JP2009140781A - Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment - Google Patents
Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009140781A JP2009140781A JP2007316557A JP2007316557A JP2009140781A JP 2009140781 A JP2009140781 A JP 2009140781A JP 2007316557 A JP2007316557 A JP 2007316557A JP 2007316557 A JP2007316557 A JP 2007316557A JP 2009140781 A JP2009140781 A JP 2009140781A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- enzyme
- hole
- immobilized
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
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。 The present invention relates to a fuel cell, a method for producing the same, an enzyme-immobilized electrode, a method for producing the same, and an electronic device, and more particularly, to a biofuel cell using an enzyme and various electronic devices using the biofuel cell as a power source. Is preferred.
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。 The fuel cell has a structure in which a positive electrode (oxidant electrode) and a negative electrode (fuel electrode) face each other with an electrolyte (proton conductor) interposed therebetween. In the conventional fuel cell, the fuel (hydrogen) supplied to the negative electrode is oxidized and separated into electrons and protons (H + ), the electrons are transferred to the negative electrode, and H + moves through the electrolyte to the positive electrode. In the positive electrode, this H + reacts with oxygen supplied from the outside and electrons sent from the negative electrode through the external circuit to generate H 2 O.
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。 In this way, fuel cells are highly efficient power generators that directly convert the chemical energy of fuel into electrical energy, and the chemical energy of fossil energy such as natural gas, oil, and coal can be used regardless of where and when it is used. Moreover, it can be extracted as electric energy with high conversion efficiency. For this reason, research and development of fuel cells for large-scale power generation has been actively conducted. For example, a fuel cell is mounted on the space shuttle, and it has proven that it can supply water for crew members at the same time as electric power, and that it is a clean power generator.
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。
Furthermore, in recent years, fuel cells having a relatively low operating temperature range from room temperature to about 90 ° C., such as solid polymer fuel cells, have been developed and attracting attention. For this reason, not only large-scale power generation applications but also applications to small systems such as automobile power supplies and portable power supplies such as personal computers and mobile devices are being sought.
Thus, the fuel cell can be used in a wide range of applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and has attracted much attention as a highly efficient power generation device. However, in fuel cells, natural gas, petroleum, coal, etc. are usually used as fuel by converting them into hydrogen gas using a reformer, which consumes limited resources and needs to be heated to a high temperature. There are various problems such as the need for expensive noble metal catalysts such as (Pt). Even when hydrogen gas or methanol is used directly as a fuel, care must be taken when handling it.
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。
Accordingly, attention has been paid to the fact that biological metabolism performed in living organisms is a highly efficient energy conversion mechanism, and proposals have been made to apply this to fuel cells. The biological metabolism here includes respiration, photosynthesis and the like performed in microbial somatic cells. Biological metabolism has the characteristics that the power generation efficiency is extremely high and the reaction proceeds under mild conditions of about room temperature.
For example, respiration takes nutrients such as sugars, fats, and proteins into microorganisms or cells, and these chemical energies are converted into carbon dioxide (glycolytic and citrate (TCA) circuits through multiple enzymatic reaction steps and carbon dioxide (TCA) circuit. In the process of generating CO 2 ), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) is reduced to reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) to convert it into redox energy, that is, electric energy, and further, an electron transfer system In this mechanism, the electric energy of NADH is directly converted into electric energy of proton gradient, and oxygen is reduced to generate water. The electrical energy obtained here produces ATP from adenosine diphosphate (ADP) via adenosine triphosphate (ATP) synthase, and this ATP is used for reactions necessary for the growth of microorganisms and cells. Used. Such energy conversion occurs in the cytosol and mitochondria.
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。)。
In addition, photosynthesis captures light energy and reduces nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) via an electron transfer system to reduce nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), thereby converting it into electrical energy. In the process of conversion, it is a mechanism that oxidizes water to produce oxygen. This electric energy takes in CO 2 and is used for carbon fixation reaction, and is used for carbohydrate synthesis.
As a technique for utilizing the above-described biometabolism for a fuel cell, a microbial cell that obtains an electric current by taking out the electric energy generated in the microorganism through the electron mediator and passing the electrons to the electrode has been reported. (For example, refer to Patent Document 1).
