(57)【要約】【課題】多孔性カーボンを用いて電流密度の高いバイオ燃料電池の電極の製造方法を提供する。【解決手段】多孔性カーボン、溶媒、ポリマーおよび空孔形成材粉末の混合物からなるカーボンインクを作製する工程、該カーボンインクをカーボン基材に塗布する工程、塗布したカーボンインクを乾燥してカーボンマトリックスを形成する工程、形成したカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去して空孔を形成する工程およびカーボン上に酵素を担持する工程を有するポーラス型酵素電極の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性カーボン、溶媒、ポリマーおよび空孔形成材粉末の混合物からなるカーボンインクを作製する工程、該カーボンインクをカーボン基材に塗布する工程、塗布したカーボンインクを乾燥してカーボンマトリックスを形成する工程、形成したカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去して空孔を形成する工程およびカーボン上に酵素を担持する工程を有するポーラス型酵素電極の製造方法。
【請求項２】
空孔形成材粉末が金属粉末であり、ｐＨが１以上８未満の水溶液で金属粉末を溶解除去して空孔を形成する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
カーボンマトリックス中の多孔性カーボンおよびポリマーを溶解せず空孔形成材粉末を溶解する溶液で溶解除去することによって空孔を形成する請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
空孔形成材粉末が、亜鉛粉末又はマグネシウム粉末である請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
空孔形成材粉末（Ｐ）と多孔性カーボン（Ｃ）との割合（Ｐ／Ｃ）が、質量比で０．１〜５である請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バイオ燃料電池のポーラス型酵素電極の製造方法に関し、さらに詳しくは酵素を担持した多孔性カーボン、ポリマーおよびカーボン基材からなる酵素電極に空孔を形成することによって電流密度の高いポーラス型酵素電極の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業用および家庭用の動力源として、化石燃料の燃焼による熱エネルギーと電力エネルギーとが使用されてきた。そして、電力のほとんどは火力発電、原子力発電および水力発電により供給されている。しかし、火力発電は化石燃料の燃焼により電力を得るため二酸化炭素の大量排出を伴い、輸送用機器などの化石燃料の燃焼で排出される二酸化炭素とともに地球規模での温暖化の問題および石炭燃焼による大気汚染という問題がある。また、各国の二酸化炭素の排出限度量を達成するためには火力発電への依存度をこれ以上高めることは困難である。さらに、化石燃料の枯渇および石油の値段の高騰という懸念もあり、火力発電による電力供給は今後徐々に減ることが予想される。
【０００３】
一方、原子力発電はスリーマイル島原子力発電所およびチェルノブィリ原子力発電所の事故後は長期間低迷していたものの、化石燃料による地球温暖化をもたらさない発電として最近は世界的に見直されており、産業構造を支える上では不可欠な発電方法となっている。しかし、ウラン鉱石の獲得競争が世界的に熾烈になっており、過度に原子力発電に期待することはできない。
【０００４】
水力発電は水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であるから環境汚染の問題もなく、また潜在的な危険性も極めて低い発電方法である。しかし、発電量が降雨量などの自然条件に左右されやすく、需要に応じて発電量を制御するのは困難である。さらに、発電用の貯水ダムの建設は河川水を減少させるため、農業用水や飲料水の枯渇など二酸化炭素による地球温暖化や石炭燃焼に伴う環境汚染とは別の深刻な影響を与えることが懸念されている。
【０００５】
このように大規模発電はそれぞれ問題を抱えており、このため、地球温暖化対策のために太陽電池や風力発電、あるいは波力発電など自然のエネルギーを電気エネルギーに転換する小規模発電が開発され実用段階にあるが、太陽電池はその製作にエネルギーとコストが掛かりしかもいずれの発電方法も季節や天候の影響を受けやすいという問題を抱えている。
また、燃料電池の開発研究が行われているが、電気エネルギー源として燃料電池を大規模に採用する場合には触媒として使用されている白金（Ｐｔ）の埋蔵量が少なく枯渇の問題が指摘されている。
【０００６】
