[发明专利]酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应的装置、以及酶固定化基体

说明书

技术领域

本发明涉及酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应的装置、以及酶固定化基体，并且本发明适合于应用在例如使用酶的生物燃料电池、以及使用这种生物燃料电池作为电源的各种设备、装置、系统等。

背景技术

燃料电池具有这样的结构，在其中正电极(氧化剂电极)和负电极(燃料电极)彼此相对，在它们之间具有电解质(质子传导剂)。在传统的燃料电池中，提供给负电极的燃料(氢)被氧化并且被分成电子和质子(H⁺)；这些电子被传递到负电极；并且H⁺通过电解质移动到正电极。在正电极，H⁺与从外部提供的氧以及通过外部电路从负电极传送的电子反应生成H₂O。

如上所述，燃料电池是高效发电设备，其将燃料具有的化学能直接转化成电能，并且燃料电池能够提取诸如天然气、石油或煤炭等矿物能源所具有的化学能作为电能，无论使用地点或使用时间如何，都具有高转化效率。因此，在过去，已经对应用于大规模发电等的燃料电池积极地进行了研究和开发。例如，实际上已经证实，燃料电池可以被安装在航天飞机上并且能够为工作人员提供电力和水，并且燃料电池是清洁的发电设备。

此外，近年来，诸如固体聚合物燃料电池的具有从室温到大约90℃的相对较低的工作温度的燃料电池已经被开发并且已经受到关注。因此，不仅探求了在大规模发电中的应用，而且探求了在诸如跑车的电源以及个人计算机和移动设备的便携式电源的小系统中的应用。

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宽范围应用，并且作为高效发电设备已经受到大量关注。然而，在燃料电池中，通常是通过转化器将天然气、石油、煤炭等转化成氢气，氢气被用作燃料，这引起了各种问题，如消耗了有限的资源、需要高温加热、以及需要由诸如铂(Pt)的昂贵的贵金属构成的催化剂。此外，即使在直接使用氢气或甲醇作为燃料的情况下，其操控仍需要注意。

在这些情况下，关注于发生在生物中的生物代谢是高效能量转化机制的事实，已经提出其在燃料电池上的应用。在此，生物代谢包括发生在微生物细胞中的呼吸、光合作用等。生物代谢具有的特征在于，其发电效率非常高，并且反应在大约室温的缓和条件下进行。

例如，呼吸是这样一种机制，在其中诸如糖类、脂肪、以及蛋白质的营养素被吸收进微生物或细胞中，在通过糖酵解途径和包括许多酶反应步骤的柠檬酸(TCA)循环生成二氧化碳(CO₂)的过程中，通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，其化学能被转化成氧化还原能，即电能，并且，此外，在电子传递系统中，NADH的电能被直接转化成质子梯度的电能，并且，氧被还原生成水。在此获得的电能通过三磷酸腺苷(ATP)合酶从二磷酸腺苷(ADP)生成了ATP，并且ATP被用于微生物和细胞的生长所需要的反应。这种能量转化发生在细胞溶质和线粒体中。

此外，光合作用是这样一种机制，其中，在吸收光能的过程以及在通过电子传递系统将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)而将光能转化成电能的过程中，水被氧化生成氧。电能被用于碳固定化反应，其中吸入CO₂并且用于碳水化合物的合成。

作为其中如上述的生物代谢被用于燃料电池的技术，已经报道了一种微生物电池，其中在微生物中生成的电能通过电子介体被带出微生物，并且这些电子被传递到电极上从而获得电流(例如，参见日本未审查专利申请公开第2000-133297号)。

然而，在微生物和电池中，除了预期的反应(即，从化学能转化成电能)以外，还存在许多不必要的功能。因此，在上述的方法中，在非所需的反应中消耗了化学能，而不能获得足够的能量转化效率。