CN102027623A - 燃料电池、制造燃料电池的方法、电子设备、酶固定电极、生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和酶反应利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池及制造燃料电池的方法，其中，将至少一种类型的酶和辅酶限制在微小空间中，在此空间用作反应场的同时实现酶反应，因此，可有效地从燃料中取出电子，以产生电能，并且，可容易地进行这些酶和辅酶在电极上的固定。将酶反应所需的酶和辅酶封入脂质体(12)中，并且，将产生的脂质体(12)固定在由多孔碳等形成的电极(11)的表面上，以便形成酶固定电极。必要时，将运载蛋白加入脂质体(12)中。还将电子介体固定在电极(11)的表面上。用产生的酶固定电极作为例如生物燃料电池的负极。

Description

燃料电池、制造燃料电池的方法、电子设备、酶固定电极、生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和酶反应利用装置

技术领域

本发明涉及燃料电池、制造燃料电池的方法、电子设备、酶固定电极、生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和酶反应利用装置。例如，本发明有利地应用于生物燃料电池、生物传感器、和在其中使用酶的生物反应器、以及在其中用生物燃料作为电源的各种电子设备。

背景技术

燃料电池具有其中正极(氧化剂电极)和负极(燃料电极)通过其间的电解质(质子导体)而相对的结构。关于相关技术中的燃料电池，使提供给负极的燃料(氢)氧化，以便分离成电子和质子(H⁺)。使电子传送到负极，并且，H⁺通过电解质移动至正极。关于正极，产生的H⁺与从外部供给的氧和从负极通过外部电路转移的电子起反应，以便产生H₂O。

如上所述，燃料电池是将燃料具有的化学能直接转换成电能的高效率发电装置，并且，除了高转换效率以外，不管使用的位置和使用的时间如何，可将天然气、石油、煤等的化石能源所具有的化学能作为电能取出。因此，之前已经积极地进行了用于大规模发电等的目的的燃料电池的研究和开发。例如，有这样的跟踪记录：将燃料电池安装在航天飞机上，并验证可供给机组人员电力和同时供给水，并且，燃料电池是清洁的发电装置。

此外，近些年来，已经开发并注意了具有在大约室温至90℃的温度范围内的相对低的工作温度的燃料电池，例如，固体聚合物燃料电池。因此，已经在摸索不仅用于大规模发电的目的，而且用于小型系统(例如，用于驱动机动车的电源和用于个人电脑与移动装置的便携电源)的应用。

如上所述，希望燃料电池具有从大规模发电到小规模发电的广泛范围应用，并希望已经作为高效率的发电装置而受到普遍关注。然而，关于燃料电池，通常，通过用转化装置等转化成氢气，用天然气、石油、煤等作为燃料，并且，存在的各种问题在于，例如，消耗有限的资源，另外，需要加热至高温，并需要昂贵的贵金属催化剂，例如铂(Pt)。此外，即使在直接使用氢气或甲醇作为燃料的情况中，在处理其时也必须小心。

然后，已经注意到，在生物中进行的活体新陈代谢是高效率能量转换机制，并且，已经提出了其对燃料电池的应用。这里所提及的活体新陈代谢包括在微生物体细胞中进行的呼吸、光合作用等。总的来说，活体新陈代谢具有这样的优点：发电效率非常高，并且，反应在室温等级的温和条件下进行。

例如，呼吸是这样一种机制：使营养素(例如，糖类、脂肪和蛋白质)进入微生物或细胞，将其化学能转换成氧化还原能量，即，电能，通过在一个过程中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)，该过程用于通过糖酵解途径和三羧酸(TCA)循环产生二氧化碳(CO₂)，所述循环包括许多酶反应步骤，此外，在电子传送系统中，将这些NADH的电能直接转换成质子梯度的电能，另外，还原氧，以便产生水。这里获得的电能通过ATP合成酶从二磷酸腺苷(ADP)产生三磷酸腺苷(ATP)，并且，产生的ATP用于培育微生物和细胞所需要的反应。在胞液和线粒体中进行上述能量转换。

此外，光合作用是这样一种机制：通过电子传送系统将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)还原成还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)，在用于接收光能并将光能转换成电能的过程中，氧化水以便产生氧。产生的电能在CO₂中获得，并且，该电能用于碳固定反应，并用于碳水化合物的合成。

作为一种使用上述活体新陈代谢用于燃料电池的技术，已经报道了微生物电池，其中，通过电子介体将在微生物中产生的电能从微生物中取出，并且，使产生的电子传送到电极，以便获得电流(例如，参照PTL 1)。

然而，关于微生物和电池，除了期望的反应(即，化学能到电能的转换)之外，还存在许多不必要的反应。因此，在上述方法中，在不想要的反应中消耗化学能，并且，无法表现令人满意的能量转换效率。

然后，已经提出了燃料电池(生物燃料电池)，其中，通过使用酶来仅进行期望的反应(例如，参照PTL 2至11)。此生物燃料电池通过用酶将燃料分离成质子和电子来分解燃料。已经开发了通过使用醇(例如，甲醇和乙醇)、单糖(例如，葡萄糖)、或多糖(例如，淀粉)作为燃料的生物燃料电池。

已知，在上述生物燃料电池中，酶相对于电极的固定布置非常重要。此外，已知，与酶一起进行转移电子的功能的电子介体的有效存在也是必需的。在相关技术中，具有用于固定酶的各种方法。其中，本发明人已经主要开发出一种聚离子络合物方法和一种戊二醛方法，在该聚离子络合物方法中，将适当比例的带有正电荷的聚合物、带有负电荷的聚合物和酶混合并应用于由多孔碳等形成的电极，以便使固定膜稳定同时保持对电极的粘附。

引证列表

专利文献

PTL 1：日本未审查专利申请公开第2000-133297号

PTL 2：日本未审查专利申请公开第2003-282124号

PTL 3：日本未审查专利申请公开第2004-71559号

PTL 4：日本未审查专利申请公开第2005-13210号

PTL 5：日本未审查专利申请公开第2005-310613号

PTL 6：日本未审查专利申请公开第2006-24555号

PTL 7：日本未审查专利申请公开第2006-49215号

PTL 8：日本未审查专利申请公开第2006-93090号

PTL 9：日本未审查专利申请公开第2006-127957号

PTL 10：日本未审查专利申请公开第2006-156354号

PTL 11：日本未审查专利申请公开第2007-12281号

非专利文献

NPL 1：Riposo-mu Ouyou no Shintenkai“Jinkousaibou no Kaihatsu niMukete”(New Development in Liposome Application″ForDevelopment of Artificial Cell″(脂质体应用中的新发展“用于人造细胞的发展”))，由Kazunari Akiyoshi和Kaoru Tsujii指导，NTS Inc.，2005年6月1日出版

NPL 2：Biotechnology and Bioengineering，Vol.81，No.6，pp.695-704(2003)(生物工艺学和生物工程学，第81卷，第6期，第695-704页(2003))

发明内容

技术问题

然而，通过使用聚离子络合物的上述固定方法很大程度上取决于酶的物理化学特性(尤其是电荷)，并且，担心固定状态由于外部溶液的变化、使用过程中的环境变化等而连续改变，使得容易洗提固定的酶等。此外，通常，酶对热量的耐性较低。在朝着生物燃料电池商业化的酶的改性中，改变酶本身的物理化学特性。因此，根据场合的需要，必需优化复杂的固定膜制造方法。另外，在希望从燃料中取出更多电子的情况中，需要更大量的酶。在固定这些酶的情况中，花费更多的努力来优化其固定条件。

因此，本发明解决的一个问题是，提供一种燃料电池及制造燃料电池的方法，其中，将至少一种类型的酶和辅酶限制在微小的空间中，实现酶反应，同时，此空间用作反应场，从而，可从燃料中有效地取出电子，以产生电能，并且，可容易地进行这些酶和辅酶在电极上的固定，还提供了包括此燃料电池的高性能电子设备、有利地应用于此燃料电池的酶固定电极、以及高效率生物传感器、生物反应器、能量转换元件、和电极反应利用装置。

解决问题的方案

本发明人进行了深入的研究，以解决上述问题。结果，发现，在生物燃料电池中，在酶反应所需要的酶和辅酶封入用作人造细胞的脂质体中的情况中，能够更有效地实现酶反应，以便与在使用未封入脂质体中的相同量的酶和辅酶的情况中相比，获得非常高的催化电流或促进在电极上的固定。用实验确定了其有效性，此外，根据各种观点检查了此技术能够应用的范围，并且已经获得本发明。在这点上，所产生的技术不仅可有利地应用于生物燃料电池，而且可有利地应用于使用酶和辅酶的各种元件或装置。

通过将酶反应所需要的酶和辅酶封入脂质体中可更有效地实现酶反应并且可实现非常高的催化电流的发现，最初已由本发明人获得，并已反驳了相关技术中已建立的理论。也就是说，在假设封入脂质体中的酶是活体催化剂的情况中，已经认为，反应速度较低，因为限制了基质相对于构成脂质体的脂质双层的透过速度。例如，根据NPL 1的第454页中右栏的第2行至第6行中的描述，“关于封入脂质体中的酶作为活体催化剂的使用，存在的问题在于：由于脂质膜的高透过选择性，过度地限制了封入脂质体中的酶与添加至脂质体外部的水相中的亲水的或高分子量基质的反应性”。此外，根据NPL 2的第695页中右栏的倒数第8行至倒数第5行中的描述，“通常，封入脂质体中的酶与从外部添加的基质的反应性，显著地取决于横过脂质体双层的基质透过性”。

也就是说，为了解决上述问题，第一发明是：

一种燃料电池，具有正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构，并被构造为通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，

其中，将至少一种类型的上述酶和至少一种类型的上述辅酶封入脂质体中。

第二发明是：

一种制造燃料电池的方法，该燃料电池具有正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构，并通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，所述方法包括将至少一种类型的上述酶和至少一种类型的上述辅酶封入脂质体中的步骤。

