CN102171880A - 燃料电池以及酶电极 - Google Patents

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Abstract

提供了一种燃料电池，该燃料电池初始发电性能和容积功率密度高且产生稳定功率。固定板之间10a和10n之间设置第一和第二电池部。第一电池部包括阳极11a、阴极12a以及质子传导体18b，而第二电池部包括阳极11b、阴极12b，以及质子传导体18b。向由气-液分离渗透膜17a和17b、阴极间隔装置14a和14b、以及阳极间隔装置13形成的间隔填充燃料溶液。在固定板10a和阴极12a之间和固定板10b和阴极12b之间布置气-液分离和渗透膜17a和17b。分别在阴极12a和12b周围设置阴极间隔装置14a和14b，并在阳极11a和11b之间设置阳极间隔装置13。

Description

燃料电池以及酶电极
技术领域
本发明涉及使用氧化还原酶的燃料电池，以及在其中使用的酶电极。
背景技术
作为具有大容量和高安全性的下一代燃料电池，在电极上固定地设置有氧化还原酶来用作催化剂的燃料电池(下文中也称为酶电池)正受到关注。这是因为，这样的燃料电池可以有效地从在葡萄糖、乙醇或其他对于一般工业催化剂所无法使用的燃料中提取电子。
在酶电池使用葡萄糖作为燃料的情况下，如图27中所示的反应图解，在阳极处发生葡萄糖(Glucose)的氧化反应，而在阴极处发生空气中的氧气(O2)的还原反应。在阳极处，引导电子按顺序通过葡萄糖、葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrogenase)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+；Nicotinamide AdenineDinucleotide)、心肌黄酶(diaphorase)、电子介体(electron mediator)以及电极(碳)。另一方面，在阴极处，引导从阳极发出的电子按顺序通过电极(碳)、电极传递介体以及胆红素氧化酶(BOD)。然后通过这些电子和来自外部的氧气发生还原反应使得生成电能。
以这样的酶电池作为例子的生物燃料电池在其实际使用上有若干问题。例如，针对任何从前的生物燃料电池，将由此产生的功率小于任何其他类型的燃料电池所产生的功率。因此，为了获得更高的功率，需要增加电池的容量并且需要将电池配置为分层电池状。另一个问题是因为燃料处于液体状态并且非常粘，所以生物燃料电池经常导致燃料泄漏。如果存储燃料的容器被密封得更紧以便阻止这样的燃料泄漏，则这将因为例如燃料很粘而导致难于将燃料供应至电池内部的问题。
鉴于此，近年来，为了解决关于生物燃料电池的这些问题，进行了各种研究(称为专利文献1和2)。专利文献1描述了纽扣形的生物燃料电池，其包括阴极、质子传导体以及阳极，它们按照此顺序被彼此堆叠布置。所产生的分层结构夹在阴极集电器和阳极集电器之间。阴极集电器形成有氧化剂的供应口，而阳极集电器形成有燃料供应口。在这样的燃料电池中，阴极集电器的外边缘通过垫圈被塞(caulk)至阳极集电器的外围部分以使将被施加在部件上的压力均匀，并且使部件之间的接触程度提高，从而防止功率变化和燃料泄漏。
专利文献2描述了酶电池，其目的在于通过在电池中设置多个电池部来增加输出电流或输出电压。图28示出了专利文献2中描述的这样的从前的酶电池的配置。该酶电池100设置有电池部115和116。电池部115由阴极103、质子传导体104以及阳极105来配置。电池部116由阳极109、质子传导体110以及阴极111来配置。这些电池部115和116布置有夹在其之间的间隔装置107。以包围阳极105和109、阳极集电器106和108以及间隔装置107这样的方式设置了燃料存储容器114。在阴极103和111外部分别布置了阴极集电器102和112，而在阴极集电器102和112外部设置了可以使空气穿过其的间隔装置101和103。
针对这样的酶电池100，阳极105和109分别固定地设置有酶，并且当燃料存储容器114填充有用作燃料的葡萄糖溶液时，在阳极105和109处，通过由酶分解葡萄糖来提取电子，并且生成质子(H+)。在阴极103和111处，通过H+和电子与空气中氧气的反应生成水。这些H+是通过质子传导体110和104传输的H+，而这些电子是在从阳极105和109处被提取之后经由外部电路提供的电子。当阴极集电器102和112和阳极集电器106之间连接有负载时，负载被提供有流过其间的作为两个电池部115和116的输出电流之和的电流。从而，所产生的输出电流和电压可以大于从前的酶电池中的输出电流和电压。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2008-282586号公报
专利文献2：日本特开2007-188810号公报
发明内容
然而，因为其阴极是接触空气的配置的，如专利文献1和2中描述的这样的从前的生物燃料电池存在如下问题。即，在这样的配置的生物燃料电池中，由于外部环境的影响(诸如湿度)，阴极的性能容易发生改变，而这导致了功率降低的问题。此外，由于任何所供应的溶液需要时间从阳极侧到达阴极侧，从而存在初始发电性能低的问题。也存在容易导致溶液从阴极向空气侧泄漏的问题。
尤其是，当电池被配置为分层电池状以增加功率时，由于外界环境和溶液渗透性对其影响极大，所产生的生物燃料电池的功率在其整体上可能会相当大地降低。鉴于此，针对多层电池结构的生物燃料电池，重要的是将这些燃料电池配置为易于吸收溶液的。此外，针对在接触空气的配置中彼此堆叠布置地电池，溶液的泄漏可能关系到相邻电池，从而可能导致生物燃料电池在其整体上的功率下降。从而需要以彼此之间足够的间隔来布置电池。就此而言，接触空气的多层电池结构的生物燃料电池在结构上复杂，从而存在低容积效率的问题。
同样针对从前的生物燃料电池，使用的电极(酶电极)的集电器是延展的金属制成的轧制板。然而，该集电器设置有将酶固定至电极上的酶固定膜。因此，降低了从电极收集电流的能力，而这导致了功率降低问题。
考虑到这些问题，提出了本发明，并且本发明的第一个目的是提供初始发电性能和容积功率密度高且产生稳定功率的燃料电池。
本发明的第二个目的是提供如下的酶电极：其可以增加其中带有改进的集电器配置的本发明的燃料电池的功率。
