JP5205818B2 - Fuel cells and electronics - Google Patents
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Description
この発明は、正極および負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられる燃料電池およびこの燃料電池を用いる電子機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an enzyme, a microorganism or a cell and an electron mediator are used for at least one of a positive electrode and a negative electrode, and an electronic device using the fuel cell.
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、いろいろと問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。
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 an expensive noble metal catalyst 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トリカルボン酸(TCA)回路を介して二酸化炭素(CO2 )を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+ )を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのNADHの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸(ATP)合成酵素を介して、アデノシン二リン酸(ADP)からATPを生成し、このATPは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
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 to carbon dioxide (glycolytic and tricarboxylic acid (TCA) cycles through a number of enzymatic reaction steps. 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子を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 has been reported in which an electron generated in a microorganism is taken out of the microorganism and an electric current is obtained by passing the electron to an electrode (for example, a patent). Reference 1).
一方、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し、上述の方法では、望まない反応に電気エネルギーが消費されて十分なエネルギー変換効率が発揮されないことから、これを改善すべく、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を用いたものが開発されている。
上述の従来のバイオ燃料電池および微生物電池の正極および負極においては、触媒として用いられる酵素または微生物と電極との間の電子の授受を円滑に行うために、電子メディエーター(電子伝達物質)が用いられる(例えば、特許文献1〜11参照。)。
On the other hand, microorganisms and cells have many unnecessary reactions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy. In the above method, electric energy is consumed for unwanted reactions and sufficient energy conversion efficiency is achieved. Therefore, in order to improve this, a fuel cell (biofuel cell) that performs only a desired reaction using an enzyme has been proposed (see, for example,
In the positive electrode and negative electrode of the above-described conventional biofuel cell and microbial cell, an electron mediator (electron transfer material) is used in order to smoothly exchange electrons between the enzyme or microorganism used as a catalyst and the electrode. (For example, refer patent documents 1-11.).
しかしながら、バイオ燃料電池および微生物電池の正極および負極に電子メディエーターが用いられる場合、正極に用いられる電子メディエーターが負極側に移動し、逆に負極に用いられる電子メディエーターが正極側に移動すると、バイオ燃料電池および微生物電池の出力の低下および電気容量の低下を招くことが知られている。この問題を回避するために、従来、正極および負極に電子メディエーターを固定化することを余儀なくされていたが、電子メディエーターは一般に低分子であることから、溶出を完全に抑え、正極および負極に電子メディエーターが固定化された状態を長時間維持することは容易ではない。このため、バイオ燃料電池および微生物電池の出力の低下および電気容量の低下を十分に抑えることは困難であった。 However, when an electron mediator is used for the positive electrode and the negative electrode of a biofuel cell and a microbial cell, if the electron mediator used for the positive electrode moves to the negative electrode side and conversely the electron mediator used for the negative electrode moves to the positive electrode side, the biofuel It is known to cause a decrease in output and electric capacity of batteries and microbial batteries. Conventionally, in order to avoid this problem, it has been necessary to immobilize an electron mediator on the positive electrode and the negative electrode. However, since the electron mediator is generally a low molecule, elution is completely suppressed, and electrons are connected to the positive electrode and the negative electrode. It is not easy to maintain the state in which the mediator is immobilized for a long time. For this reason, it has been difficult to sufficiently suppress the decrease in output and the decrease in electric capacity of the biofuel cell and the microbial cell.
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極および負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられる場合に、正極および負極の一方から他方に電子メディエーターが移動するのを効果的に防止することができ、出力の低下および電気容量の低下を十分に抑えることができる高性能の燃料電池を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that when an enzyme, a microorganism or a cell and an electron mediator are used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, the effect that the electron mediator moves from one of the positive electrode and the negative electrode to the other is effective. It is an object of the present invention to provide a high-performance fuel cell that can be prevented in an effective manner and can sufficiently suppress a decrease in output and a decrease in electric capacity.
Another problem to be solved by the present invention is to provide an electronic device using the excellent fuel cell as described above.
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、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられる燃料電池において、
上記プロトン伝導体が上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有する
ことを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, the first invention is:
In a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and an enzyme, a microorganism or a cell and an electron mediator are used for at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The proton conductor has a charge having the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator.