在第一和第二发明中，脂质体是从由磷脂等构成的脂质双层形成的封闭泡囊，并且，内部是水相。此脂质体不仅包括从脂质双层的单层形成的单层(unilamellar)脂质体(SUV：小单层脂质体，GUV：大单层脂质体)，而且包括多层脂质体(MUV)，在多层脂质体中，将小脂质体(SUV)放入大脂质体(GUV)中，以形成巢(nest)。可生产具有例如大约100nm至10μm大的直径的脂质体。必要时选择直径，在一个具体实例中，是2至7μm。至于磷脂，基本上可以使用任何磷脂，并且，可以使用甘油磷脂或鞘磷脂。甘油磷脂的实例包括磷脂酸、磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、以及双磷脂酰甘油(心磷脂)，虽然不限于这些。鞘磷脂的实例包括神经鞘磷脂，虽然不限于此。磷脂酰胆碱的一个典型实例是双十四酰磷脂酰胆碱(DMPC)。以前已知的方法可用于脂质体的形成以及酶和辅酶在脂质体内部中的封入。

在酶反应所需要的酶和辅酶中，将至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入此脂质体中。然而，可以将酶反应所需的所有酶和辅酶都封入脂质体中，或者，将一部分酶和辅酶不封入脂质体中，而是可以将其加入或固定在构成此脂质体的脂质双层中，或允许其存在于脂质体外部。在将酶和辅酶固定在构成脂质体的脂质双层中的情况中，例如，可使用锚形体，例如，聚乙二醇链。

在所使用的燃料不能容易地通过构成脂质体的脂质双层并进入脂质体内部的情况中，可将进行燃料或燃料的分解产物的输送的运载蛋白(transporter)(转运蛋白)加入脂质双层中。可替换地，通过适当地选择脂质的类型、组成、颗粒直径等，还可改进燃料的透过性。

将脂质体固定在负极上是有利的，虽然并非必需固定。在用包含缓冲溶液(缓冲物质)的电解质作为质子导体的情况中，可以将脂质体包含在缓冲溶液中。至于脂质体的固定，可使用用于例如细胞固定的之前已知的各种固定方法。此外，在此情况中，为了稳定脂质体在负极上的固定，可以在负极与脂质体之间设置中间层。至于此中间层，不仅可使用生物聚合物(例如，蛋白质和DNA)，而且可使用具有亲水性和疏水性两种特性的聚合物电解质、能够形成结构的材料(例如，胶束、反向胶束和层)、以及具有纳米结构并具有至少一种特性的化合物、表现生物相容性的化合物。至于蛋白质，例如，可使用酸性蛋白，例如，醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、卵清蛋白，和肌激酶，以清蛋白为代表，并且，另外还使用溶菌酶、细胞色素 c、肌红蛋白、胰蛋白酶原等，其在碱性侧上具有等电点。通过允许电极表面物理地吸附由这些蛋白质等形成的中间层并将脂质体固定在此中间层上，可将脂质体稳定地固定在负极上。

至于燃料(基质)，可使用各种物质，并且必要时可选择。其典型的实例包括醇(例如，甲醇和乙醇)、单糖和多糖。在用单糖、多糖等作为燃料的情况中，典型地，其以燃料溶液的形式使用，其中，其溶解在之前已知的缓冲溶液，例如，磷酸盐缓冲溶液或Tris缓冲溶液中。

如在表1中所示的是基质和酶的组合的实例。

[表1]

封入脂质体中的酶典型地包含促进燃料的氧化以进行分解的氧化酶，并进一步包含辅酶氧化酶(coenzyme-oxidizing enzyme)，其使随着燃料的氧化而还原的辅酶回到氧化形式，并且，其通过电子介体将电子传送至负极。

至于电子介体，基本上，可以使用任何化合物。优选地，使用具有醌骨架的化合物。具体地，使用，例如，2，3-二甲氧基-5-甲基-1，4-苯醌(Q0)和具有萘醌骨架的化合物，例如，各种萘醌衍生物，例如，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)、以及维生素K1。至于具有醌骨架的化合物，例如，也可使用蒽醌及其衍生物。如果必要，除了具有醌骨架的化合物以外，电子介体可以包含至少一种类型的用作电子介体的其它化合物。可以将此电子介体与在其中封入酶和辅酶的脂质体一起固定在负极上，封入此脂质体的内部，或固定在此脂质体上，或包含于燃料溶液中。

例如，在用醇作为燃料的情况中，封入脂质体中的酶包括促进醇的氧化以进行分解的氧化酶，和使被氧化酶还原的辅酶回到氧化形式的辅酶氧化酶。当通过辅酶氧化酶的作用使辅酶回到氧化形式时，产生电子，并且，将电子从辅酶氧化酶通过电子介体运送至负极。至于氧化酶，例如，使用醇脱氢酶(ADH)(尤其是，NAD依赖性醇脱氢酶)。至于辅酶，例如，使用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)。至于辅酶氧化酶，例如，使用心肌黄酶(DI)。

可替换地，在用单糖(例如，葡萄糖)作为燃料的情况中，有利的是，封入脂质体中的酶包括促进单糖的氧化以进行分解的氧化酶，和使被氧化酶还原的辅酶回到氧化形式的辅酶氧化酶。当通过辅酶氧化酶的作用使辅酶回到氧化形式时，产生电子，并且，将电子从辅酶氧化酶通过电子介体运送至负极。至于氧化酶，例如，使用葡萄糖脱氢酶(GDH)(尤其是，NAD依赖性葡萄糖脱氢酶)。至于辅酶，例如，使用NAD⁺或NADP⁺。至于辅酶氧化酶，例如，使用DI。在此情况中，为了使葡萄糖进入脂质体的内部，有利的是，将葡萄糖运载蛋白(糖类载体)加入构成脂质体的脂质双层中。至于葡萄糖运载蛋白，可使用之前已知的各种物质，并且必要时进行选择。例如，在通过基于脂质体的内部与外部之间的葡萄糖浓度的差异的促进的扩散(增强的扩散)机制输送葡萄糖的情况中，可用GLUT1至GLUT 6的六种类型的同种型及其变型作为对促进的扩散具有责任的葡萄糖运载蛋白。

在使用多糖(在广义上叫做多糖，指的是所有通过水解产生至少两个单糖分子的碳水化合物，并包括低聚糖，例如，二糖、三糖和四糖)的情况中，除了上述氧化酶、辅酶氧化酶和辅酶以外，还使用促进多糖的分解(例如，水解)并产生单糖(例如，葡萄糖)的分解酶。在此情况中，例如，将上述氧化酶、辅酶氧化酶和辅酶封入脂质体中，并且，将分解酶加入或固定在构成脂质体的脂质双层中，或允许其存在于脂质体的外部。在允许分解酶存在于脂质体的外部的情况中，有利的是，将分解酶固定在负极上，虽然并非必需固定，但是，在用包含缓冲溶液(缓冲物质)的电解质作为质子导体的情况中，分解酶可以包含在缓冲溶液中。多糖的具体实例包括淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、纤维素、麦芽糖、蔗糖和乳糖。它们由至少两个结合的单糖构成，并且，所有多糖包括作为用作结合单元的单糖的葡萄糖。在这点上，直链淀粉和支链淀粉是包含于淀粉中的成分。淀粉是直链淀粉和支链淀粉的混合物。在用葡糖淀粉酶作为用于多糖的分解酶并且用葡萄糖脱氢酶作为用于分解单糖的氧化酶的情况中，可通过使用包含多糖(例如，淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原和麦芽糖中的任何一种)的燃料来进行发电，多糖通过葡糖淀粉酶可分解成葡萄糖。在这点上，葡糖淀粉酶是水解α-葡聚糖(例如，淀粉)以产生葡萄糖的分解酶，并且，葡萄糖脱氢酶是将β-D-葡萄糖氧化成D-葡萄糖酸-δ-内酯的氧化酶。

关于燃料电池，其中用纤维素酶作为分解酶并用葡萄糖脱氢酶作为氧化酶，可用可通过纤维素酶分解成葡萄糖的纤维素作为燃料。更详细地，纤维素酶是纤维素酶(EC 3.2.1.4)、外纤维二糖水解酶(EC 3.2.1.91)，β-葡糖苷酶(EC 3.2.1.21)等中的至少任何一种类型。此外，可以用葡糖淀粉酶和纤维素酶的混合物作为分解酶。在此情况中，由于可分解大部分在自然世界中产生的多糖，所以，可用在很大程度上包含其的物质(例如，垃圾)作为燃料。

此外，关于燃料电池，其中用α-葡糖苷酶作为分解酶并用葡萄糖脱氢酶作为氧化酶，可用通过α-葡糖苷酶分解成葡萄糖的麦芽糖作为燃料。

此外，关于燃料电池，其中用蔗糖酶作为分解酶并用葡萄糖脱氢酶作为氧化酶，可用通过蔗糖酶分解成葡萄糖和果糖的蔗糖作为燃料。更详细地，蔗糖酶是α-葡糖苷酶(EC 3.2.1.20)、蔗糖-α-葡糖苷酶(EC 3.2.1.48)、β-呋喃果糖苷酶(EC 3.2.1.26)等中的至少任何一种类型。

另外，关于燃料电池，其中用β-半乳糖苷酶作为分解酶并用葡萄糖脱氢酶作为氧化酶，可用通过β-半乳糖苷酶分解成葡萄糖和半乳糖的乳糖作为燃料。

如果必要，也可以将这些用作燃料的多糖固定在负极上。

特别地，关于通过用淀粉作为燃料的燃料电池，也可使用通过使淀粉胶质化来产生的胶质固体燃料。在此情况中，例如，可使用一种方法，其中，允许胶凝淀粉与已将把酶和辅酶封入其中的脂质体固定于其上的负极接触，或者，将其与此脂质体等一起固定在负极上。如果使用这种方法，可将负极表面上的淀粉浓度保持在比使用溶解于溶液中的淀粉的情况更高的水平，并且，使通过酶的分解作用进一步加速，使得改进提高输出。另外，与溶液的情况相比，燃料的处理更容易，因此，可简化燃料供给系统。此外，阻止燃料电池的翻转不是必需的，因此，在移动装置中使用燃料电池是非常有利的。

