲溶液)中而使浓度调节至0.4M。图10B示出了计时安培分析法实施1小时(3600秒)之后的电流测定结果。
从图10B清楚可见，当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时，甚至在1小时之后仍获得4mA/cm2或更高的高电流密度。因此，可以理解，25k(25000)以上的PLL粘度平均分子量可提供高电流及其维持率。如以下所述，由于25000的粘度平均分子量对应于约21500的重均分子量，所以可说21500以上的PLL重均分子量可提供高电流及其维持率。
此外，对由此制备的酶/辅酶/电子介体-固定的电极执行SDS-PAGE以分析GDH和DI的洗脱百分数。图10A示出了该结果。
从图10A清楚可见，当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时，GDH和DI的洗脱甚至在1小时后也被抑制，这对应于图10B中当PLL粘度平均分子量为25k(25000)以上时获得高电流的所示结果。
接着，将描述通过凝胶渗透色谱(GPC)获得的PLL分子量分布的测定结果。根据该结果，能够获得PLL的粘度平均分子量和重均分子量之间的关系
(a)使用标准PEG和PEO制成校准曲线
实验步骤
凝胶渗透色谱在以下条件执行，以使用标准聚乙二醇(PEG)和标准聚环氧乙烷(PEO)制成校准曲线。
·柱                TSKGel G5000PWXL-CP
·洗脱液            0.1M乙酸钠缓冲液(pH 5.8)
·流速            0.5mL/min
·温度            25℃
·检测            示差折光率(RI)
·样品体积        20μL
·样品浓度        1.0mg/ml(溶剂：水[1％乙醇])
·样品
标准PEG：Fluka 81288聚乙二醇 标准1000
标准PEO：TOSOH Corporation 05773TSK标准聚环氧乙烷SE-2，5，8，15，30，70，150
图11示出了标准PEG和PEO的GPC图。本文中，图11的纵轴“RI”是指示差折光仪的输出电压。
图12中所示的校准曲线由图11中所示的标准PEG和PEO的洗脱时间和重均分子量(Mw)产生。
(b)通过GPC测定PLL样品的分子量分布
接着，实际上测定了PLL样品的分子量分布。
实验步骤
凝胶渗透色谱在以下条件执行，使用标准聚乙二醇(PEG)和标准聚环氧乙烷(PEO)制成校准曲线。
·柱                  TSKGel G5000PWXL-CP
·洗脱液              0.1M乙酸钠缓冲液(pH 5.8)
·流速                0.5mL/min
·温度                25℃
·检测                RI
·样品体积            20μL
·样品浓度           1.0mg/ml(溶剂：水)
·样品               根据粘度平均分子量命名的PLL(由SigmaAldrich Corporation制造)
PLL 0.5至2.0K        P8954
PLL 14k              P6516
PLL 25k              P7890
PLL 84k              P1274
PLL 163k             P1399
PLL 329k             P1524
PLL 513k             P1524
表2示出了所使用的PLL样品的数据。
[表2]
Figure BDA0000031095210000371
图13示出了标准PEG和PEO的GPC图。
PLL样品的重均分子量(Mw)由图13中所示PLL样品的洗脱时间和图12中所示的校准曲线计算，并获得PLL样品的聚合度。表3集中示出了PLL样品的GPC测定结果。
[表3]
  由GPC校准曲线计算
  洗脱时间(洗脱峰)(min)   重均分子量(Mw)   聚合度
  18.1   3281   16
  16.4   10499   50
  15.4   21581   103
  12.5   156715   750
  12.0   226003   1081
  10.8   500527   2395
  10.8   507490   2428
从表3清楚可见，25k(25000)PLL的粘度平均分子量对应于21581(即，约21500)的重均分子量，这等价于根据PLL聚合度的103。
接着，将描述其中BOD固定于正极2上作为氧还原酶和通过将咪唑和盐酸混合而调节pH至7而制备的溶液用作缓冲溶液的情况下维持和改进电流值的影响。表4和图14示出了在这些条件下于各种咪唑浓度下测定的计时安培分析法结果。此外，图15示出了电流值(在表4和图14中3600s之后的电流密度值)对缓冲溶液浓度(缓冲溶液中缓冲物质的浓度)的依赖性。为了对比，表4和图14也示出了其中1.0M NaH2PO4/NaOH缓冲溶液(pH 7)用作缓冲溶液的情况下的结果。这个测定在膜状玻璃纸21放置于正极2上而缓冲溶液22接触玻璃纸21的状态下执行，如图16所示。以下描述制备的酶/电子介体-固定的电极用作正极2。首先，购买的碳纤维毡(由TORAY Industries Inc.制造，BO 050)用作多孔碳，而该碳纤维毡切成1平方厘米。接着，碳纤维毡按序用80μL的六氰合铁酸根离子(100mM)，80μL聚-L-赖氨酸(1wt％)和80μL BOD溶液(50mg/mL)浸渍，并随后干燥以制备酶/电子介体-固定的电极。将两个由此制备的酶/电子介体-固定的电极设置为互重叠并用作正极2。
[表4]
