(57)【要約】【課題】高出力化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】負極１と正極２とがプロトン伝導体３を介して対向した構造を有し、負極１に酵素、補酵素およびメディエータが固定化された燃料電池において、負極１に酵素、補酵素およびメディエータに加えて、ジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）などのリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化する。メディエータとしてはキノン骨格を有する化合物、例えば２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）を用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記メディエータがキノン骨格を有する化合物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４】
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上記メディエータ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３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がＮＡＤＨ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６】
上記酸化酵素が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３記載の燃料電池。
【請求項７】
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８】
上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素が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７記載の燃料電池。
【請求項９】
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする燃料電池用負極。
【請求項１１】
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする燃料電池用負極の製造方法。
【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、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されているものである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする電極反応利用装置。
【請求項１４】
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする電極反応利用装置の製造方法。
【請求項１５】
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする電極反応利用装置用電極。
【請求項１６】
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする電極反応利用装置用電極の製造方法。
【請求項１７】
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とする高出力化剤。
【請求項１８】
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とするメディエータ拡散促進剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池およびその製造方法ならびに燃料電池用負極およびその製造方法ならびに電子機器ならびに電極反応利用装置およびその製造方法ならびに電極反応利用装置用電極およびその製造方法ならびに高出力化剤ならびにメディエータ拡散促進剤に関し、例えば、負極に触媒としての酵素および電子の伝達を媒介するメディエータ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各種の機器、装置あるいはシステムに適用して好適なものである。
【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水（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メディエータ（電子メディエータあるいは電子受容体化合物とも言う）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、３、４参照。）。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糖類を用いたものが開発されている。
【０００８】
バイオ糖−空気燃料電池において、メディエータおよび酵素を電極に固定化する方法として、グラッシーカーボン電極上に、メタノールに溶かしたテトラチアフルバレン（ＴＴＦ）飽和溶液３０μｌとグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）２０μｌ（３ｕ／μｌ）とをキャストし、その後ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）５μｌ（１ｗｔ％）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）５μｌ（１ｗｔ％）を滴下することでポリイオンコンプレックスを形成し、これによりメディエータおよび酵素の溶液への溶出を防ぐ膜を形成し、さらに生体適合性を有するリン脂質膜（ＭＰＣ）を１０μｌ（５ｗｔ％）キャストすることで、溶けにくく生体適合性を有する電極を作製することが開示されている（非特許文献１参照。）。しかしながら、非特許文献１には、リン脂質が燃料電池を高出力化することや、メディエータの拡散係数を増加させ、メディエータの拡散を促進することについては何ら開示も示唆もされていない。
【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
【非特許文献１】［平成１８年１月１２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.business-ijp/sentan/jusyou/2004/ 〉
【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、バイオ燃料電池においては、現時点では大きな出力が得られていないのが実情である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、高出力化が可能な燃料電池およびその製造方法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、上記の燃料電池に用いて好適な燃料電池用負極およびその製造方法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。
【００１１】
この発明が解決しようとする他の課題は、より一般的には、高出力化が可能な電極反応利用装置およびその製造方法ならびにこの電極反応利用装置に用いて好適な電極反応利用装置用電極およびその製造方法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、燃料電池などの電極反応利用装置の出力を大幅に増加させることができる高出力化剤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、メディエータの拡散係数を大幅に増加させ、メディエータの拡散を大幅に促進することができるメディエータ拡散促進剤を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池（バイオ燃料電池）において、負極に酵素およびメディエータ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メディエータ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よるが、リン脂質の固定化により酵素とメディエータ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、酵素とメディエータ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メディエータ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、メディエータ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、リン脂質はメディエータ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、メディエータがキノン骨格を有する化合物である場合に著しい。