在将酶固定在正极上的情况中，典型地，此酶包括还原氧的酶。至于此还原氧的酶，例如，可使用胆红素氧化酶、漆酶和抗坏血酸氧化酶。在此情况中，优选地，除了酶以外，还将电子介体固定在正极上。至于电子介体，例如，使用亚铁氰化钾、八氰钨酸钾。优选地，将电子介体固定在适当高的浓度，例如，在0.64×10^-6mol/mm²或更大的平均值。

至于质子导体，可使用各种物质，并且必要时进行选择。其具体实例包括：由玻璃纸形成的物质、基于过碳氟磺酸盐(PFS)的树脂膜、三氟苯乙烯衍生物的共聚物膜、注入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)、PSSA-EVOH(聚苯乙烯磺酸乙烯乙烯醇共聚物)、以及具有含氟碳磺基的离子交换树脂(Nafion(商品名，DuPont(杜邦)，美国)等)。

在用包含缓冲溶液(缓冲物质)的电解质作为质子导体的情况中，希望可在高输出操作的过程中获得令人满意的缓冲能力，并且，可令人满意地发挥酶固有的能力。为此目的，有效的是，将包含于电解质中的缓冲物质的浓度规定为0.2M或更大，且2.5M或更小，优选地是0.2M或更大，且2M或更小，更优选地是0.4M或更大，且2M或更小，并进一步优选地是0.8M或更大，且1.2M或更小。通常，可以在表现出6pKa或更大的且为9或更少的范围内使用任何缓冲物质。其具体实例包括磷酸二氢离子(H₂PO₄ ^-)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(简称为Tris)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、卡可酸、碳酸(H₂CO₃)、柠檬酸氢离子、N-(2-乙酰胺)亚氨基二乙酸(ADA)、哌嗪-N，N’-二(2-乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酰胺基)-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(简称为曲辛(tricine))、双甘氨肽、以及N，N-二(2-羟乙基)甘氨酸(简称为N-二(羟乙基)甘氨酸(bicine))。产生磷酸二氢离子(H₂PO₄ ^-)的物质是，例如，磷酸二氢钠(NaH₂PO₄)或磷酸二氢钾(KH₂PO₄)。至于缓冲物质，具有咪唑环的化合物也是优选的。具有咪唑环的化合物的具体实例包括咪唑、三唑、吡啶衍生物、二吡啶衍生物、以及咪唑衍生物(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(imidazole-2-carboxaldehyde)、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、以及1-丁基咪唑)。必要时，除了这些缓冲物质以外，例如，可以增加选自由盐酸(HCl)、乙酸(CH₃COOH)、磷酸(H₃PO₄)和硫酸(H₂SO₄)组成的组中的至少一种类型的酸，作为中和剂。因此，可将酶的活性保持在较高的水平。优选地，包含缓冲物质的电解质的pH大约是7，但是通常可以是1至14的任何值。

至于用于正极和负极的电极材料，可使用各种材料。例如，使用碳基材料，例如，多孔碳、碳颗粒、碳毡和碳纸。至于用于电极的材料，还可以使用包括由多孔材料形成的骨架的多孔导电材料和覆盖至少一部分骨架表面并包含碳基材料作为主要成分的材料。通过用包含碳基材料作为主要成分的材料涂覆由多孔材料形成的骨架表面的至少一部分，可获得此多孔导电材料。构成此多孔导电材料的骨架的多孔材料可以基本上是与存在或不存在导电性无关的任何材料，只要可稳定地保持该骨架，即使孔隙率高也是这样。优选地，用具有高孔隙率和高电导率的材料作为多孔材料。至于上述具有高孔隙率和高电导率的多孔材料，具体地，可使用金属材料(金属或合金)、具有加强骨架的碳基材料(改进脆性)等。在用金属材料作为多孔材料的情况中，考虑各种选择，因为，取决于使用环境(例如，溶液的pH和电势)，金属材料的状态稳定性是不同的。例如，发泡金属或发泡合金，例如，镍、铜、银、金、镍铬合金，或不锈钢，是一种易于获得的材料。至于多孔材料，除了上述金属材料和碳基材料以外，也可使用树脂材料(例如，海绵状材料)。考虑材料的厚度并且根据多孔导电材料所需的孔隙率和孔径来确定此多孔材料的孔隙率和孔径(孔的最小直径)，该材料应用于由此多孔材料形成的骨架的表面上，并包含碳基材料作为主要成分。通常，此多孔材料的孔径是10nm至1mm，并典型地是10nm至600μm。另一方面，至于覆盖骨架表面的材料，必需使用具有电导率且在假定的工作电势下是稳定的材料。至于上述材料，这里，使用包含碳基材料作为主要成分的材料。通常，碳基材料具有较宽的电势窗，并且，它们大部分都是化学稳定的。具体地，包含作碳基材料为主要成分的材料包括仅由碳基材料形成的材料，以及包含碳基材料作为主要成分且包含非常少量的辅助材料的材料，根据多孔导电材料所需的特性等来选择该辅助材料。后一种材料的具体实例包括，具有通过向碳基材料中添加高导电性材料(例如，金属)而改进的电导率的材料，和通过例如向碳基材料中添加聚四氟乙烯基材料以提供表面防水性而提供除了导电性以外的功能的材料。存在各种类型的碳基材料。然而，可以使用任何碳基材料。不仅可以使用碳单质，而且可以使用与其它元素混合的碳。特别地，优选的是，此碳基材料是具有高电导率和高表面积的细粉碳材料。至于此碳基材料，具体地，例如，可使用提供有高电导率的材料，例如KB(科琴黑)，以及功能碳材料，例如，碳纳米管和富勒烯。至于包含碳基材料作为主要成分的材料的涂覆方法，可以使用任何涂覆方法，只要必要时可通过例如使用适当的粘合剂，来涂覆由多孔材料形成的骨架的表面。以这样的方式选择多孔导电材料的孔径大小，使得包含基质等的溶液可通过孔进入和出去且通常是9nm至1mm，1μm至1mm，或1至600μm。在由多孔材料形成的骨架的表面的至少一部分用包含碳基材料作为主要成分的材料覆盖的状态中，或在由多孔材料形成的骨架的表面的至少一部分用包含碳基材料作为主要成分的材料涂覆的状态中，希望所有孔彼此相通，或者，防止以包含碳基材料作为主要成分的材料堵塞的出现。

必要时，选择此燃料电池的整个构造。例如，在使用硬币型或钮扣型构造的情况中，有利的是，将正极、电解质和负极保持在形成于正极集电体与负极集电体之间的空间的内部，正极集电体具有能够通过氧化剂的结构，负极集电体具有能够通过燃料的结构。在此情况中，典型地，通过将正极集电体和负极集电体(在其之间具有绝缘密封件)中的一个的边缘相对于正极集电体和负极集电体中的另一个锻造(锻压，swaging)，来形成容纳正极、电解质和负极的空间，虽然不限于此。必要时，可以通过其它加工方法来形成此空间。通过绝缘密封件将正极集电体和负极集电体彼此电绝缘。至于此绝缘密封件，典型地，使用由各种弹性体形成的垫圈，例如，硅橡胶，虽然不限于此。必要时，可选择这些正极集电体和负极集电体的二维形状，并且例如是圆形、椭圆形、四角形、六角形等。典型地，正极集电体具有至少一个氧化剂供给孔，而负极集电体具有至少一个燃料供给孔，虽然并非必需限制于此。例如，通过使用能够透过氧化剂的正极集电体材料，可以不设置氧化剂供给孔，并且，通过使用能够透过燃料的负极集电体材料，可以不设置燃料供给孔。负极集电体典型地具有燃料保持部。可以将此燃料保持部与负极集电体整体设置，或将其以这样的方式设置，以便与负极集电体容易地连接和分离。典型地，燃料保持部具有用于气密地密封的盖子。在此情况中，通过移除盖子，可将燃料注入燃料保持部中。不使用用于气密地密封的盖子，可以将燃料从燃料保持部的侧面等注入。在将燃料保持部以这样的方式设置以便与负极集电体容易地连接和分离的情况中，例如，预先填充有燃料的燃料箱、燃料元件等，可以连接作为燃料保持部。这些燃料箱和燃料元件可以是一次性类型的。然而，优选的是，从促进资源的有效利用的观点来看，可在其中填充燃料。此外，用过的燃料箱或燃料元件可以与填充有燃料的燃料箱或燃料元件交换。此外，通过例如将燃料保持部形成为具有燃料供给孔和排出孔的气密地密封的容器的形状并将燃料从外部通过此供给孔连续地供给到气密地密封的容器中，可连续地使用燃料电池。可替换地，可以不在燃料电池中设置燃料保持部，而是可以在使燃料电池漂浮在放入开放系统的燃料箱中的燃料上、以使负极侧向下而正极侧向上的状态下使用燃料电池。

此燃料电池可以具有这样的结构：将负极、电解质、正极、以及具有能够通过氧化剂的结构的正极集电体顺序地设置在预定的中心轴周围，并且设置具有能够通过燃料的结构的负极集电体，同时电连接至负极。在此燃料电池中，负极可以以具有圆形、椭圆形、多角形等的横截面形状的筒形状，或者以具有圆形、椭圆形、多角形等的横截面形状的柱形状。在负极以筒形状的情况中，可以将负极集电体设置在，例如，负极的内周面侧上，设置在负极与电解质之间，设置在负极的至少一个端面处，或另外设置在其至少两个上。可替换地，可以将负极构造为能够保持燃料，例如，负极可以由多孔材料形成，并且，产生的负极可以兼作燃料保持部。可替换地，可以将柱状燃料保持部设置在预定的中心轴上。例如，在将负极集电体设置在负极的内周面侧上的情况中，此燃料保持部可以是被负极集电体包围的本身的空间，或者可以是设置于与负极集电体分开的此空间中的容器，例如，燃料箱或燃料元件。可以容易地连接并分离容器，或固定容器。例如，燃料保持部以圆柱体的形状，以椭圆柱的形状，或以多角形柱的形状，例如，四角形或六角形，虽然不限于此。可以以这样的方式将电解质形成为袋形容器的形状，以便包封整个负极和负极集电体。因此，在用燃料填充燃料保持部的情况中，此燃料可与整个负极接触。在此容器的正极与负极之间的至少一部分可以由电解质形成，而其它部分可以由与此电解质不同的材料形成。通过将此容器制成具有燃料供给孔和排出孔的气密地密封的容器并将燃料从外部通过此供给孔连续地供给到容器中，可连续地使用燃料电池。关于负极，优选的是，孔隙率大，并且，例如，优选的是，孔隙率是60％或更大，使得可将燃料足够有利地储存在内部。

