(57)【要約】本発明は、炭素含有化合物が所有する化学エネルギーおよび光エネルギーを電気エネルギーに変換する光生物学燃料電池を提供する。正極（２４）、負極（２３）及びその間に挟まれて電解質（２６）が構成要素として配置される。光で励起された光増感剤分子、酸化−還元メディエータ、触媒酵素に仲介されて、外部電気回路によって炭素含有化合物から電子を電気化学的に受け取ることを含む酸化反応と、正極（２４）での還元反応とによって、正極（２４）および負極（２３）を横切って起電力が発生される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極の間に挟まれた電解質を具備する正極および負極を含む光生物学燃料電池であって、前記負極の反応および前記負極に関する反応が、
（１）光を照射して光増感剤の励起状態を生成し、電子および光増感剤の酸化型を提供することを含むプロセスと、
（２）酸化−還元メディエータの還元型から、前記酸化型光増感剤へ電子を供給することを含むプロセスと、
（３）１つまたは複数の酵素により触媒される炭素含有化合物の１つまたは複数の酸化反応で前記酸化−還元メディエータの酸化型に電子を提供し、これによって燃料としての炭素含有化合物の反応が外部電気回路への電力の供給を引き起こすことを含むプロセスと、
を含む光生物学燃料電池。
【請求項２】
前記プロセス（１）が、
（１）〜３００ｎｍから〜１，０００ｎｍまでの波長範囲の光吸収帯を有する化合物を酸化物半導体上に分配するステップと、
（２）前記化合物を光で照射するステップであって、それにより、前記化合物の酸化型および電子を生成する、照射するステップと、
（３）前記酸化物半導体によって前記電子を外部電気回路内へ導入するステップと、
を含む請求項１に記載の光生物学燃料電池。
【請求項３】
光が照射されると酸化体および電子を生成する前記光増感剤化合物が、ポルフィリンＰ１で表されるがこれに限定されないポルフィリンまたは関連の環状テトラピロールの構造を有する色素である請求項２に記載の光生物学燃料電池。
【化１】
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【請求項４】
前記プロセス（２）が、酸化−還元メディエータとしての酸化型および還元型ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）の存在下で実行される反応を含み、前記プロセス（３）が、酸化−還元メディエータとしての酸化型および還元型ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）ならびに酵素系として少なくともＤ−グルコースデヒドロゲナーゼの存在下、炭素含有化合物としてのＤ−グルコースの反応を含む請求項２に記載の光生物学燃料電池。
【請求項５】
前記炭素含有化合物がＤ−グルコース−６−ホスフェートであり、前記酸化−還元メディエータが、酸化および還元型ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド−ホスフェート（ＮＡＤＰＨ）／（ＮＡＤＰ＋）であり、かつ前記酵素系が少なくともＤ−グルコース−６−ホスフェートデヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）を含む請求項３に記載の光生物学燃料電池。
【請求項６】
前記酵素系が、少なくともＤ−グルコース−６−ホスフェートデヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）および６−ホスホグルコネートデヒドロゲナーゼ（６−ＰＧＤＨ）を含む請求項５に記載の光生物学燃料電池。
【請求項７】
前記炭素含有化合物がメチルアルコール（化学式ＣＨ３ＯＨ）であり、前記酸化−還元メディエータが、酸化および還元型ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）であり、かつ前記酵素系が少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含む請求項３に記載の光生物学燃料電池。
【請求項８】
前記酵素系が、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含む請求項７に記載の光生物学燃料電池。
【請求項９】
前記酵素系が、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、アルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）およびホルメートデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）を含む請求項７に記載の光生物学燃料電池。
【請求項１０】
前記炭素含有化合物がエチルアルコール（化学式ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）であり、前記酸化−還元メディエータが、酸化および還元型ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）であり、前記酵素系が少なくとも酵素アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含む請求項３に記載の光生物学燃料電池。
【請求項１１】
前記酵素系は、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含む請求項１０に記載の光生物学燃料電池。
【請求項１２】
