(57)【要約】【課題】電解液における基質の拡散性に優れ、高電流を取り出すことが可能な生物燃料電池を提供する。【解決手段】アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とする生物燃料電池。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、
前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とする、生物燃料電池。
【請求項２】
前記基質拡散機構が超音波振動子による前記電解液の加振である、請求項１に記載の生物燃料電池。
【請求項３】
前記半電池構造が、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含む、請求項１又は２に記載の生物燃料電池。
【請求項４】
アノード側に前記半電池構造を有し、該半電池構造が、アノード側酸化還元酵素の基質である燃料の前記導電性基材への拡散を促進する基質拡散機構を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の生物燃料電池。
【請求項５】
前記燃料が、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類よりなる炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも１種である、請求項４に記載の生物燃料電池。
【請求項６】
前記燃料が、エタノール、メタノール及びグルコースより選ばれる少なくとも１種である、請求項５に記載の生物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
酵素は、その高い基質特異性から種々の物質の存在量を測定する分析、例えば、酵素センサー等に利用されている。酵素を利用した酵素センサーとしては、例えば、分析の対象である対象物質（基質）と酵素との酸化還元反応により生じる電流を測定し、対象物質の定量を行うセンサーがある。具体的には、グルコースを酸化する酵素とグルコースとの間における酸化還元反応に伴って発生する電流が、グルコース濃度に比例することを利用したグルコースセンサーがある。
さらに、最近では、白金等の金属触媒に代わる燃料電池用新規触媒としても期待されており、酸化還元酵素の基質を燃料とし、基質の酸化反応により電子を取り出す生物燃料電池の研究開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、グルコースの酸化反応により電子を取り出す燃料電池において、グルコースデヒドロゲナーゼ、ニコチンアミドアデニンジヌレオチド、ジアフォラーゼ、及び当該ジアフォラーゼと電極との間の電子授受媒体となる電気化学メディエータを、少なくとも含むことを特徴とした燃料電池が記載されている。
また、特許文献２には、酵素と基質（燃料）と電極とを有し、これらの間での電子移動が発電に利用される電池であって、電極がカソードと特定のメディエータが固定化されてなるアノードとからなることを特徴とする生物燃料電池が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献２】特開２００５−７９００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料酸化型の酸化還元酵素を含む生物燃料電池のアノード側では、該酸化還元酵素によって燃料（基質）から取り出された電子は、該酸化還元酵素から直接、或いは、別の酸化還元酵素やその他電子伝達媒介物質（電子メディエータ）等を介して、アノード電極へと伝達される。一方、酸化剤還元型の酸化還元酵素を含む生物燃料電池のカソード側では、アノード電極から外部回路を経てカソード電極へと移動してきた電子は、酸化剤（基質）を還元する酸化還元酵素へ直接、或いは、別の酸化還元酵素やその他電子伝達媒介物質等を介して酸化剤を還元する酸化還元酵素へと伝達され、さらに酸化還元酵素から酸化剤へと伝達される。
【０００６】
酸化還元酵素は、基質（燃料又は酸化剤）と共に電解液内に分散させる形態の他、導電体よりなる電極表面に固定化させる形態（アノード電極表面に燃料酸化型の酸化還元酵素を固定或いはカソード電極表面に酸化剤還元型の酸化還元酵素を固定）もある。分散型及び固定型に関わらず、アノード電極近傍に存在する燃料酸化型酸化還元酵素又はカソード電極近傍に存在する酸化剤還元型酸化還元酵素は、電極との間の電子伝達性に優れ、燃料の酸化反応又は酸化剤の還元反応を円滑に進行させる。
【０００７】
