(57)【要約】【課題】出力の向上を図ることができる燃料電池およびその動作方法を提供する。【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、負極１に酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池において、燃料溶液中にこれらの補酵素および電子メディエーターのうちの少なくとも一方、好ましくは両方を添加する。補酵素は例えばＮＡＤＨ、電子メディエーターは例えばＡＮＱであり、これらを例えばグルコース溶液に添加する。【選択図】図２
2009140760.tif 000002
【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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記燃料溶液中の上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの濃度が５ｍＭ以上２００ｍＭ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】
上記燃料溶液中の上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの濃度が１０ｍＭ以上１２５ｍＭ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】
上記燃料溶液中の上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンの濃度が２ｍＭ以上７０ｍＭ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５】
上記燃料溶液中の上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンの濃度が５ｍＭ以上５０ｍＭ以下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】
上記酵素が、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７】
上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された上記補酵素を酸化体に戻すとともに上記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６記載の燃料電池。
【請求項８】
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７記載の燃料電池。
【請求項９】
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６記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素が、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素と、生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素と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１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池の動作方法であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とする燃料電池の動作方法。
【請求項１３】
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器であって、
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加したものである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１４】
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液または基質溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とする酵素反応利用装置。
【請求項１５】
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置の動作方法であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液または基質溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とする酵素反応利用装置の動作方法。
【請求項１６】
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池の動作方法であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とする燃料電池の動作方法。
【請求項１８】
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加したものである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１９】
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置であって、
燃料溶液または基質溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とする酵素反応利用装置。
【請求項２０】
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置の動作方法であって、
燃料溶液または基質溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とする酵素反応利用装置の動作方法。
【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動作方法ならびに電子機器ならびに酵素反応利用装置およびその動作方法に関し、例えば、酵素を用いたバイオ燃料電池、バイオセンサーおよびバイオリアクターならびにバイオ燃料電池を電源に用いた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。
【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、出力の向上を図ることができる燃料電池およびその動作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。
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、出力などの性能の向上を図ることができる酵素反応利用装置およびその動作方法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、バイオ燃料電池において出力の向上を図る上での一つの問題が、負極として用いられる酵素固定化電極に酵素とともに固定化される補酵素および電子メディエーターが外部に溶出し、酵素固定化電極により得られる電流値が減少することにあるという結論に至った。そして、この知見に基づいて鋭意研究を行った結果、この問題を解消するためには、燃料溶液中に、酵素固定化電極に固定化される補酵素および電子メディエーターの少なくとも一方を添加す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、さらに詳細な検討を鋭意行い、この発明を案出するに至ったものである。この手法は、バイオ燃料電池だけでなく、酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いる各種の酵素反応利用装置に適用可能である。
【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、上記負極に酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加した
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、上記負極に酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池の動作方法であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加する
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、負極に固定化される酵素、補酵素および電子メディエーターは種々のものであってよく、必要に応じて選ばれる。
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還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）（酸化体は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（ＤＩ）が用いられる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、正極に固定化す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。