本发明的燃料电池设置有多个电池，在每个电池中阴极和阳极被彼此相向布置，阴极和阳极之间夹有质子传导体。在燃料电池中，作为阴极或阳极的电极中的一个或全部电极固定地设置有用作催化剂的氧化还原酶，并且阴极和阳极都接触燃料溶液。
本发明的燃料电池是吸水多层电池结构的，其中阴极也暴露于燃料溶液。这样的配置不仅当然地提高了氧气供应的性能也提高了燃料和电解溶液供应的性能，并且保护燃料溶液不受外界环境的影响。因此，这带来了初始发电性能和容积功率密度的很大的提高，并且产生稳定的功率。
本发明的酶电极设置有电极衬底、用于将酶固定至电极衬底的酶固定膜以、及形成有高于酶固定膜的厚度的凸起部分的集电器。集电器的凸起部分和电极衬底通过或不通过所生成的转矩来彼此以机械和电的方式接触。
根据本发明的燃料电池，使用其中阴极和阳极都接触燃料溶液的吸水多层电池结构。这因此导致高初始发电高性能和高容积功率密度，从而可以稳定功率。
此外，根据本发明的酶电极，集电器设置有高于酶固定膜的厚度的凸起部分，并且经由该凸起部分，集电器和电极衬底彼此接触。因此，这降低了形成有酶固定膜的电极衬底和集电器之间的接触阻抗，以便所产生的燃料电池的功率可以高很多。
附图说明
[图1]本发明第一实施例中的燃料电池的透视图，示出了其使用状态。
[图2]图1中所示的燃料电池之间的连接部的剖视图，并且(B)是切过(A)中所示的线A-A的剖视图。
[图3]图1中所示燃料电池的剖视图，示出了其内部配置。
[图4]图3中所示阴极的平面图，示出了其配置。
[图5]图1中所示燃料电池的透视图，示出了其间的另一连接状态。
[图6]本发明第二实施例的燃料电池的透视图。
[图7]图6中所示燃料电池的剖视图，示出了其内部配置。
[图8]本发明修改示例中的燃料电池的透视图。
[图9]图8中所示燃料电池的前视图。
[图10]图8中所示燃料电池的后视图。
[图11]图8中所示燃料电池的右视图。
[图12]图8中所示燃料电池的左视图。
[图13]图8中所示燃料电池的俯视图。
[图14]图8中所示燃料电池的仰视图。
[图15]切过图9中所示的线A-A的燃料电池的剖视图。
[图16]切过图9中所示的线B-B的燃料电池的剖视图。
[图17]切过图9中所示的线C-C的燃料电池的剖视图。
[图18]修改示例中的酶电极的剖视图。
[图19]另一修改示例中的酶电极的剖视图。
[图20]又一修改示例中的酶电极的剖视图。
[图21]使用图18的酶电极的燃料电池的剖视图。
[图22]转矩生成装置的示意性图示。
[图23]示出示例2中的转矩和阻抗值之间的关系的特性图。
[图24]示出示例4中的LSV测量(葡萄糖0.4M)的结果的特性图。
[图25]示出关于示例4中的LSV中在-0.3V的电流密度的情况下关于葡萄糖的浓度相关性(在集电器(a)和集电器(b)之间)的比较结果的特性图。
[图26]比较示例中的酶电极的剖视图。
[图27]示出了酶电极反应图解的图。
[图28]从前的燃料电池的剖视图，示出了其配置。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明的实施例。按照如下顺序给出描述。
1.第一实施例(具有吸水多层电池结构的燃料电池)
2.第二实施例(具有吸水单层电池结构的燃料电池)
3.修改示例
4.酶电极的另一示例(改进的电极集电器)
(1.第一实施例)
(整体配置)
首先，描述本发明第一实施例中的燃料电池1。图1是该燃料电池1的示意图，示出了其使用状态。在本实施例中，例如，燃料电池1与其他三个燃料电池串联。图2(A)和(B)分别示出图1的任意两个燃料电池，示出了其之间的连接部的配置。图2(B)是图2(A)的燃料电池的剖视图，示出了其沿线A-A剖切的配置。本实施例中的燃料电池1是生物燃料电池，其中阳极和阴极分别被固定地设置有用作催化剂的氧化还原酶，并且容器2在其中容纳了蓄电池组电池。注意，这里描述的是其中阳极和阴极都被固定地设置有用作催化剂的氧化还原酶的示例。然而，本发明当然可应用于阳极或阴极被固定地设置有氧化还原酶的情形。
在该燃料电池1中，容器2的上部形成有开口，在开口上，布置了上盖5。上盖5形成有用于燃料供应或排放用途的多个孔(燃料供应孔6和排放孔7)。如图1和图2(A)中所示，容器2的外表面设置有端子3和4，且这些端子3和4允许多个燃料电池1的串联或并联。
(内部配置)
图3是示出图1中所示的每个燃料电池的内部配置的图。图3对应沿图2中所示的线A-A剖切的剖面。燃料电池1在其中设置有多个电池部(单电池)，并且电池部分别在吸水多层电池结构中，在该结构中阳极和阴极都接触燃料溶液。具体而言，在固定板10a和10b之间设置了第一和第二电池部。第一电池部由阳极11a、阴极12a以及质子传导体18b来配置，而第二电池部由阳极11b、阴极12b以及质子传导体18b来配置。
布置阳极11a和11b使其通过夹在其之间的阳极间隔装置13而彼此相向。在阳极11a和11b和间隔装置13之间，分别设置了阳极集电器15a和15b。在质子传导体18a和阴极12a之间，以及在质子传导体18b和阴极12b之间，分别设置了阴极集电器16a和16b。阳极集电器15a和15b以及阴极集电器16a和16b分别连接至设置于容器2的侧表面的端子3和4。
第一和第二电池部彼此并联。具体而言，经由阳极间隔装置13中存储的电解溶液，第一电池部中的阳极11a和第二电池部中的阳极11b彼此连接，而经由阴极集电器16a和16b，第一电池部中的阴极12a和第二电池部中的阴极12b彼此连接。
在阴极12a和12b周围，分别布置了阴极间隔装置14a和14b。在阴极12a和12b、阴极间隔装置14a和14b以及固定板10a和10b之间，分别设置了气-液分离渗透膜17a和17b。
在这样的燃料电池1中，在由气-液分离渗透膜17a和17b、阳极间隔装置13以及阴极间隔装置14a和14b形成的间隔中，填充了诸如葡萄糖溶液的燃料溶液。在下文中，更加详细地各自描述了该燃料电池1中的配置部件。
(阳极11a和11b)
阳极11a和11b各自通过在由传导性多孔材料制成的电极的表面上固定地设置氧化还原酶来配置。在这些阳极11a和11b中，表面上固定设置的酶分解燃料，从而提取电子且产生质子(H+)。关于配置这些阳极11a和11b的传导性多孔材料，可以使用任意已知的材料，但碳材料尤其适合，诸如多孔碳、碳颗粒、碳毡、碳纸、碳纤维或碳微粒层板。关于要固定地设置在阳极11a和11b的表面上的酶，例如，当燃料是葡萄糖时，可能使用的是用于分解葡萄糖的葡萄糖脱氢酶(GDH)。
