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生物阳极和生物阴极堆叠组件

阅读：147发布：2022-02-19

专利汇可以提供生物阳极和生物阴极堆叠组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供用于产生 电流 的 生物 燃料 电池 设备。该设备包括燃料汇流腔，其具有面，在面中界定出燃料储池的至少一个腔，与储池 流体 连通并用于燃料流体流入汇流腔以填充储池的进口，以及与储池流体连通并用于燃料流体流出汇流腔的出口。该设备具有 阳极 组件，其包括设置以与所述燃料储池中的燃料流体 接触 的至少一个生物阳极；以及 阴极 组件，其包括设置以用于燃料流体通过生物阳极流到阴极的至少一个阴极。该设备包括 控制器 ，其与阳极组件和阴极组件操作性连接，用于控制电流从所述 生物燃料 电池设备的输出。，下面是生物阳极和生物阴极堆叠组件专利的具体信息内容。

1.一种用于产生电流的生物燃料电池设备，其包括：
燃料汇流腔，其具有面，在面中界定出燃料储池的至少一个腔，与储 池流体连通并用于燃料流体流入汇流腔以填充储池的进口，以及与储池流 体连通并用于燃料流体流出汇流腔的出口；
阳极组件，其包括设置以与所述燃料储池中的燃料流体接触的至少一 个生物阳极；
阴极组件，其包括设置以用于燃料流体通过生物阳极流到阴极的至少 一个阴极；以及
控制器，其与阳极组件和阴极组件操作性连接，用于控制电流从所述 生物燃料电池设备的输出。
2.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中汇流腔中的所述至少一 个腔具有进口端表面和出口端表面，所述出口端表面位于高于所述进口端 表面的高度。
3.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中所述面包括汇流腔的前 面，所述前面内具有第一系列的腔，第一系列的每个腔界定出燃料储池， 所述前面还具有连接所述腔的流道，用于燃料流体从第一系列的一个储池 流到第一系列的下一个储池。
4.根据权利要求3的生物燃料电池设备，其中所述汇流腔还包括背面， 所述背面具有至少一个界定出燃料储池的腔。
5.根据权利要求4的生物燃料电池设备，其中汇流腔的所述背面具有 第二系列的腔，第二系列的每个腔界定出燃料储池，所述背面还具有连接 第二系列的所述腔的流道，用于燃料流体从第二系列的一个储池流到第二 系列的下一个储池。
6.根据权利要求5的生物燃料电池设备，还包括用于燃料流体从第一 系列的储池流到第二系列的储池的流道。
7.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中：
所述汇流腔在其中具有多个腔，所述多个腔中的每一个界定出燃料储 池；
所述阳极组件，其包括多个生物阳极，所述生物阳极中每一个设置以 与相应燃料储池中的燃料流体接触；
所述阴极组件，其包括多个阴极，所述阴极中每一个设置以用于燃料 流体通过生物阳极流到相应阴极；以及
至少一个流道，用于燃料流体从每个燃料储池流到下一个燃料储池。
8.根据权利要求7的生物燃料电池设备，还包括与每个流道操作性连 接的止回阀，用于允许仅以一个方向流过所述管路。
9.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中：
每个阳极组件包括阳极框体，用于保持所述至少一个生物阳极；
每个阴极组件包括阴极框体，用于保持所述至少一个阴极；以及
所述阳极框体和阴极框体被固定在相对于汇流腔而言固定的位置，并 且所述至少一个生物阳极与至少一个阴极彼此配准，并与汇流腔中的所述 至少一个腔配准。
10.根据权利要求1的生物燃料电池设备，还包括其内表面具有突起 的壳体，所述突起用于将汇流腔、阳极组件和阴极组件保持在相对于壳体 而言的固定位置。
11.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中：
所述汇流腔包括形成有多个腔的一体式体部，每个腔界定出燃料储池；
所述阳极组件包括多个生物阳极，所述生物阳极中每一个设置以与相 应燃料储池中的燃料流体接触；以及
所述阴极组件包括多个阴极，所述阴极中每一个设置以用于接收从相 应生物阳极流来的燃料流体。
12.根据权利要求11的生物燃料电池设备，其中在所述体部的相对两 个面上形成至少两个所述腔。
13.根据权利要求11的生物燃料电池设备，其中在所述体部的同一个 面上形成至少两个所述腔。
14.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中：
所述阳极组件包括具有匹配框体部件的阳极框体；以及
所述生物阳极固定在所述框体部件之间。
15.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中所述至少一个生物阳 极包括：
集电体；
气体扩散层；和
包括酶和酶固定化材料的催化剂层。
16.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中：
所述阴极组件包括具有匹配框体部件的阴极框体；以及
所述阴极固定在所述框体部件之间。
17.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中所述阴极包括集电体、 气体扩散层和催化剂。
18.根据权利要求1的生物燃料电池设备，其中所述控制器包括：
用于按照规定的运行模式控制燃料电池输出的控制器；以及
在燃料电池与负载之间操作性连接的开关电路，所述开关电路响应控 制器用于按照运行模式交替地连接和断开燃料电池与负载。
19.一种用于向负载供应电力的生物燃料电池设备，所述设备包括：
燃料电池；
操作性连接到燃料电池的控制器，用于按照规定的运行模式控制燃料 电池的输出；以及
位于燃料电池与负载之间的开关电路，所述开关电路响应控制器用于 按照运行模式交替地连接和断开燃料电池与负载。
20.根据权利要求19的生物燃料电池设备，其中燃料电池包括串联电 连接的多个燃料电池。
21.根据权利要求20的生物燃料电池设备，其中运行模式包括按照预 定的占空比交替地将至少一个燃料电池与负载连接和将至少一个另外的燃 料电池与负载断开。
22.根据权利要求20的生物燃料电池设备，其中运行模式包括按照预 定的占空比交替地将所有燃料电池一起地与负载断开和连接。
23.根据权利要求20的生物燃料电池设备，其中运行模式包括交替地 将燃料电池中的一个与负载断开，同时使其它燃料电池与负载连接。
24.根据权利要求19的生物燃料电池设备，还包括补充电源电路，其 响应控制器以选择性地使补充电源与燃料电池的输出连接，由此补充由所 述生物燃料电池设备向负载供应的电力。
25.根据权利要求24的生物燃料电池设备，其中控制器包括用于比较燃 料电池的输出与阈值的比较器，所述补充电源电路响应该比较以在燃料电 池的输出小于阈值时将补充电源与燃料电池的输出连接。
26.根据权利要求24的生物燃料电池设备，其中补充电源包括可重复充 电的电池。
27.根据权利要求26的生物燃料电池设备，其中控制器被设置成按照另 一规定的运行模式控制燃料电池的输出，在所述运行模式中燃料电池的输 出与负载断开并与电池连接用于对电池再充电。
28.一种用于向负载供应电力的生物燃料电池设备，所述设备包括：
燃料电池；
操作性连接到燃料电池的控制器，用于按照规定的运行模式控制燃料 电池的输出；以及
补充电源电路，其响应控制器以选择性地使补充电源与燃料电池的输 出连接，由此补充由所述生物燃料电池设备向负载供应的电力。
29.一种用于向负载供应电力的生物燃料电池设备，所述设备包括：
串联电连接的多个燃料电池；
操作性连接到每一个燃料电池的控制器，用于按照多个规定的运行模 式中的至少一个控制每一个燃料电池的输出；以及
操作性连接在燃料电池与负载之间的开关电路，所述开关电路响应控制 器用于按照运行模式选择性地使燃料电池中的至少一个与负载连接。
30.一种对生物燃料电池设备的一个或多个燃料电池的输出进行电调 整的方法，所述生物燃料电池设备由此适应于向负载供应电力，所述方法 包括：
在燃料电池与负载之间电连接开关电路；以及
切换开关电路以按照多个规定运行模式中的至少一个选择性地使燃料 电池中的至少一个与负载连接。
31.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括生物阳极和阴极；以及
所述生物阳极包括气体扩散层、能够与燃料流体反应产生氧化形式的 燃料流体的至少一种阳极酶，以及能够固定并稳定所述酶的酶固定化材料； 所述阳极酶能够将电子释放到气体扩散层，所述固定化材料对燃料流体是 可透过的。
32.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括生物阳极和阴极；以及
所述生物阳极包括气体扩散层、能够与氧化形式的电子介体和燃料流 体反应产生氧化形式的燃料流体和还原形式的电子介体的阳极酶，以及燃 料流体和电子介体可透过的酶固定化材料，所述还原形式的电子介体能够 将电子释放到气体扩散层。
33.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括生物阳极和阴极；以及
所述生物阳极包括气体扩散层，能够与氧化形式的电子介体和燃料流 体反应产生氧化形式的燃料流体和还原形式的电子介体的阳极酶，燃料流 体和电子介体可透过的酶固定化材料，以及邻着电子导体的电催化剂，氧 化形式的所述电催化剂能够与还原形式的电子介体反应产生氧化形式的电 子介体和还原形式的电催化剂，还原形式的电催化剂能够将电子释放到气 体扩散层。
34.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括阳极和生物阴极；
所述生物阴极包括气体扩散层，能够与氧化剂反应生成水的至少一种 阴极酶，以及能够固定并稳定该酶且该氧化剂可透过的酶固定化材料；所 述阴极酶能够从气体扩散层得到电子。
35.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括阳极和生物阴极；
所述生物阴极包括气体扩散层，能够与还原形式的电子介体和氧化剂 反应生成氧化形式的电子介体和水的至少一种阴极酶，以及能够固定并稳 定该酶且该氧化剂可透过的酶固定化材料；所述氧化形式的电子介体能够 从气体扩散层得到电子形成还原形式的电子介体。
36.根据权利要求1-30中任一项的生物燃料电池设备或方法，其中：
生物燃料电池设备包括阳极和生物阴极；
所述生物阴极包括气体扩散层，能够与还原形式的电子介体和氧化剂 反应生成氧化形式的电子介体和水的至少一种阴极酶，氧化形式的电催化 剂，以及能够固定并稳定该酶且该氧化剂可透过的酶固定化材料；其中， 所述氧化形式的电催化剂能够从气体扩散层得到电子产生还原形式电催化 剂，所述还原形式电催化剂能够与氧化形式的电子介体反应产生还原形式 电子介体和氧化形式电催化剂，该氧化形式的电催化剂能够从气体扩散层 得到电子产生还原形式的电催化剂。
37.根据权利要求31-36中任一项的生物燃料电池设备，其中生物阳极 或生物阴极还包括集电体。
38.根据权利要求32、33和35-37中任一项的生物燃料电池设备，其 中酶固定化材料包括电子介体、电催化剂、或电子介体和电催化剂。
39.根据权利要求37或38的生物燃料电池设备，其中集电体包括传 导电子并为气体扩散层和催化剂层提供网格支持的物质。
40.根据权利要求31-39中任一项的生物燃料电池设备，其中气体扩散 层包括碳布、碳纸、碳丝网印刷电极、炭黑、碳粉、碳纤维、单壁碳纳米 管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管阵列、金刚石涂覆导体、玻 璃碳、中孔碳、石墨、未经压缩的石墨蠕虫、拆层的纯化片状石墨、高性 能石墨、碳粉、热解石墨、多晶石墨、环氧树脂、聚四氟乙烯或其组合。
41.根据权利要求31-39中任一项的生物燃料电池设备，其中气体扩散 层是由具有高表面积用于转移电子的第一电传导性材料、用于支撑电子导 体的第二电传导性材料和粘合剂构成的单层，其中第二电传导性材料与第 一电传导性材料的重量比为至少0.5∶1，以为电子导体提供足够使其自承的 刚性。
42.根据权利要求31-41中任一项的生物燃料电池设备，其中阳极酶是 醇脱氢酶、醛脱氢酶、甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖 氧化酶、乳酸脱氢酶、乳糖脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、脂加氧酶、PQQ依赖 型醇脱氢酶或其组合。
43.根据权利要求42的生物燃料电池设备，其中阳极酶是具有与酶结 合的PQQ的PQQ依赖型醇脱氢酶。
44.根据权利要求42或43的生物燃料电池设备，其中燃料流体包括 氨、甲醇、乙醇、丙醇、异丁醇、丁醇、异丙醇、烯丙醇、芳基醇、甘油、 丙二醇、甘露醇、葡糖醛酸、醛、碳水化合物、葡萄糖、葡萄糖-1、D-葡 萄糖、L-葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、乳酸、乳酸-6-磷酸、D-乳酸、L-乳酸、 果糖、半乳糖-1、半乳糖、醛糖、山梨糖、甘露糖、甘油酸、辅酶A、乙 酰基Co-A、苹果酸、异柠檬酸、甲醛、乙醛、乙酸、柠檬酸、L-葡糖酸、 β-羟基类固醇、α-羟基类固醇、乳醛(lactaldehyde)、睾酮、葡糖酸、脂 肪酸、脂质、磷酸甘油酸、视黄醛、雌二醇、环戊醇、十六烷醇、长链醇、 松柏醇、肉桂醇、甲酸、长链醛、丙酮酸、丁醛、酰基Co-A、类固醇、氨 基酸、核黄素、NADH、NADH2、NADPH、NADPH2、氢或其组合。
45.根据权利要求44的生物燃料电池设备，其中燃料流体包括甲醇或 乙醇。
46.一种利用根据权利要求1-29或31-45中任一项的生物燃料电池设 备发电的方法，包括在生物阳极氧化燃料流体并在阴极或生物阴极还原氧 化剂。
47.一种电极，其包括：
空气可透过且燃料流体不可透过的电传导性材料的第一区；
燃料流体和空气均可透过的传导性材料的第二区；以及
能够接触燃料流体和空气的非贵金属催化剂，
其中包括所述电极的空气自呼吸式半电池在室温、0.4V电极电势和10 mg/cm2催化剂载量下运行时产生至少约16、20、25、30、35、40、45、 50、55、60、65、70、75、80或更大mA/cm2的电流密度。
48.根据权利要求47的电极，其中第一区和第二区的通透性通过控制各 区的孔隙率来控制。
49.根据权利要求47或48的电极，其中催化剂邻着第二区。
50.根据权利要求47-49中任一项的电极，其中催化剂包括过渡金属、过 渡金属大环化合物或其组合。
51.根据权利要求50的电极，其中过渡金属大环化合物是过渡金属酞菁、 过渡金属卟啉、其衍生物或类似物或它们的组合。
52.根据权利要求51的电极，其中过渡金属大环化合物是酞菁铁、酞菁 钴、卟啉铁、卟啉钴、其衍生物或类似物或它们的组合。
53.根据权利要求51的电极，其中过渡金属大环化合物包括1，2，3，4，8，9， 10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)、或其衍生物或类 似物。
54.一种经热处理的电极，其包括：
电子导体；以及
至少一种能够选择性地将氧还原为水的非贵金属催化剂；
其中包括所述电极的空气自呼吸式半电池在室温、0.4V电极电势和10 mg/cm2催化剂载量下运行时产生至少约16、20、25、30、35、40、45、 50、55、60、65、70、75、80或更大mA/cm2的电流密度。
55.根据权利要求54的电极，其中电极还包括碳负载聚胺，并且所述 电极经热处理以增加金属原子与聚胺的相互作用。
56.根据权利要求54或55的电极，其中电流密度至少约50mA/cm2。
57.根据权利要求54或55的电极，其中电流密度至少约80mA/cm2。
58.根据权利要求54-57中任一项的电极，其中电子导体包括至少一种 碳基材料，所述碳基材料是碳布、碳纸、碳丝网印刷电极、炭黑、碳粉、 碳纤维、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管阵列、 金刚石涂覆导体、玻璃碳、中孔碳、石墨、未经压缩的石墨蠕虫、拆层的 纯化片状石墨、高性能石墨、高序热解石墨、热解石墨、多晶石墨或其组 合。
59.根据权利要求54-58中任一项的电极，其中非贵金属催化剂是耐受 燃料流体的，特别是耐受醇的。
60.根据权利要求59的电极，其中非贵金属催化剂是耐酸的。 61.根据权利要求54-60中任一项的电极，其中非贵金属催化剂包括 1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)、或其 衍生物或类似物。
62.一种催化剂，包含1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟 -29H，31H-酞菁钴(II)(CoPcF)和聚吡咯，其中CoPcF和聚吡咯已经经过 热处理以增加钴金属原子与聚吡咯氮原子之间的相互作用。
63.根据权利要求62的催化剂，其中聚吡咯负载在碳上。
64.一种电极，其包括：
空气可透过且燃料流体不可透过的电传导性材料的第一区；
燃料流体和空气基本可透过的传导性材料的第二区；以及
能够接触燃料流体和空气的催化剂。
65.一种生物阴极，其包括：
(a)电子导体；
(b)能够与氧化剂反应生成水的至少一种阴极酶；以及
(c)能够固定并稳定该酶且该氧化剂可透过的酶固定化材料，其中电 子导体包括官能化多壁碳纳米管、基于活化碳的材料或其组合。
66.根据权利要求65的生物阴极，其中基于活化碳的材料包括炭黑， 其中所述炭黑曾经被加热到约600℃-约900℃并接着浸在水中。
67.根据权利要求65的生物阴极，其中官能化多壁碳纳米管被至少一 个羟基或羧基基团或其组合官能化。
68.根据权利要求65-67中任一项的生物阴极，其中酶是胆红素氧化 酶、漆酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶或其组合。
69.一种含包覆有固定化酶的核芯的粒子，所述酶被固定在固定化材 料中并(i)具有相对于其在固定化和包覆之前的初始活性的至少约0.65、 0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或更大的活性，或(ii)在所述酶连续催 化化学转化时保持其至少约75％的初始催化活性至少1、2、3、4、5、6 或7天。
70.根据权利要求69的粒子，其中所述酶保持其至少75％的初始催化 活性至少5、10、15、20、25、30、45、60、75、90、105、120、150、180、 210、240、270、300、330、365、400、450、500、550、600、650、700、 730或更多天。
71.根据权利要求69或70的粒子，其中所述酶被固定在酶固定化材 料中，该材料不共价结合所述酶。
72.根据权利要求69-71中任一项的粒子，其中所述核芯是内核。
73.根据权利要求69-72中任一项的粒子，其中所述核芯不是聚合物。
74.根据权利要求69-73中任一项的粒子，其中被固定化的酶在核芯上 形成层。
75.根据权利要求74的粒子，其中所述层是连续的。
76.根据权利要求69-75中任一项的粒子，其中所述酶在连续催化化学 转化时保持其至少约75％的初始催化活性至少30天。
77.根据权利要求69-76中任一项的粒子，其中所述酶具有相对于其在 固定化和包覆之前的活性的至少约0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或更高 的活性。
78.一种含包覆有固定化细胞器的核芯的粒子，所述细胞器被固定在 固定化材料中。
79.根据权利要求78的粒子，其中细胞器是乙醛酸循环体、过氧化物 酶体、线粒体、线粒体质、类囊体、叶绿体、氢化酶体或其组合。
80.一种制备包覆有固定化酶或细胞器的粒子的方法，所述方法包括： 混合含酶或细胞器的溶液和含至少一种核芯粒子、固定化材料和液体介质 的悬浮液以形成混合物，并将所述混合物喷雾干燥。
81.根据权利要求80的方法，其中使用喷枪进行喷雾干燥，并且将所 述混合物喷雾干燥到表面上。
82.根据权利要求80或81的方法，其中液体介质是溶剂、缓冲液、 离子液体或其组合。
83.根据权利要求69-82中任一项的粒子或方法，其中核芯粒子是聚合 物粒子、碳粒子、沸石粒子、金属粒子、陶瓷粒子、金属氧化物粒子、反 应介质不溶性有机金属粒子或其组合。
84.根据权利要求69-77和80-83中任一项的粒子或方法，其中所述酶 包括脂肪酶、葡萄糖异构酶、腈水解酶、葡萄糖氧化酶、蛋白酶、胃蛋白 酶、淀粉酶、真菌淀粉酶、产麦芽糖淀粉酶、纤维素酶、乳糖酶、酯酶、 糖酶、半纤维素酶、戊聚糖酶、木聚糖酶、支链淀粉酶、β-葡聚糖酶、乙 酰乳酸脱羧酶、β-葡糖苷酶、谷氨酰胺酶、青霉素酰化酶、氯过氧化物酶、 天冬氨酸β-脱羧酶、环糊精糖基转移酶、枯草杆菌蛋白酶、氨基酰化酶、 醇脱氢酶、氨基酸氧化酶、磷脂酶、脲酶、胆甾醇酯酶、脱亚磺酸酶、木 质素过氧化物酶、果胶酶、氧化还原酶、葡聚糖酶、葡糖苷酶、半乳糖苷 酶、葡糖淀粉酶、麦芽糖酶、蔗糖酶、转化酶、柚苷酶(naringanase)、 菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、肽酶、凝乳酶、嗜 热菌蛋白酶、胰蛋白酶、三酰甘油酯酶、前胃(pregastric)酯酶、磷酸酶、 植酸酶、酰胺酶、谷氨酰胺酶、溶菌酶、过氧化氢酶、脱氢酶、过氧化物 酶、裂合酶、延胡索酸酶、组氨酸酶(histadase)、氨基转移酶、连接酶、 环化酶、消旋酶、歧化酶、氧化酶、还原酶、木质素酶或其组合。
85.根据权利要求69-84中任一项的粒子或方法，其中所述粒子包括约 25wt％-约90wt％核芯和约10wt％-约75wt％覆层。
86.根据权利要求85的粒子，其中覆层包含约0.1wt％-约29wt％ 酶、约0.1wt％-约43wt％酶固定化材料和至多约29wt％电子介体。
87.根据权利要求80-84中任一项的粒子或方法，其中所述溶液包含约 0.1wt％-约15wt％酶和约85wt％-约99.9wt％溶剂，所述悬浮液包含 约0.1wt％-约28.7wt％核芯粒子、约4wt％-约10wt％酶固定化材料 和约50wt％-约75wt％液体介质。
88.一种自承式电子导体，包括：
由具有高表面积用于转移电子的第一电传导性材料、用于支持电子导 体的第二电传导性材料和粘合剂组成的单层，其中第二电传导性材料与第 一电传导性材料的重量比为至少0.5∶1，以为所述电子导体提供足够使其自 承的刚性。
89.根据权利要求88的电子导体，其中第二电传导性材料与第一电传 导性材料的重量比为至少0.6、0.7、0.8、0.9或1∶1。
90.根据权利要求88或89的电子导体，其中电子介体接枝到第一电 传导性材料的至少部分上。
91.根据权利要求88-90中任一项的电子导体，还包括与单层接触的集 电体，其中该电子导体不包括除集电体和第二电传导性材料提供的结构支 持以外的结构支持。
92.根据权利要求91的电子导体，其中集电体具有沿纵轴的近端和远 端在其间限定出一定长度，并且所述单层与集电体接触并从集电体的近端 共轴延伸到集电体的远端。
93.根据权利要求88-92中任一项的电子导体，其中粘合剂与第二电传 导性材料的重量比为为至少0.8、0.9或1∶1。
94.根据权利要求88-93中任一项的电子导体，其中第一电传导性材料 包括炭黑，第二电传导性材料包括碳纤维，粘合剂包括聚偏二氟乙烯或聚 四氟乙烯。
95.根据权利要求88-93中任一项的电子导体，其中单层还包含权利要 求69-77、83或85-87中任一项的粒子。
96.根据权利要求88-94中任一项的电子导体，其中酶层与所述单层的 表面接触，所述酶层包括固定在酶固定化材料中并与由接枝到炭黑粒子上 的纳米线构成的纳米结构接触的酶。
97.根据权利要求15、31-47、65-87或96中任一项的生物燃料电池设 备、方法、生物阴极、粒子、电子导体或工艺，其中酶固定化材料包括胶 束或反胶束结构。
98.根据权利要求97的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中酶固定化材料包括改性的全氟磺酸-PTFE共聚物或 改性的藻酸盐。
99.根据权利要求98的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中酶固定化材料被大于NH4+的疏水阳离子改性。
100.根据权利要求99的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中疏水阳离子包括铵基阳离子、季铵阳离子、烷基三 甲基铵阳离子、有机阳离子、鏻阳离子、三苯基鏻、吡啶鎓阳离子、咪唑鎓 阳离子、十六烷基吡啶鎓、乙锭、紫罗碱、甲基紫罗碱、苄基紫罗碱、双(三 苯基膦)亚铵、金属络合物、联吡啶金属络合物、菲咯林基金属络合物、 [Ru(联吡啶)3]2+或[Fe(菲咯林)3]3+。
101.根据权利要求99的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中疏水阳离子包括四丙基铵(T3A)，四戊基铵(T5A)、 四己基铵(T6A)、四庚基铵(T7A)、三甲基icosyl铵(TMICA)、三甲基十八 烷基铵(TMODA)、三甲基十六烷基铵(TMHDA)、三甲基十四烷基铵 (TMTDA)、三甲基辛基铵(TMOA)、三甲基十二烷基铵(TMDDA)、三 甲基癸基铵(TMDA)、三甲基己基铵(TMHA)、四丁基铵(TBA)、三乙 基己基铵(TEHA)及其组合。
102.根据权利要求99的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中疏水阳离子包括由下式4表示的季铵离子：

其中R1、R2、R3和R4独立地是氢、烃基、取代的烃基或杂环，其中R1、 R2、R3和R4中至少一个不是氢。
103.根据权利要求102的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R1、R2、R3和R4独立地是氢、甲基、乙基、丙基、 丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基或癸基，其中R1、R2、R3和R4中 至少一个不是氢。
104.根据权利要求102的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R1、R2、R3和R4相同并且是甲基、乙基、丙基、 丁基、戊基或己基。
105.根据权利要求102的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R1、R2、R3和R4中的一个是己基、辛基、癸基、 十二烷基或十四烷基，并且其它独立地是甲基、乙基或丙基。
106.根据权利要求102的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R1、R2、R3和R4是丁基。
107.根据权利要求15、31-47、65-87或96中任一项的生物燃料电池 设备、方法、生物阴极、粒子、电子导体或工艺，其中固定化材料是胶束 状疏水改性的多糖。
108.根据权利要求107的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中多糖包括壳聚糖。
109.根据权利要求107或108的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、 粒子、电子导体或工艺，其中胶束状疏水改性的多糖对应于式2：

其中n是整数；R10独立地是氢、烃基、取代的烃基或疏水氧化还原介体； 以及R11独立地是氢、烃基、取代的烃基或疏水氧化还原介体。
110.根据权利要求109的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R10独立地是氢或烷基，R11独立地是氢或烷基。
111.根据权利要求109的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R10独立地是氢或己基，R11独立地是氢或己基。
112.根据权利要求109的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R10独立地是氢或辛基，R11独立地是氢或辛基。
113.根据权利要求109的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R10独立地是氢或丁基，R11独立地是氢或丁基。
114.根据权利要求109的生物燃料电池设备、方法、生物阴极、粒子、 电子导体或工艺，其中R10独立地是氢或疏水氧化还原介体，R11独立地是 氢或疏水氧化还原介体。

说明书全文

背景

本发明一般地涉及基于生物酶的燃料电池(也称作生物燃料电池)及 其制备方法和用途。更具体地，本发明涉及生物阳极、生物阳极堆叠体 (stack)、生物阴极及其制备方法和用途。

生物燃料电池是一种可以在其中通过活细胞和/或它们的酶的催化活 性将从化学反应得到的能量转化为电能的电化学设备。生物燃料电池一般 利用复杂的分子在阳极生成将氧还原为水所需的氢离子，同时产生用在电 学应用中的自由电子。生物阳极是生物燃料电池中在此处氧化燃料后释放 电子的电极，生物阴极是在此处催化剂利用来自阳极的电子和质子将过氧 化物或氧还原为水的电极。生物燃料电池不同于传统燃料电池之处在于用 于催化电化学反应的物质。生物燃料电池依赖于生物分子如酶来进行反应， 而不是利用贵金属作为催化剂。