【００１８】
酵素、補酵素および電子メディエーターを負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、例えば、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、補酵素および電子メディエーターが含まれるようにすることができる。固定化材としては、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を用いてもよく、この固定化材では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。
【００１９】
正極または負極の電極の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。
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。
【００２０】
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、十分な緩衝作用を得ることができ、至適ｐＨからのｐＨ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。緩衝物質としては、２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳ（N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid）、ＢＥＳ（N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic
acid）などを用いてもよい。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
第３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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
燃料溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加したものである
ことを特徴とするものである。
【００２６】
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３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。
【００２７】
第４の発明は、
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置であって、
燃料溶液または基質溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とするものである。
【００２８】
第５の発明は、
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置の動作方法であって、
燃料溶液または基質溶液中に上記補酵素および上記電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とするものである。
【００２９】
第４および第５の発明において、酵素反応利用装置には、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池のほか、バイオセンサー（グルコースセンサーなど）、バイオリアクターなどが含まれ、酵素としては個々の目的に応じたものが用いられる。
第４および第５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。
【００３０】
第６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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とするものである。
【００３１】
第７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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池の動作方法であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とするものである。
【００３２】
第８の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器であって、
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、補酵素および電子メディエーターが固定化されている燃料電池であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加したものである
ことを特徴とするものである。
【００３３】
第９の発明は、
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液または基質溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加した
ことを特徴とするものである。
【００３４】
第１０の発明は、
酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化された電極を用いた酵素反応利用装置の動作方法であって、
上記補酵素が還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、上記電子メディエーターが２−アミノ−１，４−ナフトキノンであり、
燃料溶液または基質溶液中に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび上記２−アミノ−１，４−ナフトキノンのうちの少なくとも一方を添加する
ことを特徴とするものである。
【００３５】
第６〜第１０の発明において、燃料溶液または基質溶液中の還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）および２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）の濃度は適宜選択されるが、前者の濃度は、一般的には５ｍＭ以上２００ｍＭ以下、好適には１０ｍＭ以上１２５ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上５０ｍＭ以下であり、後者の濃度は、一般的には２ｍＭ以上７０ｍＭ以下、好適には５ｍＭ以上５０ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上４０ｍＭ以下である。
第６〜第１０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５の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３６】
上述のように構成されたこの発明においては、燃料溶液または基質溶液中に補酵素および電子メディエーターのうちの少なくとも一方を添加していることにより、負極または電極に固定化された補酵素および電子メディエーターのうちの少なくとも一方は、その添加したものにより補うことが可能となり、酵素反応および負極または電極への電子の伝達を効率良く行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
この発明によれば、酵素反応および負極または電極への電子伝達を効率良く行うことが可能となることにより、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。また、酵素反応利用装置の出力などの性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に渡す電子メディエーター（例えば、ＡＮＱ）とが、固定化材により固定化されて構成されている。固定化材としては、例えば、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や、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などを用いることができる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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やイミダゾール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。
【００４５】
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ＡＮＱである場合が図示されている。
【００４６】
正極２は、多孔質カーボンなどに、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水溶性光硬化性樹脂により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。
