(57)【要約】燃料電池及び前記燃料電池を作動させる方法であって、その燃料電池がその上に吸着した触媒を有する陽極を含み、前記触媒が、陽極と直接電気的に接触しているヒドロゲナーゼを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を作動させる方法であって、触媒を吸着させた陽極で水素を酸化することを含み、該触媒が該陽極と直接電気的に接触しているヒドロゲナーゼを含む上記方法。
【請求項２】
前記ヒドロゲナーゼが［Ｎｉ−Ｆｅ］活性部位を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヒドロゲナーゼがアロクロマチウム  ビノスム（Ａｌｌｏｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ  ｖｉｎｏｓｕｍ）［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼである請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記触媒が、接着剤としてポリカチオン物質を用いて前記陽極上にコーティングされる請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ポリカチオン物質がポリミキシンである請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ヒドロゲナーゼの少なくとも５０％が活性形態にある請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
陽極での水素分圧が１×１０4Ｐａより大きい請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料電池が、少なくとも３０℃の温度に保たれる請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池によって発生する電流が、前記電極の表面積の１ｃｍ2当たり１ｍＡより大きい請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記陽極の表面の少なくとも一部分がカーボンから作られる請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
触媒を吸着させた陽極を含む燃料電池であって、該触媒が請求項１から７までのいずれか一項で定義される燃料電池。
【請求項１２】
前記陽極の表面の少なくとも一部分がグラファイトから作られる請求項１１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池を作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料のエネルギーを電気化学的エネルギー及び熱的エネルギーに直接変換する電気化学的装置である。一般に、燃料電池は、電解質を経由して電気的に接続している陽極と陰極とからなる。通常、水素である燃料は陽極に供給され、電子触媒の助けを受けて酸化される。陰極では酸素（又は空気）などの酸化剤の還元が起きる。電極で生じる電気化学反応は電流を生成し、それによって電気エネルギーが生成される。通常、熱エネルギーも生成され、追加の電気の提供又は他の目的のために利用される。
【０００３】
燃料電池に使用される現在最も一般的な電気化学反応は、水を生成する水素と酸素間の反応である。水素分子自体を陽極に供給することができ、そこで水素は酸化され、生成した電子は外部回路を通って陰極に進み、そこで酸化剤が還元される。中間の電解質を通るイオンの流れは電荷を中性に保つ。また、燃料電池はメタノールや天然ガスなどの他の炭化水素源からの水素を使用するようにすることもできる。
【０００４】
燃料電池は従来のエネルギー源よりも多くの利点を有する。これらのシステムの主要な魅力はそのエネルギー効率及びそれらの環境的な有益性である。燃料電池は他の知られたエネルギー変換システムのほとんどどれよりも高い効率で作動させることができ、この効率は電池によって生成された熱エネルギーを利用することによってさらに高めることができる。さらに、燃料電池は、天然ガスなどの燃料で作動させるときでも、システムが燃料の燃焼に依存しないので、静かであり、有害廃棄物をほとんど生成しない。水素で作動させる電池は、これらのシステムが水蒸気以外の廃棄物を生成せず、これらの燃料源が再生可能であるので、特に有利である。