一方、生物内で規模は極めて小さいが効率良く発電を行っていることが知られている。この生物内での発電メカニズムを応用したのがバイオ燃料電池であり、地球上に豊富に存在する再生可能なエネルギー源として、ぶどう糖（グルコース）あるいはバイオエタノールのようなアルコールを利用することができる。
このバイオ燃料電池の構造は、電極として、ぶどう糖やアルコールを分解する酵素を固定化した負極および／又は酸素を還元する酵素を固定化した正極をプロトン伝導体を介して装備したものである。
【０００７】
このバイオ燃料電池の仕組みは、負極側で外部からぶどう糖やアルコールを分解する酵素で酸化分解する際に電子とプロトン（Ｈ＋）を取り出し、取り出したプロトンがプロトン伝導体を介して負極側から正極側に移動し、正極側では、酸化剤、例えば空気中の酸素を取り込み、電子と水素イオンによる還元反応によって水が生成され、この一連の電気化学反応を通じて電子が外部回路を移動する際に電気エネルギーが生成されるものである。
このバイオ燃料電池の電極材料として、酵素固定化電極で高い反応効率を得るために高表面積と担持成分を担持可能な大きさの細孔径を有する多孔性カーボンが提案されている（特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２７９５７号公報
【０００９】
上記特許文献１には、アノード電極に燃料分解酵素群、ＮＡＤ（Ｐ）＋とその還元体、ＮＡＤＨデヒドロゲナーゼ及び電子メディエーターをポリアニオン及び／又はポリカチオンにより静電的に固定化して電極を作製する燃料電池の製造方法が記載されており、具体例として、多孔性カーボンを利用した負極とＰｔ／カーボン／Ｎａｆｉｏｎ固定化カーボンペーパーのカソード電極が示されている。また、酵素固定化電極のクロノアンペロメトリー測定による電流密度が１９８３μＡ／ｃｍ２（０．１Ｖ  ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）であることが示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来公知の技術によれば、多孔性カーボンを用いて得られるバイオ燃料電池の電極は電流密度が低く満足のいくものではなかった。
従って、この発明の目的は、電流密度の高いポーラス型酵素電極の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を行った結果、従来の酸素還元酵素を用いたバイオ燃料電池のカソード電極では酸素拡散が十分でないため電極の電流密度が低いことを見出し、さらに検討を行った結果、この発明を完成した。
この発明は、多孔性カーボン、溶媒、ポリマーおよび空孔形成材粉末の混合物からなるカーボンインクを作製する工程、該カーボンインクをカーボン基材に塗布する工程、塗布したカーボンインクを乾燥してカーボンマトリックスを形成する工程、形成したカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去して空孔を形成する工程およびカーボン上に酵素を担持する工程を有するポーラス型酵素電極の製造方法に関する。
この発明において、カーボンマトリックスとは多孔性カーボンとカーボン基材とがポリマーによって一体化したものを意味し、ポリマー以外に空孔形成材粉末を含むものおよび空孔形成材粉末を除去したものが含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、多孔性カーボンを用いて電流密度の高いポーラス型酵素電極を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明における好適な態様を次に示す。
１）空孔形成材粉末が金属粉末であり、ｐＨが１以上８未満の水溶液で金属粉末を溶解除去して空孔を形成する前記の製造方法。
２）カーボンマトリックス中の多孔性カーボンおよびポリマーを溶解せず空孔形成材粉末を溶解する溶液で溶解除去することによって空孔を形成する前記の製造方法。
３）空孔形成材粉末が、亜鉛粉末又はマグネシウム粉末である前記の製造方法。
４）空孔形成材粉末（Ｐ）と多孔性カーボン（Ｃ）との割合（Ｐ／Ｃ）が、質量比で０．１〜５である前記の製造方法。
【００１４】
この発明について、この発明の１実施態様のポーラス型酵素電極の製造工程を示す模式図である図１、従来のポーラス型酵素電極の製造工程を示す模式図である図２および従来の工程による製造法によって作製したポーラス型酵素電極の電流と電位特性を示すグラフである図３を用いて説明する。