发明内容

在本发明的多个方面中涉及一种用于产生电流的生物燃料电池设备， 其包括燃料汇流腔(fuel manifold)、阳极组件、阴极组件、壳体和控制器。 燃料汇流腔具有面、和在面中界定出燃料储池(fuel reservoir)的至少一个腔 (cavity)、用于燃料流体流入该汇流腔以填充储池的进口和用于燃料流体流 出该汇流腔的出口。阳极组件包括设置用于与所述燃料储池中的燃料流体 接触的至少一个生物阳极。阴极组件包括设置用于燃料流体通过生物阳极 流到阴极的至少一个生物阴极。壳体容纳汇流腔、阳极组件和阴极组件。 控制器控制电流从该生物燃料电池设备的输出。
另一方面涉及一种用于向负载(load)供应电力(electrical power)的生物 燃料电池设备，所述设备包括至少一个燃料电池，用于按照规定的运行模 式控制燃料电池的输出的控制器，以及位于燃料电池与负载之间的开关电 路，所述开关电路响应控制器以按照运行模式交替地连接和断开燃料电池 与负载。
另一方面涉及一种用于向负载供应电力的生物燃料电池设备，所述设 备包括至少一个燃料电池，用于按照规定的运行模式控制燃料电池的输出 的控制器，以及补充电源电路，该电源电路响应控制器以选择性地将补充 电源与燃料电池的输出连接，由此补充该生物燃料电池设备向负载供应的 电力。
另一方面涉及一种用于向负载供应电力的生物燃料电池设备，所述设 备包括串联式电连接的多个燃料电池，用于按照多种规定运行模式中的至 少一种控制每个燃料电池的输出的控制器，以及位于燃料电池与负载之间 的开关电路，所述开关电路响应控制器以按照运行模式选择性地使一个或 多个燃料电池与负载连接。
另一方面涉及一种对生物燃料电池设备的一个或多个燃料电池的输出 进行电调整(electrically conditioning)的方法，从而该所述生物燃料电池设 备适应于向负载供应电力，所述方法包括在燃料电池与负载之间电连接开 关电路，以及操作开关电路以按照多种规定运行模式中的至少一种选择性 地使一个或多个燃料电池与负载连接。
本发明的另一方面涉及一种电极，其包括空气可透过且燃料流体不可 透过的电传导性材料的第一区，燃料流体和空气均可透过的电传导性材料 的第二区，以及能够接触燃料流体和空气的非贵金属催化剂。包括该电极 的空气自呼吸式半电池(air-breathing half-cell)在室温、0.4V电极电势和 10mg/cm2催化剂载量下运行时产生至少约16、20、25、30、35、40、45、 50、55、60、65、70、75、80或更大mA/cm2的电流密度。
本发明的另一方面涉及一种经热处理的电极，其包括电子导体，以及 至少一种能够选择性地将氧还原为水的非贵金属催化剂。包括该电极的空 气自呼吸式半电池在室温、0.4V电极电势和10mg/cm2催化剂载量下运行 时产生至少约16、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、 80或更大mA/cm2的电流密度。
本发明的另一方面涉及生物阴极，其包括电子导体、能够与氧化剂反 应生成水的至少一种阴极酶、以及能够固定并稳定该酶且可透过该氧化剂 的酶固定化材料。此外，该电子导体包括官能化多壁碳纳米管、活化碳 (activated carbon)基材料或其组合。
本发明的另一方面涉及含钴(II)1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22， 23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁(CoPcF)和聚吡咯的催化剂。该CoPcF和 聚吡咯已经经过热处理以增加钴金属原子与聚吡咯氮原子之间的相互作 用。
本发明的另一方面涉及含有固定化酶包覆的核芯的粒子，该酶被固定 在固定化材料中并具有相对于其在固定化和包覆之前的初始活性的至少约 0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或更大的活性。
本发明的另一方面涉及含有固定化酶包覆的核芯的粒子，该酶被固定 在固定化材料中并在该酶连续催化化学转换时持续至少7天保持其初始催 化活性的至少约75％。在多个优选的实施方案中，该酶在连续催化化学转 换时至少30天保持其初始催化活性的至少约75％。
另一方面涉及含有固定化细胞器包覆的核芯的粒子。该细胞器被固定 在固定化材料中。
另一方面涉及一种制备固定化酶或细胞器包覆的粒子的方法，该方法 包括混合含酶或细胞器的溶液和含至少一种核芯粒子、固定化材料和液体 介质的悬浮液以形成混合物。接着，将该混合物喷雾干燥。
本发明的另一方面涉及固定在酶固定化材料中的酶，其中该酶包括消 耗淀粉的淀粉酶且酶固定化材料包括悬浮在叔戊醇中的丁基壳聚糖，或者 该酶包括消耗麦芽糖的淀粉酶且酶固定化材料包括中等分子量的癸基改性 壳聚糖。
另一方面涉及自承式电子导体，包括由具有高表面积用于转移电子的 第一电传导性材料、用于支撑电子导体的第二电传导性材料和粘合剂组成 的单层。该电子导体中第二电传导性材料与第一电传导性材料的重量比为 至少0.5∶1，以为该电子导体提供足够的刚性使其实现自承。在多个优选的 实施方案中，该电子导体中第二电传导性材料与第一电传导性材料的重量 比为至少1∶1。
附图说明
图1是本发明燃料电池设备的示意图。
图2是本发明燃料电池设备的透视图。
图3是图2设备的拆开的透视图。
图4是图2设备的燃料汇流腔的断片透视图(fragmentary perspective)。
图5是燃料汇流腔的正视图。
图6是燃料汇流腔沿图5的线6-6的剖视图(cross section)。
图7是图2设备的阳极组件的正视图。
图8是图7阳极组件的拆开的透视图。
图9是阳极组件沿图7的线9-9的剖视图。
图10是图2设备的阴极组件的正视图。
图11是图10阴极组件的拆开的透视图。
图12是阴极组件沿图10的线12-12的剖视图。
图13是本发明燃料电池设备的壳体部分的透视图。
图14是燃料电池设备的示意图。
图15是燃料电池设备的控制器的示意图。
图16和17描绘了示例性用户界面，该界面用于接收用户输入以设计 和模拟用于8块电池的设备的模式。
图18是燃料电池设备的电子组件的透视图。
图19是本发明第二实施方案的燃料电池设备的拆开的透视图。
图20是图19设备的燃料汇流腔的透视图。
图21是图19阳极组件的拆开的透视图。
图22是电极示意图，该电极包括空气可透过但燃料流体不能透过的电 传导性材料的第一区域、燃料流体和空气均可透过的电传导性材料的第二 区域和能够接触燃料流体和空气的催化剂。该电极是空气自呼吸式半电池 的工作电极(WE)。该工作电极(WE)包括标记为第一区域、第二区域 和催化剂的区域或层。该半电池还包括置于工作电极附近的参比电极(RE) 和优选贵金属网或碳片的对电极(CE)。
图23是具有不对称孔分布的电子导体。
图24是极化(polarization)与功率曲线，表现了NAD-依赖型GDH生 物燃料电池堆叠体的目前进展。
图25是比较两种碳气体扩散层材料(单侧Elat和如本文所述制得的气 体扩散层(GDL))和两种集电体材料(镀Au的SS和Ni)对NAD-依赖型ADH 阳极性能的影响的曲线。
图26是比较不同材料的碳载体(气体扩散层)材料性质以及它们对 NAD-依赖型ADH阳极性能的影响的曲线。
图27是比较6种ADH酶和可商购ADH(NAD依赖型)的曲线。
图28是单个半电池阳极(1cm2)的功率曲线，表明功率密度为15 mW/cm2。
图29A和29B是极化和功率曲线，表现PQQ依赖型ADH生物燃料 电池堆叠体性能的目前进展和现状。
图30A和30B是极化和功率曲线，表现PQQ依赖型ADH生物燃料 电池堆叠体性能的目前进展和现状。
图31表现空气自呼吸式阴极在1M硫酸溶液中的极化。将铂黑 (Johnson Matthey)以5mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的碳布(E-Tek) 上，该催化剂层中存在10％Nafion。将CoPcFCPPy以10mg/cm2的载量 涂到Teflon处理过的碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion，并 且存在或不存在磷钨酸(PTA)，如果存在时则(PTA∶CoPcFCPPy)比为1∶10。 扫描速率：2mV/s。
图32是阴极电极在具有15％或30％乙醇的1M硫酸溶液中的极化曲 线。将如上制得的CoPcFCPPy以10mg/cm2的载量涂到Torey碳纸上， 该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速率：2mV/s。
图33是空气自呼吸式阴极在含15％乙醇的1M硫酸溶液中的极化曲 线。将按实施例7制得的CoPcFCPPy以10mg/cm2的载量涂到Teflon处 理过的碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速率：2mV/s。
图34是在含5％乙醇的1M硫酸溶液中0.4V下的时间依赖性氧还原 电流。将实施例7制得的CoPcFCPPy以10mg/cm2的载量涂到Teflon处 理过的碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion，并且存在或不存 在磷钨酸(PTA)，如果存在时则(PTA∶CoPcFCPPy)比为1∶10。将铂黑 (Johnson Matthey)以5mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的碳布(E-Tek) 上，该催化剂层中存在10％Nafion。为比较，还在1M硫酸溶液中测试 铂阴极。扫描速率：2mV/s。
图35是空气自呼吸式阴极在含15％乙醇的1M硫酸溶液中的极化曲 线。将铂黑(Johnson Matthey)以5mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的碳 布(E-Tek)上，该催化剂层中存在10％Nafion。将CoPcFCPPy以10mg/cm2 的载量涂到Teflon处理过的碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％ Nafion。扫描速率：2mV/s。
图36是空气自呼吸式阴极在1M硫酸溶液中的极化曲线。将 CoPcFCPPy催化剂以10mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的碳布(E-Tek) 上，该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速率：2mV/s。在制作该空气自 呼吸式阴极之前，将CoPcFCPPy催化剂在1M硫酸中浸提0、1、20或 120个小时。
图37是空气自呼吸式阴极在1M硫酸溶液中的极化曲线。将经热解 或未经热解的CoPcFCPPy以10mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的碳布 (E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速率：2mV/s。
图38是空气自呼吸式阴极在存在或不存在15％乙醇的1M硫酸溶液 中的极化曲线。将经热解的CoPcF/C催化剂以10mg/cm2的载量涂到 Teflon处理过的碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速 率：2mV/s。
图39是空气自呼吸式阴极在1M硫酸溶液中的极化曲线。将 CoPcFPPy和CoPcCPPy催化剂以10mg/cm2的载量涂到Teflon处理过的 碳布(E-Tek)上，该催化剂层中存在30％Nafion。扫描速率：2mV/s。
图40是固定在Torey碳纸上的胆红素氧化酶(疣孢漆斑菌 (Myrothecium verrucaria))-多壁碳纳米管在乙酸缓冲液(pH 5)中的循环伏 安图(cyclic voltammogram)。扫描速率：100mV/s。
图41是固定在Torey碳纸上的漆酶(双孢蘑菇(Agaricus bisporus))-多 壁碳纳米管在乙酸缓冲液(pH 5)中的循环伏安图。扫描速率：50mV/s。
图42是空气自呼吸式生物阴极在乙酸缓冲溶液(pH 5)中的极化曲线。 将漆酶(栓菌属(Trametes)物种)/羧基官能化的多壁碳纳米管固定在防水 碳布上。扫描速率：2mV/s。
图43是空气自呼吸式生物阴极在乙酸缓冲溶液(pH 5)中的极化曲线。 将胆红素氧化酶(疣孢漆斑菌)/碳纳米管固定在防水碳布上。扫描速率：2 mV/s。
图44是空气自呼吸式生物阴极在乙酸缓冲溶液(pH 5)中的极化曲线。 将胆红素氧化酶(疣孢漆斑菌)/炭黑或碳纳米管固定在防水碳布上。扫描速 率：2mV/s。
图45是空气自呼吸式生物阴极在乙酸缓冲溶液(pH 5)中的极化曲线。 将胆红素氧化酶(疣孢漆斑菌)/羟基官能化的多壁碳纳米管固定在防水碳布 (双侧涂层-来自E-Tek的DS；自制涂层-碳布D/XE2)上。扫描速率：2mV/s。
图46是生物阴极在氧饱和的乙酸缓冲溶液(pH 5)中的极化曲线。将胆 红素氧化酶(疣孢漆斑菌)吸附到普通(plain)碳布(三角形)上或活化布(圆 圈)上。扫描速率：2mV/s。
图47是包覆电子介体(electron mediator)、酶(具有两个亚基)和酶 固定化材料的粒子的示意图。
图48是喷枪将混合物喷雾干燥到聚碳酸酯屏上的示意图。
图49是线性扫描伏安图(linear sweep voltammogram)，表明制成碳复 合电极的如实施例17所述的包封的醇脱氢酶的活性保留。
图50是固定在不同酶固定化材料上的消耗淀粉的淀粉酶的相对酶活 性图。
图51是固定在不同酶固定化材料上的消耗麦芽糖的淀粉酶的相对酶 活性图。
图52是空气自呼吸式生物阴极电极的示意图。电极包括传导性单层 527。
图53是生物阳极电极的示意图。电极包括传导性单层537。
图54是比较本发明GDL与GDL(Elat)用于基于生物阴极电极的燃料 电池的极化和功率曲线。这两个电池的阳极是在Elat上的铂黑催化剂，以 氢作燃料。这两个电池的阴极催化剂是固定化漆酶，以氧作氧化剂。
图55是比较如本文所述制得的阳极GDL与商购阳极GDL(Elat)的直 接甲醇燃料电池的极化和功率曲线。这两个电池的阳极是在相应GDL材 料上的铂钌黑催化剂，5.0％甲醇作燃料。这两个电池的阴极催化剂是在 Elat GDL上的铂黑催化剂，氧作氧化剂。
图56是酶/纳米线和碳粒子相互作用的示意图。
图57是因纳米线间的彼此相互作用而形成的预定电子路径(神经网络 状结构)的示意图。
图58是无介体介导的(non-mediated)生物碳糊电极在1M磷酸缓冲液 中的半电池试验。
图59是介体介导的(mediated)阳极半电池在pH为7.2的1M磷酸缓 冲液中的试验。
图60是相对铂黑阳极H2/O2燃料电池于室温就有碳填充剂和没有碳填 充剂的情况进行的漆酶阴极比较。
图61描绘了在室温下在H2/O2PEM燃料电池中改变漆酶/铂黑中的碳 含量时的性能。
图62描绘了室温下漆酶/铂黑H2O2PEM燃料电池中各种不同类型碳 的性能。
图63描绘了室温下漆酶/铂黑H2O2PEM燃料电池中不同酶/TBAB载 量的性能。
图64描绘了室温下漆酶/铂黑H2O2PEM燃料电池中不同电极载体的 性能。
图65描绘了室温下壳聚糖固定化的漆酶/铂黑H2O2生物阴极PEM燃 料电池的性能。
图66是基于TBAB改性的Nafion的电极压装(press package)的示意 图。
图67A和67B是壳聚糖固定化酶电极压装的步骤1和2。
相应的标记指示附图中的相应部分。
发明详述
现在参照附图，图1示出了本发明燃料电池设备的一个实施方案，其 整体用标号1表示。设备1能够产生可用于满足标记为5的负载的功耗要 求的电流。作为例子，燃料电池设备1可用于为小的手持电子设备提供电 力。用于运行设备1的燃料由合适的来源7提供，并且在使用过程中被消 耗或在使用之后从设备1排放到合适的废料目的地(例如接收器)9。
图2示出了图1的燃料电池设备1，图3是显示设备1的各部件的分 开视图。一般而言，该设备包括燃料汇流腔15，该汇流腔具有前侧21、后 侧23、用于燃料流体从燃料源7流入汇流腔的进口29和用于燃料流体从 汇流腔流入废料目的地9的出口33。汇流腔15包括一个或多个各标记为 41的燃料储池。该燃料电池设备还包括一般分别标记为45和47的对着汇 流腔15的前侧21和后侧23的前侧阳极组件和后侧阳极组件用于与燃料储 池41中的燃料反应，以及一般分别标记为51和53的邻着前侧阳极组件 45和后侧阳极组件47的前侧阴极组件和后侧阴极组件。一般标记为71(图 14)的电子控制器被设置用于控制该设备的运行，这将在下文描述。一般 标记为81(图15)的补充电源电路也可以被包括在内用于根据需要提供动 力以补充燃料电池的正常输出。上述这些部件容纳在一般标记为91的壳体 中，使得该燃料电池设备可以自容纳为相对小的紧凑单元。下面详细描述 上述各部件。
燃料汇流腔
更具体地，如图4-6所示，所示实施方案的燃料汇流腔15包括合适绝 缘材料(如丙烯酸类)的体部(body)或块体(block)101，其具有顶部105、 底部107、相对端109、前面111和背面115。该块体101可以形成(例如 模制、机制等)为任何合适形状(如长方形或其它)并优选由单个一体式 构件构成。作为选择，它可以由多个分开的构件彼此固定以形成整体式结 构来构成。由该块体的前面111和背面115中的腔(也标记为41)界定出 燃料储池41。在所示实施方案中，正面设置有4个这种腔41，背面设置有 4个这种腔，于是总计有8个腔形成8个燃料储池。在其它实施方案中， 根据组件中所需的生物燃料电池的数目和设计，汇流腔15可以包括1至多 达40个或更多个的腔。燃料通过每个燃料储池41顶部的进口端121进入 相应的储池并通过同一储池顶部的出口端125离开该储池。如图5最佳示 出的，各燃料储池41的顶部成梯级状，从而进口端121在进口端表面127 上并且出口端125在位于表面127上方一定距离的出口端表面129上。结 果，每个储池的出口端125的高度都比每个储池的进口端121的高度要高。 这两个表面127和129之间的垂直间距形成高度(如0.10英寸)适合容纳 任何空气气泡(可能被截留在燃料室中)的室或空间131。这种设置使得 可以完全填充燃料储池41而没有截留的空气气泡与阳极组件45、47和阴 极组件51、53接触的危险，这将在下文描述。
汇流腔15的燃料储池41通过流道或管路135连接，而流道或管路135 可以例如包括装配到汇流腔的孔中的1/8”×1/8”聚丙烯倒钩式弯头 (barbed elbow)。在一个期望的布置中，燃料流体依次(串联)从该系列的 一个燃料储池41流到该系列的下一个燃料储池41。例如，如图4和5所 示，燃料流体从汇流腔15的进口29流入邻着汇流腔一端109的汇流腔前 侧21的第一燃料储池41，接着依次流入前侧的第二、第三和第四储池41 (在图4和5中从左至右)，接着顺序流入汇流腔后侧23的4个储池41， 随后通过出口33离开汇流腔15。不同燃料储池41之间的其它燃料流动路 径也是可以的。可以在一个储池41的出口端125与该系列的下一个储池 41的进口端121之间设置阀(如止回阀141)，以防止在燃料从汇流腔15 的进口29依次通过多个燃料储池41流到汇流腔出口33时燃料从一个储池 41返流到另一储池。止回阀(如Poweraire阀)的使用可以打断这些电池 之间的任何离子通讯，从而防止短路。串联布置止回阀141，这样存在一 个燃料输入和输出以填充所有储池41。
在所示的实施方案中，汇流腔15的燃料储池41的布置使得汇流腔后 侧23上的燃料储池直接对着汇流腔前侧21的储池。但是，其它布置也可 以。而且，汇流腔可以具有一个以上的进口29和一个以上的出口33。例 如在可替换的设计中，设置一个进口和一个出口以用于汇流腔前侧21的燃 料储池41，并且设置不同的进口和出口以用于汇流腔后侧23的燃料储池 41。
阳极组件
参照图7-9，前侧阳极组件45包括框体151，该框体151在一个实施 方案中包括一对匹配的前框构件151A和背框构件151B。框构件151A和 151B各在其中具有多个开口155，这些开口被构造和布置成与汇流腔15 的前面111中的燃料储池41的构形和布置相匹配。这些框构件可以是厚约 0.018英寸的乙烯基片材。其它材料也可以使用。而且，框体151可以具有 与所示不同的构形。
前侧阳极组件45还包括多个阳极，每个阳极一般标记为157，通过框 体151保持在框体开口155中，每个框体开口一个阳极。
在某些实施方案中，每个阳极157包括固定在相应框体开口155中的 集电体161。在一个实施方案中，集电体161包括厚约0.018英寸的镍线网 片。合适的电引线169(例如28号导体)固定到集电体161上。每个阳极 157还包括在集电体161与背框构件151B之间位于集电体161背面的气体 扩散层165。例如，该扩散层165可以是如下面在“气体扩散层”章节描述 的碳糊结构。接着可以通过施加在缓冲溶液中的酶与四丁基铵改性的 Nafion离聚物的流延(cast)混合物来向气体扩散层165添加催化剂层(未 示出)。在将催化剂层结合到阳极组件上之前将其干燥。在优选的实施方 案中，催化剂层中所用的酶是吡咯并喹啉醌依赖型醇脱氢酶(PQQ-ADH)。
每个阳极157的尺寸略大于对应的框体开口155，使得阳极的侧边边 缘部(side edge margin)延伸超出框体开口的相应侧用于重叠框构件151A 和151B的部分。阳极157通过设置在前框构件151A与阳极157的集电体 161之间的粘结剂前层175和位于后框构件151B与阳极157的扩散层165 之间的粘结剂后层181而固定到框构件上。粘结剂前层175和后层181包 括例如厚约0.005英寸的聚氨酯热熔性粘结剂膜。粘结剂前层175和后层 181被构造成具有分别与前框构件151A和后框构件151B的尺寸和形状相 对应的尺寸和形状。当向该组件(如通过热压过程)施加热时，该粘结剂 熔化以将这两个框构件151A和151B、集电体161和扩散层165固定在彼 此相对而言固定的位置上，从而形成整体的前侧阳极结构。
在具有如图53所示的自承式生物阳极催化剂载体的其它实施方案中， 每个阳极157包括埋置在阳极内的集电体535。在一个实施方案中，该集 电体具有近端和远端，并沿着纵向轴延伸。与集电体535接触的传导性单 层537从集电体的近端向远端共轴延伸。合适的电引线169附接到集电体 535上。在其它实施方案中，自承式生物阳极催化剂载体并不包括埋置的 集电体535。传导性单层537是第一电传导性材料、第二电传导性材料和 粘合剂的混合物，并且可以按下面“自承式生物阳极催化剂载体制备”章 节所描述的制造。接着通过下面“传导性聚合物基纳米线”章节所述的方 法向单层537的表面施加催化剂层(未示出)。作为选择，可以向用于形 成单层537的混合物中加入含酶的催化剂粒子(如下面“将包封的酶混入 碳糊中”以及“生物催化剂墨水制剂”章节所述)，或者可以将该催化剂 粒子包含在接着施用到催化剂载体表面上的糊或墨水(ink)中。
每个阳极157的尺寸略大于对应的框体开口155，使得阳极的侧边边 缘部延伸超出框体开口的相应侧用于重叠框构件151A和151B的部分。阳 极157通过设置在前框构件151A与阳极157的单层537之间的粘结剂前 层175和在后框构件151B与阳极157的单层537之间的粘结剂后层181 而固定到框构件上。粘结剂前层175和后层181包括例如厚约0.005英寸 的聚氨酯热熔性粘结剂膜。粘结剂前层175和后层181被构造成具有分别 与前框构件151A和后框构件151B的尺寸和形状相对应的尺寸和形状。当 向该组件(如通过热压过程)施加热时，该粘结剂熔化以将这两个框构件 151A和151B以及单层537固定在彼此相对而言固定位置上，从而形成整 体的前侧阳极结构。
前侧阳极组件45固定到汇流腔15的前面111上，使得框体开口155 和阳极157与相应的前侧燃料储池41大体对齐(align)，这种布置使得各储 池41中的燃料流体适应于与前侧阳极组件45的相应阳极157接触。可能 期望的是，各框体开口155的外形尺寸和形状接近对应的燃料储池45的尺 寸和形状，以便阳极157的基本上整个区域都暴露于来自该燃料储池的燃 料流体。阳极组件45通过在框体151的背面与汇流腔15的前面111之间 的粘结剂层(例如厚0.005英寸的在128℃下熔化的热熔性聚氨酯粘结剂 层)以密封的方式固定到汇流腔15上。以此方式提供密封将每一个前侧燃 料储池41及其对应阳极157与相邻的每一个前侧燃料储池及其对应阳极 157隔开。这种密封可以按其它方式形成，例如使用一个或多个密封垫。
后侧阳极组件47优选按与前侧阳极组件45基本相同的方式构建，并 且相应的部件用相应的标号标记。后侧阳极组件47靠着汇流腔15的背面 115，并且框体开口155和阳极157与汇流腔后侧23的燃料储池41配准 (registration)。后侧阳极组件47固定在相对于汇流腔15的适当位置上并 按以上针对前侧阳极组件45描述的相同方式与汇流腔的背面115密封接 合。上述阳极组件一般包括镍集电体、碳基气体扩散层、PQQ依赖型醇脱 氢酶和作为电子介体的PQQ。但是，本领域技术人员将明了这些部件能够 替换为下述各种替代部件。
生物阳极或生物阴极处的直接电子转移(DET)
在本发明的另一方面，描述了利用直接电子转移的系统。在基于直接 电子转移的系统中，电子转移与底物向产物的催化转化相关，或在该转化 过程中发生。酶充当电催化剂(electrocatalyst)，接枝在第一传导性材料如 碳粒子上的纳米线(用合适的表面官能基修剪(tailor)的)促进酶、电子导 体(电极)和底物分子之间的电子转移。在某些实施方案中，该过程不涉 及电子介体。在纳米线增大传导性但不经历可逆电子转移时，观察到直接 电子转移。DET系统通常提供更有效的电子转移率，这是因为在较靠近酶 的氧化还原电势的电势范围内操作且酶较少地接触到干扰反应。一般地， 生物分子与电极表面之间的整合(integration)/通讯程度越高，电子转移 率越大，所提供的功率输出越多。
基于直接电子转移的高功率输出生物燃料电池系统的性能取决于酶固 定化过程的多个方面。例如，电子导体/载体的性质(例如表面官能基的化 学性质、纳米线的尺寸以及纳米线的电和离子传导性质)和生物分子的性 质和稳定性(例如用于稳定酶的固定化技术)决定了生物燃料电池的性能。
在其它实施方案中，接枝在第一传导性材料上的纳米线(用合适的表 面官能基修剪的)具有接枝在该第一传导性材料表面上的电子介体。这些 电子介体可以在阳极或阴极经历可逆电子转移。在多种实施方案中，纳米 线接枝的粒子可以用作下述固定化酶包覆的粒子的核芯。
下面描述制备用在生物燃料电池中的常规生物阳极和生物阴极电子导 体(电极)的过程。
自承式生物阳极催化剂载体
本文所述的生物阳极催化剂载体类似于生物阴极的酶涂层侧，在此处 高表面积的微孔结构用于酶的固定和电解质/底物的掺入。生物阳极催化剂 载体的示意图示于图53中。以与生物阴极电极类似的方式，第一电传导性 材料(例如炭黑)可以用电子介体或掺杂剂(例如通过将掺杂的传导性聚 合物接枝到其表面上)来修饰，从而帮助电子转移以及电和离子体导。
自承式生物阳极催化剂载体制备
用于阳极电极的催化剂载体层由碳材料、粘合剂、成孔剂、溶剂和任 选的催化剂如酶的混合物制得。通过改变这些组分的比率，可以变化该载 体结构的性质以提供特定应用所期望的性能。例如，可以变化的性质包括： (1)电子传导，(2)疏水性/亲水性，(3)表面积和(4)表面结构。将 形成载体结构的混合物首先制成糊，接着压入框体(例如MDS填充的尼 龙6/6框体，0.020”厚)，对于不具有埋置的多孔金属丝网(expanded metal) 集电体的电极，将该框体粘到具有双侧压力粘结剂膜(pressure adhensive film)(例如0.002英寸厚)的聚四氟乙烯(PTFE)涂布的纤维玻璃临时载 体(例如0.020英寸厚)上。
对于具有埋置的集电体载体的电极，将两个带压力粘结剂膜的框体(例 如MDS填充的尼龙6/6框体，0.010”厚)固定到一片(例如0.005英寸厚) 多孔金属丝网的各一面上，而不需要PTFE涂布的纤维玻璃临时载体。用 工具(例如画家用刀或刮铲)除去框体上和顶部的多余糊料。在糊料还湿 时，将该电极结构在由2块钢板(6”×6”×0.065”)、2块PTFE涂布的 纤维玻璃片(4”×4”×0.005”)和2片纸巾(折叠以相配)构成的压装件中 以2000磅压15秒。从压装件中取出电极，并用画家用刀和纸巾除去框体 上任何多余的糊料。接着取决于期望的结构和制剂，将整个组件在不超过 200℃的温度烧结不超过20分钟。
烧结之后，从框体和临时载体中移出电极，并将其在2个铝块(12” ×12”×1”)之间冷却直至凝固，通常仅几分钟，之后用于生物燃料电池。 使用间隔1cm的两点以毫欧姆表测量传导性。相对于以同样方式测量的商 业气体扩散层(GDL)材料，报道测量值；该测量值不是在试验和仪器的 条件未知的情况下的记载的文献值。对于每种电极类型，由于有限的人工 制作轮次间的变化，这些值也作为近似值给出。
如果催化剂在传导性单层形成时不包括在其中，则催化剂层可以如下 面“将包封的酶混入碳糊料中”章节所述施加到催化剂载体上。作为选择， 可以将含酶的催化剂粒子(如下面“将包封的酶混入碳糊料中”和“生物 催化剂墨水制剂”章节所述)加入用于形成单层537的混合物中，或可以 将其包括在糊或墨水中接着施加到催化剂载体表面。
用于电极和催化剂层制备的材料和组分
可以利用各种可接受组分构建本文所述电极和催化剂层。下面的表详 细列出了各种炭黑、成孔剂、粘合剂材料和传导性碳纤维及其供应商。这 些材料可以用于制备本文所述的电子导体(电极)。
表1.用作生物电极GDL中的的第一电传导性材料的炭黑
  炭黑商品名   供应商   Vulcan XC-72   Cabot   聚吡咯，掺杂的，与炭黑复合   Sigma Aldrich   PrintexXE 2   Degussa AG   KetjenBlack EC-600JD   Akzo Nobel Chemicals   KetjenBlack EC300J   Akzo Nobel Chemicals   Raven 5000 Ultra II   Columbian Chemical Company   Raven 7000   Columbian Chemical Company   Monarch 880   Cabot   Black Pearls 460   Cabot   Black Pearls 1300   Cabot   ChemSorb 1505 G5   Molecular C*Chem   Monarch 1000   Cabot   Timrex HSAG 300CAT   Timcal-Stratmin   Black Pearls 2000   Cabot   XPB F 138   Degussa Engineered Carbons，LP.   Printex XE 2-B   Degussa AG   ChemSorb 1202 G5   Molecular C*Chem   ChemSorb 1000-60 G5   Molecular C*Chem   Conductex SC Ultra   Columbian Chemical Company   Raven 5000 Ultra III   Columbian Chemical Company   Monarch 1400   Cabot   Black Pearls 570   Cabot   碳纳米粉   Sigma Aldrich   碳纳米纤维粉   Nanostructured&Amorphous Materials   Inc.   玻璃碳球形粉   Alfa Aesar   多壁碳纳米管COOH   官能化的   Cheap Tubes Inc.   多壁碳纳米管OH   官能化的   Cheap Tubes Inc.   多壁碳纳米管   Cheap Tubes Inc.   碳锥   n-TEC   碳纳米管，单壁   Sigma Aldrich   内部自制改性炭黑   Akcrmin，Inc.
表2.用在生物电极GDL中的成孔剂
成孔剂(pore forming agent)   供应商 碳酸铵   Sigma 碳酸氢铵   Sigma 碳酸锂   Sigma 草酸铵   Sigma 乙二醇   Sigma 聚乙二醇   Sigma 甘油   Sigma
表3.用在生物电极GDL中的粘合剂材料
 粘合剂   供应商  聚偏二氟乙烯(也称作Kynar)   Sigma  聚四氟乙烯(也称作Teflon)   Sigma
表4.用作生物电极GDL中的第二电传导性材料的传导性碳纤维
  石墨纤维   供应商   DKDX   Cytec Carbon Fiber   XN-100   Nippon Graphite Fiber
可以选择炭黑材料以影响电子导体的表面积及其电传导性和电子转 移。成孔剂可以用来增加电子导体(电极)的表面积(通过在结构内形成孔， 由此增加其表面积)和底物扩散到酶(如果存在)的能力。粘合剂材料可 以用于有利地改变电子导体(电极)的疏水/亲水性质来增加传质和影响该 结构的结构整体性。传导性碳纤维可以选择以影响电子导体(电极)的传 导性并影响其结构整体性。
备选的生物阳极材料
根据本发明某些实施方案的生物阳极包括集电体(如集电体161)、 气体扩散层(或电子导体)(如气体扩散层165)、任选地电子介体、任 选地用于电子介体的电催化剂，和固定在酶固定化材料中的酶。在某些实 施方案中，这些部件彼此相邻，意味着它们通过合适方式而物理上或化学 上连接。
1.集电体
集电体(如161)是传导电子并为气体扩散层和催化剂层提供网格支 持的物质。因此，提供这些功能的材料均可以用于集电体。对于各种生物 阳极实施方案，优选镍或含镍材料(即Inconel)。当PQQ依赖型醇脱氢 酶用作生物阳极酶时，由集电体缓慢溶解产生的镍离子充当酶促反应的促 进剂(promoter)。
2.气体扩散层(GDL或电子导体)
气体扩散层(或电子导体)(如165)是传导电子的物质。气体扩散 层可以是有机或无机材料，只要它能够通过该材料传导电子即可。气体扩 散层可以是碳基材料、不锈钢、不锈钢网、金属导体、半导体、金属氧化 物、改性导体或其组合。在优选的实施方案中，气体扩散层是碳基材料。
特别合适的气体扩散层是碳基材料。示例性碳基材料是碳布、碳纸、 碳丝网印刷电极、碳纸(Toray)、碳纸(ELAT)、炭黑(Vulcan XC-72，Etek)、 炭黑、碳粉、碳纤维、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳 纳米管阵列、金刚石涂覆导体、玻璃碳、中孔碳及其组合。此外，其它示 例性碳基材料是石墨、未经压缩的石墨蠕虫(worm)、拆层的纯化片状石 墨(Superior石墨)、高性能(high performance)石墨和碳粉(Formula BTTM， Superior石墨)、高序热解石墨、热解石墨、多晶石墨及其组合。优选的 气体扩散层是碳布片。
在其它实施方案中，气体扩散层可以由金属导体制得。合适的电子导 体可以由金、铂、铁、镍、铜、银、不锈钢、汞、钨、其它适用于构造电 极的金属及其组合制得。此外，气体扩散层为金属导体时，其可以由从钴、 碳和其它合适金属制得的纳米粒子构成。其它金属电子导体可以是镀银的 镍丝网印刷电极。
此外，气体扩散层可以是半导体。合适的半导体材料包括可以掺杂其 它元素的硅和锗。该半导体可以掺杂磷、硼、镓、砷、铟或锑或其组合。
此外，气体扩散层可以是金属氧化物、金属硫化物、主族化合物(即 过渡金属化合物)、用电子导体修饰的材料及其组合。示例性的这种气体 扩散层是纳米孔氧化钛、氧化锡涂覆玻璃、氧化铈粒子、硫化钼、氮化硼 纳米管、传导性材料如碳修饰的气凝胶、传导性材料如碳修饰的溶胶凝胶、 钌碳气凝胶、传导性材料如碳修饰的中孔二氧化硅及其组合。在某些优选 实施方案中，气体扩散层包括炭黑、中孔碳、环氧树脂(epoxy)和聚四氟乙 烯。
在各种优选实施方案中，气体扩散层包含干组分：Monarch 1400炭 黑(Cabot)和Chemsorb 1505G5多孔浸渍的蒸汽活化的碳(C＊Chem)，以及 湿组分：溶解在丙酮中的Quick Set 2-part环氧树脂(The Original Super Glue Corp.)和在水中60％聚四氟乙烯(PTFE)分散体(Sigma)。将干组分在 食品研磨机中磨碎，并用超声均质机混合湿组分，接着合并干湿组分并用 油灰刀将其混合，直至混合物具有牙膏的稠度。
3.电子介体
生物阳极电子介体起到接受或供给电子的作用，容易从氧化形式变化 成还原形式。电子介体是可以扩散到和/或掺入酶固定化材料内的化合物。 优选电子介体的扩散系数最大化。
示例性的电子介体是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、核黄素腺嘌呤二 核苷酸(FAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)、吡咯并喹啉醌(PQQ)、 每种的等价物及其组合。其它示例性的电子介体是吩嗪硫酸甲酯、二氯酚 靛酚、短链泛醌、高铁氰化钾、蛋白质、金属蛋白、stellacyanin及其组合。
当电子介体单独不能在电子导体上经历氧化还原反应时，生物阳极包 括用于电子介体的电催化剂，其促进电子在电子导体处释放。作为选择， 具有标准还原电势0.0V±0.5V的可逆氧化还原对可以用作电子介体。另 一方面，可以使用在电子导体表面上提供可逆电化学的电子介体。这种电 子介体可以与细胞器中所含并依赖于该电子介体的天然酶组合。
4.用于电子介体的电催化剂
一般地，电催化剂是有利于电子导体处电子的释放的物质。另一方面， 电催化剂改善电子介体的还原或氧化动力学，使得电子介体的还原或氧化 可以在更低的标准还原电势进行。电催化剂可以在生物阳极被可逆氧化而 产生电子，并因此产生电。当电催化剂邻着电子导体时，电催化剂与电子 导体彼此电连接，但不必彼此物理连接。在一个实施方案中，电子导体是 用于电子介体的电催化剂的一部分，与其连接或相邻。
一般地，电催化剂可以是吖嗪、传导性聚合物或电活性聚合物。示例 性电催化剂是亚甲绿、亚甲蓝、鲁米诺、硝基芴酮衍生物、吖嗪类、菲咯 啉二酮锇、儿荼酚-侧基(pendant)三联吡啶、甲苯蓝、甲酚蓝、尼罗蓝、 中性红、吩嗪衍生物、tionin、天青A、天青B、甲苯胺蓝O、苯乙酮、金 属酞菁、尼罗蓝A、改性的过渡金属配体、1，10-菲咯啉-5，6-二酮、1，10-菲 咯啉-5，6-二醇、[Re(phen-二酮)(CO)3Cl]、[Re(phen-二酮)3](PF6)2、聚(金 属酞菁)、聚(硫堇)、苯醌类、二亚胺类、二氨基苯类、二氨基吡啶类、吩 噻嗪、吩噁嗪、甲苯胺蓝、亮甲酚蓝、3，4-二羟基苯甲醛、聚(丙烯酸)、聚 (天青I)、聚(尼罗蓝A)、聚(亚甲绿)、聚(亚甲蓝)、聚苯胺、聚吡啶、聚吡 咯、聚噻吩、聚(噻吩并[3，4-b]噻吩)、聚(3-己基噻吩)、聚(3，4-亚乙基二氧 吡咯)、聚(异硫茚)、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、聚(二氟乙炔)、聚(4-二氰基 亚甲基-4H-环戊[2，1-b；3，4-b’]二噻吩)、聚(3-(4-氟苯基)噻吩)、聚(中性红)、 蛋白、金属蛋白、stellacyanin、及其组合。在一个优选实施方案中，用于 电子介体的电催化剂是聚(亚甲绿)。
5.酶
酶催化燃料流体在生物阳极氧化。一般地，可以使用天然酶、人造酶、 人工酶和修饰的天然酶。此外，可以使用已经通过自然进化或定向进化而 工程化的工程酶。另一方面，在本发明的实施方案中可以使用模仿酶性质 的有机或无机分子。
具体地，用在生物阳极的示例性酶是氧化还原酶。在某些实施方案中， 氧化还原酶对燃料(醇、氨化合物、碳水化合物、醛、酮、烃、脂肪酸等) 的CH-OH基团或CH-NH基团起作用。
在一些实施方案中，酶是脱氢酶。示例性酶包括醇脱氢酶、醛脱氢酶、 甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖氧化酶、乳酸脱氢酶、 乳糖脱氢酶、丙酮酸脱氢酶或脂加氧酶。优选地，该酶是醇脱氢酶(ADH)。
为了使当用在生物燃料电池中时从燃料流体获得的能量密度最大化， 可能期望将燃料完全氧化，这意味着将分子中尽可能多的键断裂。选择用 在生物阳极中的酶将适于使特定燃料流体的能量密度最大化。例如，氢燃 料要求一种酶，而甲醇要求三种。当乙醇用作燃料时，可以使用三羧酸循 环酶。例如，可以在生物阳极中使用顺乌头酸酶、延胡索酸酶、苹果酸脱 氢酶、琥珀酸脱氢酶、琥珀酰-CoA合成酶、异柠檬酸脱氢酶、酮戊二酸脱 氢酶、柠檬酸合酶及其组合。
在优选的实施方案中，酶是PQQ依赖型醇脱氢酶。PQQ是PQQ依 赖型ADH的辅酶，并与PQQ依赖型ADH保持静电结合，因此该酶可以 保持在酶固定化材料中，从而导致用于生物燃料电池的增加的寿命和活性。 PQQ依赖型醇脱氢酶可以从葡糖杆菌提取。在提取PQQ依赖型ADH时， 它可以呈两种形式：(1)PQQ静电结合到PQQ依赖型ADH上或(2) PQQ并没有静电结合到PQQ依赖型ADH上。对于其中PQQ没有静电结 合到PQQ依赖型ADH上的第二种形式，PQQ在生物阳极组装时加到ADH 上。在优选的实施方案中，以静电结合PQQ的形式从葡糖杆菌属提取PQQ 依赖型ADH。
6.酶固定化材料
酶或细胞器固定化材料可以用于固定及稳定酶或细胞器。该关于固定 化材料的讨论适用于酶固定化材料以及细胞器固定化材料。在各种实施方 案中，酶固定化材料对于比酶小的化合物是可透过的，这使得期望的反应 可以被固定化酶催化。
一般地，可以用酶催化多种反应，并且酶可以被固定在既固定又稳定 酶的酶固定化材料中。至于酶的稳定化，酶固定化材料可以提供化学和机 械屏障以阻止或阻碍酶变性。为此，酶固定化材料在物理上限制酶，防止 该酶解折叠。酶由折叠的三维结构展开的过程是酶变性的一种机制。通常， 溶液中的游离酶在几小时至几天内失去其催化活性，而本发明被恰当地固 定化并稳定化的酶可以将其催化活性保持至少约7天至约730天或更长。 催化活性的保持定义为酶在连续催化化学转化的同时保持其初始活性的至 少约75％的天数。酶活性可以通过如下方式测量：化学发光、电化学、 UV-Vis、放射化学或荧光试验(其中在初始时间测量该性质的强度)。通常， 利用荧光试验测量酶活性。换句话说，本发明的稳定化酶在连续催化化学 转化的同时至少约7天至约730天保持其初始活性的至少约75％。在一些 实施方案中，该固定化并稳定化的酶至少约30、45、60、75、90、105、 120、150、180、210、240、270、300、330、365、400、450、500、550、 600、650、700、730天或更长保持其初始催化活性的至少约75％，优选至 少约5、10、15、20、25、30、45、60、75、90、105、120、150、180、 210、240、270、300、330、365、400、450、500、550、600、650、700、 730天或更长保持其初始催化活性的至少约80％、85％、90％、95％或更 多。对于本发明，如果酶在活跃催化化学转化同时能持续至少约30天至约 730天或更长保持其初始催化活性的至少约75％，则该酶是经“稳定化” 的(可用于生物燃料电池的生物阳极或生物阴极或其它需要相对长期的催 化活性的用途中)。
而且，在各种实施方案中，在固定在酶固定化材料中之后，酶保持其 在固定化之前的活性的至少约0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或 更多。
固定化的酶是物理上被局限在酶固定化材料的某个区域中并同时保持 其催化活性的酶。存在各种酶固定化方法，包括载体-结合、交联和截留。 载体-结合是酶结合到不溶于水的载体上。交联是酶通过双官能或多官能试 剂的分子之间交联。截留是将酶掺入半透性材料的栅格内。酶固定化的具 体方法并不关键重要，只要酶固定化材料能(1)固定酶和(2)稳定酶。 在各种实施方案中，酶固定化材料也可透过比该酶小的化合物。
固定化的细胞器是物理上局限在酶固定化材料的某个区域中并同时保 持其催化活性的细胞器。
就固定化材料对于比酶或细胞器小的各种化合物的通透性而言，固定 化材料允许底物、燃料流体或氧化剂化合物移动通过它，由此使得化合物 可以接触到酶或细胞器。固定化材料可以以使得它包含内部孔、通道、孔 隙或其组合的方式制备，从而允许化合物可以在整个固定化材料中运动， 但又将酶或细胞器限制在固定化材料内的基本相同空间。这种限制使得酶 或细胞器可以保持其催化活性。在各种优选的实施方案中，将酶或细胞器 限制在与酶或细胞器具有基本上相同的尺寸和形状的空间中，在其中该酶 或细胞器保持其基本上全部的催化活性。所述孔、通道、孔隙具有满足以 上要求的物理尺寸，并且该物理尺寸取决于待固定化的特定酶或细胞器的 尺寸和形状。
在一些实施方案中，酶或细胞器被截留在固定化材料的孔隙内并与接 枝到第一传导性材料如炭黑粒子的纳米线接触。在某些情况下，纳米线包 括聚合物材料、氧化物、有机金属材料或金属材料。这些材料在以上“DET” 章节讨论过，并在下面“传导性聚合物基纳米线”章节讨论。
在一个实施方案中，酶或细胞器优选位于固定化材料的孔内，并且化 合物通过输送通道进出固定化材料。孔和输送通道的相对尺寸可以使得孔 大到足以固定酶或细胞器，但输送通道对于酶或细胞器太小而不能使其通 过。此外，输送通道的直径优选至少约10nm。在另一实施方案中，孔直 径与输送通道直径之比至少约2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、 5.5∶1、6∶1、6.5∶1、7∶1、7.5∶1、8∶1、8.5∶1、9∶1、9.5∶1、10∶1或更大。在 另一实施方案中，优选输送通道的直径至少约2nm，孔直径与输送通道直 径之比至少约2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、5.5∶1、6∶1、6.5∶1、 7∶1、7.5∶1、8∶1、8.5∶1、9∶1、9.5∶1、10∶1或更大。
在某些实施方案中，固定化材料具有胶束或反胶束结构(inverted micellar structure)。一般地，构成胶束的分子是两性的，这意味着它们包 含极性亲水性基团和非极性疏水性基团。这些分子可以聚集形成胶束，其 中极性基团在聚集体的表面上，并且疏水性非极性基团隔绝在聚集体内部。 反胶束的极性基团和非极性基团取向相反。构成该聚集体的两性分子可以 以各种方式排列，只要极性基团彼此邻近并且非极性基团彼此邻近即可。 而且，这些分子可以形成非极性基团彼此对着且极性基团彼此背着的双层。 作为选择，如下双层可以形成，其中极性基团可以在双层中彼此对着而非极 性基团彼此背着。
在一个优选的实施方案中，胶束固定化材料是改性的全氟磺酸-PTFE 共聚物(或改性的全氟化离子交换聚合物)(改性的Nafion或改性的 Flemion)膜。全氟化离子交换聚合物膜可以用比铵离子(NH4+)大的疏 水阳离子改性。该疏水阳离子起到(1)规定膜的孔尺寸和(2)充当帮助 保持孔的pH水平的化学缓冲剂的双重作用，这两者都使酶稳定化。
关于该疏水阳离子的第一作用，全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化离 子交换聚合物)与疏水阳离子的混合流延产生改性的全氟磺酸-PTFE共聚 物(或改性的全氟化离子交换聚合物)(Nafion或Flemion)膜，提供 了固定化材料，其中孔尺寸取决于疏水阳离子的尺寸。因此，疏水阳离子 越大，孔尺寸越大。疏水阳离子的这种作用使得可以通过改变疏水阳离子 的尺寸而将孔尺寸做大或做小，以与特定酶或细胞器相匹配。
关于该疏水阳离子的第二作用，全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化离 子交换聚合物)膜的性质可以通过疏水阳离子与质子交换作为全氟磺酸 -PTFE共聚物膜上-SO3-基团(或全氟化离子交换聚合物上的阴离子)的反 荷离子来改变。这种反荷离子的变化对pH提供了缓冲作用，因为疏水阳 离子比质子对-SO3-位点的亲和力大得多。膜的这种缓冲作用使得孔的pH 保持基本不随溶液pH变化而变化；另一方面，孔的pH能抵抗溶液pH变 化。此外，该膜提供了机械屏障，这又保护了固定化酶或细胞器。
为制备改性的全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化离子交换聚合物)膜， 第一步骤是将全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化离子交换聚合物)，特别 是Nafion，与疏水阳离子溶液的悬浮液流延形成膜。接着提取出膜中过 量的疏水阳离子及其盐，并将膜重新流延。重新流延时，膜包含与全氟磺 酸-PTFE共聚物(或全氟化离子交换聚合物)膜的-SO3-位点结合的疏水阳 离子。移除膜中的疏水阳离子的盐得到更稳定且可复制的膜；如果它们不 移除，则过量盐可能被截留在孔中或在膜中造成空隙。
在一个实施方案中，改性的Nafion膜通过将Nafion聚合物与疏水 阳离子的盐如溴化季铵溶液的悬浮液流延制得。在提取出膜中的过量溴化 季铵或溴化氢后，将膜再流延形成脱盐膜。膜的脱盐会使季铵阳离子保持 存在于磺酸交换位点，但消除了过量盐可能被截留在孔中或可能在平衡后 的膜中造成空隙的复杂情况。脱盐后的膜的化学和物理性质在酶固定化之 前已经用伏安法、离子交换容量测量和荧光显微术表征。示例性的疏水阳 离子是铵基阳离子、季铵阳离子、烷基三甲基铵阳离子、烷基三乙基铵阳 离子、有机阳离子、鏻阳离子、三苯基鏻、吡啶鎓阳离子、咪唑鎓阳离子、 十六烷基吡啶鎓、乙锭(ethidium)、紫罗碱(viologen)、甲基紫罗碱、苄基 紫罗碱、双(三苯基膦)亚铵(iminium)、金属络合物、联吡啶基金属络合物、 菲咯林基金属络合物、[Ru(联吡啶)3]2+和[Fe(菲咯啉)3]3+。
在一个优选实施方案中，疏水阳离子是铵基阳离子。特别地，疏水阳 离子是季铵阳离子。在另一实施方案中，季铵阳离子由下式1表示：