【００４７】
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。
【００４８】
このバイオ燃料電池においては、負極１に供給する燃料溶液中に、負極１に酵素とともに固定化された補酵素および電子メディエーターのうちの少なくとも一方、好適には両方を添加する。これらの補酵素および電子メディエーターの添加量は、必要に応じて選択される。具体例を挙げると、補酵素としてＮＡＤＨを用いる場合には、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度を５ｍＭ以上２００ｍＭ以下、好適には１０ｍＭ以上１２５ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上５０ｍＭ以下とする。また、電子メディエーターとして２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）を用いる場合には、燃料溶液中のＡＮＱ濃度は、一般的には２ｍＭ以上７０ｍＭ以下、好適には５ｍＭ以上５０ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上４０ｍＭ以下とする。
【００４９】
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３Ａ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、プロトン伝導体３（セロハンなど）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３Ｂ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に燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースに加えて補酵素および電子メディエーターを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
【００５０】
次に、負極１に固定化する補酵素および電子メディエーターとしてそれぞれＮＡＤＨおよびＡＮＱを用いた場合の燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度の最適値を調べた結果について説明する。負極１に固定化する酵素としては、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）およびジアホラーゼ（ＤＩ）を用いた。負極１に酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化するための固定化材としては、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および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の二種類を用いた。
【００５１】
まず、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度の最適値について説明する。
以下に述べる方法により酵素、補酵素および電子メディエーター固定化電極を作製し、グルコースを含む燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度を変化させてサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）およびクロノアンペロメトリー（ＣＡ）を行った。
最初に、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、５０ｍＭリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝７．５）と１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝８．０）とを用いた。
【００５２】
・ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（１）
ＤＩ（ＥＣ  １．６．９９．天野エンザイム製）を４７．６ｍｇ秤量し、上記の５０ｍＭリン酸二水素カリウム緩衝溶液２００μＬ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４℃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４℃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１３．１ｍｇ秤量し、上記の１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液２３０μＬ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。
・ＮＡＤＨ緩衝溶液（２）
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を４１ｍｇ秤量し、上記の１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液６４μＬ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６．２ｍｇ秤量し、アセトン溶液６００μＬ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）（シグマアルドリッチ、Ｐ−２６３６、Ｍｗ＝６６Ｋ）を適量秤量し、２．０ｗｔ％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、Ｍｗ＝３０Ｋ）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。
・ＰＬＬ水溶液（６）
ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬ）（シグマアルドリッチ、Ｐ−１５２４、Ｍｗ＝５７４Ｋ）を適量秤量し、１．０ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＬＬ水溶液（（６））とした。
・ＧＡ水溶液（７）
グルタルアルデヒド（ＧＡ）（関東化学、１７０２６−０２、５０％水溶液）を適量秤量し、０．１２５ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＧＡ水溶液（（７））とした。
【００５３】
以下のようにして、ＰＬＬとＰＡＡｃＮａとからなるポリイオンコンプレックスにより酵素、補酵素および電子メディエーター固定化電極を作製した。
上記のようにして作製した溶液（１）〜（３）を下記の量ずつ採取して混合し、この混合液をマイクロシリンジを用いてグラッシーカーボン電極（ＢＡＳ社製、直径３ｍｍの電極部の周囲に厚さ１．５ｍｍのプラスチックが形成された直径６ｍｍのもの）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。
ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：８．０μＬ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（２）：２．０μＬ
ＡＮＱアセトン溶液（３）：１８．７μＬ
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）を下記の量塗布した後、適宜乾燥を行い、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２００μｇで単位面積当たりの質量は２８．３μｇ／ｍｍ2 ）
ＰＡＡｃＮａ水溶液（５）：１２μＬ（ＰＡＡｃＮａの総質量は２．６４μｇで単位面積当たりの質量は３７４ｎｇ／ｍｍ2 ）
こうして作製された酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（電極Ａ）における固定化膜の組成は次のとおりである。
ＧＤＨ：４４３μｇ、ＤＩ：１６０μｇ、ＮＡＤＨ：１．２８ｍｇ、ＡＮＱ：１９５μｇ、２．０％ＰＬＬ：１０μＬ、０．０２２％ＰＡＡｃＮａ：１２μＬ
【００５４】
以下のようにしてＰＬＬとＧＡとを組み合わせた固定化材により酵素、補酵素および電子メディエーター固定化電極を作製した。
上記のようにして作製した溶液（１）〜（３）を下記の量ずつ採取して混合し、この混合液をマイクロシリンジを用いてグラッシーカーボン電極（ＢＡＳ社製、直径３ｍｍの電極部の周囲に厚さ１．５ｍｍのプラスチックが形成された直径６ｍｍのもの）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。
ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：８．０μＬ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（２）：２．０μＬ
ＡＮＱアセトン溶液（３）：１８．７μＬ