図１において、多孔性カーボンの一例であるメソ細孔カーボン、溶媒、ポリマーおよび空孔形成材粉末の一例である亜鉛粉末の混合物からなるカーボンインクを作製する工程１、該カーボンインクをカーボン基材の一例であるカーボンペーパーに塗布する工程２、滴下して塗布したカーボンインクを乾燥してカーボンマトリックス作製する工程３、形成したカーボンマトリックスから空孔形成材粉末の一例である亜鉛粉末を溶解除去して空孔を形成する工程４、および空孔形成材粉末を除去して空孔が形成されたカーボンマトリックスを酵素溶液に浸漬する工程５と純水にて洗浄する工程６からなるカーボン上に酸化還元酵素を担持する一連の工程によって、ポーラス型酵素電極１が得られる。
前記の各工程によって、多孔性カーボン１０の微細孔２に加えて空孔形成材粉末を除いた空孔３が形成される。ポーラス型酵素電極の空孔３内を酸素が通過し得る。
【００１５】
これに対して、従来技術によって得られるポーラス型酵素電極では、図２に示すように前記の工程１における空孔形成材粉末の添加がなく前記の工程４によるカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去する工程を有さない。このため、従来技術によって得られるポーラス型酵素電極では、空孔２が形成されず酵素電極内での酸素に通過が速やかに行われにくい。その結果、図３に示すように、０．５Ｖ以下の電位（ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ）において酸素拡散律速による電流密度飽和が生じ、電流密度が低レベルとなる。
【００１６】
この発明においては、多孔性カーボン、溶媒、ポリマーおよび空孔形成材粉末の混合物からなるカーボンインクを作製する。
前記の多孔性カーボンとしては、ポーラス型酵素電極用に使用される高電導性・高表面積を有する微細粉末カーボン、好適にはメソ細孔カーボン粒子やカーボンゲルが挙げられる。
【００１７】
また、この発明における多孔性カーボンの比表面積は１００ｍ２／ｇ以上、特に５００ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。
さらに、この発明における多孔性カーボンの細孔容量は、平均細孔径および比表面積によっても変動するが、０．１〜２５ｍｌ／ｇ、特に０．２〜１０ｍｌ／ｇ程度であることが好ましい。
また、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、前記の多孔性カーボンの細孔のうちの酵素の分子径以上の細孔径を有する細孔の全容量が、担持される酵素の全体積以上であることが好ましい。
この発明における多孔性カーボンの比表面積、平均細孔径および細孔容量は後述の実施例の欄に詳細に記載された方法によって求められる値である。
【００１８】
このような多孔性カーボンは、それ自体公知の方法によって得ることができる。
例えば、目的の細孔分布（メソポーラス）をもつシリカ、チタニア等の多孔性粒子からなる鋳型にショ糖等の炭素含有分子を吸着・含浸させた後に、不活性雰囲気下で炭素化する。その後、フッ酸や、ＮａＯＨ／ＥｔＯＨ等によりシリカ、チタニア等の鋳型を溶解・除去することによりシリカ、チタニア等の多孔性粒子を鋳型とするメソ細孔カーボン粒子を得ることができる。鋳型となる多孔性粒子として、例えばシリカメソ多孔体のＭＣＭ−４８を使用することが出来る。
あるいは、縮合多環炭化水素、例えばナフタレンを重合して得られるピッチとマグネシア又は炭酸カルシウムの粒子との混合物を加熱して不融化処理した後、１２００℃程度の温度で炭素化処理し、得られた炭素化物を酸洗浄することによって、メソ細孔カーボン粒子を得ることができる。
前記メソ細孔カーボン粒子は粒径が１００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるものが好ましい。
【００１９】
また、レゾルシノール等のフェノール類とホルムアルデヒド等のアルデヒド類をアルカリ触媒又は酸触媒の存在下で反応させて得られるフェノール樹脂を不活性雰囲気下に焼成して炭素化することによって、カーボンゲルを得ることができる。
前記カーボンゲルの平均細孔径は樹脂を製造する際のポリマー溶液を水で希釈する希釈率によって調整することができる。カーボンゲルは、平均粒径が２〜５０ｎｍ、特に４〜２０ｎｍの一次粒子からなるものである。
【００２０】
この発明における溶媒としては、使用する空孔形成材粉末およびポリマーを溶解しないものであれば特に制限はなく、有機溶媒、例えばアセトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール（ｓｅｃ−ブタノール）、２−メチル−１−プロパノール（イソブタノール）、２−メチル−２−プロパノール（ｔｅｒｔ−ブタノール）、トルエンなどを挙げることができる。これらの中から、使用する空孔形成材粉末およびポリマーを溶解しない溶媒を選択することができる。この溶解しないという言葉は、空孔形成材粉末およびポリマーが溶媒と混合され接触している間に変形せず形状が維持されていることを意味する。
