(57)【要約】【課題】バイオ燃料電池におけるカソードの性能低下を抑制し、高出力化等を実現し得る発電方法を提供すること。【解決手段】カソードに電解液を導入する電解液導入ステップと、該電解液導入ステップを経た後に、アノードに燃料を供給する燃料供給ステップと、を少なくとも行う発電方法を提供する。本発明に係る発電方法では、燃料供給の前に、電解液をカソードに導入することで、カソードを、燃料を含有しない電解液に満たすことができる。その結果、カソードへの燃料の浸透を抑制することができるため、カソードの燃料による性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できる。【選択図】図４
2010102870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極上で酵素を触媒として酸化還元反応が進行することにより発電させる方法であって、
カソードに電解液を導入する電解液導入ステップと、
該電解液導入ステップを経た後に、アノードに燃料を供給する燃料供給ステップと、
を少なくとも行う発電方法。
【請求項２】
前記燃料供給ステップでは、アノード及び／又はカソードの電位に応じて燃料の供給態様を制御する第１制御ステップを行う請求項１記載の発電方法。
【請求項３】
前記燃料供給ステップでは、カソードに浸入した燃料の燃料濃度に応じて燃料の供給態様を制御する第２制御ステップを行う請求項１または２に記載の発電方法。
【請求項４】
前記供給態様は、燃料の供給量、供給タイミング、濃度、から選ばれる少なくとも一の態様である請求項２または３に記載の発電方法。
【請求項５】
前記燃料は、糖質、タンパク質、糖たんぱく質、脂肪酸、から選ばれる少なくとも一の燃料である請求項１から４のいずれか一項に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電方法に関する。より詳しくは、電極上で酵素を触媒として酸化還元反応が進行することにより発電させる方法であって、燃料供給方法を工夫することにより、高出力を実現し得る発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に、触媒として機能する微生物や酸化還元酵素を固定した燃料電池（以下、バイオ燃料電池という。）が、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。これは、生体内の生体代謝では、常温下において高効率のエネルギー変換が行われるため、安全性の高い高効率の発電が実現できること、また、基質特異性を有する酵素を利用することにより、例えばグルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では反応が困難でかつ安全な燃料から、効率よく電子を取り出すことができるためである。
【０００３】
例えば、微生物又は細胞の呼吸では、糖類、タンパク質、脂肪などから、解糖系、アミノ酸分解、尿素分解、β酸化、トリカルボン酸回路などを介して二酸化炭素を生成する過程において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamide adenine dinucleotide、以下「NAD＋」と称する。）を還元し、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（以下「NADH」と称する。）のような化学エネルギー物質に変換する。
【０００４】
また、光合成においては、光エネルギーを吸収することにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate、以下「NADP＋」と称する。）を還元し、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（以下「NADPH」と称する。）のような化学エネルギー物質に変換する。
【０００５】
このように、生体代謝においては、糖類、脂肪、タンパク質等の栄養素や光エネルギーなどの化学エネルギー物質および光エネルギーが化学エネルギー物質に変換される。この原理を応用して、化学エネルギー物質から電気エネルギーに変換した燃料電池が開発されている。
【０００６】
上記の一例として、特許文献１には、微生物や細胞を利用した発電方法及び電池、並びにこれらに用いる電子メディエーターを固定化した電極が開示されている。また、特許文献２には、基板電極上に設けたポリジアルキルシロキサン膜中あるいは膜上に酸化還元酵素を固定化して成る酵素電極が、特許文献３には、NAD＋依存型デヒドロゲナーゼの作用によりアルコール類や糖類からNADHを生成させることを利用した燃料電池が開示されている。
【０００７】
図５を用いて、一般的なバイオ燃料電池の反応スキームを説明する。図５に示すグルコースを燃料とするバイオ燃料電池においては、アノードでグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、カソードで大気中から供給される酸素（Ｏ２）の還元反応が進行する。
【０００８】
電子の流れを詳しく説明すると、アノードでは、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、電子伝達メディエータ、電極（カーボン）の順に電子が受け渡される。
【０００９】