当使用的燃料是单糖(诸如葡萄糖)时，理想的是将阳极11a和11b与诸如GDH的、加速单糖在其分解前的氧化的氧化酶固定地设置在带有辅酶氧化酶或电子介体的表面上。辅酶氧化酶用于将被氧化酶(例如，NAD+和NADP+)所还原的辅酶的氧化，并且是辅酶(例如，NADH和NADPH)的还原剂，并且以硫辛酰胺脱氢酶作为示例。由于这样的辅酶氧化酶的反应，当辅酶在形式上再次变为氧化剂时生成电子，并且由辅酶氧化酶经由电子介体将这些电子提供至电极。
使用的电子介体优选是醌骨架化合物，尤其是萘醌骨架化合物合适。具体而言，可能的选择包括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)、2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)等。作为醌骨架化合物，除了萘醌骨架化合物，蒽醌或其衍生物也是可能的。同样，按照要求，可以和醌骨架化合物一起固定地设置各自用作电子介体的一种或多种其他类型的化合物。
当使用的燃料是多醣时，理想的是，除了固定地设置氧化酶、辅酶氧化酶、辅酶以及电子介体之外，固定地设置分解酶用于加速分解(诸如多醣的水解)和产生单糖(诸如葡萄糖)。注意，术语“多醣”表示广义上的“多醣”，指示每个通过水解产生两个或多个单糖分子的碳水化合物，并且包括诸如二糖、三糖和四糖的低聚糖。具体而言，示例包括淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖元、纤维素、麦芽糖、蔗糖以及乳糖。这些是两种或多种单糖结合的结果，并且在任何多醣中，包括葡萄糖作为是结合单元的单糖。
此外，直链淀粉和支链淀粉各自是包含在淀粉中的成分，而淀粉是直链淀粉和支链淀粉的混合物。当用于多醣的分解酶是葡萄淀粉酶并且当用于分解单糖的氧化酶是葡萄糖脱氢酶时，例如，使用的燃料可以是多醣，其可以进一步通过葡萄淀粉酶分解为葡萄糖。这样的多醣的示例有淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖元以及麦芽糖。本文中，葡萄淀粉酶是用于诸如淀粉的α-葡聚糖的水解以及用于产生葡萄糖的分解酶。葡萄糖脱氢酶是用于将β-D-葡萄糖氧化为D-葡萄糖酸-δ-内酯的氧化酶。
(阴极12a和12b)
阴极12a和12b各自通过在由传导性多孔材料制成的电极的表面上固定地设置氧化还原酶和电子介体来配置。在这些阴极12a和12b中，例如通过质子、电子以及空气中的氧气来生成水。这些质子是由阳极11a和11b通过质子传导体18a和18b而提供的质子，而这些电子由阳极11a和11b经由外部电路而提供的电子。关于配置阴极12a和12b的传导性多孔材料，可以是用任何已知的材料，但碳材料尤其适合，诸如多孔碳、碳颗粒、碳毡、碳纸、碳纤维或碳微粒层板。
要固定地设置于阴极12a和12b的氧化还原酶的示例有胆红素氧化酶、漆酶以及抗坏血酸氧化酶。用于与这样的酶固定在一起的电子介体的示例有亚铁氰化钾、铁氰化钾以及八氰合钨酸钾(potassiumoctacyanotungstate)。
在实施例中的燃料电池1中，理想的是，阴极12a和12b被制造为至少在表面上部分地防水。如果配置是这样的，则所产生的阴极12a和12b的水分含量可以保持在最优范围内，并且通过这样的阴极12a和12b，电解电流值可以非常高。本文中，阳极11a和11b的电极表面和阴极12a和12b的电极表面各自整体地包括外电极表面和电极内部的空隙的内表面。
为了在阴极12a和12b表面上制造部分地防水，可能的方法是在阴极12a和12b的表面上应用防水剂，或者将阴极12a和12b浸在防水剂中。对阴极12a和12b使用的防水剂可以是各种类型，但是适合的一种防水剂是散布在有机溶剂中的有细密纹理的防水剂材料。防水剂中的有机溶剂理想的是具有足够低的酶溶解性，例如10mg/ml或更低的溶解性，并且优选的是1mg/ml或更低的溶解性。
可替选的是，防水剂可以包括粘合剂树脂，诸如聚乙烯醇缩丁醛。防水剂中的粘合剂树脂的质量百分比是0.01至10，但这当然不是限制性的。此外，当粘合剂树脂是防水性的材料(诸如PVDF)时，粘合剂树脂本身可以用作防水材料。使用的防水材料可以是各种类型，并且示例包括碳材料，并且适合的是碳粉末。碳粉末例如包括诸如自然石墨的石墨、活性炭、碳纳米纤维(气相生长的碳纤维)以及科琴黑(Ketjen black)。
图4是示出平面图中的图3中的阴极12a和12b的配置的图。在本实施例的燃料电池1中，阴极12a和12b各自被划分成多个用于间隔的片，而这些电极各自被布置与其他电极相间隔。电极之间这样的间隔有助于用燃料溶液代替空气，从而能够快速地将燃料溶液提供至电池内。因此，这改进了初始发电性能，从而允许紧接在供应燃料和电解溶液之后以高效率进行发电。
在本实施例中的燃料电池1中，阴极12a和12b各自被划分成四片，但是划分割数目当然不限于此，而是任意确定的。此外，阴极12a和12b不是必须被划分成片来放置。可替选的是，可以在它们每个的中间部分处形成通孔使燃料溶液的穿过成为可能，或者可以设置多个小孔使燃料溶液通过毛细管现象的穿过成为可能。
如图4中所示，在本实施例的燃料电池1中，阴极间隔装置14a和14b被布置在阴极12a和12b周围。这些阴极间隔装置14a和14b各自是用于防止电池中的空气和燃料溶液泄漏的密封构件，且各自由高密度塑料材料制成，诸如不允许气体和液体在穿过其中的硅树脂和PTEF(聚四氟乙烯)。阴极间隔装置14a和14b各自在其中填充有燃料溶液。例如，这些阴极间隔装置14a和14b可以各自形成有多个孔用于固定至阳极间隔装置13。
(质子传导体18a和18b)
质子传导体18a和18b是分别用于将阳极11a和11b中产生的质子(H+)传输至阴极12a和12b的质子传导体，并且分别由不传导电子且能够传输质子(H+)这样的材料制成。关于具有这样的特性的材料，示例有赛璐玢、凝胶以及包括含氟碳璜基酸组的离子交换树脂。质子传导体18a和18b也可以由电解材料制成。如果情形是这样的，则可以使用任何非纺织纤维等作为分离装置，并且该分离件可以浸在电解材料中以便所产生的分离件能够易于结合至燃料电池中。
(阳极间隔装置13)
阳极间隔装置13在平面方向形成有多个通孔(未示出)，以允许燃料和电解溶液穿过其中。阳极间隔装置13a的端部也用作防止燃料溶液泄漏的密封构件。在本实施例的燃料电池1中，该阳极间隔装置13也用作存储燃料的燃料池。这样的阳极间隔装置13只要是绝缘的即可，并且例如可以由硬塑料材料(诸如丙烯酸树脂)制成。