也可用片状电极(颗粒电极，pellet electrode)作正极和负极。通过例如用玛瑙研钵将碳基材料(特别地，具有高电导率和高表面积的细粉碳材料是优选的)，具体地，例如，提供有高电导率的材料，例如，KB(科琴黑)，功能碳材料，例如，碳纳米管或富勒烯等必要时与粘合剂例如聚偏二氟乙烯、上述酶的粉末(或酶溶液)、辅酶的粉末(或辅酶溶液)、电子介体的粉末(或电子介体溶液)、和用于固定的聚合物粉末(或聚合物溶液)等进行混合，适当地进行干燥，并将产生的混合物压成预定形状，可形成此片状电极。必要时，确定此片状电极的厚度(电极厚度)，并且，作为一个实例，是大约50μm。例如，在生产硬币型燃料电池的情况中，通过用压片机(tablet producing machine)将上述用于形成片状电极的材料压成圆形的形状(直径的一个实例是15mm，虽然该直径不限于此，而在必要时进行确定)，可形成片状电极。在形成此片状电极的情况中，为了获得所需的电极厚度，例如，控制构成用于形成片状电极的材料的碳的量、压制压力等。在将正极或负极插入硬币型电池壳的情况中，例如，优选的是，在这些正极或负极与电池壳之间插入金属网隔离片，以便确保其之间的电接触。

至于用于生产片状电极的方法，除了上述方法以外，例如，可以将碳基材料，必要时的粘合剂和酶固定成分(酶、辅酶、电子介体、聚合物等)的混合溶液(含水或有机溶剂混合溶液)适当地应用于集电体等，可以进行干燥，可以压制整体，之后，可以进行切成期望的电极大小。

此燃料电池可用于通常需要电功率(不管大小如何)的所有那些装置中，并用于，例如，电子设备、移动设备(机动车、二轮车、航空器、火箭、宇宙飞船等)、供电装置、建筑机械、机床、发电系统、热电联产系统等。基于使用等，确定输出、大小、形状、燃料类型等。

第三发明是：

一种电子设备，包括

至少一个燃料电池，

其中，至少一个燃料电池

具有正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构并被构造为通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，并且

将至少一种类型的上述酶和至少一种类型的上述辅酶封入脂质体中。

此电子设备可以具有任何类型，并且，基本上包括便携型和固定型两种。具体实例包括便携式电话、移动装置(个人数字助理(PDA)等)、机器人、个人计算机(包括桌上型和笔记本型)、游戏机、内置照相机的VTR(磁带录像机)、车载装置、家庭用具、以及工业产品。

在不削弱其特征的范围内，与第一和第二发明相关的说明适用于第三发明。

第四发明是：

一种酶固定电极，其中，固定了封入有至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶的脂质体。

在不削弱其特征的范围内，与第一和第二发明相关的说明适用于第四发明。

第五发明是：

一种生物传感器，

其中，使用酶和辅酶，并且

将至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入脂质体中。

第六发明是：

一种生物反应器，

其中，使用酶和辅酶，并且

将至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入脂质体中。

第七发明是：

一种能量转换元件，其中，使用封入了至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶的脂质体。

这里，此能量转换元件是通过酶反应将燃料或基质所持有的化学能转换成电能的元件，并且，上述燃料电池，即，生物燃料电池，是一种类型的此能量转换元件。

第八发明是：

一种酶反应利用装置，

其中，使用酶和辅酶，并且

将至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入脂质体中。

此酶反应利用装置除了上述燃料电池(即，生物燃料电池)以外还包括生物传感器(葡萄糖传感器等)、生物反应器等，并且，根据单独的目的而使用的酶。

除了上述以外，在不削弱其特征的范围内，与第一和第二发明相关的说明适用于第五至第八发明。

在具有上述构造的本发明中，在保持高活性的同时，将在酶反应中涉及的至少一种酶和至少一种辅酶封入脂质体中。因此，脂质体内部的微小空间用作反应场，并且，有效地实现酶反应，使得可有效地从燃料或基质中取出电子。在此情况中，封入脂质体内部的酶和辅酶的浓度非常高，因此，酶和辅酶之间的相互距离非常小。因此，由于这些酶和辅酶所产生的催化剂循环以非常高的速度进行，并且，酶反应以高的速度进行。然后，封入脂质体内部的酶或辅酶可通过将此脂质体固定在负极或电极上而容易地固定在负极或电极(在其之间具有脂质体)上，使得可将从燃料或基质中取出的电子可靠地传送动至负极或电极。在此情况中，与通过聚离子络合物等固定酶和辅酶的情况相比，可简单地进行脂质体的固定。

本发明的有益效果

根据本发明，可获得高效率燃料电池，其中，在将在其中封入酶和辅酶的脂质体内部的微小空间用作反应场的同时，可实现酶反应，使得可有效地从燃料或基质中取出电子，以产生电能，另外，可容易地进行这些酶和辅酶在电极上的固定。此外，通过使用上述高效率燃料电池，可获得高性能电子设备等。此外，可类似地获得高效率生物传感器、生物反应器、能量转换元件和酶反应利用装置。

附图说明

图1是示出了根据本发明第一实施方式的酶固定电极的示意图。

图2是示出了在根据本发明第一实施方式的酶固定电极中使用的在其中封入酶和辅酶的脂质体的示意图。

图3是示意性地示出了由于封入根据本发明第一实施方式的酶固定电极处的脂质体中的酶组(酶基团，enzyme group)和辅酶而产生的电子传递反应的示意图。

图4是代替绘图的照片，其示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光显微图像。

图5是代替绘图的照片，其示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光显微图像。

图6是代替绘图的照片，其示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光显微图像。

图7是示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光监控结果的示意图。

图8是示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光监控结果的示意图。

图9是示出了本发明一个实施例中的在其中封入荧光标记的醇脱氢酶、荧光标记的心肌黄酶和NADH的脂质体的荧光监控结果的示意图。

图10是用于说明本发明一个实施例中的脂质体的稳定性的示意图。

图11是示出了在本发明的一个实施例中在预定溶液中分散其中封入醇脱氢酶、心肌黄酶和NADH的脂质体的情况下，以及在预定溶液中简单地分散醇脱氢酶、心肌黄酶和NADH的情况下进行的计时电流法的结果的示意图。

图12是示出了在本发明的一个实施例中在缓冲溶液中分散其中封入醇脱氢酶、心肌黄酶和NADH的脂质体的状态的示意图。

图13是示出了在本发明一个的实施例中在缓冲溶液中简单地分散醇脱氢酶、心肌黄酶和NADH的状态的示意图。

图14是示出了根据本发明的第二实施方式的酶固定电极的示意图。

图15是示出了用于根据本发明第二实施方式的酶固定电极中的其中封入酶和辅酶且加入有运载蛋白的脂质体的示意图。

图16是示意性地示出了由于封入根据本发明第二实施方式的酶固定电极处的脂质体中的酶组和辅酶而产生的电子传递反应的示意图。

图17是示出了根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的示意图。

图18是示意性地示出了根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的负极的详细构造、封入固定在此负极上的脂质体中的酶组和辅酶的实例、以及由于酶组和辅酶而产生的电子传递反应的示意图。

图19是示出了根据本发明第三实施方式的生物燃料电池的具体构造实例的示意图。

图20是示出了根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的顶视图、剖视图和底视图。

图21是示出了根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的分解透视图。

图22是用于说明制造根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的方法的示意图。

图23是用于说明使用根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的方法的第一实例的示意图。

图24是用于说明使用根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的方法的第二实例的示意图。

图25是用于说明使用根据本发明第五实施方式的生物燃料电池的方法的第三实例的示意图。

图26是示出了根据本发明第六实施方式的生物燃料电池和使用生物燃料电池的方法的示意图。

图27是示出了根据本发明第七实施方式的生物燃料电池的前视图和纵向剖视图。

图28是示出了根据本发明第七实施方式的生物燃料电池的分解透视图。

图29是用于说明多孔导电材料的结构的示意图和剖视图，多孔导电材料用作用于根据本发明第八实施方式的生物燃料电池中的负极的电极材料。

图30是用于说明制造多孔导电材料的方法的示意图，多孔导电材料用作用于根据本发明第八实施方式的生物燃料电池中的负极的电极材料。

图31是示出了根据本发明第九实施方式的生物反应器的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述根据本发明的实施方式。在实施方式的所有附图中，用相同的参考数字表示相同或相应的元件。

图1示出了根据本发明的第一实施方式的酶固定电极。

如图1所示，在此酶固定电极中，通过物理吸附等将由磷脂等的脂质双层形成的脂质体12固定在由多孔碳等形成的电极11的表面上。将在期望的酶反应中涉及的至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入此脂质体12内部的水相中。图2示出了此脂质体12的详细结构。在图2中，将两种类型的酶13和14以及一种类型的辅酶15封入脂质体12内部的水相12a中，虽然不限于此，并且可适当地选择所封入的酶和辅酶的类型。例如，酶13是促进燃料的氧化以进行分解的氧化酶。酶14是使随着燃料的氧化而还原的辅酶15返回至氧化形式并且通过电子介体将电子传送至电极11的辅酶氧化酶。除了这些酶13和14以及辅酶15以外，例如，可以将电子介体封入此脂质体12内部的水相12a中。可以将此电子介体与脂质体12一起固定在电极11上。

通过例如制造在其中封入酶13和14以及辅酶15的脂质体12，然后将产生的脂质体12固定在电极11上，可制造此酶固定电极。更具体地，例如，分别制备包含酶13的缓冲溶液、包含酶14的缓冲溶液、包含辅酶15的缓冲溶液、以及包含脂质体12(酶13和14以及辅酶15未封入内部)的缓冲溶液，混合这些缓冲溶液，然后，通过例如使产生的混合溶液通过凝胶过滤柱，去除脂质体12外部的酶13和14以及辅酶15。