前記正極が酸素電極であり、空気中または電解質中の酸素を還元する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光生物学燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、光が照射されると酸化体種および電子を生成する光増感剤化合物と、酸化体種に電子を供給する酸化−還元メディエータと、炭素含有化合物を酸化すると共に、酸化−還元メディエータを還元してその元の形に戻す１つまたは複数の酵素との作用によって、電気の発生を共同して実行する光電気化学反応および酵素作用を利用する光生物学燃料電池に関する。炭素含有化合物は、炭水化物（例えば、砂糖、でんぷん）、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒドまたは有機酸などの自然の生物圏において循環的に再生されるものでよい。
【発明の背景】
【０００２】
炭水化物（例えば、砂糖、でんぷん）、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒドまたは有機酸などの自然の生物圏において循環的に再生される炭素含有化合物は、光合成によって二酸化炭素ガスおよび水から生成される。化学エネルギーに変換され、炭素含有化合物の形で蓄積された太陽エネルギーは、生物体の代謝において化学エネルギーとして使用されて、二酸化炭素ガスおよび水を生成する。これはクリーンな循環系を形成する。例えば、単糖、オリゴ糖および多糖などの糖類、ならびに環状多価アルコールおよびアミノ糖類などの糖類似体に対する総括的な言葉である炭水化物は、光合成中に、植物または他の光合成生物体によって作られる。第２の生物体は、植物から炭水化物を摂取して、食物としてそれを使用して、エネルギーを提供することができる。化学式Ｃ６Ｈ１２Ｏ６で表される典型的な炭水化物であるグルコースが完全に酸化されると、１分子あたり２４個の電子を放出し、二酸化炭素ガスへ変換される。動物または他の生物体の体内で、２４個の電子のポテンシャルエネルギーはエネルギー源として利用される。熱力学的な計算によって、グルコースは潜在的に２，８７２ｋＪ／モル、すなわち４．４３Ｗｈ／ｇの使用可能なエネルギーを有することが示される。このエネルギー密度は、高エネルギー密度電池として知られるリチウム電池の負極として使用される金属リチウムの重量エネルギー密度（３．８Ｗｈ／ｇ）を超える。
【０００３】
炭水化物などの炭素含有化合物が所有する化学エネルギーを利用するために幾つかの方法がある。このような方法の１つは、炭素含有化合物を空気中で直接燃焼させて熱エネルギーを与えることを含む。もう１つの方法は炭素含有化合物を発酵における栄養として使用し、この方法では、微生物がメタンまたはエタノールなどの燃料を生成する。更にもう１つの方法は、生物体中に存在する酵素の仲介によってＡＴＰなどの高エネルギー化合物を生成する。
【０００４】
炭素含有化合物が所有する化学エネルギーを利用するための１つの方法として、米国特許第６，２９４，２８１号に開示される生物学的な燃料電池があり、これは、酵素および酸化−還元メディエータを使用する。更に、米国特許第４，１１７，２０２号は、炭素含有化合物を栄養として使用する生きた生物体（ディジタリア・サンギナリス（Digitaria sanguinalis））から誘導される光合成セルを使用して電気を発生させる、光合成的に駆動される生物学的燃料電池を開示する。
【０００５】
米国特許第４，１１７，２０２号に開示される光合成的に駆動される生物学的燃料電池は、炭素含有化合物が所有する化学エネルギーを、太陽光などの光放射エネルギーと同様に利用することができる。これは、炭素含有化合物が所有する化学エネルギーのみを利用可能な米国特許第６，２９４，２８１号に開示されたプロセスと比べて改良されているであろう。しかしながら、米国特許第４，１１７，２０２号に開示される光合成的に駆動される生物学的燃料電池は生きた生物体に由来する光合成セルを利用し、したがって生きたセルが存続できるようにするために、温度、溶液の調合、および栄養に関して注意深い制御を必要とする。またこの燃料電池は、生きたセルのための培養容器を使用しなければならず、複雑で大型の電力発生装置が必要とされる点が不都合である。米国特許第６，２９４，２８１号に開示される生物学的燃料電池は、単に、酵素および酸化−還元メディエータが取り付けられた正極および負極を、炭素含有化合物を含有する電解質に浸漬することによって、電力を発生させることができる。したがって、この生物学的燃料電池は、簡易化された電力発生システムだけを必要とし、小型化できる点が有利である。しかしながら、この生物学的燃料電池は光放射エネルギーを利用することができない。
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、小型化が可能であり、炭素含有化合物が所有する化学エネルギーに加えて光エネルギーを利用することができる光生物学燃料電池を提供することである。
【０００７】
本発明の上記目的は、以下の詳細な説明および実施例から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明は、正極および負極の間に挟まれた電解質を具備する正極および負極を含む光生物学燃料電池を提供する。幾つかの中間体種の作用によって、負極は炭素含有燃料化合物から電子を受け取り、従って、該化合物は酸化される。炭素含有燃料化合物は、炭水化物（例えば、砂糖、でんぷん）、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒドまたは有機酸などの自然の生物圏において循環的に再生されるものでよい。この酸化は幾つかのメディエータによって達成される。これらのうち、第１のメディエータは負極に取り付けられた光増感剤材料であり、光が照射されると電気的励起状態に変換される。電気的励起状態は電子を電極に注入し、電子はそこから外部回路内に流れて仕事をする。光増感剤材料からの電子の損失は、酸化された光増感剤を残し、これは次に、酸化−還元メディエータによって還元されてそのもとの形に戻る。その結果生じる酸化−還元メディエータの酸化型は、１つまたは複数の酵素によって還元されてそのもとの形に戻り、酵素は、炭素含有燃料化合物の酸化によって必要な電子を獲得する。これにより、炭素含有燃料化合物が所有する化学エネルギーと、太陽光などの光エネルギーとを利用して、電気を発生させることができる。
