(57)【要約】【課題】正極および負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている場合に、高出力動作時にも十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができ、優れた性能を有する燃料電池を提供する。【解決手段】正極２と負極１とが、緩衝物質を含む電解質層３を介して対向した構造を有し、正極２および負極１の少なくとも一方に酵素が固定化されているバイオ燃料電池において、電解質層３に緩衝物質としてイミダゾール環を含む化合物を含ませる。イミダゾール環を含む化合物としては、イミダゾール、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などを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質にイミダゾール環を含む化合物が含まれる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記緩衝物質の濃度が０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記正極および上記負極の少なくとも一方に上記酵素に加えて電子メディエーターが固定化されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
上記酵素が、上記負極に固定化された、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
上記酸化酵素がＮＡＤ+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項８】
上記酵素が、上記負極に固定化された、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素および生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項９】
上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素がＮＡＤ+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素が、上記正極に固定化された酸素還元酵素を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼであることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質にイミダゾール環を含む化合物が含まれるものである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質に２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳおよびＢＥＳからなる群より選ばれた少なくとも一種が含まれる
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、正極および負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池およびこの燃料電池を用いる電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、正極（酸化剤極）と負極（燃料極）とが電解質（プロトン伝導体）を介して対向した構造を有する。従来の燃料電池では、負極に供給された燃料（水素）が酸化されて電子とプロトン（Ｈ+ ）とに分離し、電子は負極に渡され、Ｈ+ は電解質を通って正極まで移動する。正極では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
【０００３】
このように、燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率な発電装置であり、天然ガス、石油、石炭などの化石エネルギーが持つ化学エネルギーを使用場所や使用時によらずに、しかも高い変換効率で電気エネルギーとして取り出すことができる。このため、従来から大規模発電用途などとしての燃料電池の開発研究が活発に行われている。例えば、スペースシャトルに燃料電池が搭載され、電力と同時に乗組員用の水を補給できることや、クリーンな発電装置であることを証明した実績がある。
【０００４】
さらに、近年、固体高分子型燃料電池など、室温から９０℃程度の比較的低温の作動温度域を示す燃料電池が開発され、注目を集めている。このため、大規模発電用途のみならず、自動車の駆動用電源、パーソナルコンピュータやモバイル機器などのポータブル電源などの小型システムへの応用が模索されつつある。
このように、燃料電池は大規模発電から小規模発電まで幅広い用途が考えられ、高効率な発電装置として多くの注目を集めている。しかしながら、燃料電池では、燃料として通常、天然ガス、石油、石炭などを改質器により水素ガスに変換して用いており、限りある資源を消費するとともに、高温に加熱する必要があったり、白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属の触媒を必要としたりするなど、いろいろと問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。
【０００５】
そこで、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。ここでいう生体代謝には、微生物体細胞内で行われる呼吸、光合成などが含まれる。生体代謝は、発電効率が極めて高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特長を兼ね備えている。
例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質などの栄養素を微生物または細胞内に取り込み、これらの化学エネルギーを、数々の酵素反応ステップを有する解糖系およびトリカルボン酸（ＴＣＡ）回路を介して二酸化炭素（ＣＯ2 ）を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのＮＡＤＨの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）合成酵素を介して、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）からＡＴＰを生成し、このＡＴＰは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
【０００６】
また、光合成は、光エネルギーを取り込み、電子伝達系を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）とすることで電気エネルギーに変換する過程で、水を酸化し酸素を生成する機構である。この電気エネルギーは、ＣＯ2 を取り込み炭素固定化反応に利用され、炭水化物の合成に利用される。
上述のような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メディエーターを介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、上述の方法では望まない反応に電気エネルギーが消費されて十分なエネルギー変換効率が発揮されない。
そこで、酵素を用いて所望の反応のみを行う燃料電池（バイオ燃料電池）が提案されている（例えば、特許文献２〜１０参照。）。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類を用いたものが開発されている。
【０００８】
このバイオ燃料電池においては一般に、電解質に緩衝物質（緩衝液）が含まれている。これは、触媒として用いられる酵素が溶液のｐＨに非常に敏感であることから、緩衝物質により酵素が機能しやすいｐＨ付近に制御するためである。従来、緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）、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）などが用いられている。そして、この緩衝物質の濃度は０．１Ｍかそれ以下が一般的であった。これは、緩衝物質の濃度はｐＨを一定にするために必要な最低限までなるべく希薄にし、適当な無機イオンや有機イオンを加えて生理的条件に近づけることが通例であったためである。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１３３２９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献３】特開２００４−７１５５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１３２１０号公報
【特許文献５】特開２００５−３１０６１３号公報
【特許文献６】特開２００６−２４５５５号公報
【特許文献７】特開２００６−４９２１５号公報
【特許文献８】特開２００６−９３０９０号公報
【特許文献９】特開２００６−１２７９５７号公報
【特許文献１０】特開２００６−１５６３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、本発明者らの研究によれば、電解質に含ませる緩衝物質としてＮａＨ2 ＰＯ4 、ＭＯＰＳ、ＨＥＰＥＳなどを用いた上述の従来のバイオ燃料電池においては、多孔質カーボンなどの高表面積な電極上に酵素を固定化したものを用いたり、固定化する酵素の濃度を高くしたりすることにより高出力化した場合、緩衝能が不十分であり、酵素の周囲の電解質のｐＨが至適ｐＨからずれてしまい、酵素が本来持っている能力を十分に発揮できなかった。
【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極および負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている場合に、高出力動作時にも十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができ、優れた性能を有する燃料電池を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質にイミダゾール環を含む化合物が含まれる
ことを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、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）などである。このイミダゾール環を含む化合物の濃度は、適宜選択することができるが、十分に高い緩衝能を得る観点より、好適には０．２Ｍ以上３Ｍ以下、より好適には０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下、さらに好適には１Ｍ以上２．５Ｍ以下である。このように電解質に含まれる緩衝物質の濃度が０．２Ｍ以上３Ｍ以下と十分に高いと、高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応などにより、プロトンの増減が電極内部または酵素の固定化膜内などで起きても、十分な緩衝作用を得ることができ、酵素の周囲の電解質のｐＨの至適ｐＨからのずれを十分に小さく抑えることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができる。緩衝物質のｐＫa は一般的には５以上９以下である。緩衝物質を含む電解質のｐＨは、好適には７付近であるが、一般的には１〜１４のいずれであってもよい。
【００１４】