一方、カソードでは、アノードから放出され、外部回路を移動してきた電子が、電極（カーボン）、電子伝達メディエータ、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）の順に受け渡され、該電子と外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行することにより、外部回路で電気エネルギーを発生させる。
【００１０】
ところで、一般的なバイオ燃料電池は、非特許文献１に記載のように、燃料を含む電解液を供給し、電極が燃料を含む電解液で満たされた状態になっている（非特許文献１Fig.19参照）。しかし、カソードは、供給された燃料の影響により、その性能が落ちてしまうため、電池としてのエネルギー変換効率の低下が起こるという現象を新たに発見した。これは、燃料の粘度低下によるプロトン供給能の低下や、カソードに固定された酵素への燃料による反応阻害等によるものと推定される。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１３３２９７号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８７１９号公報
【特許文献３】特開２００４−７１５５９号公報
【非特許文献１】Kenji KANO and Tokuji IKEDA Bioelectrocatalysis, Powerful Means of Connecting Electrochemistry to Biochemistry and Biotechnology. Electrochemistry, 71, No.2 (2003):86-99.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のバイオ燃料電池では、前述のように、燃料を含む電解液を供給し、電極（アノードおよびカソード）が該電解液で満たされた状態で発電が行われていたため、カソードに侵入した燃料により、カソードの性能が落ちてしまうため、電池としてのエネルギー変換効率の低下が起こるという問題が発生していた。
【００１３】
そこで、本発明では、バイオ燃料電池におけるカソードの性能低下を抑制し、高出力化を実現し得る発電方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、本願発明者らは、バイオ燃料電池におけるカソードの性能低下の抑制方法について鋭意研究を行った結果、燃料の供給の方法を工夫することに着目することにより、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
即ち、本発明ではまず、電極上で酵素を触媒として酸化還元反応が進行することにより発電させる方法であって、
カソードに電解液を導入する電解液導入ステップと、
該電解液導入ステップを経た後に、アノードに燃料を供給する燃料供給ステップと、
を少なくとも行う発電方法を提供する。
燃料供給の前に、電解液をカソードに導入することで、カソードを、燃料を含有しない電解液で満たすことができる。
本発明における前記燃料供給ステップでは、アノード及び／又はカソードの電位に応じて燃料の供給態様を制御する第１制御ステップを行うことが可能である。
また、前記燃料供給ステップでは、カソードに浸入した燃料の燃料濃度に応じて燃料の供給態様を制御する第２制御ステップを行うことも可能である。
これらの第１および第２制御ステップでは、例えば、燃料の供給量、供給タイミング、濃度、等の供給態様を制御することができる。
本発明に係る発電方法で用いる燃料は特に限定されないが、例えば、糖質、タンパク質、糖たんぱく質、脂肪酸、から選ばれる一の燃料を好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る発電方法は、カソードへの燃料の侵入を抑制することができるため、カソードの燃料による性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
【００１８】
図１は、本発明に係る発電方法に用いることができるバイオ燃料電池１の一実施形態を示す断面摸式図である。該バイオ燃料電池１は、アノード１１と、カソード１２と、がプロトン伝導可能な状態（プロトン伝導体１３）で接続され、外部に接続されるためのアノード集電体１１１、カソード集電体１２１などを少なくとも備えている。
【００１９】
（１）電解液導入ステップＩ
本発明に係る発電方法では、まず、カソード１２に電解液を導入する。導入経路は特に限定されず、例えば、図１の矢印Ｓ方向に示すように、アノード１１側からアノード１１、プロトン伝導体１３を通過させてカソード１２に電解液を導入することができる。また、図示しないが、カソード１２側に電解液タンク等を設けて、直接カソード１２に電解液を導入することも可能である。
【００２０】
導入方法も特に限定されず、公知の方法を自由に選択することができる。例えば、加圧注入、負圧注入、接触吸水、毛細管現象などの原理を用いて、電解液をカソード１２に導入することが可能である。
【００２１】