其中R1、R2、R3和R4独立地是氢、烃基、取代的烃基或杂环，其中R1、 R2、R3和R4中至少一个不是氢。在另一实施方案中，优选R1、R2、R3和 R4独立地是氢、甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬 基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基或十四烷基，其中R1、R2、R3 和R4中至少一个不是氢。在另一实施方案中，R1、R2、R3和R4相同并且 是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基。在另一实施方案中，优选R1、 R2、R3和R4是丁基。优选地，季铵阳离子是四丙基铵(T3A)，四戊基铵 (T5A)、四己基铵(T6A)、四庚基铵(T7A)、三甲基icosyl铵(TMICA)、 三甲基辛基癸基铵(TMODA)、三甲基己基癸基铵(TMHDA)、三甲基十 四烷基铵(TMTDA)、三甲基辛基铵(TMOA)、三甲基十二烷基铵 (TMDDA)、三甲基癸基铵(TMDA)、三甲基己基铵(TMHA)、四丁基铵 (TBA)、三乙基己基铵(TEHA)及其组合。
在其它各种实施方案中，示例性胶束或反胶束固定化材料是疏水改性 多糖，这些多糖选自壳聚糖、纤维素、几丁质、淀粉、直链淀粉、藻酸盐、 糖原及其组合。在各种实施方案中，胶束或反胶束固定化材料是聚阳离子 聚合物，特别是疏水改性的壳聚糖。壳聚糖是聚[β-(1-4)-2-氨基-2-脱氧-D- 吡喃葡萄糖]。壳聚糖通常通过几丁质(聚[β-(1-4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃 葡萄糖])脱乙酰化制得。典型的商用壳聚糖约85％脱乙酰化。这些脱乙酰 化的或游离的胺基团可以进一步用烃基，特别是烷基官能化。因而，在各 种实施方案中，胶束状疏水改性的壳聚糖对应于式2结构：

其中n是整数；R10独立地是氢、烃基、取代的烃基或疏水氧化还原介体； R11独立地是氢、烃基、取代的烃基或疏水氧化还原介体。在本发明的某些 实施方案中，n是使得聚合物的分子量为约21,000-约500,000，优选约 90,000一约500,000，更优选约150,000-约350,000，更优选约225,000-约 275,000的整数。在许多实施方案中，R10独立地是氢或烷基，R11独立地 是氢或烷基。此外，R10独立地是氢或己基，R11独立地是氢或己基。或者， R10独立地是氢或辛基，R11独立地是氢或辛基。
在其它多种实施方案中，胶束状疏水改性的壳聚糖是对应于式2A的 胶束状疏水氧化还原介体改性的壳聚糖：

其中n是整数；R10a独立地是氢或疏水氧化还原介体；R11a独立地是氢或 疏水氧化还原介体。
此外，在多种实施方案中，胶束状疏水改性的壳聚糖是对应于式2B 的改性壳聚糖或氧化还原介体改性的壳聚糖：

其中R11、R12和n如式2中的定义。在某些实施方案中，R11和R12独立 地是氢或直链烷基或支链烷基，优选氢、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、 壬基、癸基、十一烷基或十二烷基。在各种实施方案中，R11和R12独立地 是氢、丁基或己基。
胶束状疏水改性的壳聚糖可以用疏水基团进行不同程度的修饰。疏水 改性的程度可以按被疏水基团改性的游离胺基团相对于未改性壳聚糖中游 离胺基团的数目的百分比确定。疏水改性程度可以根据酸碱滴定和/或核磁 共振(NMR)特别是1H NMR数据来评估。该疏水改性程度可以宽范围 变化，并且至少约1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、25、 30、32、24、26、28、40、42、44、46、48％或更高。优选地，疏水改性 程度为约10％-约45％，约10％-约35％，约20％-约35％，或约30％-约 35％。
在其它多种实施方案中，式2A的疏水氧化还原介体是锇、钌、铁、 镍、铑、铼或钴与1，10-菲咯林(phen)、2，2′-联吡啶(bpy)或2，2′，2″-三联吡 啶(terpy)、亚甲绿、亚甲蓝、聚(亚甲绿)、聚(亚甲蓝)、鲁米诺、硝基芴酮 衍生物、吖嗪类、菲咯林二酮锇、儿茶酚-侧基三联吡啶、甲苯蓝、甲酚蓝、 尼罗蓝、中性红、吩嗪衍生物、tionin、天青A、天青B、甲苯胺蓝O、苯 乙酮、金属酞菁、尼罗蓝A、改性的过渡金属配体、1，10-菲咯林-5，6-二酮、 1，10-菲咯林-5，6-二醇、[Re(phen-二酮)(CO)3Cl]、[Re(phen-二酮)3](PF6)2、 聚(金属酞菁)、聚(硫堇)、苯醌类、二亚胺类、二氨基苯类、二氨基吡啶类、 吩噻嗪、吩噁嗪、甲苯胺蓝、亮甲酚蓝、3，4-二羟基苯甲醛、聚(丙烯酸)、 聚(天青I)、聚(尼罗蓝A)、聚苯胺、聚吡啶、聚吡咯、聚噻吩、聚(噻吩并 [3，4-b]噻吩)、聚(3-己基噻吩)、聚(3，4-亚乙基二氧吡咯)、聚(异硫茚)、聚(3，4- 亚乙基二氧噻吩)、聚(二氟乙炔)、聚(4-二氰基亚甲基-4H-环戊[2，1-b；3，4-b’] 二噻吩)、聚(3-(4-氟苯基)噻吩)、聚(中性红)的过渡金属络合物(complex)， 或其组合。
优选地，疏水氧化还原介体是Ru(phen)3+2、Fe(phen)3+2、Os(phen)3+2、 Co(phen)3+2、Cr(phen)3+2、Ru(bpy)3+2、Os(bpy)3+2、Fe(bpy)3+2、Co(bpy)3+2、 Cr(bpy)3+3、Os(terpy)3+2、Ru(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、 Co(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、Cr(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己 基)-2，2′-联吡啶)+2、Fe(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、Os(bpy)2(4- 甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2或其组合。更优选地，疏水氧化还原介体是 Ru(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、Co(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己 基)-2，2′-联吡啶)+2、Cr(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、Fe(bpy)2(4- 甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2、Os(bpy)2(4-甲基-4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2 或其组合。在各种优选实施方案中，疏水氧化还原介体是Ru(bpy)2(4-甲基 -4′-(6-己基)-2，2′-联吡啶)+2。
对于具有疏水氧化还原介体作改性剂的固定化材料，疏水氧化还原介 体通常共价键合到壳聚糖或多糖主链上。通常，在壳聚糖情况下，疏水氧 化还原介体通过-N-C键共价键合到壳聚糖的一个胺官能基上。在金属络合 物氧化还原介体情况下，金属络合物通过从壳聚糖的胺基至连接到金属络 合物的一个或多个配体上的烷基的-N-C键而结合到壳聚糖上。对应于式 2C的结构是结合到壳聚糖上的金属络合物的例子：

其中n是整数，R10c独立地是氢或对应于式2D的结构，R11c独立地是氢或 对应于式1D的结构，m是0-10的整数，M是Ru、Os、Fe、Cr或Co， 杂环是联吡啶基、取代的联吡啶基、菲咯林、乙酰丙酮及其组合。
用于改性壳聚糖的疏水基团起到(1)规定固定化材料的孔尺寸和(2) 改变壳聚糖的电子环境以保持可接受的孔环境的双重作用，这两者都使酶 或细胞器稳定化。关于该疏水基团的第一作用，疏水改性的壳聚糖提供其 中孔尺寸取决于疏水基团尺寸的固定化材料。因此，带疏水基团的壳聚糖 的尺寸、形状和改性程度影响孔的尺寸和形状。疏水基团的这种作用使得 可以通过改变疏水基团的尺寸和支化而将孔尺寸做大或做小或做成不同形 状，以与特定酶或细胞器相匹配。
关于该疏水阳离子的第二作用，疏水改性的壳聚糖膜的性质可以通过 用疏水基团改性壳聚糖来改变。壳聚糖的这种疏水改性可以通过增加质子 可用交换位点的数目来影响孔环境。除了影响材料的pH以外，壳聚糖的 疏水改性也提供了作为机械屏障的膜，这又保护了固定化酶。
表5示出了疏水改性的壳聚糖膜的质子可用交换位点数。
表5：每克壳聚糖聚合物的质子可用交换位点数
  膜   每克的交换位点(x10-4mol SO3/g)   壳聚糖   10.5±0.8   丁基改性的   226±21   己基改性的   167±45   辛基改性的   529±127   癸基改性的   483±110
此外，这种聚阳离子聚合物能够固定酶或细胞器，并相对于相同酶或 细胞器在缓冲溶液中的活性，增加固定在其中的酶的活性。在各种实施方 案中，聚阳离子聚合物是疏水改性多糖，特别是疏水改性壳聚糖。例如对 于所提及的疏水改性，测量了葡萄糖氧化酶的酶活性。观察到葡萄糖氧化 酶在悬浮于叔戊醇中的己基改性壳聚糖中具有最高酶活性。对于葡萄糖氧 化酶，与酶在缓冲液中相比，这些固定化膜表现出2.53倍酶活性增加。表6 详细列出了一系列疏水改性壳聚糖的葡萄糖氧化酶活性。
表6：改性壳聚糖的葡萄糖氧化酶活性
                    酶活性
膜/溶剂             (单位/gm)
缓冲液              103.61±3.15
未改性壳聚糖        214.86±10.23
己基壳聚糖
氯仿                248.05±12.62
叔戊醇              263.05±7.54
50％乙酸            118.98±6.28
癸基壳聚糖
氯仿                237.05±12.31
叔戊醇              238.05±10.02
50％乙酸            3.26±2.82
辛基壳聚糖
氯仿          232.93±7.22
叔戊醇        245.75±9.77
50％乙酸      127.55±11.98
丁基壳聚糖
氯仿          219.15±9.58
叔戊醇        217.10±6.55
50％乙酸      127.65±3.02
为制备本发明具有烷基作为改性剂的疏水改性壳聚糖，将壳聚糖凝胶 悬浮在乙酸中，接着加入醇溶剂。向该壳聚糖凝胶中加入醛(例如丁醛、 己醛、辛醛或癸醛)，接着加入氰基硼氢化钠。通过真空过滤分离所得产 物，并用醇溶剂洗涤。接着将改性壳聚糖在真空炉中于40℃干燥，并得到 层状白色固体。
为制备本发明具有氧化还原介体作为改性剂的疏水改性壳聚糖，通过 将4，4′-二甲基-2，2′-联吡啶与二异丙基胺锂接触，接着加入二卤代烷烃以生 成4-甲基-4′-(6-卤代烷基)-2，2′-联吡啶，衍生化氧化还原介体配体。接着使 该配体与Ru(联吡啶)2Cl2水合物在无机碱存在下接触并在水-醇混合物 中回流，直至耗尽Ru(联吡啶)2Cl2。接着用六氟磷酸铵，或任选高氯酸钠 盐或钾盐沉淀产物，随后重结晶。接着将衍生的氧化还原介体(Ru(联吡 啶)2(4-甲基-4′-(6-溴己基)-2，2′-联吡啶)+2)与脱乙酰化壳聚糖接触并加热。 接着使氧化还原介体改性的壳聚糖沉淀并重结晶。
疏水改性壳聚糖膜有利地在乙醇中不溶。例如，上述壳聚糖酶固定化 材料一般具有在有高达约99wt.％或99体积％乙醇的溶液中固定并稳定 酶的功用。在多种实施方案中，壳聚糖酶固定化材料在具有15、20、25、 30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95wt.％或体积 ％或更多乙醇的溶液中有功能。
在其它实施方案中，胶束或反胶束固定化材料是聚阴离子聚合物，例 如疏水改性多糖，特别是疏水改性藻酸盐。藻酸盐是包含β-(1-4)-连接的 D-甘露糖醛酸和α-(1-4)-连接的L-古洛糖醛酸残基的线性不分支聚合物。
β-(1-4)-连接的D-甘露糖醛酸的未质子化形式对应于式3A结构：