典型的には、プロトン伝導体に電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンまたはポリカチオンが含まれることにより、プロトン伝導体が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するが、これに限定されるものではなく、他の方法によりプロトン伝導体が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するようにしてもよい。具体的には、正極および負極の少なくとも一方に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷が負電荷である場合には、負電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンがプロトン伝導体に含まれるようにし、電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷が正電荷である場合には、正電荷を有するポリマー、例えばポリカチオンがプロトン伝導体に含まれるようにする。ポリアニオンとしては、例えば、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であるナフィオン(商品名、米国デュポン社)のほか、重クロム酸イオン(Cr2 O7 2- )、パラモリブデン酸イオン([Mo7 O24]6-)、ポリアクリル酸(例えば、ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))などを用いることができる。ポリカチオンとしては、例えば、ポリ−L−リシン(PLL)などを用いることができる。
好適には、正極および負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが固定化される。固定化には従来公知の種々の方法を用いることができる。
Typically, the proton conductor includes a polymer having a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator, such as a polyanion or polycation, so that the proton conductor is an oxidized or reduced form of the electron mediator. The charge of the proton conductor has the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator by other methods. Good. Specifically, when the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator used for at least one of the positive electrode and the negative electrode is a negative charge, a polymer having a negative charge, such as a polyanion, is included in the proton conductor. When the oxidant or reductant of the electron mediator has a positive charge, a polymer having a positive charge, such as a polycation, is included in the proton conductor. Examples of the polyanion include Nafion (trade name, DuPont, USA), which is an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group, dichromate ion (Cr 2 O 7 2− ), paramolybdate ion ([ Mo 7 O 24 ] 6− ), polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)), or the like can be used. For example, poly-L-lysine (PLL) can be used as the polycation.
Preferably, an enzyme, a microorganism, or a cell and an electron mediator are immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode. Various conventionally known methods can be used for immobilization.
正極および負極の少なくとも一方に用いられ、好適には固定化される酵素、微生物または細胞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、負極に用いられる酵素は、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が用いられる。
The enzyme, microorganism or cell used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, and preferably immobilized, may be various and is selected as necessary.
Specifically, the enzyme used for the negative electrode includes, for example, an oxidase that promotes and decomposes monosaccharides in the case of using a monosaccharide such as glucose as a fuel. A coenzyme oxidase which converts the coenzyme reduced by the enzyme back into an oxidant. 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 the oxidase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) is used as the coenzyme, and diaphorase is used as the coenzyme oxidase.
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。 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 that degrades monosaccharides, polysaccharides that can be degraded 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. Preferably, the degradation enzyme that decomposes the polysaccharide is also immobilized on the negative electrode, and the polysaccharide that will eventually become the fuel is also immobilized on the negative electrode.
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。 Further, when starch is used as fuel, it is possible to use a gelatinized fuel obtained by gelatinizing starch. In this case, it is preferable to use a method in which gelatinized starch is brought into contact with a negative electrode on which an enzyme or the like is immobilized, or is 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 for mobile devices, for example. .
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。 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 2, 4-naphthoquinone (AMNQ), 2-methyl-1,4-naphthoquinone (VK3), 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), 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. As a solvent used when a compound having a quinone skeleton, particularly a compound having a naphthoquinone skeleton, is immobilized on the negative electrode, acetone is preferably used. Thus, by using acetone as a solvent, the solubility of the compound having a quinone skeleton can be increased, and the compound having a quinone skeleton can be efficiently immobilized on the negative electrode. If necessary, the solvent may contain one or two or more other solvents other than acetone.
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、正極に用いられ酵素は、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(BOD)、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。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が溶液中で電離することにより生成される多価アニオンであるヘキサシアノ鉄酸イオン(Fe(CN)6 3-/4- )を用いることができる。 On the other hand, the enzyme used for the positive electrode includes oxygen reductase. As this oxygen reductase, for example, bilirubin oxidase (BOD), laccase, ascorbate oxidase and the like can be used. As the electron mediator, for example, hexacyanoferrate ion (Fe (CN) 6 3− / 4− ), which is a polyvalent anion generated by ionizing potassium hexacyanoferrate in a solution, can be used.
酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極または正極に固定化するための固定化材としては、各種のものを用いることができるが、好適には、ポリ−L−リシン(PLL)をはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸(例えば、ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスを用いることができ、このポリイオンコンプレックスの内部に酵素、補酵素、電子メディエーターなどが含まれるようにすることができる。 Various materials can be used as an immobilizing material for immobilizing an enzyme, a coenzyme, an electron mediator, etc. on the negative electrode or the positive electrode, preferably poly-L-lysine (PLL). A polyion complex formed using a polycation or a salt thereof and a polyanion or a salt thereof such as polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)) can be used, and an enzyme is contained inside the polyion complex. , Coenzymes, electron mediators, and the like can be included.
正極または負極に微生物または細胞を用いる場合、この微生物または細胞としては従来公知のものを用いることができる(例えば、特許文献1参照。)。負極に用いられる微生物または細胞は、電子メディエーターを介して電子を電極に供与する電子供与体としての機能を有するものであればよく、また、正極に用いられる微生物または細胞は、電極からの電子を電子メディエーターを介して受け取る電子受容体としての機能を有するものであればよい。例えば、電子供与体としての機能を有する微生物としては、 Saccharomyces、Hansenula 、Candida 、Micrococcus 、Staphylococcusなどの各属に属する細菌、糸状菌、酵母などの従来公知の各種の微生物のほか、遺伝子操作などにより作製された微生物を用いることもでき、特に制限されない。電子供与体または電子受容体としての機能を有する細胞としては、例えば、Synechococcus sp. 、Anebaena variabilis などの藻類、原生動物、赤血球、白血球、培養細胞、動植物細胞などの各種のものを用いることができ、特に制限されない。 When microorganisms or cells are used for the positive electrode or the negative electrode, conventionally known microorganisms or cells can be used as the microorganisms or cells (for example, see Patent Document 1). Microorganisms or cells used for the negative electrode may have any function as an electron donor that donates electrons to the electrode via an electron mediator. Microorganisms or cells used for the positive electrode may be electrons from the electrode. Any material may be used as long as it has a function as an electron acceptor that is received via an electron mediator. For example, microorganisms having a function as an electron donor include various conventionally known microorganisms such as bacteria belonging to each genus such as Saccharomyces, Hansenula, Candida, Micrococcus, Staphylococcus, filamentous fungi, yeast, and genetic manipulation. The produced microorganism can also be used and is not particularly limited. Examples of cells having a function as an electron donor or electron acceptor include various types of cells such as algae such as Synechococcus sp. And Anebaena variabilis, protozoa, erythrocytes, leukocytes, cultured cells, and animal and plant cells. There is no particular restriction.
プロトン伝導体は、負極において発生したプロトン(H+ )を正極に輸送するものであり、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る。このプロトン伝導体としては通常、電解質が用いられる。この電解質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、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)、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(例えば、ナフィオン(商品名、米国デュポン社))などからなるものが挙げられる。 The proton conductor transports protons (H + ) generated in the negative electrode to the positive electrode, and is made of a material that has no electron conductivity and can transport H + . As the proton conductor, an electrolyte is usually used. Various electrolytes can be used as the electrolyte, and are selected as necessary. Specifically, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film, a copolymer film of a trifluorostyrene derivative, Polybenzimidazole membrane impregnated with phosphoric acid, aromatic polyetherketone sulfonic acid membrane, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer), Examples thereof include an ion exchange resin having a fluorocarbon sulfonic acid group (for example, Nafion (trade name, DuPont, USA)).