以上は燃料電池の負極についてであるが、酵素およびメディエータを固定化する電極であれば、燃料電池の負極以外の電極であっても、リン脂質の添加により同様な効果を得ることができる。さらに、酵素は固定化しないが、少なくともメディエータを固定化する電極であっても、リン脂質の添加により同様な効果を得ることができる。また、リン脂質の代わりに、リン脂質の誘導体であっても、リン脂質またはその誘導体の重合体であっても同様な効果を得ることができる。
高出力化剤とは、最も一般的に言うと、少なくともメディエータ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、メディエータ拡散促進剤とは、最も一般的に言うと、少なくともメディエータが固定化された電極の内部でのメディエータの拡散係数を増加させ、あるいは、電極近傍でのメディエータ濃度を維持するか上昇させるものである。
この発明は、本発明者らが独自に得た上記の知見に基づいて案出されたものである。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン（レシチン）、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール（カルジオリピン）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。このリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の添加量は酵素およびメディエータの固定化量に応じて適宜選ぶことができるものであるが、極微量であっても高出力化効果またはメディエータ拡散促進効果を得ることが可能である。このリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を負極に固定化する際に用いる溶媒には、ベシクル（vesicle)の形成を防止するために、好適には、エタノールなどのアルコールが用いられる。必要に応じてアルコール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。
【００１６】
メディエータ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。メディエータには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、メディエータ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。
【００１７】
負極に固定化される酵素は、使用する燃料に応じて選ばれるが、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メディエータ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グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素の酸化体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などのＮＡＤＨデヒドロゲナーゼが用いられる。
【００１８】
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。この多糖類としては、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。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してもよい。
【００１９】
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、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る、あるいは負極上に酵素などともに固定化する方法をとることができる。こうすることで、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いため、例えばモバイル機器に用いたときに非常に有利である。
【００２０】
一つの例では、負極にメディエータとしての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、正極には、酵素が固定化されても固定されなくてもよい。正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、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、酵素に加えてメディエータも固定化される。メディエータとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウムを用いられる。メディエータは、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、メディエータ、リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤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、高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤などが含まれるようにすることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
プロトン伝導体として緩衝物質を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に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ようにするために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下にすることが有効であり、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下とする。緩衝物質は、一般的には、ｐＫa が６以上９以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、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。リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）などである。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。
【００２５】
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。この燃料電池を発電システムやコージェネレーションシステムに用いる場合、燃料として、単糖類や多糖類そのもののほか、多糖類を含む生ごみなどを用いてもよい。
【００２６】
第３の発明は、
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
【００２７】
第４の発明は、
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
第３および第４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。
【００２８】
第５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、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されているものである