α-(1-4)-连接的L-古洛糖醛酸残基的未质子化形式对应于式3B结构：

藻酸盐是由甘露糖醛酸残基的聚合物嵌段和古洛糖醛酸残基的聚合物 嵌段组成的杂(heterogeneous)聚合物。
藻酸盐聚合物可以用各种方式改性。一种类型是用大于铵离子(NH4+) 的疏水阳离子改性的藻酸盐。该疏水阳离子起到(1)规定聚合物的孔尺寸 和(2)充当帮助保持孔的pH水平的化学缓冲剂的双重作用，这两者都使 酶或细胞器稳定化。关于该疏水阳离子的第一作用，用疏水阳离子改性藻 酸盐得到其中孔尺寸取决于疏水阳离子尺寸的固定化材料。因此，具有疏 水阳离子的藻酸盐的尺寸、形状和改性程度影响孔的尺寸和形状。疏水阳 离子的这种作用使得可以通过改变疏水阳离子的尺寸和支化而将孔尺寸做 大或做小或做成不同形状，以与特定酶或细胞器相匹配。
关于该疏水阳离子的第二作用，藻酸盐聚合物的性质可以通过疏水阳 离子交换为质子作为藻酸盐上-CO2-基团的反荷离子来改变。这种反荷离子 的变化对pH提供了缓冲作用，因为疏水阳离子比质子对-CO2-位点的亲和 力大得多。藻酸盐膜的这种缓冲作用使得孔的pH保持基本不随溶液pH 变化而变化；另一方面，孔的pH抵抗溶液pH的变化。此外，该藻酸盐 膜提供了机械屏障，这又保护了固定化的酶或细胞器。
为制备改性的藻酸盐膜，第一步骤是将藻酸盐聚合物与疏水阳离子溶 液的悬浮液流延形成膜。接着从膜中抽提出过量的疏水阳离子及其盐，并 将膜再流延。再流延时，膜包含与藻酸盐膜的-CO2-位点结合的疏水阳离子。 移除膜中的疏水阳离子的盐得到更稳定且可复制的膜；如果它们不被移除， 则过量盐可能被截留在孔中或在膜中造成空隙。
在一个实施方案中，改性的藻酸盐膜通过将藻酸盐聚合物与疏水阳离 子盐如溴化季铵溶液的悬浮液流延制得。在移除膜中的过量溴化季铵或溴 化氢后，将膜再流延形成脱盐膜。膜的脱盐会使季铵阳离子保持存在于羧 酸交换位点，但消除了过量盐可能截留在孔中或可能在平衡后的膜中造成 空隙的复杂情况。示例性的疏水阳离子是铵基阳离子、季铵阳离子、烷基 三甲基铵阳离子、烷基三乙基铵阳离子、有机阳离子、鏻阳离子、三苯基 鏻、吡啶鏻阳离子、咪唑鏻阳离子、十六烷基吡啶鏻、乙锭、紫罗碱、甲 基紫罗碱、苄基紫罗碱、双(三苯基膦)亚铵、金属络合物、联吡啶基金属 络合物、菲咯林基金属络合物、[Ru(联吡啶)3]2+和[Fe(菲咯林)3]3+。
在一个优选实施方案中，疏水阳离子是铵基阳离子。特别地，疏水阳 离子是季铵阳离子。在另一实施方案中，季铵阳离子由下式4表示：

其中R1、R2、R3和R4独立地是氢、烃基、取代的烃基或杂环，其中R1、 R2、R3和R4中至少一个不是氢。在另一实施方案中，优选R1、R2、R3和 R4独立地是氢、甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬 基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基或十四烷基，其中R1、R2、R3 和R4中至少一个不是氢。在另一实施方案中，R1、R2、R3和R4相同并且 是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基。在另一实施方案中，优选R1、 R2、R3和R4是丁基。优选地，季铵阳离子是四丙基铵(T3A)，四戊基铵 (T5A)、四己基铵(T6A)、四庚基铵(T7A)、三甲基icosyl铵(TMICA)、 三甲基辛基癸基铵(TMODA)、三甲基己基癸基铵(TMHDA)、三甲基十 四烷基铵(TMTDA)、三甲基辛基铵(TMOA)、三甲基十二烷基铵 (TMDDA)、三甲基癸基铵(TMDA)、三甲基己基铵(TMHA)、四丁基铵 (TBA)、三乙基己基铵(TEHA)及其组合。
已研究孔的特性，并且该膜的孔结构对于酶固定化是理想的，因为这 些孔疏水，结构上是胶束，能缓冲外部pH变化，并且具有高的孔间互连 性。
在另一实验中，将超低分子量的藻酸盐和十二烷基胺置于25％乙醇中， 并回流，通过羧酸基团酰胺化生成十二烷基改性的藻酸盐。各种烷基胺可 以替代十二烷基胺而生成具有连接到藻酸盐结构的不同数量反应性羧酸基 团上的C4-C16烷基的烷基改性藻酸盐。在各种实施方案中，至少约1、2、 4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、 38、40、42、44、46、48％或更多羧酸基团与烷基胺反应。
疏水改性藻酸盐膜在乙醇中具有有利的不溶性。例如，上述藻酸盐酶 固定化材料一般在具有至少约25wt.％或25体积％乙醇的溶液中有酶固 定化并稳定化的功用。在多种实施方案中，藻酸盐酶固定化材料在具有25、 30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90wt.％或体积％或 更多乙醇的溶液中有功用。
为评价对于特定酶或细胞器最有利的固定化材料，可以将所选定的酶 或细胞器固定在各种固定化材料中，沉积在电子导体上，并用在缓冲溶液 中含有用于该特定酶的电子介体(如NAD+)和/或底物的溶液处理。得到 荧光显微照片，当固定化之后固定在特定固定化材料中的酶或细胞器仍是 具有催化活性的酶时，该照片显示出荧光。这是确定特定固定化材料是否 能将酶或细胞器固定化并稳定化且同时保持酶或细胞器的催化活性的一种 方式。例如，对于消耗淀粉的淀粉酶，提供最大相对活性的酶固定化材料 可以通过将酶固定在悬浮于叔戊醇的丁基壳聚糖中来提供。对于消耗麦芽 糖的淀粉酶，最大相对活性可以通过将酶固定在中等分子量癸基改性的壳 聚糖中来提供。
阴极组件
如图10-12所示，位于汇流腔15的前侧21的前侧阴极组件51按照类 似于前侧阳极组件45的方式构造。即，组件51包括类似的框体(一般标 记为201)和多个阴极(各阴极一般都标记为207)，该框体包括一对匹配 的具有多个开口205的框构件201A和201B，各阴极通过框体201保持在 框体开口205中，并且每个框体开口一个阴极。
在一些实施方案中，每个阴极207包括集电体211。在一个实施方案 中，集电体211包括厚约0.018英寸的镀金不锈钢丝网片。合适的电引线 213(例如28号导体)固定到集电体211上。阴极207还包括在集电体211 背面上的层状催化剂结构体(一般标记为225)。该层状催化剂结构体包 括气体扩散层、催化剂层和聚电解质膜(Nafion)。在一些例子中，阴 极气体扩散层包括干组分：Monarch 1400炭黑(Cabot)和Chemsorb 1505 G5多孔浸渍蒸汽活化的碳(C＊Chem)，以及湿组分：溶解在丙酮中的Quick Set 2-part环氧树脂(The Original Super Glue Corp.)和在水中的60％聚四 氟乙烯(PTFE)分散体(Sigma)。将干组分在食品研磨机中磨碎，并用超声均 质机混合湿组分，接着合并干湿组分并用油灰刀将其混合，直至混合物具 有牙膏的稠度。在其它一些实施方案中，气体扩散层和催化剂层不一定是 不同的层，而是可以合并在一起。在组装时，该层状催化剂结构体被固定 到集电体211的背面上。在一个具体的实施方案中，通过将包含铂黑催化 剂和Nafion离聚物的墨水施加到气体扩散层(例如，作为在每一侧具有 微孔层的LT2500W Low Temperature Elat的E-Tek)的一侧来制备层状 催化剂结构体。一旦包括催化剂的墨水干燥之后，就如下组装层状催化剂 结构体：将气体扩散层置于集电体顶部，使铂黑催化剂侧向上，然后将聚 电解质膜(例如Nafion)置于气体扩散层和催化剂层的顶上。将该组件 用水浸泡然后通过热压固定在一起，得到独立(stand-alone)的阴极配件 (fixture)。聚电解质膜(例如Nafion离聚物)对燃料流体是不可透过的， 但是可以传导电子和质子。
每个阴极201的尺寸略大于对应的框体开口205，使得阴极的侧边边 缘部延伸超出框体开口的相应侧用于重叠框构件201A和201B的部分。阴 极201通过设置在前框构件201A与阴极201的集电体211之间的粘结剂 前层275和设置在后框构件201B与阴极201的层状催化剂结构体225之 间的粘结剂后层277而固定到框构件上。粘结剂前层275和后层277包括 例如厚约0.0005英寸的聚氨酯热熔性粘结剂膜。粘结剂前层275和后层277 经构造而具有分别与前框构件201A和后框构件201B的尺寸和形状相对应 的尺寸和形状。当向该组件(如通过热压过程)施加热时，该粘结剂熔化 以将这两个框构件201A和201B、集电体211和催化剂结构体225固定在 彼此相对而言固定的位置上，从而形成整体的前侧阴极结构。
在具有如图52所示自承式生物阴极催化剂载体的其它实施方案中，每 个阴极207包括埋置在阴极内的集电体525。在一个实施方案中，该集电 体具有近端和远端，并沿着纵向轴延伸。与集电体525接触的传导性单层 527从集电体的近端向远端同轴延伸。合适的电引线213接到集电体525 上。在其它实施方案中，自承式生物阴极催化剂载体不包括埋置的集电体 525。传导性单层527是第一电传导性材料、第二电传导性材料和粘合剂的 混合物，并且可以按下面在“自承式生物阴极催化剂载体制备”部分所描 述的制造。传导性单层527的一侧作为生物阴极的疏水性空气呼吸部分。 接着通过下面在“传导性聚合物基纳米线”部分所述的方法向单层527的 相对侧施加含酶的催化剂层(未示出)。这样所得到的生物阴极在集电体 525的一面包括疏水性空气呼吸侧，在集电体525的背面包括含酶侧。作 为选择，可以向用于形成单层527的混合物中加入含酶的催化剂粒子(如 下面在“将包封的酶混入碳糊中”部分所述)，从而在传导性单层内提供 酶。
每个阴极201的尺寸略大于对应的框体开口205，使得阴极的侧边边 缘部延伸超出框体开口的相应侧用于重叠框构件201A和201B的部分。阴 极201通过设置在前框构件201A与阴极201的单层527之一侧之间的粘 结剂前层275和设置在后框构件201B与阴极201的单层527之对侧之间 的粘结剂后层277而固定到框构件上。粘结剂前层275和后层277包括例 如厚约0.0005英寸的聚氨酯热熔性粘结剂膜。粘结剂前层275和后层277 经构造而具有分别与前框构件201A和后框构件201B的尺寸和形状相对应 的尺寸和形状。当向该组件(如通过热压过程)施加热时，该粘结剂熔化 以将这两个框构件201A和201B、集电体525和单层527固定在彼此相对 而言固定的位置上，从而形成整体的前侧阴极结构。
前侧阴极组件51被固定在相对于前侧阳极组件45和汇流腔15而言固 定的位置上，使得阳极157和阴极207彼此大体对齐，并与位于燃料汇流 腔的前侧21的相应燃料储池41大体对齐。在一个实施方案中，前侧阴极 框体201通过粘结剂或其它合适的机械手段固定到前侧阳极框体151上。 在前侧阴极框体201和前侧阳极框体151之间提供密封(未示出)以便将 每个阳极/阴极组与相邻的每一个阳极/阴极组隔开。可以用多种不同方式形 成该密封，例如通过利用阴极框体201背面和阳极框体151前面之间的合 适粘结剂层，或通过一个或多个密封构件(例如密封垫)，或通过其它方 式。
位于汇流腔15的后侧23的后侧阴极组件53按照与前侧阴极组件51 基本相同的方式构造，并且相应的部件用相同的标号标记。后侧阴极组件 53的框体201靠着后侧阳极组件47，后侧阴极201和后侧阳极157彼此配 准，并与位于汇流腔15的后侧23的相应燃料储池41配准。按以上针对前 侧阴极组件51描述的相同方式，将后侧阴极组件53固定在相对于汇流腔 15和后侧阳极组件47固定的位置上。
优选地，汇流腔15、前侧阳极组件45、后侧阳极组件47、前侧阴极 组件51、后侧阴极组件53具有基本相同的轮廓尺寸和形状，这使得它们 可以被叠置或堆叠形成紧凑的整体结构(如图6所示)置于壳体91中。 该结构的尺寸取决于“堆叠”在一起的燃料电池的数目而改变。(每个燃 料电池包括燃料储池41、阳极157和阴极201)。作为例子，具有图1-6 所示的一叠8个电池的燃料电池设备1可以具有如下尺寸：3.5英寸×2.0 英寸×1.0英寸(约8.9cm×5.1cm×2.54cm)。在本发明的设计中，可以 将任何数量的燃料电池容易地堆叠在一起形成一个紧凑单元。
应注意当上面描述的各部件被组装时，暴露于相应框体开口155、205 中的阳极157和阴极201被置于相应燃料储池41顶部的室或空间131的下 方，从而使得截留在这些空间中的任何气泡不会与相应阳极和阴极接触。 这种构造在图5中最好地示出，其中对齐的阳极和阴极框体开口155、201 的顶部边缘的高度由线291指出。该高度291低于室131，或者至少低于 室131的顶部，从而使得燃料储池41中的任何气泡可以上浮到与相应电极 结构不相接触的位置。
阴极
本发明的阴极和生物阴极通常包括催化剂、电子导体(气体扩散层)、 和任选的集电体。本发明的阴极和生物阴极包括如下催化剂：该催化剂选 择性地还原空气中的氧、能够与阴极电子导体进行直接电子转移、并能够 最小地催化(即使有的话)用于燃料电池中的醇燃料流体氧化。当用酶作为 这种催化剂时，阴极还包括酶固定化材料。阴极也包括如下电子导体(气 体扩散层)：其对空气和燃料流体是可透过的、能促进与催化剂的直接电 子转移、且控制氧气还原反应中产生的水从而最小化或防止阴极淹水 (flooding)。在各优选实施方案中，催化剂能够从电子导体直接获得电子并 将电子释放给氧化剂(氧气)。在其他实施方案中，该阴极或生物阴极还 包括电子介体，其介导电子从电子导体到催化剂的转移。在其他各种实施 方案中，该阴极或生物阴极还包括电子介体和用于该电子介体的电催化剂， 其中电子介体和电催化剂促进电子从电子导体到催化剂、并进一步到氧化 剂(氧气)的转移。
空气自呼吸式阴极
在本发明的多个方面中涉及一种如图22所示的电极。该电极包括空气 可透过但燃料流体不能透过的电传导性材料的第一区域、燃料流体和空气 均可透过的传导性材料的第二区域和能够接触燃料流体和空气的催化剂。 图22中所示电极是空气自呼吸式半电池的工作电极(WE)。该工作电极 (WE)包括标记为第一区域、第二区域和催化剂的区域或层。该半电池 还包括置于工作电极附近的参比电极(RE)和优选为贵金属网或碳片的对 电极(CE)。包括这种电极(WE)的空气自呼吸式半电池在室温、0.4V 的电子电势、和10mg/cm2的催化剂载量下运行时，产生至少约16、17、 18、19、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、 80mA/cm2或更高的电流密度。当本发明的空气自呼吸式阴极被引入燃料 电池时，已发现它在室温、0.4V的电子电势、和10mg/cm2的催化剂载量 下运行时可以提供与包括已知的空气自呼吸式非铂阴极的同样燃料电池相 比更高的电流密度。
在本发明的多个方面中另外涉及一种包括电子导体、至少一种非贵金 属催化剂和任选的碳负载聚胺(polyamine)的电极。在许多优选实施方案 中，该电极经过了热处理从而增强金属原子与聚胺的相互作用，且非贵金 属催化剂选择性地将氧气还原为水。此外，包括该电极的空气自呼吸式半 电池在室温、0.4V的电子电势、和10mg/cm2的催化剂载量下运行时，产 生至少约16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50、55、 60、65、70、75、80或更高mA/cm2。
在其他实施方案中，该电极包括电子导体、能够与氧化剂反应产生水 的酶、酶固定化材料和任选的电子介体和/或用于该电子介体的电催化剂。 酶固定化材料能够固定酶并使酶稳定。电子导体可以包括官能化多壁碳纳 米管或基于活化碳的材料，用于提供与具有非官能化或非活化的相同电子 导体的电极相比增加的电流密度。
如下面所详细讨论的，其中存在从电子导体到催化剂的直接电子转移 的阴极和生物阴极实施方案是优选的，但是包括电子介体或电子介体和电 催化剂的酶催化生物阴极的实施方案也在本发明的范围内。
如上所述在空气自呼吸式半电池中进行测试时，本发明的阴极和生物 阴极的多个实施方案在室温、0.4V的电子电势、和10mg/cm2的催化剂载 量下运行时，产生至少约16、17、18、19、20、25、30、35、40、 45、50、55、60、65、70、75、80mA/cm2或更高的电流密度。
阴极催化剂
阴极催化剂通常可以是酶或非贵金属催化剂。优选地，催化剂选择性 对氧化剂(氧气)进行还原。这种选择性是优选的，原因是：这样的阴极 催化剂不会发生反应而氧化燃料流体，从而维持燃料的高利用率和高的阴 极电势。此外，阳极和阴极不必用聚合物电解质膜分隔开，从而提高燃料 电池的成本和功效。
当酶被用作催化剂时，它必须能够在生物阴极处还原氧气。一般地， 可以使用天然酶、人造酶、人工酶和修饰的天然酶。此外，可以使用已经 通过自然进化或定向进化而工程化的工程酶。换句话说，在本发明的实施 方案中可以使用模拟酶性质的有机或无机分子。在本发明的多个优选实施 方案中，该酶是胆红素氧化酶、漆酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、或 它们的组合。优选地，该酶包括胆红素氧化酶。
在其他实施方案中，阴极催化剂是非贵金属催化剂。优选地，非贵金 属催化剂选择性地还原氧气而不与燃料流体发生反应。非贵金属催化剂的 另一个优选特征是它对燃料流体的存在基本上是有耐受力的。当催化剂对 燃料流体基本上有耐受力时，随着与该催化剂接触的燃料流体的浓度增大， 催化剂活性基本上不会降低。换句话说，使用含醇的电解质溶液时，包括 该催化剂的半电池产生的电流密度基本上不低于(即，至少达到大约75％) 使用含5％醇的电解质溶液时同样的半电池所产生的最大电流密度。例如， 当燃料流体是醇时，半电池中使用含30wt％醇的电解质溶液时的电流密度 是使用含5wt％的醇的电解质溶液时所产生的最大电流密度的至少大约75 ％。特别地，催化剂对甲醇和乙醇的存在有耐受力。
为了增大含有非贵金属催化剂的阴极的电流密度，催化剂可以在约 500-900℃下进行热处理。非贵金属催化剂可以是过渡金属、过渡金属大 环化合物、或它们的组合。当催化剂是过渡金属大环化合物时，它可以是 过渡金属酞菁、过渡金属卟啉、其衍生物或类似物、或它们的组合。过渡 金属大环化合物的例子是酞菁铁、酞菁钴、卟啉铁、卟啉钴、其衍生物或 类似物或它们的组合。优选的过渡金属大环化合物包括1，2，3，4，8，9， 10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)、或其衍生物或类 似物。
非贵金属催化剂优选地与聚胺相互作用或结合。特别优选的实施方案 中，聚胺是碳负载胺。聚胺可以是聚苯胺、聚吡咯、其衍生物或类似物、 或它们的组合。在不同的优选实施方案中，聚胺包括聚吡咯、或其衍生物 或类似物。
为了增强非贵金属催化剂与聚胺之间的相互作用或结合，执行一个热 处理步骤以便破坏非贵金属催化剂内部及聚胺内部的相互作用并造成非贵 金属催化剂与聚胺之间的相互作用(或键)。该热处理步骤优选在惰性气 氛下进行。在热处理步骤期间，非贵金属催化剂，特别是金属大环催化剂， 在与聚胺或碳负载聚胺接触的情况下被加热到约500℃至约900℃，优选约 550℃至约650℃，更优选约590℃至约610℃。该加热步骤持续时间一般 约0.5小时至约6小时，优选约0.5小时至约3小时，更优选约1小时。
如下面所详细讨论的，可以控制这些电极的电子导体的疏水性从而控 制在氧气还原期间产生的水。为此，可以添加亲水试剂，诸如磷钨酸、聚 (4-苯乙烯磺酸)或其组合来降低电子导体的疏水性。
下面的表7示出了用于制备含有非贵金属催化剂与聚胺的电极的可接 受的材料和工艺条件，以及当这些电极被引入到上述半电池中时观察到的 性能特征。每一个材料、工艺条件、或性能特征都可以与下面描述的电子 导体材料组合，并可以与描述的每一个其他材料、工艺条件、或性能特征 组合。
表7