【０００５】
したがって、商業的に成り立つ燃料電池の開発に大きな関心が寄せられている。明らかな環境上の有益性以外に、我々の高度にエネルギーに依存している社会に、将来のエネルギー供給に関して必要な保証を提供する、新規かつ再生可能な供給源が大いに必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池技術の産業化を防げている様々な障壁がある。主な障害のひとつは、コストであり、特に電気触媒のコストである。現在、最も一般的に使用されている電気触媒は白金である。白金は非常に効率的な水素の酸化をもたらし、燃料電池内に高い電流を生成することが可能である。しかし、それは非常にコスト高で入手に制約があり、燃料電池の費用の大きな要因である。
【０００７】
また、白金は、一般に工業的に生産された水素に存在する一酸化炭素不純物によって阻害を受ける。特に化石燃料から得られる粗水素分子は、一酸化炭素の含有率が比較的高い。大部分の一酸化炭素は、それが触媒と接触する前に水素からろ過して除くことが可能であるが、これは結局全体としてのシステムのコストを加えるだけである。
【０００８】
白金触媒の代替品が以前にも提案されたが、許容できる触媒効率を保ちながら白金よりもはるかに安価なものは見出されなかった。レーニーニッケル（Ｒａｎｅｙ  ｎｉｃｋｅｌ）及び他の金属触媒が少量の酵素的触媒を有するものとして提案された。しかし、これらのどれも商業的に可能性のある燃料電池用電気触媒の必要な基準を満足しなかった。
【０００９】
驚くべきことに、我々はヒドロゲナーゼ酵素が陽極に直接吸着されると、燃料電池の電子触媒として使用するための、白金に匹敵する代替品が得られることを見出した。酵素触媒を使用する従来の燃料電池の多くは、生物種と電極間の電荷移動が遅いため、電流出力の制約が大きかった。ほとんどの場合、これは生物種が電極と直接電気的に接触しているのではなく、代わりに電気的な接触が電気化学的な拡散媒質を経由しているためである。電気的接触を生じさせるようにヒドロゲナーゼ酵素を電極上に固定することによって、この制約を克服することができる。それらの電極は白金を使用して得られるものに匹敵する、驚くほど高い電流を提供することが見出された。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって本発明は、その上に吸着された触媒を有する陽極で水素を酸化することを含む、燃料電池を作動させる方法を提供し、前記触媒が陽極と直接電子的に接触しているヒドロゲナーゼを含む。
【００１１】
本発明の他の態様では、その上に吸着された触媒を有する陽極を含む燃料電池が提供され、前記触媒が陽極と直接電子的に接触しているヒドロゲナーゼを含む。
【００１２】
本発明に使用される酵素を製造するコストは、白金のコストよりも大幅に低減することができる。したがって、現在考えられている燃料電池の費用は本発明を用いることによって大幅に低減される。さらに、これらの酵素のコスト効率は、それを大規模に製造することによってさらに高くなり、工業用発電所など、より大規模の燃料電池システムを企図することが可能になる。
【００１３】
本発明のさらなる利点は、酵素触媒が一酸化炭素の存在下で作動可能なことである。一酸化炭素は酵素の活性部位に結合することができ、すなわち不活性化を招くが、このプロセスは厳しい条件を必要とせずに容易に可逆的である。触媒周囲の水素濃度が一酸化炭素の濃度よりもはるかに高い場合、水素は活性部位から一酸化炭素を駆逐し、酵素は定常通りに作動させることができる。したがって、水素燃料中のある程度の一酸化炭素汚染は許容することができ、使用される水素を精製する必要性は、白金触媒を使用する燃料電池システムのそれよりもはるかに少ない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
したがって、本発明は燃料電池の電子触媒として酵素触媒を使用することを可能にする。さらに、本発明に使用される触媒は効率が高くかつコスト効率がよく、実際に産業的に可能な白金触媒の代替品を提供する。さらに、酵素の遺伝子操作の可能性によって、使用される特定の燃料又は燃料電池システムの種類に適した改良された触媒活性を提供するように、酵素を改善することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池は典型的に、
陽極に水素を提供する燃料源と、
水素がそこで酸化される、触媒をコーティングした陽極と、