緩衝物質には、必要に応じて、イミダゾール環を含む化合物以外の緩衝物質を含ませてもよい。具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）、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（Ｈ2 ＣＯ3 ）、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）などである。
【００１５】
電解質としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、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）、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からなるもの（例えば、ナフィオン（商品名、米国デュポン社））などが挙げられる。
【００１６】
正極および負極の少なくとも一方に固定化される酵素は種々のものであってよく、必要に応じて選ばれる。また、正極および負極の少なくとも一方には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターが固定化される。必要に応じて、イミダゾール環を含む化合物を含む緩衝物質も、これらの酵素や電子メディエーターの固定化膜に固定化してもよい。
具体的には、負極に固定化される酵素は、例えば、燃料としてグルコースのような単糖類を用いる場合には、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、通常はこれに加えて酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素を含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して電極に電子が渡される。酸化酵素としては例えばＮＡＤ+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、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（ＮＡＤ+ ）が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼが用いられる。
【００１７】
燃料として多糖類（広義の多糖類であり、加水分解によって２分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖、四糖などのオリゴ糖を含む）を用いる場合には、好適には、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素、補酵素および電子メディエーターに加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素も固定化される。多糖類としては、具体的には、例えば、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース、ラクトースなどが挙げられる。これらは単糖類が二つ以上結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。なお、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを用い、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた場合には、グルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、マルトースのいずれかを含むものであれば、これを燃料として発電することが可能となる。なお、グルコアミラーゼはデンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼはβ−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。好適には、多糖類を分解する分解酵素も負極上に固定化される構成とし、最終的に燃料となる多糖類も負極上に固定化される構成とする。
【００１８】
また、デンプンを燃料とする場合には、デンプンを糊化してゲル状の固形化燃料としたものを用いることもできる。この場合、好適には、糊化したデンプンを酵素などが固定化された負極に接触させ、あるいは負極上に酵素などとともに固定化する方法をとることができる。このような電極を用いると、負極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がなくなるため、例えばモバイル機器に用いたときに非常に有利である。
【００１９】
電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物、取り分け、ナフトキノン骨格を有する化合物が用いられる。このナフトキノン骨格を有する化合物としては各種のナフトキノン誘導体を用いることが可能であるが、具体的には、例えば、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−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）などが用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、ナフトキノン骨格を有する化合物以外に、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。キノン骨格を有する化合物、特にナフトキノン骨格を有する化合物を負極に固定化する際に用いる溶媒としては、好適にはアセトンが用いられる。このように溶媒としてアセトンを用いることにより、キノン骨格を有する化合物の溶解性を高めることができ、キノン骨格を有する化合物を負極に効率的に固定化することができる。溶媒には、必要に応じて、アセトン以外の一種または二種以上の他の溶媒を含ませてもよい。
【００２０】
一つの例では、負極に電子メディエーターとしての２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、補酵素としての還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化酵素としてのグルコースデヒドロゲナーゼおよび補酵素酸化酵素としてのジアホラーゼを固定化し、好適には、これらを１．０（ｍｏｌ）：０．３３〜１．０（ｍｏｌ）：（１．８〜３．６）×１０6 （Ｕ）：（０．８５〜１．７）×１０7 （Ｕ）の比で固定化する。ただし、Ｕ（ユニット）とは、酵素活性を示す一つの指標であり、ある温度およびｐＨにおいて１分間当たり１μｍｏｌの基質が反応する度合いを示す。
【００２１】
一方、正極に酵素を固定化する場合、この酵素は、典型的には酸素還元酵素を含む。この酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、フェリシアン化カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ2 以上固定化する。
【００２２】
酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極または正極に固定化するための固定化材としては、各種のものを用いることができるが、好適には、ポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）をはじめとした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））をはじめとした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、このポリイオンコンプレックスの内部に酵素、補酵素、電子メディエーターなどが含まれるようにすることができる。
【００２３】
ところで、この燃料電池の正極および負極に電子メディエーターが固定化される場合、電子メディエーターは一般に低分子であることから、溶出を完全に抑え、正極および負極に電子メディエーターが固定化された状態を長時間維持することは必ずしも容易でない。このため、正極に用いられる電子メディエーターが負極側に移動し、逆に負極に用いられる電子メディエーターが正極側に移動することが起き得るが、この場合には燃料電池の出力の低下および電気容量の低下を招くおそれがある。この問題を解消するためには、電解質として電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するものを用いることが有効である。このようにすることにより、電解質の電荷と電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷との間に斥力が働く。このため、電子メディエーターが電解質側に移動しにくくなり、電子メディエーターが電解質を透過して反対側に移動するのを効果的に抑えることができる。典型的には、電解質に、電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンまたはポリカチオンが含まれることにより、電解質が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するが、これに限定されるものではなく、他の方法により電解質が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するようにしてもよい。具体的には、正極および負極の少なくとも一方に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体が負電荷を有する場合には、負電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンが電解質に含まれるようにし、電子メディエーターの酸化体または還元体が正電荷を有する場合には、正電荷を有するポリマー、例えばポリカチオンが電解質に含まれるようにする。ポリアニオンとしては、例えば、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であるナフィオン（商品名、米国デュポン社）のほか、重クロム酸イオン（Ｃｒ2 Ｏ72- ）、パラモリブデン酸イオン（［Ｍｏ7 Ｏ24］6-）、ポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））などを用いることができる。ポリカチオンとしては、例えば、ポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）などを用いることができる。
【００２４】
一方、本発明者らは、負極に酵素および電子メディエーターに加えてジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）などのリン脂質を固定化することにより、燃料電池の出力の大幅な向上を図ることができるという現象を見出した。すなわち、リン脂質は高出力化剤として機能することを見出した。このようにリン脂質の固定化により高出力化が可能な理由について種々検討を行ったところ、従来の燃料電池において十分に大きな出力が得られない理由の一つが、負極に固定化する酵素と電子メディエーターとが均一に混合せず、両者が互いに分離して凝集状態にあることにあるが、リン脂質の固定化により酵素と電子メディエーターとが互いに分離して凝集してしまうのを防止することができ、酵素と電子メディエーターとを均一に混合することができるためであるという結論に至った。さらに、リン脂質の添加により酵素と電子メディエーターとを均一に混合することができるようになる原因を究明したところ、電子メディエーター還元体の拡散係数がリン脂質の添加により大幅に上昇するという極めて稀有な現象を発見した。すなわち、リン脂質は電子メディエーター拡散促進剤として機能することを見出した。このリン脂質の固定化の効果は特に、電子メディエーターがキノン骨格を有する化合物である場合に著しい。リン脂質の代わりに、リン脂質の誘導体や、リン脂質またはその誘導体の重合体を用いても同様な効果を得ることができる。なお、高出力化剤とは、最も一般的に言うと、酵素および電子メディエーターが固定化された電極における反応速度を向上させ、高出力化を図ることができるものである。また、電子メディエーター拡散促進剤とは、最も一般的に言うと、酵素および電子メディエーターが固定化された電極の内部での電子メディエーターの拡散係数を増加させ、あるいは、電極近傍での電子メディエーターの濃度を維持するか上昇させるものである。