电子导体(气体扩散层)
一般地，电子导体是传导电子的物质。电子导体可以是有机或无机的， 只要它能够通过该材料传导电子。在本发明的多个实施方案中，电子导体 优选地是碳基材料。示例性碳基材料是碳布(E-Tek)、碳纸、碳丝网印 刷电极、碳纸(Toray)、碳纸(ELAT)、炭黑(Vulcan XC-72，Cabot)、炭黑、 碳粉、碳纤维、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管 阵列、金刚石涂覆导体、玻璃碳、中孔碳、石墨、未经压缩的石墨蠕虫、 拆层的纯化片状石墨(Superior石墨)、高性能石墨和碳粉(Formula BTTM， Superior石墨)、高序热解石墨、热解石墨、多晶石墨及其组合。
多种不同类型的碳基电子导体可以为特定的用途提供最佳性能。例如， 具有多孔碳结构且孔隙率随在电子导体层中的位置不同而变化的电子导体 对于使用液体电解质或燃料流体的燃料电池有用。此外，对于生物阴极， 官能化多壁碳纳米管和活化碳电子导体有利于从电子导体到生物阴极中的 酶的直接电子转移。
在其他一些实施方案中，使用如下的电子导体(气体扩散层)：其在 电子导体的一个区域中的孔要大于在电子导体的另一个区域中的孔。例如， 图23示出了具有不对称孔分布的电子导体。控制孔尺寸，使得电子导体的 第一区域可透过空气但不能透过燃料流体(图23中浅色部分)，而电子导 体的第二区域则可透过燃料流体和空气(图23中深色部分)。在燃料电池 和生物燃料电池的特定实施方案中，当一种物质的大部分(即，至少约50 体积％、55体积％、60体积％、65体积％、70体积％、75体积％、 80体积％、85体积％或更多)经过一段特定时间能够渗透通过电子导体 时，则电子导体是该物质(例如，空气或燃料流体)基本可透过(或可渗 透)的。例如，当至少大约50体积％的燃料流体在约3小时内通过电子导 体时，则电子导体是燃料流体基本可透过的。
这种类型的电子导体对于使用液体电解质而非固体电解质的燃料电池 特别有用。通常，此类电子导体包括炭黑。但是，作为可接受的替代品也 可使用具有如下性质的导电碳材料：高表面积、就对空气可透过和/或空气 和燃料流体均可透过而言的可接受的孔隙率、和合适的疏水性。可以控制 疏水性来控制从氧气还原生成的水。可以通过向电子导体中加入增加量的 聚四氟乙烯来增大疏水性。因此，向电子导体中添加的聚四氟乙烯越多， 则电子导体的疏水性越大。此外，可以通过添加较少量的聚四氟乙烯或通 过添加诸如磷钨酸或聚(4-苯乙烯磺酸)之类的亲水试剂来降低疏水性。
可以通过添加成孔剂来制备具有孔隙率梯度的电子导体。可接受的成 孔剂扩散进入电子导体(例如碳层)中，并可以随后容易地从电子导体中 除去。示例性的成孔剂是碳酸铵。
在其它多个实施方案中，电子导体包括官能化多壁碳纳米管 (MWCNT)。这些官能化MWCNT在纳米管表面上被羟基、羧基、氨 基、或疏基、或它们的组合所修饰。在多个优选的实施方案中，官能化 MWCNT被羟基或羧基或其组合所修饰。官能化MWCNT具有小于约15 nm的平均直径。优选地，官能化MWCNT具有小于约8nm的平均直径。 这些官能化MWCNT在以酶作为催化剂且希望在电子导体和酶之间建立 直接电子转移的生物阴极中是特别优选的。
其它电子导体包括活化碳。如下所述，许多种碳材料可以被活化。优 选地，被活化的炭黑是可从Degussa得到的以Printex XE-2商品名销售的 炭黑，其具有高度结构化的，特别导电的炭黑，且平均粒子尺寸为30nm， BET表面积约为910m2/g。碳材料通过加热至600-900℃然后浸入冷水中 而被活化。不受限于具体的理论，据信加热之后快速冷却可以破坏碳片并 形成具有高表面积、可能类似于纳米管的结构。
不受限于具体的理论，据信官能化MWCNT和活化碳在用于酶催化的 生物阴极中时具有如下功能：(1)通过氢键与酶的氰基酸侧链相互作用； (2)将酶定向使得生物阴极的活性侧向着酶；和(3)在生物阴极中提供 有利取向的酶的电子隧道。
用于空气自呼吸式阴极的材料的制备
可以使用下面的通用过程制备上述各种电子导体、催化剂、和阴极。
具有梯度孔径大小的电子导体
为了制备具有希望的孔隙率梯度的电子导体，先制备具有希望的表面 积、孔隙率和疏水性的电子导体。一般地，通过将一片碳基载体材料浸在 含有希望的电子导体材料(例如炭黑)、非离子性表面活性剂和疏水剂(例 如聚四氟乙烯PTFE)的电泳沉积浴中来制备电子导体。在现有技术已知 的标准条件下使用对电极进行电泳沉积。电泳沉积之后，用水冲洗电子导 体并干燥。制备希望的电子导体材料(例如炭黑)、疏水剂(例如PTFE) 和溶剂的涂料面团样物(dough)，并将其涂覆到通过电泳沉积制备的电 子导体的两侧。涂料面团样物中的溶剂被蒸发，形成涂层膜。涂层膜被热 压然后烧结。通过将成孔剂刷到电子导体的一侧，然后使成孔剂扩散进入 电子导体中再热分解成孔剂形成孔洞，可以控制孔的分布。
具体地，图2所示电子导体通过将一片碳布(18cm2，E-Tek，B1A)浸 到电泳沉积浴中来制备，所述电泳沉积浴含有0.60g炭黑(XE2，Degussa) 的20mL溶液、0.60mLTriton X-100、0.67g 60％聚四氟乙烯(PTFE) 分散体(Aldrich)和100mL milliQ水。使用碳纸作为对电极，使碳纸与碳 布间距为3mm，在40V下进行20分钟电泳沉积。一旦完成电泳沉积， 用水冲洗碳布以便除去Triton X-100，并在100℃真空炉中干燥1小时。制 备0.40g炭黑(Degussa，XE2)、0.33g 60％PTFE分散体(Aldrich)和8mL 乙醇的面团样物。然后将面团样物涂覆到如上所述通过电泳沉积制备的碳 布的两侧。在室温下蒸发涂层膜中的溶剂30分钟。然后在500磅压力和 95℃下热压该膜，之后在380℃烧结30分钟。涂层膜中的PTFE含量为约 33wt％。此外，通过将2mL成孔剂(碳酸铵在异丙醇中的1.0wt％溶液) 刷到碳布的一侧来控制涂层膜中孔的分布。成孔剂迁移进入涂层膜并导致 梯度的形成。在90℃下热分解成孔剂，然后在120℃、28英寸汞柱压力下 真空炉中清洁碳布。
热处理过的和未热处理过的非贵金属催化剂
诸如钴大环化合物(例如酞菁钴(CoPc)和1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18， 22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)(CoPcF))的非贵金属催化剂可 以通过将该非贵金属催化剂(例如CoPc或CoPcF)分散到溶剂中并将分 散体置于超声波浴中来进行制备。然后蒸发溶剂，并将干燥的粉末置于坩 锅中在500-900℃温度下于惰性气氛中进行热处理。所得到的催化剂与 Nafion溶液混合，并利用超声波浴在溶剂中分散。将该混合物缓慢涂覆到 电子导体(气体扩散层)的活性侧并干燥。在某些情况下，将亲水试剂(例 如磷钨酸)添加到非贵金属催化剂与Nafion溶液的混合物中，并利用超声 波浴分散，然后再涂覆到电子导体上。当使用未经热处理的非贵金属催化 剂时，将非贵金属催化剂(例如CoPc或CoPcF)与Nafion溶液分散到溶 剂中，然后将该溶液缓慢涂覆到电子导体的活性侧并干燥。
热处理过的和未热处理过的非贵金属催化剂与聚胺
诸如钴大环化合物(例如酞菁钴(CoPc)和1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18， 22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)(CoPcF))的非贵金属催化剂可 以通过将该非贵金属催化剂(例如CoPc或CoPcF)和聚胺(例如聚吡咯) 分散到溶剂中并将分散体置于超声波浴中来进行制备。然后蒸发溶剂，并 将干燥的粉末置于坩锅中在500-900℃温度下于惰性气氛中进行热处理。 所得到的催化剂与Nafion溶液混合，并利用超声波浴分散到溶剂中。将该 混合物缓慢涂覆到电子导体(气体扩散层)的活性侧并干燥。在某些情况 下，将亲水试剂(例如磷钨酸)添加到CoPc或CoPcF与Nafion溶液的 混合物中，并利用超声波浴分散，然后再涂覆到电子导体上。当使用未经 热处理的非贵金属催化剂与聚胺时，将非贵金属催化剂(例如CoPc或 CoPcF)、聚胺和Nafion溶液分散到溶剂中，然后将该溶液缓慢涂覆到电 子导体的活性侧并干燥。
碳上的热处理过的非贵金属催化剂
诸如钴大环化合物(例如酞菁钴(CoPc)和1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18， 22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II)(CoPcF))的非贵金属催化剂可 以通过于超声波浴中将该非贵金属催化剂(例如CoPc或CoPcF)和碳材 料(例如炭黑)分散到溶剂中然后蒸发溶剂来进行制备。将干燥的粉末置 于坩锅中在500-900℃温度下于惰性气氛中进行热处理。再将粉末与 Nafion溶液混合，并利用超声波浴分散到溶剂中，然后将该混合物缓慢涂 覆到电子导体(气体扩散层)的活性侧并干燥。
酶层的制备
利用超声波浴将碳材料分散到溶剂中得到碳悬液。将缓冲溶液中的酶 (例如BOD或漆酶)溶液添加到碳悬液中然后振荡。将该混合物缓慢涂覆 到电子导体(气体扩散层)的活性侧并干燥。
自承式生物阴极催化剂载体
本文所述的生物阴极催化剂载体的设计提供了结构设计、材料选择的 灵活性，并能够创建具有合适的疏水性/亲水性的多层结构用于支持生物阴 极催化剂例如酶。生物阴极催化剂载体的示意图示于图52中。如上所述， 生物阴极催化剂载体包括用于收集电流和增强生物阴极催化剂载体刚性的 埋置的多孔金属丝网材料525和围绕集电体525的传导性单层527。集电 体525是生物阴极催化剂载体的任选部件；如果不包括该部件，则通过电 连接从生物阴极催化剂载体的传导性单层527收集电流。
不管生物阴极催化剂载体中是否存在埋置的多孔金属丝网材料，最佳 的生物阴极电极允许在电极的空气呼吸和氧化剂反应物侧进行水控制(即， 如果有过量的水则排斥水)，从而防止生成的过量水阻塞氧气到电极的运 输。这一般是通过赋予传导性单层表面或传导性单层的整体结构疏水性来 实现的。在与电极的空气呼吸或氧化剂反应物侧相对的电极表面上，一个 具有轻微亲水性的高表面积微孔层与传导性单层的外表面相邻，用来增强 酶-电极相互作用。这可以通过具有实施例27中描述的电极结构的生物燃 料电池来实现。如图52所示及在这个实施例中，用于酶的微孔层(未示出) 在负责水控制和反应物传质的传导性单层527的表面上形成。在某些实施 方案中，用电子介体对第一电传导性材料进行修饰以便增强电子和离子传 导性和改善DET，例如用掺杂的传导性聚合物对炭黑进行修饰。
在多个优选实施方案中，一种或多种炭黑的第一电传导性层与一种或 多种碳纤维的第二电传导性层以及一种或多种粘合剂混合来形成传导性单 层。混合物中炭黑以约30wt％至约45wt％的浓度存在，混合物中碳纤维 的浓度在约20wt％至约40wt％之间，混合物中粘合剂的浓度在约25wt ％至约40wt％之间。在多个优选实施方案中，混合物中炭黑的含量为约 33wt％，混合物中碳纤维的含量为约33wt％，混合物中粘合剂的含量为 约33wt％。
自承式生物阴极催化剂载体制备
类似于生物阳极，用于生物阴极电极的催化剂载体层由碳材料、粘合 剂、成孔剂、溶剂和任选的催化剂(如酶)的混合物制得。通过改变这些 组分的比率，可以改变该整个结构的性质以提供特定应用所期望的性质； 或者可以利用这些组分的组合来制造具有两个或更多个不同区域用于水控 制和酶相互作用的电极。此类性质的例子包括：(1)底物透过性，(2) 电子传导性，疏水性/亲水性，(3)表面积，和(4)表面结构。
生物阴极催化剂载体材料的制备与前述针对生物阳极的类似，不同之 处在于框体材料和烧结循环和温度。例如，用于生物阳极的MDS尼龙6/6 框体材料可以被相似厚度的PTFE涂布的纤维玻璃片材代替。因为用聚四 氟乙烯(PTFE)作为粘合剂代替聚(偏二氟乙烯)粘合剂，故用于生物阴极 的烧结循环可以改变。对于基于PTFE的GDL，整个组件(即框体和电极 材料)首先在至多200℃的温度下烧结不超过20分钟，这取决于期望的结 构和制剂。烧结之后，从框体和临时载体中移出电极，并将其在2个铝块 (12”×12”×1”)之间冷却直至凝固，通常仅几分钟，之后在300℃的温 度下进行第二次烧结不超过10分钟。不管生物阴极催化剂载体中是否存在 埋置的多孔金属丝网材料，这些制备步骤都是相同的。
如果催化剂在传导性单层形成时不包括在其中，则催化剂层可以如下 面章节“将包封的酶混入碳糊中”所述施加到催化剂载体上。作为选择， 可以将含酶的催化剂粒子(如下面章节“将包封的酶混入碳糊中”和“生 物催化剂墨水制剂”中所述)加入用于形成单层527的混合物中，或可以 将其包括在糊或墨水中接着施加到催化剂载体表面。
阳极和阴极的制备技术
在下面的实施例中更详细地描述了用于制备阳极和阴极组件的具体步 骤。
传导性聚合物基纳米线
对于修剪纳米线而言，可以改善用于生物燃料电池应用的生物系统中 的直接电子转移的主要性质是：(1)电子和离子传导性，(2)高纵横比 以渗透进入酶活性中心，(3)前体材料的热稳定性，和(4)前体材料在 燃料电池操作条件下的电化学稳定性。纳米线的主要功能是提供如下纳米 构筑结构(nano-architectural structure)，该结构具有在酶内部的氧化还原 位点与电极表面之间进行连接的预定的电子转移通路(见图56和57)。 图56是纳米线阵列的示意图，其中酶及碳粒子相互作用。图57显示纳米 线彼此间的相互作用，从而在碳粒子之间形成神经网络状电子转移网络， 这些碳粒子是用于制造基电极的主要组分。
传导性聚合物(例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)是用于通过氧化聚 合途径制造纳米线的示例性聚合物材料。利用适当的掺杂剂(用于改善聚 合物的传导性)和第一传导性材料例如炭黑粒子作为用于纳米线生长的成 核位点，已生长并接枝了具有希望的尺寸和热稳定性及电化学稳定性的传 导性纳米线(例如电的和离子的)。一些掺杂剂具有多于一种的功能，并 可以在合成过程中通过充当内部孔的结构或内直径的调整剂来影响纳米线 的尺寸。
纳米线不仅可以从聚合物材料生长，也可以在适当的合成步骤中从氧 化物、有机金属和金属材料生长。对于直接电子转移法，优选地，聚合物 前体或氧化物/有机金属前体形成可以高效转移电子的传导性纳米线。
用干酶促氧气还原反应的生物阴极纳米线
在这一部分，会给出用于生物燃料电池中酶促氧气还原反应的传导性 聚合物基纳米线的例子，但是本发明并不限于传导性聚合物。传导性氧化 物前体、传导性晶须(whisker)前体、和金属纳米线除了可以创建在生物 燃料电池的生物系统的直接电子转移过程中高度有效的神经网络状结构 外，也可以生长并接枝到各种基础载体材料(即碳粒子)上，并可以被用 来固定酶。
多种不同的聚合物可以被用作形成纳米线的传导性聚合物，例如聚苯 胺、聚吡咯、聚乙炔、苯胺的Leucoemeraldine碱、Emaraldine碱、 Pernigraniline碱形式、聚噻吩、聚(对亚苯基)、聚(对亚苯基乙烯基)以及 它们的二元、三元或四元组合可以被用作生长传导性纳米线的前体。可以 利用化学聚合途径或电化学聚合途径来聚合这些基础单体以获得想要的纳 米线。为了得到所需尺寸，使用一种或多种掺杂剂是优选的。多种有机磺 酸可以被用来生产传导性聚合物纳米线。例如，萘磺酸(樟脑磺酸、萘醌 磺酸等)、甲苯磺酸(如对甲苯磺酸吡啶鎓盐、对甲苯磺酸羟基吡啶鎓盐、 对甲苯磺酸四丁基铵盐等)、带多重电荷的共轭的两性离子络合物(在同 一分子上既包括带正电荷的基团也包括带负电荷的基团)(例如氢氧化 1-(3-磺丙基)吡啶鎓内盐、3-(1-吡啶基)-1-丙烷磺酸盐等)等可以被用作掺 杂剂。
对于在生物燃料电池应用中用作纳米线的传导性氧化物前体，该氧化 物应该在酸性或碱性条件下稳定。例如，钛、钌、锇、铱、铂、金、钯、 铼、铝的氧化物和氧化铟锡(ITO)以及它们的二元、三元或四元组合可 以获得适用于本发明目的的传导性纳米线。为此目的，这些氧化物可以改 性，这既可以通过常规合成途径(化学气相淀积、基于离子-等离子体的 沉积等)也可以通过水热合成路线实现。
传导性晶须前体的例子是金属络合的大环酞菁或卟啉络合物和非金属 络合的各种酞菁/卟啉(porphine)物(speices)，例如酞菁铜、酞菁钴、酞菁镍、 酞菁铁、酞菁锌、卟啉铜、卟啉钴、卟啉钌、卟啉钯、卟啉钒、卟啉锌等 以及它们的组合。可以使用常规的基于低和高真空的沉积技术(例如蒸发、 辉光放电、气相化学法和液相化学形成技术)来生长传导性晶须。
酸或碱稳定的金属纳米线前体的例子包括钛、钌、锇、铱、铂、金、 钯、铼以及它们的二元、三元或四元组合，它们可以制造传导性纳米线， 用于在生物系统和基电极结构之间的直接电子转移通路。可以使用常规的 基于低和高真空的沉积技术(例如蒸发、辉光放电、气相化学法和液相化 学形成技术)来生长金属纳米线/纳米晶须。
将包封的酶混入碳糊中
在许多实施方案中，电极载体的制造在酶的沉积之前完成，这个工艺 导致两个不同的层。通过本文描述的喷雾干燥过程，可以将固定酶的碳粒 子掺入碳糊中提供酶/碳电极一体结构，而没有由溶剂和温度诱导的变性导 致的典型酶活性损失。如对其他GDL制剂所描述的那样，包封的酶/碳扩 散电极载体可以以用户定制的方式制造，使得它们具有用于阳极或阴极的 希望的特征。优选地，阳极可以具有利用下面所讨论的亲水性组分的更亲 水的糊。此外，阴极载体可以具有更高的Teflon含量从而提供更高的疏水 性同时保留部分亲水性。
取决于对电极的具体要求，有多种不同组分可以提供大范围的可调参 数从而生产出具有希望性能的电极。具体地，可以改变对具体碳材料(包 括为了刚性而使用的石墨纤维)、粘合剂、和成孔剂以及它们各自比例的 选择，从而提供具有一系列性能的电极。初始的测试已表明了半电池结构 内活性的保持和良好的机械稳定性。
如同下面讨论的催化剂墨水制剂一样，将高表面积高传导性炭黑放入 糊制剂中可以提供从酶到电极(阳极)或从电极(阴极)到酶的更大直接 电子转移。
包封的酶的制作过程
在一些实施方案中，酶被固定到高传导性高表面积的炭黑(例如上文 表中给出的那些)上。一旦酶被固定，将碳干燥，然后与石墨纤维、炭黑、 醇溶剂、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)和/或PTFE粘合剂、以及任选的亲水 试剂(即，碳酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、或二氧化硅凝胶)混合。
当混合碳糊时，可能期望先称量所希望量的所有干组分到容器中。然 后用研钵和碾槌将这些干组分混合在一起直到均匀分散。然后少量多次加 入醇，同时将浆液搅拌成均匀糊料。太少的溶剂会使糊料干燥而不能发挥 作用，而太多的溶剂将使糊料成汤状且不均匀。
然后将糊料铺到多孔金属丝网(通常是镍或不锈钢，但是可以使用任 何多孔金属丝网)上，用一个形状限定框体围绕着它以便得到希望的电极 尺寸。可以使用任何工具(例如抹刀、勺子、泥铲等)来形成并铺展糊料。 铺展之后，将纸巾放在电极周围，电极在5000磅的压力下进行机械压制， 从而对它们进行压缩并帮助除去多余的溶剂。
机械压制步骤完成之后，移除形状限定框体。在电极的每一侧放上 Kimwipe，然后它们在5000磅和125℃的温度下被热压20秒。
生物催化剂墨水制剂
如本文所述，开发了一种用于将固定化的酶喷涂到诸如碳、聚合物和 金属氧化物的各种粒子上的方法。这种固定化方法允许利用用于普通PEM 燃料电池系统的常规方法来制造常规催化剂墨水和MEA。在传统的PEM 燃料电池中，催化剂墨水被涂到电极载体材料上、干燥、并热压到离子交 换膜(如Nafion)上。当酶未被固定时，这个制造方法会使酶由于与溶 剂环境相互作用或在热压期间暴露于热而变性。
在固定化材料中的酶的更高稳定性允许开发能被直接涂到商业电极载 体上或涂到本文所述用于燃料电池应用的电极载体上的墨水制剂。这种墨 水制剂由酶包覆的碳、炭黑填充剂和Nafion溶液构成。酶包覆的碳由被 酶围绕的碳粒子组成，其中所述酶被截留在固定化聚合物之内。
生物阴极催化剂墨水制剂
本发明的多个方面涉及含有被固定化酶包覆的核芯的粒子。该核芯可 以是能为固定化酶层提供支持的材料，其中该固定化酶层包覆在核芯之上。 固定化酶层包括酶、酶固定化材料、和任选的电子介体。该固定化酶具有 其在固定化和包覆之前的初始活性的至少约0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、 0.9、0.95或更大的活性，并且/或者在该酶连续催化化学转化时保持其至少 约75％的初始催化活性至少约1、2、3、4、5、6、7天。在多个其他实施 方案中，该酶保持其至少约75％的初始催化活性至少5、10、15、20、25、 30、45、60、75、90、105、120、150、180、210、240、270、300、330、 365、400、450、500、550、600、650、700、730天或更久。下面更详细 地描述这些粒子的组分。
本发明的其他多个方面涉及制备被固定化酶包覆的粒子的工艺。该工 艺包括将含酶溶液与包含至少一种载体颗粒、固定化材料和液体介质的悬 液混合，形成混合物。该混合物然后被喷雾干燥形成包覆粒子(coated particle)。
如图47所示，生产出的粒子可以包括核芯、任选的电子介体、酶、和 酶固定化材料(例如聚合物基质)。聚合物基质的作用是稳定酶并将其固 定于载体上，聚合物基质可以是下面描述的各种酶固定化材料。此外，除 了酶之外，可以将多种化合物加入到基质中来帮助酶发挥作用。例如，电 子介体、辅因子、辅酶可以被固定化，在进行接触或反复洗涤时不会被浸 提到液体中。
在多种优选实施方案中，酶不共价地结合到核芯上或者吸附到核芯上。 此外，优选地，酶不会从酶固定化材料中浸提到与固定化酶层接触的液体 介质中。典型地，固定化酶粒子包括约0.1wt％-约25wt％的核芯和约 0.1wt％-约70wt％的覆层，并且该覆层包括约0.1wt％-约29wt％的酶 和0.1wt％-约43wt％的酶固定化材料和最多约29wt％的电子介体。典 型地，酶和电子介体的总重量百分数最多可达覆层的57wt％。
核芯组分
核芯是任何能够为固定化酶层提供支持且能够被喷雾干燥的粒子。例 如，核芯粒子可以是聚合物粒子、碳粒子、沸石粒子、金属粒子、陶瓷粒 子、金属氧化物粒子、或它们的组合。在一些实施方案中，核芯粒子是惰 性核芯粒子。在多种实施方案中，核芯粒子不是聚合物粒子。优选的核芯 粒子不会对酶的稳定性或者酶参与的化学转化有不利的影响。在一些实施 方案中，核芯粒子具有约200nm-约100μm的平均直径，这取决于被固 定化酶包覆后的粒子的预期用途。
制备包覆粒子的方法
通过将包含酶或细胞器的溶液与包含至少一种核芯粒子、固定化材料、 和液体介质的悬浮液混合，并对所得混合物进行喷雾干燥，可以制备包覆 粒子。下面具体描述该溶液、悬浮液和喷雾干燥步骤。
包括酶和溶剂的酶溶液被用于包覆过程。或者，在包覆过程中使用包 括细胞器和溶剂的细胞器溶液。酶与溶剂组合并混合直到形成溶液。上面 已具体描述了可接受的酶和细胞器。溶剂可以是水溶液，优选是缓冲溶液， 例如乙酸盐缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液。缓冲溶液的pH被设计来提供对 于待固定化的特定的酶或细胞器来说可接受的pH值。此外，在多种实施 方案中，酶溶液可以包括如上所述电子介体。
通过将核芯粒子、所需的固定化材料和液体介质混合在一起可以制备 所述的悬浮液。前面已经描述了示例性的核芯粒子和固定化材料。液体介 质可以是溶剂或缓冲溶液，例如乙酸盐缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液。当使 用缓冲溶液作为液体介质时，缓冲溶液的pH被选择来提供对于待固定化 的特定的酶或细胞器来说可接受的pH值。
在酶或细胞器溶液和悬浮液制备好后，它们可以合并在一起并充分混 合。所得混合物然后被干燥。优选的干燥方法是喷雾干燥，因为这种干燥方 法还导致固定化酶层对核芯粒子的包覆。在本发明的方法中可以使用常规 的喷雾干燥技术。作为喷雾干燥的替代方案包括用于形成包覆粒子的其它 常规工艺，例如流化床造粒、喷雾干燥造粒、旋转造粒(Rotogranulation)、 流化床/喷雾干燥造粒、挤出和滚圆等。
在其他一些实施方案中，溶液包括约0.1wt％-约15wt％的酶和约85 wt％-约99.1wt％的溶剂，悬浮液包括约0.1wt％-约50wt％的核芯粒 子、约4wt％-约10wt％的酶固定化材料、和约50wt％-约75wt％的 液体介质。制备流延溶液的其它方法包括将粒子与酶或细胞器在缓冲溶液 中混合在一起形成悬浮液，然后加入溶解的固定化材料完成混合；或者一 次性混合所有材料形成悬浮液。
在多种优选实施方案中，酶、酶固定化材料、和任选的电子介体的混 合物可以通过喷涂/干燥技术包覆到支持粒子上。例如，可以使用喷枪(例 如，Paasche VL系列)来产生混合物组分的气溶胶并将它们朝靶推进。参 见图48。气溶胶是通过使用以约25psi调节的压缩氮气产生的。混合物被 喷枪喷雾到诸如聚碳酸酯屏的表面上，从喷枪头端到屏的距离为约40cm。 喷枪可以以光栅模式移动，同时在垂直方向上按照锯齿形沿聚碳酸酯靶向 下移动，而施加流延溶液。利用这个过程可以使屏上的涂层厚度最小化， 同时使干燥过程中的粒子与粒子之间的相互作用最小化。流延溶液在屏上 干燥约20分钟，之后通过大抹刀/刮刀收集。
生物阳极墨水制剂
当制备阳极墨水时，需要考虑到上面提到过的相同的注意事项。但是 不是电子向酶运输，而是电子需要运输离开酶。因为这个原因，电子介体 的选择会有所不同，但是炭黑的选择将可能是类似的。为了观测到直接电 子转移，优选使用炭黑填充剂。
将电子介体掺入到用于生物阳极的墨水制剂中将有助于减少对炭黑填 充剂的需要，如实施例34和35所示。例如，使用了六胺化钌(Hexamine ruthenium)(III)，但是也可以使用具有期望的电子转移潜力的任何电子 介体。例如，已经使用诸如二茂镍、二茂铁、联吡啶钴和铁氰化物的电子 介体。
基于TBAB聚合物的GDE
通过将铂阳极催化剂和漆酶固定化阴极热压到固体质子传导性电解质 膜上来制造MEA。所用的膜是0.005英寸厚的NafionMembrane N115 (得自E.I.Du Pont de Nemours)。然后在MEA上面和下面覆盖上Kapton 聚酰亚胺膜，这是因为Kapton聚酰亚胺膜在高温下的耐久性以及其可以 防止MEA粘到钢板上。通过在125℃、3000磅压力下使用两块钢板同时 热压阳极和阴极，其中Nafion膜于两电极之间，形成被Kapton覆盖的5 cm2的MEA。这种MEA的压装件示意图示于图66。
基于壳聚糖聚合物的GDE
通过两个步骤来制造MEA，先压制铂阳极催化剂到固体质子传导性电 解质的一面上，然后再压制漆酶固定化阴极到固体质子传导性电解质的另 一面上。所用的膜是5密耳厚的NafionMembrane N115(得自E.I.Du Pont de Nemours)。然后在MEA上面和下面覆盖上Kapton聚酰亚胺膜， 因为Kapton聚酰亚胺膜在高温下的耐久性及其可以防止MEA粘到钢板 上。对于第一个步骤，在125℃、3000磅压力下仅仅将铂阳极电极热压到 Nafion膜上。第一步骤的压装件示意图示于图67A。第二步骤是在85℃、 3000磅压力下热压壳聚糖固定化漆酶阴极电极。第二步骤的压装件示意图 示于图67B。因为壳聚糖在85℃以上的温度下热分解，这种两步骤工艺是 必须的。
电子控制器和补充的电源电路
在图示出的实施方案中，燃料电池设备1包括一“叠”8块燃料电池， 每一块电池包括燃料储池41和相关的阳极组件和阴极组件。然而，应该理 解，这种电池的数目可以为1到大于1的任意数目。
图14以框图的形式示出了设备1的一种实施方案。如图所示，一个或 多个燃料电池321通过线323电连接电子控制器71。电池321可以如上所 述叠置。例如，线323可以包括扁平带状电缆连接件或类似物，从而为一 叠8个电池提供到控制器71的16个电连接。电子控制器71根据希望的运 行模式控制每个电池321的输出。在第一预定运行模式，各电池321串联 连接，控制器71按照预定的占空比(duty cycle)(例如在1000Hz，25％) 控制它们一起开与关。有利地，按照预定的占空比运行电池321可以改善 燃料电池的性能。具体地，循环切换电池321开与关可以改善长期使用的 稳定性，如通过在设定的电压下的电流衰减所测量到的。此外，以这种方 式循环开关电池321，通过给予电池321时间从负载状态切换到开路状态， 可以改善设备1的功率输出。在开路状态，电池321的催化剂层可以有更 大反应性而不被氧化，这导致随后在负载下更大的功率输出。
在第二规定运行模式，控制器71控制电池321的输出，使得一个电池 断开与负载5的连接，而其它电池保持与负载5的连接(例如对于8块电 池组，关闭1个电池而打开7个电池)。在这种实施方式中，允许每个电 池321周期性地处于开路状态，而其余电池处于负载状态，这同样改善了 设备的稳定性和功率输出，从而提高了燃料电池性能。
如上所述，补充的电源电路81可以按需提供功率以补充设备1的正常 输出。这在负载5汲取更大量的电流的情况(例如电子设备启动或加电 (powerup)时)下特别有用。在示例性的实施方案中，补充电源电路81 作为控制器71的一部分来运行。控制器71监测电池321的电压输出，并 通过比较仪将输出电压与最小输出参考电压(例如1.5V)进行比较。如果 被监测的输出电压落到这个阈值之下，控制器71就打开电池辅助电路或混 合电路来补充功率输出。在这个实施方案中，补充电源(例如电池(battery) 325，例如可重复充电的锂离子电池)通过线327向控制器71提供功率从 而补充电池321的输出。尽管图示的补充电源电路81是控制器71的一部 分，但是可以理解它也可以是与电池325和控制器71连接的独立电路。
在第三规定的运行模式，控制器71切断所有燃料电池321与负载5的 连接。这种模式可以用于利用电池321的输出电压对电池325进行再充电。
图14还示出了通过线329提供的用于调节电池321的输出(或电池 321和电池325的混合输出)的增压电路(boost circuit)331。以这种方式调 控，燃料电池设备1在其输出端供给相对恒定的电压，该输出一般地标记 为333(另参见图2和图3)，可用于各种负载规格。应该理解输出333 可以与负载5硬布线连接，并通过插头等装置连接到燃料电池设备1；或 者反过来。在示出的实施方案中，燃料电池设备1包括电容器335，当系 统“休眠”时电容器335充电。有利地，电容器335提供除电池325之外 的额外补充功率，或者是代替电池325提供补充功率。作为一个例子，增 压电路331包括一个DC-DC升压转换电路，在其输出端向负载5提供调 制的5V电压。
现参照图15的框图，它更详细地示出了控制器71的各方面。如图所 示，处理器(例如第一微处理器337)控制第一开关电路339，第一开关电 路339接收电池321的输出。微处理器337执行计算机可执行指令用于根 据希望的运行模式来操作电池321。按照运行模式，开关电路339响应微 处理器337而对每一个单电池321的输出进行开或关。在一个实施方案中， 开关电路339包括多个单刀双掷开关，其每一个都与一个电池321连接， 用于选择性地将其输出与负载5连接(或者断开)。补充电源电路81包括第 二微处理器341和第二开关电路(一般地标记为343)。第二微处理器341 监测电池321的电压输出(来自开关电路339，在线329处)，并且将输 出电压与最小输出参考电压进行比较。如果被监测的输出电压落到最低阈 值之下，微处理器341控制开关电路343将电池325电连接到负载5，从 而补充电池321的输出。多种微处理器，包括例如从Cypress Semiconductor Corporation可获得的Programmable System on Chip(可编程片上系统) 混合信号阵列控制器CY8C29XXX系列中的一种，适合用作微处理器337， 从Cypress Semiconductor Corporation可获得的Programmable System on Chip混合信号阵列控制器CY8C21XXX系列中的一种，适合用作微处 理器341。此外，应该理解，监测和比较输出电压、控制开关电路339、控 制开关电路343等控制功能可以由单个处理器执行，例如微处理器337或 微处理器341。
在一个实施方案中，由计算机(未示出)执行用于指令微处理器337 的软件，从而根据生物燃料电池设备的一种运行模式来控制开关电路339。 图16和图17描绘了展示在计算机上的示例性用户界面，该界面接收用户 输入以设计和模拟用于8块生物燃料电池设备的模式。在图16中，输出1 -8代表燃料电池设备的每一个电池(例如设备1的电池321)的状态。输 入1代表用于在多种运行模式间切换的外部按钮开关(未示出)。VAR2 响应输入1，代表设备的运行模式。例如，按压输入1直到VAR2的值增 大到1，则启动第一模式。在这种模式下，输出1被设定为预定的占空比 (例如在1000Hz，25％)。因为电池321串联式电连结，所有的电池321 按照预定的占空比一起开启和关闭。当VAR2值为0时，微处理器337将 以第二模式控制开关电路339。当VAR2的值增大到0(或“关”)时， 输出1被设定为另一种预定的占空比(例如在1000Hz，10％)。此外， VAR1打开并启动相移(phase shift)。当以10％占空比运行时，该相移 提供了足够的延迟使得示出的实施方案中8个电池321中的7个打开而8 个电池321中的1个关闭。被关闭的具体电池321在整个电池组中轮换， 使得每个电池都可以被关闭近似相同的时间。图17所示用户界面对应于这 种第二运行模式的模拟，其中VAR2是“关”而VAR1是“开”。在第三 运行模式，VAR2值增大到2，这将关闭所有输出1-8。这第三种模式可 以用于利用电池321的输出电压对电池325进行再充电。
上面描述的运行模式(包括占空比)都是示例性的，本领域技术人员 明白：取决于负载5的要求和燃料电池设备1的物理构造(例如电池数目) 可以定义其它的运行模式，而这不会偏离本发明的范围。
参照图18，示出了电子组件(一般地标记为345，还可参见图3)， 它包括第一印刷电路板347，电路板347上安装有电子控制器71，包括补 充电源电路81。此外，电子组件345包括第二印刷电路板349，提供用于 电池325的电连接。第二印刷电路板349上安装有金属接收器353，形成 了安装电池325时搁置电池325的口袋或容器。在示出的实施方案中，接 收器353具有一个或多个偏向电池325的弹簧构件355，用于将电池保持 在接收器内的适当位置上并形成与电池的一端的电连接。印刷电路板349 上的导电垫片(未示出)提供了与电池的另一端的电连接。导线(未示出) 或其它导电装置将第一印刷电路板347与第二印刷电路板349电连接，从 而使电池325与控制器71连接。此外，多个导线(一般地标记为357)或 其它导电装置可以将控制器71与燃料电池321电连接。
壳体
可能期望，壳体91是多部件构造，这有利于燃料电池设备1的组装和 拆卸。在一个实施方案中(图2和图3)，壳体包括第一部件91A和第二 部件91B，当它们合在一起时，形成了一个盒子，其溶剂足以紧贴地容纳 燃料电池设备1的堆叠组件。第一部件91A和第二部件91B以可拆方式通 过一个或多个紧固件(例如六角头螺栓275)或其它机械手段固定在一起。 部件91A和部件91B固定在一起时，它们之间的接合处用密封垫或其它密 封装置(未示出)密封。壳体91具有至少一个开口277用于允许燃料流体 从燃料源7递送到汇流腔的入口29，并允许燃料从汇流腔出口33递送到 废料目的地9。壳体91的壁上具有很多小孔281从而允许空气出入壳体内 部以便通风并冷却壳体内的部件。壳体可以是模制的、机加工的或以其它 方式从合适原料(例如丙烯酸类)制造的。
如图3和图13所示，壳体部件91A和91B内表面上的突起285提供 了对燃料电池设备的电极结构(即燃料汇流腔15、阴极组件51、53和阳 极组件45、47)的支持作用，从而为这些部件在壳体内部提供适当的定位 和支撑。这些突起285中的一些也可以界定用于接收电子控制器71和电源 电路81的位置，例如隔室289、291。备选地或组合地，壳体内表面也可 以形成凹槽用于接收这些部件。
