(57)【要約】【課題】燃料が安全でかつ室温で作動する燃料電池を搭載した電子機器を提供する。【解決手段】グルコース等の燃料を分解し電子を生成する酸化酵素群、及び生成した電子を電極に渡す電子メディエーターが担持された燃料極１と、燃料極１にて燃料の酸化により生成するプロトンを対極側に輸送する電解質層５と、この電解質層５を介して燃料極１から運ばれたプロトンを空気中の酸素により酸化し水を生成する空気極３とにより構成された酵素電池を電子機器に搭載する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール類、糖類、脂肪類、タンパク質及び有機酸類から選ばれる少なくとも１種を燃料とし、触媒に酵素を用いた燃料電池を搭載したことを特徴とする電子機器。
【請求項２】
前記燃料電池の燃料が、メタノール、エタノール及びグルコースから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項３】
前記燃料電池の酵素が、燃料を分解し、燃料の酸化体を生成する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項４】
前記燃料電池の酵素が、燃料の酸化反応により還元体となった補酵素を酸化体に戻すとともに電子を生成する補酵素酸化酵素を含むことを特徴とする請求項３記載の電子機器。
【請求項５】
前記燃料電池の作動温度が−２０〜８０℃であることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項６】
前記燃料電池が、メタノールを燃料とし、酵素としてメタノールを段階的に分解するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＦａｌＤＨ）及び蟻酸デヒドロゲナーゼ（ＦａｔｅＤＨ）を用いることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項７】
前記燃料電池が、エタノールを燃料とし、酵素としてエタノールを段階的に分解するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）及びアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡｌＤＨ）を用いることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項８】
前記燃料電池が、グルコースを燃料とし、酵素としてグルコースを分解するグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を用いることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項９】
前記燃料電池にバックアップ用の蓄電池を組み合わせた電源システムを有することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源として燃料電池を搭載した携帯電話等の電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的に燃料極と酸化剤極（空気極）と電解質とを備えるものであり、その動作原理は水の電気分解と逆動作で、水素と酸素により水（Ｈ２Ｏ）を生成するとともに電気を発生する。すなわち、燃料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、電子は燃料極に渡され、Ｈ＋は電解質を介して空気極まで移動する。空気極では、このＨ＋が外部から供給された酸素及び燃料極から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ２Ｏを生成する。
【０００３】
このように、燃料電池は、燃料の持つ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、石炭等の化石エネルギーがもつ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にて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等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の水を供給できることや、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】
また、近年、電解質にイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池等、室温から９０℃程度の比較的低温な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等のポータブル電源等の小型システムへの応用が模索されつつある。
【０００５】
しかしながら、固体高分子型燃料電池は、先に述べたように低温な作動温度域を示すという利点があるものの、解決すべき多くの課題が残されている。例えば、燃料としてメタノールを用い、かつ室温付近で動作させた場合のＣＯによる触媒被毒、クロスオーバーによるエネルギーロスの発生、Ｐｔ等の高価な貴金属の触媒が必要であること、燃料に水素を用いる場合の取り扱いが困難であること等である。
【０００６】
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、微生物や細胞内で行われる呼吸、光合成等が含まれる。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。
【０００７】
例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質等の栄養素を微生物又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及びトリカルボン酸（以下、ＴＣＡという。）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（以下、ＮＡＤ＋という。）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）のような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、ＡＴＰ合成酵素を介して、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、細胞質ゾル及びミトコンドリアで行われている。