【０００９】
正極は、負極における酸化反応よりも高い電位（すなわち、よりアノードの電位）で酸素還元反応を受ける電極でもよいし、あるいは別の適切な電極でもよい。
【図面の詳細な説明】
【００１０】
本発明の光生物学燃料電池には正極および負極が含まれ、その間に挟まれて電解質を構成要素として具備する。光が照射されると酸化体および電子を生成する光増感剤化合物と、酸化された光増感剤分子へ電子を供給する酸化−還元メディエータと、炭素含有燃料化合物の酸化を触媒する酵素とによって、負極が炭素含有燃料化合物から電子を受け取ると、正極および負極を横切って起電力が発生される。このことにより、炭素含有化合物に蓄積された化学エネルギーを、光放射エネルギーによりバイアスされた形の電気エネルギーとして直接利用することが可能になる。
【００１１】
図１は、本発明の光生物学燃料電池の構成の概略図を示す。図１は、炭素含有化合物（燃料）が所有していた電子（ｅ−）が、どのようにして炭素含有化合物から放出されて、最終的には外部電気回路（負荷）を通って負極から正極へ流れるのかを説明する。セル内の電子の流れは、球形で示される酸化物半導体（ＭｅＯｘ）の中または上に保持された光増感剤化合物（Ｓ)によって発生する。光が照射されると、増感剤Ｓは励起状態Ｓ＊を生成する。励起状態Ｓ＊は電子を半導体に注入し、酸化体Ｓ＋が残される。電子（ｅ−）は、光照射によってＳの光励起エネルギー（ＳとＳ＊の間のエネルギー差）へバイアスされている。電子は外部回路内で仕事をして正極へ到達し、そこで材料Ｍとの還元反応に使用される。このようにして、正極および負極を横切って起電力が発生され、電気が発生される。プロセスの間、酸化された光増感剤Ｓ＋は、レドックスメディエータＲによって還元されてそのもとの形になり、酸化型のＲが発生される。酵素（単数または複数）は、酸化されたレドックスメディエータを還元してそのもとの形に戻し、炭素含有燃料化合物の酸化から必要な電子を獲得する。したがって、光増感剤ＳもレドックスメディエータＲも消費されない。
【００１２】
光が照射されると、酸化体Ｓ＋および電子を生成する光増感剤化合物Ｓは、酸化物半導体上に配置される。この化合物は、〜３００ｎｍから〜１，０００ｎｍまでの波長範囲に、単一の光吸収ピークまたは複数の光吸収ピークを有することができる。このような化合物は金属錯体色素や有機色素などでよい。金属錯体色素の例は、ビキノリン、ビピリジル、フェナントロリンまたはチオシアン酸もしくはこれらの誘導体をリガンドとして有するルテニウム錯体色素または白金錯体色素である。同様に金属原子を含有できる有機色素の例は、単一のポルフィリン環または複数のポルフィリン環を有するポルフィリン系色素である。ポルフィリン環は金属を含有しなくてもよいし、亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）などを中心原子として含有してもよい。このようなポルフィリン系色素の例には、以下の一般式Ｐ１〜Ｐ６で表させるものが含まれる。有機色素の例は、９−フェニルキサンテン系色素、メロシアニン系色素、ポリメチン系色素などである。特に、以下に示される構造を有する化合物Ｐ１の５−（４−カルボキシフェニル）−１０，１５，２０−（４−メチルフェニル）ポルフィリンは高い光吸収効率を有すると共に、酸化物半導体との高い親和性も有するので、電解質で容易に溶出される可能性がなく、したがって、電解質と長期にわたって接触した後でも安定に維持することができる。更に、光照射による化合物Ｐ１からの励起電子の発生は、長期の寿命にわたって発生することができるので、化合物Ｐ１は高い光電変換効率を示すことができ、有利である。酸化物半導体上の光が照射されると酸化体および電子を生成する化合物の配置は、光放射により生成された励起電子を酸化物半導体へ迅速に移動させることを可能にすると共に、光照射により生成された酸化体と励起電子が再結合する可能性を低くし、これにより、炭素含有化合物から外部電気回路への電子の受取り効率がより高く維持される。
【００１３】
酸化物半導体として、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タングステン（ＷＯ３）、またはＴｉＯ２・ＷＯ３などのこれらの複合体を使用することができる。
【００１４】
【化２】
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【００１５】
【化３】
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【００１６】
【化４】
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【００１７】
自然の生物圏で循環的に再生されるものでよい、本発明で使用される炭素含有燃料化合物の例としては、炭水化物（例えば、砂糖、でんぷん）、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒドおよび有機酸が挙げられる。これらの化合物は光合成によって二酸化炭素ガスおよび水から生成され、次に蓄積されることが可能である。これらの化合物に貯蔵される太陽エネルギーは、生物体の代謝によって化学エネルギーとして使用され、二酸化炭素ガスを生成する。これは、クリーンな循環系を形成する。
【００１８】