本発明に係る発電方法では、電解液導入ステップＩを後述する燃料供給ステップにおいて燃料を供給する前に行うため、燃料を供給し実際に発電を行う前に、カソード１２は電解液のみで満たされることとなる。そのため、燃料供給後に燃料がカソード１２へ侵入することを最小限に抑制することができる。その結果、カソード１２の性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できる。なお、カソード１２やアノード１１に予め電解液が含まれているバイオ燃料電池（例えば、固体電解質を用いたバイオ燃料電池）を用いることで、電解液導入ステップＩに代えることも可能である。
【００２２】
カソード１２に固定する酵素は特に限定されず、通常のバイオ燃料電池のカソード１２に用いることができる、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素を、１種又は２種以上自由に選択して用いることができる。例えば、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等を用いることができる。
【００２３】
また、カソード１２には、上記の酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。電子の受け取りをスムーズにするためである。固定し得る電子伝達メディエーターの種類は特に限定されず、必要に応じて自由に選択することができる。例えば、ＡＢＴＳ(2,2'-azinobis(3-ethylbenzoline-6-sulfonate))、K3[Fe(CN)6]等を用いることが可能である。
【００２４】
前記酵素、電子メディエーターなどをカソード１２に固定化するための固定化材としては、通常のバイオ燃料電池の電極に用いることができる固定化材を自由に選択して用いることができる。例えば、ポリ−Ｌ−リジン（ＰＬＬ）等のポリカチオンまたはその塩と、ポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））等のポリアニオンまたはその塩と、を用いて形成されるポリイオンコンプレックスを用いることができる。このポリイオンコンプレックスの内部に前記酵素、電子メディエーターなどを含有させることにより、固定することができる。
【００２５】
本発明に係る発電方法に用いるカソード１２の材料は、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、公知のあらゆる素材を自由に選択して用いることができる。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。
【００２６】
（２）燃料供給ステップII
燃料供給ステップIIでは、前記電解液導入ステップＩを経た後に、アノード１１に燃料を供給するステップである。
【００２７】
本発明に係る発電方法では、燃料供給ステップIIの前に、前記電解液導入ステップＩを行うため、燃料を供給し実際に発電を行う前に、カソード１２およびアノード１１は電解液のみで満たされることとなる。そのため、燃料供給後に燃料がカソード１２へ侵入することを最小限に抑制することができる。その結果、カソード１２の性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できる。
【００２８】
燃料供給ステップIIにおける燃料供給方法は、前記電解液供給ステップＩと同様、特に限定されず、公知の方法を自由に選択することができる。例えば、加圧注入、負圧注入、接触吸水、毛細管現象などの原理を用いて、燃料をアノード１１に供給することが可能である。
【００２９】
本発明に係る発電方法において、アノード１１に供給し得る燃料は、酵素を触媒とした酸化還元反応により電子を放出し得る燃料であれば、特に限定されない。例えば、ジュース、スポーツ飲料、砂糖水、アルコール類などの飲料、化粧水などの化粧料等を用いることができる。特に、糖質、タンパク質、糖たんぱく質、脂肪酸等を含むものを燃料として用いることが望ましい。これらの燃料は、溶媒に溶かした溶液の状態、あるいは半固体状で供給する。なお、燃料供給ステップIIでは、少なくとも燃料の供給ができればよく、燃料に電解液が含まれている場合も本発明に包含される。
【００３０】
これらの燃料をアノード１１に供給すると、アノード１１に固定された酵素を触媒として燃料の酸化反応が進行することにより電子が放出される。
【００３１】
アノード１１に固定する酵素は特に限定されず、通常のバイオ燃料電池のアノード１１に用いることができる酵素を、１種又は２種以上自由に選択して用いることができる。例えば、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼなどが挙げられる。
【００３２】
また、アノード１１には、上記の酸化酵素に加え、酸化型補酵素および補酵素酸化酵素を固定してもよい。酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamide adenine dinucleotide、以下「NAD＋」と称する。）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate、以下「NADP＋」と称する。）フラビンアデニンジヌクレオチド（flavin adenine dinucleotide、以下「FAD＋」と称する。）、ピロロキノリンキノン（pyrrollo-quinoline quinone、以下「PQQ2＋」と称する。）などが挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアフォラーゼが挙げられる。