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。
【００２９】
第６の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
【００３０】
第７の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
【００３１】
第６および第７の発明において、電極反応利用装置は、酵素およびメディエータが固定化された電極を有する酵素反応利用装置のほかに、メディエータは固定化されているが、酵素は固定化されておらず、したがって酵素反応を利用しないものも含む。酵素反応利用装置は、酵素反応を利用する各種の装置を含むが、具体的には、燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなどである。
第６および第７の発明においては、上記以外のことについては、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。
【００３２】
第８の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
【００３３】
第９の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
第８および第９の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１、第２、第６および第７の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３４】
第１０の発明は、
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とする高出力化剤である。
第１１の発明は、
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とするメディエータ拡散促進剤である。
第１０および第１１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。
【００３５】
上述のように構成されたこの発明においては、負極または電極に酵素およびメディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化することにより、メディエータ還元体の拡散係数を大幅に増加させることができ、酵素とメディエータ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、酵素とメディエータとを均一に混合することができ、ひいては高出力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
この発明によれば、負極に固定化される酵素とメディエータとを均一に混合することができることなどにより、メディエータの機能を十分に発揮することができ、負極により多くの電子を供給することができ、燃料電池の高出力化が可能である。そして、このように高出力化が可能な燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器、移動体、発電システム、コージェネレーションシステムなどを実現することができる。
また、電極に固定化される酵素とメディエータとを均一に混合することができることにより、酵素反応利用装置などの電極反応利用装置の高出力化が可能である。
さらには、電極に酵素が固定化されない場合でも、電極反応利用装置の高出力化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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とがプロトン伝導体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からプロトン伝導体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。
【００３８】
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+ ）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ）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に渡すメディエータ（例えば、ＡＮＱやＡＭＮＱやＶＫ３）と、高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのリン脂質またはその誘導体（例えば、ＤＭＰＣ）またはそれらの重合体とが固定化材（図示せず）（例えば、ポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）のようなポリカチオンとポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））のようなポリアニオンとを用いて形成されたポリイオンコンプレックス）により固定化されて構成されている。
【００３９】
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）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ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。
【００４０】
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。
【００４１】
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メディエータを介して電極１１に渡され、Ｈ+ はプロトン伝導体３を通って正極２へ輸送される。
【００４２】
上記の酵素、補酵素およびメディエータは、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、プロトン伝導体３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、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。リン酸緩衝液としては、例えば、ＮａＨ2 ＰＯ4 やＫＨ2 ＰＯ4 が用いられる。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。
【００４３】
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ーがＶＫ３である場合が図示されている。
【００４４】
正極２は、例えば、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。この正極２は、例えば、プロトン伝導体３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に形成される。なお、正極２はこの構成に限らず、触媒として酸素還元酵素を用いることもできる。この場合は、好適には、電極との間で電子の受け渡しを行うメディエータと組み合わせて用いられる。
この正極２においては、触媒の存在下で、プロトン伝導体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。
【００４５】
プロトン伝導体３は負極１において発生したＨ+ を正極２に輸送するためのもので、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。プロトン伝導体３としては、具体的には、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）など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。
【００４６】
以上のように構成されたバイオ燃料電池において、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。