(气-液分离渗透膜17a和17b)
气-液分离渗透膜17a和17b各自是不允许液体而只允许气体穿过其中的膜，并且在防止燃料溶液泄露的同时各自允许空气(氧气)穿过其中。例如，这样的气-液分离渗透膜17a和17b可以各自是由聚偏二氟乙烯(PVDF)和PTFE制成的膜，或者是在表面上涂覆PVDF或PTEF所产生的多孔膜。气-液分离渗透膜17a和17b当然不限于此，而可以使用任和已知的膜来作为适当的选择。
(固定板10a和10b)
固定板10a和10b用于通过从两边夹住部件来固定地定位这些部件。这些固定板10a和10b各自由硬质材料(诸如在表面上阳极电镀的铝板)制成。固定板10a和10b各自在平面方向形成有多个通孔(未示出)以允许空气(氧气)穿过其中。
(连接方法)
本实施例中的燃料电池1可以连接至其他燃料电池1。如图2(B)中所示，例如，一种连接方法是在容器2的内侧表面上布置一个或多个磁体8，并且通过其磁力，燃料电池1被彼此拉近以便端子3和4彼此接触。在该配置中，磁体8只要被布置为能够使正端子3和负端子4靠近到一起即可。图2示出了其中只有端子3和4接触并且容器2被布置为其之间有间隔的配置。本发明当然不限于此，并且容器2也可以像端子3和4一样接触。
图5是示出燃料电池1的另一连接状态的图。每个容器2中没有设置端子3和4的侧表面也可以设置磁体8，以便任何未连接的燃料电池1都可以布置为彼此相邻的。通过由这样的磁力在端子3和4之间建立连接，可以阻止任何错误的连接，并且可以用快速方便的方式自组织地连接燃料电池1。以这样的连接方法，端子3和4只是彼此接触。因此，即使对任何一个连接的燃料电池1施加外力，都可以容易地将该燃料电池和其他燃料电池断开而不引起对端子3和4和任何其他元件的破坏。此外，基于S和N极的布局组合来布置磁体8允许了对燃料电池1的定位。
(燃料供应方法)
在该燃料电池1中，容器2在上表面上形成有燃料供应孔6和排放孔7。燃料供应孔6各自用于将液体燃料(诸如葡萄糖和乙醇)再填充至电池部，而排放孔7各自用于通过向外释放其中的空气来防止容器2中的任何压力增加。燃料供应孔6和排放孔7优选地尽可能小，以便保持燃料存储容器的气密。如果它们是这样的，则注射器等可以用来容易地填充燃料。同样为了防止池中的燃料溶液和气体向容器外部泄漏，优选的是排放孔7各自设置有液体池。
这样的燃料电池1允许从上面填充燃料，但是可替选的是，可以设置有燃料填充部用于在燃料池中的预定位置处和/或以预定方向填充通过燃料供应孔6提供的燃料。作为可能的具体配置，可以在燃料池内部布置管用于从电极下方填充燃料。这允许有效地将燃料池中的空气释放到外部，从而大量的燃料可以到达池内部，并且由反应生成的任何气体(例如CO2)预期在燃料池中被向上推以被排放。可替选的是，燃料池内部空间可以配置为像毛细管，并且可以通过利用毛细管现象将燃料填充至燃料池中。如果配置是这样的，则燃料可以从燃料池外部被引导至其内部，而没有压力和流动改变。
(效果)
就此来说，本实施例中的燃料电池1为吸水电池结构的，在该结构中阳极和阴极都接触燃料溶液。这不但改进了氧气的供应表现而且改进了燃料和电解溶液的供应表现，而所产生的燃料电池不再轻易受外界环境的影响。因此，改进了初始发电性能，并且稳定了功率。此外，该配置允许多个电池共享燃料池，以便不再需要为每个池设置垫圈来防止泄漏。因此，这有利地增加了容积功率密度并减少了体积。
同样在本实施例中的燃料电池1中，为了使燃料溶液的穿过更加顺利，阴极12a和12b分别被划分成用于间隔的片，从而获得满意的燃料供应表现，且进一步改进初始功率。同样在本实施例的燃料电池1中，容器2的外侧表面设置有正端子3和负端子4用于与其他燃料电池连接，该配置从而实现了多个燃料电池之间的容易的连接。因此，当一个燃料电池在功率方面不够时，通过简单地将燃料电池耦合至其他燃料电池，可以用快速容易的方式地获得更高的功率。
同样在本实施例的燃料电池1中，燃料供应孔6和空气排放孔7形成于没有设置端子3和4的表面。这有助于增加燃料电池之间的耦合程度，并且在燃料电池被耦合在一起之后，可以很有效地将燃料填充至蓄电池组电池。因此，可以在较短的时间长度内完成燃料供应，并且可以进一步地改进初始功率。
注意，在本实施例中，示例是其中两个电池部并联的多层电池。当然本发明不限于此，而是还可应用于各种其中多个单电池并联和/或串联的配置的分层电池配置。为了连接多个燃料电池，串联当然不是唯一的选择，并且多个燃料电池也可以并联。如果配置是这样的，正和负端子可以被布置在任何其他表面上，换句话说，可以根据连接状态适当地改变本发明的燃料电池中的端子的数目和位置。
类似地，只要燃料供应孔和排放孔形成在没有设置端子的表面上，可以基于燃料电池的用途、其连接状态和其中的蓄电池组电池，适当地改变燃料孔和排放孔的数目和位置。在示例性配置中，可以在上表面和下表面上都布置正和负端子，并且多个燃料电池可以连接为好像将它们在垂直方向上堆叠一样。如果配置是这样的，则燃料供应孔和排放孔可以形成在任一侧表面上。
此外，端子的连接方法不限于使用磁力的方法，并且可替选地，例如正端子3可以被定形为凸形，而负端子4可以被定形为凹形。如果情形是这样的，则正端子3可以接合至任何其他燃料电池1的负端子4，从而能够容易地将燃料电池1连接到一起。还可替选的是，正端子3可以被定形为外螺纹状，而负端子4可以被定形为内螺纹状，用于将正端子3螺旋地插入负端子4。
(2.第二实施例)
(整体配置)
下面将描述本发明的第二实施例中的燃料电池。图6是示意地示出本实施例中的燃料电池21的图，而图7示出了其内部配置。本实施例中的燃料电池21是如下的生物燃料电池：其中作为阳极或阴极的一个或全部电极被固定地设置有用作催化剂的氧化还原酶，并且容器22在其中容纳了用作电池部的蓄电池组电池。同样在这样的燃料电池21中，和第一实施例类似，容器22的上部形成有开口，并且在开口上布置了上盖25。上盖25形成有用于燃料供应或排放用途的多个孔(燃料供应孔26和排放孔27)。容器22的外侧表面设置有端子，这些端子允许多个燃料电池21的串联或并联。
(内部配置)
燃料电池21在其中设置有固定板20a和20b之间的电池部，该电池部由阳极11、阴极12以及质子传导体18来配置。具体而言，在固定板20a和20b之间，按顺序设置了气-液分离渗透膜17a、阴极12、阴极集电器16、质子传导体18、阳极11、阳极集电器15、阳极隔离装置19以及气-液分离渗透膜17b。
