(57)【要約】【課題】負極の構造の最適化により出力の向上を図ることができる燃料電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】正極２と負極１とがプロトン伝導体３を介して対向した構造を有し、少なくとも負極１が酵素が固定化された電極１１からなる燃料電池において、電極１１として、少なくとも一つの貫通穴１２または非貫通穴を有する多孔質電極を用いる。電極１１に酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化する。貫通穴１２または非貫通穴の直径は１ｍｍ以下、間隔は２ｍｍ以下とする。【選択図】図３
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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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記多孔質電極が複数の上記貫通穴または上記非貫通穴を互いに分離して有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記貫通穴または上記非貫通穴の直径は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記貫通穴または上記非貫通穴の間隔は２ｍｍ以下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５】
上記複数の上記貫通穴または上記非貫通穴が二次元アレイ状に設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記多孔質電極が多孔質カーボン電極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】
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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池の製造方法であって、
少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる上記電極を形成する工程を有する
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
上記多孔質電極を射出成形法によって形成することを特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる
ことを特徴とする酵素固定化電極。
【請求項１０】
酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極の製造方法であって、
少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる上記電極を形成する工程を有する
ことを特徴とする酵素固定化電極の製造方法。
【請求項１１】
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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなるものである
ことを特徴とする電子機器。
【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酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器に関し、特に、酵素を用いたバイオ燃料電池およびこのバイオ燃料電池を電源に用いる各種の電子機器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、種々の問題点がある。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クエン酸（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
に化学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２〜１１参照。）。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あるいはデンプンのような多糖類を用いたものが開発されている。
このバイオ燃料電池においては、燃料が供給される負極として、一般的には多孔質カーボン電極が用いられる。
【０００８】
【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
【特許文献１１】特開２００７−１２２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のバイオ燃料電池においては、出力の向上を図る努力がなされているが、現状では出力は必ずしも十分とは言えず、より一層の出力向上を図ることが望まれている。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、負極の構造の最適化により出力の向上を図ることができる燃料電池およびその製造方法ならびにこの燃料電池の負極に用いて好適な酵素固定化電極およびその製造方法ならびにこの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】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、バイオ燃料電池の負極において、酵素を固定化する電極として、多孔質カーボン電極などの多孔質電極に貫通孔または非貫通孔を設けたものを用いることが極めて有効であることを見出し、実験でその有効性を確認し、さらにこの知見に基づいて種々検討を行った結果、この発明を案出するに至ったものである。
【００１１】
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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる
ことを特徴とするものである。
【００１２】
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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池の製造方法であって、
少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる上記電極を形成する工程を有する
ことを特徴とするものである。
【００１３】
第１および第２の発明において、貫通穴とは、多孔質電極の一方の面から他方の面に貫通した穴であり、非貫通穴とは、多孔質電極の一方の面に形成され、他方の面に貫通していない穴である。非貫通穴は、多孔質電極の一方の面に形成してもよいし、他方の面に形成してもよいし、両方の面に形成してもよい。この貫通穴または非貫通穴の平面形状および断面形状は特に限定されず、適宜選択されるが、平面形状としては例えば、円、楕円、多角形（三角形、四角形（正方形、長方形）、五角形、六角形など）やこれらの全部または一部を変形した形状などを用いることができ、断面形状としては例えば、正方形、長方形、台形などやこれらの全部または一部を変形した形状やこれらの形状を組み合わせた形状などを用いることができる。多孔質電極は、典型的には、複数の貫通穴または非貫通穴を互いに分離して有し、これらの貫通穴および非貫通穴が混在してもよい。これらの複数の貫通穴または非貫通穴は、典型的には二次元アレイ状（例えば、正方形格子状、長方形格子状、六方格子状など）に設けられるが、これに限定されるものではなく、一般的には多孔質電極の任意の部位に規則的または不規則に配置することができる。貫通穴または非貫通穴の直径（貫通穴または非貫通穴の平面形状が円の場合はその直径、その他の形状では平面形状の最大寸法を意味するものとする）および間隔（ピッチ）は適宜選択され、多孔質電極の部位によって直径および／または間隔が異なってもよいが、一般的には、ミリメートルまたはサブミリメートルオーダーであり、好適には、直径は１ｍｍ以下、例えば０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下、間隔は２ｍｍ以下である。多孔質電極としては、典型的には多孔質カーボン電極が用いられるが、これに限定されるものではない。この多孔質電極の厚さは適宜選択される。この多孔質電極の形成方法は問わず、板状の多孔質電極に従来公知の方法によって貫通穴または非貫通穴を形成してもよいし、射出成形法によって貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極を直接形成してもよい。
【００１４】
正極も、負極と同様に、酵素が固定化された電極により形成し、この電極として少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極を用いてもよい。正極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。正極および／または負極には、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、さらに、必要に応じて、酵素および電子メディエーターに加えて補酵素も固定化される。
【００１５】
正極および／または負極の電極に酵素などを固定化する固定化材としては、基本的にはどのようなものを用いてもよく、ポリイオンコンプレックスなどの従来公知のものを用いることができる。ポリイオンコンプレックスとしては、従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、ポリ−Ｌ−リジン（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る。
【００１６】
燃料としては、各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、代表的なものを挙げると、メタノール、エタノール、単糖類、多糖類、脂肪などである。単糖類、多糖類などを燃料に用いる場合、典型的には、これらをリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
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、好適には、負極として用いられる酵素固定化電極において、酵素として、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素と、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とが固定化される。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）が、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+ ）あるいはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ（ＤＩ）が用いられる。
【００１７】
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）、ビタミンＫ１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。
【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。
【００１９】
分解酵素としてセルラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、セルラーゼによりグルコースにまで分解することができるセルロースを燃料とすることができる。セルラーゼは、より詳しくはセルラーゼ（ＥＣ  ３．２．１．４）、エキソセロビオヒドラーゼ（ＥＣ  ３．２．１．９１）、β−グルコシダーゼ（ＥＣ  ３．２．１．２１）などのいずれか少なくとも一種である。なお、分解酵素としてグルコアミラーゼとセルラーゼとを混合して用いてもよく、この場合には、自然界で生産される多糖類の大半を分解することができるため、これらを多く含むもの、例えば生ごみなどを燃料とすることが可能となる。