酵素の仲介により炭素含有燃料化合物から電子を受け取り、光照射により生成された酸化体（Ｓ＋）に電子を供給して元の光増感剤化合物（Ｓ）を再生させる酸化−還元メディエータ（Ｒ）の例は、キノン／ヒドロキノン酸化−還元対、ＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ酸化−還元対、ＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨ酸化−還元対、Ｉ２／Ｉ３−酸化−還元対、およびフェレドキシンおよびミオグロビンなどの酸化−還元能力を有する金属タンパク質である。
【００１９】
電子が炭素含有燃料化合物から酸化−還元メディエータＲの酸化型へ移動するのを触媒する酵素は、特に限定されない。しかしながら、実際には、炭素含有燃料化合物の種類によって、デヒドロゲナーゼ酵素を単独あるいは組み合わせて使用することができる。燃料がグルコースの場合、少なくともグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を含む酵素系を使用することができる。
【００２０】
燃料がＤ−グルコース−６−ホスフェートの場合、少なくともＤ−グルコース−６−ホスフェートデヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）、または少なくともＧ−６−ＰＤＨおよび６−ホスホグルコネートデヒドロゲナーゼ（６−ＰＧＤＨ）を含む酵素系を使用することができる。
【００２１】
燃料がメチルアルコールの場合、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含む酵素系、少なくともＡＤＨおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含む酵素系、または少なくともＡＤＨ、ＡＬＤＨおよびホルメートデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）を含む酵素系を使用することができる。
【００２２】
燃料がエチルアルコールの場合、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）を含む酵素系、または少なくともＡＤＨおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を含む酵素系を使用することができる。複数の燃料が使用される場合、これらの燃料に相当する酵素を混合して使用することができる。
【００２３】
本発明の光生物学燃料電池に組み込まれる電解質としては、正極から負極、および／または負極から正極へのアニオンおよび／またはカチオンの移動を可能にして、正極および負極において酸化−還元反応の連続的な進行を引き起こす限りは、有機材料、無機材料、液体または固体かどうかに関係なくどの材料でも使用することができる。ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ２、ＮＨ４ＣｌおよびＮａ２ＨＰＯ４などの塩、ＮＨ４ＯＨ、ＫＯＨおよびＮａＯＨなどのアルカリ、またはＨ３ＰＯ４およびＨ２ＳＯ４などの酸を水に溶解して得られる水溶液は安全であり、環境汚染を引き起こさず、容易に取り扱うことができて有利である。あるいは、ヨウ化ピリジニウムなどの第４級アンモニウム塩、ヨウ化リチウムなどのリチウム塩、ヨウ化イミダゾリニウムなどのイミダゾリウム塩、またはｔ−ブチルピリジンなどの、アセトニトリル、メトキシアセトニトリルまたはメトキシプロピオニトリル溶液、スルホン酸基、アミド基、アンモニウム基、またはピリジニウム基などを有するフッ素樹脂などのポリマー材料から製造されるイオン交換膜、もしくはＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４および（Ｃ４Ｈ９）４ＮＢＦ４などの塩の、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコールなどの溶液のようなポリマー電解質が使用されてもよい。
【００２４】
本発明の光生物学燃料電池の正極における反応は、負極で分子の光励起活性種（Ｓ＊）によって炭素含有化合物から取り出される電子の電位よりも高い（またはよりアノードの）電位で生じる還元反応を含む。こうして取り出された電子が外部負荷を介して正極により電気化学的に受け取られる限りは、どの還元反応でも用いることができる。
【００２５】
正極における反応の例としては、水または酸素の還元反応、ＮｉＯＯＨ、ＭｎＯＯＨ、Ｐｂ（ＯＨ）２、ＰｂＯ、ＭｎＯ２、Ａｇ２Ｏ、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４およびＬｉＮｉＯ２などの水酸化物または酸化物の還元反応、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＦｅＳおよびＡｇ２Ｓなどの硫化物の還元反応、ＡｇＩ、ＰｂＩ２およびＣｕＣｌ２などのハロゲン化金属の還元反応、Ｂｒ２およびＩ２などのハロゲンの還元反応、キノンなどの有機硫黄化合物および有機ジスルフィド化合物の還元反応、ならびにポリアニリンおよびポリチオフェンなどの導電性ポリマーの還元反応が挙げられる。
【００２６】
特に、正極は酸素を還元するための酸素電極であるのが好ましい。この構成では、酸素を含有する気体を正極活性材料として使用して、電池内に正極活性材料を保持する必要性を排除することができ、したがって、より高いエネルギー密度を有する電池を形成することが可能になる。
【００２７】