图3示意性示出了由于此酶固定电极处的酶、辅酶和电子介体而产生的电子传递反应的一个实例。在此实例中，在乙醇(EtOH)的分解中涉及的酶是醇脱氢酶(ADH)，辅酶(与乙醇的分解过程中的氧化反应一起产生还原形式)是NAD⁺，并且，氧化NADH(其是辅酶的还原形式)的辅酶氧化酶的是心肌黄酶(DI)。电子介体从辅酶氧化酶接收与辅酶的氧化一起产生的电子，并使电子传送至电极11。在此情况中，乙醇通过构成脂质体12的脂质双层，并进入脂质体12的内部。用醇脱氢酶通过此乙醇的分解来产生乙醛，并且，产生的乙醛离开至脂质体12的外部。电子介体进入并离开构成脂质体12的脂质双层，以传送电子。

将描述一个实施例。

通过称量5mg的心肌黄酶(DI)(EC 1.8.1.4，由Amano Enzyme Inc.制造)，并将DI溶解在1mL的缓冲溶液(10mM磷酸盐缓冲溶液，pH 7)中，来制备DI酶缓冲溶液(1)。

通过称量5mg的醇心肌黄酶(ADH)(NAD依赖型，EC 1.1.1.1，由Amano Enzyme Inc.制造)，并将ADH溶解在1mL的缓冲溶液(10mM磷酸盐缓冲溶液，pH 7)中，来制备ADH酶缓冲溶液(2)。

优选的是，在冷藏中保持溶解酶的上述缓冲溶液，直到就在使用之前为止，并且，优选的是，也尽可能地在冷藏中保持酶缓冲溶液。

通过称量35mg的NADH(N-8129，由Sigma-Aldrich Corporation制造)，并将NADH溶解在1mL的缓冲溶液(10mM磷酸盐缓冲溶液，pH7)中，来制备NADH缓冲溶液(3)。

通过称量15至300mg的2，3-二甲氧基-5-甲基-1，4-苯醌(Q0)，并将Q0溶解在1mL的缓冲溶液(10mM磷酸盐缓冲溶液，pH 7)中，来制备Q0缓冲溶液(4)。

通过称量100mg的蛋黄卵磷脂(由Wako制造)，并将蛋黄卵磷脂溶解在10mL的缓冲溶液(10mM磷酸盐缓冲溶液，pH 7)中，来制备脂质体缓冲溶液(5)。

采用并混合如上所述制备的以下量的各种溶液，并且，重复冷冻和解冻三次。

DI酶缓冲溶液(1)：50μl

ADH酶缓冲溶液(2)：50μL

NADH缓冲溶液(3)：50μL

脂质体缓冲溶液(5)：50μL

使上述混合的溶液通过凝胶过滤柱，因此，去除脂质体外部的酶和NADH。假设这里获得的脂质体溶液是封入ADH、DI和NADH的脂质体溶液(6)。

图4、图5和图6是在其中封入用花青着色剂Cy2荧光标记的ADH、用花青着色剂Cy3荧光标记的DI和NADH的脂质体的荧光显微照片。在图4、图5和图6中，Ex(激发)表示具有在Ex右边描述的波长的激发光，DM(分色镜(Dichroic mirror))表示将激发光与荧光分开并且仅传播具有比在DM右边描述的波长更大的波长的光的镜子，以及BA(阻挡滤光片(Barrier filter))表示将荧光与散射光分开并且传播具有大于或等于在BA右边描述的波长的光的滤光片。在此荧光显微镜中，用激发光激发着色剂，并且，从那里产生的光顺序地通过DM和BA，以去除不必要的光，并且，仅检测来自着色剂的荧光。图4示出了ADH的分布，其中，通过用具有450至490nm波长的激发光激发Cy2，产生荧光。图5示出了DI的分布，其中，通过用具有510至560nm波长的激发光激发Cy3，产生荧光。图6示出了NADH的分布，其中，通过用具有380至420nm波长的激发光激发NADH，产生荧光。

根据图4、图5和图6，脂质体的平均直径是4.6μm，标准偏差是2.0μm。在这点上，通过测量图4、图5和图6中的30个脂质体的直径并取它们的平均值，来确定脂质体的平均直径。

图7、图8和图9是示出了在其中封入用Cy2荧光标记的ADH、用Cy3荧光标记的DI以及NADH的脂质体的荧光监控结果的图表。图7表示来自用Cy2荧光标记的ADH的荧光的强度。图8表示来自用Cy3荧光标记的DI的荧光的强度。图9表示来自NADH的荧光的强度。在图7、图8和图9中，Em(发射(Emission))表示当用激发光Ex激发着色剂时所发射的并具有在Em右边描述的波长的光，并且，在Ex的波长和Em的波长右边的括号中的数值是半宽度(半峰全宽)。如从图7、图8和图9中显而易见的，荧光强度不变化，直到乙醇浓度在每种情况中都达到100mM为止。也就是说，显而易见的是，脂质体是稳定的，并且，将ADH、DI和NADH可靠地封入脂质体的内部，至少直到具有100mM的乙醇浓度。此外，当添加0.3％的用作表面活性剂的TritonX时，荧光强度增加。这表示，用0.3％的TritonX破坏了脂质体，并且，将内部的ADH、DI和NADH释放至脂质体的外部，使得荧光强度增加。作为一个实例，图10中示出了此时的NADH的状态。如图10所示，在将NADH封入脂质体的内部的状态中，由于NADH而产生的荧光强度较低，但是，当破坏脂质体并将封入内部的NADH释放至脂质体的外部时，由于NADH而产生的荧光强度增加。

将由此获得的封入ADH、DI和NADH的脂质体溶液(6)和Q0缓冲溶液(4)混合，以制备总体积为100μL的测量溶液，用碳毡作为工作电极，将电势设置为0.3V，相对于参考电极Ag|AgCl来说，其比电子介体的氧化还原电势足够高，并且，在搅动溶液的同时进行计时电流法。在计时电流法的过程中，将那些(其中，以这样的方式添加乙醇，使得最终浓度变成1、10和100mM)顺序地添加到测量溶液中。

图11中的曲线(a)表示计时电流法的结果，其中，如上所述，将乙醇添加到上述包含封入的ADH、DI和NADH的脂质体的测量溶液中。如从此曲线(a)中显而易见的，在将ADH、DI和NADH封入脂质体中的情况中，观察到从乙醇产生的催化剂电流，并且，催化剂电流随着乙醇浓度的增加而增加。也就是说，观察到基于封入ADH、DI和NADH的脂质体(其是人造电池)的电化学催化剂活性。另一方面，关于将与脂质体中封入ADH、DI和NADH的情况中的量相同量的ADH、DI和NADH没有封入脂质体中，而是简单地分散在Q0缓冲溶液(4)中的情况，以与上述方式相似的方式进行计时电流法。图11中的曲线(b)表示其结果。如从此曲线(b)中显而易见的，在没有将ADH、DI和NADH封入脂质体中，而是简单地分散在Q0缓冲溶液(4)中的情况中，很难观察到从乙醇产生的催化剂电流。例如，如果在乙醇浓度是100mM的情况中进行比较，那么，当没有将ADH、DI和NADH封入脂质体中，而是简单地分散在Q0缓冲溶液(4)中时获得的催化剂电流，是将ADH、DI和NADH封入脂质体中时获得的催化剂电流的大约1/30的程度。因此，显而易见的，在将ADH、DI和NADH封入脂质体中的情况中，可获得比没有封入其的情况中的催化剂电流高得多的催化剂电流。

将描述，如上所述，在将ADH、DI和NADH封入脂质体中的情况中获得的催化剂电流比在没有封入其的情况中的催化剂电流高得多的原因。如图12所示，考虑这样的情况：将在其中封入ADH(用设置有水平线的○表示)、DI(用设置有垂直线的○表示)和NADH(用开圆○表示)的脂质体12在缓冲溶液S中布置成正方形的格状图案。另一方面，如图13所示，考虑这样的情况：以与图12所示相同的量将ADH(用设置有水平线的○表示)、DI(用设置有垂直线的○表示)和NADH(用开圆○表示)在具有与图12所示相同体积的缓冲溶液S中布置成六角形格状图案。缓冲溶液S的体积是，例如，100μL，并且，脂质体12内部的体积是，例如，大约0.17μL。在这点上，在缓冲溶液S中存在5.5×10^-3μmol的构成脂质体12的脂质双层的磷脂，并且，脂质体12内部的总体积是30μL/μmol，以每微摩尔脂质体的体积为单位。如图12所示，在将这些ADH、DI和NADH封入脂质体12中的情况中，ADH、DI和NADH的局部浓度高于如图13所示将ADH、DI和NADH简单地分散在缓冲溶液S中的情况中ADH、DI和NADH浓度的大约600倍。也就是说，将ADH、DI和NADH封入脂质体12中，由此，可显著增加这些ADH、DI和NADH的浓度，并可显著减小这些ADH、DI和NADH之间的相互距离。因此，由于ADH、DI和NADH而产生的催化剂循环在脂质体12中以非常高的速度进行，使得获得如图11所示的结果。

如上所述，根据此第一实施方式，将酶反应所需的酶和辅酶封入脂质体12的内部中，并且，将此脂质体12固定在电极11上。因此，在脂质体12的内部中的微小空间用作反应场的同时，可有效地实现酶反应，使得可有效地从基质中取出电子，并将电子传送至电极11。另外，与用聚离子络合物等将酶等直接固定在电极11上的情况相比，可容易地进行固定。

图14示出了根据本发明的第二实施方式的酶固定电极。

如图14所示，在此酶固定电极中，与在第一实施方式中相同，通过物理吸附等将脂质体12固定在电极11上。将在期望的酶反应中所涉及的至少一种类型的酶和至少一种类型的辅酶封入此脂质体12的内部中的水相中。另外，在构成此脂质体12的脂质双层中加入运载蛋白16。图15示出了此脂质体12的详细结构。运载蛋白16用来，在无法容易地使此基质通过构成脂质体12的脂质双层进入内部的情况中，输送酶反应的基质，并且，使用根据基质而适当地选择的材料。例如，在基质是葡萄糖的情况中，用葡萄糖运载蛋白作为运载蛋白16。