従って、酸化還元酵素による基質の酸化還元反応（燃料の酸化反応又は酸化剤の還元反応）は電極近傍において活発に進行し、燃料が消費されるアノード電極近傍では燃料濃度が低下し、酸化剤が消費されるカソード電極近傍では酸化剤濃度が低下する。このとき、電極近傍への燃料又は酸化剤の拡散がスムーズに行われないと、電極近傍に存在し、電極とのスムーズな電子伝達が可能な酸化還元酵素が有効に働かなくなる。
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の生物燃料電池のような従来の生物燃料電池では、燃料や酸化剤である酸化還元酵素の基質の電解液における拡散性が低いため、電極反応である燃料の酸化反応や酸化剤の還元反応が効率よく進行せず、大きな発電電流を得ることができなかった。
【０００８】
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、電解液における基質の拡散性に優れ、高電流を取り出すことが可能な生物燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の生物燃料電池は、アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
電解液に分散又は溶解された基質の酸化及び／又は還元により電流を取出す生物燃料電池において、電極近傍への基質の拡散を促進することによって、電極近傍に存在する酸化還元酵素による基質の酸化反応又は還元反応がスムーズに進行するため、高い発電性能が得られる。
【００１１】
前記基質拡散機構の具体例としては、超音波振動子が挙げられる。超音波振動子により電解液を加振することで、電解液内における基質の拡散が促進され、基質が消費されて基質濃度が低下した電極近傍に存在する酸化還元酵素へ、基質が滞りなく供給される。その結果、電極反応である基質の酸化反応又は還元反応の進行が促進されるため、大電流を取出すことが可能な優れた電池特性を示す生物燃料電池が得られる。
【００１２】
前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の円滑な電子伝達の観点から、前記半電池構造は、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含むことが好ましい。
【００１３】
また、得られる電池特性の観点から、本発明の生物燃料電池は、少なくとも、アノード側に前記半電池構造を有し、該半電池構造がアノード側酸化還元酵素の基質である燃料の前記導電性基材への拡散を促進する基質拡散機構を備えることが好ましい。このとき、前記燃料としては、例えば、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類の炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、具体的には、エタノール、メタノール及びグルコースより選ばれる少なくとも１種が好ましく用いられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の生物燃料電池は、基質の拡散促進効果により優れた発電特性を示し、高い発電電流を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の生物燃料電池は、アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
ここで、図１を用いて、本発明の生物燃料電池の一実施形態例を説明する。
まず、ＧＤＨ（グルコースデヒドロゲナーゼ）等の酸化還元酵素が燃料であるグルコース等の基質を酸化し、電子を受け取る。次に、電子を受け取った酸化還元酵素は、通常、該酸化還元酵素と電極との間の電子伝達を仲介する電子メディエータに電子を受け渡し、該電子メディエータによって導電性基材（アノード電極）へ電子が受け渡される。そして、アノード電極である導電性基材から外部回路を通ってカソード電極に電子が到達することで、電流が発生する。上記過程において発生するプロトン（Ｈ＋）は、プロトン伝導膜又はプロトン伝導膜のない電解液内をカソード電極まで移動する。そして、カソード電極では、電解液内を移動してきて到達したプロトンと、外部回路を経てアノード側から移動してきた電子と、酸素や過酸化水素等の酸化剤（カソード側基質）とが反応して水が生成される。
【００１７】
上述したように、酸化還元酵素による燃料の酸化により電流を取り出すアノード側半電池構造を有する生物燃料電池において、発電に有効な燃料の酸化反応は、アノード電極である導電性基材の近傍において進行する。すなわち、アノード側において、燃料を酸化して電子を受け取る（還元型酸化還元酵素）→該電子を電極又は電子メディエータ等へ受け渡す（酸化型酸化還元酵素）→再び燃料を酸化して電子を受け取る（還元型酸化還元酵素）というサイクルを効率的に繰り返すことができるのは、電子を受け渡す相手であるアノード電極の近傍に存在する酸化還元酵素である。燃料を酸化し電子を受け取った酸化還元酵素が電極へ円滑に電子を受け渡すことができなければ、この燃料の酸化反応は発電に有効とならない。