上記の電解質には一般に緩衝物質(緩衝液)を含ませる。これは、触媒として用いられる酵素、微生物または細胞が溶液のpHに非常に敏感であることから、緩衝物質により酵素、微生物または細胞が機能しやすいpH付近に制御するためである。この緩衝物質の濃度は、十分に高い緩衝能を得る観点より、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以下である。このように酵素、微生物または細胞の周囲の電解質に含まれる緩衝物質の濃度が0.2M以上2.5M以下であることにより、高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応などにより、プロトンの増減が電極内部または酵素の固定化膜内などで起きても、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、微生物または細胞が本来持っている能力を十分に発揮することができる。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。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。 The above electrolyte generally contains a buffer substance (buffer solution). This is because the enzyme, microorganism or cell used as a catalyst is very sensitive to the pH of the solution, and therefore the buffer is used to control the enzyme, microorganism or cell near the pH at which it is likely to function. The concentration of the buffer substance is preferably 0.2M or more and 2M or less, more preferably 0.4M or more and 2M or less, and further preferably 0.8M or more and 1.2M or less from the viewpoint of obtaining a sufficiently high buffer capacity. It is. In this way, when the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte surrounding the enzyme, microorganism or cell is 0.2 M or more and 2.5 M or less, the increase or decrease of the proton due to the proton-mediated enzyme reaction or the like during high output operation. Even if it occurs inside the electrode or in the immobilized membrane of the enzyme, a sufficient buffering action can be obtained, and the deviation from the optimum pH can be suppressed sufficiently small. You can fully demonstrate your abilities. 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 -Ethyl carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetyl Imidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercapto Benzimidazole, 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.
正極または負極の材料としては、カーボン系材料などの従来公知の材料を用いることができるほか、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることができる。この多孔体導電材料は、多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面に、カーボン系材料を主成分とする材料をコーティングすることにより得ることができる。この多孔体導電材料の骨格を構成する多孔体材料は、多孔率が高くても骨格を安定に維持することができるものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、導電性の有無も問わない。多孔体材料としては、好適には、高多孔率および高導電性を有する材料が用いられる。このような高多孔率および高導電性を有する多孔体材料としては、具体的には、金属材料(金属または合金)や、骨格を強固にした(もろさを改善した)カーボン系材料などを用いることができる。多孔体材料として金属材料を用いる場合、金属材料は溶液のpHや電位などの使用環境との兼ね合いにより状態安定性が異なることから様々な選択肢が考えられるが、例えば、ニッケル、銅、銀、金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などの発泡金属あるいは発泡合金は入手しやすい材料の一つである。多孔体材料としては、上記の金属材料やカーボン系材料以外に樹脂材料(例えば、スポンジ状のもの)を用いることもできる。この多孔体材料の多孔率および孔径(孔の最小径)は、この多孔体材料からなる骨格の表面にコーティングする、カーボン系材料を主成分とする材料の厚さとの兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。この多孔体材料の孔径は一般的には10nm〜1mm、典型的には10nm〜600μmである。一方、骨格の表面を被覆する材料は、導電性を有し、想定される作動電位において安定なものを用いる必要がある。ここでは、このような材料としてカーボン系材料を主成分とする材料を用いる。カーボン系材料は一般に電位窓が広く、しかも化学的に安定なものが多い。このカーボン系材料を主成分とする材料は、具体的には、カーボン系材料のみからなるものと、カーボン系材料を主成分とし、多孔体導電材料に要求される特性などに応じて選ばれる副材料を微量含む材料とがある。後者の材料の具体例を挙げると、カーボン系材料に金属などの高導電性材料を添加することにより電気伝導性を向上させた材料や、カーボン系材料にポリテトラフルオロエチレン系材料などを添加することにより表面撥水性を付与するなど、導電性以外の機能を付与した材料である。カーボン系材料にも様々な種類が存在するが、いかなるカーボン系材料であってもよく、カーボン単体のほか、カーボンに他の元素を添加したものであってもよい。このカーボン系材料は、特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい。このカーボン系材料としては、具体的には、例えば、KB(ケッチェンブラック)などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などを用いることができる。このカーボン系材料を主成分とする材料のコーティング方法は、必要に応じて適当な結着剤を用いるなどして多孔体材料からなる骨格の表面にコーティング可能であれば、いかなるコーティング方法を用いてもよい。この多孔体導電材料の孔径は、その孔を通して基質などを含む溶液が容易に出入り可能な程度の大きさに選ばれ、一般的には9nm〜1mm、より一般的には1μm〜1mm、さらに一般的には1〜600μmである。多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面がカーボン系材料を主成分とする材料により被覆された状態、あるいは、多孔質材料からなる骨格の少なくとも一部の表面をカーボン系材料を主成分とする材料によりコーティングした状態では、孔が全て互いに連通し、あるいは、カーボン系材料を主成分とする材料による目詰まりが発生しないようにするのが望ましい。 As a material of the positive electrode or the negative electrode, a conventionally known material such as a carbon-based material can be used, and a skeleton composed of a porous material and a carbon-based material covering at least a part of the surface of the skeleton are mainly used. It is possible to use a porous conductive material including the material described above. This porous conductive material can be obtained by coating at least a part of the surface of the skeleton made of the porous material with a material mainly composed of a carbon-based material. The porous material constituting the skeleton of the porous conductive material may be basically any material as long as the skeleton can be stably maintained even if the porosity is high. It does not matter whether or not there is sex. As the porous material, a material having high porosity and high conductivity is preferably used. Specifically, as such a porous material having a high porosity and high conductivity, a metal material (metal or alloy), a carbon-based material with a strong skeleton (improved brittleness), or the like is used. Can do. When a metal material is used as the porous material, various options are conceivable because the metal material has different state stability depending on the usage environment such as pH and potential of the solution. For example, nickel, copper, silver, gold A foam metal such as nickel-chromium alloy and stainless steel or a foam alloy is one of the easily available materials. As the porous material, a resin material (for example, a sponge-like material) can be used in addition to the metal material and the carbon-based material. The porosity and pore diameter (minimum pore diameter) of this porous material are in balance with the thickness of the material mainly composed of a carbon-based material that is coated on the surface of the skeleton made of this porous material. Is determined according to the required porosity and pore diameter. The pore diameter of the porous material is generally 10 nm to 1 mm, typically 10 nm to 600 μm. On the other hand, it is necessary to use a material that covers the surface of the skeleton and has conductivity and is stable at an assumed operating potential. Here, a material mainly composed of a carbon-based material is used as such a material. Carbon-based materials generally have a wide potential window, and many are chemically stable. Specifically, the carbon-based material is mainly composed of a carbon-based material, and the carbon-based material is the main component, and the secondary material is selected according to the characteristics required for the porous conductive material. Some materials contain a small amount of material. Specific examples of the latter material include a material whose electrical conductivity has been improved by adding a metal or other highly conductive material to the carbon-based material, or a polytetrafluoroethylene-based material or the like added to the carbon-based material. Thus, it is a material imparted with a function other than conductivity, such as imparting surface water repellency. There are various types of carbon-based materials, but any carbon-based material may be used. In addition to carbon alone, carbon may be added with other elements. The carbon-based material is particularly preferably a fine powder carbon material having high conductivity and a high surface area. Specific examples of the carbon-based material include materials imparted with high conductivity such as KB (Ketjen Black) and functional carbon materials such as carbon nanotubes and fullerenes. As a coating method of the material mainly composed of the carbon-based material, any coating method can be used as long as the surface of the skeleton made of the porous material can be coated by using an appropriate binder as necessary. Also good. The pore diameter of the porous conductive material is selected to a size that allows a solution containing a substrate or the like to easily enter and exit through the pores, and is generally 9 nm to 1 mm, more typically 1 μm to 1 mm, and more generally Specifically, it is 1 to 600 μm. A state in which at least a part of the surface of the skeleton made of a porous material is coated with a material mainly composed of a carbon-based material, or a surface of at least a part of the skeleton made of a porous material is mainly composed of a carbon-based material In the state coated with the material, it is desirable to prevent all the holes from communicating with each other or clogging with a material mainly composed of a carbon-based material.
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。 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 devices, 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2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、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられる燃料電池において、
上記プロトン伝導体が上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するものである
ことを特徴とするものである。
The second invention is
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
In a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and an enzyme, a microorganism or a cell and an electron mediator are used for at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The proton conductor has a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator.
この電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
第2の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
This electronic device may basically be any type, and includes both portable and stationary types. Specific examples include cell phones, mobile devices, robots, personal computers, and the like. Computers, game devices, in-vehicle devices, home appliances, industrial products, etc.
In the second invention, what has been described in relation to the first invention is valid as long as it is not against the nature thereof.