【００２０】
また、分解酵素としてα−グルコシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、α−グルコシダーゼによりグルコースに分解されるマルトースを燃料とすることができる。
また、分解酵素としてスクラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、スクラーゼによりグルコースとフルクトースとに分解されるスクロースを燃料とすることができる。スクラーゼは、より詳しくはα−グルコシダーゼ（ＥＣ  ３．２．１．２０）、スクロース−α−グルコシダーゼ（ＥＣ  ３．２．１．４８）、β−フルクトフラノシダーゼ（ＥＣ  ３．２．１．２６）などの少なくともいずれか一種である。
また、分解酵素としてβ−ガラクトシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、β−ガラクトシダーゼによりグルコースとガラクトースとに分解されるラクトースを燃料とすることができる。
必要に応じて、これらの燃料となる多糖類も負極上に固定化してもよい。
【００２１】
特に、デンプンを燃料とする燃料電池では、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か、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いため、モバイル機器に用いたときに非常に有利である。
【００２２】
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。
【００２３】
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、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。
【００２４】
プロトン伝導体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）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）、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（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるものが挙げられる。
【００２５】
プロトン伝導体として緩衝物質（緩衝液）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５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。緩衝物質としては、イミダゾール環を含む化合物も好ましい。この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。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。
【００２６】
この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべ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。
【００２７】
第３の発明は、
酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる
ことを特徴とするものである。
第４の発明は、
酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極の製造方法であって、
少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなる上記電極を形成する工程を有する
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、上記以外のことについては、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、少なくとも上記負極が酵素が固定化された電極からなる燃料電池であって、
上記電極が少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極からなるものである
ことを特徴とするものである。
【００２９】
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（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
第５の発明においては、上記以外のことについては、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。
【００３０】
上述のように構成されたこの発明においては、少なくとも一つの貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極を負極に用いることにより、負極に供給される燃料は、この多孔質電極の外面に加えて、この貫通穴または非貫通穴の内面にも接触するため、この貫通穴または非貫通穴を有しない場合に比べて、多孔質電極に対する燃料の接触面積を大きくすることができる。このため、多孔質電極に接触した燃料は、この多孔質電極の内部の空隙部を通ってその内部に効率的に輸送されるため、多孔質電極の全体に行き渡りやすくなる。すなわち、多孔質電極が貫通穴または非貫通穴を有することにより、負極に供給される燃料の多孔質電極の内部への拡散が促進される。この結果、多孔質電極の内部の空隙部の表面を含む多孔質電極の表面全体に固定化された酵素の近傍に燃料が効率的に供給されるようになり、酵素による触媒反応により燃料の分解が促進される。特に、電池反応において負極に対する物質供給（燃料の供給）が律則である場合、言い換えると負極における酵素触媒反応が優勢である場合、貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極を負極に用いることは有効である。また、一般に燃料の濃度が大きくなると粘度が高くなり、多孔質電極に燃料が浸透しにくくなるため、物質供給律則がより強くなる傾向があるが、貫通穴または非貫通穴を有する多孔質電極を負極に用いることにより、燃料の粘度の影響を回避することができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明によれば、負極の構造の最適化により燃料電池の出力の向上を図ることができる。そして、このように高出力の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】