酸化剤を陰極に提供する酸化剤源と、
酸化剤がそこで還元され、電気伝導体を経由して陽極に電気的に接続されている陰極と、
陽極と陰極間のイオンの伝導体として働く電解質とを含む。
【００１６】
本発明は、ヒドロゲナーゼ触媒が変性されない程度に作動条件が十分穏やかである限り、任意の燃料電池と組み合わせて使用することができる。例えば、非常に高温で動作する燃料電池、又は極端なｐＨ条件を必要とする燃料電池は、ヒドロゲナーゼ触媒の変性を容易に招きうる。
【００１７】
現在使用されている従来の燃料電池は、アルカリ性のプロトン交換膜、リン酸、溶融炭酸塩、固体酸化物燃料電池を含む。これらのうち、本発明と一緒に使用するのに最も適したものはプロトン交換膜電池である。これらの電池は一般に５０〜９０℃の温度及び実質上中性のｐＨで動作する。プロトン交換膜電池では、陽極で起きる水素の反応は以下の式（１）で表すことができる。
【００１８】
【数１】
2005501387.tif 000002
【００１９】
生成した電子は伝導体を経由して陰極に移動し、同様にプロトンは電解質を経由して陰極に移動する。陰極で起きる反応は以下の式（２）で表すことができる。
【００２０】
【数２】
2005501387.tif 000003
【００２１】
このようにして、全体の反応は水素と酸素を水に変換し、電流が発生する。
【００２２】
別法の燃料電池は、使用される特定の燃料電池の条件に応じて、陽極と陰極で起きる反応が僅かに異なる反応を含むことができる。
【００２３】
本発明による燃料電池の例を図１に示す。この図において、陽極に供給される燃料は水素であり、酸化剤は酸素である。２個の電極は物理的に分離されているが、外部回路と電解質によって電気的に接続されている。電子は陽極から外部負荷を経由して陰極へ流れる。
【００２４】
本発明の燃料電池は燃料として水素を使用する。水素源は水素ガス自体であることができるが、水素は、メタノールやエタノールを包含するアルコールなどの代替源から、あるいは天然ガスなどの化石燃料から誘導することができる。一般に、水素自体が使用される。水素は粗製の形であってもよく、すなわち不純物を含むことができ、又は精製した水素を使用することもできる。
【００２５】
燃料源は一般に水素を含むガスであり、陽極に提供される。燃料を液体の形で提供することも考えることができる。また、一般に燃料源は不活性ガスを含むが、実質上純粋な水素を使用することもできる。例えば、窒素、ヘリウム、ネオン、又はアルゴンなどの１種又は複数のガスと水素の混合物を燃料源として使用することができる。
【００２６】
燃料源はさらなる成分、例えば代替燃料又は他の添加剤を任意に含むことができる。存在してもよい添加剤は、正の電極上にコーティングされた触媒と反応しないものであることが好ましい。触媒と反応する他の物質が存在する場合、これらはできるだけ少量で存在すべきである。例えば、本発明に使用される触媒と反応することのできる一酸化炭素は、３０体積％未満の量で存在することが好ましく、１０体積％未満、例えば５体積％未満、又は１体積％未満であることがさらに好ましい。より高いＣＯ濃度は水素酸化電流の低下を招く。しかし、ＣＯの効果は可逆的であり、ＣＯを燃料ガスから取り除くことによって酸化電流が回復する。
【００２７】
一般に水素は燃料源中に少なくとも２体積％の量で存在し、少なくとも５％が好ましく、少なくとも１０体積％、例えば２５体積％、５０体積％、７５体積％、又は９０体積％がさらに好ましい。不活性ガスを使用して燃料ガスの一部を形成する場合、一般に不活性ガスは、少なくとも２５体積％、５０体積％、７５体積％など少なくとも１０体積％の量で存在することが好ましく、少なくとも８０体積％が最も好ましい。
【００２８】
一般に、燃料源は任意に圧力をかけた燃料源の容器からガス又は液体の形で供給される。燃料源は導入口を経由して電極に供給され、これは任意にバルブを含むことができる。また、導出口を設けて、使用された又は廃棄される燃料源を燃料電池から取り去ることができる。
【００２９】
酸化剤は一般に酸素を含むが、任意の他の適切な酸化剤を使用することもできる。酸化剤源は一般に酸化剤を含むガスの形で陰極に酸素を提供する。しかし、酸化剤を液体の形で提供することも考えられる。一般に、酸化剤源は不活性ガスも含むが、酸化剤はその純粋な形で使用することもできる。例えば、窒素、ヘリウム、ネオン、又はアルゴンなど１種又は複数のガスと酸素の混合物を使用することができる。酸化剤源はさらなる成分、例えば代替の酸化剤又は他の添加剤を任意に含むことができる。適切な酸化剤源の例は空気である。