除了上述那些以外，此酶固定电极与第一实施方式中的酶固定电极相同。

图16示意性地示出了由于此酶固定电极处的酶、辅酶和电子介体而产生的电子传递反应的一个实例。在此实例中，加入脂质体12中的运载蛋白16是葡萄糖运载蛋白，在葡萄糖的分解中涉及的酶是葡萄糖脱氢酶(GDH)，辅酶(其中，与葡萄糖的分解过程中的氧化反应一起产生还原形式)是NAD⁺，并且，氧化NADH(其是辅酶的还原形式)的辅酶氧化酶的是心肌黄酶(DI)。电子介体从辅酶氧化酶接收与辅酶的氧化一起产生的电子，并将电子传送至电极11。

根据第二实施方式，可获得与第一实施方式中的优点相同的优点。

接着，将描述根据本发明的第三实施方式。在此第三实施方式中，用根据第二实施方式的酶固定电极作为生物燃料电池的负极。

图17示意性地示出了此生物燃料电池。在此生物燃料电池中，用葡萄糖作为燃料。图18示意性地示出了此生物燃料电池的负极的详细构造、封入固定在此负极上的脂质体12中的酶组和辅酶的实例、以及由于酶组和辅酶而产生的电子传递反应。

如图17和图18所示，此生物燃料电池具有负极21和正极22通过其间的电解质层23而相对的结构。负极21用酶分解作为燃料供给的葡萄糖，以取出电子，另外，产生质子(H⁺)。正极22用从负极21通过电解质层23输送的质子、从负极21通过外部电路传送的电子、以及例如空气中的氧，来产生水。

负极21具有这样的构造：将在其中封入在葡萄糖分解中涉及的酶、其中与葡萄糖分解过程中的氧化反应一起产生还原形式的辅酶(例如，NAD⁺)和氧化辅酶的还原形式(例如，NADH)的辅酶氧化酶(例如，心肌黄酶(DI))的脂质体12固定在电极11上(参照图18)，电极11由例如多孔碳形成，除此之外，必要时，将从辅酶氧化酶接收与辅酶的氧化一起产生的电子并将电子传送至电极11的电子介体(例如，ACNQ)以与根据第二实施方式的酶固定电极相似的方式固定。将用作运载蛋白16的葡萄糖运载蛋白加入构成脂质体12的脂质双层中，虽然未在附图图18中示出。

至于在葡萄糖分解中涉及的酶，例如，可使用葡萄糖脱氢酶(GDH)，优选地可使用NAD依赖性葡萄糖脱氢酶。例如，在存在此氧化酶的情况下，可将β-D-葡萄糖氧化成D-葡萄糖酸-δ-内酯。

此外，在存在两种酶(葡糖酸激酶和磷酸葡糖酸脱氢酶(PhGDH))的情况下，可将产生的D-葡萄糖酸-δ-内酯分解成2-酮-6-磷-D-葡萄糖酸盐。也就是说，通过水解将D-葡萄糖酸-δ-内酯转换成D-葡萄糖酸盐。在存在葡糖酸激酶的情况下，D-葡萄糖酸盐将三磷酸腺苷(ATP)水解成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸，因此，通过磷酸化作用将其转换成6-磷-D-葡萄糖酸盐。通过氧化酶PhGDH的作用，将产生的6-磷-D-葡萄糖酸盐氧化成2-酮-6-磷-D-葡萄糖酸盐。

此外，除了上述分解过程以外，还可通过葡萄糖新陈代谢的使用，将葡萄糖分解成CO₂。将通过使用葡萄糖新陈代谢的此分解过程粗略地分成通过糖酵解途径和TCA循环的葡萄糖分解和丙酮酸产生。这些是众所周知的反应系统。

与辅酶的还原反应一起，实现单糖的分解过程中的氧化反应。对于辅酶作用于其上的酶来说，此辅酶是几乎特定的。至于GDH，用NAD⁺作为辅酶。也就是说，当通过GDH的作用将β-D-葡萄糖氧化成D-葡萄糖酸-δ-内酯时，将NAD⁺还原成NADH，以产生H⁺。

在存在心肌黄酶(DI)的情况下，将产生的NADH立即氧化成NAD⁺，以产生两个电子和H⁺。因此，在氧化反应的一个阶段中，每个葡萄糖分子产生两个电子和两个H⁺。在氧化反应的两个阶段中，总共产生四个电子和四个H⁺。

将通过上述过程产生的电子从心肌黄酶通过电子介体传送至电极11，并且，将H⁺通过电解质层23输送至正极22。

优选的是，用包含在电解质层23中的缓冲溶液(例如，磷酸盐缓冲溶液或Tris缓冲溶液)将在其中封入上述酶和辅酶的脂质体12和电子介体保持在对于酶来说最佳的pH，例如，大约7的pH，使得电极反应有效且恒定地进行。至于磷酸盐缓冲溶液，例如，使用NaH₂PO₄和KH₂PO₄。此外，过高或过低的离子强度(I.S.)会不利地影响酶活性。还考虑到电化学反应性，适当的离子强度，例如，大约0.3，是优选的。然而，并不将pH和离子强度限制于上述值，因为，对于所使用的各种酶来说，存在最佳值。

作为一个实例，图18示出了这样的情况：在葡萄糖分解中涉及的酶是葡萄糖脱氢酶(GDH)，其中与葡萄糖的分解过程中的氧化反应一起产生还原形式的辅酶是NAD⁺，氧化NADH(其是辅酶的还原形式)的辅酶氧化酶的是心肌黄酶(DI)，并且，从辅酶氧化酶接收与辅酶的氧化一起产生的电子并将电子传送至电极11的电子介体，是ACNQ。

通过将分解氧的酶(例如，胆红素氧化酶、漆酶或抗坏血酸盐氧化酶)固定在多孔碳电极等上，来制备正极22。此正极22的外部(与电解质层23相对的侧的部分)通常由气体扩散层形成，气体扩散层由多孔碳构成，虽然不限于此。有利的是，还将除了酶以外的电子介体固定在正极22上，以使电子在正极22与电子介体之间传递。

关于此正极22，在存在上述分解氧的酶的情况下，用来自电解质层23的H⁺和来自负极21的电子，在空气中通过氧的还原，来产生水。

电解质层23将在负极21产生的H⁺输送至正极22。电解质层23不具有电子传导性，并由能够输送H⁺的材料形成。至于电解质层23，可使用上述材料，例如，玻璃纸。

在由此形成的生物燃料电池中，当对负极21侧供给葡萄糖时，通过包含氧化酶的分解酶，分解此葡萄糖。由于在单糖的分解过程中涉及氧化酶，所以可在负极21侧上产生电子和H⁺，并且，可在负极21与正极22之间产生电流。

接着，将描述生物燃料电池的一个具体的结构实例。

如图19A和图19B所示，此生物燃料电池具有负极21和正极22通过其间的电解质层23而相对的构造。在此情况中，将Ti集电体41和42分别设置在正极22的下方和负极21的下方，以使得能够容易地进行集电。参考数字43和44表示夹板。用螺钉45将这些夹板43和44固定在一起，并且，在其之间夹入整个正极22、负极21、电解质层23、以及Ti集电体41和42。将用于进气的圆形凹部43a设置在夹板43的一个表面(外表面)上。将穿透到另一表面中的许多孔43b设置在此凹部43a的底部中。这些孔43b用作对正极22供气的通道。另一方面，将用于燃料供送的圆形凹部44a设置在夹板44的一个表面(外表面)上。将穿透到另一表面中的许多孔44b设置在此凹部44a的底部中。这些孔44b用作对负极21供给燃料的通道。以这样的方式在夹板44的另一表面的周边部上设置隔离片46，使得，当用螺钉45将夹板43和44固定在一起时，其之间的距离变成预定距离。

如图19B所示，在Ti集电体41和42之间连接负载47，将燃料(例如，其中葡萄糖溶解在磷酸盐缓冲溶液中的葡萄糖溶液)放入夹板44的凹部44a中，并且，进行发电。

根据此第三实施方式，将酶固定电极用作负极21，在酶固定电极中，将其中封入酶反应所需要的酶组和辅酶并加入葡萄糖运载蛋白用作运载蛋白16的脂质体12固定在电极11上。因此，在脂质体12内部的微小空间用作反应场的同时，可有效地实现酶反应，使得可有效地从用作燃料的葡萄糖中取出电子，并使电子传送至电极11。另外，与用聚离子络合物等将酶等直接固定在电极11上的情况相比，可容易地进行固定。由于用作负极21的酶固定电极表现出高效率，如上所述，所以可获得高效率生物燃料电池。在这点上，为了增加生物燃料电池的输出，需要从用作燃料的葡萄糖中取出多于两个的电子。为此目的，必需使用这样的酶固定电极，其中，将至少三种类型的酶固定在适当的位置，将其用作负极21。通过将至少三种类型的酶封入脂质体12的内部中，可满足这种需求。此外，通过包含许多种类型的在其中封入至少三种类型的相互不同的酶的脂质体，对许多类型的燃料的响应变得容易。然而，也可获得这样一种微生物燃料电池，在其中布置有负极脂质体和正极脂质体。

接着，将描述根据本发明的第四实施方式的生物燃料电池。

在此生物燃料电池中，用淀粉(其是多糖)作为燃料。此外，也将用作将淀粉分解成葡萄糖的分解酶的葡糖淀粉酶固定在负极21上，因为用淀粉作为燃料。具体地，例如，将葡糖淀粉酶直接固定在电极11上，或者，例如，将用作锚形体的聚乙二醇链固定在脂质体12上。

在此生物燃料电池中，当对负极21侧供给用作燃料的淀粉时，通过葡糖淀粉酶将此淀粉水解成葡萄糖。此外，用葡萄糖运载蛋白将产生的葡萄糖带入脂质体12的内部，并用葡萄糖脱氢酶将其分解。与此分解过程中的氧化反应一起，还原NAD⁺，以产生NADH，并且，用心肌黄酶氧化产生的NADH，以将其分成两个电子、NAD⁺和H⁺。因此，在氧化反应的一个阶段中，每个葡萄糖分子产生两个电子和两个H⁺。在氧化反应的两个阶段中，总共产生四个电子和四个H⁺。将由此产生的电子传送至负极21的电极11，并且，H⁺通过电解质层23，移动至正极22。关于正极22，产生的H⁺与从外部供给的氧和通过外部电路从负极21传送的电子起反应，以产生H₂O。