从表4和图14清楚可见，当NaH2PO4浓度为1.0M时，初始电流是充足的，但是在3600s之后电流显著降低。相反，当咪唑浓度为0.4M、1.0M和2.0M时，即使在3600s之后也几乎没有观察到电流降低。从图15清楚可见，电流值相对于0.2至2.5M的咪唑浓度范围线性升高。此外，尽管NaH2PO4/NaOH缓冲溶液和咪唑/盐酸缓冲溶液都具有约7的pKa和基本上相同的氧溶解度，但是在缓冲溶液的浓度彼此相同的情况下，在含咪唑的缓冲溶液中获得了更大的氧还原电流。
在如上所述执行计时安培分析法3600s之后，在-0.3至+0.6V的电位范围内执行循环伏安法(CV)。图17示出了该结果。注意，该测定是以下状态下实施的：如图18所示，由上述的相同酶/电子介体-固定的电极构成的正极2用作工作电极，该工作电极放置于空气可渗透的PTFE(聚四氟乙烯)膜23上，而缓冲溶液22与正极2接触。对电极24和参比电极25浸没于缓冲溶液22中，电化学测定仪(未示出)连接至用作工作电极的正极2、对电极24和参比电极25。Pt线用作对电极24，而Ag|AgCl用作参比电极25。测定在大气压下执行，而测定温度为25℃。两种类型的缓冲溶液(即咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7，1.0M)和NaH2PO4/NaOH缓冲溶液(pH 7，1.0M))用作缓冲溶液22。
参照图17，可以理解，当使用咪唑/盐酸缓冲溶液(pH 7，1.0M)作为缓冲溶液22时，获得了非常满意的CV特性。
从上述结果，即使改变测定体系也可以证实优势在于咪唑缓冲溶液。
图19示出了通过上述相同的方法执行的其中BOD固定于正极2上并使用2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液和1.0M NaH2PO4/NaOH缓冲溶液的计时安培分析法的结果。图19也示出了在计时安培分析法期间获得的电极表面pH的测定结果。本文中，咪唑/盐酸缓冲溶液的pKa为6.95，电导率为52.4mS/cm，氧溶解度为0.25mM，pH为7。此外，NaH2PO4/NaOH缓冲溶液的pKa为6.82(H2PO4 -)，电导率为51.2mS/cm，氧溶解度为0.25mM，pH为7。从图19清楚可见，在使用2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液的情况下，获得了比使用1.0M NaH2PO4/NaOH缓冲溶液的情况下高约15倍的高电流密度。此外，参照图19，可以发现，电流的变化基本上对应于电极表面的pH变化。将参照图20和21描述为什么获得这些结果的原因。
图20和21均示出了其中BOD 32与电子介体34使用诸如聚离子络合物的固定材料33固定于电极31上的情况。如图20所示，据信，当使用2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液时，提供了足够大量的质子(H+)，由此获得了高缓冲容量而pH稳定，而由此恒定地获得高电流密度。相反，如图21所示，认为当使用1.0M NaH2PO4/NaOH缓冲溶液时，供给的H+量较小，由此缓冲容量变得不足而pH显著增加，由此电流密度降低。
图22和图23均示出了使用各种缓冲溶液时作为缓冲溶液浓度函数的3600s(1h)之后电流密度的变化。从图22和图23清楚可见，在使用含有具有咪唑环的化合物的缓冲溶液的情况下，与其中使用诸如含NaH2PO4的缓冲溶液的其它缓冲溶液情况相比，总体上都获得了高电流密度。具体地，这种趋势随着缓冲溶液的浓度增加而变得显著。此外，参照图22和图23，也可以发现，在其中使用含2-氨基乙醇、三乙醇胺、TES或BES作为缓冲物质的缓冲溶液的情况下，获得了高电流密度，而这种趋势随着缓冲溶液的浓度增加而变得尤其显著。
图24和图25是在使用如图22和23所示的缓冲溶液时分别作为缓冲物质分子量和pKa的函数的3600s之后的电流密度的曲线图。
接着，当使用以下缓冲溶液时对BOD的活性进行相互对比。将描述实验结果的实例。
·2.0M咪唑/盐酸水溶液(通过用盐酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的溶液)(2.0M咪唑/盐酸缓冲溶液)
·2.0M咪唑/乙酸水溶液(通过用乙酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的溶液)(2.0M咪唑/乙酸缓冲溶液)
·2.0M咪唑/磷酸水溶液(通过用磷酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的溶液)(2.0M咪唑/磷酸缓冲溶液)
·2.0M咪唑/硫酸水溶液(通过用硫酸中和2.0M咪唑而获得的pH 7.0的溶液)(2.0M咪唑/硫酸缓冲溶液)
通过监测波长730nm的光的吸光度变化，使用ABTS(2，2′-连氮基-二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐)作为基质而进行测定BOD活性，这个变化是随着反应进行而产生的(由反应物ABTS的含量增加所致)。表5示出了测定条件。本文中，测定活性时BOD浓度经过控制而使波长730nm的光的吸光度变化被调节至约0.01至0.2/min。通过向表5中所示并含有ABTS的各种缓冲溶液(2980至2995μL)中加入酶溶液(5至20μL)而开始反应。
[表5]
Figure BDA0000031095210000411
Figure BDA0000031095210000421
表6示出了当2.0M咪唑/盐酸水溶液(pH 7.0)中活性值假设为1.0时作为相对活性值的酶活性的测定结果。
[表6]
  缓冲溶液类型   相对活性值
  2.0M咪唑/盐酸水溶液(pH 7.0)   1.0
  2.0M咪唑/乙酸水溶液(pH 7.0)   2.1
  2.0M咪唑/磷酸水溶液(pH 7.0)   3.7