设备的运行
在运行时，利用合适的手段(例如注射器或泵)将燃料从燃料源9送 到燃料电池设备1直到燃料储池41充满而且燃料流体与相应阳极157接 触。如同标准的电化学电池，阳极是燃料流体发生氧化反应同时释放出电 子和质子的位点。电子从阳极经电连接器被引导至一些耗电设备。质子移 动经过燃料流体和聚电解质膜到达阴极。电子移动经过设备到达另一个电 连接器，该电连接器将电子转运到生物燃料电池的阴极，在此电子与质子 一起被用来还原氧化剂(本例中是来自空气的氧气)生成水。以这种方式， 本发明的生物燃料电池可以用作其外部电负载的能量(电)源。为了促进 燃料流体的氧化还原反应，电极包括集电体、气体扩散层(电子导体)、 任选的电子介体、任选的用于电子介体的电催化剂、酶和酶固定化材料。
电子介体是能接受或给出电子的化合物。在优选的本生物燃料电池中， 电子介体的氧化形式在生物阳极与燃料流体和酶反应产生燃料流体的氧化 形式和电子介体的还原形式。随后或同时，电子介体的还原形式与电催化 剂的氧化形式反应生成电子介体的氧化形式和电催化剂的还原形式。电催 化剂的还原形式随后在生物阳极被氧化产生电子以形成电。在生物阳极的 氧化还原反应(除了燃料流体的氧化外)均可以是可逆的，所以酶、电子 介体和电催化剂并没有被消耗。任选地，如果添加电子介体和/或电催化剂 用于提供额外的反应物，那么这些氧化还原反应可以是不可逆的。
或者，可以使用电子导体和酶，其中与生物阳极接触的电子介体能够 在未改性的电极(unmodified electrode)处于其氧化形式和还原形式之间转 移电子。如果电子介体能够在未改性的生物阳极处在其氧化形式和还原形 式之间转移电子，则随后的电子介体与电催化剂间的反应不再是必须的， 电子介体自身可以在生物阳极处被氧化以产生电子和由此产生电。
在阴极，源自生物阳极的电子流入阴极集电体和气体扩散层。在那里， 电子与催化剂接触，该催化剂能够自气体扩散层获取电子并与氧化剂反应 生成催化剂的氧化形式和水。
其它燃料电池实施方案
图19示出本发明第二实施方案的燃料电池设备，其整体被标记为标号 501。燃料电池设备501大体上类似于上面描述过的实施方案，但有一些特 征不同，这些在下面详细描述。第二实施方案的设备501的一部分与第一 实施方案的设备1的特性类似，这些部分将用与第一实施方案类似但是加 上500的标号标记。
图19的燃料电池设备501被拆分以便示出设备501的各部件。一般而 言，设备501包括燃料汇流腔515，该汇流腔具有前侧521、后侧523、用 于从燃料源(未示出)接受燃料流体的进口529和用于废的燃料流体从汇 流腔流到废料目的地(未示出)的出口533(图20)。汇流腔515包括4 个各标记为541的燃料储池。该燃料电池设备501还包括用于与燃料储池 541中的燃料反应的通常标记为545的阳极组件和邻着盖子561的通常标 记为551的阴极组件。提供电子控制器(未示出)来控制设备501的运行， 并且包括补充电源电路(未示出)来按需提供功率以补充燃料电池的正常 输出。在设备501的后侧523提供可透过膜593和防保屏595。上面描述 的部件使得燃料电池设备501表现为自容纳的紧凑单元。
如图20所示，燃料汇流腔515具有进口529和出口533，进口529允 许燃料流体从燃料源(未示出)流入汇流腔，出口533允许燃料流体离开 汇流腔流入废料目的地(未示出)。进口529和出口533可以包括与示于 图4的第一实施方案的汇流腔15类似的管接头(tubing nipple)。如图20 所示，汇流腔515包括4个燃料储池541。燃料汇流腔515包括合适绝缘 材料的体部或块体601，其具有顶部605、底部607、相对端609、前面611 和背面615。该块体601可以由对所用的燃料为化学惰性的聚合物基材料 或非聚合物基材料形成。在一个实施方案中，该块体601由丙烯酸类材料 形成。该块体601可以成形(例如模制、机器加工等)为长方形，并优选 由单个一体式构件构成。燃料储池541由该块体的前面611中的腔(也标 记为541)界定出。在另一种可供选择的实施方案(未示出)中，界定出 燃料储池的腔可在块体601的前面611和背面615形成。在一个实施方案 中，每个腔具有约1.74立方厘米的容积，但是燃料储池541也可以具有其 它的容积而不会偏离本发明的范围。燃料通过进口端621进入每个燃料储 池541并通过出口端625离开同一储池。每个进口端621和相应的出口端 625定位在流道(一般标记为627)的相对端，流道627延伸穿过分隔腔 541的内壁637。如图20所示，每个出口端625的高度至少与每个进口端 621的顶部一样高。这种布置使得可以完全填充燃料储池541，而不会有空 气气泡与阳极组件和阴极组件接触(见下述)。在每个流道627中在一个 燃料储池541的出口端625和下一个燃料储池541的进口端621之间设置 止回阀(未示出)从而防止燃料从一个储池倒流到另一储池，由此消除了 这些电池之间的任何离子通讯，从而防止短路。在一个实施方案中，每个 止回阀是具有0psi开裂压力(cracking pressure)不锈钢止回阀，其压装在 2.5mm的流道内，但是也可以使用其它止回阀而不会偏离本发明的范围。
该汇流腔包括隔室645用于接收电子控制器和电源电路。如同本领域 技术人员所理解的，围绕块体601的前面611可以形成唇缘647用于与盖 子561啮合。邻近每个腔541的背侧提供开口649，以将反应过程中形成 的二氧化碳排出。汇流腔515中也提供有气孔供空气进入燃料电池。第二 实施方案的汇流腔515的其它特征与第一实施方案类似，不再赘述。
图21示出了阳极组件545，阳极组件545与燃料储池541中的燃料反 应，阴极组件551邻近阳极组件。阳极组件545包括印刷电路板框体651。 该框体651具有多个开口655，它们被构造并布置成与汇流腔615的前面 611中的燃料储池541的构形和布置相匹配。阳极组件545还包括多个阳 极，每个阳极一般都标记为657，通过框体651保持在框体开口655中， 并且每个框体开口一个阳极。每个阳极657包括固定在相应框体开口655 中的集电体661。在一个实施方案中，集电体661包括点焊在一起的两个 镀金不锈钢网片。一个网片的尺寸使其可以精确地与框体开口655相配合， 另一个网片的尺寸使其与开口重叠。集电体661被点焊到印刷在开口655 的相对边缘部的垫片(pad)663上。当集电体661被点焊到垫片663上时， 重要的是要设置焊接参数使焊机不发生击穿(arc)。使用CD250DP Sunspot-b双脉冲点焊机，使用如下的参数可以提供可接受的结果：能量等 级-14，脉冲1-12，脉冲2-45，焊机能量-14。这些参数提供了机械稳 定的焊接，而不会损坏集电体661。
每个阳极657还包括在集电体661背面上的气体扩散层665。该扩散 层665可以是碳糊结构，该碳糊结构包含干组分：Monarch 1400炭黑 (Cabot)和Chemsorb 1505G5多孔浸渍的蒸汽活化的碳(C＊Chem)，以及湿 组分：溶解在丙酮中的Quick Set 2-part环氧树脂(The Original Super Glue Corp.)和在水中60％聚四氟乙烯(PTFE)分散体(Sigma)。将干组分在食品 研磨机中磨碎，并用超声均质机混合湿组分，接着合并干湿组分并用油灰 刀将其混合，直至混合物具有牙膏的稠度。接着通过施加在缓冲溶液中的 酶与四丁基铵改性的Nafion离聚物的流延混合物来向气体扩散层665添 加催化剂层(未示出)。在催化剂层结合到阳极组件上之前将其干燥。在 优选的实施方案中，催化剂层中所用的酶是吡咯并喹啉醌依赖型醇脱氢酶 (PQQ-ADH)。如图所示，向阳极加上热熔性层675和乙烯基框体677。
每个阴极组件551用类似于上面针对阳极组件545描述的方法来构造。 阴极组件551也包括在其集电体背面上的层状催化剂结构体。该层状催化 剂结构体包括气体扩散层、催化剂层和聚电解质膜(Nafion)。在组装 时，该层状催化剂结构体被固定到集电体的背面上。在一个具体的实施方 案中，通过将包含铂黑催化剂和Nafion离聚物的墨水施加到气体扩散层 (例如，作为在任一侧具有微孔层的LT2500W Low Temperature Elat的 E-Tek)的一侧来制备该催化剂层状结构。一旦包括催化剂的墨水干燥之 后，就如下组装层状催化剂结构体：将气体扩散层置于集电体顶上，使铂 黑催化剂侧向上，然后将聚电解质膜(例如Nafion)置于气体扩散层和 催化剂层的顶上。将该组件用水浸泡然后通过热压固定在一起，得到独立 的阴极配件(例如，在125℃、3000磅压力下35秒)。聚电解质膜(例如 Nafion离聚物)对燃料流体是不可透过的，但是可以传导电子和质子。
在如上所述制备好阳极组件545和阴极组件551之后，通过如下方式 将阳极组件545和阴极组件551组装在一起：用焊膏或普通spooled solder 涂抹每个印刷电路板框体651上的焊接盘(connector pad)731。然后将八导 体带状电缆735临时焊在一决电路板上，留出约0.020英寸的裸露导体伸 出电路板的边缘。将第二块电路板与第一块电路板和电缆对齐，并用力将 其保持于适当位置。然后每个导体与烙铁接触从而将上、下电路板上的焊 膏/焊料重新熔化，由此在电路板和电缆之间形成良好的电接触。然后检查 扁平柔性电缆远端和框体上用于多孔金属网的每一个安装垫片之间的连续 性(continuity)。还检查各导体之间的短路。按需要，该组件/导体可以被重 新熔化直到实现正确运行。焊接盘731偏离中心使得一个电路板的焊盘与 另一个电路板的焊盘并不对齐，但是它们都与电缆735的一个导体对齐。
在组装之前除去焊料掩膜(solder mask)，以确保得到无泄漏的堆叠体。 焊料掩膜的去除通过如下来完成：将印刷电路板浸泡在二氯甲烷溶液中直 到整个焊料掩膜变松而可以容易去除。除去焊料掩膜之后，将电路板从二 氯甲烷溶液中取出并用二氯甲烷彻底冲洗。然后在制备其它必需部件时干 燥电路板。
阳极组件545和阴极组件551各自组装并焊接到一起之后，它们被压 制(例如，在125℃、1000磅压力下约10-约20秒)。如果需要，所完 成的堆叠体可以被修剪，并通过粘结剂结合方式而密封到壳体上(例如， 热熔并在2000磅压力下压制直到冷却)。冷却之后，就可以将阳极反应物 加入到燃料储池。
二氧化碳可渗透膜593覆盖位于燃料储池541背侧的开口649。膜593 选择性地允许二氧化碳透过从而除去燃料储池541内生成的气体而不会允 许未反应燃料离开燃料储池541。能选择性地透过二氧化碳的聚合物膜的 例子包括聚硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、基于聚酰胺的热塑性弹性体、 基于聚丁二烯的热塑性弹性体、EPDM橡胶基热塑性弹性体。由于对二氧 化碳的非常高度选择透过性，在燃料电池运行期间生成的二氧化碳气体可 以通过多孔结构而排出，而多孔结构可以作为醇燃料的屏障。
包覆粒子的应用和用途
用固定化酶包覆的粒子可以用作多种化学转化的催化剂。酶可以被固 定在酶固定化材料内并用本文描述的工艺包覆到粒子上并沉积到多种基底 上。这些固定化酶粒子然后可以与反应混合物接触并催化期望的化学转化。 本发明的粒子可以在下面描述的实施方案中代替酶。
特别地，如下固定化酶粒子可被用于催化反应，其中酶固定化材料固 定并稳定酶，酶固定化材料对于比酶小的化合物是可透过的并且是胶束状 疏水改性多糖。在多种优选实施方案中，胶束状疏水改性多糖是疏水改性 壳聚糖或疏水改性藻酸盐。
此外，固定化酶粒子可被用于检测待分析物。酶固定化材料固定并稳 定酶，酶固定化材料对于比酶小的化合物是可透过的并且是胶束状疏水改 性多糖。在多种优选实施方案中，胶束状疏水改性多糖是疏水改性壳聚糖 或疏水改性藻酸盐。
例如，酶可以被用于降解衣物污物中的污渍，例如在洗涤剂中分解并 从衣物除去蛋白质。一般地，用于洗涤剂中的酶是蛋白酶、淀粉酶、糖酶、 纤维素酶、和脂肪酶。这些酶可以在本文描述的酶固定化材料内被固定并 稳定，并分散于洗涤剂中或水性载体中来提供衣物污物处理。这些酶固定 化材料可以使酶在洗涤剂的其它组分中稳定并改善存储稳定性。多种含酶 洗涤剂产品被描述在美国专利7,179,780、6,894,013、和6,827,795中，这 些专利文献通过引用被包括在这里。
此外，酶可以被用于废水处理来分解水流中的各种废物。例如，除了 细菌之外还使用脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶、和蛋白酶来去除各种废物。 本领域技术人员已知各种具体废水流的组分和用于降解这种废水流的合适 的酶。例如美国专利7,053,130、6,802,956、5,531,898、和4,882,059公开 了多种用于废水处理的酶，这些专利文献通过引用被包括在这里。这些酶 可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来提高酶稳定性。
酶的工业用途的另一个例子是用于将玉米或其它谷物转化为高果糖玉 米糖浆。酶被用于高果糖玉米糖浆的三个加工步骤中，这些步骤是：玉米 或谷物的液化、玉米或其它谷物的糖化将淀粉转化为糖、和葡萄糖异构化 为果糖。特别地，葡萄糖异构酶被用于将葡萄糖转化为果糖。这些被使用 的酶可以有利地被固定于本文描述的酶固定化材料内。这种酶的固定化是 有利的，因为酶会被稳定而不发生变性，而且酶可以容易地被去除从而导 致工艺更可控。同样，固定化酶粒子可以容易地从高果糖玉米糖浆产品中 分离出去。这些加工步骤更详细地描述在美国专利5,593,868和4,567,142 中，这些专利文献通过引用被包括在这里。
此外，酶还可以用于食物加工中，因为这些工艺需要酶催化蛋白质的 多种反应。例如，在烘焙工艺中，真菌淀粉酶、半纤维素酶、戊聚糖酶、 木聚糖酶、蛋白酶、支链淀粉酶和酸性蛋白酶被用于各种目的。在一种工 艺中，真菌淀粉酶被用于改性面粉来适于烘焙并生产出更均一的面团和产 品。此外，产麦芽糖淀粉酶被用于延长多种类型面包的货架期，支链淀粉 酶被用作烘焙产品中的保鲜剂。在酿造工艺中，淀粉酶、蛋白酶、β-葡聚 糖酶和乙酰乳酸脱羧酶被用于多个步骤。对于啤酒来说，这些酶中的一些 可以被加入到麦芽中促进淀粉到可发酵糖的转化，从而去除啤酒冷混浊 (chill haze)和改善过滤。对于干酪和和乳清的生产，蛋白酶(例如，胃 蛋白酶)和脂肪酶被用于奶的凝化和干酪的熟化步骤，乳糖酶被用于生产 乳清糖浆。此外，β-葡萄糖苷酶转化豆奶中的异黄酮植物雌激素。这些酶 中的每一种都可以通过本文描述的方法被固定于可食用固定化材料内并有 利地用作这些反应的催化剂。这些工艺更详细地描述在美国专利 7,014,878、6,936,289、6,830,770、4,358,462和6,372,268中，这些专利文 献通过引用被包括在这里。
多种化学合成工艺利用酶来进行酯化、手性合成、和油的酯交换及脱 胶。例如，多种羧酸化合物(包括具有羧酸侧基的聚合物)可以利用多种 酶被醇酯化。用于催化酯化反应的酶通常是水解酶，特别是脂肪酶、蛋白 酶和酯酶。示意性的酶包括南极假丝酵母(Candida antarctica)脂肪酶B(由 Novozyme生产)、米黑毛霉(Mucor meihei)脂肪酶IM、洋葱假单胞菌 (Pseudomonas Cepacia)脂肪酶PS-30、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)脂肪酶PA、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluoresenses)脂肪 酶PF、黑曲霉(Aspergillus niger)脂肪酶、和来自猪胰腺脂肪酶的柱状 假丝酵母(Candida cylinderacea)脂肪酶。这些反应的更具体的细节描述 在美国专利7,183,086和6,924,129中，这些专利文献通过引用被包括在这 里。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来改善酶稳定性。
对于化学合成来说，多种酶可以催化多种化学转化。例如，谷氨酰胺 酶被用于将谷氨酰胺转化为谷氨酸；青霉素酰基转移酶被用于化学合成； 氯过氧化物酶被用于类固醇合成；天冬氨酸β-脱羧酶被用于从L-天冬氨酸 制造L-丙氨酸；环糊精糖基转移酶被用于从淀粉制造环糊精。此外，多种 手性化合物的合成也使用酶。枯草杆菌蛋白酶被用于化学化合物或药物的 手性拆分；氨基酰化酶可以光学拆分氨基酸；醇脱氢酶被用于化学品的手 性合成；氨基酸氧化酶被用于外消旋氨基酸混合物的拆分。这些反应的一 些的更具体的细节描述在美国专利6,036,983、5,358,860、6,979,561、 5,981,267、6,905,861和5,916,786中，这些专利文献通过引用被包括在这 里。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来改善化学合成过程中 的酶稳定性。
利用多种酶，油可以被酯交换及脱胶。例如，酶促酯交换反应是控制 食用油和脂肪的熔融特性的有效方法。这是通过控制转化/反应的程度来实 现的。这个方法中不使用化学品，并且不会如其它生产工艺中一样产生反 式脂肪。固定化的脂肪酶可以被用于对生产人造黄油和起酥油的油和脂肪 中的脂肪酸进行酯交换。此外，酶促方法可以被用于除去植物油中的胶质； 这个方法一般被称为脱胶。酶促脱胶使用磷脂酶将不能水合的卵磷脂(胶 质)转化为水溶性的溶血卵磷脂，溶血卵磷脂可以通过离心分离。这些工 艺描述在美国专利6,162,623、6,608,223、7,189,544和6,001,640中，这些 专利文献通过引用被包括在这里。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒 子代替来改善酯交换及脱胶过程中的酶稳定性。
此外，固定化酶粒子可以用于生物传感器。一般地，这些生物传感器 用于诊断方法来检测在复杂混合物(例如体液和工业混合物)中的各种待 分析物。例如，多种传感器可以用于检测各种体液中的尿素、尿酸和胆固 醇。美国专利5,714,340中描述了多种传感器，该专利文献通过引用被包括 在这里。
固定化酶粒子可以用于多种检验方法，用于测定体液(例如，唾液、 血液、或尿液)中多种化合物或生物体的存在与否和/或其浓度。这些检验 方法使用各种酶来与待分析物和酶抑制剂相互作用；这些相互作用允许从 一种或几种待分析物分子或生物体的检测形成或转化成大量分子。由此， 酶活性与待分析物的浓度成比例，并且允许检测低浓度的待分析物。待分 析物可以是小分子农药和其它毒素到微生物。可以使用对特定待分析物的 捕获和检测具有高特异性的多种检验探针。使用酶放大的检验方法在美国 专利6,171,802、6,383,763和4,067,774中有所描述，这些专利文献通过引 用被包括在这里。
此外，固定化酶粒子可以用于物质的纯化和混合物中组分的分离。例 如，酶可以用于从外消旋混合物中分离手性分子和异构体；用于从油、气 或其它工业原料中除去硫；用于从植物中分解和分离木质纤维素组分；用 于处理和净化废水；和用于加工食物除去不想要的化合物。
从油、气或其它工业原料中除去硫的过程使用多种酶。这些酶通常被 称为脱硫酶。一种重要的脱硫酶是脱亚磺酸酶(desulfinase)。这些脱硫 酶分解各种石油产品中的噻吩并在原料油燃烧之前从中除去硫原子。这些 工艺描述在美国专利6,461,859和7,045,314中，这些专利文献通过引用被 包括在这里。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来改善酶在脱 硫过程中的稳定性。
来自多种植物的木质素可以被木质素过氧化物酶降解。木质素过氧化 物酶催化多种氧化反应得到多种裂解产物和其它氧化产物。这些氧化反应 包括木质素的丙基侧链的碳碳键断裂、苄基(benzylic)亚甲基的羟基化、 苄基醇氧化为相应的醛或酮、和酚氧化。这些过程的细节描述在美国专利 7,049,485中，该专利文献通过引用被包括在这里。木质素过氧化物酶可以 根据本发明的方法被固定化从而提高酶稳定性。
可以使用果胶酶、淀粉酶和纤维素酶来处理果汁从而分解水果细胞的 各种结构和加强果汁提取工艺。在水果加工过程中从细胞释放出的多糖在 果汁中是不可溶的，并使果汁显得混浊。为了使果汁澄清，可以使用果胶 酶和淀粉酶来分解这些不可溶多糖得到可溶的糖。这个工艺得到澄清的果 汁，并且由于引入了可溶的糖使果汁更甜。这些工艺在美国专利5,585,128、 5,419,251和4,971,811中有更详细的描述，这些专利文献通过引用被包括 在这里。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来改善此类工艺过 程中的酶稳定性。
活性表面膜(Active surface film)是包括能与不想要的污染物反应进 行自清洁或从表面除去各种毒素的反应性物质和/或酶的涂层。例如，活性 表面膜可以包括在食品包装、纤维、表面层、绷带或过滤器中来分解毒素 或杀菌。例如，能降解各种毒素的酶可以被包括在纤维中来破坏用作生物 武器的毒素。此外，这种纤维可以被能杀死或破坏细菌的酶涂覆，从而使 穿着者免受细菌感染。这些酶可以被本发明的含有这些酶的粒子代替来改 善用在此类活性表面膜中的酶稳定性。
此外，可以固定化多于一种的酶来提供能催化多于一种反应的多功能 材料。例如，上面描述的酶的组合可以被固定化于一种或多种酶固定化材 料中，从而提供能催化多于一种的反应的产品。
使用本文描述的固定化酶，可以制备与传统燃料电池墨水类似的电极 墨水。首先，酶通过本文描述的喷雾干燥技术被固定化材料包封。然后， 将稳定化后的酶包覆的碳与碳填充剂、5％Nafion溶液混合然后涂到电极 载体上。干燥后的电极然后可以与相应阳极压到交换膜上，可以如H2/O2 燃料电池一样运作。
当考虑炭黑作为酶基催化剂墨水中的填充剂时，是否用掺杂聚合物接 枝、传导性和表面积都可以影响电极的整体性能。已检测了几种炭黑作为 填充剂可以提高电池性能，Monarch 1400已表现出是最容易操作的墨水 并具有最好的性能。但是，任何炭黑都可以替代Monarch 1400来改善酶 与集电体的相互作用。所有与包封的酶混合的炭黑都比单独的酶表现好， 但应该考虑到每种炭黑具有不同的优化参数。
本发明的多个方面涉及固定化的酶用于催化反应的用途，其中酶被固 定化于酶固定化材料中。酶固定化材料固定并稳定酶，对比酶小的化合物 是可透过的，并且可以是胶束状疏水改性的多糖。
本发明的其它方面涉及固定化的酶用于检测待分析物的用途，其中酶 被固定化于酶固定化材料中。酶固定化材料固定并稳定酶，对比酶小的化 合物是可渗透的，并且是胶束状疏水改性的多糖。
本发明的其它方面涉及固定化的酶用于催化反应的用途，其中酶被固 定化于酶固定化材料中。酶固定化材料固定并稳定酶，对比酶小的化合物 是可渗透的。被催化的反应选自：(a)羧酸被醇酯化；(b)玉米或其他谷物 的液化；(c)玉米或其它谷物的糖化将淀粉转化为糖；(d)葡萄糖异构化为 果糖；(e)手性化合物的合成；(f)油的酯交换；(g)油的脱胶；(h)废水处理(反 应)；(i)果汁澄清化；(j)利用淀粉工艺生产葡萄糖；(k)从乳糖生产葡萄糖和 半乳糖；(l)合成具有肽键的化合物；(m)从青霉素G生产6-氨基青霉酸； (n)将糖转化为醇；(o)从石油级分中除硫；(p)将丙烯腈转化为丙烯酰胺； (q)将3-氰基吡啶转化为烟酰胺；和(r)降解衣物污物中的污渍。
本发明的其它方面涉及酶催化反应的改进，所述酶催化反应选自：羧 酸被醇酯化；玉米或其他谷物的液化；玉米或其它谷物的糖化以将淀粉转 化为糖；葡萄糖异构化为果糖；手性化合物的合成；油的酯交换；油的脱 胶；废水处理；果汁澄清化；利用淀粉工艺生产葡萄糖；从乳糖生产葡萄 糖和半乳糖；合成具有肽键的化合物；从青霉素G生产6-氨基青霉酸；将 糖转化为醇；从石油级分中除硫；将丙烯腈转化为丙烯酰胺；将3-氰基吡 啶转化为烟酰胺；或降解衣物污物中的污渍。所述改进包括将酶固定化于 酶固定化材料中，所述酶固定化材料固定并稳定酶，并对比酶小的化合物 是可渗透的。
本发明的其它方面涉及固定化的酶用于检测待分析物的用途，其中酶 被固定化于酶固定化材料中。所述酶固定化材料固定并稳定酶，并对比酶 小的化合物是可渗透的。被检测的待分析物包括尿素、尿酸、胆固醇、农 药、毒素、或微生物。
本发明的其它方面涉及固定化的酶用于从混合物中分离或除去物质的 用途，其中酶被固定化于酶固定化材料中。所述酶固定化材料固定并稳定 酶，并对比酶小的化合物是可渗透的。
本发明的其它方面涉及固定化的酶用于化学活性膜表面的用途，其中 所述膜表面与接触该膜表面的至少一种物质反应并且所述酶被固定化于酶 固定化材料中。所述酶固定化材料固定并稳定酶，并对比酶小的化合物是 可渗透的。
实施例
实施例1：生物阳极性能和制备
1.镍和碳电极结构
用于生物阳极制备的金属和材料的选择在该阳极的性能中起重要作 用。这示于图24，其中用商用NAD-依赖型ADH酶和亚甲绿作为介体制 备3个电极并评价。该电极由镀金不锈钢或镍集电体，与Etek的商用GDL 双侧E-lat或内部自制的环氧树脂和碳GDL作为催化剂载体层构成。镍集 电体与内部自制GDL的组合表现出最佳性能。
这种电极构造还用于葡萄糖脱氢酶，用于以葡萄糖为燃料的生物燃料 电池。该电池的性能示于图25。关于图25，菱形表示的曲线是具有该生物 阳极和空气自呼吸式铂阴极的4块电池(每块电池4.5cm2)的生物燃料电 池堆叠体的性能曲线。三角形表示的曲线是使用商用GDL的现有最好电 池的性能曲线。
2.内部自制的气体扩散层(GDL)
影响生物阳极性能的一个主要因素是如前面部分所示的酶催化剂载体 层。具有干碳糊载体层的阳极具有最佳性能。这种电池的图片示于图7。 该结构在集电体与催化剂层之间充当催化剂载体、反应物扩散层以及电接 触层。该层是炭黑、中孔碳、PTFE、双组分(2-part)环氧树脂的混合物， 并以用水和丙酮制得的糊料形式施加到集电体和框体上。在施加催化剂和 改性Nafion层之前将该糊料干燥。就精确调节性质而言，这种材料作为催 化剂载体具有许多优点。该GDL可以通过调节PTFE与中孔碳之比而制 成更疏水或亲水。其例子示于图26。关于图26，GDL材料通过包括碳筛 (carbon sieves)(菱形表示)而制成更疏水，从而性能比单独使用硫化 碳(三角形表示)的有改善。电池的其余部分为不锈钢多孔金属网集电体(对 于阴极，镀金)，N112作为膜，1％乙醇作为燃料，阴极是4mg/cm2铂黑。
3.生物阳极用的酶
在生物阳极的性能中另一起作用的是ADH酶的纯度、年龄和浓度。 图27给出了7种ADH酶，包括6种内部自制纯化PQQ依赖型ADH酶 和1种商用NAD依赖型ADH酶，的代表性曲线。最差性能的酶是TB1， 它是这批测试酶中最老的(4℃下6周)。最好的是ML10，一种高纯度和 浓度的酶并且测试时是所有酶中最新鲜的。商用NAD依赖型ADH酶在该 图中作为参考点示出。该商用酶的性能与4种内部自制酶相当。各电势与 0V(vs NHE)之差表示各电极的阳极超电势，并且给定电流密度下较低 的电势是优选的。最佳性能是样品ML10，它表现出在400mV(vs.NHE) 电势下75mA/cm2的运作。该性能水平取决于所用酶的质量和类型以及固 定化酶附近存在的金属离子活化剂(如镍)的类型。观察到在内部(in-house) 酸性操作条件下纯化的酶具有最佳性能。
4.生物阳极半电池性能
半电池结构中生物阳极性能，功率密度，的一个例子示于图28。该图 中的阳极具有1cm2的面积，并在具有5％乙醇的1M H2SO4溶液中测试。 该电池达到的最大功率密度为15mW/cm2。该性能水平取决于所用酶的质 量和类型(经申请人纯化的酶具有最佳性能)、操作条件(酸性)以及固 定化酶附近存在的金属离子活化剂(如镍)的类型。
实施例2：4和8块电池堆叠体的性能
当图28所述的生物阳极与铂基阴极配对，并且尺寸放大到4.5cm2并 串联连接(4块电池)时，总性能下降到图28所示性能的33％。4块电池 串联堆叠体的电流对电压以及电流对功率的代表性曲线示于图29A和29B 中。上方图表示具有生物阳极和空气自呼吸式铂阴极的4块电池(每块电 池4.5cm2)生物燃料电池堆叠体的性能。下方图表示该堆叠体的各单电池 的平均电池电压和功率密度。这些电池中所用的阳极酶是内部自己制备并 纯化的。
当两个这种4块电池堆叠体串联连接时，性能进一步减半。8块电池 串联堆叠体的电流与电压以及电流与功率的代表性曲线示于图30A和30B 中。该堆叠体是两个4块电池堆叠体(像前面图片中所示的那种)串联连 接的组合。上方图表示具有生物阳极和空气自呼吸式铂阴极的8块电池(每 块电池4.5cm2)生物燃料电池堆叠体的性能。下方图表示该堆叠体的各单 电池的平均电池电压和功率密度。随着该堆叠体中的电池数目增加，观察 到越低的单电池性能。
实施例3：阳极结构
催化剂载体-气体扩散层(GDL)
用于阳极电极的催化剂载体层由碳材料、Teflon、双组分(2-part)环氧 树脂及溶剂的混合物制成。通过变化这些组分的比率，可以精确调节该结 构的性质。这些性质的例子包括：(1)电子传导，(2)疏水/亲水性质， (3)表面积和(4)干燥时间。将该混合物制成糊料，接着压入Kapton 盖着的框体/集电体结构中，并用医用刀刮去多余的。框体两侧均被盖着， 在一侧有切口以露出暴露的集电体。在该糊料完全干燥和凝固之前，移去 Kapton胶带掩膜，使整个结构在卤素加热灯下干燥。
GDL糊料制剂由3.57g Monarch 1400炭黑(Cabot)和1.43g Chemsorb 1505G5多孔浸渍蒸汽活化碳(C＊Chem)干组分制得。将这些干组分装入食 品研磨机中冲击60秒。湿组分单独制备，它们是5.00g Quick Set双组分 环氧树脂(The Original Super Glue Corp.)、4.00g丙酮和2.00mL在水中 60％PTFE分散体(Sigma)。在加入PTFE分散体之前，将环氧树脂溶解 在丙酮中。将湿组分用超声均质机混合15秒。合并干湿混合物，并用油灰 刀混合直至混合物具有牙膏的稠度。
催化剂层
将酶催化剂层作为缓冲溶液中的酶与TBAB改性Nafion固定化材料 的流延混合物施加到经干燥的GDL结构表面上。在与相应的阴极结构结 合之前，使溶液干燥并固化(cure)。
用于酶催化剂层的制剂
制备一定体积的流延溶液以提供用于8块电池(4.5cm2)的足够量， 并将等分0.45mL的该流延溶液流延到各电极上。流延溶液是2.1mL在 PBS缓冲液中的PQQ依赖型ADH(～10mg/mL)与2.1mL 5体积％溴化 叔丁基铵改性的Nafion固定化材料。
框体和集电体制备
用于阳极集电体和框体组件的部件示于图8。该构造开始于将两块聚 氨酯热熔件熔化到每个乙烯基框体切口的一侧。熔化通过将框体与置于顶 上的热熔件暴露于128℃温度30秒来完成。接着移去热熔件，并允许其冷 却，直至粘结剂触摸起来刚好发粘。将其中金属丝经编织和压制(8公吨) 的多孔金属丝网集电体按图8所示的构形放置到一个框体结构上，并且引 线沿框体侧固定在热熔性胶中。将另一框体放置在集电体/框体/粘结剂结构 的顶上，胶体侧对着多孔金属丝网集电体。接着在最小压力和128℃温度 下将该整个组件压制30秒，以密封该结构。
实施例4：阴极结构
催化剂载体-GDL和集电体
用于阴极电极的催化剂载体层是可商购的碳布GDL材料。E-Tek将该 材料命名为LT2500W低温Elat，在每一侧具有微孔层。用于该阴极的集 电体是0.007″厚不锈钢多孔丝网材料，该材料被切成一定尺寸，沿一边具 有编织并压制的28号绝缘线，以制成旗状结构。在组装该阴极电极之前， 将该阴极旗状物的暴露的传导性部分进行酸蚀刻(5M HCl)，并用 Orthotherm HT RTU rack金浴(Technic Inc.)进行电镀金。
催化剂层
阴极催化剂层由各自载量为4mg/cm2和8.5wt％的铂黑催化剂和 Nafion离聚物组成。将该催化剂制成墨水，并涂到一块大到足以用于8块 电极(36cm2)的Elat上，使其干燥。当催化剂层干燥后，将该块切成面 积为4.5cm2(3×1.5cm)的各电极，并放在一边等最后组装。
用于阴极催化剂层的制剂
制备足够制备8块电池(4.5cm2)的一定体积的流延溶液。该流延溶 液由158.4mg HiSPECTM 1000铂黑(Alfa Aesar)、380.2μL去离子水、100.0 μL 2-丙醇和336.7μL在低级脂族醇/水混合物中的5wt.％Nafion离子交换 树脂(Sigma Aldrich)制成。在涂抹之前，用超声均质机将流延溶液混合15 秒。
阴极制备
将阴极制成包括集电体、GDL/催化剂层和Nafion固定化材料的一个 块。将Nafion固定化材料Nafion 212(Sigma Aldrich)切成稍大于GDL层 的块，接着用去离子水将其润湿。将催化剂/GDL层置于多孔金属丝网集 电体顶上，涂上5wt％Nafion溶液薄层，并用去离子水润湿。在该组件的 顶部放置润湿的Nafion膜，并将该整个结构置于2块(3×3″)0.010″厚的 Kapton(McMaster-Carr)之间。Kapton膜充当压装和释放膜。将整个压装 件在3公吨的压力和128℃下压制90秒，接着在2块1″厚的铝板之间冷却。 移去Kapton膜，在置于框体中之前修理该阴极的尺寸至3.75×1.7cm。
框体制备和阴极组件
阴极集电体和框体组件的部件示于图8。首先，将两块聚氨酯热熔件 熔化到每个乙烯基框体切口的一侧。熔化通过将框体与置于顶上的热熔件 暴露于128℃温度30秒来完成。接着移去热熔件，并允许其冷却，直至粘 结剂触摸起来刚好发粘。将4块预制阴极按图8所示的构形放置到一个框 体结构上，其中引线沿框体侧固定在热熔胶中。将另一框体放置在该集电 体/框体/粘结剂结构的顶上，胶体侧对着多孔金属丝网集电体。接着在最小 压力和128℃温度下将该整个组件压制30秒，以密封该结构。
实施例5：汇流腔和燃料槽
为该设备设计的燃料输送汇流腔给这种具有电解质燃料溶液的燃料电 池带来了好处，这种电解质燃料溶液在常规液体燃料电池(即直接甲醇燃 料电池)中会使电池短路。将燃料通过各电池之间的一系列单向止回阀输 送到各电池储池。止回阀(Poweraire)的使用打断了电池之间的任何离子通 讯，从而防止了短路。在串联设置止回阀的情况下，存在一个燃料进口和 出口以灌装所有电池。用尺寸经修剪的1/8″×1/8″聚丙烯倒钩式弯头(Small Parts)将这些阀连接到电池上。这种设置的图片示于图4和5中。利用注 射器和1/16″内径Tygon管输送和移去燃料(一种需要附加电源的方法)。
该设备的燃料储池系统被设计成通过各电池使用各自储池来消除电池 之间的燃料/电解质接触。这种槽的独特特征是储池的梯级状顶部，如图4 和5中所示的。这使得可以完全灌装堆叠体并消除截留的气泡与阳极的接 触。燃料在槽的较低阶进入，并从较高阶离开，任何截留的空气都被推到 高阶处而不与电极接触。使用0.005″厚在128℃和最小压力下熔化的热熔 性聚氨酯粘结剂将一组4块燃料电池装到储池上，阳极侧对着燃料。
实施例6：壳体
用于8块电池的生物燃料电池堆叠体的壳体示于图2和13。最终的壳 体设计通过机器从0.600″厚丙烯酸材质加工出，特点在于于壳体半件中间 的用于电极结构的支撑基座，于壳体侧上的燃料汇流腔系统开孔，和于壳 体各一端的用于电子和IO接口的开孔。将该堆叠体插入两个壳体半件之 间，并在堆叠体四角的每个角处用1″liing 8/32六角头螺栓将壳体栓在一 起。用0.020″厚PTFE密封垫围绕周边将这两个半件密封在一起。
实施例7：复合催化剂
已发现沉积在碳负载聚吡咯中的CoPcF(通常5～60wt％)一旦在高温 下适当热解后对于氧还原表现出优异的活性。CoPcF-碳负载聚吡咯复合物 与适当热解的组合使得该复合催化剂CoPcFPPy非常独特。在具有1.0M 硫酸溶液(具有或没有磷钨酸(PTA)促进剂)的空气自呼吸式半电池中于大 约25℃的室温评测这些催化剂。该催化剂根据下述程序制备。催化剂的一 般制备条件列于下表中。
催化剂制备条件
  复合催化剂  重量比(CoPcF∶CPPy)   热解温度(℃)   热解时间(小时)   CoPcFCPPy  1∶8～6∶1   100～1000   0.5～6   CoPcCPPy  1∶8～6∶1   100～1000   0.5～6
注：CoPcF-十六氟酞菁钴；CPPy-碳负载聚吡咯；CoPc-酞菁钴。