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。
However, since microorganisms and cells have many unnecessary reactions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy, the above method consumes chemical energy for unwanted reactions, resulting in sufficient energy conversion efficiency. Is not demonstrated.
Then, the fuel cell (biofuel cell) which performs only a desired reaction using an enzyme is proposed (for example, refer patent documents 2-11). In this biofuel cell, fuel is decomposed by an enzyme and separated into protons and electrons. As fuel, alcohols such as methanol and ethanol, monosaccharides such as glucose, or polysaccharides such as starch are used. Things are being developed.
In this biofuel cell, a porous carbon electrode is generally used as a negative electrode to which fuel is supplied.
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。
In the above-described biofuel cell, efforts have been made to improve the output. However, at present, the output is not always sufficient, and it is desired to further improve the output.
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is a fuel cell capable of improving output by optimizing the structure of the negative electrode, a method for producing the same, an enzyme-immobilized electrode suitable for use in the negative electrode of the fuel cell, and A manufacturing method and an electronic device using the fuel cell are provided.
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。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have made through-holes or non-through holes in porous electrodes such as porous carbon electrodes as electrodes for immobilizing enzymes in the negative electrode of a biofuel cell. As a result of finding that it is extremely effective to use a hole provided, and confirming its effectiveness through experiments, and conducting various studies based on this knowledge, the present invention has been devised. is there.
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。
That is, in order to solve the above problem, the first invention
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized;
The electrode is a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。
The second invention is
A method for producing a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode face each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized,
It has the process of forming the said electrode which consists of a porous electrode which has an at least 1 through-hole or a non-through-hole.
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。 In the first and second inventions, the through hole is a hole penetrating from one surface of the porous electrode to the other surface, and the non-through hole is formed on one surface of the porous electrode, It is a hole that does not penetrate through the surface. The non-through hole may be formed on one surface of the porous electrode, may be formed on the other surface, or may be formed on both surfaces. The planar shape and cross-sectional shape of the through-hole or non-through-hole are not particularly limited and are appropriately selected. Examples of the planar shape include a circle, an ellipse, a polygon (triangle, quadrangle (square, rectangle), pentagon, six A square, a rectangle, a trapezoid, etc., a shape obtained by deforming all or a part thereof, or a combination of these shapes. Different shapes can be used. The porous electrode typically has a plurality of through holes or non-through holes separated from each other, and these through holes and non-through holes may be mixed. The plurality of through holes or non-through holes are typically provided in a two-dimensional array (for example, a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, etc.), but are not limited thereto. Generally, it can arrange | position regularly or irregularly in the arbitrary parts of a porous electrode. The diameter of the through hole or non-through hole (when the planar shape of the through hole or non-through hole is a circle, the diameter of the through hole or other shape means the maximum dimension of the planar shape) and the interval (pitch) are appropriately selected The diameter and / or spacing may vary depending on the location of the porous electrode, but is generally on the order of millimeters or submillimeters, and preferably the diameter is 1 mm or less, for example 0.4 mm or more and 1 mm or less, The interval is 2 mm or less. A porous carbon electrode is typically used as the porous electrode, but is not limited thereto. The thickness of the porous electrode is appropriately selected. Regardless of the method of forming this porous electrode, a through hole or a non-through hole may be formed in a plate-like porous electrode by a conventionally known method, or a porous material having a through hole or a non-through hole by an injection molding method. A quality electrode may be formed directly.
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。 Similarly to the negative electrode, the positive electrode may be formed of an electrode on which an enzyme is immobilized, and a porous electrode having at least one through hole or non-through hole may be used as this electrode. Various materials can be used as the electrode material of the positive electrode. For example, carbon-based materials such as porous carbon, carbon pellets, carbon felt, and carbon paper are used. Preferably, an electron mediator is also immobilized on the positive electrode and / or the negative electrode in addition to the enzyme, and further, a coenzyme is also immobilized on the positive electrode and / or the negative electrode, if necessary, in addition to the enzyme and the electron mediator.
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。 As an immobilizing material for immobilizing an enzyme or the like on the positive electrode and / or the negative electrode, basically any material may be used, and a conventionally known material such as a polyion complex may be used. As the polyion complex, conventionally known ones can be used, and are selected as necessary. For example, polycations such as poly-L-lysine (PLL) or salts thereof and polyacrylic acid (for example, poly A polyion complex formed using a polyanion such as sodium acrylate (PAAcNa)) or a salt thereof can be used.