与图4中所示的阴极12a和12b类似，阴极12被划分成多个用于间隔的片，并且阴极隔离装置14被布置在其周围。阴极12侧面的固定板20a在平面方向形成有多个通孔(未示出)以允许空气(氧气)穿过其中。阳极11的侧面的固定板20b不是必须形成有这样的通孔。同样在燃料电池21中，阳极集电器15和阴极集电器16分别连接至在容器22的侧表面上设置的端子。在本实施例中的燃料电池21中，在由气-液分离渗透膜17a和17b、阳极间隔装置13以及阴极间隔装置14形成的间隔中填充燃料溶液。换句话说，该燃料电池21有其中阳极11和阴极12都接触燃料溶液的吸水单层电池结构。
(效果)
由于本实施例中的燃料电池21也是其中阴极也接触燃料溶液的吸水结构的，所以燃料电池21不再轻易受外界环境的影响，并且可以获得稳定的功率。同样由于阴极12被划分成了多个用于间隔的片以更好地使燃料溶液穿过，所以产生的燃料的供应表现变得令人满意，并且改进了初始功率。此外，由于容器2的外侧表面设置有正端子3和负端子4用于与其他燃料电池的连接用途，该配置在多个燃料电池之间实现了容易的连接，并且以快速容易的方式获得了高功率。此外，在该燃料电池21中，燃料供应孔26和空气排放孔27被布置在没有设置用于这样的连接用途的端子的表面上，燃料电池能够以更高的耦合程度来耦合。
在本实施例中的燃料电池21中，上面留下的没有描述的配置和效果与第一实施例中的燃料电池1中的配置和效果相同。
(修改示例)
本发明的燃料电池不限于以上实施例中描述的燃料电池，并且应当理解，可以想到多种其他的修改和变形。作为示例，像图8的修改示例中的燃料电池31，可以不设置上盖，并且可以在任何的任意位置处集中地布置燃料供应孔32和排放孔33。此外，这些端子可以各自被任意地成形，例如，圆锥形的端子34A和反圆锥形的端子34B。图9是该燃料电池31的前视图，图10是其后视图，图11是其右视图，图12是其左视图，图13是其俯视图，而图14是其仰视图。图15是其切过图9中的线A-A的剖视图，图16是其切过其中的线B-B的剖视图，而图17是其切过其中的线C-C的剖视图。
此外，本发明的燃料电池可以是硬币或管的形状的。针对示例性配置中的硬币状的生物燃料电池，例如，在各自也用作底座的阳极集电器和阴极集电器之间可以布置一个或多个电池部，并且每个电池部中的阳极和阴极将接触燃料溶液。如果配置是这样的，则理想的是，阴极集电器形成有多个通孔用于使空气(氧气)穿过，并且在阴极集电器和阴极之间布置了气-液分离渗透膜以防止燃料溶液的泄露。同样在这样的硬币状的生物燃料电池中，理想的是，阴极被划分为多个用于间隔的片以更好地使燃料溶液穿过。
针对管状的燃料电池，如在可能的配置中那样，阳极集电器可以在其周围设置有一个或多个电池部，每个电池部包括阳极、质子传导体以及阴极，并且管状阴极集电器可以被布置于最外部分以使每个电池部中的阳极和阴极接触燃料溶液。同样在这样的配置中，理想的是，阴极集电器可以形成有多个通孔来使空气(氧气)穿过，并且在阴极集电器和阴极之间设置气-液分离渗透膜以防止燃料溶液的泄露。同样在这样的管状生物燃料电池中，理想的是，阴极被划分为多个用于间隔的片以更好地使燃料溶液穿过。
就此而言，上面描述的是具有本发明的吸水多层电池结构的燃料电池，而接下来描述的是可以使这样的燃料电池的功率增加更多的电极(酶电极)。该酶电极是各自用作阳极或阴极的电极中的集电器的结构改进的形式，并且使用这样的酶电极，可以提高来自电极的集电能力，并且所产生的燃料电池可以在功率上增加。注意，下面描述的酶电极适合于具有吸水多层电池结构的本发明的燃料电池，但是也可应用于如稍后将要描述的任何其他不同配置中的燃料电池。
(酶电极)
图18是示出这样的酶电极40的图，并且该酶电极40被配置为包括电极衬底41、酶固定膜42以及集电器43。在下文中，描述了这些部件中的每个的配置、功能、效果等。
(1.电极衬底41)
在电极衬底41中，在酶用作催化剂的情况下发生氧化还原反应。更具体而言，当酶电极40用作阳极时，燃料在电极衬底41上经受氧化以便放出电子。当酶电极40用作阴极时，使用电子和氧气发生还原反应。在电子由阳极放出之后，通过集电器43提供电子，而从外部提供氧气。
用于电极衬底41的材料不具体限制，只要该材料能建立与外部的电连接即可，并且可以为其自由地选择使用任何已知原材料。可用的材料例如是，金属(诸如铂、银、金、钌、铑、锇、铌、钼、铟、铱、锌、锰、铁、钴、钛、钒、铬、钯、铼、钽、钨、锆、锗以及铪)、合金(诸如铝镍合金、黄铜、硬铝、青铜、铜镍锌合金(nickelin)、铂铑、海波科合金(Hiperco)、坡莫合金、波明德合金、镍银(nickel silver)以及磷青铜)、传导性聚合物(诸如聚乙炔)、碳材料(诸如石墨和炭黑)、硼化物(诸如HfB2、NbB、CrB2以及B4C)、氮化物(诸如TiN和ZrN)，硅化物(诸如VSi2、NbSi2、MoSi2以及TaSi2)以及作为其组合的材料。
(2.酶固定膜42)
酶固定膜42是用于在电极衬底41上固定地设置酶的膜。
这样的固定地设置在酶固定膜42上的酶不具体限制，可以自由地选择使用可用于生物燃料电池中的一种或多种类型的酶。当酶电极40用作阳极时，例如，可以固定地设置氧化酶。这样的氧化酶包括例如乙醇脱氢酶、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脱氢酶以及葡萄糖酸-2脱氢酶。
酶固定膜42不仅可以固定地设置有上述的氧化酶，也可以固定地设置有氧化辅酶和辅酶氧化酶。氧化辅酶包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide；以下称为“NAD+”)、酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adeninedinucleotide phosphate；称为“NADP+”)、黄素腺嘌呤二核苷酸(以下称为“FAD+”)以及吡咯并喹啉醌(pyrrollo-quinoline quinone；例如以下称为“PQQ2+”)。辅酶氧化酶的示例有心肌黄酶。
酶固定膜42不仅可以与上述的氧化酶和氧化辅酶固定，也可以与电子传递介体固定。这是为了使电子顺利地通过电极。电子传递介体的示例有萘醌骨架化合物(诸如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)以及2，3-二氨基-1，4-萘醌)、金属络合物(诸如锇(Os)、钌(Ru)、铁(Fe)以及钴(Co))、紫罗碱化合物(诸如苄基紫罗碱)、醌骨架化合物、蒽醌骨架化合物、烟酰胺结构化合物、核黄素结构化合物、以及核苷酸磷结构化合物。
