摘 要：生物燃料电池（Biological fuel cells，简称biofuel cells）是一种生物电化学装置，利用生物催化剂（包括氧化还原酶、细胞器和含氧化还原酶的微生物）从化学能中产生电能。本文在理解氧化还原酶固有物理化学性质的基础上，介绍了生物燃料电池的特征。还详细介绍了生物阴极和生物阳极构建的基本概念和策略，并介绍了一些生物燃料电池的实例。此外，对生物燃料电池研究和生物电化学能量交换系统研究中需要克服的问题和前景进行了广泛的讨论。
关键字：氧化还原酶，重组能，取向，介孔电极，微孔结构，介体，线性自由能关系，微生物，超电势，可逆催化
1、前言
生物燃料电池（生物电池，biofuel cells）是使用在温和条件下能有效发挥作用的酶和微生物等作为电极催化剂的能量转换装置，具有使用氧化还原酶或微生物等生物催化剂代替贵金属催化剂的温和燃料电池的特点。其可以使用糖、酒精、有机酸、氢等各种身边熟悉的能源作为燃料，因此作为安全且廉价的新一代电源备受关注，并且实用性研究也在迅速发展。本文介绍了其工作原理和特征，并对最近的研究开发动向和未来的发展前景进行了概述。
氧化还原酶的种类很多，约占全酶种类的1/4。氧化还原反应遍及生物的所有能量获取系统，与此相关的酶群担任着生物能量转换系统的主角。该转换系统主要由光合作用和代谢•呼吸组成，通过6CO2/葡萄糖（C6H12O6）和O2/2H2O之间的氧化还原反应，将光能转换为ATP（三磷酸腺苷），后者用于生命活动（图1）。光合作用相当于充电过程，代谢·呼吸相当于放电过程。由于光合作用和代谢•呼吸这两个过程的氧化还原反应的活化能很高，因此可以使用氧化还原酶系统，将光能储存在糖类中，且在必要的时候摄取•代谢并转换成生物能。
图1 生物能源转化系统概念图
由于这种生物能源转换系统与电池系统具有许多相似之处，因此自然而然地产生了从生物系统中学习并使用该机制创造能源转换装置的想法，而基于这个概念的装置就是生物电池（图2）1、2）。 大约100年前，人们曾尝试基于类似概念，利用微生物的力量产生电能3）。在宇宙开发备受关注的20世纪60年代到70年代，日美都开始了微生物电池的研究。当时主要着眼于以微生物的代谢物作为燃料。另一方面，在同一时期，还使用氧化还原酶作为电极催化剂来构建从有机物到负极的电子转移系统，从而开始酶生物电池的研究4）。当时，对氧化还原酶反应和电极反应之间的共轭的了解尚不充分，电池输出功率也很小。1994年，甲醇/O2型酶生物电池被开发出来5）。以此为契机，重新掀起了对酶生物电池的研究热潮。 进入21世纪，其功率有了飞跃性的提高。受此影响，使用微生物作为电极催化剂的生物电池也被重新研究，从微生物到电极的电子转移系统也受到关注，并且开启了微生物型生物电池的新研究。 
图2 生物电池示意图
与稀有金属等相比，氧化还原酶的特点及优点如下：①显示出极高的催化活性；②电子移动的再取向能小，许多酶具有双向催化活性；③对氧化还原的两种基质之一具有高反应特异性；④由于通过生物复制获得，因而具有极高的同—性和均一性；⑤在化学反应方面显示出多样性；⑥可以明确定义辅因子的氧化还原电势，同时理论上可以测量该电势，因此易于精确分析电流-电压曲线。但是另一方面，其也具有以下缺点：⑦尺寸很大，并且由于电极活性氧化还原中心不在酶的正中间，因此酶的取向效应明显；⑧易失活，较脆弱。 由于氧化还原酶的这些特性，生物电池具有以下特性：（a）由于使用生物催化剂用作温和催化剂，因此其可以在室温、常压、近中性的条件下发挥催化作用（但是，同时也意味着其只能在这种条件下运行，因此，电流密度（jmax）最大100mA cm-2左右已是极限6））；（b）过电压非常小，可以获得非常接近理论值的开路电压（OCV）；（c）除了可以利用各种能源外，通过将酶反应系统级联排列，可以构建完整的生物燃料氧化系统7），因此其具有碳中和特性；（d）酶具有可以通过构建大量表达系统从而准确且廉价地生产，易于操作且安全等特征。3、生物催化反应与电极反应的共轭
图3 酶催化电极（负极）反应的概念图
另一方面，将被称为介体的氧化还原物质（Mox