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。
Various fuels can be used, and are selected as necessary. Typical examples include methanol, ethanol, monosaccharides, polysaccharides, fats, and the like. When monosaccharides, polysaccharides and the like are used as fuel, they are typically used in the form of a fuel solution in which these are dissolved in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer or a Tris buffer.
For example, when a monosaccharide such as glucose is used as the fuel, preferably, in the enzyme-immobilized electrode used as the negative electrode, as the enzyme, an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of the monosaccharide and a reduction by the oxidase And the coenzyme oxidase that returns the coenzyme to the oxidized form is immobilized. By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when the coenzyme returns to the oxidized form, and the electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the electrode via the electron mediator. For example, NAD + dependent glucose dehydrogenase (GDH) is used as an oxidase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) or nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) is used as a coenzyme, and coenzyme oxidase is used as a coenzyme oxidase. For example, diaphorase (DI) is used.
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。 Basically, any electron mediator may be used, but a compound having a quinone skeleton, particularly, a compound having a naphthoquinone skeleton is preferably used. As the compound having a naphthoquinone skeleton, various naphthoquinone derivatives can be used. Specifically, for example, 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1 , 4-naphthoquinone (AMNQ), 2-methyl-1,4-naphthoquinone (VK3), 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), vitamin K1, and the like are used. As a compound having a quinone skeleton, for example, anthraquinone or a derivative thereof can be used in addition to a compound having a naphthoquinone skeleton. In addition to the compound having a quinone skeleton, the electron mediator may contain one or two or more other compounds that function as an electron mediator, if necessary.
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。 When using polysaccharides (a broadly defined polysaccharide, which refers to all carbohydrates that produce two or more monosaccharides by hydrolysis, including oligosaccharides such as disaccharides, trisaccharides, and tetrasaccharides) as fuel, Preferably, in addition to the above-mentioned oxidase, coenzyme oxidase, coenzyme and electron mediator, a degradation enzyme that promotes degradation such as hydrolysis of polysaccharides and produces monosaccharides such as glucose is also immobilized. . Specific examples of the polysaccharide include starch, amylose, amylopectin, glycogen, cellulose, maltose, sucrose, and lactose. These are a combination of two or more monosaccharides, and any polysaccharide contains glucose as a monosaccharide of the binding unit. Note that amylose and amylopectin are components contained in starch, and starch is a mixture of amylose and amylopectin. When glucoamylase is used as a polysaccharide degrading enzyme and glucose dehydrogenase is used as an oxidase degrading monosaccharides, polysaccharides that can be decomposed to glucose by glucoamylase, such as starch, amylose, amylopectin, glycogen As long as it contains any one of maltose, it is possible to generate electricity using this as fuel. Glucoamylase is a degrading enzyme that hydrolyzes α-glucan such as starch to produce glucose, and glucose dehydrogenase is an oxidase that oxidizes β-D-glucose to D-glucono-δ-lactone.
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。 In a fuel cell using cellulase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, cellulose that can be decomposed into glucose by cellulase can be used as a fuel. More specifically, the cellulase may be any of cellulase (EC 3.2.1.4), exocellobiohydrase (EC 3.2.1.91), β-glucosidase (EC 3.2.1.21) and the like. Or at least one kind. In addition, glucoamylase and cellulase may be mixed and used as the degrading enzyme. In this case, most of the polysaccharides produced in nature can be decomposed, so those containing a large amount of these, for example, garbage Etc. can be used as fuel.
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。
In a fuel cell using α-glucosidase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, maltose that is decomposed into glucose by α-glucosidase can be used as a fuel.
In a fuel cell using sucrose as a decomposing enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, sucrose that is decomposed into glucose and fructose by sucrose can be used as a fuel. More specifically, sucrase is α-glucosidase (EC 3.2.1.20), sucrose-α-glucosidase (EC 3.2.1.48), β-fructofuranosidase (EC 3.2.1. 26) or the like.
In a fuel cell using β-galactosidase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, lactose that is decomposed into glucose and galactose by β-galactosidase can be used as a fuel.