【００３３】
アノード１１では、燃料の酸化分解に伴い、上記の酸化型補酵素が、それぞれの還元型であるNADH、NADPH、FADH、PQQH２に還元され、逆に、補酵素酸化酵素により、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻されるという酸化還元反応が繰り返される。このとき、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻る際に２電子が発生する。
【００３４】
更に、アノード１１には、上記の酸化酵素及び酸化型補酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。上記で発生した電子の電極への受け渡しをスムーズにするためである。電子伝達メディエーターとしては、例えば、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ３、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２、３−ジアミノ−１，４−ナフトキノンなどのナフトキノン骨格を有する化合物、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属錯体、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、キノン骨格を有する化合物、アントラキノン骨格を有する化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物などなどが挙げられる。
【００３５】
前記酵素、補酵素、電子メディエーターなどをアノード１１に固定化するための固定化材としては、前記カソード１２と同様、通常のバイオ燃料電池の電極に用いることができる固定化材を自由に選択して用いることができる。例えば、ポリ−Ｌ−リジン（ＰＬＬ）等のポリカチオンまたはその塩と、ポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））等のポリアニオンまたはその塩と、を用いて形成されるポリイオンコンプレックスを用いることができる。このポリイオンコンプレックスの内部に前記酵素、補酵素、電子メディエーターなどを含有させることにより、固定することができる。
【００３６】
本発明に係る発電方法に用いるアノード１１の材料も、前記カソード１２と同様、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、公知のあらゆる素材を自由に選択して用いることができる。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。
【００３７】
（３）第１制御ステップIII
第１制御ステップIIIは、アノード１１及び／又はカソード１２の電位に応じて、燃料の供給態様を制御するステップである。ここでいう燃料の供給態様とは、燃料の供給量、供給タイミング、燃料濃度、などを示す。
【００３８】
燃料の供給タイミングを制御する具体的方法の一例としては、例えば、カソード１２の電位をモニターし、所定の電位以下となったら燃料供給を停止し、所定の電位以上になったら燃料供給を再開するという方法を挙げることができる。なお、発電中のカソード１２の動作電位は、発電中の発電量やアノード１１との性能差によって決定されるため、燃料供給の開始および停止の電位は、特に限定されず、用いるバイオ燃料電池に応じて、自由に設定することができる。
【００３９】
同様に、例えば、アノード１１の電位をモニターし、所定の電位以下となったら燃料供給を停止し、所定の電位以上になったら燃料供給を再開する方法を行ってもよい。
【００４０】
なお、電位をモニターするための参照電極は、用いるバイオ燃料電池のどの位置を基準にしてもよく、その電位は同セル内においても位置によって変化する。参照電極の配置箇所としては、制御したい電極の近傍の位置に配置することが好ましい。
【００４１】
燃料の供給量を制御する具体的方法の一例を以下に説明する。燃料の電気容量Ｃs(As)は、以下の数式１で表すことができる。
【００４２】
【数１】
2010102870.tif 000003
Ｃs(As)：燃料の電気容量
Ｍ(mol)：供給する燃料のモル数
ｎ：反応電子数
Ｆ：ファラデー定数
【００４３】
そして、下記の数式２を満たすように、供給する燃料のモル数Ｍ(mol)を制御することで、次に供給する燃料の必要量を決定することができる。これは、ある時間ｔ作動した後、残存容量に対して、次に供給する燃料の必要量を決定する方法である。なお、時間ｔは無限に小さくてもよい。このように燃料の供給態様を制御することにより、アノード１１の最高性能を引き出すことが可能である。
【００４４】
【数２】
2010102870.tif 000004
Ｉmax(A)：アノード１１の燃料供給が充分な状態における最大電流値
Ｉs(A)：発電に必要な電流値
ｔ(s)：発電時間
Ｃ０(As)：すでに供給されて前の発電中に使われずに残っている電気容量
【００４５】
（４）第２制御ステップIV
第２制御ステップIVでは、カソード１２に侵入した燃料の燃料濃度に応じて、燃料の供給態様を制御するステップである。ここでいう燃料の供給態様とは、前記第１制御ステップIIIと同様、燃料の供給量、供給タイミング、燃料濃度、などを示す。