【００３２】
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。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
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。
【００３３】
負極１は、例えば板状の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に渡す電子メディエーター（例えば、ＡＣＮＱ）とが固定化されて構成されている。この固定化には従来公知の固定化材を用いることができる。
【００３４】
図３ＡおよびＢに電極１１の詳細な構造を示す。ここで、図３Ａは斜視図、図３Ｂは図３ＡのＢ−Ｂ線に沿っての断面図である。図３ＡおよびＢに示すように、この電極１１は互いに直交する二つの方向に二次元アレイ状に等間隔で配置された貫通穴１２を有する。この電極１１の平面形状は適宜選択されるが、図３においては一例として正方形の場合が示されている。また、貫通穴１２の平面形状は適宜選択されるが、図３においては一例として円形の場合が示されている。さらに、貫通穴１２の断面形状は適宜選択されるが、図３においては一例として長方形の場合が示されている。貫通穴１２の直径は好適には例えば１ｍｍ以下（例えば０．４〜１．０ｍｍ）、間隔は２ｍｍ以下であるが、これに限定されるものではない。ここで、貫通穴１２の直径が小さい場合には、間隔が大きいと貫通穴１２の総面積が少なくなり、燃料の輸送効率を十分に大きくすることが困難となるので、電極１１の機械的強度を維持することができる範囲内で間隔は小さくするのが望ましい。
図４Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに電極１１の貫通穴１２の具体例を示す。各電極１１の貫通穴１２の直径および間隔は、図４Ａに示す電極１１では直径０．４ｍｍ、間隔０．８ｍｍ、図４Ｂに示す電極１１では直径０．７ｍｍ、間隔１．４ｍｍ、図４Ｃに示す電極１１では直径１．０ｍｍ、間隔２．０ｍｍ、図４Ｄに示す電極１１では直径１．３ｍｍ、間隔２．０ｍｍである。電極１１は１ｃｍ×１ｃｍの正方形の形状を有する。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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+ はプロトン伝導体３を通って正極２へ輸送される。
【００３８】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、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として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を用い、この緩衝液によって、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。
【００３９】
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ＡＣＮＱである場合が図示されている。
【００４０】
正極２は、多孔質カーボン電極などに、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の酸素を分解する酸素還元酵素を固定化したものである。この正極２の外側の部分（プロトン伝導体３と反対側の部分）は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成される。正極２には、好適には、上記の酸素還元酵素に加えて、この正極２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
この正極２においては、上記の酸素還元酵素の存在下で、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。
【００４１】
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。このプロトン伝導体３としては、例えば、既に挙げたものを用いることができる。
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。
【００４２】
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５ＡおよびＢ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２１、２２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２３、２４は固定板を示す。これらの固定板２３、２４はねじ２５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（セロハンなど）およびＴｉ集電体２１、２２の全体が挟み込まれている。固定板２３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部２３ａが設けられ、この凹部２３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴２３ｂが設けられている。これらの穴２３ｂは正極２への空気の供給路となる。一方、固定板２４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部２４ａが設けられ、この凹部２４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴２４ｂが設けられている。これらの穴２４ｂは負極１への燃料の供給路となる。この固定板２４の他方の面の周辺部にはスペーサー２６が設けられており、固定板２３、２４をねじ２５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５Ｂに示すように、Ｔｉ集電体２１、２２の間に負荷２７を接続し、固定板２４の凹部２４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
