[发明专利]生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及使用氧化还原酶的生物燃料电池。更具体地，本发明涉及用于改善电极性能的技术。

背景技术

使用氧化还原酶作为反应催化剂的生物燃料电池可以从例如葡萄糖和乙醇等通常不能用作工业催化剂的燃料中有效地获取电子，因而生物燃料电池作为具有大容量和高安全水平的下一代燃料电池受到了关注。图11A表示出使用了酶的生物燃料电池的负电极的反应图解。图11B表示出使用了酶的生物燃料电池的正电极的反应图解。例如，如图11A和图11B所示，在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池的情况下，在负电极(阳极)处进行葡萄糖的氧化反应并且取出电子，而在正电极(阴极)处进行空气中的氧气(O₂)的还原反应。

另一方面，输出会依赖于生物燃料电池中的电极的材料而变化。所以，需要选择合适的电极材料，以便获得高输出的电池。因此，在常规生物燃料电池中用到的是主要使用碳材料的电极(例如参见专利文献1至专利文献5)。例如，在专利文献1中所披露的生物燃料电池中，使用由诸如碳毡(carbon felt)之类的多孔碳形成的电极。

此外，专利文献2披露了一种通过以下方式来形成多孔碳电极的方法：将含有多孔碳和空隙形成用材料粉末的碳墨(carbon ink)涂覆到例如碳毡和碳布等碳基材上、进行干燥、然后移除上述空隙形成用材料粉末。另外，在专利文献3至专利文献5所披露的用于生物燃料电池的酶电极中，使用碳纸、碳布和类似物作为将酶固定化用的片状碳基材。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：JP 2009-158466A

专利文献2：JP 2009-181889A

专利文献3：JP 2010-43978A

专利文献4：JP 2006-508519W

专利文献5：JP 2007-324005A

发明内容

本发明要解决的问题

然而，上述常规生物燃料电池具有以下问题。即，目前在生物燃料电池中通常使用的由多孔碳形成的电极具有如下的问题：难以在电极的表面上均一地形成酶固定化膜(enzyme-immobilized membrane)，因此作为电极而言反应性不充分。此外，多孔碳电极还具有如下的问题：当电极的空隙率(porosity)增加时，物理稳定性降低。

另一方面，专利文献3至专利文献5中所披露的使用了诸如碳布和碳纸等片状碳材料的电极是根据具有较大表面积的导电材料的观点来进行选择的，且没有考虑物理稳定性和液体渗透性。因此，对于在生物燃料电池中使用此类片状碳材料的情况而言，存在着难以获得高电流密度的问题。

因此，本发明的主要目的是在不减小电极的表面积、物理稳定性和液体渗透性的前提下改善电极性能，由此提供具有高输出的生物燃料电池。

解决问题的方案

本发明的生物燃料电池包括如下的电极：所述电极由碳纤维织物形成，所述碳纤维织物具有由碳纤维的单纤维束(monofilament strand)构成的网状结构，且所述电极在所述电极的表面上含有氧化还原酶。

这里所使用的“电极的表面”既包括电极的外表面也包括电极内部的空隙的内表面，这也适用于以下说明。

在本发明中，因为电极是由碳纤维织物形成的，所以能够实现具有高强度和柔软性的薄型电极。此外，由于由碳纤维织物形成的电极具有较大的表面积，所以与常规生物燃料电池相比能够获得优良的电极性能。

在该生物燃料电池中，期望至少负电极是由所述碳纤维织物形成的。

或者，负电极和正电极两者可以均是由所述碳纤维织物形成的。

此外，与所述电极压接接触的集电器(current collector)也可以是由所述碳纤维织物形成的。

另外，作为所述碳纤维织物，可以使用单纤维直径为例如15μm以下的碳纤维织物。

本发明的效果

根据本发明，由于电极是由碳纤维织物形成的，所以能够在不减小电极的表面积、物理稳定性和液体渗透性的前提下改善电极性能，并因而能够获得具有高输出的生物燃料电池。

附图说明

图1是表示了本发明实施方式的生物燃料电池的构造的分解立体图。

图2示意性地表示了本发明实施方式的生物燃料电池的发电原理。

图3A至图3C是实施例1的碳纤维织物的SEM照片。

图4A至图4C是实施例2的碳纤维织物的SEM照片。

图5A至图5C是实施例3的碳纤维织物的SEM照片。