1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟-29H，31H-酞菁钴(II) (CoPcF)的结构

(如果被掺杂的)
表示聚吡咯结构
这种复合物的制备如下述，制备条件是CoPcF∶CPPy之比为1∶2，热 解温度为600℃，热解时间为1小时。将铂黑(Johnson Matthey)以5mg/cm2 载量涂到Teflon处理的碳布(E-Tek)上，催化剂层具有10％Nafion。将 CoPcFCPPy以10mg/cm2载量涂到Teflon处理的碳布(E-Tek)上，催化剂 层具有30％Nafion，并且具有或没有磷钨酸(PTA)(如果有则比率为1∶10 (PTA∶CoPcFCPPy))。扫描速率为2mV/s。所得催化剂对氧还原表现出优 异活性(最大功率密度约为25mW/cm2)，如图31的虚线极化曲线表示。当 磷钨酸(PTA)混入CoPcFCPPy复合催化剂(PTA∶CoPcFCPPy的重量比＝ 1∶50～1∶2，代表性重量比为1∶10)时，观察到明显的性能上升(最大功率密 度为36mW/cm2)。该性能与铂(Pt)催化剂性能相当。
具有PTA和没有PTA的CoPcFCPPy的制备程序
将1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-六氟-29H，31H-酞菁钴(II) (CoPcF)(100mg，Sigma)和200mg碳负载聚吡咯(PPy/C)(Sigma)在超声浴 中在4mL四氢呋喃(Sigma)中分散10分钟，接着在真空炉中室温下将溶 剂蒸发1小时。接着将干粉置于坩埚中，并在氮气氛炉中于600℃下热处 理1小时。所得催化剂称作CoPcFCPPy。将CoPcFCPPy(10mg)和60mg Nafion溶液(5％，Sigma)在超声浴中在200μL异丙醇中分散10分钟，将混 合物缓慢涂到1cm2气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室 温下真空炉中30分钟。当加入磷钨酸(PTA)时，溶解1mg PTA，并且将 10mg CoPcFCPPy和60mg Nafion溶液(5％，Sigma)在超声浴中在200μL 异丙醇中分散10分钟，将混合物缓慢涂到1cm2气体扩散层(ELAT， A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真空炉中30分钟。
Pt阴极的制备程序
将铂黑(5mg，Johnson Matthey HiSpec 1000)和2mg炭黑(Monarch 1000)在超声浴中分散在200μL异丙醇中5分钟，接着加入33mg Nafion 溶液(5％)，随后将混合物再超声处理5分钟。将混合物缓慢涂到1cm2 气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真空炉中30分 钟干燥。
实施例8：CoPcCPPy复合物阴极催化剂的乙醇耐受性
如实施例1所述制得的CoPcFPPy在电解质溶液含15或30％被氧饱 和的乙醇时没有表现出活性损失(图32)。这表明催化剂表现出好的醇耐受 性。在30％乙醇溶液中观察到更好的结果，因为氧在该溶液中具有更高的 溶解度。
实施例9：CoPcFCPPy空气自呼吸式阴极的热固化(heat-curing)影响
因为燃料电池组装包括在约100℃下压制燃料电池部件并在约80℃ 下固化再流延的Nafion电解质聚合物，所以在100℃下固化阴极之后评 测了催化剂活性。图33中的结果表明性能与电极固化温度无关。
实施例10：CoPcFCPPy空气自呼吸式阴极的稳定性
当在5％乙醇的1M硫酸溶液中评测铂阴极时，0.4V电子电势下氧还 原的电流密度小于30mA/cm2，并在1小时后衰减到19mA/cm2，如图34 所示。铂是氧还原的合适催化剂，但它也催化醇氧化(乙醇)。如图35所示， Pt阴极的混合电势较低，可能因为铂上乙醇氧化的中间体使铂催化剂中 毒，造成其活性更快衰减。在0.4V的相同电势下，CoPcFCPPy阴极对氧 还原具有远远更高的电流密度(参见图34)，最初约65mA/cm2，1小时后 衰减到58mA/cm2。具有PTA的CoPcFCPPy催化剂比没有PTA的 CoPcFCPPy导致具有甚至更高电流密度的阴极。电流密度在1小时后从 82mA/cm2衰减到73mA/cm2。具有或没有PTA的CoPcFCPPy并不催化 乙醇氧化，如图B.3和B.7所示，并且对氧还原反应具有高的选择性。为 比较，在不存在乙醇的1M硫酸溶液中测试铂阴极。铂阴极的氧还原电流 密度约为77mA/cm2，1小时后衰减到71mA/cm2。这表明这些阴极的衰 减可能并不是由催化剂中毒或分解所致。CoPcFCPPy催化剂在含5％乙醇 的硫酸溶液中非常稳定。
实施例11：CoPcFCPPy催化剂的稳定性
对时间寿命测试中观察到的衰减(图34)的一个可能解释是阴极淹水 (flooding)。图36证实一定程度的阴极淹水是可能的，因为1或20小时 酸浸提不影响活性。在120小时酸浸提之后，催化剂对氧还原仍表现出非 常好的活性。
浸提条件。将CoPcFCPPy(20mg)分散在1mL 1M H2SO4溶液中并 允许其沉降。过滤出催化剂粉末，并用蒸馏水漂洗。将催化剂粉末置于真 空炉中于室温下放2小时。将干的催化剂(10mg)和60mg Nafion溶液(5％， Sigma)在超声浴中在200μl异丙醇中分散10分钟，将混合物缓慢涂到1cm2 气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真空炉中30分 钟。
实施例12：未热解的CoPcFCPPy催化剂
观察高温热处理CoPcFCPPy催化剂之后催化剂活性的增长情况，如 图37所示。碳负载PPy提供了具有高导电性和高表面积的载体用于固定 CoPcF，以增强电催化活性。特别地，PPy可以提供与CoPcF中钴原子配 位(coordinate)的氮原子。因为卟啉由4个吡咯单元组成，CoPcF中Co原 子与PPy中吡咯单元的氮原子的配位可以模仿Co卟啉的催化功能。因此， CoPcFCPPy催化剂复合物可以整合CoPcF功能和Co卟啉功能。高温下 热处理可能部分使CoPcF结构和PPy链分解，从而为Co原子提供了与吡 咯单元的氮原子配位的更多机会。
热解CoPcFCPPy的制备描述在以上实施例B.1中。
来热解CoPcFCPPy的制备
将CoPcF(3.3mg，Sigma)、6.7mg PPy/C(Sigma)和60mg Nafion溶 液(5％，Sigma)在超声浴中在200μL异丙醇中分散10分钟，将混合物缓慢 涂到1cm2气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真空 炉中30分钟。
实施例13：在600℃下热解的炭黑负载CoPcF
含PPy的CoPcF催化剂表现出比仅负载在炭黑(Monarch 1000)上的 CoPcF催化剂具有增加的氧还原活性。氧还原反应的活性低于CoPcFCPPy 的(图31)，即使催化剂在600℃下被热解(图38)。而且，没有PPy的催 化剂不具有好的乙醇耐受性。
CoPcF/C的制备
将CoPcF(100mg，Sigma)和200mg炭黑(Monarch 1000)在超声浴中 在4mL四氢呋喃(sigma)中分散10分钟，接着在真空炉中室温下将溶 剂蒸发1小时。接着将干粉置于坩埚中，并在氮气氛炉中于600℃下热处 理1小时。所得催化剂称作CoPcF/C。将CoPcF/C(10mg)和60mg Nafion 溶液(5％，Sigma)在超声浴中在200μL异丙醇中分散10分钟，将混合物缓 慢涂到1cm2气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真 空炉中30分钟。
实施例14：在600℃下处理过的CoPc-PPy-C
除了CoPcF以外，我们还制备了在炭黑上负载的PPy中的酞菁钴 (CoPc)，并在600℃下处理它。其对于氧还原的活性明显低于CoPcFPPy 的(见图39)。
CoPcCPPy的制备
将CoPc(100mg，Sigma)和200mg PPy/C(Sigma)在超声浴中在4 mLTHF(Sigma)中分散10分钟，接着在真空炉中室温下将溶剂蒸发1小 时。接着将干粉置于坩埚中，并在氮气氛炉中于600℃下热处理1小时。 所得催化剂称作CoPcCPPy。将CoPcCPPy(10mg)和60mg Nafion溶液 (5％，Sigma)在超声浴中在200μL异丙醇中分散10分钟，将混合物缓慢涂 到1cm2气体扩散层(ELAT，A7NCV2.1)的活性侧，接着置于室温下真空炉 中30分钟。
实施例15：含酶的生物阴极
生物阴极的制备
将炭黑(或碳纳米管)(0.30mg)在超声浴中在100μL异丙醇(Sigma)中 分散2分钟，制备碳粉悬浮液。将10μL在1mg/ml pH 5的乙酸缓冲液中 的酶(BOD或漆酶)溶液加入悬浮液中，随后摇动1分钟。将混合物缓慢涂 到1cm2气体扩散层(GDL)(ELAT，A7NCV2.1，或内部自制GDL)的活 性侧，接着置于室温下真空炉中30分钟。pH 5的乙酸缓冲液通过将12.0g 乙酸和28.7g乙酸钠溶解在1升去离子水中制得。
在氮饱和的乙酸缓冲液中观察到胆红素氧化酶(BOD)与 MWCNT/Torey碳纸电极之间的直接电子转移，如图40所示。BOD的氧 化还原电势大约0.4V。当缓冲溶液被氧饱和时，氧还原反应的催化电流开 始出现在约0.8V，并且在接近BOD的氧化还原电势的电势下快速增加。
也观察到漆酶在多壁碳纳米管(MWCNT)/Torey碳纸电极处的清楚直 接电子转移，如图41所示。值得关注的，循环伏安图中3对氧化还原峰清 楚地分开，它们对应于来自漆酶中T1、T2和T3类型的活性铜位点的直接 电子转移。
按T1位点的氧化还原电势及一级结构进行分类，存在3组漆酶，即 低、中和高氧化还原电势酶。T1位点的氧化还原电势的值在430-790mV (vs.NHE)间变化。由于已经成功观察到酶的直接电子转移行为，预计合适 的漆酶可以在对于燃料电池电压有好处的更高电势下催化氧还原反应。当 使用漆酶(Trametes物种)时，漆酶催化的ORR在羟基官能化MWCNT电 极(空气自呼吸式)开始于0.9V，并且在0.5V可以得到0.4mA/cm2的电流 密度，如图42所示。
为获得酶的更好直接电子转移，针对特定酶必须修剪碳纳米管(CNT)。 对于胆红素氧化酶(BOD)，MWCNT比单壁碳纳米管(SWCNT)表现更好。 对于在空气自呼吸式阴极的BOD催化的氧还原反应(ORR)，MWCNT中 羟基官能化MWCNT的表现比原MWCNT和羧基官能化MWCNT好， 如图43所示。
炭黑(例如DegussaXE2，XE2B，XPB F138等)也利于酶的直接电子转 移。例如，在XE2基气体扩散电极(GDE)处的BOD催化的ORR与在 MWCNT基GDE处的相比在低电流密度区域是相当的，并且比在XE2B 和XPB F138基GDE处的好，如图44所示。
在空气自呼吸式的生物阴极，在两侧涂有防水材料的E-Tek碳布(双侧 防水，DS)是性能最好的可商购GDE材料之一。这种GDE(E-Tek，DS) 仅仅具有防水处理，这可以用在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中以防止 阴极淹水。但是，在生物阴极，阴极酶的活性必须被保持以利于直接电子 转移，并且GDE直接接触电解质溶液所以GDE中存在离子传导，同时应 允许足够的环境空气自然扩散(呼吸)通过GDE。
因此，必须为生物阴极设计特定的GDE。使用固定在不同GDE上的 羟基官能化MWCNT/BOD混合物，对于ORR而言生物阴极的性能明显 受这些GDE影响，如图45所示。已证实Degussa XE2炭黑和MWCNT 可以有效促进BOD的直接电子转移。这些碳材料和防水材料(例如聚四氟 乙烯(PTFE))用在内部自制GDE的制备中。碳材料和PTFE的面团样物 (dough)通过混合炭黑或MWCNT与PTFE悬浮液形成。接着，将该面 团样物涂在碳布、碳纸或多孔碳板上。涂层膜中的溶剂通过在50-10000 磅的压力和50-120℃下热压该膜而蒸发。涂层膜中的PTFE含量为0wt.％ -80wt.％。更重要的步骤是通过在膜中加入成孔剂(例如0.1-20wt.％碳酸 铵溶液)，接着将成孔剂在40-90℃下热分解来控制涂层膜中的孔分布。最 好，得到期望的GDE。评测结果表明炭黑XE2基GDE中30％PTFE对 于BOD催化的ORR表现出最佳性能，特别地在高电势下观察到明显高的 电流密度，例如0.8V下1mA/cm2，这远高于E-Tek GDE(图45)。
类似地，漆酶催化的ORR可以通过固定在官能化MWCNT上的漆酶 (涂在GDE上)获得。碳纳米管中的官能基包括羟基、羧基、疏基和氨 基。
此外，在不存在MWCNT下，吸附到普通碳布上的BOD没有表现出 有效的直接电子转移，因此该碳布电极的BOD催化的ORR电流在0.2V 下小于0.1mA/cm2。但是，该碳布可以通过将该布在500-900℃下加热1 -20分钟来活化，接着将热的布浸在冷水(0℃)中冷却布，并接着在真 空炉中40-100℃下将其完全干燥。接着，将BOD固定在经活化的布上。 BOD-活化布电极在0.2V下表现出明显高的ORR电流(1.7mA/cm2)(图 46)。该活化技术提供了可以促进酶的直接电子转移的有用途径。
实施例16：CuPCTSA-TBAB涂布的聚(苯乙烯-共-二乙烯基苯)
在该实施例中，将聚(苯乙烯-共-二乙烯基苯)粒子包覆上溴化四丁基铵 (TBAB)改性的Nafion固定化材料和水溶性染料的混合物，该染料充当酶 将氧还原成水的电子介体。为制备这些粒子，将0.080g四磺酸酞菁铜 (II)(CuPCTSA)在4.00mL TBAB改性Nafion(5wt％)的乙醇溶液中的 染料溶液与2.00g聚(苯乙烯-共-二乙烯基苯)粒子在4.00mL 0.5M磷酸缓 冲液pH 7.2中的粒子悬浮液合并。将染料溶液加到粒子悬浮液中，并涡旋 混合几秒，直至得到基本均匀的混合物。接着将整个混合物用喷枪喷到聚 碳酸酯屏上。将混合物在屏上干燥20分钟，随后收集并干储存在闪烁管中。
所得涂层粒子是蓝色，并且通过将包覆粒子装填到柱子中并将几百毫 升水通过它来核实了染料的保留。在从柱子洗脱的流动相中没有发现可检 测含量的染料。覆层的厚度设计为0.07微米厚，并且粒子在包覆之前的平 均直径为8微米。粒子的表面积(包覆之前)计算为0.75m/g2。所得电子介 体的载量为4wt％。
实施例17：醇脱氢酶-TBATFB包覆的掺杂的聚吡咯/炭黑复合物
在经掺杂的聚吡咯/炭黑复合物(Sigma，目录号530573)粒子上包覆四氟 硼酸四丁基铵(TBATFB)改性的Nafion固定化材料与醇脱氢酶的混合 物。制备0.080g经冷冻干燥的醇脱氢酶(ML57)和2.00mL 0.5M磷酸缓 冲液(pH 7.2)的溶液。制备4.00mL TBATFB改性Nafion(5wt％)的乙醇 溶液、1.00g经掺杂的聚吡咯/炭黑复合物和4.00mL 0.5M磷酸缓冲液(pH 7.2)的悬浮液。接着将酶溶液和悬浮液涡旋混合几秒，直至得到基本均匀的 混合物。接着将整个混合物在类似实施例16的工艺中用喷枪喷到聚碳酸酯 屏上。将所得产物干储存在4℃的闪烁管中。
所得包覆粒子是黑色，并且利用标准分光光度测定试验和电化学评测 来核实了酶活性的保留。评测相对于正常氢参比电极(NHE)进行。见图49。 所得酶载量为6.25wt％。
实施例18：醇脱氢酶-Ru(II)(NH3)6-TBATFB包覆的掺杂的聚吡咯/炭黑复 合物
将经掺杂的聚吡咯/炭黑复合物粒子(Sigma，目录号530573)包上 TBATFB改性的Nafion、醇脱氢酶和Ru(II)(NH3)6的混合物。 Ru(II)(NH3)6是用于乙醇酶促氧化的电子介体。制备含0.080g经冷冻干燥 的醇脱氢酶(ML59)、0.100g Ru(II)(NH3)6和4.00mL 0.5M磷酸缓冲液 (pH 7.2)的溶液。还制备含6.00mL 0.5M磷酸缓冲液(pH 7.2)、2.00mL TBATFB改性Nafion(5wt％)的乙醇溶液和2.00g经掺杂的聚吡咯/炭黑复 合物的悬浮液。将溶液和悬浮液合并并涡旋混合几秒以形成基本均匀的混 合物。接着将整个混合物在类似实施例16的工艺中用喷枪喷到聚碳酸酯屏 上。将所得产物干储存在4℃的闪烁管中。
所得包覆粒子是黑色，并且利用标准分光光度测定试验来核实了酶活 性的保留。由于粒子表面积未知，没有计算覆层厚度。所得酶载量和电子 介体载量分别为10.3wt％和12.8wt％。
实施例19：消耗淀粉的淀粉酶的酶活性
用于淀粉葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.3)的酶试验由Sigma公布，并且从 http://www.sigmaaldrich.com/img/assets/18200/Amyloglucosidasel.pdf上可 得；它基于Bergmeyer，H.U.，Gawehn K.和Grassl，M.(1974)Methods of Enzymatic Analysis(Bergmeyer，H.U.编辑)第2版，第I卷，434-435中所述 的文献程序。该程序有些轻微变化：用期望酶固定化材料固定化淀粉葡萄 糖苷酶于小杯底部，而不是将淀粉葡萄糖苷酶加入溶液。所测试的酶固定 化材料是用溴化四丙基铵(TPAB)、溴化四丁基铵(TBAB)、溴化三乙基己 基铵(TEHA)、溴化三甲基己基铵(TMHA)、溴化三甲基辛基铵(TMOA)、 溴化三甲基癸基铵(TMDA)、溴化三甲基十二烷基铵(TMDDA)、溴化三 甲基十四烷基铵(TMTDA)、溴化三甲基十六烷基铵(TMHDA)、溴化三甲 基十八烷基铵(TMODA)改性的Nafion，悬浮在乙酸缓冲液中的丁基改性 壳聚糖(Chitosan AB)和悬浮在叔戊醇中的丁基改性壳聚糖(Chitosan TB)。为消耗淀粉的淀粉酶提供最大相对活性的酶固定化材料是悬浮在叔 戊醇中的丁基改性壳聚糖(Chitosan TB)。见图50。
实施例20：消耗麦芽糖的淀粉酶的酶活性
实施例19中所述的程序用来测定消耗麦芽糖的淀粉酶固定在各种酶 固定化材料中的活性。所公布的程序如实施例19中所述经过修改，并且还 将淀粉替换为麦芽糖。受试的酶固定化材料是用溴化四丙基铵(T3A)、溴化 四丁基铵(TBAB)、溴化四戊基铵(T5A)、溴化三乙基己基铵(TEHA)、溴化 三甲基己基铵(TMHA)、溴化三甲基辛基铵(TMOA)、溴化三甲基十四烷基 铵(TMTDA)改性的Nafion，中等分子量癸基改性的壳聚糖(Decyl M)、低 分子量丁基改性的壳聚糖(Butyl L)、低分子量辛基改性的壳聚糖(Octyl L) 和中等分子量丁基改性的壳聚糖(Butyl M)。为消耗麦芽糖的淀粉酶提供最 大相对活性的酶固定化材料是中等分子量癸基改性的壳聚糖(Decyl M)。见 图51。
实施例21：生物阳极催化剂载体1
制备具有多孔金属丝网载体、集电体和聚合物成孔剂的生物阳极催化 剂载体电极。多孔金属丝网载体用在制备该制剂中；石墨纤维与传导性炭 黑之比(1∶4)以及聚合物粘合剂与碳固体之比(0.8∶2.5)导致高传导性但不能 自承的结构。没有多孔金属丝网时，碳电极在操作过程中会断裂，因而认 为不能用于MEA制备。用于该电极的该材料是优选材料，但炭黑和粘合 剂材料可以用其它替代物替换(表1和3)。
GDL糊料的干组分是4.00g Monarch 1400炭黑(Cabot)、1.00g 150 微米长的Milled XN-100石墨纤维(Nippon Graphite Fiber)、1.60g聚(偏 二氟乙烯)粉末作为聚合物粘合剂(Sigma)和2.00g分子量为8,000的聚(乙 二醇)作为聚合物成孔剂(Sigma)。将这些干组分在食品加工器中混合1分 钟。GDL糊料的溶剂是4.00mL乙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠 度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着按上述将该糊料涂到多孔金属丝网和框体结构中，并在180℃烧结20 分钟。移去框体，将电极泡在蒸馏水中30分钟，其间定期地更换水。该步 骤对于除去电极结构内的成孔剂内含物聚(乙二醇)是必须的。接着将电极 在200℃下再烧结10分钟。将电极冷却到室温，并准备用作生物阳极催 化剂载体和电极。所得电极呈刚性，能用剪刀剪断，容易吸收水和电解质。 平面内传导率(in-plane conductivity)是商购GDL材料的～125％。
实施例22：生物阳极催化剂载体2
制备具有多孔金属丝网载体、集电体和聚合物成孔剂的生物阳极催化 剂载体电极。在该制剂中多孔金属丝网载体不是必须的，因为石墨纤维与 传导性炭黑等比例，并且聚合物粘合剂与碳固体之比较高(1∶2)。该制剂得 到传导性比生物阳极催化剂载体实施例21略低的结构，但不像实施例21 的载体，它是自承式的。该电极材料可以是湿的，但由于制剂中不存在成 孔剂而不像前面实施例一样吸附电解质。该类型的电极可以以与商购GDL 类似方式运用，并且可以考虑用于MEA制备。用于该电极的该材料是优 选材料，但可以用其它替换炭黑和粘合剂材料(详见表1和3)。
该GDL糊料的干组分是3.00g Monarch 1400炭黑(Cabot)、3.00g 150微米长的DKDX石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)和3.00g聚(偏二氟 乙烯)粉末(Sigma)。将这些干组分在食品加工器中混合1分钟。GDL糊料 的溶剂是3.00mL正丙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着按上述将该糊料涂到框体结构和PTFE涂布的纤维玻璃片结构内，并 在200℃烧结20分钟。将电极冷却到室温，并准备用作生物阳极催化剂 载体和电极。所得电极呈刚性，能用剪刀剪切，并且水能充分润湿GDL 表面。平面内传导率是商购GDL材料的～75％。
实施例23：生物阳极催化剂载体3
制备具有中孔碳内容物和成孔剂的生物阳极催化剂载体电极，以促进 更大的电解质/电极的相互作用并增大可用电极表面积用于酶催化剂荷载。 该制剂中石墨纤维∶导电炭黑∶中孔碳之比为2∶1∶1，聚合物粘合剂与碳固体 之比为1∶3。所得结构的电导性与生物阳极催化剂载体2的相当。由于制剂 中的成孔剂和中孔碳，该电极材料能够比其它实施例和所列商购GDL材 料更好地润湿和吸收电解质和酶流延墨水。该类型的电极可以以与商购 GDL类似方式运用，并且可以用在MEA制备中。用于该电极的这些材料 是优选材料，但炭黑和粘合剂可以用其它替换(表1和3)。
GDL糊料的干组分是1.50g Monarch 1400炭黑(Cabot)、3.00g 150 微米长的DKDX石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)、1.50g Chemsorb 1505 G5多孔浸渍蒸汽活化碳(C＊Chem)、2.00g聚(偏二氟乙烯)粉末(Sigma)和 1.50g分子量为8,000的聚(乙二醇)(Sigma)。活化碳在混入之前用陶瓷研钵 和研棒人工短暂研磨；将这些干组分在食品加工器中混合1分钟。溶剂是～ 3.00mL正丙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着将该糊料铺到框体结构和PTFE涂布的纤维玻璃片结构内，并在200℃ 烧结20分钟。移去框体，将电极泡在蒸馏水中30分钟，其间定期地更换 水以除去聚(乙二醇)。接着将电极在200℃下再烧结10分钟。将电极冷却 到室温，并准备用作生物阳极催化剂载体和电极。所得电极呈刚性，能用 剪刀剪切，并且可接受地吸收水和电解质。平面内传导率是商购GDL材 料的～50％。
实施例24：生物阳极催化剂载体4
该生物阳极催化剂载体电极在物理性质上类似于生物阳极催化剂载体 2，但不同的是使用炭黑传导性组分和使用成孔剂。该生物阳极催化剂载体 包括化学接枝到炭黑材料上的经掺杂的传导性聚合物和在烧结过程中热分 解的成孔剂。新成孔剂的使用缩短了制备的工艺时间并省去了水吸收步骤 和第二烧结步骤。该电极材料像前面实施例一样能够润湿，吸收电解质， 并且能参与酶与电极之间的电子转移反应。该类型的电极可以以与商购 GDL类似方式运用，并且可以用在MEA制备中。用于该电极的该材料是 优选材料，但炭黑和粘合剂可以用其它替换(表1和3)。
该GDL糊料的干组分是3.00g接枝有8-羟基芘三磺酸掺杂的聚(吡 咯)的Monarch 1400炭黑、3.00g 150微米长的DKDX石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)、3.00g聚(偏二氟乙烯)粉末(Sigma)和2.00g碳酸铵 (Sigma)。将这些干组分在食品加工器中混合1分钟。GDL糊料的溶剂是～ 4.00mL乙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着按上述将该糊料涂到框体结构和PTFE涂布的纤维玻璃片结构内，并 在180℃烧结20分钟。将电极冷却到室温，并准备用作生物阳极催化剂 载体和电极。所得电极呈刚性，能用剪刀剪切，并且表面可以被水润湿。 平面内传导率是商购GDL材料的～75％。