【００４３】
図４Ｂに示すように、直径０．７ｍｍの貫通穴１２が間隔１．４ｍｍで二次元アレイ状に配置された大きさが１ｃｍ×１ｃｍの電極１１を用いて酵素固定化電極を作製した。この電極１１上に、酵素としてのＧＤＨおよびＤＩと補酵素としてのＮＡＤＨと電子メディエーターとしてのＡＮＱとを固定化した。この酵素固定化電極とは別に、電極１１が貫通穴１２を有しないことだけが異なる酵素固定化電極を作製した。
これらの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターの固定化は次のように行った。
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。溶液調製用の緩衝溶液としては、１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝７．０）を用いた。
【００４４】
・ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））
ＤＩ（ＥＣ  １．６．９９．天野エンザイム製）を１０〜１００ｍｇ秤量し、上記の緩衝溶液０．２ｍＬに溶解させた（溶液（１）´）。酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで８℃以下に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。ＧＤＨ（ＮＡＤ依存型、ＥＣ  １．１．１．４７  天野エンザイム製）を５〜３０ｍｇ秤量し、上記の緩衝溶液０．３ｍＬに溶解させた。この溶液に溶液（１）´を２０μＬ加え、よく混合してＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））とした。
【００４５】
・ＮＡＤＨ緩衝溶液（（２））
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を５０〜１００ｍｇ秤量し、緩衝溶液０．１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（（２））とした。
・ＡＮＱアセトン溶液（（３））
２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）（合成品）を５０〜１００ｍｇ秤量し、アセトン溶液１ｍＬに溶解させ、ＡＮＱアセトン溶液（（３））とした。
・ＰＬＬ水溶液（（４））
ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬ）（Ｗａｋｏ製、１６４−１６９６１）を適量秤量し、２ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＬＬ水溶液（（４））とした。
・ＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））
ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）（アルドリッチ製、０４１−００５９５）を適量秤量し、０．０２２ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＡＡｃＮａ水溶液（（５））とした。
【００４６】
上記のようにして作製した溶液（１）〜（３）を、ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：ＮＡＤＨ緩衝溶液（２）：ＡＮＱアセトン溶液（３）＝４：１：１０の割合で混合し、混合液の体積を２５μＬ、５０μＬ、７５μＬ、１００μＬ、１２５μＬの５水準に変え、これらの混合液をマイクロシリンジを用いて上述の電極１１上に塗布した後、適宜乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極を作製した。
上記の酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極上にＰＬＬ水溶液（４）およびＰＡＡｃＮａ水溶液（５）を下記の量塗布した後、適宜乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極を作製した。
ＰＬＬ水溶液（４）：１０μＬ（ＰＬＬの総質量は０．２ｍｇで単位面積当たりの質量は７．１×１０-3ｍｇ／ｍｍ2 ）
ＰＡＡｃＮａ水溶液（５）：１２μＬ（ＰＡＡｃＮａの総質量は０．００３ｍｇで単位面積当たりの質量は１．１×１０-4ｍｇ／ｍｍ2 ）
【００４７】
これらの酵素固定化電極を用いてグルコース溶液中で電気化学的測定を行った。グルコース濃度は４００ｍＭとした。１時間（３６００秒）後の電流の測定結果を図６に示す。図６に示すように、貫通穴１２を有する電極１１を用いた酵素固定化電極では、貫通穴１２を有しない電極１１を用いた酵素固定化電極に比べて大きな電流密度が得られている。