この第１の実施形態によれば、負極１の電極１１上に、グルコースの分解に関与する酵素、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、補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素およびメディエータに加えて高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体を固定化していることにより、例えば、電極１１の内部や近傍でメディエータが大幅に拡散しやすくなり、上記の酵素、補酵素、補酵素酸化酵素およびメディエータを均一に混合することができ、ひいては電極１１の近傍でのメディエータ濃度を維持しまたは上昇させることができ、メディエータの機能を十分に発揮することができ、電極１１により多くの電子を供給することができ、最終的にバイオ燃料電池の大幅な高出力化が可能である。
【００４７】
次に、負極１として用いる酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極における高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の機能を評価するために行った実験の結果について説明する。
負極１として用いる酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定に使用した電気化学測定系を図３に示す。図３に示すように、容器２１内に測定溶液２２を入れ、この測定溶液２２内に作用極２３、対極２４および参照極２５を浸漬し、これらに電気化学測定装置２６を接続した。測定溶液２２としては、緩衝溶液（０．１Ｍ  ＮａＨ2 ＰＯ4 −ＮａＯＨ−ＮａＣｌ、Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ７）を用いた。作用極２３としては、グラッシーカーボンディスク電極（３ｍｍφ、０．０７１ｃｍ2 ）上にメディエータとしてのＡＮＱ、ジアホラーゼ（ＤＩ）、ＮＡＤＨ、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）および高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのＤＭＰＣをポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスを固定化材として用いて固定化したものを用いた。また、対極２４としてはＰｔ線、参照極２５としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気圧下で行い、測定温度は２５℃とした。測定溶液２２の量は１ｍｌとし、測定前にバブラ２７により測定溶液２２中にＡｒガスを送り込んでバブリングを十分に行うことにより脱酸素を行った。図４にＤＭＰＣの構造式を示す。
【００４８】
［比較例１］
高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されていない酵素／補酵素／メディエータ固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、測定溶液２２として用いたものと同じものを用いた。
・ＧＤＨ／ＤＩ／ＮＡＤＨ酵素・補酵素緩衝溶液（（１））
ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ  １．６．９９．−、天野エンザイム製、ＤＨ”Amano ”３）を１０ｍｇ秤量し、緩衝溶液２００μｌに溶解させた（（１）´）。酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで８℃以下で冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ８℃以下で冷蔵保存しておくことが好ましい。
グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ  １．１．１．４７、天野エンザイム製、ＧＤＨ−２）を１３．８ｍｇ秤量し、緩衝溶液１８０μｌに溶解させた。これに上記の溶液（１）´を２０μｌ加えてよく混合し、最終的にＧＤＨ／ＤＩ＝４．２／２０Ｕ／μｌ溶液２００μｌとした。
・ＮＡＤＨ緩衝溶液（（２））
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を６４ｍｇ秤量し、緩衝溶液０．１ｍｌに溶解させた（６４０μｇ／μｌ）。
・ＰＬＬ水溶液（（３））
ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬ）（シグマアルドリッチ製、Ｐ−２１７４）を適量秤量し、２ｗｔ％となるように脱イオン水に溶解させた。
・ＡＮＱアセトン溶液（（４））
２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）を１０ｍｇ秤量し、アセトン溶液９６４μｌに溶解させ６０ｍＭとした。
・ＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））
ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）（シグマアルドリッチ製、４１，６０４−５）を適量秤量し、０．０２２ｗｔ％となるように脱イオン水を加えて調製した。
【００４９】
固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極（ＢＡＳ製、００２０１２、３ｍｍφ、０．０７１ｃｍ2 ）表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは４０℃以下で乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極を作製した。
ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））：８μｌ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（２）：２μｌ
ＰＬＬ水溶液（（３））：１０μｌ
ＡＮＱアセトン溶液（（４））：１８．７μｌ
ＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））：１２μｌ
なお、この組成で作製した酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極をＡＮＱＥ４とした。
【００５０】
［実施例１］
酵素／補酵素／メディエータ／メディエータ拡散促進剤固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、測定溶液２２として用いたものと同じものを用いた。
・ＤＭＰＣエタノール溶液（６）
ジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）（和光純薬工業製、１６３−１２７７１）１ｍｇを１ｍｌのエタノールに溶解し、０．１％（ｗ／ｖ）エタノール溶液とした。
ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））、ＮＡＤＨ緩衝溶液（（２））、ＰＬＬ水溶液（（３））、ＡＮＱアセトン溶液（４）およびＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））は比較例１と同様に調製した。
【００５１】
固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極（ＢＡＳ製、００２０１２、３ｍｍφ、０．０７１ｃｍ2 ）表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは４０℃以下で乾燥を行い、酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極を作製した。
ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））：８μｌ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（（２））：２μｌ
ＰＬＬ水溶液（（３））：１０μｌ
ＡＮＱアセトン溶液（（４））：１８．７μｌ
ＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））：１２μｌ
ＤＭＰＣエタノール溶液（６）：１０μｌ
すなわち、この組成はＡＮＱＥ４＋ＤＭＰＣとなる。
【００５２】