  2.0M咪唑/硫酸水溶液(pH 7.0)   11.2
从表6显而易见，在其中使用咪唑/乙酸水溶液、咪唑/磷酸水溶液和咪唑/硫酸水溶液的情况下，酶活性比其中使用咪唑/盐酸水溶液的情况下更高。具体地，在其中使用咪唑/硫酸水溶液的情况下的酶活性显著较高。
图26A和26B示出了生物燃料电池的具体结构实例。
如图26A和26B所示，该生物燃料电池具有负极1和正极2彼此相对而电解质层3夹在其间的结构，电解质层3含有缓冲物质。负极1通过将酶、辅酶和电子介体固定于上述碳电极上来获得。正极2通过将酶和电子介体固定于上述碳电极上而获得。在这种情况下，Ti集电体41和42分别位于正极2的底部和负极1的顶部从而易于执行电流收集。参考数字43和44均表示固定板。固定板43和44相互用螺丝45连接以将正极2、负极1、电解质层3和Ti集电体41和42所有都夹在其间。空气中获取的圆形凹部43a形成于固定板43的一个表面(外表面)上，而延伸至另一表面的许多孔43b形成于凹部43a的底表面上。这些孔43b是正极2的空气供给路径。另一方面，供给燃料的圆形凹部44a形成于固定板44的一个表面(外表面)上，而延伸至另一表面的许多孔44b形成于凹部44a的底表面上。这些孔44b是负极1的燃料供给路径。隔离片46位于固定板44另一面的外围上，使得在用螺丝45将固定板43和44相互连接时形成一定空间。
如图26B中所示，负载47位于Ti集电体41和42之间，例如，通过将葡萄糖溶解于磷酸缓冲溶液中而制备的葡萄糖溶液作为燃料加入固定板44的凹部44a中以执行发电。
如上所述，根据第一实施方式，当使用包含聚-L-赖氨酸和戊二醛的固定材料将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于负极1之上时，最优化其质量比和聚-L-赖氨酸的平均分子量。具体地，聚-L-赖氨酸与戊二醛的质量比被设定为5∶1至80∶1。此外，聚-L-赖氨酸的平均分子量被设定为21500以上。此外，葡萄糖脱氢酶与心肌黄酶的质量比被设定为1∶3至200∶1。因此，获得了具有高电流密度及其维持率的高性能生物燃料电池。这种生物燃料电池适用于各种电子设备、移动设备和发电系统的电源。
<2.第二实施方式>
[生物燃料电池]
接着，将描述根据本发明第二实施方式的生物燃料电池。
图27A、图27B、图27C和图28示出了该生物燃料电池。图27A、图27B和图27C分别是该生物燃料电池的顶视图、截面图和底视图。图28是示出该生物燃料电池分解的单组件的分解透视图。
如图27A、图27B、图27C和图28所示，在该生物燃料电池中，正极2、电解质层3和负极1都容纳于正极集电体51和负极集电体52之间形成的空间内。正极2、电解质层3和负极1都在垂直方向上夹于正极集电体51和负极集电体52之间。在正极集电体51、负极集电体52、正极2、电解质层3和负极1中，邻近组件相互紧密接触。在这种情况下，正极集电体51、负极集电体52、正极2、电解质层3和负极1均具有圆形平面形状，而生物燃料电池整体上也具有圆形平面形状。
正极集电体51被配置为收集在正极2处产生的电流，电流从正极集电体51传送至外部。此外，负极集电体52被配置为收集在负极1处产生的电流。正极集电体51和负极集电体52通常由金属或合金构成，但是该材料并不仅限于此。正极集电体51是扁平的并基本上为圆筒状。负极集电体52也是扁平的且基本上为圆筒状。此外，正极集电体51的外围部分51a的边缘，在其间用环形垫圈56a和环形疏水树脂56b嵌缝至负极集电体52的外围部分52a，由此形成的空间中容纳正极2、电解质层3和负极1。垫圈56a由诸如硅酮橡胶的绝缘材料构成。此外，疏水性树脂56b由例如聚四氟乙烯(PTFE)构成。疏水性树脂56b位于正极2、正极集电体51和垫圈56a包围的空间内以与正极2、正极集电体51和垫圈56a紧密接触。疏水性树脂56b可有效抑制燃料向正极2侧的过度渗透。电解质层3的端从正极2和负极1向外延伸以夹于垫圈56a和疏水性树脂56b之间。正极集电体51具有许多形成于其底面的整个表面上的氧化剂供给端口51b，正极2暴露于氧化剂供给端口51b中。图27C和图28示出了13个圆形氧化剂供给端口51b，但是这仅是实例，而氧化剂供给端口51b的数目、形状、尺寸和设置都可以进行适当的选择。负极集电体52也具有多个形成于其顶面的整个表面上的燃料供给端口52b，而负极1暴露于燃料供给端口52b中。图28示出了9个圆形的燃料供给端口52b，但这仅是实例，而氧化剂供给端口52b的数目、形状、尺寸和布置都可以进行适当的选择。
负极集电体52具有位于相对于负极1的表面上的圆柱形燃料箱57。燃料箱57与负极集电体52一体形成。待使用的燃料(未示出)，例如，葡萄糖溶液(葡萄糖溶液还含有电解质)等被装入燃料箱57中。圆柱形盖58可拆卸地连至燃料箱57。例如，盖58啮合或以螺旋旋紧于燃料箱57。圆形燃料箱供给端口58a形成于盖58的中心。燃料供给端口58a，例如，通过连接至图中并未示出的密封件而进行密封。
只要不损害其特性，此生物燃料电池的除上述构成之外的构成与第一实施方式的构成相同。
[制造生物燃料电池的方法]
接着，将描述制造该生物燃料电池的方法的实例。图29A至图29D示出了这种制造方法。
如图29A中所示，首先，制备具有开口端的圆筒形正极集电体51。正极集电体51具有多个形成于底面的整个表面上的氧化剂供给端口51b。环形的疏水树脂56b位于正极集电体51的内底面的外围部分上，正极2、电解质层3和负极1按序堆叠于底面的中心部分上。
同时，如图29B所示，制备具有开口端的圆柱形负极集电体52和与负极集电体52整合形成的燃料箱57。负极集电体52具有多个形成于底面的整个表面上的燃料供给端口52b。具有U型部分的垫圈56a附至负极集电体52的外围表面的边缘。此外，负极集电体52位于负极1上从而开口端面朝下，而正极2、电解质层3和负极1都夹于正极集电体51和负极集电体52之间。