また、これらの酵素固定化電極を用い、参照電極Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して、０．１Ｖと電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位に設定し、クロノアンペロメトリーを行った。測定溶液としては、２Ｍのイミダゾール緩衝液（ｐＨ７．０）に燃料のグルコースを濃度が２００ｍＭ、４００ｍＭ、６００ｍＭ、８００ｍＭとなるように溶解させたものを用いた。クロノアンペロメトリーを６００秒間および３６００秒間行った後の電流密度を測定した結果を表１に示す。ただし、表１では電流密度を比で示している。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１から分かるように、いずれのグルコース濃度の燃料を用いた場合でも、１時間経過後の電流密度の維持率は高く、特にグルコース濃度が４００ｍＭ、６００ｍＭ、８００ｍＭと高い場合には維持率は約８０％以上と極めて高い。このようにグルコース濃度が高い場合には測定溶液の粘度はかなり高くなるにもかかわらず、高い電流密度維持率を得ることができるのは、電極１１が貫通穴１２を有することにより、この貫通穴１２の内面を介して電極１１の内部に測定溶液が効率的に輸送されるためであると考えられる。
【００５０】
貫通穴１２を有する電極１１の形成方法は問わないが、例えば、貫通穴１２を有しない電極１１に従来公知の各種の穴形成法（機械的加工、放電加工、エッチング法、レーザ加工法など）により形成してもよいし、射出成形法により直接形成してもよい。図７ＡおよびＢに射出成形法により貫通穴１２を有する電極１１を形成する方法を示す。この方法では、図７Ａに示すように、まず、電極１１の形成用の一対の金型３１、３２を用意する。金型３１には、電極１１の貫通穴１２に対応する部分にこの貫通穴１２と同じ形状の突起部３１ａが設けられている。次に、図示省略した成形機のホッパー（材料投入口）に電極１１の形成用の材料を投入し、この材料をヒーターによって加熱されたシリンダー（加熱筒）の中を通すことによって溶かす。次に、図７Ｂに示すように、この溶けた材料３３をシリンダーの先端のノズルより金型３２の注入穴３２ａを通して金型３１、３２の間の空間に射出する。次に、射出された材料３３を金型３１、３２の間の空間に入れたまま冷却する。こうして材料３３を固めた後、金型３１、３２を互いに離す。この後、金型３１から成形物を取り外す。こうして、貫通穴１２を有する電極１１が形成される。
【００５１】
以上のように、この第１の実施形態によれば、負極１として、多孔質カーボンなどの多孔質材料からなり、貫通穴１２を有する電極１１上に酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化したものを用いているので、負極１に燃料として供給されるグルコース溶液は、電極１１の外面に加えて貫通穴１２の内面にも接触するため、この貫通穴１２を有しない場合に比べて、電極１１に対するグルコース溶液の接触面積を大きくすることができる。このため、電極１１に接触したグルコース溶液は、この電極１１の内部の空隙部を通ってその内部に効率的に輸送されるため、電極１１の全体に行き渡りやすくなる。すなわち、電極１１が貫通穴１２を有することにより、負極１に供給されるグルコース溶液の電極１１の内部への拡散が促進される。この結果、電極１１の内部の空隙部の表面を含む電極１１の表面全体に固定化された酵素の近傍にグルコースが効率的に供給されるようになり、酵素による触媒反応によりグルコースの分解が促進される。また、グルコース溶液の濃度が大きくなると粘度が高くなり、電極１１にグルコース溶液が浸透しにくくなるため、物質供給律則がより強くなる傾向があるが、このように貫通穴１２を有する電極１１を負極１に用いることにより、グルコース溶液の粘度の影響を回避することができ、高濃度のグルコース溶液を燃料に用いることができるようになる。以上により、バイオ燃料電池の高出力化を図ることができる。
【００５２】
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、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１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２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。
【００５３】
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。
このバイオ燃料電池においては、負極１として図８に示す酵素固定化電極を用いる。図８に示すように、この酵素固定化電極においては、第１の実施形態と同様な貫通穴１２（図８においては図示を省略する）を有する電極１１上にリン脂質二分子膜４１が物理吸着などにより固定化されている。このリン脂質二分子膜４１には、二種類の酵素４２、４３がアンカー４４を介して固定化されている。ここでは二種類の酵素４２、４３が固定化される場合について説明するが、三種類以上の酵素が固定化される場合も同様である。アンカー４４としては、例えばポリエチレングリコール鎖を用いることができるが、これに限定されるものではない。このリン脂質二分子膜４１には、これらの酵素４２、４３に加えて電子メディエーター４５も固定化されている。
この酵素固定化電極は、例えば、リン脂質と酵素４２、４３と電子メディエーター４５とを混和したものを電極１１上に滴下したり塗布したりした後、乾燥させることにより作製することができる。
このバイオ燃料電池の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。
【００５４】
〈実施例１〉
タンパク質は一般的に、細胞膜に分布している膜タンパク質、細胞外や細胞内の溶液中に分布している水溶性タンパク質および細胞膜に接して存在している膜結合型タンパク質の三種類に分類される。このうち膜タンパク質と膜結合型タンパク質とはリポソームに導入することが容易である。一方、バイオ燃料に用いるタンパク質の一部は細胞内や細胞外の溶液中に分布していることが多く、脂溶性部位が比較的少ない。
【００５５】