以上のようにして作製したＡＮＱＥ４固定化電極およびＡＮＱＥ４＋ＤＭＰＣ固定化電極を、測定溶液２２中で、参照電極Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して、０．１Ｖにおけるクロノアンペロメトリーを１時間行った後、電位−０．６〜＋０．６Ｖ間におけるサイクリック・ボルタノメトリー（ＣＶ）を１０ｍＶ／ｓのスキャン速度で２周行った。なお、測定は各電極を４００ｍＭグルコースを含む緩衝溶液に浸して行った（測定にはSolartron Multistat 1480を使用した）。測定結果を図５ＡおよびＢに示す。
図５Ａの定電位測定の結果より、実施例１（ＡＮＱＥ４＋ＤＭＰＣ固定化電極）は、比較例１（ＡＮＱＥ４固定化電極）と比較すると、電流値が５分（３００秒）後で約２．８倍、３０分（１８００秒）後でも約１．８倍となっており、ＤＭＰＣの添加が電流値上昇に効果があると言うことができる。これは、図５Ｂのサイクリック・ボルタノメトリーでもピーク値が上昇していることからも分かる。
【００５３】
［実施例２］
ＤＭＰＣの添加により電流値上昇の効果が得られた原因を調べるためにグラッシーカーボンディスク電極にＤＭＰＣを塗布した電極を作製し、メディエータの拡散係数を算出した。
電極作製
グラッシーカーボンディスク電極表面上にＤＭＰＣエタノール溶液（６）を１０μｌ添加し、４０℃で１５分放置し、乾燥した。
電気化学測定
・ポテンシャルステップ・クロノアンペロメトリー（ＰＳＣＡ）
上記のＤＭＰＣ塗布グラッシーカーボンディスク電極を終濃度１０ｍＭになるように緩衝溶液（０．１Ｍ  ＮａＨ2 ＰＯ4 −ＮａＯＨ−ＮａＣｌ、Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ７）にＡＮＱ、ＡＭＮＱまたはＶＫ３（ナカライテスク、３６４０５−８４）を溶解し、２０分間Ａｒガスで置換して酸素を系内から極力排除した状態で、（１）−０．４Ｖ  ５分→０．４Ｖ  ３分（２）０．６Ｖ  ５分→−０．４Ｖ  ３分の定電位測定を行い、その電流値を計測した。
・サイクリック・ボルタノメトリー（ＣＶ）
上記のＤＭＰＣ塗布グラッシーカーボンディスク電極を終濃度１０ｍＭもしくは１００ｍＭになるように緩衝溶液（０．１Ｍ  ＮａＨ2 ＰＯ4 −ＮａＯＨ−ＮａＣｌ、Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ７）にＡＮＱ、ＡＭＮＱ、ＶＫ３を溶解し、２０分間Ａｒガスで置換し酸素を系内から極力排除した状態で電位−０．６Ｖ〜０．６Ｖ間におけるサイクリック・ボルタノメトリーを５０、２０、１０、５ｍＶ／ｓのスキャン速度で２周行った。
【００５４】
［比較例２］
実施例２においてＤＭＰＣを塗布しないグラッシーカーボンディスク電極を用意し、同様に各メディエータにおけるＰＳＣＡ測定およびＣＶ測定を行った。
ＰＳＣＡにおけるコットレル式を式１に示す。
【数１】
2007257983.tif 000003
ただし、Ｉ（ｔ）lim は電流値（Ａ）、Ｆはファラデー定数、Ａは電極面積（ｃｍ2 ）、Ｃ* 0 はメディエータ濃度（ｍｏｌ／ｃｍ3 ）、Ｄ0 は拡散係数（ｃｍ／ｓ）、ｔは時間（ｓ）である。
式１より、系内が拡散律速の場合、電流値Ｉ（ｔ）lim と時間ｔ（ｓ）の平方根の逆数との間には比例関係が成立し、その傾きから拡散係数Ｄ0 を求めることができる。
【００５５】
また、ＣＶから得られる電流値とスキャン速度との間には式２の関係式が成立する。
【数２】
2007257983.tif 000004
ただし、ＩpcはＣＶより得られた酸化・還元反応それぞれのピーク電流値（Ａ）、ｎは電子数、Ａは電極面積（ｃｍ2 ）、Ｃ* 0 はメディエータ濃度（ｍｏｌ／ｃｍ3 ）、Ｄ0 は拡散係数（ｃｍ2 ／ｓ）、ｖはスキャン速度（Ｖ／ｓ）である。
式２もＰＳＣＡと同様に拡散律速の場合、ピーク電流値Ｉpc（Ａ）とスキャン速度ｖ（Ｖ／ｓ）の平行根との間には比例関係が成立するため、やはりその傾きから拡散係数を求めることができる。式１、２より得られたＡＮＱ、ＡＭＮＱ、ＶＫ３各メディエータの拡散係数の値を表１に示す。また、拡散係数の算出に用いたポテンシャルステップ・クロノアンペロメトリーおよびサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果の一例（メディエータがＡＮＱである場合）を図６に示す。
【００５６】
【表１】
2007257983.tif 000005
【００５７】
以上の結果より、各メディエータの還元体の拡散係数がＤＭＰＣの添加によって上昇していることが分かった。この理由としては、より親水性であるメディエータ還元体が、ＤＭＰＣが電極表面に存在することによって拡散しやすくなることが考えられる。そしてこれが、実施例１で得られた電極における電流値上昇の原因の１つであると考えられる。
図７は上記のＡＮＱＥ４電極上に固定化された酵素（ＧＤＨ、ＤＩ）およびメディエータ（ＡＮＱ）を共焦点顕微鏡（オリンパス製Ｆｌｕｏｖｉｅｗ  ＦＶ１０００×１００レンズ  ズーム×１）により観察した結果を示す。図７より、酵素とメディエータとが互いに分離して凝集し、特にメディエータは針状結晶を形成しており、不均一になっている様子が観察される。
図８は上記のＡＮＱＥ４＋ＤＭＰＣ電極上に固定化された酵素（ＧＤＨ、ＤＩ）およびメディエータ（ＡＮＱ）を上記と同様に観察した結果を示す。図８より、メディエータからなる針状結晶は観察されず、酵素とメディエータとは互いに均一に混合している様子が観察される。この結果により、ＤＭＰＣの添加によりメディエータ還元体が拡散しやすくなることが裏付けられる。
【００５８】
次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図９ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、例えばカーボンフェルト（例えば、面積０．２５ｃｍ2 ）の上に酵素、補酵素、メディエータおよび高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化材で固定化した酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化カーボン電極からなる負極１と、例えばカーボンフェルト（例えば、面積０．２５ｃｍ2 ）の上に酵素やメディエータを固定化材で固定化した酵素／メディエータ固定化カーボン電極からなる正極２とが、プロトン伝導体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３１、３２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３３、３４は固定板を示す。これらの固定板３３、３４はねじ３５により相互に締結され、それらの間に、正極２、負極１、プロトン伝導体３およびＴｉ集電体３３、３４の全体が挟み込まれている。固定板３３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部３３ａが設けられ、この凹部３３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴３３ｂが設けられている。これらの穴３３ｂは正極２への空気の供給路となる。一方、固定板３４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部３４ａが設けられ、この凹部３４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴３４ｂが設けられている。これらの穴３４ｂは負極１への燃料の供給路となる。この固定板３４の他方の面の周辺部にはスペーサー３６が設けられており、固定板３３、３４をねじ３５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９Ｂに示すように、Ｔｉ集電体３１、３２の間に負荷３７を接続し、固定板３４の凹部３４ａに燃料として例えばグルコース溶液を入れて発電を行う。
【００５９】
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。