【０００８】
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（以下、ＮＡＤＰ＋という。）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）のような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。
【０００９】
上述した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）。
【００１０】
しかしながら、微生物及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機能が多く存在するため、上述した方法では望まない反応に電気エネルギーが消費されて充分なエネルギー変換効率が発揮されない。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１３３２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、携帯電話やモバイル等の電子機器に搭載されている電源にはリチウムイオン二次電池等の蓄電池が一般に用いられているが、これは一定時間使用すると充電する必要があり、燃料の補給により連続的に使用することができる燃料電池の搭載が検討されている。
【００１３】
しかしながら、従来の燃料電池は、作動温度域が比較的低温のものであっても、上述したように、水素等燃料の取り扱いが容易ではないこと、触媒としてＰｔ等の高価な貴金属が必要であることなど多くの問題点があった。また、生体代謝を利用した微生物電池でも、目的の反応以外の機能も多く存在するため充分な電気エネルギーを取り出すことは難しいという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明者らは、生体代謝のうち化学エネルギーから電気エネルギーへの変換反応に関与する酵素や電子メディエータを取り出して所望の反応のみを行うよう構成された燃料電池に着目し、研究を重ねた結果、糖類、脂肪、タンパク質等の栄養素やアルコール類あるいは糖代謝の中間生成物等の有機酸を燃料とし、それぞれ燃料の分解に関与する酵素を適切に選択して触媒に用いることにより、作動温度域が略約−２０〜８０℃の温度域であって、燃料も取り扱いが容易で安全な、電子機器の電源に好適な燃料電池が得られることを見出した。このような酵素を用いた燃料電池を搭載した電子機器はまだ提案されていない。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、取り扱いが容易で安全な燃料電池を搭載した電子機器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】
【００１６】
すなわち、本発明の電子機器は、アルコール類、糖類、脂肪類、タンパク質及び有機酸類から選ばれる少なくとも１種を燃料とし、触媒に酵素を用いた燃料電池を搭載したことを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、燃料電池の燃料は、アルコール類、糖類、脂肪類、タンパク質及び有機酸類から選ばれ、触媒には、それぞれの燃料に合わせて適切な酵素群、例えば燃料の段階的な分解プロセスでそれぞれの酸化反応に関与する酸化酵素群が選択される。さらに、用いる酸化酵素群に応じて、燃料の酸化反応により還元体となる補酵素と、補酵素還元体を酸化体に戻すとともに、１分子につき２つの電子を生成する補酵素酸化酵素が選択される。このような補酵素の存在により、燃料の酸化反応に伴って電子が生成されて取り出されることになる。
【００１８】
具体例を挙げると、メタノールを燃料とした場合、触媒としてメタノールに作用してホルムアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）と、ホルムアルデヒドに作用して蟻酸に酸化するホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＦａｌＤＨ）と、蟻酸に作用してＣＯ２に酸化する蟻酸デヒドロゲナーゼ（ＦａｔｅＤＨ）とを用いることができる。これにより、メタノールはＣＯ２まで分解され、メタノール１分子につき３段階の酸化反応により合計６電子が生成される。
【００１９】
また、エタノールを燃料とした場合、触媒としてエタノールに作用してアセトアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）と、アセトアルデヒドに作用して酢酸に酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡｌＤＨ）とを用いることができる。これにより、エタノールは酢酸まで分解され、エタノール１分子につき２段階の酸化反応により合計４電子が生成される。なお、エタノールは、メタノールと同様にＣＯ２まで分解する方法をとることもできる。この場合は、アセトアルデヒドに対してアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡａｌＤＨ）を作用させてアセチルＣｏＡとした後、ＴＣＡ回路に渡される。ＴＣＡ回路でさらに電子が生成される。
【００２０】