酸素を還元することができる任意の材料を、酸素電極として使用することができる。このような酸素還元材料の例としては、活性炭、ＭｎＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３およびＭｎ５Ｏ８を含む酸化マンガン、白金、パラジウム、酸化イリジウム、白金−アミン錯体、コバルト−フェニレンジアミン錯体、金属ポルフィリン（金属：コバルト、マンガン、亜鉛、マグネシウムなど）、ならびにＬａ（Ｃａ）ＣｏＯ３およびＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３などのペロブスカイト酸化物が挙げられる。
【００２８】
本発明は、以下の実施例において更に説明されるであろう。
【実施例１】
【００２９】
光が照射されると酸化体および電子を生成する光増感剤化合物として、負極を作製するために使用されるポルフィリン光増感剤の典型的な代表である５−（４−カルボキシフェニル）−１０，１５，２０−（４−メチルフェニル）ポルフィリン（Ｐ１）を使用した。
【００３０】
負極の作製
表面抵抗率が１０〜１２Ω／ｃｍ２の導電性インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）薄膜を支持する厚さ１ｍｍの光透過性ガラス基板を使用して負極を作製した。平均粒径が１０ｎｍの粒子状二酸化スズ（ＳｎＯ２）の１質量％水性分散液を、高温のプレート上に噴霧またはそうでなければ層を施すことによって、ＩＴＯ膜上に付着させた。電極を８０℃の温度で乾燥させてから、空気中４００℃の温度で１時間焼結させ、粒子状ＳｎＯ２膜を形成した。続いて１〜５ｍＭの光増感剤Ｐ１の溶液（ジクロロメタン、トルエン、またはヘキサンに溶解された）中に電極を通常は１時間浸漬させ、溶液から取り出して、清浄な溶媒で洗浄し、窒素ガス流で乾燥させた。電極の粒子状表面のＰ１の存在は、その吸収スペクトルによって確認した。このようにして、負極を作製した。
【００３１】
テストセルの組み立て
次に、このように作製した負極を用いて、図２に示される構造を有する電力発生セル２１を組み立てた。
【００３２】
電力発生セル２１において、色素Ｐ１が付着した負極２３上の粒子状ＳｎＯ２の膜は、電解質２６と接触する。電解質２６中には、負極２３と組み合わされて電池を形成する対極２４と、負極２３の電位を測定する基準となる参照電位を提供する参照電極２５とが配設される。更に、空気電極２７が配設され、これは対極２４の代わりに負極２３と組み合わされて電池を形成する。空気電極２７は、厚さ０．２ｍｍのニッケルスクリーン上に、Ｍｎ２Ｏ３粉末、活性炭粉末、アセチレンブラック粉末およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダの混合物を埋め込むことによって作製した。参照番号２２は、対極２４および参照電極２５を電力発生セル２１に固定するためのシリコンプラグを示す。
【００３３】
光電電力発生セルの動作特性
負極２３と、白金（Ｐｔ）対極（２４）と、２．５ｍＭのヒドロキノン（ＱＨ２）を酸化−還元メディエータ（Ｒ）として含有する０．１Ｍの酢酸ナトリウム（ＮａＯＡｃ）水溶液である電解質２６とを用いて、電力発生セル（ａ）を上記のように組み立てた。
【００３４】
負極２３と、酸素が溶解していない飽和硫酸カリウム水溶液中に浸漬され、イオン透過膜によって電解質２６から隔離された白金（Ｐｔ）対極２４と、２．５ｍＭのニコチンアミド−アデニンジヌクレオチドの還元型（ＮＡＤＨ）を酸化−還元メディエータ（Ｒ）として含有する０．１Ｍの酢酸ナトリウム（ＮａＯＡｃ）水溶液である電解質２６とを用いて、電力発生セル（ｂ）を上記のように組み立てた。
【００３５】
負極２３と、イオン透過膜により電解質２６から隔てられた水銀／硫酸水銀（Ｉ）電極である対極２４と、２．５ｍＭのニコチンアミド−アデニンジヌクレオチドの還元型（ＮＡＤＨ）を酸化−還元メディエータ（Ｒ）として含有する０．１Ｍの酢酸ナトリウム水溶液である電解質２６とを用いて、電力発生セル（ｃ）を上記のように組み立てた。
【００３６】
図３は、５２０ｎｍの波長を有する光が照射されたときに発現されるこれらの電力発生セルの電流−電圧特性を示す。図３において、曲線（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、電力発生セル（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の電流−電圧特性を示す。電力発生セル（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は全て電池として働くが、これらは電流−電圧特性に違いを示す。図３において、曲線（ｄ）は、光が照射されないときに発現される電力発生セル（ａ）の電流−電圧特性を示す。光が照射されないと、電力発生セルは出力電流をほとんどあるいは全く与えない。
【００３７】
これらのセルでは、負極に付着された色素は、照射されて励起状態（Ｓ＊）を生成する光増感剤化合物（Ｓ）の役割を果たす。金属酸化物と接触して、色素は電子を酸化物粒子に注入して、酸化体（Ｓ＋）を生成する。外部回路は、こうして生成された電子を除去し、これは次に、電池の出力電流として測定される。タイプ（ｃ）のセルでは、酸化体（Ｓ＋）は酸化−還元メディエータＮＡＤＨ（または、場合によってはＱＨ２）から電子を受け取り、Ｓが再生される。したがって、酵素または炭素含有燃料化合物を含まないセルでは、外部回路への電子の供給は、ＮＡＤＨ（または、酸化−還元メディエータとしてＱＨ２が使用される場合にはＱＨ２）が消費されるまで持続する。
【００３８】