【００２５】
正極または負極の材料としては、カーボン系材料などの従来公知の材料を用いることができるほか、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることができる。この多孔体導電材料は、多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面に、カーボン系材料を主成分とする材料をコーティングすることにより得ることができる。この多孔体導電材料の骨格を構成する多孔体材料は、多孔率が高くても骨格を安定に維持することができるものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、導電性の有無も問わない。多孔体材料としては、好適には、高多孔率および高導電性を有する材料が用いられる。このような高多孔率および高導電性を有する多孔体材料としては、具体的には、金属材料（金属または合金）や、骨格を強固にした（もろさを改善した）カーボン系材料などを用いることができる。多孔体材料として金属材料を用いる場合、金属材料は溶液のｐＨや電位などの使用環境との兼ね合いにより状態安定性が異なることから様々な選択肢が考えられるが、例えば、ニッケル、銅、銀、金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などの発泡金属あるいは発泡合金は入手しやすい材料の一つである。多孔体材料としては、上記の金属材料やカーボン系材料以外に樹脂材料（例えば、スポンジ状のもの）を用いることもできる。この多孔体材料の多孔率および孔径（孔の最小径）は、この多孔体材料からなる骨格の表面にコーティングする、カーボン系材料を主成分とする材料の厚さとの兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。この多孔体材料の孔径は一般的には１０ｎｍ〜１ｍｍ、典型的には１０ｎｍ〜６００μｍである。一方、骨格の表面を被覆する材料は、導電性を有し、想定される作動電位において安定なものを用いる必要がある。ここでは、このような材料としてカーボン系材料を主成分とする材料を用いる。カーボン系材料は一般に電位窓が広く、しかも化学的に安定なものが多い。このカーボン系材料を主成分とする材料は、具体的には、カーボン系材料のみからなるものと、カーボン系材料を主成分とし、多孔体導電材料に要求される特性などに応じて選ばれる副材料を微量含む材料とがある。後者の材料の具体例を挙げると、カーボン系材料に金属などの高導電性材料を添加することにより電気伝導性を向上させた材料や、カーボン系材料にポリテトラフルオロエチレン系材料などを添加することにより表面撥水性を付与するなど、導電性以外の機能を付与した材料である。カーボン系材料にも様々な種類が存在するが、いかなるカーボン系材料であってもよく、カーボン単体のほか、カーボンに他の元素を添加したものであってもよい。このカーボン系材料は、特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい。このカーボン系材料としては、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などを用いることができる。このカーボン系材料を主成分とする材料のコーティング方法は、必要に応じて適当な結着剤を用いるなどして多孔体材料���らなる骨格の表面にコーティング可能であれば、いかなるコーティング方法を用いてもよい。この多孔体導電材料の孔径は、その孔を通して基質などを含む溶液が容易に出入り可能な程度の大きさに選ばれ、一般的には９ｎｍ〜１ｍｍ、より一般的には１μｍ〜１ｍｍ、さらに一般的には１〜６００μｍである。多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面がカーボン系材料を主成分とする材料により被覆された状態、あるいは、多孔質材料からなる骨格の少なくとも一部の表面をカーボン系材料を主成分とする材料によりコーティングした状態では、孔が全て互いに連通し、あるいは、カーボン系材料を主成分とする材料による目詰まりが発生しないようにするのが望ましい。
【００２６】
この燃料電池の全体構成は必要に応じて選ばれるが、例えば、コイン型またはボタン型の構成とする場合には、好適には、酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体と燃料が透過可能な構造を有する負極集電体との間に形成された空間の内部に、正極、電解質および負極が収納された構造とする。この場合、典型的には、正極集電体および負極集電体の一方の縁が絶縁性の密封部材を介して正極集電体および負極集電体の他方に対してかしめられることで、正極、電解質および負極を収納する空間が形成されるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の加工方法によりこの空間を形成してもよい。正極集電体と負極集電体とは絶縁性の密封部材により互いに電気的に絶縁される。この絶縁性の密封部材としては、典型的には、シリコーンゴムなどの各種の弾性体からなるガスケットが用いられるが、これに限定されるものではない。これらの正極集電体および負極集電体の平面形状は必要に応じて選ぶことができるが、例えば、円形、楕円形、四角形、六角形などである。典型的には、正極集電体は一つまたは複数の酸化剤供給口を有し、負極集電体は一つまたは複数の燃料供給口を有するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、正極集電体の材料として酸化剤が透過可能なものを用いたりすることにより酸化剤供給口を形成しないでもよく、負極集電体の材料として燃料が透過可能なものを用いたりすることにより燃料供給口を形成しないでもよい。負極集電体は、典型的には、燃料保持部を有する。この燃料保持部は負極集電体と一体に設けてもよいし、負極集電体に対して着脱自在に設けてもよい。燃料保持部は、典型的には、密閉用の蓋を有する。この場合、この蓋を外して燃料保持部に燃料を注入することができる。密閉用の蓋を用いないで、燃料保持部の側面などから燃料を注入するようにしてもよい。燃料保持部を負極集電体に対して着脱自在に設ける場合には、例えば、燃料保持部として、あらかじめ燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジなどを取り付けてもよい。これらの燃料タンクや燃料カートリッジは、使い捨て形であってもよいが、資源の有効利用を図る観点より、燃料を充填することができるものが好ましい。また、使用済みの燃料タンクや燃料カートリッジを燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジと交換してもよい。さらに、例えば、燃料保持部を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器状に形成し、この供給口を介して外部から燃料を密閉容器内に連続的に供給することで燃料電池の連続使用が可能である。あるいは、燃料電池に燃料保持部を設けず、開放系の燃料タンクに入れられた燃料の上に燃料電池を負極側が下に、正極側が上になるようにして浮かべた状態で使用してもよい。
【００２７】
この燃料電池は、所定の中心軸の周りに、負極、電解質、正極および酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体が順次設けられており、燃料が透過可能な構造を有する負極集電体が負極と電気的に接続されて設けられている構造としてもよい。この燃料電池において、負極は、断面形状が円、楕円、多角形などの筒状であってもよいし、断面形状が円、楕円、多角形などの柱状であってもよい。負極が筒状である場合、負極集電体は、例えば、負極の内周面側に設けてもよいし、負極と電解質との間に設けてもよいし、負極の少なくとも一端面に設けてもよいし、さらにはこれらの二箇所以上に設けてもよい。また、負極を燃料を保持することができるように構成し、例えば、負極を多孔質材料により形成し、この負極に燃料保持部を兼用させるようにしてもよい。あるいは、所定の中心軸上に柱状の燃料保持部を設けてもよい。この燃料保持部は、例えば、負極集電体が負極の内周面側に設けられる場合、この負極集電体により囲まれる空間そのものであってもよいし、この空間内に負極集電体とは別に設けられる燃料タンクや燃料カートリッジなどの容器であってもよく、この容器は着脱自在でも固定されたものでもよい。燃料保持部は、例えば、円柱状、楕円柱状、四角形、六角形などの多角柱状などであるが、これに限定されるものではない。電解質は、負極および負極集電体の全体を包み込むように袋状の容器に形成するようにしてもよい。こうすることで、燃料保持部に燃料を一杯に入れた場合、この燃料を負極の全体と接触させることができる。この容器のうちの少なくとも正極と負極との間に挟まれた部分を電解質により形成し、その他の部分はこの電解質と異なる材料により形成するようにしてもよい。この容器を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器とし、この供給口を介して外部から燃料を容器内に連続的に供給することにより燃料電池の連続使用が可能である。負極としては、好適には、内部に燃料を十分に蓄えることができるようにするために、空隙率が大きいものが好ましく、例えば空隙率が６０％以上のものが好ましい。
【００２８】
正極および負極としてペレット電極を用いることもできる。このペレット電極は、カーボン系材料（特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい）、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などと、必要に応じてバインダー、例えばポリフッ化ビニリデンと、上述の酵素の粉末（あるいは酵素溶液）、補酵素の粉末（あるいは補酵素溶液）、電子メディエーターの粉末（あるいは電子メディエーター溶液）、固定化用のポリマーの粉末（あるいはポリマー溶液）などとを、めのう乳鉢などで混合し、適宜乾燥させたものを所定の形状にプレス加工することなどにより形成することができる。このペレット電極の厚さ（電極厚）も必要に応じて決められるが、一例を挙げると５０μｍ程度である。例えば、コイン型の燃料電池を製造する場合には、上記のペレット電極形成用の材料を錠剤製造機により円形の形状（直径の一例を挙げると１５ｍｍであるが、直径はこれに限定されるものではなく、必要に応じて決められる）にプレス加工することによりペレット電極を形成することができる。このペレット電極を形成する場合、所要の電極厚とするためには、例えば、ペレット電極形成用の材料に占めるカーボン量やプレス圧などを制御する。コイン型の電池缶に正極または負極を挿入する場合、例えば、これらの正極または負極と電池缶との間に金属メッシュスペーサーを挿入することでそれらの電気的接触を取るのが好ましい。
【００２９】
ペレット電極の製造方法としては、上記の方法以外に、例えば、カーボン系材料と、必要に応じてバインダーと、酵素固定化成分（酵素、補酵素、電子メディエーター、ポリマーなど）の混合溶液（水系あるいは有機溶媒混合溶液）とを集電体などに適宜塗布し、乾燥させ、全体をプレス加工した後、所望の電極サイズに切り分けるようにしてもよい。