また、グルコースを燃料とした場合、触媒としてグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を用いることができる。これにより、β−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに分解され、グルコース１分子につき２電子が生成される。なお、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは水中で加水分解されてＤ−グルコネートになる。グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）に加えて、グルコノキナーゼ及びフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）の触媒を用いた場合には、Ｄ−グルコネートはグルコノキナーゼの存在下で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−グルコネートになり、さらにフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（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。したがって、この場合、グルコースは２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解され、グルコース１分子につき２段階の酸化反応により合計４電子が生成される。
【００２１】
また、グルコースをＣＯ２まで分解する方法をとることも可能である。この場合には、糖代謝を利用する必要がある。糖代謝を利用した複合酵素反応は、解糖系によるグルコースの分解及びピルビン酸の生成、及びＴＣＡ回路に大別される。解糖系及びＴＣＡ回路は、広く知られる反応系であり、その説明は省略するが、これを利用した場合、さらに多くの電気エネルギーを取り出すことが可能である。
【００２２】
上述した酵素を用いた燃料電池（以下、酵素電池という。）は、生体代謝を利用しているため、その作動温度は−２０〜８０℃、望ましくは０〜４０℃であり、電子機器の温度環境で発電動作が可能である。
【００２３】
なお、電子機器の電源として上記酵素電池を搭載する場合には、電子機器の動作時の突発的な大電流消費に酵素電池が追随できない可能性があるため、バックアップ用のリチウムイオン二次電池等の蓄電池を組み合わせた電源システムを構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、上記酵素電池を電子機器に搭載することにより、蓄電池のように充電を要することなく、電子機器を連続的に動作させることが可能となる。また、酵素電池は、メタノールを除いては食品にもなるような安全な燃料を用いることができるとともに、室温で発電を行うことができ、取り扱いが容易である。さらに、酵素電池は、他の燃料電池のように改質器や加熱装置を必要としないため、電子機器における電源システムをコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかる酵素電池の一実施の形態を模式的に示すもので、燃料極１と、空気極３と、燃料極１と空気極３とを隔離する電解質層５とで構成されている。燃料極１では酵素及び電子メディエーターが担持され、グルコース等の燃料７から電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ＋）９を発生する。空気極３では、燃料極１から電解質層５を介して移動してきたＨ＋が空気中の酸素（Ｏ２）と反応することによって水（Ｈ２Ｏ）を生成する。
【００２６】
燃料極１は、例えばカーボンペーパーのような多孔質電極上に、燃料の分解に関与する酵素と、燃料の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＋等）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨ等）を酸化する補酵素酸化酵素（例えば、ジアホラーゼ；ＤＩ）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に渡す電子メディエータ（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等）とが、固定化材（例えばポリマー等）により固定化されて作製される。
【００２７】
燃料の分解に関与する酵素は、例えば燃料がメタノールの場合、メタノールからホルムアルデヒドへ酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、ホルムアルデヒドから蟻酸へ酸化するホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＦａｌＤＨ）、及び蟻酸からＣＯ２へ酸化する蟻酸デヒドロゲナーゼ（ＦａｔｅＤＨ）が挙げられる。これらの酸化酵素によって、メタノールは室温で最終的にＣＯ２まで分解される。
【００２８】
また、燃料がエタノールの場合、燃料の分解に関与する酵素は、エタノールをアセトアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、及びアセトアルデヒドを酢酸に酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡｌＤＨ）が挙げられる。これらの酸化酵素によって、エタノールは室温で酢酸まで酸化される。
【００２９】
また、燃料がグルコースの場合は、燃料の分解に関与する酵素は、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）が挙げられる。この酸化酵素の作用によって、β−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化される。なお、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは加水分解によりＤ−グルコネートになる。
【００３０】
燃料の分解に関与する酵素は、上記酸化酵素に限らないが、これらはＮＡＤ＋依存型デヒドロゲナーゼであり、これらの酸化酵素を用いた場合には、補酵素にはＮＡＤ＋が用いられる。ＮＡＤ＋依存型デヒドロゲナーゼは、燃料を酸化（脱水素）することによって、補酵素ＮＡＤ＋を還元し、ＮＡＤＨとＨ＋を生成する。この反応は次式で表される。
燃料＋ＮＡＤ＋→燃料の酸化体＋ＮＡＤＨ＋Ｈ＋    …（１）
【００３１】
生成されたＮＡＤＨは、ＤＩによりＮＡＤ＋に酸化され、次式に示すように、２つの電子とＨ＋を発生する。
ＮＡＤＨ→ＮＡＤ＋＋Ｈ＋＋２ｅ−    …（２）
【００３２】
したがって、燃料１分子につき１回の酸化反応で２つの電子と２つのＨ＋が生成されることになる。上記プロセスで生成された電子はＤＩから電子メディエータを介して電極に渡され、Ｈ＋は電解質層５を通って空気極３へ輸送される。
【００３３】