ＮＡＤ＋が存在し、メタノールが炭素含有燃料化合物として使用される場合に、ＮＡＤＨの生成を試験するためにアッセイ（セル内で実行されない）を行った。ｐＨ８．０の水溶液は、０．０および０．０５ｍＭの還元ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）と共に、１ＭのＮａＣｌ、５ｍＭの酸化ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）およびメタノールを含有し、酵素としてアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、アルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）およびホルメートデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）がそこに添加された。光が照射される間のＮＡＤＨ濃度の時間に対する変化は、図４に示される。
【００３９】
図４において、記号▲は、５．０ｍＭのＮＡＤ＋、０．０５ｍＭのＮＡＤＨ、ＡＤＨ、ＡＬＤＨおよびＦＤＨが添加された溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号●は、５ｍＭのＮＡＤ＋、０．０５ｍＭのＮＡＤＨおよびＡＤＨが添加された溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号○は、（●）の場合と同一の溶液中のＮＡＤＨ濃度の変化を示すが、ＮＡＤＨおよびＡＤＨの添加から所定時間が経過した後にＡＬＤＨが添加されている。記号○＋は、溶液（○）中のＮＡＤＨ濃度の変化を示すが、ＮＡＤＨ、ＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加から所定時間が経過した後にＦＤＨが添加されている。記号■は、５ｍＭのＮＡＤ＋およびＡＤＨが添加された電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。記号□は、溶液■と同一の溶液中のＮＡＤＨの変化を示すが、ＡＬＤＨが添加されている。記号□＋は、電解質□と同一の溶液中のＮＡＤＨの変化を示すが、ＦＤＨが添加されている。これらの試験は全てＮＡＤＨ濃度の増大を有することが観察され、これは、電子が酵素の仲介でメタノールからＮＡＤ＋に移動してＮＡＤＨを生成することを実証する。すなわち、図４に示されるように、ＮＡＤＨは、メタノールを利用する酵素の仲介によって、ＮＡＤ＋から形成される。これらの結果は  酵素が仲介するメタノールが電力発生セル中に存在する限り、負極により使用されるＮＡＤＨは再生されることができ、光照射時に電力発生が保持され得ることを意味する。
【００４０】
図５は、ＮＡＤＨおよびメタノールを含有する電解質２６を有するタイプ（ｃ）の電力発生セルにおいて、外部回路によってセルから取り出された電子の量（横軸）と、光の照射により消費されたＮＡＤＨ量（縦軸）との関係を示すグラフである。記号○は、電解質が酵素を含まない場合に、消費されたＮＡＤＨ量と外部回路で生成された電子量との関係を示す。この関係は、消費ＮＡＤＨ量と電子量は互いに比例することを示し、ＮＡＤＨから放出された電子が外部回路によって適切に取り出されることが実証される。記号●は、ＡＤＨ、ＡＬＤＨおよびＦＤＨが酵素系として電解質に添加される場合に、消費されたＮＡＤＨ量と、外部回路で生成された電子量との関係を示す。これらの条件下では、外部回路により除去される電子の量に関係なく、ＮＡＤＨは少ししかあるいは全く消費されない。すなわち、ＮＡＤＨは電子を放出してＮＡＤ＋を形成し、これは次に、こうして添加された酵素の仲介によりメタノールから電子を受け取り、ＮＡＤＨを再生する。ＮＡＤＨ消費が少ししかまたは全くないというこの状態は、電解質中にメタノールが存在する限り持続する。すなわち、電力発生はメタノールが存在する間ずっと継続する。
【００４１】
これらおよび他の実験において、電解質中のＮＡＤＨの濃度は、ＮＡＤＨのＵＶ吸収スペクトルの３４０ｎｍ付近に存在するピークの強度によって決定した。
【００４２】
この実施例では、酸化スズ（ＳｎＯ２）を酸化物半導体として使用した。粒子状ＴｉＯ２について同一の評価を行った。ＳｎＯ２の代わりにＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３などの粒子状金属酸化物の膜についても同一の評価を行うことができた。ＳｎＯ２を用いる同一の評価は、光増感剤として、化合物Ｐ１の代わりに化合物Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５およびＰ６においても実行した。これらの化合物も、光が照射されると酸化体および電子を生成する。結果として、これらの電力発生セルはＰ１の場合と同様の動作特性を示すことができる。
【実施例２】
【００４３】
実施例１で使用したものと同一のタイプの負極２３と、対極２４としての白金（Ｐｔ）と、電解質中に酸化−還元メディエータとしてＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨを含有するｐＨ８．０の緩衝水溶液とによって電力発生セルを形成した。炭素含有燃料化合物としてＤ−グルコース−６−ホスフェート（Ｇ−６−Ｐ）を使用した。Ｄ−グルコース−６−ホスフェートデヒドロゲナーゼ（Ｇ−６−ＰＤＨ）および６−ホスホグルコネートデヒドロゲナーゼ（６−ＰＧＤＨ）を酵素系として使用した。
【００４４】