この燃料電池は、およそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
【００３０】
第２の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質にイミダゾール環を含む化合物が含まれるものである
ことを特徴とするものである。
この電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、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、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
第２の発明においては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３１】
第３の発明は、
正極と負極とが緩衝物質を含む電解質を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記緩衝物質に２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳおよびＢＥＳからなる群より選ばれた少なくとも一種が含まれる
ことを特徴とするものである。
ここで、ＴＥＳはN-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid、ＢＥＳはN,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acidである。
この第３の発明においては、必要に応じて、緩衝物質にイミダゾール環を含む化合物あるいはその他の緩衝物質を含ませてもよい。
この第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。また、第１の発明と同様な利点を得ることかできる。
【００３２】
上述のように構成されたこの発明においては、電解質に含まれる緩衝物質にイミダゾール環を有する化合物または２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳおよびＢＥＳからなる群より選ばれた少なくとも一種が含まれることにより、十分な緩衝能を得ることができるため、燃料電池の高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減がプロトンの電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝能を得ることができ、酵素の周囲の電解質のｐＨの至適ｐＨからのずれを十分に小さく抑えることができる。このため、酵素、補酵素、電子メディエーターなどによる電極反応を効率よく定常的に行うことができる。
【発明の効果】
【００３３】
この発明によれば、高出力動作時にも十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができることにより、優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。そして、このように優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いるものとする。図２は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
図１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極１と正極２とがプロトンのみ伝導する電解質層３を介して対向した構造を有する。負極１は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ+ ）を発生する。正極２は、負極１から電解質層３を通って輸送されたプロトンと負極１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
【００３５】
負極１は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極１１（図２参照）上に、グルコースの分解に関与する酵素と、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素（例えば、ＮＡＤ+ 、ＮＡＤＰ+ など）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨなど）を酸化する補酵素酸化酵素（例えば、ジアホラーゼ）と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターとが、例えばポリマーなどからなる固定化材により固定化されて構成されている。
【００３６】
グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
さらに、このＤ−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）との二つの酵素を存在させることにより、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解することができる。すなわち、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりＤ−グルコネートになり、Ｄ−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）をアデノシン二リン酸（ＡＤＰ）とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる。この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、酸化酵素ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに酸化される。
【００３７】
また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してＣＯ2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにＴＣＡ回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、ＧＤＨの場合、補酵素にはＮＡＤ+ が用いられる。すなわち、ＧＤＨの作用によりβ−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、ＮＡＤ+ がＮＡＤＨに還元され、Ｈ+ を発生する。
【００３８】
生成されたＮＡＤＨは、ジアホラーゼ（ＤＩ）の存在下で直ちにＮＡＤ+ に酸化され、二つの電子とＨ+ とを発生する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で二つの電子と二つのＨ+ とが生成されることになる。２段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのＨ+ とが生成される。
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層３を通って正極２へ輸送される。
【００３９】
電子メディエーターは電極１１との電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の出力電圧は、電子メディエーターの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い出力電圧を得るには、負極１側ではよりネガティブな電位の電子メディエーターを選ぶとよいが、電子メディエーターの酵素に対する反応親和性、電極１１との電子交換速度、阻害因子（光、酸素など）に対する構造安定性なども考慮しなければならない。このような観点から、負極１に作用する電子メディエーターとしては、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）やビタミンＫ３などが好適である。そのほかに、例えば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、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も電子メディエーターとして用いることができる。
【００４０】
電解質層３は負極１において発生したＨ+ を正極２に輸送するプロトン伝導体であり、電子伝導性を持たず、Ｈ+ を輸送することが可能な材料により構成されている。この電解質層３は、例えばすでに挙げたものの中から適宜選ばれたものを用いることができる。この場合、この電解質層３には、緩衝液としてイミダゾール環を有する化合物を緩衝物質として含むものが含まれている。このイミダゾール環を有する化合物は、例えばイミダゾールなどの、すでに挙げたものの中から適宜選ぶことができる。この緩衝物質としての、イミダゾール環を有する化合物の濃度は必要に応じて選ばれるが、好適には０．２Ｍ以上３Ｍ以下の濃度含ませる。こうすることで高い緩衝能を得ることができ、燃料電池の高出力動作時においても、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。さらに、イオン強度（Ｉ．Ｓ．）は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば０．３程度であることが好ましい。ただし、ｐＨおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
【００４１】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えるために、固定化材を用いて電極１１上に固定化されることが好ましい。さらに、燃料を分解する酵素および補酵素も電極１１上に固定化することで、負極１の酵素反応系の安定化を図ることができる。このような固定化材としては、例えば、グルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものやポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものを用いてもよいし、これらを単独で用いてもよいし、さらには他のポリマーを用いてもよい。グルタルアルデヒドとポリ−Ｌ−リシンとを組み合わせた固定化材を用いることにより、それぞれが持つ酵素固定化能力を大きく改善することが可能となり、固定化材全体として優れた酵素固定化能力を得ることができる。この場合、グルタルアルデヒドとポリ−Ｌ−リシンとの組成比は、固定化する酵素とこの酵素の基質とに応じて最適な値が異なるが、一般的には任意の組成比で構わない。具体例を挙げると、グルタルアルデヒド水溶液（０．１２５％）とポリ−Ｌ−リシン水溶液（１％）とを用い、それらの比を１：１、１：２、２：１などとする。
【００４２】
図２には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ+ 、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエータがＡＣＮＱである場合が図示されている。
【００４３】
正極２は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極上に酸素還元酵素および電極との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターが固定化されたものである。酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。電子メディエーターとしては、例えばヘキサシアノ鉄酸カリウムの電離により生成されるヘキサシアノ鉄酸イオンを用いることができる。この電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ2 以上固定化する。