同样当这种酶电极40用作阴极时，可能用于固定的是展示出与氧气反应底物的氧化酶活性的酶。这样的酶包括例如漆酶、胆红素氧化酶以及抗坏血酸氧化酶。
除了上述这样的酶之外，可以固定地设置电子传递介体，这是为了使电子顺利通过。可用于固定的电子传递介体的类型没有具体限制，并且可以根据需要自由地选择类型。使用的一个示例性介体可以是ABTS(2，2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸))和K3[Fe(CN)6]等。
用于形成酶固定膜42的方法不受具体限制，并且可以根据形成用于在一般的生物燃料电池中使用的酶固定电极的方法来形成该膜。例如，首先，电极衬底41被涂覆传导性涂层，然后被烘干，并且所产生的电极衬底41的表面然后经受臭氧清洗工艺。此后，产生的结构被涂覆包括上述的酶、辅酶、电子传递介体等的溶液，然后被烘干。用于固定的材料(例如，聚-L-赖氨酸(PLL)和聚丙烯酸(PAAc))的水溶液随后被涂覆在所产生的结构上，然后被烘干。以这样的方式可以形成酶固定膜42。
酶固定膜42在厚度上不受具体限制，只要酶等可以固定地设置在其上即可，但是厚度优选为40至80μm。
(3.集电器43)
集电器43连接至外部电路，负责将阳极发出的电子通过外部电路引导向阴极。集电器43形成有凸起部分43A，并且通过该凸起部分43A，集电器43和电极衬底41相互接触。因此，这极大地提高了集电器43从电极衬底41集电的能力，从而实现了所产生的电能的高输出。
注意，本说明书中的“凸起部分”包括任何部分，只要其是凸形的即可，例如尖状、针状、圆柱体状、棱柱状、锥状以及几何金字塔状，并且还包括在集电器43是波状、山状等的情况下任何是凸形的部分。
凸起部分43A自集电器43起的高度被设定为高于将与电极衬底41接触的酶固定膜42的厚度。凸起部分43A的具体高度可以根据酶固定膜42的厚度自由地设置，并且优选的是0.1至1.0mm。这将肯定和电极衬底41接触。
同样优选的是，通过将凸起部分43A设定为高于酶固定膜42的厚度，在集电器43和酶固定膜42之间肯定形成了空隙S，该空隙S允许顺利地在集电器43和酶固定膜42之间供应诸如燃料的物质，以便可以将该物质均匀地供应至电极衬底41的表面，从而实现高功率。尤其是针对生物燃料电池，空隙S起到了非常重要的作用，这是因为使用的燃料通常黏性相对高而扩散常数低，诸如葡萄糖。
可以将多个集电器43设置至一个酶电极40。如图19中所示，电极衬底41可以夹在两个集电器43之间，或如图20中所示，例如可以将多个集电器43设置为穿过多个电极衬底41。
集电器43的材料不具体限制，只要该材料可以建立与外界的电连接即可，并且可以自由地选择使用任意的已知原材料。可用的材料是，例如，金属(诸如铂、银、金、钌、铑、锇、铌、钼、铟、铱、锌、锰、铁、钴、钛、钒、铬、钯、铼、钽、钨、锆、锗以及铪)、合金(诸如铝镍合金、黄铜、硬铝、青铜、铜镍锌合金、铂铑、海波科、坡莫合金、波明德合金、镍银以及磷青铜)、传导性聚合物(诸如聚乙炔)、碳材料(诸如石墨和炭黑)、硼化物(诸如HfB2、NbB、CrB2以及B4C)、氮化物(诸如TiN和ZrN)，硅化物(诸如VSi2、NbSi2、MoSi2以及TaSi2)，以及作为其组合的材料。
上面描述的酶电极40不仅可以用于上面描述的第一和第二实施例中的燃料电池1、21以及31中，也可以用于例如图21中所示的燃料电池51中。该燃料电池51设置有由上述的电极衬底41、酶固定膜42以及集电器43配置的酶电极40。由图21中的A指示的部分对应于图18中所示的酶电极40。燃料电池51按照需要设置有燃料池52、质子传导体53等。在下文中，描述了每个部件的配置、功能、效果等。
(1.燃料池52)
燃料池52用于存储燃料。燃料池52在形状上不具体限制，并且形状可以是任意形状，只要其可以将燃料供应至阳极4a(酶电极)即可。从燃料池52向阳极40a供应燃料的方法也不具体限制，并且可以为其自由地选择使用任何已知方法。例如，使用压力注入、真空注入、接触吸收、毛细管现象等原理，可以将燃料供应至阳极40a。
燃料电池51的燃料不具体限制，只要其可以借助于用作催化剂的酶通过氧化还原反应发出电子即可。这样的燃料的示例有饮料(诸如汁液、运动饮料、糖水以及酒精)和化妆品(诸如洗液)。具体地，作为燃料，包括糖、蛋白质、糖蛋白，脂肪酸等的材料是被认为是理想的。
(2.质子传导体53)
阳极40a和阴极40b(酶电极)在准备传导质子的状态下相互连接。连接方法不具体限制，但是如图21中所示，例如，阳极40a和阴极40b可以借助于夹在其间的质子传导体53而彼此相对地布置，从而有可能在准备传导质子的状态下建立阳极40a和阴极40b之间的连接。
用于质子传导体的材料不具体限制，只要其不是电子传导性的并且是能够传输H+的电解质即可，并且可以为其选择使用任何已知材料。作为示例，可以使用包括缓冲物质的电解质材料。缓冲物质的示例有将由磷酸二氢钠(NaH2PO4)或磷酸二氢钾(KH2PO4)生成的磷酸二氢盐离子(H2PO4)、2-氨基-2-羟甲基-1，3-丙二醇(缩写为tris)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、二甲胂酸、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)-2-牛磺酸(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(缩写为tricine)、甘氨酰甘氨酸、N，N-二(2羟乙基)甘氨酸(缩写为bicine)、咪唑、三唑、吡啶衍生物、联吡啶衍生物、含有诸如咪唑衍生物(组氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、咪唑-2-羧酸乙基、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-羧酸、咪唑-4，5-二羧酸、咪唑-1-基-乙酸、2-乙酰苯并咪唑、1-乙酰咪唑、N-乙酰咪唑、2-氨基苯并咪唑、N-(3-氨基丙基)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、1-丁基咪唑)的咪唑环的化合物等。此外，例如，也可以使用作为固体电解质材料的纳芬。