図６は、外部回路によって電解質から除去された電子の量（横軸）と、光の照射の間に消費されたＮＡＤＰＨの量（縦軸）との関係を示すグラフである。記号○は、電解質が燃料および酵素を含まない場合に、消費されたＮＡＤＰＨ量と外部回路に注入された電子量との関係を示す。この関係は、消費されるＮＡＤＰＨ量と生成される電子量は互いに比例することを示し、ＮＡＤＰＨから放出された電子が外部回路によって除去されることが実証される。記号●は、炭素含有燃料化合物としてのＧ−６−Ｐおよび酵素のＧ−６−ＰＤＨが添加された電解質中で、消費されたＮＡＤＰＨ量と、除去された電子量との関係を示す。消費されるＮＡＤＰＨの量は大幅に減少される。この結果は、ＮＡＤＰＨが電子を放出してＮＡＤＰ＋を形成することを示し、これは次に、添加された酵素の仲介によりＧ−６−Ｐから電子を受け取り、ＮＡＤＰＨを再生する。消費されるＮＡＤＰＨの量は、外部回路により除去される電子の数に関係なくほぼ一定に保持される。この状態は、電解質中にＧ−６−Ｐが存在する限り持続する。後になって、Ｇ−６−Ｐが完全にグルコノラクトン−６−ホスフェートに酸化されると、消費されるＮＡＤＰＨ量は、再度増大する。グルコノラクトン−６−ホスフェートは電解質中で加水分解して、６−ホスホグルコネート（６−ＰＧ）になる。消費されるＮＡＤＰＨの量は、外部回路に除去された電子の量に比例して増大する。６−ＰＧを酸化する酵素である６−ＰＧＤＨが電解質に添加されると、図６の記号○＋で示されるように、消費されるＮＡＤＰＨの量は急激な低下を示す。電子は、燃料である６−ＰＧによって再度供給されて、ＮＡＤＰＨを再生する。外部回路による電子の受取りは、電解質中に６−ＰＧが存在する限り持続する。
【００４５】
この例では、酸化物半導体は酸化スズ（ＳｎＯ２）であった。同様の評価は、粒子状ＴｉＯ２、もしくはＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３などの他の粒子状金属酸化物の膜において行うことができた。
【実施例３】
【００４６】
実施例１で使用したものと同一の負極２３と、対極２４としての白金（Ｐｔ）と、電解質として０．５ｍＭのＮＡＤＨおよび１０ｍＭのＮＡＤ＋を含有するｐＨ８．０の緩衝溶液とによって電力発生セルを形成した。炭素含有燃料化合物としてエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）を使用した。酸化−還元メディエータとして、ニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド対（ＮＡＤＨ）／（ＮＡＤ＋）を使用した。アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）を酵素系として使用した。
【００４７】
図７Ａは、エタノールを含有する電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を時間に対して示すグラフである。６０分後にアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）酵素系をそこに添加した。図７Ａにおいて、記号▼は、エタノールおよびＡＤＨを含有する電力発生セル内のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。ＮＡＤＨの濃度は、外部回路により除去される電子の量と電解質中のエタノールの量とで決定される値に到達するまで、光照射時間と共に増大する。これに対して、記号●は、電力発生セルの場合と同一の条件下で、電極を含まないがＡＤＨが添加された容器に入れられた同一の電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。図７Ａでは、これらのデータは「コントロール」を意味する。コントロールは電極を持たないので、電子は外部回路により除去されない。電解質中のＮＡＤ＋はエタノールから電子を受け取り、ＡＤＨの仲介によってＮＡＤＨに変換される。したがって、ＮＡＤＨの濃度は時間と共に増大し続ける。
【００４８】
負極２３と、空気電極２７と、エタノール、ＮＡＤＨおよびＡＤＨを酵素系として含有するｐＨ８の電解質とによって電力発生セルを形成した。太陽光が照射されると、電力発生セルは、約０．６５Ｖの電圧を有する光生物学燃料電池として動作した。
【００４９】
図７Ｂは、エタノールを含有し、後で酵素系としてアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）およびアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡＬＤＨ）が添加された電解質中のＮＡＤＨ濃度の時間に対する変化を示すグラフである。
【００５０】
図７Ｂにおいて、灰色の中の空いた四角は、エタノールの添加後、しかしＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加の前の電力発生セル中のＮＡＤＨ濃度を示す。ＮＡＤＨ濃度は一定である。ＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加後（灰色に塗られた四角）、ＮＡＤＨの濃度は、外部回路によって取り出される電子の量ならびに電解質中のエタノールおよびその酸化生成物アセトアルデヒドの量によって決定される値に到達するまで増大する。黒色の中の空いた四角は、酵素の添加の前に、電極を含まない容器内に入れたエタノールを有する電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を示す。濃度は一定である。黒く塗られた四角のように、ＡＤＨおよびＡＬＤＨの添加後、電力発生セルの場合と同一の条件下でＮＡＤＨ濃度の上昇が示された。図７Ｂにおいて、これらの後者のプロットは「コントロール」とみなされる。コントロールは電極を有さないので、電子は外部回路によって除去されない。電解質中のＮＡＤ＋は、エタノールおよびアセトアルデヒドから電子を受け取り、ＡＤＨおよびＡＬＤＨの仲介によってＮＡＤＨへ変換される。したがって、ＮＡＤＨの濃度は時間と共に増大し続ける。
【００５１】
電解質２３と、空気電極２７と、ＮＡＤＨ、ＮＡＤ＋、エタノール、ならびに酵素系としてＡＤＨおよびＡＬＤＨを含有する電解質とによって、電力発生セルを形成した。太陽光が照射されると、電力発生セルは約０．６５Ｖの電圧を有する光生物学燃料電池として動作した。
【００５２】