【００４４】
この正極２においては、酸素還元酵素の存在下で、電解質層３からのＨ+ と負極１からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
以上のように構成された燃料電池において、負極１側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極１側で電子とＨ+ とを生成することができ、負極１と正極２との間で電流を発生させることができる。
【００４５】
次に、正極２に酸素還元酵素としてＢＯＤを固定化し、イミダゾールと塩酸とを混合してｐＨ７に調整したものを緩衝液として用いた場合における電流値の維持向上の効果について説明する。表１および図３に、この場合にイミダゾールの濃度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を示す。また、図４に電流値（表１および図３の３６００秒後の電流密度の値）の緩衝液濃度（緩衝液中の緩衝物質の濃度）依存性を示す。表１および図４には、比較のために、緩衝液として１．０ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７）を用いた場合の結果も併せて示す。この測定は、図５に示すように、正極２上にフィルム状のセロハン２１を載せ、このセロハン２１に緩衝液２２を接触させた状態で行った。正極２としては、次のようにして作製される酵素／電子メディエーター固定化電極を用いた。まず、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製  ＢＯ０５０）を用い、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）を上記のカーボンフェルトに順に染み込ませ、乾燥することで酵素／電子メディエーター固定化電極を得た。こうして作製した酵素／電子メディエーター固定化電極を２枚重ねて正極２とした。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１および図３から分かるように、ＮａＨ2 ＰＯ4 濃度が１．０Ｍでは、初期電流は出るが、３６００秒後には電流は大幅に減少してしまう。これに対し、特にイミダゾール濃度が０．４Ｍ、１．０Ｍおよび２．０Ｍでは、３６００秒後にも電流の低下はほとんど見られない。図４から分かるように、イミダゾール濃度が０．２〜２．５Ｍの範囲では濃度に対して電流値が直線的に増加する。また、ＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液とイミダゾール／塩酸緩衝液とはともにｐＫa が７付近、酸素溶解度もほぼ同じにもかかわらず、同じ濃度の緩衝液においてイミダゾールが存在する場合、大きな酸素還元電流が得られた。
【００４８】
上記のようにしてクロノアンペロメトリーを３６００秒間行った後、電位−０．３〜＋０．６Ｖ間におけるサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を行った。その結果を図６に示す。ただし、この測定は、図７に示すように、上記と同様な酵素／電子メディエーター固定化電極からなる正極２を作用極とし、これを透気性のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレン２３上に載せ、この正極２に緩衝液２２を接触させた状態で行った。緩衝液２２内に対極２４および参照電極２５を浸漬し、作用極としての正極２、対極２４および参照電極２５に電気化学測定装置（図示せず）を接続した。対極２４としてはＰｔ線、参照電極２５としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気圧で行い、測定温度は２５℃とした。緩衝液２２としては、イミダゾール／塩酸緩衝液（ｐＨ７、１．０Ｍ）とＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７、１．０Ｍ）との２種類を用いた。
図６より、緩衝液２２としてイミダゾール／塩酸緩衝液（ｐＨ７、１．０Ｍ）を用いた場合には、極めて良好なＣＶ特性が得られていることが分かる。
以上のことから、測定系を変えても、イミダゾール緩衝液に優位性があることが確認された。
【００４９】
図８は、正極２にＢＯＤを固定化し、２．０Ｍのイミダゾール／塩酸緩衝液および１．０ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液を用いて既に述べた方法と同様して行ったクロノアンペロメトリーの結果を、その間の電極表面上のｐＨの測定結果とともに示したものである。ただし、イミダゾール／塩酸緩衝液のｐＫa は６．９５、伝導度は５２．４ｍＳ／ｃｍ、酸素溶解度は０．２５ｍＭ、ｐＨは７、また、ＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液のｐＫa は６．８２（Ｈ2 ＰＯ4 - ）、伝導度は５１．２ｍＳ／ｃｍ、酸素溶解度は０．２５ｍＭ、ｐＨは７である。図８から分かるように、２．０Ｍのイミダゾール／塩酸緩衝液を用いた場合には、１．０ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液を用いた場合に比べ
て約１５倍も高い電流密度が得られている。また、図８より、電流の変化は電極表面上のｐＨ変化とほぼ一致していることが分かる。これらの結果が得られる理由について図９および図１０を参照して説明する。
【００５０】
図９および図１０は、電極３１にＢＯＤ３２をポリイオンコンプレックスなどの固定化材３３により、電子メディエーター３４とともに固定化した様子を示す。図９に示すように、２．０Ｍのイミダゾール／塩酸緩衝液を用いた場合には、十分に多くのプロトン（Ｈ+ ）が供給されることにより高い緩衝能が得られ、ｐＨが安定することで高い電流密度が定常的に得られると考えられる。これに対し、図１０に示すように、１．０ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液を用いた場合には、Ｈ+ の供給量が少ないことにより緩衝能が不十分であるため、ｐＨが大きく増加してしまうことで電流密度が減少してしまうものと考えられる。
【００５１】
図１１および図１２は種々の緩衝液を用いた場合の３６００秒（１時間）後の電流密度の緩衝液濃度に対する変化を示す。図１１および図１２から分かるように、イミダゾール環を有する化合物を含む緩衝液を用いた場合には、ＮａＨ2 ＰＯ4 を含む緩衝液などの他の緩衝液を用いた場合に比べ、総じて高い電流密度が得られており、特に緩衝液濃度が高くなるほどその傾向が顕著となる。また、図１１および図１２より、緩衝物質として２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳあるいはＢＥＳを含む緩衝液を用いた場合にも、高い電流密度が得られており、特に緩衝液濃度が高くなるほどその傾向が顕著となることも分かる。
図１３および図１４に、図１１および図１２に示す緩衝液を用いた場合の３６００秒後の電流密度を緩衝物質の分子量およびｐＫa に対してプロットしたものを示す。
【００５２】
このバイオ燃料電池の具体的な構成例を図１５ＡおよびＢに示す。
図１５ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、１ｃｍ2 のカーボンフェルトに既に述べた酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素／電子メディエーター固定化カーボン電極からなる負極１と、１ｃｍ2 のカーボンフェルト上に既に述べた酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素／電子メディエーター固定化カーボン電極からなる正極２とが、イミダゾール環を含む化合物あるいは２−アミノエタノール塩酸塩を緩衝物質として含む電解質層３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２の下および負極１の上にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２、負極１、電解質層３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
図１５Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料としてグルコース／緩衝溶液を入れて発電を行った。緩衝液としては、２．０Ｍのイミダゾール／塩酸緩衝液（ｐＨ７）および１．０ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７）の二種類を用いた。グルコース濃度は０．４Ｍとした。動作温度は２５℃とした。図１６に出力特性を示す。図１６に示すように、出力（電力密度）は、緩衝液として２．０Ｍのイミダゾール／塩酸緩衝液を用いた場合の方が、ＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液を用いた場合に比べて、約２．４倍も大きくなっている。
【００５３】
以上のように、この第１の実施形態によれば、電解質層３が、イミダゾール環を含む化合物を緩衝物質として含むことにより、十分な緩衝能を得ることができる。このため、バイオ燃料電池の高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減がプロトンの電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝能を得ることができ、酵素の周囲の電解質のｐＨの至適ｐＨからのずれを十分に小さく抑えることができる。このため、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができ、酵素、補酵素、電子メディエーターなどによる電極反応を効率よく定常的に行うことができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。このバイオ燃料電池は、各種の電子機器、移動体、発電システムなどの電源に適用して好適なものである。
【００５４】
次に、この発明の第２の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、電解質層３が、正極２および負極１に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有する。例えば、電解質層３の少なくとも正極２側の表面が負に帯電しており、負電荷を有する。具体的には、例えば、この電解質層３の少なくとも正極２側の部分の全部または一部に、負電荷を有するポリアニオンが含まれる。好適には、このポリアニオンとしては、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であるナフィオン（商品名、米国デュポン社）が用いられる。
【００５５】
ここで、電解質層３が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有する場合に、この電子メディエーターの酸化体または還元体が電解質層３を透過するのを防止することができることを検証するために行った比較実験の結果について説明する。