【００３０】
一般に、酸素は酸化剤源中に少なくとも２体積％の量存在し、少なくとも５体積％が好ましく、さらに好ましくは少なくとも１０体積％である。
【００３１】
一般に、酸化剤源は任意で圧力をかけた酸化剤源の容器からガス又は液体の形で供給される。酸化剤源は導入口を経由して電極に供給され、任意にバルブを含むことができる。また、導出口を設けて、使用された又は廃棄される酸化剤源を燃料電池から取り去ることができる。
【００３２】
陽極は任意の伝導性材料、例えばステンレススチール、真鍮、又はカーボンから作ることができ、これはグラファイトであることができる。陽極の表面は、少なくとも部分的に、触媒の吸着を容易にする、異なる材料でコーティングすることができる。触媒が吸着される表面はヒドラゲナーゼを変性させない材料でなければならない。適切な材料には、グラファイト、例えば研磨グラファイト表面、又はカーボン布もしくはカーボンスポンジなどの表面積の大きい材料がある。粗面及び／又は大表面積を有する材料が一般に好ましい。
【００３３】
陰極は酸化剤をその表面で還元することのできる任意の適切な伝導性材料から作ることができる。例えば、従来の燃料電池の陰極を形成するのに使用される材料を使用することができる。必要であれば、電子触媒が陰極に存在してもよい。この電子触媒は、例えば陰極それ自身にコーティングされ、又は吸着されることができ、あるいは、触媒を取り囲む溶液中に存在してもよい。適切な電子触媒は白金など従来の燃料電池に使用されるものを含む。この目的のために生物学的触媒を使用することもできる。
【００３４】
触媒はヒドロゲナーゼの１種又は混合物を含む。触媒は必要であればさらに添加剤を含むこともできる。適切なヒドロゲナーゼは［Ｎｉ−Ｆｅ］及び／又は［Ｆｅ−Ｆｅ］活性部位を有するものを含み、好ましくは［Ｎｉ−Ｆｅ］活性部位である。［Ｎｉ−Ｆｅ］及び／又は［Ｆｅ−Ｆｅ］活性部位を有するヒドロゲナーゼは多くの微生物に見出され、これらの微生物中の水素の酸化及び／又は還元において酵素的な触媒作用を行うと考えられている。ヒドロゲナーゼを含む微生物の例には、メタン生成細菌、酢酸生成細菌、窒素固定細菌、紅色光合成細菌などの光合成細菌、及び硫黄還元細菌が含まれ、紅色光合成細菌からのものが好ましい。適切なヒドロゲナーゼの具体的な例には、アロクロマチウム  ビノスム（Ａｌｌｏｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ  ｖｉｎｏｓｕｍ）及びデスルフォビブリオ  ギガス（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ  ｇｉｇａｓ）由来のヒドロゲナーゼが含まれる。特に好ましいのはアロクロマチウム  ビノスムのヒドロゲナーゼ、すなわちアロクロマチウム  ビノスム［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼである。
【００３５】
上で論じた細菌は一般的に購入可能である（例えば、アロクロマチウム  ビノスムはドイツのＤＳＭＺから入手できる）。細菌を培養して、燃料電池で使用するのに十分な量の酵素をもたらすことができる。これは、例えば、知られた技術に従って適切な培地中で酵素を培養することによって実施することができる。次いで細胞を収集し、単離し、任意の知られた技術で精製することができる。
【００３６】
アロクロマチウム  ビノスムにおける［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼ活性部位の構造は、水素分子の塩基の補助による開裂と酵素による酸化還元挙動の両方の要因であると考えられている。この活性部位はアロクロマチウム  ビノスム  ヒドロゲナーゼ分子の構造の内部に深く埋め込まれている。したがって、活性部位自体は外部の物質と直接電子の交換を行いにくい。代わりに、電子は電子中継システムによって分子内部を動くものと考えられる。この中継システムは、Ｆｅ−Ｓ結合を含むいくつかの追加の電気的な活性部位で作られ、電子が活性部位の間を行き来する通路を形成する。電子中継システムを形成するこれらのＦｅ−Ｓサブユニットの各々、及びＮｉ−Ｆｅ活性部位自身はアロクロマチウム  ビノスム分子を描いた図２に示されている。［Ｎｉ−Ｆｅ］活性部位に関するさらなる詳細は、例えばＡｌｂｒａｃｈｔらの文献（Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ  １１８８、１６７〜２０４（１９９４）に見ることができる。