この実施例では、酸化物半導体として酸化スズ（ＳｎＯ２）を使用した。ＳｎＯ２の代わりに、粒子状ＴｉＯ２、もしくはＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３などの他の粒子状金属酸化物の膜に対して同一の評価を行うことができた。また同一の評価は、光が照射されると酸化体および電子を生成する光増感剤化合物として、化合物Ｐ１の代わりに化合物Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５およびＰ６においても実行することができた。
【実施例４】
【００５３】
実施例１で使用したものと同一の負極２３と、対極２４としての白金（Ｐｔ）と、電解質中にＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ酸化−還元メディエータを含有するｐＨ７．３の緩衝溶液とによって電力発生セルを形成した。炭素含有化合物としてＤ−グルコースを使用した。Ｄ−グルコース−デヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を酵素として使用した。
【００５４】
図８は、酵素系としてＧＤＨが添加された電解質から外部回路により除去された電子の量（横軸）と、光による照射中に消費されたＮＡＤＨの量（縦軸）との関係を示すグラフである。記号○は、酵素の添加前だがＤ−グルコースは存在するときに、消費されたＮＡＤＨの量と、生成された電子の量との関係を示す。この関係は、消費されるＮＡＤＨの量および電子の量が互いに比例することを示し、ＮＡＤＨから放出された電子が外部回路によって除去されることが実証される。記号●は、酵素系が添加された後、消費されたＮＡＤＨ量と電解質から外部回路で生成された電子の量との関係を示す。
【００５５】
酵素を添加する前に、ＮＡＤＨは消費されてＮＡＤ＋に酸化され、同時に外部回路に電子が生成される。酵素の添加後、ＮＡＤＨが再生され、外見上消費される量は、もとの量よりわずかに下に降下する。すなわち、ＮＡＤＨは電子を放出してＮＡＤ＋を形成し、これは次に、酵素による触媒によってＤ−グルコースから電子を受け取り、ＮＡＤＨを再形成する。したがって、酵素の存在下では、消費されるＮＡＤＨの量は、こうして取り出された電子の数に関係なく一定に維持される。この状態は、電解質中にＤ−グルコースが存在する限り持続する。
【００５６】
この実施例では、酸化物半導体として酸化スズ（ＳｎＯ２）を使用した。ＳｎＯ２の代わりに、粒子状ＴｉＯ２、ならびにＺｎＯおよびＴｉＯ２・ＷＯ３などの他の粒子状金属酸化物の膜において同一の評価を行うことができた。また同一の評価は、光が照射されると酸化体および電子を生成する光増感剤化合物として、化合物Ｐ１の代わりに化合物Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５およびＰ６においても実行することができた。
【００５７】
上述したように、本発明は、負極で光学的に励起された光増感剤分子および適切な電子メディエータによって、外部電気回路が電子を炭素含有燃料化合物から電気化学的に受け取ることを含む酸化反応を実行して、正極および負極を横切る起電力を発生させる光生物学燃料電池を提供する。本発明によると、炭素含有化合物が所有する化学エネルギーを、電気エネルギーとして有効に利用することができる。
【００５８】
本発明はその特定の実施形態を参照して詳細に説明されたが、その精神および範囲から逸脱することなくそこに種々の変化および変更が成され得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
例として、説明をより明らかにするために、添付図面が参照される。
【図１】図１は、本発明の酵素および酸化−還元メディエータ（Ｒ）の存在下で、光増感剤（Ｓ）による炭素含有化合物（燃料）の光電気化学的な酸化の手順を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施例において光電気化学特性および電池特性の評価で使用される電力発生セルの構造を示す図である。図中、参照番号２１は電力発生セルを示し、参照番号２２はシリコンプラグを示し、参照番号２３は負極を示し、参照番号２４は対極を示し、参照番号２５は参照電極を示し、参照番号２６は電解質を示し、参照番号２７は空気電極を示す。
【図３】図３は、本発明の別の実施例の電力発生セルの電流−電圧特性を示す図である。
【図４】図４は、ＮＡＤＨ濃度の変化を時間に対して示す図であり、溶液は、酵素とメタノールの様々な組み合わせを含有する。
【図５】図５は、本発明の更なる実施例において、電力発生セルの電解質中で消費されたＮＡＤＨ量と、外部回路によって電力発生セルから除去された電子の量との関係を示す図である。
【図６】図６は、本発明の更なる実施例において、電力発生セルの電解質中で消費されたＮＡＤＰＨの量と、外部回路によって電力発生セルから除去された電子の量との関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の更なる実施例において、電力発生セルの電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を時間に対して示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の更なる実施例において、電力発生セルの電解質中のＮＡＤＨ濃度の変化を時間に対して示す図である。
【図８】図８は、本発明の更なる実施例において、電力発生セルの電解質中で消費されたＮＡＤＨの量と、外部回路により電力発生セルから取り出された電子の量との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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