電子メディエータは、電極との電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の電圧は、電子メディエータの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い電圧を得るには、燃料極側ではよりネガティブな電位の電子メディエータを選ぶとよいが、電子メディエータの、酵素に対する反応親和性、電極との電子交換速度、阻害因子（光、酸素等）に対する構造安定性等も考慮しなければならない。このような観点から、燃料極１に作用する電子メディエータとしては、ＡＣＮＱやビタミンＫ３等が好適である。その他に、例えばキノン骨格を有する化合物、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属錯体、ベンジルビオローゲン等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等も電子メディエータとして用いることができる。
【００３４】
上記酵素、補酵素及び電子メディエータは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、トリス緩衝液、リン酸緩衝液等の緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。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及びイオン強度は、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。
【００３５】
上記酵素、補酵素及び電子メディエータは、緩衝液に溶解した状態で用いてもよいが、好ましくは固定化材を用いて電極上に固定化される。これにより、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ことが可能となる。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とポリ−Ｌ−リシンを組み合わせて用いることができる。また、それぞれ単独でも、また他のポリマーであってもよい。
【００３６】
燃料極１が以上のように構成されることで、室温付近でグルコース等の燃料と接触することにより、直接Ｈ＋を発生させることができる。
【００３７】
空気極３は、触媒が担持された炭素粉末あるいは炭素に保持されない触媒粒子により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、または鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が用いられる。電解質層５の側から順に触媒あるいは触媒を含む炭素粉末よりなる触媒層と多孔質の炭素材料よりなるガス拡散層とが積層された構造を有している。
【００３８】
電解質層５は、燃料極１において発生したＨ＋を空気極３に輸送するプロトン伝導膜であり、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。例えば、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）等からなるものが挙げられる。なかでも、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が好ましく、具体的には、ナフィオン（商品名，米国デュポン社）が用いられる。
【００３９】
以上のように構成された酵素電池では、燃料極１側で１種類以上のＮＡＤ＋依存型デヒドロゲナーゼが燃料を酸化する際に、補酵素ＮＡＤ＋からＮＡＤＨを生成させる。生成したＮＡＤＨは、ＤＩにより電子メディエータを介して燃料極１へ２つの電子を受け渡し、ＮＡＤ＋に戻る。燃料極１に渡された電子は、外部回路を通って空気極３に到達することで、電流が発生する。また、上述したような過程で発生するＨ＋は、電解質層５を介して空気極３まで移動する。そして空気極３では、到達したＨ＋と、外部回路から供給された２つの電子と、酸素とから水が生成される。
【００４０】
したがって、ここに挙げた例では、メタノールはＡＤＨ、ＦａｌＤＨ、ＦａｔｅＤＨにより３段階の酸化プロセスを経てＣＯ２まで分解されることにより、メタノール１分子当たり３つのＮＡＤＨが生成されることになり、６つの電子を取り出すことができる。エタノールはＡＤＨ、ＡｌＤＨにより２段階酸化されることにより、エタノール１分子当たり４つの電子を取り出すことができる。また、グルコースはＧＤＨにより１段階分解されることにより、グルコース１分子当たり２つの電子を取り出すことができる。
【００４１】
なお、燃料の分解方法は上記例に限定されない。例えば、グルコースは、ＧＤＨに加えてグルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）を用いることにより、２段階の酸化プロセスを経て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−グルコネートになり、この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる酸化される。
【００４２】
また、エタノール及びグルコースは、メタノールと同様に最終的にＣＯ２まで分解することも可能である。この場合、エタノールについては、酸化生成物であるアセトアルデヒドをアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ＡａｌＤＨ）によりアセチルＣｏＡとした後、ＴＣＡ回路に渡す必要がある。グルコースについては、糖代謝を利用する必要がある。この糖代謝を利用した複合酵素反応は、大きく分けて解糖系によるグルコースの分解及びピルビン酸の生成と、アセチルＣｏＡ化と、ＴＣＡ回路とからなるが、これらは広く知られた反応系である。
【００４３】