一方、リン脂質集合体の形態としてはリン脂質二分子膜になった球形のリポソームが良く知られている。生体を構成する膜はこのリン脂質の集合体であるリポソームからできていることがほとんどであり、酵素、タンパク質、特に膜タンパク質を安定に高活性に保つには非常によい反応場である。そこで、実施例１では、まず、二種類の酵素４２、４３に脂溶性部位を導入し、これを熱力学的に安定なリン脂質集合体であるリポソームに導入する。具体的には、酵素４２、４３として、一般的に水溶性であるジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼを用い、これらに脂溶性部位を化学的に導入し、リポソームに任意の量、任意の割合で分布させることにした。脂溶性部位をジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼに化学的に導入するために用いる化合物（日本油脂社製、商品名SUNBRIGHT OE-040CS）は、これらのジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼと共有結合するための部位とリン脂質膜に導入される部位であるオレオイル基とこれらの二つをつなぐポリエチレングリコール鎖とからなっている。この化合物の調製は文献などを参考にして行った。
【００５６】
リポソームは作製方法により異なるサイズ、形態を持つことができるが、ここでは、超音波処理方法によりリポソームを作製した。リン脂質の種類としてはEgg yolk由来のリン脂質を用いた。
ジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼをリポソームに配置したプロテオリポソームの調製は、上記のようにして調製されたリポソームと脂溶性部位を化学的に導入したジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼと電子メディエーター４５とを同時に混和した後、数時間放置することより行った。これらのジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼのリポソームへの導入を観察するために、これらのジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼに蛍光物質をラベルし、化学的に脂溶性部位を持たせた水溶性のジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼがリポソームに導入されるか検討したところ、いずれも導入されることが確認された。このプロテオリポソームの模式図を図９に示す。符号４６はリポソームを示す。
【００５７】
上記のようにして調製されたプロテオリポソームを基板１１上に滴下することにより、リポソームを固定化することが可能である。リポソームの形態にもよるが、撥水性の基板上にはリン脂質単分子膜が、親水性の基板上にはリン脂質二分子膜が形成されることが知られている。この実施例１では、オゾン処理によりあらかじめ親水化した多孔質カーボン電極を基板１１として用いた。
【００５８】
この第３の実施形態によれば、貫通穴１２を有する電極１１上にリン脂質二分子膜４１が固定化され、このリン脂質二分子膜４１に二種類の酵素４２、４３および電子メディエーター４５が固定化された酵素固定化電極を負極１として用いているので、第１の実施形態と同様な利点に加えて、これらの二種類の酵素４２、４３を最適位置に任意の割合で安定に固定化することができるため、より一層高効率で高出力のバイオ燃料電池を得ることができる。
【００５９】
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、負極１として図１０に示す酵素固定化電極を用いる。図１０に示すように、この酵素固定化電極においては、第１の実施形態と同様な貫通穴１２（図１０においては図示を省略する）を有する電極１１上にタンパク質などからなる中間層４７が物理吸着などにより固定化されており、この中間層４７上にリン脂質二分子膜４１が物理吸着などにより固定化されている。このリン脂質二分子膜４１には、二種類の酵素４２、４３が固定化されている。このリン脂質二分子膜４１には、これらの酵素４２、４３に加えて電子メディエーター４５も固定化されている。
この酵素固定化電極は、例えば、タンパク質などを含む溶液に電極１１を浸漬するなどして中間層４７を形成し、その上にリン脂質と酵素４２、４３と電子メディエーター４５とを混和したものを滴下したり塗布したりした後、乾燥させることにより作製することができる。
このバイオ燃料電池の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。
【００６０】
〈実施例２〉
電極１１として多孔質カーボン電極を用い、紫外線（ＵＶ）オゾン処理装置によりこの多孔質カーボン電極を活性化し、表面を親水性にした後、酵素を５００μｇ／ｍＬから５ｍｇ／ｍＬ程度のリン酸緩衝液に浸漬し、一晩放置した。その後、リン酸緩衝液により洗浄し、乾燥することにより、中間層４７として酵素を有する多孔質カーボン電極を得た。
【００６１】
次に、この中間層４７として酵素を有する多孔質カーボン電極に、電子メディエーター４５としてＡＮＱ、酵素４２、４３としてジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素としてＮＡＤＨを含むリポソームを滴下した後、乾燥し、酵素固定化電極を作製した。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００６２】
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。
このバイオ燃料電池においては、負極１として図１１に示す酵素固定化電極を用いる。図１１に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１上にタンパク質などからなる中間層４７が物理吸着などにより固定化されており、この中間層４７上にポリイオンコンプレックス４８が固定化されている。このポリイオンコンプレックス４８には、二種類の酵素４２、４３が固定化されている。このポリイオンコンプレックス４８には、これらの酵素４２、４３に加えて電子メディエーター４５も固定化されている。
この酵素固定化電極は、例えば、タンパク質などを含む溶液に電極１１を浸漬するなどして中間層４７を形成し、その上にポリカチオンおよびポリアニオンと酵素４２、４３と電子メディエーター４５とを混和したものを滴下したり塗布したりした後、乾燥させることにより作製することができる。