接着，如图29C所示，将正极集电体51和负极集电体52与夹于其间的正极2、电解质层3和负极1放置于嵌缝机的基座61上，而负极集电体52用加压件62加压以使正极集电体51、正极2、电解质层3、负极1和负极集电体52相互紧密接触。在这种情况下，捻缝工具63向下移动以将正极集电体51的外围部分51a的边缘捻缝至负极集电体52的外围部分52a，而垫圈56a和疏水性树脂56b堵缝于其间。执行该捻缝操作从而垫圈56a逐渐变形以不会在正极集电体51和垫圈56a之间以及负极集电体52和垫圈56a之间形成空隙。此外，在这种情况下，疏水树脂56b也逐渐压缩以与正极、正极集电体51和垫圈56a紧密接触。因此，容纳正极2、电解质层3和负极1的空间形成于正极集电体51和负极集电体52内，同时正极集电体51和负极集电体52由于垫圈56a而相互电绝缘。随后向上移动捻缝工具63。
因此，如图29D所示，制造出生物燃料电池，其中正极2、电解质层3和负极1容纳于正极集电体51和负极集电体52之间形成的空间内。
接着，盖58附接至燃料箱57，而燃料和电解质通过盖58的燃料供给端口58a注入。燃料供给端口58a随后通过例如附接上真空密封胶而密闭。然而，燃料和电解质可以在图29B中所示的步骤中注入燃料箱57。
在该生物燃料电池中，例如，当使用葡萄糖溶液作为燃料以装入负极1处的燃料箱57时，所供给的葡萄糖利用酶分解，从而产生电子并生成H+。在正极2，由从负极1通过电解质层3传输的H+、从负极1通过外电路传输的电子以及空气中的氧生成水。因此，在正极集电体51和负极集电体52之间产生了输出电压。
如图30所示，在该生物燃料电池的正极集电体51和负极集电体52上可以分别形成网状电极71和72。在这种情况下，外部空气通过网状电极71的孔而进入正极集电体51的氧化剂供给端口51b，而燃料通过网状电极72的孔从盖58的燃料供给端口58a进入燃料箱57中。
图31示出了两个生物燃料电池相互串联连接的情况。在这种情况下，网状电极73夹于一个生物燃料电池(在图中，上部的生物燃料电池)的正极集电体51和另一生物燃料电池(在图中，下部的生物燃料电池)的盖58之间。此外，在这种情况下，外部空气通过网状电极73的孔进入正极集电体51的氧化剂供给端口51b中。燃料也可使用燃料供给系统进行供给。
图32示出了两个生物燃料电池并联连接的情况。在这种情况下，一个生物燃料电池(在图中，上部的生物燃料电池)的燃料箱57和另一个生物燃料电池(在图中，下部的生物燃料电池)的燃料箱57相互接触，从而盖58的燃料供给端口58a相互重合，而电极74从这些燃料箱57的侧面引出。此外，网状电极75和76分别形成于一个生物燃料电池的正极集电体51和另一生物燃料电池的正极集电体51。这些网状电极75和76相互连接。外部空气通过网状电极75和76的孔进入正极集电体51的氧化剂供给端口51b。
根据第二实施方式，与第一实施方式的相同优点可在不含燃料箱57的硬币型或纽扣型生物燃料电池中获得。此外，在该生物燃料电池中，正极2、电解质层3和负极1都夹于正极集电体51和负极集电体52之间，而正极集电体51的外围部分51a的边缘嵌缝至负极集电体52的外围部分52a，而其间填充垫圈56a。因此，各个组件可均匀地相互紧密接触，从而防止了输出电压的变化，也可防止诸如燃料和电解质的电池溶液从各组件之间的界面发生泄漏。此外，该生物燃料电池通过简单的制造工艺进行制造。此外，该生物燃料电池在尺寸上易于减小。此外，在该生物燃料电池中，葡萄糖溶液或淀粉用作燃料，而选择约pH 7(中性)作为所用电解质的pH。因此，即使燃料或电解质泄漏至外部，该生物燃料电池也是安全的。
此外，在目前已经进入实践应用的空气电池中，燃料和电解质需要在制造期间加入，而由此在制造之后难以添加燃料和电解质。相反，在该生物燃料电池中，由于燃料和电解质可在制造之后添加，这种生物燃料电池可比目前已经进入实践应用的空气电池更易于制造。
<3.第三实施方式>
[生物燃料电池]
接着，将描述根据本发明第三实施方式的生物燃料电池。
如图33中所示，在第三实施方式中，与负极集电体52一体设置的燃料箱57从根据第二实施方式的生物燃料电池中移除。此外，网状电极71和72分别位于正极集电体51和负极集电体52上。该生物燃料电池在这样的状态下使用：生物燃料电池漂浮于敞开的燃料箱57中的燃料57a上，从而负极1面朝下，而正极2面朝上。
第三实施方式除了上述结构之外的结构，只要其性质不受损害，可以与第一和第二实施方式结构相同。
根据第三实施方式，可实现与第一和第二实施方式相同的优点。
<4.第四实施方式>
[生物燃料电池]
接着，将描述根据本发明第四实施方式的生物燃料电池。根据第二实施方式的生物燃料电池是硬币型或纽扣型，而这种生物燃料电池是圆筒形。
图34A、图34B和图35示出这种生物燃料电池。图34A是该生物燃料电池的正视图，图34B是该生物燃料电池的纵剖面图，而图35是示出该生物燃料电池分解的各个组件的分解透视图。
如图34A、图34B和图35所示，在这种生物燃料电池中，负极集电体52、负极1、电解质层3、正极2和正极集电体51，均具有筒状，顺序设置在圆筒形燃料储存部77的外围上。在这种情况下，燃料储存部77包括由圆筒形负极集电体52所围成的空间。燃料储存部77的一端向外突出，而盖78位于这一端上。尽管在图中未示出，但是多个燃料供给端口52b形成于位于燃料储存部77的外围上的负极集电体52的整个表面上。此外，电解质层3具有包裹着负极1和负极集电体52的袋状。在电解质层3和燃料储存部77端上的负极集电体52之间的部分，例如，使用密封膜(未示出)进行密封，从而燃料不会从这部分发生泄漏。
在该生物燃料电池中，燃料和电解质都被装入燃料储存部77中。燃料和电解质穿过负极集电体52的燃料供给端口52b，到达负极1，并渗透进入负极1的孔部分，从而燃料和电解质储存在负极1中。为了提高可储存于负极1中的燃料量，负极1的孔隙率理想地，例如，为60％以上，但并不仅限于此。