【００２１】
前記のポリマーとしては、カーボン材料系の酵素固定化電極に用いられる粉体高分子結着剤、例えばフッ素原子を含むポリマーが挙げられ、例えば、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）など、あるいはこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどの他のモノマーとの共重合体、さらにブレンドなどを挙げることができる。
【００２２】
また、ポリマーとして、プロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーであってもよい。例えば、プロトン交換基の付いたフルオロアルキルエーテル側鎖を有するフルオロアルキル共重合体が挙げられる。
さらに、ポリマーとして、上記のフッ素原子を含むポリマーやプロトン交換基を含むポリマーを共重合あるいはブレンドしてもよく、ポリフッ化ビニリデン、ポリ（ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン）共重合体などとプロトン交換基にフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖を有するポリマーをブレンドしてもよい。
前記のポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が好適である。
【００２３】
この発明における空孔形成材粉末としては、前記溶媒に溶解しない後述のカーボンマトリックスから何らかの手段で除去可能である粉末状物質であり、球状、棒状、フレーク状、不定型など形状にはとらわれない。空孔形成材粉末として、好適には平均粒径が０．０１〜１００μｍ程度、特に０．０１〜５０μｍ程度の金属粉末、その中でもイオン化傾向の高い金属、特に亜鉛粉末又はマグネシウム粉末が挙げられる。
【００２４】
また、空孔形成材粉末（Ｐ）と多孔性カーボン（Ｃ）との割合（Ｐ／Ｃ）は、多孔性カーボンの粒径によっても異なるが、一般的には質量比で０．１〜５であることが好ましく、多孔性カーボンの粒径が１００μｍ以下、特に５０μｍ以下の場合には、質量比で０．１〜５、特に０．１〜３．５であることが好ましい。空孔形成材粉末（Ｐ）の割合が少な過ぎると効果がなく、多過ぎても効果は増加せず却って空孔の数が過大となりカーボンマトリックスの物理的安定性が低下する傾向があり好ましくない。
【００２５】
前記のカーボンインクを作製するための各成分の割合は、多孔性カーボン１ｇに対して、溶媒が２５〜２５００ｍｌ、特に１００〜５００ｍｌ、ポリマーが０．０１〜０．５ｇ、特に０．０２〜０．２ｇ、および空孔形成材粉末が０．２〜１０ｇ、特に１〜１０ｇであることが好ましい。
【００２６】
前記の各成分を混合してカーボンインクを作製することができる。
この発明においては、前記のカーボンインクをカーボン基材に任意の塗布法、例えば滴下、噴霧などによって塗布する。
前記のカーボン基材として、カーボンペーパー、カーボンフェルトおよびカーボンクロスの少なくとも１種、好適にはカーボンペーパーを挙げることができる。カーボン基材の形状については特に制限はないが、好適には１００μｍ〜１ｍｍ程度の厚みのシート状である。
前記のカーボン基材に塗布するカーボンインクの量は、カーボン基材に塗布されない空洞部が形成されない程度の量で好ましく、この塗布量は当業者であれば適宜決定することができる。
【００２７】
この発明において、カーボン基材に塗布したカーボンインクを乾燥してカーボンマトリックスを作製する。
前記のカーボン基材に塗布したカーボンインクを乾燥する条件としては、特に制限はなく大気中又は空気あるいは窒素ガスなどのガスの流通下、常圧又は減圧下に室温以上、溶媒の沸点以下の温度で、溶媒が実質的に除かれる時間、乾燥することによってカーボンインク中の溶媒を蒸発除去することが好ましい。
【００２８】
この発明においては、形成したカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去して空孔を形成する。
この空孔形成材粉末を除去する方法として、空孔形成材粉末の種類によって任意の適した手段が考えられるが、例えばカーボンマトリックス中の多孔性カーボンおよびポリマーを溶解せず空孔形成材粉末を溶解する溶媒溶液で溶解除去することによって空孔を形成する方法が好適である。あるいは、空孔形成材粉末と反応性の物質を供給した後、生成した空孔形成材粉末と反応性の物質との反応生成物を可溶性溶媒で溶解除去することによって空孔を形成してもよい。
【００２９】
この発明においては、多孔性カーボンがダメージを受けないために空孔形成材粉末が金属粉末であり、空孔をｐＨが１以上８未満の水溶液で金属粉末を溶解除去して形成する方法が好適である。