この第２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１０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１０Ａはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図１０Ｂはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図１０Ａ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４１と、この骨格４１の表面を被覆するカーボン系材料４２とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料４２に囲まれた多数の孔４３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４３同士は互いに連通している。カーボン系材料４２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。
【００６０】
多孔体材料からなる骨格４１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４１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４２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４３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。
【００６１】
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１１Ａ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４１を用意する。
次に、図１１Ｂ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４１の表面にカーボン系材料４２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４１の表面に噴射することによりカーボン系材料４２をコーティングする。このカーボン系材料４２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４１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４２に囲まれた多数の孔４３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。
【００６２】
この第２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４１の表面をカーボン系材料４２により被覆した多孔体導電材料は、孔４３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１１を形成し、これに酵素、補酵素、メディエータおよび高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化することで得られる酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極からなる負極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。
【００６３】
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。
この第３の実施形態によるバイオ燃料電池は、プロトン伝導体３がリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液を含む電解質層からなり、少なくとも、負極１および正極２に固定化された酵素の周囲の電解質層には緩衝液が０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下の濃度含まれている。こうすることで高い緩衝能を得ることができ、バイオ燃料電池の高出力動作時においても、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持することができるので、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ2 ＰＯ4 やＫＨ2 ＰＯ4 が用いられる。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００６４】
以上のように、この第３の実施形態によれば、プロトン伝導体３を構成する電解質層に含まれる緩衝物質（緩衝液）の濃度が０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下であることにより、十分な緩衝能を得ることができ、このためバイオ燃料電池の高出力動作時においても、正極２および負極１に固定化された酵素の周囲の電解質層のｐＨを至適ｐＨ付近に維持することができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮させることができる。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。
【００６５】
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。
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１１ａに渡され、Ｈ+ はプロトン伝導体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４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。
【００６６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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において負極に用いる酵素／補酵素／メディエーター／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定に用いた測定系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において負極に固定化する高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の一例であるＤＭＰＣの化学構造を示す略線図である。
【図５】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負極に用いる酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定により得られるクロノアンペロメトリーの測定結果およびサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果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において負極に用いる酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定により得られるサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果を示す略線図である。
【図７】比較例１による酵素／補酵素／メディエータ固定化電極の共焦点顕微鏡による観察結果を示す図面代用写真である。
【図８】実施例１による酵素／補酵素／メディエータ／高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の共焦点顕微鏡による観察結果を示す図面代用写真である。
【図９】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す断面図および略線図である。
【図１０】この発明の第２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１１】この発明の第２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。
【符号の説明】
【００６８】
１…負極、２…正極、３…プロトン伝導体、１１…電極、３１、３２…Ｔｉ集電体、３３、３４…固定板、３７…負荷、４１…骨格、４２…カーボン系材料、４３…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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