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（６）を下記の量塗布した後、適宜乾燥を行い、ＧＡ水溶液（７）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（６）：３０μＬ（ＰＬＬの総質量は３００μｇで単位面積当たりの質量は４２．５μｇ／ｍｍ2 ）
ＧＡ水溶液（７）：１５μＬ（ＧＡの総質量は１８．８μｇで単位面積当たりの質量は２．６５μｇ／ｍｍ2 ）
こうして作製された酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（電極Ｂ）における固定化膜の組成は次のとおりである。
ＧＤＨ：４４３μｇ、ＤＩ：１６０μｇ、ＮＡＤＨ：１．２８ｍｇ、ＡＮＱ：１９５μｇ、１．０％ＰＬＬ：６０μＬ、０．１２５％ＧＡ：１５μＬ
【００５５】
以上のようにして作製した二種類の酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（電極Ａおよび電極Ｂ）を用い、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度を変え、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。燃料溶液は、２．０Ｍのイミダゾールと塩酸（ＨＣｌ）とを混合してｐＨ７に調整したものを緩衝液として用い、これに燃料のグルコースとＮＡＤＨとを溶解させたものを用いた。この燃料溶液中のグルコース濃度は０．４Ｍとした。また、この燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度は０〜２００ｍＭの範囲で変えた。この燃料溶液中のＡＮＱ濃度は０ｍＭである。クロノアンペロメトリーを１時間（３６００秒間）行った後の電流値を測定し、この電流値を燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度に対してプロットしたグラフを図４に示す。図４中、ＧＣ−Ｅ−ＰＬＬ−ＰＡＡｃＮａで示すデータは固定化材がポリイオンコンプレックスである上記の電極Ａを用いた場合のデータであり、Ｎ１、Ｎ２はそれぞれ１回目の測定、２回目の測定を意味し、ＧＣ−Ｅ−ＰＬＬ−ＧＡで示すデータは固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである上記の電極Ｂを用いた場合のデータである。
【００５６】
図４から分かるように、電極Ａ、Ｂとも、ＮＡＤＨ濃度が５ｍＭ以上２００ｍＭ以下、好適には１０ｍＭ以上１２５ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上５０ｍＭ以下である場合に高い電流値が得られるが、固定化材がポリイオンコンプレックスである電極Ａを用いた場合には特にＮＡＤＨ濃度が約２０〜４０ｍＭの場合に極めて高い電流が得られ、固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである電極Ｂを用いた場合には特にＮＡＤＨ濃度が約１０〜４０ｍＭ、中でも約２０ｍＭ付近の場合に極めて高い電流が得られている。また、これらの好ましいＮＡＤＨ濃度の燃料溶液を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー（１０ｍＶ／ｓｅｃ、２サイクル）では良好な結果が得られた。
【００５７】
次に、先に作製した二種類の酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（電極Ａおよび電極Ｂ）を用い、燃料溶液中のＡＮＱ濃度を変え、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。燃料溶液は、２．０Ｍのイミダゾールと塩酸（ＨＣｌ）とを混合してｐＨ７に調整したものを緩衝液として用い、これに燃料のグルコースとＡＮＱとを溶解させたものを用いた。この燃料溶液中のグルコース濃度は０．４Ｍとした。また、この燃料溶液中のＡＮＱ濃度は０〜８０ｍＭの範囲で変えた。この燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度は０ｍＭである。クロノアンペロメトリーを１時間（３６００秒間）行った後の電流値を測定し、この電流値を燃料溶液中のＡＮＱ濃度に対してプロットしたグラフを図５に示す。図５中、ＧＣ−Ｅ−ＰＬＬ−ＰＡＡｃＮａで示すデータは固定化材がポリイオンコンプレックスである上記の電極Ａを用いた場合のデータであり、ＧＣ−Ｅ−ＰＬＬ−ＧＡで示すデータは固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである上記の電極Ｂを用いた場合のデータである。
【００５８】
図５から分かるように、電極Ａ、Ｂとも、概ね、２ｍＭ以上７０ｍＭ以下、好適には５ｍＭ以上５０ｍＭ以下、より好適には１０ｍＭ以上４０ｍＭ以下である場合に高い電流値が得られるが、固定化材がポリイオンコンプレックスである電極Ａを用いた場合には特にＡＮＱ濃度が約１５〜４０ｍＭ、中でも約３０ｍＭの場合に極めて高い電流が得られ、固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである電極Ｂを用いた場合には特にＡＮＱ濃度が約５〜１５ｍＭ、中でも約１０ｍＭ付近の場合に極めて高い電流が得られている。また、これらの好ましいＡＮＱ濃度の燃料溶液を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー（１０ｍＶ／ｓｅｃ、２サイクル）では良好な結果が得られた。
【００５９】
次に、先に作製した二種類の酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極（電極Ａおよび電極Ｂ）を用い、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を以上の実験により得られた最適値（ＮＡＤＨ濃度は２０ｍＭ、ＡＮＱ濃度は３０ｍＭ）に設定し、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。また、この燃料溶液を用いてサイクリックボルタンメトリー（１０ｍＶ／ｍｉｎ、２サイクル）を行った。測定回数は６回とした。ＮＡＤＨおよびＡＮＱとも添加していない燃料溶液を用いて同様なクロノアンペロメトリーおよびサイクリックボルタンメトリーを行った。図６にクロノアンペロメトリーの結果を示す。また、図７にサイクリックボルタンメトリーの結果を示す。
【００６０】
図６より、固定化材がポリイオンコンプレックスである上記の電極Ａを用いた場合および固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである上記の電極Ｂを用いた場合とも、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適値とすることにより、電流値が大幅に向上することが分かる。より詳細には次のとおりである。
図８は、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適値とし、固定化材がポリイオンコンプレックスである上記の電極Ａを用いた場合および固定化材がＰＬＬとＧＡとを組み合わせたものである上記の電極Ｂを用いた場合に得られる電流値（測定回数６回）の平均値およびエラーバーを示したものである。この電流値は、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１時間（３６００秒間）行った後の電流値である。図８から分かるように、燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適値とすることにより、燃料溶液中にＮＡＤＨおよびＡＮＱとも添加しない場合に比べて、電極Ａでは約３倍以上、電極Ｂでは約２倍電流値が増加した。
【００６１】
以上のように、この第１の実施形態によれば、負極１に酵素、補酵素および電子メディエーターが固定化されているバイオ燃料電池の燃料溶液にその補酵素および電子メディエーターのうちの少なくとも一方、好適には両方を添加しているので、電流値（電流密度）およびその維持率が高い、高出力で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。
【００６２】
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。
図９Ａ、ＢおよびＣならびに図１０はこのバイオ燃料電池を示し、図９Ａ、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１０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。
【００６３】
図９Ａ、ＢおよびＣならびに図１０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、プロトン伝導体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、プロトン伝導体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、プロトン伝導体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。