上述のように構成されたこの発明においては、プロトン伝導体が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有することにより、プロトン伝導体の電荷と電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷との間に斥力が働く。このため、電子メディエーターがプロトン伝導体側に移動しにくくなり、電子メディエーターがプロトン伝導体を透過して反対側に移動するのを効果的に抑えることができる。 In the present invention configured as described above, the proton conductor has the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator, so that the charge of the proton conductor and the oxidized or reduced form of the electron mediator Repulsive force works between the electric charge of For this reason, it becomes difficult for the electron mediator to move to the proton conductor side, and it is possible to effectively suppress the electron mediator from passing through the proton conductor and moving to the opposite side.
この発明によれば、正極および負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられる場合に、正極および負極の一方から他方に電子メディエーターが移動するのを効果的に防止することができ、出力の低下および電気容量の低下を十分に抑えることができ、優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。そして、このように優れた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, when an enzyme, a microorganism, or a cell and an electron mediator are used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, it is possible to effectively prevent the electron mediator from moving from one of the positive electrode and the negative electrode to the other. Therefore, a decrease in output and a decrease in electric capacity can be sufficiently suppressed, and a fuel cell having excellent performance can be obtained. By using such an excellent fuel cell, a high-performance electronic device 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。
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とがプロトンのみ伝導する電解質層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から電解質層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.
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+ 、NADP+ など)と、補酵素の還元体(例えば、NADH、NADPHなど)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とが、例えばポリマーなどからなる固定化材により固定化されて構成されている。
The
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)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) 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 to adenosine triphosphate (ATP) and adenosine diphosphate (ADP) 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+ は電解質層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.
The electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the electrode 11 through the electron mediator, and H + is transported to the
電子メディエーターは電極11との電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の出力電圧は、電子メディエーターの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い出力電圧を得るには、負極1側ではよりネガティブな電位の電子メディエーターを選ぶとよいが、電子メディエーターの酵素に対する反応親和性、電極11との電子交換速度、阻害因子(光、酸素など)に対する構造安定性なども考慮しなければならない。このような観点から、負極1に作用する電子メディエーターとしては、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)やビタミンK3などが好適である。そのほかに、例えばキノン骨格を有する化合物、オスミウム(Os)、ルテニウム(Ru)、鉄(Fe)、コバルト(Co)などの金属錯体、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物なども電子メディエーターとして用いることができる。
The electron mediator transfers electrons to and from the electrode 11, and the output voltage of the fuel cell depends on the redox potential of the electron mediator. That is, in order to obtain a higher output voltage, it is preferable to select an electron mediator having a more negative potential on 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、電解質層3に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なpH、例えばpH7付近に維持されていることが好ましい。このために、この第1の実施形態においては、少なくとも、負極1および正極2に固定化された酵素の周囲の電解質層3には、緩衝液が0.2M以上2.5M以下、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下の濃度含まれている。こうすることで高い緩衝能を得ることができ、燃料電池の高出力動作時においても、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。リン酸緩衝液としては、例えばNaH2 PO4 やKH2 PO4 が用いられる。さらに、イオン強度(I.S.)は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば0.3程度であることが好ましい。ただし、pHおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
The above enzyme, coenzyme, and electron mediator are optimal for the enzyme by using a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution contained in the
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えるために、固定化材を用いて電極11上に固定化されることが好ましい。さらに、燃料を分解する酵素および補酵素も電極11上に固定化することで、負極1の酵素反応系の安定化を図ることができる。このような固定化材としては、例えば、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やポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)とポリ−L−リシン(PLL)とを組み合わせたものを用いてもよいし、これらを単独で用いてもよいし、さらには他のポリマーを用いてもよい。グルタルアルデヒドとポリ−L−リシンとを組み合わせた固定化材を用いることにより、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。具体例を挙げると、グルタルアルデヒド水溶液(0.125%)とポリ−L−リシン水溶液(1%)とを用い、それらの比を1:1、1:2、2:1などとする。
The enzyme, coenzyme, and electron mediator are preferably immobilized on the electrode 11 using an immobilizing material in order to efficiently capture an enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode as an electric signal. Furthermore, the enzyme reaction system of 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 electrode 11 is ACNQ is shown.