まず、市販のグラッシーカーボン（ＧＣ）電極（直径３ｍｍ）を２本用意し、ともに研磨・洗浄を行った。次に、一方のグラッシーカーボン電極にポリアニオンである市販のナフィオンのエマルジョン（２０％）を５μｌ添加し、乾燥させた。次に、この２本のグラッシーカーボン電極を１ｍＭのヘキサシアノ鉄酸イオン（多価アニオン）水溶液（５０ｍＭ  ＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液、ｐＨ７）中に浸し、掃引速度２０ｍＶｓ-1にてサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を行った。その結果を図１７Ａに示す。図１７Ｂに、図１７Ａにおける、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極を用いた場合のＣＶ曲線を拡大して示す。図１７ＡおよびＢから分かるように、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極では、添加していないグラッシーカーボン電極に対し、電子メディエーターであるヘキサシアノ鉄酸イオンに起因する酸化還元ピーク電流は２０分の１以下になった。これは、負電荷を有するポリアニオンであるナフィオンに対し、このナフィオンと同じく負電荷を有する多価アニオンであるヘキサシアノ鉄酸イオンが拡散・透過していないことを示している。
【００５６】
次に、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製  Ｂ００５０）を用い、このカーボンフェルトを１ｃｍ角に切り取り、ヘキサシアノ鉄酸イオン（１Ｍ）８０μｌを染み込ませ、乾燥させた。こうして作製した電極を２枚重ねて試験電極とした。図１８に示すように、この試験電極１５上にフィルム状のセパレータ１６（電解質層３に対応するもの）を載せ、このセパレータ１６を挟んで試験電極１５と対向するように作用極１７を設ける。この作用極１７としては、市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製  Ｂ００５０）を１ｃｍ角に切り取ったものを用いる。そして、セパレータ１６および作用極１７に、０．４ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ（ｐＨ７）からなる緩衝液１８に電子メディエーターとしてヘキサシアノ鉄酸イオンを溶かしたもの（緩衝液１８を入れる容器の図示は省略した）を接触させた。セパレータ１６としては、電荷を持たないセロハンと、負電荷を有するポリアニオンであるナフィオン（ｐＨ７）とを用いた。ヘキサシアノ鉄酸イオンを溶かした緩衝液１８（電解溶液）にセパレータ１６を接触させてから５分、１時間、２時間後にサイクリックボルタンメトリーを行うことにより、試験電極１５からセパレータ１６を透過してきた電子メディエーター、すなわちヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピーク値を比較した。緩衝液１８内に対極１９および参照電極２０を浸漬し、作用極１７、対極１９および参照電極２０に電気化学測定装置（図示せず）を接続した。対極１９としてはＰｔ線、参照電極２０としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気圧で行い、測定温度は２５℃とした。セパレータ１６としてナフィオンを用いた場合の測定結果を図１９に示す。また、セパレータ１６としてセロハンを用いた場合の測定結果を図２０に示す。図１９および図２０から分かるように、セパレータ１６としてセロハンを用いた場合には、測定を開始してから早くも５分後にヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピークが観測され、時間が経過するにつれて酸化還元ピーク値が増加するのに対し、セパレータ１６としてナフィオンを用いた場合には、測定を開始してから２時間が経過しても、ヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピークは観測されない。これより、セパレータ１６としてセロハンを用いた場合にはこのセパレータ１６をヘキサシアノ鉄酸イオンが透過するが、セパレータ１６としてナフィオンを用いた場合にはヘキサシアノ鉄酸イオンはこのセパレータ１６を透過しないことが確認された。
【００５７】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、電解質層３が、正極２および負極１に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するため、正極２および負極１の一方の電子メディエーターが電解質層３を透過して正極２および負極１の他方に移動するのを効果的に抑えることができる。このため、バイオ燃料電池の出力の低下および電気容量の低下を十分に抑えることができる。
【００５８】
次に、この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２１Ａ、ＢおよびＣならびに図２２はこのバイオ燃料電池を示し、図２１Ａ、ＢおよびＣはこのバイオ燃料電池の上面図、断面図および裏面図、図２２はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００５９】
図２１Ａ、ＢおよびＣならびに図２２に示すように、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に、正極２、電解質層３および負極１が、その上下を正極集電体５１と負極集電体５２とにより挟まれて収納されている。これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２、電解質層３および負極１の隣同士のものは互いに密着している。この場合、これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２、電解質層３および負極１は円形の平面形状を有し、このバイオ燃料電池の全体も円形の平面形状を有する。
【００６０】
正極集電体５１は、正極２で発生した電流を集めるためのものであり、この正極集電体５１から外部に電流が取り出される。また、負極集電体５２は、負極１で発生した電流を集めるためのものである。これらの正極集電体５１および負極集電体５２は、一般的には、金属や合金などにより形成されるが、これに限定されるものではない。正極集電体５１は偏平でほぼ円筒状の形状を有する。負極集電体５２も偏平でほぼ円筒状の形状を有する。そして、正極集電体５１の外周部５１ａの縁が、例えばシリコーンゴムなどの絶縁性の材料からなるリング状のガスケット５６ａおよび例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのリング状の疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめられることにより、正極２、電解質層３および負極１を収納する空間が形成されている。疎水性樹脂５６ｂは正極２、正極集電体５１およびガスケット５６ａにより囲まれた空間に、これらの正極２、正極集電体５１およびガスケット５６ａに密着した状態で設けられている。この疎水性樹脂５６ｂにより、燃料の正極２側への過剰な染み込みを効果的に抑制することができる。電解質層３の端部は正極２および負極１の外側に延在しており、ガスケット５６ａと疎水性樹脂５６ｂとの間に挟まれている。正極集電体５１は、その底面の全面に複数の酸化剤供給口５１ｂを有し、これらの酸化剤供給口５１ｂの内部に正極２が露出している。図２１Ｃおよび図２２には１３個の円形の酸化剤供給口５１ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、酸化剤供給口５１ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。負極集電体５２も、その上面の全面に複数の燃料供給口５２ｂを有し、これらの燃料供給口５２ｂの内部に負極１が露出している。図２２には７個の円形の燃料供給口５２ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、燃料供給口５２ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。
【００６１】
負極集電体５２は負極１と反対側の面に円筒形状の燃料タンク５７を有する。この燃料タンク５７は負極集電体５２と一体に形成されている。この燃料タンク５７の中に、使用する燃料（図示せず）、例えば、グルコース溶液やこれにさらに電解質を加えたものなどが入れられる。この燃料タンク５７には円筒形状の蓋５８が取り外し可能に取り付けられている。この蓋５８は、例えば、燃料タンク５７に嵌め込まれ、あるいは、ねじ止めされるようになっている。この蓋５８の中央部には円形の燃料供給口５８ａが形成されている。この燃料供給口５８ａは、例えば、図示省略した密封シールを貼り付けたりすることなどにより密封される。
このバイオ燃料電池の上記以外の構成は、その性質に反しない限り、第１の実施形態と同様である。
【００６２】
次に、このバイオ燃料電池の製造方法の一例について説明する。この製造方法を図２３Ａ〜Ｄに示す。
図２３Ａに示すように、まず、一端が開放した円筒形状の正極集電体５１を用意する。この正極集電体５１の底面の全面には複数の酸化剤供給口５１ｂが形成されている。この正極集電体５１の内部の底面の外周部の上にリング状の疎水性樹脂５６ｂを載せ、この底面の中央部の上に、正極２、電解質層３および負極１を順次重ねる。
【００６３】
一方、図２３Ｂに示すように、一端が開放した円筒形状の負極集電体５２上に円筒形状の燃料タンク５７を一体に形成したものを用意する。この負極集電体５２には全面に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。この負極集電体５２の外周面の縁にＵ字状の断面形状のガスケット５６ａを取り付ける。そして、この負極集電体５２をその開放部側を下にして負極１の上にかぶせ、正極集電体５１とこの負極集電体５２との間に、正極２、電解質層３および負極１を挟む。
【００６４】
次に、図２３Ｃに示すように、こうして正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２、電解質層３および負極１を挟んだものを、かしめ機の台６１の上に載せ、押圧部材６２により負極集電体５２を押圧して正極集電体５１、正極２、電解質層３、負極１および負極集電体５２の隣同士を互いに密着させ、この状態でかしめ具６３を下降させて正極集電体５１の外周部５１ｂの縁をガスケット５６ａおよび疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ｂに対してかしめる。このかしめを行う際には、ガスケット５６ａが徐々に潰れて正極集電体５１とガスケット５６ａとの間および負極集電体５２とガスケット５６ａとの間に隙間ができないようにする。また、この際、疎水性樹脂５６ｂも徐々に圧縮されて正極２、正極集電体５１およびガスケット５６ａと密着するようにする。こうすることで、正極集電体５１と負極集電体５２とがガスケット５６ａにより互いに電気的に絶縁された状態でそれらの内部に、正極２、電解質層３および負極１を収納する空間が形成される。この後、かしめ具６３を上昇させる。
【００６５】
こうして、図２３Ｄに示すように、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に正極２、電解質層３および負極１が収納されたバイオ燃料電池が製造される。
次に、燃料タンク５７に蓋５８を取り付け、この蓋５８の燃料供給口５８ａより燃料および電解質を注入した後、この燃料供給口５８ａを密封シールを貼り付けたりすることにより閉じる。ただし、燃料および電解質は、図２３Ｂに示す工程で燃料タンク５７に注入してもよい。
【００６６】
このバイオ燃料電池においては、燃料タンク５７に入れる燃料として例えばグルコース溶液を用いる場合、負極１は、供給されたグルコースを酵素により分解して電子を取り出すとともに、Ｈ+ を発生する。正極２は、負極１からそれぞれ電解質層３を通って輸送されたＨ+ と負極１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。そして、正極集電体５１と負極集電体５２との間に出力電圧が得られる。