【００３７】
アロクロマチウム  ビノスムの［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼ活性部位は［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼの典型的な構造を有し、したがって、その典型的な［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼは、アロクロマチウム  ビノスム［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼと同じように働くことが予想される。これらのヒドロゲナーゼも本発明に使用することができる。さらに、電極と直接、あるいはアロクロマチウム  ビノスム［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼに存在するような電子中継システムを経由して電子を交換することのできる、電気化学的な活性部位（［Ｎｉ−Ｆｅ］及び［Ｆｅ−Ｆｅ］活性部位を含む）を有するヒドロゲナーゼはどれも本発明に使用するのに適している。
【００３８】
ヒドロゲナーゼを含む触媒は陽極上に吸着される。このことによって、ヒドロゲナーゼは確実に直接陽極と電気的に接触する。本明細書で使用される用語「直接電気的に接触する」とは、触媒が直接電極と電子を交換できることを意味する。このようにして、本発明の燃料電池は、電荷を触媒から電極へ移動する独立の電子媒体を必要とせずに作動させることができる。本発明の好ましい特徴は、独立の電子媒体が実質上存在しないことにある。
【００３９】
触媒を陽極の上に吸着させることのさらなる利点は、ヒドロゲナーゼを反応のために利用できることである。この場合、もはや反応の起きる前にヒドロゲナーゼが溶液を経由して電極に拡散する必要がない。ヒドロゲナーゼは一般に非常に大きな分子であるので、この拡散は遅く、律速段階になる可能性がある。したがって、電極上に触媒を吸着させることによってこの拡散ステップが回避される。さらに、ヒドロゲナーゼは活性又は不活性状態のいずれでも存在できる。陽極表面で見られるような低い電極電位は活性部位の存在を増加させる。したがって、陽極に吸着されたヒドロゲナーゼ分子は、条件が好ましいかぎり一般に活性である。
【００４０】
陽極は適切な媒質に浸漬することができる。この媒質は触媒の溶液であることができ、あるいはさらにヒドロゲナーゼを含まないか、又は非常に低濃度のヒドロゲナーゼだけを含む水などの代替の媒質であることができる。ヒドロゲナーゼが媒質中に存在する場合、陽極に吸着されたヒドロゲナーゼ分子と溶液中のそれの間で交換を行うことができる。活性分子と溶液中の潜在的な不活性分子の陽極での交換を防止するには、媒質中のヒドロゲナーゼの濃度は最小でなければならない。これは、溶液中のヒドロゲナーゼの多くが不活性であるような条件、特にヒドロゲナーゼが陽極に弱くしか吸着されていない条件において特に重要である。これらの条件下では、ヒドロゲナーゼの媒質中の濃度は最小に保たれることが好ましく、好ましくは１ｍＭ以下、さらに好ましくは０．１μＭ又は０．０１μＭ以下である。
【００４１】
一般に、触媒層は付着手段を使用して電極の表面に吸着される。付着手段は一般にポリカチオン材料である。適切な付着手段の例としてはポリミキシン及びネオマイシンを包含するポリアミンなどの大きなポリカチオン材料が挙げられる。触媒は準単分子膜、単分子膜又は例えば２層、３層、４層又はそれ以上の多層膜として電極表面に付着することができる。陽極の利用可能な表面の少なくとも１０％を触媒でコーティングすることが好ましい。陽極の「利用可能な（ａｖａｉｌａｂｌｅ）表面」は燃料源と接触している表面である。より好ましくは、陽極の利用可能な表面の少なくとも２５％、５０％、又は７５％が、特に好ましくは少なくとも９０％が触媒でコーティングされる。
【００４２】
陽極の調製及びコーティングには任意の適切な技術を使用することができる。陽極の表面が研磨グラファイト表面である場合、この表面は触媒でコーティングする前に、適切な研磨手段、例えば水性アルミナスラリーを使用して研磨することができる。コーティングは、例えば、触媒の濃縮溶液を、場合によっては付着手段と混合して、例えばピペットで直接電極表面に塗工することによって行うことができる。別法として、また好ましくは、触媒は、場合によっては付着手段と一緒に、希釈水性溶液（例えばヒドロゲナーゼ０．１〜１．０μＭの溶液）に作ることができる。次いで電極を溶液に挿入し、そのままにしておく。必要であれば、この間電位を電極に印加することができる。電位によって触媒のコーティング程度が容易に監視可能になる。一般に、電位は標準水素電極（ＳＨＥ）に対して約−０．５〜０．２Ｖの範囲で増加及び引き続き減少し、このようにして電位は０．０１Ｖ／ｓの速度で１０分間まで、一般には約５又は６分間循環される。