正極2は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極上に酸素還元酵素および電極との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターが固定化されたものである。酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)、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。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の電離により生成されるヘキサシアノ鉄酸イオンを用いることができる。この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。
この正極2においては、酸素還元酵素の存在下で、電解質層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
電解質層3は負極1において発生したH+ を正極2に輸送するプロトン伝導体であり、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が、この場合、この電解質層3の少なくとも正極2側の表面は負に帯電しており、負電荷を有する。具体的には、例えば、この電解質層3の少なくとも正極2側の部分の全部または一部に負電荷を有するポリアニオンが含まれ、あるいは電解質層3の全体に負電荷を有するポリアニオンが含まれる。このポリアニオンとしては、例えば、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であるナフィオン(商品名、米国デュポン社)が用いられる。
The
以上のように構成された燃料電池において、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。
In the fuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the
ここで、電解質層3が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有する場合に、この電子メディエーターが電解質層3を透過するのを防止することができることを検証するために行った比較実験の結果について説明する。
まず、市販のグラッシーカーボン(GC)電極(直径3mm)を2本用意し、ともに研磨・洗浄を行った。次に、一方のグラッシーカーボン電極にポリアニオンである市販のナフィオンのエマルジョン(20%)を5μl添加し、乾燥させた。次に、この2本のグラッシーカーボン電極を1mMのヘキサシアノ鉄酸イオン(多価アニオン)水溶液(50mM NaH2 PO4 /NaOH緩衝液、pH7)中に浸し、掃引速度20mVs-1にてサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。その結果を図3Aに示す。図3Bに、図3Aにおける、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極を用いた場合のCV曲線を拡大して示す。図3AおよびBから分かるように、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極では、添加していないグラッシーカーボン電極に対し、電子メディエーターであるヘキサシアノ鉄酸イオンに起因する酸化還元ピーク電流は20分の1以下になった。これは、負電荷を有するポリアニオンであるナフィオンに対し、このナフィオンと同じく負電荷を有する多価アニオンであるヘキサシアノ鉄酸イオンが拡散・透過していないことを示している。
Here, in order to verify that when the
First, two commercially available glassy carbon (GC) electrodes (
次に、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト(TORAY製 B0050)を用い、このカーボンフェルトを1cm角に切り取り、ヘキサシアノ鉄酸イオン(1M)80μlを染み込ませ、乾燥させた。こうして作製した電極を2枚重ねて試験電極とした。図4に示すように、この試験電極15上にフィルム状のセパレータ16(電解質層3に対応するもの)を載せ、このセパレータ16を挟んで試験電極15と対向するように作用極17を設ける。この作用極17としては、市販のカーボンフェルト(TORAY製 B0050)を1cm角に切り取ったものを用いる。そして、セパレータ16および作用極17に、0.4MのNaH2 PO4 (pH7)からなる緩衝液18に電子メディエーターとしてヘキサシアノ鉄酸イオンを溶かしたもの(緩衝液18を入れる容器の図示は省略した)を接触させた。セパレータ16としては、電荷を持たないセロハンと、負電荷を有するポリアニオンであるナフィオン(pH7)とを用いた。ヘキサシアノ鉄酸イオンを溶かした緩衝液18(電解溶液)にセパレータ16を接触させてから5分、1時間、2時間後にサイクリックボルタンメトリーを行うことにより、試験電極15からセパレータ16を透過してきた電子メディエーター、すなわちヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピーク値を比較した。緩衝液18内に対極19および参照電極20を浸漬し、作用極17、対極19および参照電極20に電気化学測定装置(図示せず)を接続した。対極19としてはPt線、参照電極20としてはAg|AgClを用いた。測定は大気圧で行い、測定温度は25℃とした。セパレータ16としてナフィオンを用いた場合の測定結果を図5に示す。また、セパレータ16としてセロハンを用いた場合の測定結果を図6に示す。図5および図6から分かるように、セパレータ16としてセロハンを用いた場合には、測定を開始してから早くも5分後にヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピークが観測され、時間が経過するにつれて酸化還元ピーク値が増加するのに対し、セパレータ16としてナフィオンを用いた場合には、測定を開始してから2時間が経過しても、ヘキサシアノ鉄酸イオンの酸化還元ピークは観測されない。これより、セパレータ16としてセロハンを用いた場合にはこのセパレータ16をヘキサシアノ鉄酸イオンが透過するが、セパレータ16としてナフィオンを用いた場合にはヘキサシアノ鉄酸イオンはこのセパレータ16を透過しないことが確認された。
Next, commercially available carbon felt (BRAY made by TORAY) was used as porous carbon, and this carbon felt was cut into 1 cm square, soaked with 80 μl of hexacyanoferrate ion (1M), and dried. Two electrodes thus produced were used as test electrodes. As shown in FIG. 4, a film-like separator 16 (corresponding to the electrolyte layer 3) is placed on the