特に、空孔形成材粉末がイオン化傾向の高い金属、その中でも亜鉛粉末又はマグネシウム粉末であり、ｐＨが１以上８未満の水溶液で金属粉末を溶解除去して形成する方法が比較的温和な条件で溶解除去工程を実施可能であり好適である。ｐＨが８以上では、金属酸化物が不動態化し除去困難となる。
前記のｐＨが１以上８未満の水溶液はそれ自体公知の方法によって調製することができる。例えば、少量の酸あるいは極少量のアルカリを水に加えることによって容易に得ることができる。
【００３０】
この発明においては、前記の工程によって空孔形成材粉末が除去されたカーボンマトリックスのカーボン上に酵素を担持することによってポーラス型酵素電極を得る。
前記の酵素としては、カソード電極（正極）に担持し得る任意の酵素を挙げることができる。前記の酵素として、酸素を還元し電子を受け取ることができる酵素、すなわち酸素還元酵素であれば特に制限はなく、プロトンと酸素を基質にして水を生ずる反応を触媒することが可能なオキシドレダクターゼ、例えばビリルビンオキシターゼ、ラッカーゼ、オキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどが挙げられる。また、カソード電極には、酵素に加えて酵素と電極との間の電子の受け渡しを効率的に行うために任意の電子伝達メディエーター、例えばビリルビン、ＡＢＴＳ［２，２’−アジノビス（３−エチルベンゾチアゾリンー６−スルフォネート）］や、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉなどの金属錯体、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固定してもよい。
【００３１】
また、この発明のポーラス型酵素電極をカソード電極（正極）として使用して燃料電池を得るためには、カソード電極に対してアノード電極（負極）をプロトン伝導体を介して対向させる。
このアノード電極は、例えば多孔性カーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンペーパー電極などのカーボン材料からなる電極、好適には多孔性カーボン電極に酵素を固定して作製する。前記の酵素としては、反応により電子を放出できる酵素であれば特に制限されず供給する原料に応じて対応する酸化酵素を使用することが好ましく、アルコールを原料とするアルコールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、糖を原料とするグルコースオキシダーゼやグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）などの糖オキシダーゼや糖デヒドロゲナーゼ、ギ酸などの有機酸を原料とするギ酸デヒドロゲナーゼなどを挙げることができる。
【００３２】
また、アノード電極におい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使用することができる。補酵素として、例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸塩（ＮＡＤＰ）あるいは還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）を、補酵素酸化酵素として例えばジアホラーゼ（ＤＩ）を使用することができる。アノード電極には、酵素に加えて電子伝達メディエーターを固定してもよい。前記の電子伝達メディエーターとしては特に制限はなく、例えばピロロキノリンキノン（ＰＱＱ）、フェナジンメトスルフェート、ナフトキノン骨格を有する２−メチル−１，４−ナフトキノン、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン、２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノンなどが挙げられる。
【００３３】
前記のカソード電極およびアノード電極のいずれにおいても、多孔性カーボンに酵素を担持するためのそれ自体公知の方法を採用することができ、例えば含浸法、ポリイオンコンプレックス法、昇華法、塗布法、好適には含浸法を採用して電極に酵素を固定することができる。
前記の含浸法としては、例えば、酵素を沈澱が生じない濃度、例えば０．１ｍｇ／ｍｌ〜５００ｍｇ／ｍｌ程度となるように水又は緩衝液に溶解させ、得られた溶液に、溶液が凍結することなく、また酵素が変性することのない温度、好適には０〜５０℃でカーボンマトリックスを少なくとも１０分間以上、好適には１時間以上浸漬させることによってカーボンマトリックスの細孔内のカーボン上に酵素を固定してポーラス型控訴電極を得ることができる。前記の工程によって浸漬させた後に、さらに洗浄溶媒、例えば純水にて洗浄し、乾燥する工程を加えることが好ましい。