【００４３】
本発明の燃料電池は２個の電極間にイオンを伝導するのに適した電解質を含む。電解質は、ヒドロゲナーゼを変性させるような極端な条件下で燃料電池を作動させる必要のないものであることが好ましい。したがって、高温又は極端なｐＨに依存する電解質は避けるべきである。これらの要求事項以外、任意の適切な電解質をこの目的のために使用することができる。例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などのプロトン交換膜、又は当業界で知られている他の適切な電解質を使用することができる。
【００４４】
燃料電池が作動する条件は、電池から発生することのできる電流量に関して重要である。特に、条件はヒドロゲナーゼをその活性状態に保つための重要な要件である。酸化剤の存在はヒドロゲナーゼの不活性化を招くひとつの条件である。したがって、その上に吸着した触媒を有する燃料電池の陽極は物理的に酸化剤から分離しなければならない。
【００４５】
陽極に供給される水素の分圧及び陽極を取り囲む媒質のｐＨもまたヒドロゲナーゼの活性状態に影響を及ぼす。好ましくは、条件はできるだけ多くのヒドロゲナーゼが活性状態にあるように保たなければならない。例えば、陽極に吸着されたヒドロゲナーゼの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、８０％、９０％又は９５％が活性状態にあるべきである。これは、一般に条件を、陽極の電位が標準水素電極に対して約０．３Ｖ以上にならないように、好ましくは約０．２Ｖ、０Ｖ、あるいは−０．２Ｖ又は−０．４Ｖ（全て標準水素電極に対して）を超えないように調整することによって達成することができる。
【００４６】
一般に、ヒドロゲナーゼに接触するいかなる媒質のｐＨも約７に保たれる。しかし、ｐＨは一般に約６〜８、典型的には６．５〜７．５であることができる。これらの限界の範囲内での変動を、活性状態にあるヒドロゲナーゼの比率を増加させるために使用することができる。
【００４７】
また、陽極に供給される水素の分圧も、ヒドロゲナーゼが活性であることを確保するために変化させることができる。分圧の増加は、ヒドロゲナーゼがその活性形状をとることを促進する。電池に使用するための適切な水素分圧は少なくとも１×１０４Ｐａ、好ましくは、少なくとも５×１０４Ｐａ、１×１０５Ｐａ、１×１０６Ｐａなど、少なくとも２×１０４Ｐａである。
【００４８】
本発明の燃料電池は一般に少なくとも２５℃、さらに好ましくは少なくとも３０℃の温度で作動する。燃料電池は４０〜５０℃など、３５〜６５℃の温度で作動させるのが特に好ましい。より高い温度は反応速度を高め、より高い酸化電流をもたらす。ただし、約６５℃を超える温度はヒドロゲナーゼに損傷を与える可能性があるので、避けるべきである。
【００４９】
上記のように、燃料電池は上記の条件で作動させることができ、電気回路に電流を発生する。燃料電池は水素を陽極に供給し、陰極に酸化剤を供給することによって作動する。本発明の燃料電池は、正電極の表面積１ｃｍ２当たり、少なくとも０．５ｍＡ、一般に少なくとも０．８ｍＡ、１ｍＡ、又は１．５ｍＡの電流密度を発生することが可能である。例えば、本発明の燃料電池は、正電極の表面積１ｃｍ２当たり、少なくとも３ｍＡなど、少なくとも２ｍＡの電流を発生することができる。
【００５０】
したがって、本発明の燃料電池は、従来の白金電極ベースの燃料電池を置き換える電気エネルギー源と考えられる。
【００５１】
本発明を以下の例によってより詳細に説明する。
【実施例】
【００５２】
（ａ）従来の燃料電池に見られる白金、及び（ｂ）本発明による触媒の触媒コーティングを有する実験室規模の電極を調製した。これらの電極を試験して、燃料電池で得られる電流密度及び一酸化炭素に対する触媒の反応を比較した。
【００５３】
１．電極の調製