If necessary, these polysaccharides serving as fuel may also be immobilized on the negative electrode.
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。 In particular, in a fuel cell using starch as a fuel, a gelatinized solid fuel obtained by gelatinizing starch can also be used. In this case, the gelatinized starch can be brought into contact with a negative electrode on which an enzyme or the like is immobilized, or can be immobilized on the negative electrode together with the enzyme or the like. When such an electrode is used, the starch concentration on the negative electrode surface can be maintained at a higher level than when starch dissolved in the solution is used, the enzymatic degradation reaction becomes faster, and the output is improved. The fuel handling is easier than in the case of a solution, the fuel supply system can be simplified, and the fuel cell does not need to be used upside down, which is very advantageous when used in a mobile device.
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。 In one example, the negative electrode is 2-methyl-1,4-naphthoquinone (VK3) as an electron mediator, reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, glucose dehydrogenase and coenzyme oxidase as oxidases The diaphorase as is immobilized, and preferably 1.0 (mol): 0.33-1.0 (mol): (1.8-3.6) × 10 6 (U): (0. It is fixed at a ratio of 85 to 1.7) × 10 7 (U). However, U (unit) is an index indicating enzyme activity, and indicates the degree to which 1 μmol of substrate reacts per minute at a certain temperature and pH.
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。 On the other hand, when an enzyme is immobilized on the positive electrode, this enzyme typically contains an oxygen reductase. As this oxygen reductase, for example, bilirubin oxidase, laccase, ascorbate oxidase and the like can be used. In this case, an electron mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme. As the electron mediator, for example, potassium hexacyanoferrate or potassium octacyanotungstate is used. The electron mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.
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。 Various proton conductors can be used and are selected as necessary. Specifically, for example, cellophane, perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) -based resin film, and trifluorostyrene derivative can be used together. Polymer film, polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, aromatic polyetherketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer) And an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.).
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。 When an electrolyte containing a buffer substance (buffer solution) is used as the proton conductor, sufficient buffer capacity can be obtained during high output operation, and the ability inherent to the enzyme can be fully demonstrated. Therefore, it is effective that the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less, More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less. Buffer substances, in general, as long as a pK a of 5 to 9, may it be used What Specific examples and, dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 - ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), hydrogen citrate Ions, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2-aminoethanesulfonic acid ( ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N′-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethylpiperazine- '-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviation tricine), glycylglycine, N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine (abbreviation bicine), etc. . Examples of the substance that generates dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 − ) include sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ). As the buffer substance, a compound containing an imidazole ring is also preferable. Specifically, the compound containing an imidazole ring includes imidazole, triazole, pyridine derivative, bipyridine derivative, imidazole derivative (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole- 2-carboxylate ethyl, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N- Acetylimidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-merca Ptobenzimidazole, benzimidazole, 1-benzylimidazole, 1-butylimidazole) and the like. The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14.
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。 This fuel cell can be used for almost anything that requires electric power, and can be of any size. For example, electronic devices, mobile objects (automobiles, motorcycles, aircraft, rockets, spacecrafts, etc.), power units, construction machinery, It can be used for machine tools, power generation systems, cogeneration systems, etc. The output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.
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。
The third invention is
An enzyme-immobilized electrode comprising an enzyme-immobilized electrode,
The electrode is a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
The fourth invention is:
A method for producing an enzyme-immobilized electrode comprising an electrode on which an enzyme is immobilized,
It has the process of forming the said electrode which consists of a porous electrode which has an at least 1 through-hole or a non-through-hole.
In the third and fourth inventions, what has been described in relation to the first and second inventions holds true for matters other than those described above.
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。
The fifth invention is:
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized;
The electrode is made of a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。
Electronic devices may be basically any type, and include both portable and stationary devices. Specific examples include cell phones, mobile devices (portable information terminals). (PDA, etc.), robots, personal computers (including both desktop and notebook computers), game machines, camera-integrated VTRs (video tape recorders), in-vehicle devices, home appliances, industrial products, and the like.
In the fifth invention, what has been described in relation to the first and second inventions holds true for matters other than those described above.