在该生物燃料电池中，气液分离层可以形成于正极集电体51的外围表面上以改善可持久性。作为气液分离层的材料，例如，可以使用防水透湿材料(拉伸聚四氟乙烯膜和聚氨酯聚合物复合材料(例如，Gore-Tex(商品名)，由W.L.Gore & Associates，Inc.制造)。为了使生物燃料电池的各个组件均匀地紧密相互接触，优选地，具有空气可从外部通过的网络结构的伸缩性橡胶(其可以具有带状或片状形状)卷绕在气-液分离层外侧或内侧，从而燃料电池的整个组件都得以加固。
第四实施方式的除了上述结构之外的结构，只要并不损害其性质，可以具有与第一和第二实施方式相同的结构。
根据第四实施方式，可获得与第一和第二实施方式相同的优点。
上文具体描述了本发明的实施方式，但是本发明并不仅限于上述的实施方式，而基于本发明的技术思想可作出各种修改。
例如，在以上实施方式中描述的数值、结构、配置、形状、材料等仅是示例，而可以任选使用不同于以上的其它数值、结构、配置、形状、材料等。

Claims (19)

1.一种燃料电池，包含正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构，
其中，所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，以及
所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电极由碳组成。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述碳是多孔碳。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述质子导体由含有具有咪唑环的化合物作为缓冲物质的电解质组成。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，从由盐酸、乙酸、磷酸和硫酸组成的组中选择的至少一种酸加入到所述具有咪唑环的化合物中。
6.一种制造燃料电池的方法，其中，当制造具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构且所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的燃料电池时，所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比设定为5∶1至80∶1。
7.一种电子设备，包括：
一个或多个燃料电池，
其中，至少一个所述燃料电池具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构；所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
8.一种酶固定电极，
其中，使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上，以及
所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比为5∶1至80∶1。
9.一种制造酶固定电极的方法，其中，当制造至少包含使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极上的葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，所述聚-L-赖氨酸和所述戊二醛的质量比被设定为5∶1至80∶1。
10.一种燃料电池，包含正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构，
其中，所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，以及
所述聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
11.一种制造燃料电池的方法，其中，当制造具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构且所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的燃料电池时，聚-L-赖氨酸的平均分子量被设定为21500以上。
12.一种电子设备，包含：
一个或多个燃料电池，
其中，至少一个所述燃料电池具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构；所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；而聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
13.一种酶固定电极，
其中，使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料而至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上，以及
所述聚-L-赖氨酸的平均分子量为21500以上。
14.一种制造酶固定电极的方法，其中，当制造至少包含使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极上的葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，所述聚-L-赖氨酸的平均分子量被设定为21500以上。
15.一种燃料电池，包含正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构，