【００６７】
図２４に示すように、このバイオ燃料電池の正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成してもよい。この場合、メッシュ電極７１の穴を通して外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入り、メッシュ電極７２の穴を通って燃料が蓋５８の燃料供給口５８ａから燃料タンク５７に入る。
【００６８】
図２５は２個のバイオ燃料電池を直列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の正極集電体５１と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の蓋５８との間にメッシュ電極７３を挟む。この場合、メッシュ電極７３の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入るようになっている。燃料の供給は燃料供給システムを用いて行うことも可能である。
【００６９】
図２６は２個のバイオ燃料電池を並列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７とをそれらの蓋５８の燃料供給口５８ａ同士が一致するように互いに接触させ、これらの燃料タンク５７の側面から電極７４を引き出す。また、上記一方のバイオ燃料電池の正極集電体５１と上記他方のバイオ燃料電池の正極集電体５１とにそれぞれメッシュ電極７５、７６を形成する。これらのメッシュ電極７５、７６は互いに接続する。メッシュ電極７５、７６の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入る。
【００７０】
この第３の実施形態によれば、燃料タンク５７を除くとコイン型またはボタン型のバイオ燃料電池において、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。また、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２、電解質層３および負極１を挟み、正極集電体５１の外周部５１ａの縁をガスケット５６を介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめることにより、このバイオ燃料電池では、各構成要素同士を均一に密着させることができるので、出力のばらつきを防止することができるとともに、各構成要素間の界面から燃料や電解質などの電池溶液が漏液するのを防止することができる。また、このバイオ燃料電池は製造工程が簡単である。また、このバイオ燃料電池は小型化が容易である。さらに、このバイオ燃料電池は、燃料としてグルコース溶液やデンプンを用い、使用する電解質のｐＨを７付近（中性）に選ぶことにより、万が一、燃料や電解質が外部に漏れても、安全である。
また、現在実用化されている空気電池では燃料および電解質を製造時に添加する必要があり、製造後に添加することは困難であるのに対し、このバイオ燃料電池では、製造後に燃料および電解質を添加することが可能であるので、バイオ燃料電池は現在実用化されている空気電池に比べて製造が容易である。
【００７１】
次に、この発明の第４の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２７に示すように、この第４の実施形態においては、第３の実施形態によるバイオ燃料電池から、負極集電体５２に一体に設けられた燃料タンク５７を取り除き、さらに正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成したものを用い、開放系の燃料タンク５７に入れられた燃料５７ａの上にこのバイオ燃料電池を負極１側が下に、正極２側が上になるようにして浮かべた状態で使用する。
この第４の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１および第３の実施形態と同様である。
この第４の実施形態によれば、第１および第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００７２】
次に、この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。第３の実施形態によるバイオ燃料電池がコイン型またはボタン型であるのに対し、このバイオ燃料電池は円筒型である。
図２８ＡおよびＢならびに図２９はこのバイオ燃料電池を示し、図２８Ａはこのバイオ燃料電池の正面図、図２８Ｂはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図２９はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００７３】
図２８ＡおよびＢならびに図２９に示すように、このバイオ燃料電池においては、円柱状の燃料保持部７７の外周に、それぞれ円筒状の負極集電体５２、負極１、電解質層３、正極２および正極集電体５１が順次設けられている。この場合、燃料保持部７７は、円筒状の負極集電体５２により囲まれた空間からなる。この燃料保持部７７の一端は外部に突き出ており、この一端には蓋７８が取り付けられている。図示は省略するが、燃料保持部７７の外周の負極集電体５２にはその面の全体に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。また、電解質層３は負極１および負極集電体５２を包む袋状になっている。電解質層３と燃料保持部７７の一端の負極集電体５２との間の部分は例えばシール部材（図示せず）などによりシールされており、この部分から燃料が外部に漏れないようになっている。
【００７４】
このバイオ燃料電池においては、燃料保持部７７に燃料および電解質を入れる。これらの燃料および電解質は負極集電体５２の燃料供給口５２ｂを通って負極１に到達し、この負極１の空隙部に浸透することにより、この負極１の内部に蓄えられるようになっている。負極１の内部に蓄えることができる燃料の量を多くするためには、負極１の空隙率は例えば６０％以上とすることが望ましいが、これに限定されるものではない。
【００７５】
このバイオ燃料電池においては、耐久性向上のために、正極集電体５１の外周面に気液分離層を設けてもよい。この気液分離層の材料としては、例えば、防水性透湿性素材（ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーとを複合化した素材）（例えば、ＷＬゴア＆アソシエイツ社製のゴアテックス（商品名））を用いる。このバイオ燃料電池の各構成要素同士を均一に密着させるために、好適には、この気液分離層の外側または内側に、外部から空気が透過可能な網目構造を有する伸縮性ゴム（バンド状でもシート状でも可）を巻き付けてこのバイオ燃料電池の構成要素の全体を締め付ける。
この第５の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１および第３の実施形態と同様である。
この第５の実施形態によれば、第１および第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００７６】
次に、この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第６の実施形態によるバイオ燃料電池は、負極１の電極１１の材料に、図３０ＡおよびＢに示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第１の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
図３０Ａはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図３０Ｂはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図３０ＡおよびＢに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格８１と、この骨格８１の表面を被覆するカーボン系材料８２とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料８２に囲まれた多数の孔８３が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔８３同士は互いに連通している。カーボン系材料８２の形態は問わず、繊維状（針状）、粒状などのいずれであってもよい。
【００７７】
多孔体材料からなる骨格８１としては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格８１の多孔率は一般的には８５％以上、より一般的には９０％以上であり、その孔径は、一般的には例えば１０ｎｍ〜１ｍｍ、より一般的には１０ｎｍ〜６００μｍ、さらに一般的には１〜６００μｍ、典型的には５０〜３００μｍ、より典型的には１００〜２５０μｍである。カーボン系材料８２としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。
この多孔体導電材料の多孔率は一般的には８０％以上、より一般的には９０％以上であり、孔８３の径は、一般的には例えば９ｎｍ〜１ｍｍ、より一般的には９ｎｍ〜６００μｍ、さらに一般的には１〜６００μｍ、典型的には３０〜４００μｍ、より典型的には８０〜２３０μｍである。
【００７８】
次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図３１Ａに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金（例えば、発泡ニッケル）からなる骨格８１を用意する。
次に、図３１Ｂに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格８１の表面にカーボン系材料８２をコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格８１の表面に噴射することによりカーボン系材料８２をコーティングする。このカーボン系材料８２のコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格８１の多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料８２に囲まれた多数の孔８３同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。
【００７９】
この第６の実施形態によれば、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格８１の表面をカーボン系材料８２により被覆した多孔体導電材料は、孔８３の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を用いて電極８１を形成し、この電極８１に酵素、補酵素、電子メディエーターなどを固定化したものからなる負極１は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極１１の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。
【００８０】
次に、この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極１１にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。