实施例25：生物阴极催化剂载体1
制备生物阴极催化剂载体电极，其中使用聚合物成孔剂以增加电极用 于酶相互反应的表面积并改善阴极反应的产物与反应物的传质。该制剂不 需要使用多孔金属丝网载体，因为石墨纤维与传导性炭黑之比以及聚合物 粘合剂与碳固体之间较高的比例(～1∶2)导致自承式的结构。该结构也表现 出类似于商购碳布GDL材料的传导性。该电极材料非常疏水，但在酶沉 积过程中能被酶和离聚物的醇混合物润湿。该电极中使用微孔形成剂来提 高表面积，使得酶电极相互反应更好。已发现用仅由PTFE作为粘合剂而 制备的阴极电极非常疏水，但在运用过程中容易破裂。该问题通过将制剂 中小百分比的PTFE粘合剂物质替换为PVDF来避免。该类型的电极可以 以与商购GDL类似方式运用，并且用在MEA制备上。用于该电极的该材 料是优选材料，但炭黑和粘合剂可以用其它替换(表1和3)。
该GDL糊料的干组分是4.00g Monarch 1400炭黑(Cabot)、4.00g 150 微米长的DKDX石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)、1.50g聚(偏二氟乙烯) 粉末(Sigma)、3.00g聚四氟乙烯粉末(Sigma)和2.00g碳酸氢铵(Sigma)。 将这些干组分在食品加工器中混合1分钟。GDL糊料的溶剂是～3.00mL 正丙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着按上述将该糊料涂到框体结构和PTFE涂布的纤维玻璃片结构内，并 在200℃烧结20分钟。将电极冷却到室温，并接着在300℃下再烧结10 分钟。将电极冷却到室温，并准备用作生物阴极催化剂载体和电极。所得 电极稍呈刚性，能用剪刀剪切，并且表面非常疏水。平面内传导率是商购 GDL材料的～50％。
实施例26：生物阴极催化剂载体2
该生物阴极催化剂载体电极在物理性质上类似于生物阴极催化剂载体 1，但不同的是炭黑传导性组分的使用和PVDF与PTFE之比。该载体材 料混入化学接枝到炭黑材料上的掺杂的传导性聚合物。为大大提高直接电 子转移率，该掺杂的传导性聚合物以形成用于和酶的金属中心相互作用的 纳米晶须结构的方式小心接枝，在该中心处发生电子转移。当使用这种改 性碳时，不进行实施例25中300℃温度下的烧结步骤，以防止聚合物纳米 结构软化或熔化；并且改变粘合剂的比例以增加PVDF而减少PTFE，因 为PTFE要求较高的烧结温度。该电极材料疏水并且具有部分亲水性，具 有高的表面积，有利于酶与电极之间的直接电子转移反应。该类型的电极 以与商购GDL类似方式运用，并且用在MEA制备中。用于该电极的该材 料是优选材料，但炭黑、成孔剂和粘合剂可以用其它替换(表1和3)。
该GDL糊料的干组分是4.00g接枝有氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓内盐 掺杂的聚(吡咯)纳米晶须的Monarch 1400炭黑、4.00g 150微米长的 DKDX石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)、3.00g聚(偏二氟乙烯)粉末 (Sigma)、1.00g聚四氟乙烯粉末(Sigma)和2.00g碳酸铵(Sigma)。将这些 干组分在食品加工器中混合1分钟。GDL糊料中所用的溶剂组分是～4.00 mL乙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将这些干组分在小烧杯中混合，直至该混合物达到牙膏的稠度。 接着按上述将该糊料涂到框体结构和PTFE涂布的纤维玻璃片结构内，并 仅一次在200℃下烧结20分钟。将电极冷却到室温，并准备用作生物阴 极催化剂载体和电极。所得电极稍呈刚性，能用剪刀剪切，并且表面非常 疏水。平面内传导率是商购GDL材料的～50％。
实施例27：生物阴极催化剂载体3
制备具有空气自呼吸侧和酶侧且具有多孔金属丝网载体作为集电体的 双层生物阴极催化剂载体电极。由于电极酶侧聚合物粘合剂与碳固体的低 比例(例如1∶10)以及由于电极层的组合，所以多孔金属丝网载体对于该制 剂是必须的。优选的布置是在电极的酶侧具有微孔和略亲水结构以增加酶 与电解质之间的相互作用，而且在空气侧提供致密透气且疏水结构以控制 水并保留电解质在电池中。这通过使用双层结构的电极来实现。该双层电 极需要多步制备和烧结过程。用于该电极的该材料是优选材料，但炭黑和 粘合剂可以用其它替换(表1和3)。
用于该电极的空气自呼吸侧的GDL糊料的干组分是4.00g Monarch 1400炭黑(Cabot)、1.00g 150微米长的Milled XN-I00石墨纤维(Cytec Carbon Fibers)和2.50g聚四氟乙烯粉末(Sigma)。将这些干组分在食品加 工器中混合1分钟。GDL糊料中所用的溶剂是～4.00mL 1-丙醇，并将其 增量加入，直至达到期望稠度。
用于该电极的酶侧的GDL糊料的干组分是2.00g传导性聚合物改性 的Monarch 1400炭黑(Cabot)、0.50g 150微米长的Milled XN-100石墨纤 维(Cytec Carbon Fibers)、0.25g聚四氟乙烯粉末(Sigma)和1.00g碳酸铵 (Sigma)。将这些干组分在食品加工器中混合1分钟。GDL糊料中所用的 溶剂是～4.00mL 1-丙醇，并将其增量加入，直至达到期望稠度。
用刮铲将用于空气自呼吸侧糊料的干组分与溶剂在小烧杯中混合，直 至该混合物达到牙膏的稠度。接着按“生物阳极”部分所述将该糊料涂到 多孔金属丝网和框体结构的一侧，并在300℃下烧结20分钟。将电极冷 却。并用刮铲将用于酶侧糊料的干组分与溶剂在小烧杯中混合，直至该混 合物达到牙膏的稠度。接着与空气自呼吸侧一样将该糊料涂到多孔金属丝 网和框体结构的相对侧，并第二次在200℃下烧结20分钟。将电极冷却 到室温，并准备用作生物阴极催化剂载体和电极。所得电极的一侧疏水， 涂抹有酶层的另一侧亲水。
实施例28：与商购GDL材料的比较
图54给出了生物阴极催化剂载体1与双面Elat(BASF)商购阴极GDL 之间的比较，其中使用用氧作为氧化剂的漆酶基生物阴极和用氢作燃料的 Elat上铂黑阳极。Nafion 115用作该热压MEA中的聚合物电解质膜。该 生物阴极的活性基于DET，并且催化剂层中不存在电子转移介体。这两个 系统相比较在整个极化范围接近。生物阴极载体层是均匀的生物阴极载体 层并且对于产物或反应物的传质没有优化。此外，没有使用成孔剂，这导 致表面积减少。
图55给出了生物阳极催化剂载体3与双面Elat商购阳极GDL之间的 比较，其中使用以5.0％甲醇作燃料的铂钌黑阳极和以氧作为氧化剂的Elat 上铂黑阴极。Nafion 115用作该MEA中的聚合物电解质膜。除了开路电 压区域外，所制得的GDL比商购材料在整个极化曲线上都表现好。这可 能是由于所制得的GDL的亲水微孔结构引起燃料溶液与膜的接触增加， 导致由于燃料更多的跨越而造成阴极去极化增加。
实施例29：1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓掺杂的聚苯胺纳米线接枝的炭黑粒子
为制备改性的炭黑粒子，将300mL去离子水转移到一升大小的烧杯 中，并将烧杯置于冰浴中。将冰醋酸(10mL，99％，Sigma)加入烧杯中，并 连续搅拌20分钟以降低烧杯中液体的温度，优选接近5℃。在酸性溶剂的 温度达到5℃之后，将40克Monarch 1400(Cabot)炭黑加入酸性溶剂中。 将该碳浆连续搅拌10分钟。接着，加入溶解在50mL去离子水中的8克 1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓内盐(Sigma)的混合物。将该混合物搅拌20分钟。 向以上混合物中逐滴加入苯胺单体(10mL，Sigma)，并将整个混合物再搅拌 20分钟。为使苯胺开始聚合，经2小时时程逐滴加入溶解在60mL去离子 水中的18克过硫酸铵(Sigma)的混合物。优选在该阶段反应介质温度不上 升高于5℃，否则得到大孔纤维而不是纳米线。一旦所有过硫酸铵溶液都 加入后，将浆料在冰浴中连续搅拌24小时。在第一个24小时搅拌之后， 加入溶解在50mL去离子水中的8克1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓内盐的混 合物。将该混合物搅拌20分钟。向以上混合物中逐滴加入10mL苯胺单 体，并将整个混合物再搅拌20分钟。为使苯胺开始聚合，经2小时时程逐 滴加入溶解在60mL去离子水中的18克过硫酸铵的混合物。优选在该阶 段反应介质温度应该不上升高于5℃，否则得到大孔纤维而不是纳米线。 一旦所有过硫酸铵溶液都加入后，将浆料在冰浴中连续搅拌24小时。在此 第二个在冰浴中的24小时搅拌结束时，将碳浆真空过滤，并用大量的水洗 涤以除去酸。接着，将该改性碳在100℃下真空干燥10小时。
实施例30：1，5-萘二磺酸掺杂的聚苯胺纳米线接枝的炭黑粒子
将去离子水(300mL)转移到一升大小的烧杯中，并将烧杯置于冰浴 中。将冰醋酸(10mL，99％)加入烧杯中，并连续搅拌20分钟以降低烧杯中 液体的温度，优选接近5℃。在酸性溶剂的温度达到5℃之后，将40克 Monarch 1400(Cabot)炭黑加入酸性溶剂中。将该碳浆连续搅拌10分钟。 接着，加入溶解在50mL去离子水中的8克1，5-萘二磺酸四水合物(97％， Sigma)的混合物。将该混合物搅拌20分钟。向以上混合物中逐滴加入苯胺 单体(10mL)，并将整个混合物再搅拌20分钟。为使苯胺开始聚合，经2 小时时程逐滴加入溶解在60mL去离子水中的18克过硫酸铵的混合物。 优选在该阶段反应介质温度应该不上升高于5℃，否则得到大孔纤维而不 是纳米线。一旦所有过硫酸铵溶液都加入后，将浆料在冰浴中连续搅拌2 小时。将碳浆真空过滤，并用大量的水洗涤以除去酸。接着，将该改性碳 在100℃下真空干燥10小时。
实施例31：2-萘磺酸掺杂的聚苯胺纳米线接枝的炭黑粒子
将去离子水(300mL)转移到一升大小的烧杯中，并将烧杯置于冰浴 中。将冰醋酸(10mL，99％)加入烧杯中，并连续搅拌20分钟以降低烧杯中 液体的温度，优选接近5℃。在酸性溶剂的温度达到5℃之后，将40克 Monarch 1400(Cabot)炭黑加入酸性溶剂中。将该碳浆连续搅拌10分钟。 接着，加入溶解在50mL去离子水中的8克2-萘磺酸(70％，Sigma)的混 合物。将该混合物搅拌20分钟。向以上混合物中逐滴加入苯胺单体(10 mL)，并将整个混合物再搅拌20分钟。为使苯胺开始聚合，经2小时时程 逐滴加入溶解在60mL去离子水中的18克过硫酸铵的混合物。优选在该 阶段反应介质温度应该不上升高于5℃，否则得到大孔纤维而不是纳米线。 一旦所有过硫酸铵溶液都加入后，将浆料在冰浴中连续搅拌2小时。将碳 浆真空过滤，并用大量的水洗涤以除去酸。接着，将该改性碳在100℃下 真空干燥10小时。
实施例32：1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓掺杂的聚苯胺纳米线接枝的炭黑粒子
将300mL去离子水转移到一升大小的烧杯中，并将烧杯置于搅拌板 上。将冰醋酸(10mL，99％)加入烧杯中，并在室温(大致24℃)下连续搅 拌20分钟。将Black Pearls 2000炭黑(20克，Cabot)加入该酸性溶剂中。 将该碳浆连续搅拌30分钟。接着，加入溶解在50mL去离子水中的8克 1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓内盐(Sigma)的混合物。将该混合物搅拌20分钟， 向以上混合物中逐滴加入10mL苯胺单体，并将整个混合物再搅拌20分 钟。为使苯胺开始聚合，经2小时时程逐滴加入溶解在60mL去离子水中 的10克氯化铁(III)的混合物。一旦所有氯化铁溶液都加入后，将浆料 在室温下连续搅拌2小时。将碳浆真空过滤，并用大量的水洗涤以除去酸。 接着，将该改性碳在100℃下真空干燥10小时。
实施例33：磺化1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓掺杂的聚苯胺纳米线接枝的炭 黑粒子，其用于高功率输出的生物阴极
将去离子水(300mL)转移到一升大小的烧杯中，并将烧杯置于冰浴 中。将冰醋酸(10mL，99％，Sigma)加入烧杯中，并连续搅拌20分钟以降低 烧杯中液体的温度，优选接近5℃。在该酸性溶剂的温度达到5℃之后，将 40克Monarch 1400(Cabot)炭黑加入酸性溶剂中。将该碳浆连续搅拌10 分钟。接着，加入溶解在50mL去离子水中的8克1-(3-磺丙基)氢氧化吡 啶鎓内盐(Sigma)的混合物。将该混合物搅拌20分钟，向以上混合物中逐 滴加入苯胺单体(10mL，Sigma)，并将整个混合物再搅拌20分钟。为使苯 胺开始聚合，经2小时时程逐滴加入溶解在60mL去离子水中的18克过 硫酸铵(Sigma)的混合物。优选在该阶段反应介质温度不上升高于5℃，否 则得到大孔纤维而不是纳米线。一旦所有过硫酸铵溶液都加入后，将浆料 在冰浴中连续搅拌24小时。在此第一个24小时搅拌之后，逐滴加入6mL 浓硫酸(97％)和12mL冰醋酸(97％)的混合物，同时烧杯仍在冰浴中。 将浆料搅拌1小时，接着真空过滤，并用大量的水洗涤。最后，将该改性 碳在100℃下真空干燥10小时。
实施例34：包覆酶/碳扩散电极1：ADH固定化阳极半电池
将醇脱氢酶包覆到炭黑粉末上，干燥，并经上述程序涂到电极上。 PVDF用作粘合剂，DKDX石墨纤维用于提供电极刚性，Printex XE 2用 作填充剂，聚乙二醇是亲水剂。该糊料制剂是0.5g ADH包覆的碳、0.45g Printex XE 2、0.25g DKDX、0.25g PVDF和0.5g聚乙二醇。将足够量的 甲醇混入该糊料中以赋予其高稠度，并且根据实施例21所述的程序制备电 极。接着测试了该半电池对甲醇的酶促应答以核实酶活性，表明阳性应答。 结果示于图58。
在存在和不存在甲醇下在1M pH为7.2的磷酸缓冲液中进行半电池 测试。如图58所示，观察到经直接电子转移的大约5mA应答。
实施例35：包覆酶/碳扩散电极2：介体介导的ADH固定化阳极半电池
将醇脱氢酶包覆到炭黑粉末上，干燥，并经上述程序涂到电极上。这 些组分与实施例34中针对包覆酶/碳扩散电极1所述的相同。该糊料制剂 是1.09g ADH包覆碳、0.5g DKDX、0.5g PVDF和0.5g聚乙二醇。将足 够量的甲醇混入该糊料中以赋予其高稠度，并且根据上述程序制备电极。 在制剂中没有Printex XE 2碳填充剂的情况下，必须使用介体来观察酶促 应答。对于该实施例，在溶液中使用六胺氯化钌(III)(Sigma)。也可以 用酶包覆可溶性介体并观察应答。结果示于图59。
如图59所示，该电极在大约0.65V(对NHE)的介体峰处能够表现 出催化应答。
实施例36：生物阴极墨水制剂1：酶固定化到ELAT GDL载体上
用酶包覆的碳，将电极涂到ELAT载体结构上。在一种墨水制剂中， 普通炭黑粒子用作墨水中的填充剂材料，而另一制剂仅具有酶包覆的碳和 Nafion溶液。该碳填充剂基墨水制剂包括160mg漆酶包覆的碳、320mg Monarch 1400和2.0mL 5％Nafion溶液。不含碳填充剂的墨水制剂包括 160mg漆酶包覆的碳和0.667mL 5％Nafion溶液。
在墨水制备过程中，首先将酶包覆溶液加入塑料小瓶中。下一步，加 入碳填充剂并涡旋混合大约30秒。加入Nafion溶液，并用刮铲搅拌浆料 直至所有粒子都是湿的。在涂抹到电极载体上之前，用Fisher Scientific Sonicating Dismembrator将该墨水混合为制成均匀稠度墨水所必需的尽 量短的时间。将该墨水涂抹到双面ELAT上，接着在125℃下35秒将它们 压到Nafion 115膜上位于铂黑电极相对侧。
图60的数据是使用以0.500mg/cm2载量加载到电极上的24Unit/mg 漆酶采集的。不含任何碳填充剂的电极表现出直接电子转移(DET)，并不 需要电子介体以获得功率，但是在墨水制剂中使用高传导性高表面积的碳 能够大大增加电池提供的总功率密度和电流密度。有利的碳填充剂例如是 Monarch 1400、Black Pearls 1300、Printex XE 2和Vulcan XC-72。其它 可接受的炭黑列在图60中。在催化剂墨水中使用炭黑作填充剂，获得大于 85mA/cm2的电流密度。影响该阴极电极的性能的关键参数是炭黑的量、 操作温度、固定化漆酶的比活性、包覆的固定化聚合物层的厚度和5％ Nafion溶液的量。
实施例37：生物阴极墨水制剂2：改变墨水制剂中碳填充剂的量
如图61所示，增加炭黑的量增强了电极性能，直至达到临界酶基催化 剂层厚度，此时由于反应物和质子传递限制，性能开始下降。选择使用320 mg、240mg和400mg Monarch 1400碳的3种电极制剂来帮助支持直接 电子转移到酶。320mg碳填充剂墨水制剂由160mg漆酶包覆的碳、320mg Monarch 1400和2.0mL 5％Nafion溶液制成。240mg碳填充剂墨水制剂 由160mg漆酶包覆的碳、240mg Monarch 1400和2.0mL 5％Nafion溶 液制成。400mg碳填充剂墨水制剂由160mg漆酶包覆的碳、400mg Monarch 1400和2.0mL 5％Nafion溶液制成。
如实施例36所述制备墨水制剂，其中在加入Nafion溶液之前将干碳 与酶包覆的碳涡旋混合。接着将墨水超声处理并涂抹到ELAT上。在125 ℃下35秒它们压到Nafion 115膜上位于铂黑电极对侧。
当使用Monarch 1400炭黑时，观察到临界厚度为480mg总碳重量。 达到临界层厚所需的总碳重量取决于用于酶固定化和用作填充剂的碳。例 如，如果使用更密的碳，则在性能由于墨水厚度而下降之前，可接受的总 碳重量更高。如图61所示，当以80mg增量将炭黑含量从240mg增加到 400mg时，峰值载量出现在320mg(～13mg/cm2)。对于这些试验，使用 0.500mg/cm2酶载量的24Unit/mg漆酶。
实施例38：生物阴极墨水制剂3：改变用作填充剂的炭黑类型
选择3种炭黑来说明碳类型变化可以对电池总性能的影响。图62中比 较了Monarch 1400、Pure Black 115和聚吡咯掺杂的炭黑。墨水制剂在下 面给出。
Monarch 1400碳填充剂墨水制剂由80mg漆酶包覆的碳、80mg Monarch 1400和1.0mL 5％Nafion溶液制成。聚吡咯掺杂的炭黑碳填充 剂墨水制剂由80mg漆酶包覆的碳、80mg聚吡咯掺杂的炭黑和1.0mL 5 ％Nafion溶液制成。Pure Black 115墨水制剂由80mg漆酶包覆的碳、80 mg Pure Black 115和1.0mL 5％Nafion溶液制成。
如前述，在加入Nafion溶液之前将干碳与酶包覆的碳涡旋混合。接着 将墨水超声处理并涂抹到ELAT上。在125℃下35秒将它们压到Nafion 115膜上于铂黑电极对侧。
当考虑炭黑作为酶基催化剂墨水中的填充剂时，聚合物掺杂物接枝的 存在、传导性和表面积都可以影响电极的整体性能。几种炭黑作为填充剂 进行了测试以提高电池性能，优选Monarch 1400。但是，如图62所示任 何炭黑都可以替代Monarch 1400来改善酶与集电体的相互作用。所有炭 黑都比单独的酶表现好，但每种炭黑具有应该考虑的不同优化参数。图62 中示出了受试的各种碳中的3种类型，除了用作填充剂的碳类型以外，所 有参数都相同。图D.11的功率曲线的酶载量为0.250mg/cm2。受试的其它 碳在表1中给出。
实施例39：生物阴极墨水制剂4：固定化层厚度评测
为测试固定化层厚对直接电子转移率(其还可以与电池性能直接相关) 的影响，进行下面程序。在该程序中，碳填充剂总含量保持恒定为480mg， 并增加放入墨水中的固定化酶/碳量至保持恒定的酶载量。该实验所变化的 关键参数是包覆步骤中涂到碳上的改性Nafion酶溶液的量。首先，将下面 配方的酶溶液固定到碳上。17％固定化酶配方由1g纳米线接枝的碳、200 mg在0.5M pH 7.2磷酸缓冲液中的漆酶和4mL 5％溴化四丁基铵改性的 Nafion制得。8.5％固定化酶配方由1g纳米线接枝的碳、100mg在0.5M pH 7.2磷酸缓冲液中的漆酶和2mL 5％溴化四丁基铵改性的Nafion制得。 4.2％固定化酶配方由1g纳米线接枝的碳、50mg在0.5M pH 7.2磷酸缓 冲液中的漆酶和1mL 5％溴化四丁基铵改性的Nafion制得。
将漆酶溶解在磷酸缓冲液(pH 7.2，0.5M)中，与1g纳米线接枝的碳样 品(例如：实施例29，1-(3-磺丙基)氢氧化吡啶鎓掺杂的聚苯胺接枝的炭黑 粒子)混合。将该酶/碳浆涡旋混合5分钟。接着，以1mL增量加入溴化四 丁基铵改性的Nafion溶液(在乙醇中5wt％)，并且每加入1mL之后将其 涡旋混合1分钟。将该混合物在室温下喷雾干燥(对环境空气开放)。这得 到负载在纳米线接枝的碳上的固定化酶。如下对每种固定化酶配方制备单 独的墨水制剂。17％酶包覆的碳墨水制剂由20mg 17％固定化酶配方、460 mg Monarch 1400和1.6mL 5％Nafion溶液制得。8.5％酶包覆的碳墨水 制剂由40mg 8.5％固定化酶配方、440mg Monarch 1400和1.6mL 5％ Nafion溶液制得。4.2％酶包覆的碳墨水制剂由80mg 17％固定化酶配方、 400mg Monarch 1400和1.6mL 5％Nafion溶液制得。
如前面实施例中讨论的，墨水制剂具有在加入Nafion溶液之前通过涡 旋混合的固定化酶碳和碳填充剂。一旦加入Nafion溶液，用刮铲混合浆料， 接着用超声dismembrator进行超声处理，随后涂抹到ELAT载体材料上。 一旦电极干燥，在125℃下35秒将它压到Nafion 115膜和相应铂黑阳极上。 结果示于图63。
当使用较少的改性Nafion来固定酶/碳时，由于隔离层的厚度减小， 通过该层的电子扩散速度更高。图63示出了为将酶增量保持恒定在0.136 mg/cm2而与减少碳填充剂的量相关的调整(tradeoff)。包覆过程中所用 的酶的活性为120U/mg。
实施例40：生物阴极墨水制剂5：商购GCL(ELAT)和内部自制的GDL的 比较
为比较生物阴极催化剂载体1与商购的载体(在该情况下是双面 ELAT)，使用相同墨水制剂进行下面程序，与H2/O2PEM生物阴极燃料电 池在相同条件下测试。该程序中所用的墨水制剂由40mg酶包覆的碳、440 mg Monarch 1400和1.6mL 5％Nafion溶液制得。ELAT GDL墨水制剂 由40mg酶包覆的碳、440mg Monarch 1400和1.6mL 5％Nafion溶液制 得。
对于墨水制剂，在加入Nafion溶液之前通过涡旋混合固定化酶碳和碳 填充剂。加入Nafion溶液之后，用刮铲混合浆料，接着用超声dismembrator 进行超声处理，随后涂抹到ELAT载体材料上。一旦电极干燥，在125℃ 下35秒将它压到Nafion 115膜和相应铂黑阳极上。使用相同批次的酶固 定化碳来涂抹墨水，所得数据示于图64。
使用120Units/mg活性的酶制备电极墨水。内部自制的GDL相比较 ELAT GDL在相同条件下具有更高性能。
实施例41：墨水制剂6：壳聚糖固定化酶涂抹到ELAT上
测试不同固定化材料。使用疏水改性的壳聚糖替代溴化四丁基铵改性 的Nafion。任何固定化材料都可以用在墨水制剂中，只要它们在溶剂环境 中能足够地保持活性和稳定性。在喷雾干燥步骤中混入改性壳聚糖。一旦 酶包覆的碳干燥，将其混入下面的墨水制剂。壳聚糖固定化酶墨水制剂由 80mg壳聚糖固定化酶包覆的碳、400mg Monarch 1400和1.6mL 5％ Nafion溶液制得。墨水涂抹步骤与前面实施例所述的相同，但改变压制步 骤。壳聚糖具有较低的熔化和分解温度，因此它在高于85℃的温度下不稳 定。因此，将壳聚糖电极在85℃压35秒。
相比较溴化四丁基铵改性的Nafion包封的漆酶，疏水改性的壳聚糖显 示出性能轻微下降(见图65)。
本发明允许各种修改和替换形式，并且本文通过例子详细描述了其具 体实施方案。但应该理解到并非意在将本发明限于所公开的特定形式，相 反本发明涵盖落在所附权利要求所限定精神和范围内的所有修改、等同形 式和替换。
从前面描述可以看到本发明的若干目的已经实现，并获得其它有利结 果。由于在不脱离本发明范围的情况下以上方法能进行各种变化，所以以 上描述所包含或附图所示的所有内容都意在解释为示例性而非限制性的。
在介绍本发明或其优选实施方案的要素时，修饰语“一个”、“一种”、 “所述”都意在表示存在一个或多个此要素。术语“包括”、“包含”和 “具有”意在表示可以存在所列要素之外的其它要素。
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