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。 In the present invention configured as described above, by using a porous electrode having at least one through hole or non-through hole as a negative electrode, fuel supplied to the negative electrode is added to the outer surface of the porous electrode. Since the inner surface of the through hole or the non-through hole is also contacted, the contact area of the fuel with respect to the porous electrode can be increased as compared with the case where the through hole or the non-through hole is not provided. For this reason, the fuel in contact with the porous electrode is efficiently transported to the inside through the void inside the porous electrode, so that the fuel easily spreads over the entire porous electrode. That is, when the porous electrode has through holes or non-through holes, diffusion of fuel supplied to the negative electrode into the porous electrode is promoted. As a result, the fuel is efficiently supplied to the vicinity of the enzyme immobilized on the entire surface of the porous electrode including the surface of the void inside the porous electrode, and the fuel is decomposed by the catalytic reaction by the enzyme. Is promoted. In particular, when the material supply (fuel supply) to the negative electrode is ruled in the battery reaction, in other words, when the enzyme-catalyzed reaction at the negative electrode is dominant, a porous electrode having a through hole or a non-through hole is used for the negative electrode. Is valid. In general, when the concentration of the fuel increases, the viscosity increases and the fuel does not easily permeate into the porous electrode. Therefore, the substance supply rule tends to be stronger, but the porous electrode having a through hole or a non-through hole. By using for the negative electrode, the influence of the viscosity of the fuel can be avoided.
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。 According to this invention, the output of the fuel cell can be improved by optimizing the structure of the negative electrode. By using such a high-output fuel cell, a high-performance electronic device or the like can be realized.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 schematically shows a biofuel cell according to a first embodiment of the present invention. In this biofuel cell, glucose is used as the fuel. FIG. 2 schematically shows details of the configuration of the negative electrode of the biofuel cell, an example of an enzyme group immobilized on the negative electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group.
As shown in FIG. 1, this biofuel cell has a structure in which a
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。
The
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。
3A and B show the detailed structure of the
4A, B, C, and D show specific examples of the through
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。
As an enzyme involved in the degradation of glucose, for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used. In the presence of this oxidase, for example, β-D-glucose can be oxidized to D-glucono-δ-lactone.
Furthermore, this D-glucono-δ-lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH). Can do. That is, D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted from adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate. This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.
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。
In addition to the above decomposition process, glucose can also be decomposed to CO 2 by utilizing sugar metabolism. The decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.
The oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, NAD + is used as the coenzyme. That is, when β-D-glucose is oxidized to D-glucono-δ-lactone by the action of GDH, NAD + is reduced to NADH to generate H + .
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。
The produced NADH is immediately oxidized to NAD + in the presence of diaphorase (DI), generating two electrons and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per glucose molecule. In the two-stage oxidation reaction, a total of four electrons and four H + are generated.
Electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the
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。
The above enzyme, coenzyme, and electron mediator use an electrolyte layer containing a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution as the
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。
In FIG. 2, for example, glucose dehydrogenase (GDH) is an enzyme involved in the degradation of glucose, NAD + is a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process, and a reductant of coenzyme. The case where the coenzyme oxidase that oxidizes a certain NADH is diaphorase (DI), and the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the
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。
The
In the
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。
The
In the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the
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。
Next, a specific structural example of the biofuel cell will be described.
As shown in FIGS. 5A and 5B, this biofuel cell has a configuration in which a
As shown in FIG. 5B, a
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。
As shown in FIG. 4B, an enzyme-immobilized electrode was prepared using an
The enzyme, coenzyme and electron mediator were immobilized on these enzyme-immobilized electrodes as follows.
First, various solutions were prepared as follows. As a buffer solution for preparing the solution, a 100 mM sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) buffer solution (IS = 0.3, pH = 7.0) was used.
・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。
GDH / DI enzyme buffer solution ((1))
10 to 100 mg of DI (EC 1.6.99, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 0.2 mL of the above buffer solution (solution (1) ′). The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated at 8 ° C. or lower until immediately before, and the enzyme buffer solution is preferably refrigerated at 8 ° C. or lower as much as possible. 5-30 mg of GDH (NAD-dependent, EC 1.1.1.17, Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 0.3 mL of the above buffer solution. 20 μL of the solution (1) ′ was added to this solution and mixed well to obtain a GDH / DI enzyme buffer solution ((1)).