【００３４】
この発明の方法によって得られるポーラス型酵素電極によれば、細孔内に酵素が固定され且つ空孔形成材粉末を除去して形成された空孔を有しているため、バイオ燃料電池のカソード電極として使用することによって、電極内への酸素拡散が容易になり、従来公知の酸素電極における酸素拡散律速による低いレベルの電流密度に比べて高いレベルの電流密度が得られる。
【００３５】
この発明の方法によって得られるポーラス型酵素電極（カソード電極）と前記のアノード電極とプロトン伝導体とを使用して、それ自体公知の方法によってバイオ燃料電池を得ることができる。
前記のプロトン伝導体としては、電子伝導性を持たずＨ＋を輸送することが可能な材料で構成され、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合スルホン酸膜、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、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膜などが挙げられる。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Ｎａｆｉｏｎ（商品名、デュポン社製）が用いられる。
【００３６】
バイオ燃料電池は、カソード電極とアノード電極とをプロトン伝導体を介して対向配置し、且つこれらの間にセパレータにより隔離させた構成にする。カソード電極およびアノード電極にそれぞれに集電体、例えばＴｉ集電体を置き、集電を容易に行うことができるようにする。これらの全体を固定板で挟み込み、固定板の一方の面（外側の面）には酸化剤、例えば空気取り込み用の凹部が設けられ、もう一方の固定板の面（外側の面）には燃料装填用の凹部が設けられる。
そして、例えば２つのＴｉ集電体の間に負荷を接続し、固定板の一方の凹部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ことができる。
【００３７】
以下に、実施例および比較例によってこの発明をさらに詳細に説明するが、この発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００３８】
以下の各例において用いた多孔性カーボンの比表面積、平均細孔径および細孔容量を以下の方法によって測定した。
容器に入れた多孔性カーボンを液体窒素温度に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して定容量法又は重量法により吸着量を求める。次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットして窒素吸着等温線を得る。この窒素吸着等温線を用いてＳＰＥ（Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｎｇ  Ｐｏｒｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）法により比表面積、平均細孔径および細孔容量を算出した。
【００３９】
以下の各例において、酵素電極の評価は図４に示す３電極式の電気化学測定装置を用いて行った。また、以下の手順で電気化学測定法によって測定温度：室温にて測定を行って、カーボンマトリックスへの多孔性カーボン固定量を求めた。
（１）電解液に酸素を導入。
（２）カーボンマトリックスを電解液に浸漬し、サイクリックボルタンメトリーを実施して、得られた結果より多孔性カーボン固定量を後述の方法で定量。
（３）電解液にラッカーゼ酵素を添加。
（４）サイクリックボルタンメトリーを実施して、酸素還元電流を求める。
（５）酸素還元電流が飽和するまでサイクリックボルタンメトリーを繰り返す。
（６）図５に酸素還元電流の測定結果の一例を示すサイクリックボルタンメトリーの結果から、カーボンマトリックスの充電、放電による二重層幅（図５中の矢印）および二重層幅と多孔性カーボン固定量との関係をプロットしたグラフ（図６に一例を示す）により多孔性カーボン固定量を定量する。
【００４０】
実施例１
豊田中央研究所社製のメソ細孔カーボン粒子（平均細孔径２０ｎｍ）を粉砕し粒径４０μｍ以下に分級して得られたメソ細孔カーボン粒子１ｍｇに対して、亜鉛粉末３ｍｇ、ＰＶＤＦ０．０５ｍｇ、ＮＭＰ２５０μＬを加えて作製したインクを東レ社製カーボンペーパー（厚さ３７０μｍ）に滴下し、５０℃にて乾燥し、カーボンマトリックスを作製した。
このカーボンマトリックスをｐＨ５の水溶液に浸漬して亜鉛を溶解して除いた後、このカーボンマトリックスを取り出し、ラッカーゼ酵素溶液に浸漬（４℃、一昼夜）した。次いで、カーボンマトリックスを酵素溶液から取り出し、純水で洗浄してポーラス型酵素電極を得た。このポーラス型酵素電極の光顕による観察結果（偏向顕微鏡写真）を図７に示す。