【００１８】
また、酸化還元酵素による酸化剤の還元により電流を取出すカソード側半電池構造を有する生物燃料電池において、発電に有効な酸化剤の還元反応は、カソード電極である導電性基材の近傍において進行する。すなわち、カソード側において、電極又は電子メディエータ等から電子を受け取る（還元型酸化還元酵素）→該電子を酸化剤へ受け渡す（酸化型酸化還元酵素）→再び電極又は電子メディエータ等から電子を受け取る（還元型酸化還元酵素）というサイクルを効率的に繰り返すことができるのは、電子を受けとる相手であるカソード電極の近傍に存在する酸化還元酵素である。酸化還元酵素が電極から円滑に電子を受け取ることができなければ、酸化剤の還元反応が進行せず、大電流を取り出すことができない。
【００１９】
以上のように、酸化還元酵素の基質である燃料や酸化剤の酸化反応又は還元反応は、電極近傍において活発に進行することになり、電極近傍において電解液内の基質は集中的に消費され、その濃度が低下する。このような電極近傍における基質不足状態の発生により、電極近傍に存在する酸化還元酵素と基質との接触確率が減少すると、基質の酸化反応又は還元反応が円滑に進行しなくなる。その結果、燃料電池は充分な発電量を維持することができなくなる。
【００２０】
そこで、本発明では、基質拡散機構により基質の電極である導電性基材の方向への拡散を促進することによって、電極近傍における基質の濃度を高レベルに維持できるようにし、電極近傍に存在し、発電に有効に機能する酸化還元酵素と、基質との接触確率を高めることを可能にした。電極近傍における酸化還元酵素と基質との接触確率を高めることによって、電極近傍において基質の酸化反応又は還元反応が円滑に進行し、優れた発電性能を示す生物燃料電池を提供することができる。
【００２１】
本発明において、基質拡散機構とは、電解液内の基質が電極（アノード電極又はカソード電極）である導電性基材の方向へ拡散するのを促進し、導電性基材よりなる電極近傍の基質濃度を高レベルに維持することを可能とするものであれば、特に限定されない。例えば、電解液内における濃度勾配に従う燃料の自発的移動を促進するものの他、外力により基質の運動を増加させるものも含まれる。
【００２２】
外力により基質の運動を増加させるものとして、具体的には、電解液に対流を生じさせ、対流により電解液の溶質である基質の拡散を促進するものや、電解液に振動を加えて、振動により電解液内の基質の拡散を促進するもの等が挙げられる。
【００２３】
電解液の対流を生じさせる方法としては、例えば、基質が分散された電解液を攪拌する方法等が挙げられる。電解液の攪拌方法としては特に限定されない。また、電解液に振動を加える方法としては、超音波振動子による加振等が挙げられる。
【００２４】
基質拡散機構としては、生物燃料電池への組み込みやすさ、設計容易性等の観点から、超音波振動子による電解液への加振が好適である。
【００２５】
尚、基質や基質を含む電解液を流通させるような電池構成であっても、該基質又は基質を含む電解液の流通速度によっては、上記のような基質拡散機構による基質の拡散効果が充分得られるため、本発明の生物燃料電池は、基質の供給が行われない閉鎖系の形態以外にも、基質の供給を行うことが可能な形態に適用してもよい。
【００２６】
電極を構成する導電性基材としては、特に限定されず、一般的なものを用いることができる。例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等の導電性炭素質からなるものや、金、チタン等の金属からなるものを用いることができる。
【００２７】
本発明の生物燃料電池は、アノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよいし、カソード側に前記半電池構造を有し、カソード電極である導電性基材への酸化剤の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよいし、或いは、アノード側及びカソード側に前記半電池構造を有し、アノード側電極への燃料の拡散を促進する基質拡散機構及びカソード電極への酸化剤の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよい。
得られる発電性能の高さから、本発明の生物燃料電池は、少なくともアノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備えることが好ましい。
【００２８】
以下、本発明の生物燃料電池の一形態例として、アノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備える生物燃料電池を中心に説明する。