・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。
-NADH buffer solution ((2))
50-100 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 0.1 mL of buffer solution to obtain NADH buffer solution ((2)).
・ ANQ acetone solution ((3))
50-100 mg of 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ) (synthetic product) was weighed and dissolved in 1 mL of an acetone solution to obtain an ANQ acetone solution ((3)).
・ PLL aqueous solution ((4))
An appropriate amount of poly-L-lysine hydrobromide (PLL) (manufactured by Wako, 164-16961) was weighed and dissolved in ion-exchanged water so as to be 2 wt% to obtain a PLL aqueous solution ((4)).
-PAAcNa aqueous solution ((5))
Sodium polyacrylate (PAAcNa) (manufactured by Aldrich, 041-00595) was weighed in an appropriate amount and dissolved in ion-exchanged water so as to be 0.022 wt% to obtain a PAAcNa aqueous solution ((5)).
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 )
The solutions (1) to (3) prepared as described above were mixed at a ratio of GDH / DI enzyme buffer solution (1): NADH buffer solution (2): ANQ acetone solution (3) = 4: 1: 10. Then, the volume of the mixed solution is changed to five levels of 25 μL, 50 μL, 75 μL, 100 μL, and 125 μL, and these mixed solutions are applied onto the above-described
After applying the following amounts of PLL aqueous solution (4) and PAAcNa aqueous solution (5) on the above enzyme / coenzyme / electron mediator-coated electrode, drying was performed as appropriate to prepare an enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode. .
PLL aqueous solution (4): 10 μL (total mass of PLL is 0.2 mg and mass per unit area is 7.1 × 10 −3 mg / mm 2 )
PAAcNa aqueous solution (5): 12 μL (total mass of PAAcNa is 0.003 mg and mass per unit area is 1.1 × 10 −4 mg / mm 2 )
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。
Electrochemical measurement was performed in a glucose solution using these enzyme-immobilized electrodes. The glucose concentration was 400 mM. The measurement result of the current after 1 hour (3600 seconds) is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the enzyme-immobilized electrode using the
In addition, using these enzyme-immobilized electrodes, chronoamperometry was performed by setting the reference electrode Ag | AgCl to 0.1 V, which is sufficiently higher than the redox potential of the electron mediator. As the measurement solution, a solution in which glucose of fuel was dissolved in 2M imidazole buffer (pH 7.0) so as to have concentrations of 200 mM, 400 mM, 600 mM, and 800 mM was used. Table 1 shows the results of measuring the current density after 600 seconds and 3600 seconds of chronoamperometry. However, Table 1 shows the current density as a ratio.
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。
As can be seen from Table 1, the current density maintenance rate after 1 hour is high even when the fuel with any glucose concentration is used, especially when the glucose concentration is as high as 400 mM, 600 mM, and 800 mM. It is extremely high as 80% or more. In this way, when the glucose concentration is high, the viscosity of the measurement solution becomes considerably high, but a high current density maintenance rate can be obtained because the
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。
The method of forming the
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。
As described above, according to the first embodiment, the
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。
Next explained is a biofuel cell according to the second embodiment of the invention.
In this biofuel cell, starch, which is a polysaccharide, is used as a fuel. In addition, with the use of starch as a fuel, glucoamylase, which is a degrading enzyme that decomposes starch into glucose, is also immobilized on the
In this biofuel cell, when starch is supplied to the
Other than the above, the biofuel cell according to the first embodiment is the same.
According to the second embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the amount of power generation can be increased by using starch as the fuel, compared with the case where glucose is used as the fuel. The advantage that it can be obtained.
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。
Next explained is a biofuel cell according to the third embodiment of the invention.
In this biofuel cell, the enzyme-immobilized electrode shown in FIG. As shown in FIG. 8, in this enzyme-immobilized electrode, a
This enzyme-immobilized electrode can be prepared, for example, by dropping or applying a mixture of phospholipid,
The biofuel cell other than the above is the same as the biofuel cell according to the first embodiment.