【００４６】
具体的な一例としては、例えば、図示しないが、カソード１２に燃料センサーを配置し、カソード１２内に侵入した燃料の燃料濃度をモニターしながら、燃料の供給タイミングを制御する方法が挙げられる。
【００４７】
例えば、カソード１２内に侵入した燃料の燃料濃度がカソード１２の性能を低下させるであろう所定の濃度に達した場合に、燃料供給を停止し、カソード１２の性能に影響がない所定の濃度以下になった時に、燃料供給を再開する方法が挙げられる。
【００４８】
また、カソード１２内に侵入した燃料の燃料濃度を所定の濃度以下に保つように、燃料供給量や燃料濃度を制御する方法を用いることも可能である。
【００４９】
なお、カソード１２内に侵入した燃料の燃料濃度のみならず、アノード１１中の燃料濃度に応じて燃料の供給態様を制御することも可能である。カソード１２内およびアノード１１中の燃料の燃料濃度をモニターしながら燃料の供給態様を制御することで、カソード１２の性能低下を抑制しつつ、アノード１１の最高性能を引き出すことができる。
【００５０】
（５）発電の流れ
本発明に係る発電方法では、まず、前記電解液導入ステップＩにおいてカソード１２を電界液で満たした状態にする。次に、前記燃料供給ステップIIにおいてアノード１１に燃料を供給し、アノード１１に固定された酵素を触媒として燃料の酸化反応が進行することにより電子およびプロトン（H+）が放出される。
【００５１】
アノード１１で放出された電子は、アノード集電体１１１から外部回路を通じてカソード集電体１２１へ移動し、カソード１２へ送り込まれる。
【００５２】
図１では、アノード集電体１１１及びカソード集電体１２１で後述するプロトン伝導体１３を挟み込むように配設しているが、これに限定されない。例えば、アノード集電体１１１を燃料が透過可能に形成し、アノード１１１のプロトン伝導体１３の積層面と逆面側に配設したバイオ燃料電池を用いて本発明に係る発電方法を行うことも可能である。また、カソード集電体１２１を酸素が透過可能に形成し、カソード１２１のプロトン伝導体１３の積層面と逆面側に配設したバイオ燃料電池を用いて本発明に係る発電方法を行うことも可能である。更に、アノード集電体１１１及びカソード集電体１２１を、それぞれ、アノード１１とカソード１２の内部を貫通させるように配設したバイオ燃料電池を用いて本発明に係る発電方法を行うことも可能である。
【００５３】
本発明に係る発電方法に用いることができるアノード集電体１１１及びカソード集電体１２１に用いる材料も、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、公知のあらゆる素材を自由に選択して用いることができる。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。
【００５４】
一方、アノード１１で放出されたプロトン（H+）は、プロトン伝導体１３を介してカソード１２に移動する。
【００５５】
本発明に係る発電方法に用いることができるプロトン伝導体１３に用いる材料は、電子伝導性がなく、且つ、Ｈ＋の輸送が可能な電解質であれば特に限定されず、公知のあらゆる材料を選択して用いることができる。例えば、セロハン、不織布、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるもの、あるいは緩衝物質を含む電解質などが挙げられる。緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）などが生成するリン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などのイミダゾール環を含む化合物などを挙げることができる。
【００５６】
カソード１２では、カソードに固定された酵素を触媒として、送り込まれる電子およびプロトン（H+）と、外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行する。この際、前記電界液導入ステップＩを行っているために、カソード１２へ侵入する燃料を最小限に抑制することができ、燃料の粘度によるプロトン（Ｈ+）供給阻害や、燃料とカソード１２上の酵素との競争阻害などを防止することができる。その結果、カソード１２の性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できる。
【００５７】
以上のように、本発明に係る発電方法は、効率的に大きな出力電流及び電圧を得ることができるため、公知のあらゆる電子機器に好適に用いることができる。本発明に係る発電方法を用いることができる電子機器は、バイオ燃料電池を少なくとも１個又は２個以上使用できるものであれば、構造、機能等は特に限定されず、電気的に作動する機器を全て含有する。例えば、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピューター、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品等の電子機器、自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船等の移動体、検査機器、ペースメーカー用の電源、バイオセンサーを含む生体内機器の電源等の医療機器、生ごみを分解し電気エネルギーを発電させるシステム等の発電システムおよびコジェネレーションシステム、等を挙げることができる。