除了上面描述的那些以外，此生物燃料电池与根据本发明第三实施方式的生物燃料电池相同。

根据此第四实施方式，可获得与第三实施方式中的优点相同的优点。另外，由于用淀粉作为燃料，所以可获得这样的优点：与用葡萄糖作为燃料的情况相比，可增加发电的量。

接着，将描述根据本发明的第五实施方式的生物燃料电池。

图20A、图20B和图20C以及图21示出了此生物燃料电池。图20A、图20B和图20C是此生物燃料电池的顶视图、剖视图和底视图，图21是示出了此生物燃料电池的分解的各个部件的分解透视图。

如图20A、图20B和图20C以及图21所示，在此生物燃料电池中，将正极22、电解质层23和负极21容纳在形成于正极集电体51与负极集电体52之间的空间的内部，同时，其被正极集电体51和负极集电体52夹在顶部和底部之间。在正极集电体51、负极集电体52、正极22、电解质层23和负极21中，将彼此靠近的元件相互粘结。在此情况中，这些正极集电体51、负极集电体52、正极22、电解质层23和负极21具有圆形的二维形状，类似地，此生物燃料电池的整体具有圆形的二维形状。

正极集电体51用来收集在正极22产生的电流，并且，将电流从此正极集电体51取出至外部。此外，负极集电体52用来收集在负极21产生的电流。通常，这些正极集电体51和负极集电体52由金属、合金等形成，虽然不限于此。正极集电体51具有平的且几乎圆柱形的形状。类似地，负极集电体52具有平的且几乎圆柱形的形状。然后，通过将正极集电体51的外周部51a的边缘相对于负极集电体52的外周部52a锻造，来形成容纳正极22、电解质层23和负极21的空间，在所述两个外周部之间具有由绝缘材料例如硅橡胶形成的环形垫圈56a和环形疏水树脂56b(例如，聚四氟乙烯(PTFE))。将疏水树脂56b设置在被正极22、正极集电体51和垫圈56a包围的空间中，同时，粘结至这些正极22、正极集电体51和垫圈56a。通过此疏水树脂56b，可有效地抑制燃料过分透过正极22侧。电解质层23的端部在正极22和负极21的外部延伸，并夹在垫圈56a和疏水树脂56b之间。正极集电体51在其整个底部上具有多个氧化剂供给孔51b，并且，正极22在这些氧化剂供给孔51b的内部暴露。在图20C和图21中，示出了13个圆形的氧化剂供给孔51b，虽然这只是一个实例。可适当地选择氧化剂供给孔51b的所有数量、形状、大小和布置。类似地，负极集电体52在其整个顶部上具有多个燃料供给孔52b，并且，负极21在这些燃料供给孔52b的内部暴露。在图21中，示出了9个圆形的燃料供给孔52b，虽然这只是一个实例。可适当地选择燃料剂供给孔52b的所有数量、形状、大小和布置。

负极集电体52在与负极21相对的一侧上具有圆筒形状的燃料箱57。将此燃料箱57与负极集电体52整体地设置。将使用的燃料(未在图中示出)，例如，葡萄糖溶液，在其中向葡萄糖溶液中进一步添加电解质的溶液等，放入燃料箱57中。将圆筒形状的盖子58可移开地连接至此燃料箱57。例如，将此盖子58装配在燃料箱57中，或将其与燃料箱57螺纹连接。在此盖子58的中央部中设置圆形的燃料供给孔58a。通过例如粘附气密密封件(虽然未在图中示出)，来密封此燃料供给孔58a。

在不削弱其特征的范围内，除了此生物燃料电池的上述那些构造以外的构造，与第三实施方式中的构造相同。

接着，将描述制造此生物燃料电池的方法的一个实例。在图22A至图22D中示出了此制造方法。

如图22A所示，一开始，制备具有一个开口端的圆筒形状的正极集电体51。在此正极集电体51的整个底部上设置多个氧化剂供给孔51b。将环形疏水树脂56b放置在此正极集电体51的内侧底部的外部区域上，并且，将正极22、电解质层23和负极21顺序地堆叠在此底部的中央部上。

另一方面，如图22B所示，制备圆筒形状的负极集电体52，其具有一个开口端并设置有在其上整体设置的燃料箱57。在负极集电体52的整个表面上设置多个燃料供给孔52b。将具有以字母U形状的横截面的垫圈56a连接至负极集电体52的外周面的边缘。然后，将此负极集电体52开口侧向下地放在负极21上，以便将正极22、电解质层23和负极21夹在正极集电体51与负极集电体52之间。

随后，如图22C所示，将其中正极22、电解质层23和负极21夹在正极集电体51与负极集电体52之间的产生的单元放在锻造机的工作台61上。用挤压件62挤压负极集电体52，以便使正极集电体51、正极22、电解质层23、负极21和负极集电体52中彼此靠近的元件相互粘结。在此状态中，向下移动锻造工具63，以便将正极集电体51的外周部51a的边缘相对于负极集电体52的外周部52a锻造，在其之间具有垫圈56a和疏水树脂56b。以这样的方式进行锻造，使得垫圈56a逐渐破碎，并且，在正极集电体51与垫圈56a之间不产生空隙，在负极集电体52与垫圈56a之间也不产生空隙。此外，此时，也逐渐压缩疏水树脂56b，以便粘附至正极22、正极集电体51和垫圈56a。因此，用垫圈56a使正极集电体51和负极集电体52彼此电绝缘，并且，在该状态中，在其内部中形成用于容纳正极22、电解质层23和负极21的空间。然后，向上移动锻造工具63。

以此方式，如图22D所示，制造生物燃料电池，其中，将正极22、电解质层23和负极21容纳在形成于正极集电体51与负极集电体52之间的空间的内部。

然后，将盖子58与燃料箱57连接，并且，从此盖子58的燃料供给孔58a注入燃料和电解质。之后，通过例如粘附气密密封件，来封闭此燃料供给孔58a。在这点上，在图22B所示的步骤中，可以将燃料和电解质注入燃料箱57中。

关于此生物燃料电池，在例如用葡萄糖溶液作为放入燃料箱57中的燃料的情况中，负极21用酶分解所供给的葡萄糖，以取出电子，另外，产生H⁺。正极22从H⁺(从负极21通过电解质层23来输送每个H⁺)、通过外部电路从负极21传递的电子、以及例如空气中的氧，来产生水。因此，在正极集电体51与负极集电体52之间获得输出电压。

如图23所示，此生物燃料电池的正极集电体51和负极集电体52可分别设置有网电极71和72。在此情况中，外部的空气通过网电极71的孔进入正极集电体51的氧化剂供给孔51b，而燃料通过网电极72的孔从盖子58的燃料供给孔58a进入燃料箱57。

图24示出了两个生物燃料电池串联连接的情况。在此情况中，将网电极73插在一个生物燃料电池(图中的上部燃料电池)的正极集电体51与另一个生物燃料电池(图中的下部生物燃料电池)的盖子58之间。在此情况中，外部的空气通过网电极73的孔进入正极集电体51的氧化剂供给孔51b。通过使用燃料供给系统，也可供给燃料。

图25示出了两个生物燃料电池并联连接的情况。在此情况中，一个生物燃料电池(图中的上部燃料电池)的燃料箱57和另一个生物燃料电池(图中的下部生物燃料电池)的燃料箱57以这样的方式彼此接触，使得其盖子58的燃料供给孔58a彼此适合，并且，从燃料箱57的侧面引出电极74。此外，上述一个生物燃料电池的正极集电体51和上述另一个生物燃料电池的正极集电体51分别设置有网电极75和76。这些网电极75和76彼此连接。外部的空气通过网电极75和76的孔进入正极集电体51的氧化剂供给孔51b。

根据此第五实施方式，关于除了燃料箱57以外的硬币型或钮扣型生物燃料电池，可获得与第三实施方式中的优点相同的优点。此外，在此生物燃料电池中，将正极22、电解质层23和负极21夹在正极集电体51和负极集电体52之间，并且，将正极集电体51的外周部51a的边缘相对于负极集电体52的外周部52a锻造，在其之间具有垫圈56a，使得各种部件可彼此均匀地粘结。因此，可防止输出的变化，另外，可防止电池溶液(例如，燃料和电解质)从各个部件之间的界面的泄漏。此外，此生物燃料电池的生产步骤是简单的。另外，可容易地减小此生物燃料电池的尺寸。此外，即使燃料或电解质泄漏至外部，也可以通过使用葡萄糖溶液或淀粉作为燃料并将所使用的电解质的pH选择为7(中性)附近，来确保此生物燃料电池的安全性。

此外，关于目前实际使用的空气电池，在生产过程中必需添加燃料和电解质，并且，生产之后的添加较困难，而关于此生物燃料电池，可在生产之后添加燃料和电解质，使得，与目前实际使用的空气电池相比，可容易地制造此生物燃料电池。

接着，将描述根据本发明的第六实施方式的生物燃料电池。

如图26所示，在此第六实施方式中，从根据第五实施方式的生物燃料电池去除与负极集电体52整体设置的燃料箱57，此外，使用分别设置有网电极71和72的正极集电体51和负极集电体52。在使生物燃料电池漂浮在放入开放系统燃料箱57中的燃料57a上、以使负极21侧向下而正极22侧向上的状态下使用产生的生物燃料电池。

在不削弱其特征的范围内，除了上述那些以外，此第六实施方式与第三和第五实施方式相同。

根据此第六实施方式，可获得与第三和第五实施方式中的优点相同的优点。

接着，将描述根据本发明的第七实施方式的生物燃料电池。根据第五实施方式的生物燃料电池具有硬币型或钮扣型，而此生物燃料电池具有圆筒型。

图27A和图27B以及图28示出了此生物燃料电池。图27A是此生物燃料电池的前视图，图27B是此生物燃料电池的纵向剖视图。图28是示出了此生物燃料电池的分解的各个部件的分解透视图。