〈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。
<Example 1>
Proteins are generally classified into three types: membrane proteins distributed in cell membranes, water-soluble proteins distributed in extracellular and intracellular solutions, and membrane-bound proteins existing in contact with cell membranes. The Of these, membrane proteins and membrane-bound proteins can be easily introduced into liposomes. On the other hand, some of the proteins used for biofuel are often distributed in intracellular and extracellular solutions, and have relatively few fat-soluble sites.
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。
On the other hand, spherical liposomes in the form of phospholipid bilayers are well known as phospholipid aggregates. Membranes constituting a living body are mostly made of liposomes, which are aggregates of these phospholipids, and are very good reaction fields for stably maintaining enzymes and proteins, particularly membrane proteins, with high activity. Therefore, in Example 1, first, a fat-soluble site is introduced into the two types of
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。
Liposomes can have different sizes and shapes depending on the production method. Here, liposomes were produced by an ultrasonic treatment method. As the type of phospholipid, Egg yolk-derived phospholipid was used.
Proteoliposomes in which diaphorase and glucose dehydrogenase are arranged in liposomes are prepared by mixing the liposomes prepared as described above with diaphorase and glucose dehydrogenase into which a lipophilic site is chemically introduced and the
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。
By dropping the proteoliposome prepared as described above onto the
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。
According to the third embodiment, the
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。
Next explained is a biofuel cell according to the fourth embodiment of the invention.
In this biofuel cell, the enzyme-immobilized electrode shown in FIG. As shown in FIG. 10, in this enzyme-immobilized electrode, an
In this enzyme-immobilized electrode, for example, the
The biofuel cell other than the above is the same as the biofuel cell according to the first embodiment.
〈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。
<Example 2>
A porous carbon electrode is used as the
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。
Next, liposomes containing ANQ as the
According to the fourth embodiment, the same advantages as those of the third embodiment can be obtained.
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。
Next explained is a biofuel cell according to the fifth embodiment of the invention.
In this biofuel cell, the enzyme-immobilized electrode shown in FIG. As shown in FIG. 11, in this enzyme-immobilized electrode, an
In this enzyme-immobilized electrode, for example, the
The biofuel cell other than the above is the same as the biofuel cell according to the first embodiment.
〈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。
<Example 3>
A porous carbon electrode is used as the
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。
Next, on the porous carbon electrode having an enzyme as the
According to the fifth embodiment, advantages similar to those of the first embodiment can be obtained.
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。
Next explained is a biofuel cell according to the sixth embodiment of the invention.
In this biofuel cell, the enzyme-immobilized electrode shown in FIG. As shown in FIG. 12, in this enzyme-immobilized electrode, an
In this enzyme-immobilized electrode, for example, the
The biofuel cell other than the above is the same as the biofuel cell according to the first embodiment.
〈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。
<Example 4>
After activating the porous carbon electrode with a UV ozone treatment apparatus to make the surface hydrophilic, the albumin solution (derived from bovine) (phosphate buffer) adjusted to a concentration of about 1% was left overnight at room temperature. Thereafter, the porous carbon electrode was washed with a phosphate buffer and dried to prepare an
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。 Next, a polyion complex method, which is a method for producing a conventional electrode film, was applied to the porous carbon electrode whose surface was hydrophilized by a UV ozone treatment apparatus and the above-described immobilizing electrode. According to the sixth embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained.
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。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
For example, the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like may be used as necessary.