注意，在本实施例中，质子传导体53夹在两个集电器43之间，但这当然不是限制性的。作为示例，集电器43可以布置在如下平面侧上：该平面与其中在酶电极40a和40b上布置了质子传导体53的平面相对。另外可替选地，例如，可以将多个集电器43设置为穿过多个电极衬底41。
(电子装置)
上述的实施例中的燃料电池可以导致高输出电流和电压，从而可以适合用于任何类型的已知电子装置。
电子装置在结构、功能等上不具体限制，只要其可以通过燃料电池操作即可，并且包括了每个类型的电操作装置，例如，电子装置(诸如蜂窝电话、移动装置、机器人、个人电脑、游戏机、车载装置、消费者电子设备以及工业产品)、移动单元(诸如汽车、摩托车、飞机、火箭以及宇宙飞船)、检查设备、用于起搏器用途的电源、医疗设备(诸如包括生物传感器的体内设备的电源)、发电系统(诸如产生电能的垃圾分解系统)、热电联产系统等。
下文中，描述了上文描述的这样的酶电极的示例。
(示例1)
在示例1中，制造了上面描述的酶电极40。
(1.制造集电器)
作为示例性集电器，使用的是由包含钛的延展的金属制成的轧制板。由这样的延展的金属制成的轧制板使用销钉夹钳(pinholder)被切成许多部分以形成尖形凸起部分，从而制造带有凸起部分的集电器。凸起部分的平均高度为0.1至1.0mm。
(2.制造酶固定膜)
首先，在用以下方式涂覆各种类型的溶液(A)至(E)和传导性涂覆材料(碳材料)之后，制备了多孔碳(PC)电极(F)。用于溶液制备的缓冲溶液是50mM磷酸二氢钾(KH2 PO4)(I.S.＝0.3且pH＝7.5)的缓冲溶液和100mM磷酸二氢钠(NaH2 PO4)(I.S.＝0.3，pH＝8.0)的缓冲溶液。
(A)GDH/DI酶缓冲溶液
DI(EC：1.6.99.，天野酶制品集团(Amano Enzyme Inc.)制造)重47.6mg，然后溶解于200μL的50mM磷酸二氢钾的缓冲溶液中(溶液(A)’)。针对该过程，用于溶解酶的缓冲溶液优选是在使用前夕以4℃或更低的低温来存储的缓冲溶液，并且如果可能的话，所产生的酶溶解缓冲溶液也优选地以4℃或更低的低温来存储。同样在本实施例中，缓冲溶液和酶溶解缓冲溶液都以4℃或更低的低温来存储。
GDH(NAD依存型，EC：1.1.1.47.，天野酶制品集团制造)重13.1mg，然后溶解于230μL的100mM上述磷酸二氢钠的缓冲溶液中。所产生的溶液添加20μm的溶液(A)’然后彻底混合，并且所产生的溶液为GDH/DI酶溶解缓冲溶液(A)。
(B)NADH缓解溶液
NADH(Sigma-Aldrich Japan制造，N-8129)重41mg，然后溶解于64μL的100mM上述磷酸二氢钠的缓冲溶液中。所产生的溶液是NADH缓冲溶液(B)。
(C)ANQ丙酮溶液
2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)(合成品)重6.2mg，然后溶解于600μL的丙酮溶液中。所产生的溶液是ANQ丙酮溶液(C)。
(D)PLL水溶液
多聚赖氨酸(PLL)(Sigma-Aldrich Japan制造，P-1274，Mw＝93K)重为适量，然后溶解于离子交换水中以具有2.0的重量百分比，所产生的为PLL水溶液(D)。
(E)PAAcNA水溶液
聚丙烯酸钠(PAAcNA)(Sigma-Aldrich Japan制造，041-00595，Mw＝30K)重为适量，然后溶解于离子交换水中以具有0.022的重量百分比，所产生的为PAAcNa水溶液(E)。
(F)涂覆有传导性涂层(碳材料)的多孔碳(PC)电极。
作为传导性涂层材料(碳材料)的Varniphite(日本黑铅工业株式会社制造，Varniphite #27M)以5∶1的容积比稀释到2-丁酮(和光纯药株式会社制造，133-02506)，并且在所产生的结果上涂覆多孔碳电极(东海碳素株式会社制造，1cm×1cm×2mm，60％的孔隙度，约95-98mg)，在其被烘干之后，重约为105至108mg，所产生的结果然后被放置一晚以烘干(约105至108mg)。
接下来，涂覆有传导性涂层材料的多孔碳电极(F)在上部和底部表面上各经受20分钟臭氧清洗工艺。上述制备的溶液(A)至(C)分别以下面表1指示的量混合在一起，并且所产生的混合物用于通过臭氧清洗工艺涂覆多孔碳电极，其中例如采用微量滴管使上部和底部表面上各有一半的量。此后，在烘干炉中以40℃烘所产生的结果15分钟，以便制造的结果是酶-辅酶-电子介体-涂覆电极。
(表1)
  GDH/DI酶缓冲溶液(A)   32μL
  NADH缓冲溶液(B)   8.0μL
  ANQ丙酮溶液(C)   74.8μL
这样的酶-辅酶-电子介体-涂覆电极在上部和底部表面上各自涂有下面表2中的量一半的PLL的水溶液(D)，并且然后在烘干炉中以40℃烘干15分钟。产生的电极然后在上部和底部表面上各自涂覆有下面表2中的量一半的PAAcNa水溶液(E)，并且然后在烘干炉中以40℃烘干15分钟。就此而言，制造结果是酶-辅酶-电子介体-固定电极。
(表2)
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(3)酶固定膜的膜厚度测量
板形玻璃状碳电极上在其上布置有形成有6mm直径的圆孔的片状硅橡胶(厚度为3.0mm)。上述制备的溶液(A)至(C)然后分别以下面表3中所示的量混合在一起，并且所产生的混合物用于使用微量滴管涂覆在形成于硅橡胶的孔的内部。此后，所产生的结果在烘干炉中以40℃烘干15分钟，以便制造的结果是硅橡胶的孔内部的酶-辅酶-电子介体-涂覆膜。
(表3)
  GDH/DI酶溶解缓冲溶液(A)  8.0μL
  NADH缓冲溶液(B)  2.0μL
  ANQ丙酮溶液(C)  18.7μL
在硅橡胶的孔内部制造的酶-辅酶-电子介体-涂覆膜上，涂覆有上面表2中指示的量的PLL水溶液，然后所产生的结果在烘干炉中以40℃烘干15分钟。此后，涂覆上述表2中指示的量的PAAcNa水溶液(E)，然后所产生的结果在烘干炉中以40℃烘干15分钟，以便制造结果是酶固定膜。
然后小心地移除硅橡胶，而不剥落在玻璃状碳电极上(硅橡胶孔内部)形成的酶固定膜，通过探针式轮廓仪(Dektak3，SLOAN THECHNOLOGY)，测量该酶固定膜的膜厚度。因此，所测薄膜厚度约为40至80μm。