また、酵素電池の燃料としては、メタノール、エタノール、グルコースの他に、アルコール類、糖類、脂肪類、タンパク質、糖代謝の中間生成物等の有機酸（グルコース−６−リン酸、フルクトース−６−リン酸、フルクトース−１，６−ビスリン酸、トリオースリン酸イソメラーゼ、１，３−ビスホスホグリセリン酸、３−ホスホグリセリン酸、２−ホスホグリセリン酸、ホスホエノールピルビン酸、ピルビン酸、アセチル−ＣｏＡ、クエン酸、ｃｉｓ−アコニット酸、イソクエン酸、オキサロコハク酸、２−オキソグルタル酸、スクシニル−ＣｏＡ、コハク酸、フマル酸、Ｌ−リンゴ酸、オキサロ酢酸等）、これらの混合物等を用いることができる。これらの燃料についても、酵素を用いて分解することにより、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００４４】
この場合、用いる酵素は、燃料に応じて最適な酵素を選択して使用することが好ましい。例えば燃料極に用いる酵素としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、電子伝達系の一連の酵素、ＡＴＰ合成酵素、糖代謝に関与する酵素（例えばヘキソキナーゼ、グルコースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、フルクトース二リン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グリセルアルデヒドリン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホグリセロムターゼ、ホスホピルビン酸ヒドラターゼ、ピルビン酸キナーゼ、Ｌ−乳酸デヒドロゲナーゼ、Ｄ−乳酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、クエン酸シンターゼ、アコニターゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、２−オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニル−ＣｏＡシンテターゼ、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼ、マロン酸デヒドロゲナーゼ等）等の公知の酵素を挙げることができる。
【００４５】
上述したように、上記酵素電池は、酵素の働きによりアルコール類や糖類等の燃料を段階的に分解して電子を効率よく取り出すことができるため、安全な燃料を用いて改質器や加熱器等を必要とすることなく室温で発電を行うことができ、コンパクトで取り扱いの容易な電源として電子機器に搭載することができる。このような酵素電池搭載の電子機器としては、例えば携帯電話、電子手帳、ノートパソコン、モバイル、ＰＤＡ等の携帯機器や、ペット型を含めたロボットや、ペースペーカー等の生体埋め込み式チップ等が挙げられる。
【００４６】
酵素電池の燃料は、生体埋め込み式チップの場合は体内物質を利用することができるが、他の電子機器では酵素電池に外部から燃料を供給する必要があり、酵素電池に例えば燃料供給カートリッジが接続される。このような燃料供給カートリッジは、生化学的触媒に分解されない材料を用いて作製され、例えば円筒形、角筒形のような形状に形成される。生化学的触媒に分解されない材料としては、例えば、硬質樹脂、金属、ガラス等が挙げられる。具体的にはポリエチレンのようなポリマーを用いることができる。
【００４７】
燃料供給カートリッジは、メタノール、エタノール、グルコース水溶液に代表される液体を燃料として用いることから、液状の燃料を酵素電池の燃料極１に安定に供給できるような構造を有することが好ましい。図２は、燃料供給カートリッジ１１の一例を示すもので、燃料で満たされた燃料室１３の供給口１５に対向する可動壁１７をばね１９で押えつける構造となっている。
【００４８】
また、ロボットに関しては、酵素電池の燃料は、食品を食するように口から取り込む形態をとることもできる。
【００４９】
これらの電子機器において、上記酵素電池は、一般的な燃料電池と同様に急激な負荷変動に追随できない可能性が高いので、その際にバックアップできるように、酵素電池に対してリチウムイオン電池のような蓄電池を組み合わせた電源システムを用いることが好ましい。すなわち、この電源システムでは、定常電流消費の際は酵素電池の出力でまかなわれ、突発的な大電流消費の際は酵素電池の出力電流が消費電流に到達するまで蓄電器の放電が行われ、その後酵素電池の出力電流の一部を用いて蓄電池の充電が行われる。このような電源システムを用いることにより、電子機器における酵素電池の急激な電流変動を抑制して酵素電池を安定して稼動させることができるとともに、突発的な大電流消費にもすばやく対応できる電源を確保することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、グルコースを燃料とする酵素電池の実施例を挙げて本発明をさらに説明する。
４ｃｍ２のカーボンペーパー上に、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ：天野エンザイム）リン酸緩衝溶液（４７μＭ）を７０μl、ジアホラーゼ（ＤＩ：天野エンザイム）リン酸緩衝溶液（４７μＭ）を７０μl、ＮＡＤ＋リン酸緩衝溶液（２００ｍＭ）を３０μl、ＡＣＮＱエタノール溶液（１０ｍＭ）を９５μl、グルタルアルデヒド水溶液（０.１２５％）を１００μl、ポリ−Ｌ−リシン水溶液（１％）を１００μlを混合した溶液を塗布し、室温にて風乾の後、蒸留水で水洗し、ＧＤＨ−ＤＩ/ＡＣＮＱ固定化電極とした。
【００５１】
このＧＤＨ−ＤＩ/ＡＣＮＱ固定化電極を燃料極として、図１に示すような酵素電池を構成し、燃料極側に４００ｍＭのグルコース水溶液を導入した結果、２５℃で１０ｍＷ/ｃｍ２の出力を確認し、３０分後も出力の低下は見られなかった。
【００５２】
この酵素電池を、例えば携帯電話に搭載する場合、３ｃｍ縦×３ｃｍ横×４ｍｍ厚のセルを５枚スタックさせることにより、必要な電池出力が得られ、電池サイズは３ｃｍ×３ｃｍ×２ｃｍとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明にかかる酵素電池の一実施の形態を示す模式図である。
【図２】燃料供給カートリッジの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１‥‥燃料極、３‥‥空気極、５‥‥電解質層、７‥‥燃料、９‥‥プロトン、１１‥‥燃料供給カートリッジ、１５‥‥供給口、１９‥‥ばね
【図１】
2005310613.tif 000003
【図２】
2005310613.tif 000004