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
DESCRIPTION OF
Claims (11)
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。 A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized;
The fuel cell, wherein the electrode comprises a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。 A method for producing a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode face each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized,
A method for producing a fuel cell, comprising the step of forming the electrode comprising a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。 An enzyme-immobilized electrode comprising an enzyme-immobilized electrode,
The enzyme-immobilized electrode, wherein the electrode comprises a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。 A method for producing an enzyme-immobilized electrode comprising an electrode on which an enzyme is immobilized,
A method for producing an enzyme-immobilized electrode, comprising the step of forming the electrode comprising a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
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。 In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other via a proton conductor, wherein at least the negative electrode is an electrode on which an enzyme is immobilized;
An electronic apparatus, wherein the electrode is a porous electrode having at least one through hole or non-through hole.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007316557A JP2009140781A (en) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007316557A JP2009140781A (en) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009140781A true JP2009140781A (en) | 2009-06-25 |
Family
ID=40871203
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007316557A Pending JP2009140781A (en) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009140781A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101122044B1 (en) | 2010-09-13 | 2012-03-12 | 단국대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell |
WO2012134104A2 (en) * | 2011-03-25 | 2012-10-04 | 단국대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell comprising a microprobe array |
US9166241B2 (en) | 2010-05-17 | 2015-10-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Enzyme electrode, and bio fuel cell equipped therewith |
-
2007
- 2007-12-07 JP JP2007316557A patent/JP2009140781A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9166241B2 (en) | 2010-05-17 | 2015-10-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Enzyme electrode, and bio fuel cell equipped therewith |
KR101122044B1 (en) | 2010-09-13 | 2012-03-12 | 단국대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell |
WO2012134104A2 (en) * | 2011-03-25 | 2012-10-04 | 단국대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell comprising a microprobe array |
WO2012134104A3 (en) * | 2011-03-25 | 2013-01-10 | 단국대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell comprising a microprobe array |
US9431671B2 (en) | 2011-03-25 | 2016-08-30 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Dankook University | Microbial fuel cell comprising a microprobe array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5181526B2 (en) | FUEL CELL, FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, AND ELECTRONIC DEVICE | |
JP5233176B2 (en) | Fuel cells and electronics | |
US9912000B2 (en) | Fuel cell, manufacturing method thereof, electronic apparatus, enzyme-immobilized electrode, manufacturing method thereof, water-repellent agent, and enzyme immobilizing material | |
JP5044932B2 (en) | Fuel cells and electronics | |
US20100047670A1 (en) | Enzyme-immobilized electrode, fuel cell, electronic device, appartus utilizing enzyme reaction, and enzyme-immobilized substrate | |
JP5181576B2 (en) | FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, FUEL CELL, AND ELECTRONIC DEVICE | |
US20110076736A1 (en) | Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic apparatus, enzyme immobilization electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzyme reaction-utilizing apparatus | |
US20090047567A1 (en) | Biofuel cell, method for producing the same, electronic apparatus, enzyme-immobilized electrode, and method for producing the same | |
WO2009113340A1 (en) | Fuel cell and electronic device | |
JP5298479B2 (en) | Fuel cells and electronics | |
WO2010041511A1 (en) | Fuel cell and enzyme electrode | |
WO2009113572A1 (en) | Fuel cell and method for manufacturing the same, enzyme-immobilized electrode and method for producing the same, and electronic device | |
JP5205818B2 (en) | Fuel cells and electronics | |
JP2007280944A (en) | Enzyme immobilization electrode and its manufacturing method, fuel cell and its manufacturing method, electronic apparatus, and manufacturing method of electrode reaction utilization apparatus | |
WO2010041685A1 (en) | Fuel cell, electronic device and buffer solution for fuel cell | |
JP2007103307A (en) | Method of manufacturing fuel cell, fuel cell, method of manufacturing negative electrode for fuel cell, negative electrode for fuel cell, electronic equipment, vehicle, power generating system, co-generation system, method of manufacturing enzyme reaction utilizing device, enzyme reaction utilizing device, method of manufacturing electrode for enzyme reaction utilizing device, electrode for enzyme utilizing device, and immobilization method | |
JP5011691B2 (en) | Fuel cells, electronic devices, mobile objects, power generation systems, and cogeneration systems | |
WO2009139445A1 (en) | Fuel cell, method for production of fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, bioreactor, energy conversion element, and enzymatic reaction-utilizing apparatus | |
JP2009140781A (en) | Fuel cell, its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode, and its manufacturing method, as well as electronic equipment | |
JP2007257983A (en) | Fuel cell and its manufacturing method, negative electrode for fuel cell and its manufacturing method, electronic equipment, electrode reaction utilization device and its manufacturing method, electrode for electrode reaction utilization device and its manufacturing method, high output agent, and mediator diffusion accelerator | |
JP2009048846A (en) | Fuel cell and its manufacturing method, enzyme-immobilized electrode and its manufacturing method, and electronic device | |
JP2009140760A (en) | Fuel cell, its operation method, electronic equipment, device for utilizing enzyme reaction, and its operation method | |
JP2009140814A (en) | Fuel cell and electronic apparatus |