【実施例１】
【００５８】
実施例１では、電解液導入ステップを行った場合と行わなかった場合のバイオ燃料電池の出力測定を行った。
【００５９】
＜バイオ燃料電池の作製＞
まず、以下の要領でバイオ燃料電池を作製した。
【００６０】
（１）アノード１１の作製
最初に、以下のようにして各種の溶液（Ａ）〜（Ｅ）と導電性塗料（カーボン系材料）を塗布した多孔体カーボン（ＰＣ）電極（Ｆ）を調製した。溶液調製用の緩衝溶液としては、５０ｍＭリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝７．５）と１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝８．０）を用いた。
【００６１】
（Ａ）ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液
ＤＩ（ＥＣ：１．６．９９．、天野エンザイム株式会社製）を４７．６ｍｇ秤量し、前記５０ｍＭリン酸二水素カリウム緩衝溶液２００μＬに溶解させた（溶液（Ａ）’）。この際、酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで４℃以下に冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ４℃以下で冷蔵保存しておくことが好ましい。本実施例においても、緩衝溶液および酵素緩衝溶液ともに、４℃以下で冷蔵保存しておいた。
【００６２】
ＧＤＨ（ＮＡＤ依存型、ＥＣ：１．１．１．４７  天野エンザイム株式会社製）を１３．１ｍｇ秤量し、前記１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液２３０μＬに溶解させた。この溶液に溶液（Ａ）’を２０μＬ加え、よく混合してＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（Ａ）とした。
【００６３】
（Ｂ）ＮＡＤＨ緩衝溶液
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、Ｎ−８１２９）を４１ｍｇ秤量し、上記の１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液６４μＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（Ｂ）とした。
【００６４】
（Ｃ）ＡＮＱアセトン溶液
２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）（合成品）を６．２ｍｇ秤量し、アセトン溶液６００μＬに溶解させ、ＡＮＱアセトン溶液（Ｃ）とした。
【００６５】
（Ｄ）ＰＬＬ水溶液
ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬ）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、Ｐ−１２７４、Ｍｗ＝９３Ｋ）を適量秤量し、２．０ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＬＬ水溶液（Ｄ）とした。
【００６６】
（Ｅ）ＰＡＡｃＮａ水溶液
ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、０４１−００５９５、Ｍｗ＝３０Ｋ）を適量秤量し、０．０２２ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＡＡｃＮａ水溶液（Ｅ）とした。
【００６７】
（Ｆ）導電性塗料（カーボン系材料）を塗布した多孔体カーボン（ＰＣ）電極
導電性塗料（カーボン系材料）であるバニーハイト(日本黒鉛工業株式会社製、バニーハイト♯２７Ｍ)を２−ブタノン（和光純薬株式会社製、１３３−０２５０６）に体積５：１の割合で希釈し、多孔体カーボン電極（東海カーボン株式会社製、１ｃｍ×１ｃｍ×２ｍｍ、６０％空隙率、約９５〜９８ｍｇ）上に乾燥後、約１０５〜１０８ｍｇになるように塗布し、一晩乾燥した（約１０５〜１０８ｍｇ）。
【００６８】
次に、導電性塗料を塗布した多孔体カーボン電極（Ｆ）の上面と底面を２０分ずつオゾン洗浄処理を行った。前記で調整した溶液（Ａ）〜（Ｃ）を下記の表１に記載した量ずつ採取して混合し、この混合液をマイクロピペット等を用いてオゾン洗浄処理を行った多孔体カーボン電極の上面と底面に半分量ずつ塗布した。その後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極を作製した。
【００６９】
【表１】
2010102870.tif 000005
【００７０】
前記で作製した酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極の上面と底面にＰＬＬ水溶液（Ｄ）を下記の表２に記載した量の半分量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行った。そして、その電極の上面と底面にＰＡＡｃＮａ水溶液（Ｅ）を下記の表２に記載した量の半分量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（アノード）を作製した。