このバイオ燃料電池においては、負極１側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってＮＡＤ+ が還元されてＮＡＤＨが生成され、このＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ+ とＨ+ とに分離する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で２個の電子と２個のＨ+ とが生成される。２段階の酸化反応では合計４個の電子と４個のＨ+ とが生成される。こうして発生する電子は負極１の電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層３を通って正極２まで移動する。正極２では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
上記以外のことは第１の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
【００８１】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
【００８２】
ところで、従来のバイオ燃料電池においては、酵素と電極との間の電子授受の役目を果たす電子メディエーターの選択が電池出力に大きな影響を与えていた。すなわち、電池の高出力電圧化を図るために基質との自由エネルギー差の小さい電子メディエーターを選択すると、電流値が得られず、逆に基質との自由エネルギー差の大きい電子メディエーターを選択すると、電流容量が小さくなるといった問題があった。この問題は、高出力電圧と高電流との両方の使い分けが可能となるように、酸化還元電位が互いに異なる二種類以上の電子メディエーターを負極１および／または正極２に同時に用いることにより解消することができる。この場合、これらの二種類以上の電子メディエーターの酸化還元電位は好適には、ｐＨ７．０において、互いに５０ｍＶ以上、より好適には１００ｍＶ以上、さらに好適には２００ｍＶ以上異なるようにする。このように負極１または正極２に固定化する電子メディエーターとして二種類以上のものを同時に用いることにより、低出力要求時にはエネルギー損失の少ない高電位での電池作動を実現することができ、高出力要求時にはエネルギー損失が大きくなるが高出力に耐えられるバイオ燃料電池を実現することができる。
【００８３】
図３２は、０．１ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７）にＶＫ３（ビタミンＫ３）のみ１００μＭ、ＡＮＱのみ１００μＭ、ＶＫ３とＡＮＱとの両方を１００μＭずつ加え、サイクリックボルタンメトリーを行った結果を示す。ＶＫ３、ＡＮＱのｐＨ７における酸化還元電位はそれぞれ−０．２２Ｖ、−０．３３Ｖ（ｖｓ．Ａｇ｜ＡｇＣｌ）であり、両者の酸化還元電位は互いに０．１１Ｖ（１１０ｍＶ）異なる。その後、各々の溶液中濃度がＮＡＤＨ５ｍＭ、酵素ジアホラーゼ０．１６μＭになるように調整し、サイクリックボルタンメトリーを行った。その結果も図３２に示す。図３２から分かるように、ｐＨ７において酸化還元電位が互いに１１０ｍＶ異なるＶＫ３およびＡＮＱを電子メディエーターとして用いた場合には、ＶＫ３、ＡＮＱをそれぞれ個別に用いた場合に比べて高出力電圧・高出力電流値を実現することができた。
【００８４】
図３３は、０．１ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７）にＶＫ３のみ１００μＭ、ＡＱＳのみ１００μＭ、ＶＫ３とＡＱＳとの両方を１００μＭずつ加え、サイクリックボルタンメトリーを行った結果を示す。ＶＫ３、ＡＱＳのｐＨ７における酸化還元電位はそれぞれ−０．２２Ｖ、−０．４２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ｜ＡｇＣｌ）であり、両者の酸化還元電位は互いに０．２Ｖ（２００ｍＶ）異なる。その後、各々の溶液中濃度がＮＡＤＨ５ｍＭ、酵素ジアホラーゼ０．１６μＭになるように調整し、サイクリックボルタンメトリーを行った。その結果も図３３に示す。図３３から分かるように、ｐＨ７において酸化還元電位が互いに２００ｍＶ異なるＶＫ３およびＡＱＳを電子メディエーターとして用いた場合には、ＶＫ３、ＡＱＳをそれぞれ個別に用いた場合に比べて高出力電圧・高出力電流値を実現することができた。
【００８５】
図３４は、０．１ＭのＮａＨ2 ＰＯ4 ／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ７）にＡＮＱのみ１００μＭ、ＡＱＳのみ１００μＭ、ＡＮＱとＡＱＳとの両方を１００μＭずつ加え、サイクリックボルタンメトリーを行った結果を示す。ＡＮＱ、ＡＱＳのｐＨ７における酸化還元電位はそれぞれ−０．３３Ｖ、−０．４２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ｜ＡｇＣｌ）であり、両者の酸化還元電位は互いに０．０９Ｖ（９０ｍＶ）異なる。その後、各々の溶液中濃度がＮＡＤＨ５ｍＭ、酵素ジアホラーゼ０．１６μＭになるように調整し、サイクリックボルタンメトリーを行った。その結果も図３４に示す。図３４から分かるように、ｐＨ７において酸化還元電位が互いに９０ｍＶ異なるＡＮＱおよびＡＱＳを電子メディエーターとして用いた場合には、ＡＮＱ、ＡＱＳをそれぞれ個別に用いた場合に比べて高出力電圧・高出力電流値を実現することができた。
【００８６】
なお、上述のように酸化還元電位が互いに異なる二種類以上の電子メディエーターを用いることは、酵素を用いたバイオ燃料電池だけでなく、微生物または細胞を用いたバイオ燃料電池において電子メディエーターを用いる場合に適用しても有効であり、より一般的には電子メディエーターを用いる電極反応利用装置（バイオ燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなど）全般に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果から得られた緩衝液濃度と得られる電流密度との関係を示す略線図である。
【図５】図３に示すクロノアンペロメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図７】図６に示すサイクリックボルタンメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池においてイミダゾールを含む緩衝液およびＮａＨ2 ＰＯ4 緩衝液を用いて行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池においてイミダゾールを含む緩衝液を用いた場合に大きな電流を定常的に得ることができるメカニズムを説明するための略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池においてＮａＨ2 ＰＯ4 緩衝液を用いた場合に電流が減少するメカニズムを説明するための略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池において種々の緩衝液を用いた場合の緩衝液濃度と電流密度との関係を示す略線図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池において種々の緩衝液を用いた場合の緩衝液濃度と電流密度との関係を示す略線図である。
【図１３】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池において種々の緩衝液を用いた場合の緩衝液の緩衝物質の分子量と電流密度との関係を示す略線図である。
【図１４】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池において種々の緩衝液を用いた場合の緩衝液のｐＫa と電流密度との関係を示す略線図である。
【図１５】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。
【図１６】この発明の第１の実施形態において評価に用いたバイオ燃料電池の出力の測定結果を示す略線図である。
【図１７】この発明の第２の実施形態によるバイオ燃料電池における電子メディエーターの透過防止効果を検証するために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図１８】この発明の第２の実施形態によるバイオ燃料電池における電子メディエーターの透過防止効果を検証するために行ったサイクリックボルタンメトリーに用いられた測定系を示す略線図である。
【図１９】この発明の第２の実施形態によるバイオ燃料電池における電子メディエーターの透過防止効果を検証するために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図２０】この発明の第２の実施形態によるバイオ燃料電池における電子メディエーターの透過防止効果を検証するために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図２１】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池を示す上面図、断面図および裏面図である。
【図２２】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図２３】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池の製造方法を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第１の例を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第２の例を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第３の例を説明するための略線図である。
【図２７】この発明の第４の実施形態によるバイオ燃料電池およびその使用方法を示す略線図である。
【図２８】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す正面図および縦断面図である。
【図２９】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図３０】この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。
【図３１】この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。
【図３２】バイオ燃料電池において一種類および多種類の電子メディエーターを用いて行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図３３】バイオ燃料電池において一種類および多種類の電子メディエーターを用いて行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図３４】バイオ燃料電池において一種類および多種類の電子メディエーターを用いて行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…負極、２…正極、３…電解質層、１１…電極、４１、４２…Ｔｉ集電体、４３、４４…固定板、４７…負荷、５１…正極集電体、５１ｂ…酸化剤供給口、５２…負極集電体、５２ｂ…燃料供給口、５６ａ…ガスケット、５６ｂ…疎水性樹脂、５７…燃料タンク、５８…蓋、７１、７２、７３…メッシュ電極、７７…燃料保持部、７８…蓋、８１…骨格、８２…カーボン系材料、８３…孔
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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