如图27A和图27B以及图28所示，在此生物燃料电池中，将各自以圆筒形状的负极集电体52、负极21、电解质层23、正极22和正极集电体51顺序地设置在圆柱状燃料保持部77的外周上。在此情况中，由被圆筒形负极集电体52包围的空间形成燃料保持部77。此燃料保持部77的一端突出至外部，并且，盖子78与所述一端连接。虽然未在图中示出，但是，在燃料保持部77的外周上的负极集电体52的整个表面上，设置多个燃料供给孔52b。此外，电解质层23是包封负极21和负极集电体52的袋子的形状。用例如密封件(未在图中示出)以这样的方式密封电解质层23与燃料保持部77的一端处的负极集电体52之间的部分，使得燃料不会从此部分泄漏至外部。

在此生物燃料电池中，将燃料和电解质放入燃料保持部77中。这些燃料和电解质通过负极集电体52的燃料供给孔52b到达负极21，并且，通过渗透入此负极21的空隙部分中，将其储存在此负极21的内部中。为了增加可储存于负极21的内部中的燃料的量，希望负极21的孔隙率是，例如，60％或更大，虽然不限于此。

在此生物燃料电池中，可以在正极集电体51的外周面上设置气-液分离层，以改进耐久性。至于用于此气-液分离层的材料，例如，使用防水、防潮的材料(聚四氟乙烯和聚氨酯聚合物的拉伸膜的复合材料)(例如，由W.L.Gore & Associates Inc.生产的GORE-TEX(商品名))。为了将各种部件彼此均匀地粘结，有利的是，将具有来自外部的空气可通过其的网络结构的弹性橡胶(带形和片形是可接受的)缠绕在此气-液分离层的外部或内部周围，以拉紧此生物燃料电池的所有部件。

在不削弱其特征的范围内，除了上述那些以外，此第七实施方式与第三和第五实施方式相同。

根据此第七实施方式，可获得与第三和第五实施方式中的优点相同的优点。

接着，将描述根据本发明的第八实施方式的生物燃料电池。

根据此第八实施方式的生物燃料电池具有与根据第三实施方式的生物燃料电池的构造相同的构造，不同之处在于，使用如图29A和图29B所示的多孔导电材料用于负极21的电极材料。

图29A示意性地示出了此多孔导电材料的结构，图29B是此多孔导电材料的骨架部分的剖视图。如图29A和图29B所示，此多孔导电材料由骨架79a和覆盖此骨架79a的表面的碳基材料79b构成，骨架79a由具有三维网络结构的多孔材料形成。将与在第三实施方式中的脂质体相同的脂质体12固定在此碳基材料79b的表面上。此多孔导电材料具有这样的三维网络结构：被碳基材料79b包围的许多孔80与网络相应。在此情况中，这些孔80彼此相通。碳基材料79b的形状无关紧要，并且，可以是纤维形状(针的形状)、颗粒形状等中的任何一种。

至于由多孔材料形成的骨架79a，使用发泡金属或发泡合金，例如，发泡镍。通常，此骨架79a的孔隙率是85％或更大，或90％或更大。通常，其孔径是，例如，10nm至1mm，或10nm至600μm，或1至600μm，典型地是50至300μm，更典型地是100至250μm。至于碳基材料79b，高导电性材料(例如，科琴黑)是优选的。然而，可以使用功能碳材料(例如，碳纳米管和富勒烯)。

通常，此多孔导电材料的孔隙率是80％或更大，或90％或更大。通常，孔80的直径是，例如，9nm至1mm，或9nm至600μm，或1至600μm，典型地是30至400μm，更典型地是80至230μm。

接着，将描述制造此多孔导电材料的方法。

如图30A所示，一开始，制备由发泡金属或发泡合金(例如，发泡镍)形成的骨架79a。

然后，如图30B所示，用碳基材料79b涂覆由发泡金属或发泡合金形成的此骨架79a的表面。至于此涂覆方法，可使用之前已知的方法。在一个实例中，通过用喷雾器将包含碳粉、适当的粘结剂等的乳状液喷射在骨架79a的表面上，来施加碳基材料79b。考虑由发泡金属或发泡合金形成的骨架79a的孔隙率和孔径，根据多孔导电材料所需的孔隙率和孔径，来确定此碳基材料79b的涂覆厚度。在涂层中，被碳基材料79b包围的许多孔80彼此相通。

以此方式，制造期望的多孔导电材料。其后，将脂质体12固定在此多孔导电材料的碳基材料79b的表面上。

除了上述那些以外，该制造方法与第三实施方式中的制造方法相同。

根据此第八实施方式，除了与第三实施方式中的优点相同的优点以外，还可获得以下优点。即，其中用碳基材料79b覆盖由发泡金属或发泡合金形成的骨架79a的表面的多孔导电材料具有足够大的孔80的直径，在具有粗糙的三维网络结构的同时具有高强度和高电导率，并可获得必需的且足够的表面积。因此，通过使用此多孔导电材料作为电极材料并将酶、辅酶和电子介体固定于其上来制造的由酶/辅酶/电子介体固定电极构成的负极21，可在其上具有高效率地实现酶新陈代谢反应，或者，有效地捕捉在电极附近出现的酶反应现象作为电信号，此外，可获得不管使用环境如何都是稳定的高性能生物燃料电池。

接着，将描述根据本发明的第九实施方式的生物反应器。此生物反应器包括根据第一或第二实施方式的酶固定电极，图31示出了此生物反应器。

如图31所示，在此生物反应器中，将反应溶液82放入反应容器81中，并且，将工作电极83、参考电极84和反电极85浸没于其中。至于工作电极83，使用根据第一或第二实施方式的酶固定电极。在参考电极84与反电极85之间连接恒定电压产生装置86，因此，将参考电极84保持在恒定电压。将工作电极83连接至端子，恒定电压产生装置86的参考电极84连接至所述端子。

在此生物反应器中，将基质(例如，醇、葡萄糖等)提供给工作电极83，并实现酶反应，以产生期望的产物。

根据此第九实施方式，使用酶固定电极，其中，将在其中封入酶反应所需的酶组和辅酶的脂质体12固定在电极11上。因此，在脂质体12的内部中的微小空间用作反应场的同时，可有效地实现酶反应，使得可有效地获得期望的产物。另外，与用聚离子络合物等将酶等直接固定在电极11上的情况相比，可容易地进行固定。由于用作电极的酶固定电极表现出高效率，如上所述，所以可获得高效率生物反应器。在这点上，在需要使用至少三种类型的酶的情况中，通过将至少三种类型的酶封入脂质体12的内部中，可满足需求。

到目前为止，已经具体说明了根据本发明的实施方式。然而，本发明不限于上述实施方式，基于本发明的技术思想，可进行各种修改。

例如，上述实施方式中提到的数值、结构、构造、形状、材料等仅仅是实例，并且，必要时，可以使用与其不同的数值、结构、构造、形状、材料等。此外，必要时，可以组合第四至第八实施方式中的至少任何两个。

参考标记列表

11电极、12脂质体、13、14酶、15辅酶、16运载蛋白、21负极、22正极、23电解质层、41、42 Ti集电体、43、44夹板、47负载

Claims (23)

1.一种燃料电池，包括正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构，并被构造为通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，

其中，至少一种所述酶和至少一种所述辅酶被封入脂质体中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述脂质体固定在所述负极上。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，电子介体固定在所述负极上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述酶包括促进燃料的氧化以进行分解的氧化酶。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述酶包括辅酶氧化酶，所述辅酶氧化酶使随着所述燃料的氧化而还原的所述辅酶回到氧化形式，并且，所述辅酶氧化酶通过所述电子介体将电子传送至所述负极。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述辅酶的氧化形式是NAD⁺，所述辅酶氧化酶是心肌黄酶。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，所述氧化酶是NAD依赖性醇脱氢酶。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，所述质子导体由包括含咪唑环的化合物作为缓冲物质的电解质形成。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，选自由盐酸、乙酸、磷酸和硫酸组成的组中的至少一种酸被添加到所述含咪唑环的化合物中。

10.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述酶包括促进单糖的氧化以进行分解的氧化酶。

11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述酶包括辅酶氧化酶，所述辅酶氧化酶使随着所述单糖的氧化而还原的所述辅酶回到氧化形式，并且，所述辅酶氧化酶通过所述电子介体将电子传送至所述负极。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述辅酶的氧化形式是NAD⁺，而所述辅酶氧化酶是心肌黄酶。

13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，所述氧化酶是NAD依赖性葡萄糖脱氢酶。

14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中，葡萄糖运载蛋白被加入构成所述脂质体的脂质双层中。

15.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述酶包括分解酶和氧化酶，所述分解酶被加入或固定在构成所述脂质体的脂质双层中，或存在于所述脂质体的外部，并且所述分解酶促进多糖的分解以产生单糖，而所述氧化酶促进所产生的单糖的氧化以进行分解。

16.根据权利要求15所述的燃料电池，其中，所述分解酶是葡糖淀粉酶，所述氧化酶是NAD依赖性葡萄糖脱氢酶。

17.一种制造燃料电池的方法，所述燃料电池具有正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构并通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，

所述方法包括将至少一种所述酶和至少一种所述辅酶封入脂质体中的步骤。

18.一种电子设备，包括：

至少一个燃料电池，

其中，至少一个燃料电池

具有正极和负极通过其间的质子导体而相对的结构，并被构造为通过使用酶和辅酶从燃料中取出电子，并且

至少一种所述酶和至少一种所述辅酶被封入脂质体中。

19.一种酶固定电极，其中，固定了封入有至少一种酶和至少一种辅酶的脂质体。

20.一种生物传感器，

其中，使用了酶和辅酶，并且

至少一种所述酶和至少一种所述辅酶被封入脂质体中。

21.一种生物反应器，

其中，使用了酶和辅酶，并且

至少一种所述酶和至少一种所述辅酶被封入脂质体中。

22.一种能量转换元件，其中，使用了封入有至少一种酶和至少一种辅酶的脂质体。

23.一种酶反应利用装置，

其中，使用了酶和辅酶，并且

至少一种所述酶和至少一种所述辅酶被封入脂质体中。

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