燃料としては、一般的なものを広く利用することができ、例えば、アルコール類、アルデヒド類、糖類、ケトン類よりなる炭化水素系化合物の他、水素等が挙げられる。中でも、取り扱いの容易さ等の観点から、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類よりなる炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも１種が好適である。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン等のアルコール類；ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類；グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類；ケトン類等が挙げられる。その他にも、脂肪類、タンパク質、糖等の代謝中間生成物、これら混合物などを用いることができる。
【００２９】
中でも、分子量が大きく、濃度勾配等による自発的な拡散性が低いグルコース等を燃料として用いる場合、本発明により得られる効果が特に高いものとなる。また、入手の容易性、取り扱いの容易性等の観点からは、エタノール、メタノール、グルコースが好適に用いられる。
【００３０】
燃料である基質を酸化する酸化還元酵素としては、特に限定されず、用いる燃料に応じて適宜選択すればよい。例えば、デヒドロゲナーゼや、オキシダーゼ等を用いることができる。具体的には、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、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、グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、アルコールオキシダーゼ（ＡＯＤ）、アルデヒドオキシダーゼ等が挙げられる。燃料の入手及び管理の容易さ、並びに安全性の観点からＧＤＨ、ＡＤＨ、ＧＯＤ、ＡＯＤが好ましく用いられる。酵素は、１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
酸化還元酵素は、基質と接触して基質を酸化又は還元することができれば、基質と共に電解液内に分散されていてもよいし、或いは、導電性基材の表面に固定されていてもよい。導電性基材の表面に固定する方法としては特に限定されず、一般的な方法に準じて行うことができる。例えば、酸化還元酵素同士又は酸化還元酵素と導電性基材又は酸化還元酵素と導電性基材上の担体とを共有結合させうる反応性基を有するポリエチレングリコールジグリシジル（ＰＥＧＤＥ）やグルタルアルデヒド等の架橋試薬を用いたり、或いは、酵素と静電相互作用を有するポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリアミノ酸、ポリピロール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等のイオン性ポリマーを固化することにより、酸化還元酵素を導電性表面に固定化する方法等が挙げられる。
導電性基材との円滑な電子伝達の観点から、通常、酵素は電極表面に固定化されることが好ましい。
【００３２】
また、上記半電池構造は、酸化還元酵素と導電性基材間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含有していてもよい。一般的に、酸化還元酵素の分子構造上、酸化還元酵素と導電性基材との間では効率よく電子移動を行うことが難しい場合が多い。そのため、酸化還元酵素と電極との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを用いることで、酵素−導電性基材間の電子移動を円滑に進行させることができる。
【００３３】
電子メディエータとしては、用いる酸化還元酵素に応じて一般的に用いられている物質の中から適宜選択すればよい。例えば、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｗ等の金属元素を中心金属とする金属錯体；ビオローゲン等の複素環式化合物等が挙げられる。
【００３４】
電子メディエータも、酸化還元酵素同様、円滑な電子伝達進行の観点から、導電性基材に固定化されることが好ましい。固定化方法としては、一般的な方法に準じることができ、例えば、既述した酸化還元酵素の固定化方法等を利用することができる。
【００３５】
尚、本発明の生物燃料電池において、燃料又は酸化剤である基質を酸化又は還元する酸化還元酵素と、導電性基材との間の電子伝達は、酸化還元酵素−導電性基材間で直接行われてもよいし、上記したような電子メディエータを介して行われてもよいし、他の酸化還元酵素を介して行われてもよい。