(示例2)
在示例2中，改变转矩值用于箝在单极评价电池中，来检查电极的阻抗值如何通过酶固定膜示出变化。
所制备的是涂覆有传导性涂覆材料的在示例1中制造的多孔碳电极(F)(本示例中的电极(I))和示例1中制造的酶固定膜电极(电极(II))。每个电极被设定在单极评价电池54A上，并且在电极的上表面和下表面上都布置了由使用钛的延展的金属制成的轧制板。然后在图22中所示的转矩生成装置中，当转矩改变以箝在上盖54B上时，使用测试仪54C测量两个集电器43之间的阻抗值。所产生的结果显示在图23中。
已知的是，电极(I)根据转矩示出阻抗值的下降。另一方面，电极(II)示出和电极(I)的阻抗值相比大得多的阻抗值，但是与电极(I)相似，电极(II)也根据转矩示出阻抗值的下降是已知的。根据所产生的结果发现，在使用设置有酶固定膜的电极的生物燃料电池中，阻抗值大于一般的燃料电池中的阻抗值。
(示例3)
在示例3中，检查电极衬底表面和集电器之间的接触阻抗，以查看其是否通过集电器的凸起部分而下降。换句话说，根据示例1中关于转矩和阻抗值的检查结果发现，当使用的电极衬底是设置有酶固定膜的电极衬底时，电极衬底和集电器之间的接触阻抗是个问题。鉴于此，检查接触阻抗以查看如果使用的集电器形成有凸起部分的话，接触阻抗是否可以降低。
在示例1中制造的一个酶固定膜电极被设定在在单极评价电池上，在电极的上表面和下表面上都布置了由延展的金属制成的平坦轧制板(集电器(a))，且在另一电极的上表面和下表面上都布置了带有凸起部分的在示例1中形成的集电器(b)。这些电极分别被使用图22中所示的转矩生成装置以2cN·m的转矩箝在上盖上。其阻抗值各自使用测试仪54测量。表4中示出了所产生的结果。
如表4中所示，和使用一般的生物燃料电池中的集电器(a)的情形比起来，已知的是，使用形成有凸起部分的集电器(b)极大地降低了电极衬底的上下表面之间的阻抗值。
(表4)
  集电器  (a)没有凸起部分  (b)带有凸起部分
  阻抗值  5.5Ω  0.7Ω
(示例4)
在示例4中，以电化学方式检查当使用的集电器(b)设置有凸起部分时降低接触阻抗的效果。
首先，在示例1中制造的一个酶固定膜电极被设定在单极评价电池上，并且在电极的上表面和下表面上都布置了由延展的金属制成的平坦轧制板(集电器(a))，并且在另一电极的上表面和下表面上都布置了带有凸起部分的在示例1中形成的集电器(b)。这些电极分别被使用图22中所示的装置以2cN·m的转矩箝在上盖上。图18中示出了形成有凸起部分的集电器(b)，而未形成有凸起部分的集电器(a)是对应于图26中所示的集电器的集电器。
接下来，作为燃料溶液，通过使用以不同的浓度如0M、0.2M、0.4M、0.6M、1.0M以及2.0M来在2.0M咪唑盐酸的缓冲剂(ph7.0)中溶解葡萄糖而制备的溶液，进行LSV(线性扫描伏安法)测量(-0.6-0.1V，1mV/s)。图24和25中示出了所产生的结果。
图24是示出使用集电器(a)和(b)的情形中LSV测量(葡萄糖0.4M)的结果的图。图25示出了关于LSV中-0.3V的电流密度与葡萄糖浓度相关性(在集电器(a)和集电器(b)之间)的比较结果。
通过参照图24，已知的是，在使用设置有凸起部分的集电器(b)的情形中在LSV开始时示出了大的斜率。通过参照图25，已知的是，直到葡萄糖浓度达到大约0.2M为止，集电器(a)和集电器(b)所示出的几乎没有差别，但是一旦浓度超过0.2M，使用设置有凸起部分的集电器(b)的情形示出了极高的电流密度。
根据结果发现，通过使用设置有凸起部分的集电器(b)，可以在形成有酶固定膜的电极衬底和集电器之间显著地降低接触阻抗，而葡萄糖的物质传输也执行的更好，以便电流密度可以是高的。

Claims (12)

1.一种燃料电池，包括：
多个电池，每个所述电池中阴极和阳极被彼此相向布置，阴极和阳极之间夹有质子传导体，其中，
作为阴极或阳极的电极中的一个或全部固定地设置有用作催化剂的氧化还原酶，且阴极和阳极都接触燃料溶液。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，阴极由多个电极来配置，每个所述电极彼此之间被布置有间隔。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，配置阴极的电极中的任意电极在其表面上至少部分地防水。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，进一步包括：
用于与其他燃料电池的连接用途的端子；
用于将燃料供应至所述电池内的燃料供应孔；以及
用于所述电池中的气体的排放用途的排放孔，其中，
所述端子、所述燃料供应孔以及所述排放孔分别被布置在不同的平面上。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，进一步包括：
燃料引导部，用于在燃料池中的预定位置处和/或以预定方向引导通过所述燃料供应孔所提供的燃料。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，
在内部设置有一个或多个磁体，且所述端子通过磁力连接至其他端子。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述燃料电池是硬币状或管状电池。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述电极包括
电极衬底
酶固定膜，用于将酶固定地设置于所述电极衬底，以及
设置有高于所述酶固定膜的厚度的凸起部分的集电器，且通过所述凸起部分，所述集电器与所述电极衬底接触。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，
在所述酶固定膜和所述集电器之间形成空隙。
10.一种酶电极，包括
电极衬底
酶固定膜，用于将酶固定地设置于所述电极衬底，以及
设置有高于所述酶固定膜的厚度的凸起部分的集电器。
11.根据权利要求10所述的酶电极，其中，
所述集电器的所述凸起部分和所述电极衬底彼此接触。
12.根据权利要求10所述的酶电极，其中，
在所述酶固定膜和所述集电器之间形成空隙。
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