このバイオ燃料電池の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。
【００６３】
〈実施例３〉
電極１１として多孔質カーボン電極を用い、紫外線（ＵＶ）オゾン処理装置によりこの多孔質カーボン電極を活性化し、表面を親水性にした後、酵素を５００μｇ／ｍＬから５ｍｇ／ｍＬ程度のリン酸緩衝液に浸漬し、一晩放置した。その後、リン酸緩衝液により洗浄し、乾燥することにより、中間層４７として酵素を有する多孔質カーボン電極を得た。
【００６４】
次に、この中間層４７として酵素を有する多孔質カーボン電極に、電子メディエーター４５としてＡＮＱ、酵素４２、４３としてジアホラーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素としてＮＡＤＨ、ポリカチオンとしてＰＬＬ、ポリアニオンとしてＰＬＬ、ポリカチオンとしてＰＡＡｃＮａを含む溶液を滴下した後、乾燥し、酵素固定化電極を作製した。
この第５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。
【００６５】
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。
このバイオ燃料電池においては、負極１として図１２に示す酵素固定化電極を用いる。図１２に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１上にアルブミンからなる中間層４７が物理吸着などにより固定化されており、この中間層４７のアルブミンに脂溶性の官能基を有する分子４９を共有結合させ、この分子４９をアンカーとして、二種類の酵素４２、４３が固定化されたポリイオンコンプレックス４８が固定化されている。このポリイオンコンプレックス４８には、これらの酵素４２、４３に加えて電子メディエーター４５も固定化されている。
この酵素固定化電極は、例えば、アルブミンを含む溶液に電極１１を浸漬するなどして中間層４７を形成し、この中間層４７に分子４９を共有結合させ、その上にポリカチオンおよびポリアニオンと酵素４２、４３と電子メディエーター４５とを混和したものを滴下したり塗布したりした後、乾燥させることにより作製することができる。
このバイオ燃料電池の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。
【００６６】
〈実施例４〉
ＵＶオゾン処理装置により多孔質カーボン電極を活性化し、表面を親水性にした後、約１％程度に濃度調製したアルブミン溶液（ウシ由来）（リン酸緩衝液）一晩室温にて放置した。その後、リン酸緩衝液により多孔質カーボン電極を洗浄し、乾燥することにより、中間層４７としてアルブミンを有する電極１１を作製した。さらに、脂肪基を持ち、タンパク質などアミノ基を持つ化合物に共有結合にて結合することの可能な分子４９を中間層４７を有する電極１１に作用させた。実際には、分子４９として日本油脂社製、商品名SUNBRIGHT OE-040CSを用い、これをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）溶液にて溶解した後、これを１００μＬ、中間層４７としてアルブミンを有する電極１１上に滴下し、1 時間放置した。その後、これをリン酸緩衝液にて洗浄した後、固定化用電極とした。
【００６７】
次に、ＵＶオゾン処理装置により表面を親水化した多孔質カーボン電極と上記の固定化用電極とに従来の電極膜を作製する手法であるポリイオンコンプレックス法を適用した。  この第６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。
【００６８】
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】
【００６９】
【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られる貫通穴を有する電極を示す斜視図および断面図である。
【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用いられる貫通穴を有する電極の具体例を示す平面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例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単極での電気化学的測定の結果を示す略線図である。
【図７】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に用いる貫通穴を有する電極の形成方法の一例を示す断面図である。
【図８】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池において負極として用いられる酵素固定化電極を示す略線図である。
【図９】この発明の実施例１において用いられるリポソームを示す略線図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態によるバイオ燃料電池において負極として用いられる酵素固定化電極を示す略線図である。
【図１１】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池において負極として用いられる酵素固定化電極を示す略線図である。
【図１２】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として用いられる酵素固定化電極を示す略線図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…負極、２…正極、３…プロトン伝導体、１１…電極、２１、２２…Ｔｉ集電体、２３、２４…固定板、２７…負荷、４１…リン脂質二分子膜、４２、４３…酵素、４４…アンカー、４５…電子メディエーター、４６…リポソーム、４７…中間層、４８…ポリイオンコンプレックス、４９…分子
【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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