【００６４】
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、プロトン伝導体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。プロトン伝導体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５Ｃおよび図６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１０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。
【００６５】
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。
【００６６】
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１１Ａ〜Ｄに示す。
図１１Ａ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、プロトン伝導体３および負極１を順次重ねる。
【００６７】
一方、図１１Ｂ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、プロトン伝導体３および負極１を挟む。
【００６８】
次に、図１１Ｃ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、プロトン伝導体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、プロトン伝導体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、プロトン伝導体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。
【００６９】
こうして、図１１Ｄ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、プロトン伝導体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１１Ｂに示す工程で燃料タンク５７に注入してもよい。
【００７０】
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からそれぞれプロトン伝導体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。
【００７１】
図１２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。
【００７２】
図１３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。
【００７３】
図１４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。
【００７４】
この第２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、プロトン伝導体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。
【００７５】
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１５に示すように、この第３の実施形態においては、第２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３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２の実施形態と同様である。
この第３の実施形態によれば、第１および第２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４の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。第２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１６ＡおよびＢならびに図１７はこのバイオ燃料電池を示し、図１６Ａはこのバイオ燃料電池の正面図、図１６Ｂはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図１７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。
【００７７】
図１６ＡおよびＢならびに図１７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、プロトン伝導体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、プロトン伝導体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。プロトン伝導体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。
【００７８】
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。
【００７９】
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２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２の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００８０】
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、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。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【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具体的な構成例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用いられる燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度を変えて１時間後の電流値を測定した結果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用いられる燃料溶液中のＡＮＱ濃度を変えて１時間後の電流値を測定した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用いられる燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適化してクロノアンペロメトリーを行った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において用いられる燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適化してサイクリックボルタンメトリーを行った結果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用いられる燃料溶液中のＮＡＤＨ濃度およびＡＮＱ濃度を最適化して１時間後の電流値を測定した結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第２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１０】この発明の第２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１１】この発明の第２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１２】この発明の第２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１３】この発明の第２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１４】この発明の第２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１５】この発明の第３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１６】この発明の第４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１７】この発明の第４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。
【符号の説明】
【００８３】
１…負極、２…正極、３…プロトン伝導体、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
【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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