其中，所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得，以及
所述葡萄糖脱氢酶和所述心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
16.一种制造燃料电池的方法，其中，当制造具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构且所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得的燃料电池时，所述葡萄糖脱氢酶和所述心肌黄酶的质量比被设定为1∶3至200∶1。
17.一种电子设备，包括：
一个或多个燃料电池，
其中，至少一个所述燃料电池具有正极和负极彼此相对而质子导体夹于其间的结构；所述负极通过使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上而获得；所述葡萄糖脱氢酶和所述心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
18.一种酶固定电极，
其中，使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料而至少将葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶固定于电极上，以及
所述葡萄糖脱氢酶和所述心肌黄酶的质量比为1∶3至200∶1。
19.一种制造酶固定电极的方法，其中，当制造至少包含使用由聚-L-赖氨酸和戊二醛组成的固定材料固定于电极上的葡萄糖脱氢酶和心肌黄酶的酶固定电极时，所述葡萄糖脱氢酶和所述心肌黄酶的质量比被设定为1∶3至200∶1。
CN2009801161811A 2008-03-12 2009-03-11 燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备 Pending CN102017267A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008062333 2008-03-12
JP2008-062333 2008-03-12
JP2009006973A JP2009245930A (ja) 2008-03-12 2009-01-15 燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器
JP2009-006973 2009-01-15
PCT/JP2009/054647 WO2009113572A1 (ja) 2008-03-12 2009-03-11 燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102017267A true CN102017267A (zh) 2011-04-13

Family

ID=41065233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009801161811A Pending CN102017267A (zh) 2008-03-12 2009-03-11 燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110039165A1 (zh)
JP (1) JP2009245930A (zh)
CN (1) CN102017267A (zh)
WO (1) WO2009113572A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111224172A (zh) * 2020-01-16 2020-06-02 荆门市探梦科技有限公司 一种水系电池系统

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5423580B2 (ja) 2010-05-17 2014-02-19 トヨタ自動車株式会社 酵素電極およびそれを備えるバイオ燃料電池
EP2623974B1 (en) 2010-09-30 2022-02-16 PHC Holdings Corporation Sensor, sensor system, and sensor manufacture process
JP2013081410A (ja) 2011-10-07 2013-05-09 Toyota Motor Corp 変異型マルチ銅オキシダーゼ、これをコードする遺伝子及びこれを用いたバイオ燃料電池
CN104054202A (zh) * 2011-11-02 2014-09-17 索尼公司 生物燃料电池、生物燃料电池的制造方法、电子设备、酶固定电极、酶固定电极的制造方法、用于制造酶固定电极的电极、用于制造酶固定电极的电极的制造方法和利用酶反应的设备
JP2013239292A (ja) * 2012-05-14 2013-11-28 Hitachi Ltd 微生物燃料電池用アノード、微生物燃料電池、微生物燃料電池用アノードの製造方法
JP5714786B1 (ja) * 2013-08-21 2015-05-07 積水化学工業株式会社 微生物燃料電池用電極、微生物燃料電池用電極の製造方法及び微生物燃料電池
KR102349963B1 (ko) * 2015-04-30 2022-01-11 삼성전자주식회사 실시간 분석을 위한 인-시츄 코인 셀과 이를 포함하는 측정 시스템과 인-시츄 코인 셀의 제조방법 및 광을 이용한 그 측정방법