【００７１】
【表２】
2010102870.tif 000006
【００７２】
（２）カソード１２の作製
多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製  ＢＯ０５０）を用意し、このカーボンフェルトを１ｃｍ角に切り抜いた。次に、ヘキサシアノ鉄酸イオン（１００ｍＭ）を８０μｌ、ポリ−Ｌ−リシン（１ｗｔ％）を８０μｌ、ＢＯＤ溶液を８０μｌ（５０ｍｇ／ｍｌ）、上記のカーボンフェルトに順に染み込ませ、乾燥した。次に、このカーボンフェルトを撥水剤中にディップし、このカーボンフェルトの表面に撥水剤を塗布した。撥水剤としては、撥水材料として天然黒鉛を１３〜１８％、バインダーとしてポリビニルブチラールを３〜８％、カーボンブラックを８．４％、有機溶媒としてメチルイソブチルケトンを６９．４８％含有するものを用いた。この後、乾燥を行って撥水剤中に含まれる有機溶剤を除去した。この酵素／電子メディエーター固定化電極を２枚または６枚重ねてカソードとした。
【００７３】
（３）評価セルの作製
前記で作製したアノード１１とカソード１２、集電体１１１、１２１としてチタンを用いたエキスパンドメタルの圧延体、プロトン伝導体１３として不織布を用いて、図２に示す評価セル（バイオ燃料電池）を作製した。この評価セル中に、参照電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）１４を前記不織布に接するように配置した。
【００７４】
＜ＣＡ測定＞
前記で作製した評価セルを用いて、（Ａ）電解液導入ステップを行った場合（０Ｍのグルコース溶液２ｍＬ添加、５分後に１．２Ｍのグルコース溶液２ｍＬ添加）と、（Ｂ）電解液導入ステップを行わなかった場合（０．６Ｍのグルコース４ｍＬ添加）と、についてそれぞれの出力を測定した。
【００７５】
＜結果＞
結果を図３に示す。図３（Ｉ）は時間経過に対する−０．５Vのときの電流値変化を、図３（II）はセル測定中の時間経過に対するカソードの電位変化を示す。また、電流値測定から５分後と１０分後の電力を下記表３に示す。
【００７６】
【表３】
2010102870.tif 000007
図３（Ｉ）に示すように、添加方法（Ｂ）と比較して添加方法（Ａ）は、発電開始１分以降でより高い出力密度を達成した。その際のカソード電位を見ると、図３（II）に示すように、添加方法（Ｂ）と比較して添加方法（Ａ）の方が高い電位で動作しており、カソードの性能が向上していることが分かった。また、表３に示すように、添加方法（Ｂ）と比較して添加方法（Ａ）の方が高い出力を得られていることが分かった。
【実施例２】
【００７７】
実施例２では、電解液導入ステップを行った場合と行わなかった場合のカソード単極のＣＡ測定を行った。
【００７８】
＜バイオ燃料電池の作製＞
実施例１と同様の方法で、評価セルを作製した。
【００７９】
＜ＣＡ測定＞
前記で作製した評価セルを用いて、（Ａ）電解液導入ステップを行った場合（０Ｍのグルコース溶液２ｍＬ添加、５分後に０．８Ｍのグルコース溶液２ｍＬ添加）と、（Ｂ）電解液導入ステップを行わなかった場合（０．４Ｍのグルコース２ｍＬ添加、５分後に０．４Ｍのグルコース溶液２ｍＬ添加）と、についてそれぞれのカソード単極のＣＡ測定を行った。
【００８０】
＜結果＞
結果を図４に示す。図４（Ｉ）は時間経過に対するカソードの電位変化を、図４（II）は時間経過に対する−０．２５Vのときの電流値変化を示す。また、電流値測定から５分後と１０分後の電流値を下記表４に示す。
【００８１】
【表４】
2010102870.tif 000008
【００８２】
図４（Ｉ）に示すように、添加方法（Ｂ）と比較して添加方法（Ａ）の方が高い電位で動作しており、カソードの性能が向上していることが分かった。また、図４（II）および表４に示すとおり、添加方法（Ｂ）と比較して添加方法（Ａ）の方が高い電流値を得られることが分かった。
【００８３】
以上の結果から、電解液導入ステップを行うことにより、カソードの燃料による性能低下を抑制でき、効率的な発電による高出力化が実現できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る発電方法に用いることができるバイオ燃料電池１の一実施形態を示す断面摸式図である。
【図２】実施例１および２で作製した評価セル（バイオ燃料電池）の概要を示す断面模式図である。
【図３】（Ｉ）は時間経過に対する−０．５Vのときの電流値変化を、（II）はセル測定中の時間経過に対するカソードの電位変化を示す図面代用グラフである。
【図４】（Ｉ）は時間経過に対するカソードの電位変化を、（II）は時間経過に対する−０．２５Vのときの電流値変化を示す図面代用グラフである。
【図５】一般的なバイオ燃料電池の反応スキームを示す概念図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  バイオ燃料電池
１１  アノード
１２  カソード
１３  プロトン伝導体
１１１  アノード集電体
１２１  カソード集電体
１４  参照電極
【図１】
2010102870.tif 000009
【図２】
2010102870.tif 000010
【図３】
2010102870.tif 000011
【図４】
2010102870.tif 000012
【図５】
2010102870.tif 000013