ａ）金（９９．９９８５％、Ａｌｆａ社、ＵＫ）製の回転ディスク電極を製造し、標準的な技術で洗浄した。清浄な白金面を、Ｗｈｉｔｅら、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  ６、６２５〜６３２（１９９４）に従って５ｍＭのヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸水和物（ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｈｅｘａｃｈｌｏｒｏｐｌａｔｉｎａｔｅ（ＩＶ）  ｈｙｄｒａｔｅ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）から電極上に電析した。
【００５４】
ｂ）アロクロマチウム  ビノスムを適切な培地中で７００リットルのバッチ培養物として増殖させた。細胞を収集し、アロクロマチウム  ビノスム［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼ（ＡｖＨ２ａｓｅ）を標準的な技術によって単離し、精製した。サンプルの純度をＳＤＳ−ポリアクリルアミド（１２％）ゲルを用いたゲル電気泳動によって確認し、ウシ血清アルブミンを標準として用いて、ブラッドフォード法（Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．７２、２４８〜２５４（１９７６））によって蛋白質濃度を求めた。
【００５５】
電極を１．０μＭのＡｖＨ２ａｓｅ溶液に浸漬し、１００ｍＶ／ｓで５分間、標準水素電極に対して０．２４２〜−０．５５８Ｖの電極電位を循環させることによって、ヒドロゲナーゼを熱分解グラファイト端の回転ディスク電極上にコーティングした。
【００５６】
２．電流密度の実験
次の両電極のサイクリックボルタモグラムを得た。
ａ）１００％水素中の白金をコーティングした電極
ｂ）１００％水素中のＡｖＨ２ａｓｅをコーティングした電極
ｃ）１０％水素／９０％窒素中のＡｖＨ２ａｓｅをコーティングした電極
【００５７】
全てのＡｖＨ２ａｓｅの実験は、Ｐｅｒｓｈａｄら、Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３８、８９９２〜９８８８（１９９９）に記載された混合緩衝液中で、４５℃、ｐＨ７で行った。白金の実験は同じようにして行ったが、塩素を含まない０．１Ｍリン酸緩衝液を用いた。
【００５８】
図３に示すように、ＡｖＨ２ａｓｅ触媒を使用することによって、白金に類似した電流密度を達成することができる。より高い水素分圧を与えると、結果の向上が見られる。
【００５９】
３．一酸化炭素の実験
サイクリックボルタメトリーを上記の実験（２）と同じようにして行った。ただし、水素の酸化電流が安定した後、一酸化炭素を実験溶液に１０秒間加えた。白金のデータ（図４ａ）をクロノアンペロメトリー曲線（ｃｈｒｏｎｏａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｔｒａｃｅ）として集めた。ＡｖＨ２ａｓｅの曲線（図４ｂ）は、各ボルタモグラムを３０秒毎に遅らせて記録した、標準水素電極に対して−０．５５８Ｖ〜＋２４２Ｖの間の１Ｖｓ−１でのサイクリックボルタモグラムの測定電流値から作成した（各点が示されている）。
【００６０】
データは一酸化炭素が白金及びＡｖＨ２ａｓｅの両方に対する競合阻害剤であることを示している。しかし、ＡｖＨ２ａｓｅの場合、ＣＯを水素で置き換えることによって阻害は逆転する。対照的に、この実験で用いた電位では、白金表面は急速かつ非可逆的に被毒され、最大でも初期活性の１０％に留まった。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による燃料電池の図である。
【図２】本発明の触媒に使用するのに適したヒドロゲナーゼ分子の構造図である。
【図３】白金化金とアロクロマチウム  ビノスム［Ｎｉ−Ｆｅ］ヒドロゲナーゼ（ＡｖＨ２ａｓｅ）のｐＨ７、４５℃、２５００ｒｐｍでの水素酸化電流の電圧依存性を示す。ａ）１Ｖｓ−１での１００％水素中の白金化金、ｂ）１Ｖｓ−１での１００％水素中のＡｖＨ２ａｓｅ、ｃ）０．１Ｖｓ−１での１０％水素中のＡｖＨ２ａｓｅ。
【図４】白金及びＡｖＨ２ａｓｅ触媒の両方を使用し、標準水素電極に対して＋０．２４２Ｖ、ｐＨ７、４５℃、２５００ｒｐｍ、１００％水素における水素酸化電流に及ぼす一酸化炭素導入の影響を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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