【００３６】
基質である燃料や酸化剤が分散又は溶解される電解液は、電極反応である酸化反応又は還元反応が効率よく定常的に進行するように、トリス緩衝液、リン酸緩衝液、モルホリノプロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）等の緩衝液によって、最適なｐＨ、例えば、ｐＨ７付近に維持されることが好ましい。また、電極反応が効率よく定常的に進行するようにするためには、例えば、２０〜３０℃程度に維持されていることが好ましい。
【００３７】
上記のような半電池構造を有するアノードと対をなすカソードとしては、例えば、酸化剤の還元反応に有効な触媒である白金や白金合金等、燃料電池において一般的に用いられている電極触媒を、グラファイト、カーボンブラック、活性炭のような炭素質材料、又は金、チタン等からなる導電体に担持させたものや、白金や白金合金等の電極触媒そのものからなる導電体をカソード電極として用い、酸化剤を電極触媒に供給するような形態とすることができる。
【００３８】
或いは、上記のような半電池構造を有するアノードと対をなすカソードを、酸化剤拡散機構を備える又は備えていない上記半電池構造を有する形態としてもよい。酸化剤を還元する酸化還元酵素としては、ラッカーゼやビリルビンオキシターゼ等の公知のものが挙げられる。酸化剤を還元する触媒として酸化還元酵素を用いる場合には、必要に応じて、公知の電子メディエータを用いてもよい。
酸化剤としては、酸素、過酸化水素等が挙げられる。
カソードにおける電極反応を妨害する不純物による影響を回避するために、ジメチルポリシロキサン等の酸素選択性の膜をカソード電極の周囲に配置してもよい。
【実施例】
【００３９】
［基質酸化型酵素電極の作製］
カーボンペーパー（Φ１０ｍｍ）の表面に、マイクロピペットを用いて、まず、ポリ（１−ビニルイミダゾール）とＯｓ（４，４’−ジメチル−２，２’−ビピリジン）２Ｃｌとの複合体（以下、ＰＶＩ−Ｏｓとする。）の１５ｍｇ／ｍｌ水溶液を８μｌ滴下した。続いて、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）の５ｍｇ／ｍＬリン酸緩衝溶液を８μｌ滴下した。次に、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＰＥＧＤＥ）の３ｍｇ／ｍｌ水溶液を８μｌ滴下した。
これを常温で一晩放置して乾燥させ、ＰＶＩ−Ｏｓのポリビニルイミダゾール鎖にＰＥＧＤＥを介してＧＤＨを結合させることにより、カーボンシート表面に酵素であるＧＤＨとメディエータであるＰＶＩ−Ｏｓとを固定した。
図３に示すようにして、上記にて酸化還元酵素と電子メディエータとを固定したカーボンペーパーを、外部回路と接続されたカーボン芯を有する部材の先端に、ナイロン製ネット及びＯリングで固定し、基質酸化型酵素電極（試料極）とした。
【００４０】
［発電試験］
（実施例）
上記試料極を用いて、下記条件下、超音波振動子により電解液を加振しながら発電試験（３電極式電気化学評価。図４参照）を行った。結果を図２に示す。尚、参照極としてＡｇ／ＡｇＣｌ２、対極としてＰｔワイヤーを用いた。
【００４１】
＜試験条件＞
・温度：室温（約２７℃）
・電解液：ＭＯＰＳ  ３０ｍＭ、ＣａＣｌ２  ３ｍＭ、ＫＣｌ  １００ｍＭ、及びグルコース０．１Ｍを含む水溶液（ｐＨ７．０）
【００４２】
（比較例）
実施例において、超音波振動子による電解液の加振を行わなかった以外は、同様にして発電試験を行った。結果を図２に合わせて示す。
【００４３】
＜結果＞
図２に示すように、超音波振動子により電解液に振動を加え、燃料であるグルコースの電極への拡散を促進させた実施例は、グルコースの拡散を促進させる基質拡散機構を用いなかった比較例と比べて、高電位範囲における電流密度の向上が確認できた。これは、比較例においては、グルコースの拡散性が悪く、電極表面に固定されたＧＤＨへのグルコース供給が不十分であったのに対して、実施例においては、超音波振動子による電解液への加振により、電極へとグルコースが拡散し、常に充分量のグルコースが電極表面に固定されたＧＤＨに供給されたためである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の酵素電極を備えた生物燃料電池の一形態例を示す概念図である。
【図２】実施例における評価結果を示すグラフである。
【図３】実施例における酵素電極の作製方法を示す図である。
【図４】実施例における発電試験（三電極式電気化学評価）の評価系を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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