また、このポーラス型酵素電極を用いて測定した電流密度と電位特性の評価結果を図９に示す。
さらに、実施例１と比較例１で測定した電流密度と電位特性の評価結果について多孔性カーボン量を揃えて電流密度を規格化して比較した結果を図１１に示す。
【００４１】
実施例２
メソ細孔カーボン１ｍｇに対して、亜鉛粉末１．５ｍｇ、ＰＶＤＦ０．０５ｍｇ、ＮＭＰ溶媒２５０μＬを加えて作製したインクを東レ社製カーボンペーパー（厚さ３７０μｍ）に滴下し、５０℃にて乾燥して、カーボンマトリックスを作製した。
このカーボンマトリックスを用いた他は実施例１と同様にして、ポーラス型酵素電極を得た。
得られた酵素電極を用いて電流密度と電位特性を評価し、得られた評価結果について多孔性カーボン量を揃えて電流密度を規格化して実施例２の結果とともに図１２に示す。
【００４２】
比較例１
豊田中央研究所社製のメソ細孔カーボン（平均細孔径２０ｎｍ）を粉砕し粒径４０μｍ以下に分級して得られたメソ細孔カーボン１ｍｇに対して、ＰＶＤＦ０．０５ｍｇ、ＮＭＰ２５０μＬを加えてインクを作製した。このインクを東レ社製カーボンペーパー（厚さ３７０μｍ）に滴下し、５０℃にて乾燥して、カーボンマトリックスを作製した。
このカーボンマトリックスをラッカーゼ酵素溶液に浸漬（４℃、一昼夜）した後、カーボンマトリックスを酵素溶液から取り出し、純水で洗浄して酵素電極を作製した。この電極の光顕による観察結果（偏向顕微鏡写真）を図８に示す。
また、酵素電極を用いて測定した電流密度と電位特性の評価結果を図１０に示す。
【００４３】
以上の実施例１〜２の結果と比較例１の結果との比較から、この発明によれば前記の工程による空孔形成材粉末の添加と前記のカーボンマトリックスから空孔形成材粉末を除去することによりポーラス型酵素電極に空孔が形成されるため、空孔形成材粉末の添加がなく空孔が形成されない従来の方法によるポーラス型酵素電極と比べて、大きな電流密度が得られる。これは、ポーラス型酵素電極内での酸素の通過が速やかに行われるため、酸素拡散律速が改善されことによると考えられ、これは図７と図８とのポーラス型酵素電極の光顕による観察結果とも一致している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、この発明の１実施態様のポーラス型酵素電極の製造工程を示す模式図である。
【図２】図２は、従来のポーラス型酵素電極の製造工程を示す模式図である。
【図３】図３は、従来の製造工程によって作製したポーラス型酵素電極の電流密度と電位特性を示すグラフである。
【図４】図４は、ポーラス型酵素電極の評価するための３電極式の電気化学測定装置の概略図である。
【図５】図５は、サイクリックボルタンメトリーによる酸素還元電流の測定結果の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、二重層幅と多孔性カーボン固定量との関係の一例をプロットしたグラフである。
【図７】図７は、実施例１で得られたポーラス型酵素電極の光顕による観察結果（偏向顕微鏡写真）を示す。
【図８】図８は、比較例１で得られたポーラス型酵素電極の光顕による観察結果（偏向顕微鏡写真）を示す。
【図９】図９は、実施例１で得られたポーラス型酵素電極を用いて測定した電流密度と電位特性の評価結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、比較例１で得られたポーラス型酵素電極を用いて測定した電流密度と電位特性の評価結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、実施例１と比較例１で測定した電流密度と電位特性の評価結果について多孔性カーボン量を揃えて電流密度を規格化して比較した結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例１および実施例２で測定した電流密度と電位特性の評価結果について多孔性カーボン量を揃えて電流密度を規格化して比較した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１    ポーラス型酵素電極
２    微細孔
３    空孔
１０    多孔性カーボン
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図７】
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【図８】
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