SI3423591T1 (sl) * 2016-03-04 2024-03-29 Abbott Diabetes Care Inc., Od NAD(P) odvisni odzivni encimi, elektrode in senzorji ter postopki za izdelavo in uporabo le-teh
CN114927709B (zh) * 2022-05-25 2024-05-07 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6294281B1 (en) * 1998-06-17 2001-09-25 Therasense, Inc. Biological fuel cell and method
CN1802434A (zh) * 2003-06-05 2006-07-12 索尼株式会社 固定载体、该固定载体的制造方法、电极、该电极的制造方法、电极反应利用装置及其制造方法
JP2007012281A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Sony Corp 燃料電池、電子機器、移動体、発電システムおよび酵素反応利用装置
US7544438B2 (en) * 2003-09-02 2009-06-09 Daiichi Pure Chemicals Co., Ltd Electron mediator, electron mediator immobilized electrode, and biofuel cell using the electrode

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3340094A (en) * 1963-04-26 1967-09-05 Phillips Petroleum Co Biochemical fuel cell and method of generating electric current using bacteria
US5847009A (en) * 1986-01-14 1998-12-08 Alliance Pharmaceutical Corp. Prophylaxis in the parenteral administration of particulate dispersions in fluorocarbon emulsions
US5284645A (en) * 1987-08-05 1994-02-08 Alliance Pharmaceutical Corp. Fluorocarbon emulsions containing amino acid based anti-inflamatory agents and buffer systems
US6914137B2 (en) * 1997-12-06 2005-07-05 Dna Research Innovations Limited Isolation of nucleic acids
US20020144905A1 (en) * 1997-12-17 2002-10-10 Christian Schmidt Sample positioning and analysis system
JP2001207391A (ja) * 2000-01-28 2001-08-03 Takaaki Arai 古紙スラッジの処理装置
US7598421B2 (en) * 2002-05-08 2009-10-06 Ucl Biomedica Plc Materials for the delivery of biologically-active material to cells
CN1579033A (zh) * 2002-07-26 2005-02-09 索尼株式会社 燃料电池
JP4436121B2 (ja) * 2003-12-10 2010-03-24 イーメックス株式会社 蓄電素子および蓄電素子の製造方法
JP5307316B2 (ja) * 2004-08-23 2013-10-02 ソニー株式会社 燃料電池、燃料電池の使用方法、燃料電池用カソード電極、電子機器、電極反応利用装置および電極反応利用装置用電極
WO2006051772A1 (ja) * 2004-11-09 2006-05-18 Ube Industries, Ltd. 液体電解質
JP2007035437A (ja) * 2005-07-27 2007-02-08 Sony Corp 多孔体導電材料およびその製造方法ならびに電極およびその製造方法ならびに燃料電池およびその製造方法ならびに電子機器ならびに移動体ならびに発電システムならびにコージェネレーションシステムならびに電極反応利用装置
JP5011691B2 (ja) * 2005-09-20 2012-08-29 ソニー株式会社 燃料電池、電子機器、移動体、発電システムおよびコージェネレーションシステム
US7632600B2 (en) * 2005-09-30 2009-12-15 Canon Kabushiki Kaisha Enzyme electrode and method of producing the same
JP2007103307A (ja) * 2005-10-07 2007-04-19 Sony Corp 燃料電池の製造方法、燃料電池、燃料電池用負極の製造方法、燃料電池用負極、電子機器、移動体、発電システム、コージェネレーションシステム、酵素反応利用装置の製造方法、酵素反応利用装置、酵素反応利用装置用電極の製造方法、酵素反応利用装置用電極および固定化方法
JP5233176B2 (ja) * 2006-08-04 2013-07-10 ソニー株式会社 燃料電池および電子機器
US8440333B2 (en) * 2007-06-13 2013-05-14 Sony Corporation Fuel cell and electronic apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6294281B1 (en) * 1998-06-17 2001-09-25 Therasense, Inc. Biological fuel cell and method
CN1802434A (zh) * 2003-06-05 2006-07-12 索尼株式会社 固定载体、该固定载体的制造方法、电极、该电极的制造方法、电极反应利用装置及其制造方法
US7544438B2 (en) * 2003-09-02 2009-06-09 Daiichi Pure Chemicals Co., Ltd Electron mediator, electron mediator immobilized electrode, and biofuel cell using the electrode
JP2007012281A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Sony Corp 燃料電池、電子機器、移動体、発電システムおよび酵素反応利用装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111224172A (zh) * 2020-01-16 2020-06-02 荆门市探梦科技有限公司 一种水系电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009113572A1 (ja) 2009-09-17
US20110039165A1 (en) 2011-02-17
JP2009245930A (ja) 2009-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102017267A (zh) 燃料电池及其制造方法、酶固定电极及其制造方法和电子设备
US9620804B2 (en) Fuel cell and method for manufacturing the same, electronic apparatus, enzyme-immobilized electrode and method for manufacturing the same, water-repellent agent, and enzyme-immobilizing material
JP5233176B2 (ja) 燃料電池および電子機器
US8440333B2 (en) Fuel cell and electronic apparatus
US20080280184A1 (en) Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, and electronic apparatus
US20110200889A1 (en) Fuel cell, electronic device, and buffer solution for fuel cell
US20110076736A1 (en) Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic apparatus, enzyme immobilization electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzyme reaction-utilizing apparatus
US20100047670A1 (en) Enzyme-immobilized electrode, fuel cell, electronic device, appartus utilizing enzyme reaction, and enzyme-immobilized substrate
US8808928B2 (en) Fuel cell, method for operating the same, and electronic device
JP2009049012A (ja) バイオ燃料電池およびその製造方法ならびに電子機器ならびに酵素固定化電極およびその製造方法
CN102171880A (zh) 燃料电池以及酶电极
JP5205818B2 (ja) 燃料電池および電子機器
KR20110084164A (ko) 연료 전지, 전자 기기 및 연료 전지용 완충액
EP2287956A1 (en) Fuel cell, method for production of fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzymatic reaction-utilizing apparatus
EP2302722A1 (en) Fuel cell, method for production of the fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, method for production of the electrode, water-repellent agent, and enzyme-immobilized material
JP2009048846A (ja) 燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器
JP2009140760A (ja) 燃料電池およびその動作方法ならびに電子機器ならびに酵素反応利用装置およびその動作方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110413