次に、負極1として用いる酵素/電子メディエーター固定化電極の単極での電気化学測定を行った結果について説明する。
この酵素/電子メディエーター固定化電極は次のようにして作製した。
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、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。
ジアホラーゼ(DI)(EC1.6.99.−、ユニチカ製、B1D111)を5〜10mg秤量し、緩衝溶液1.0mlに溶解させ、DI酵素緩衝溶液((1))とした。
グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC1.1.1.47、東洋紡製、GLD−311)を10〜15mg秤量し、緩衝溶液1.0mlに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液((2))とした。
上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を30.0〜60.0mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させ、NADH緩衝溶液((3))とした。
ポリ−L−リシン臭化水素酸塩(PLL)(Wako製、164−16961)を適量秤量し、1〜2wt%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。
2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)(合成品)を10〜50mg秤量し、アセトン溶液1mlに溶解させ、ANQアセトン溶液((5))とした。
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、0.01〜0.1wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PAAcNa水溶液((6))とした。
Next, the result of electrochemical measurement at a single electrode of the enzyme / electron mediator immobilized electrode used as the
The enzyme / electron mediator immobilized electrode was prepared as follows.
First, various solutions were prepared as follows. As a buffer solution, a 100 mM sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) buffer solution (IS = 0.3, pH = 7.0) was used.
Diaphorase (DI) (EC1.6.99.-, manufactured by Unitika, B1D111) was weighed 5 to 10 mg and dissolved in 1.0 ml of a buffer solution to obtain a DI enzyme buffer solution ((1)).
Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent type, EC1.1.1.17, manufactured by Toyobo Co., Ltd., GLD-311) was weighed in an amount of 10 to 15 mg, dissolved in 1.0 ml of buffer solution, and GDH enzyme buffer solution ((2)) It was.
The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.
3DH to 60.0 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 ((3)).
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 1 to 2 wt% to obtain a PLL aqueous solution ((4)). .
10-50 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 ((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 0.01 to 0.1 wt% to obtain a PAAcNa aqueous solution ((6)).
上記のようにして作製した各種の溶液を、(5)、(1)、(3)、(2)、(4)、(6)の順に下記に示す量だけ、それぞれマイクロシリンジを用いて多孔質カーボン(東海カーボン製、0.5×0.5cm2 、厚さ2mm)上に塗布した後、適宜乾燥を行い、酵素/電子メディエーター固定化電極を作製した。
DI酵素緩衝溶液(1):10μl
GDH酵素緩衝溶液(2):10μl
NADH緩衝溶液(3):10μl
PLL水溶液(4):10μl
ANQアセトン溶液(5):7μl
PAAcNa水溶液(6):4μl
The various solutions prepared as described above were porous using a microsyringe in the amounts shown below in the order of (5), (1), (3), (2), (4), (6). After coating on quality carbon (made by Tokai Carbon, 0.5 × 0.5 cm 2 ,
DI enzyme buffer solution (1): 10 μl
GDH enzyme buffer solution (2): 10 μl
NADH buffer solution (3): 10 μl
PLL aqueous solution (4): 10 μl
ANQ acetone solution (5): 7 μl
PAAcNa aqueous solution (6): 4 μl
こうして作製した酵素/電子メディエーター固定化電極を表1に示す測定溶液を用い、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。燃料のグルコース濃度はいずれも0.4Mとした。NaH2 PO4 緩衝液の濃度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を図7に示す。また、NaH2 PO4 緩衝液のイオン強度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を図8に示す。 Using the measurement solution shown in Table 1, the enzyme / electron mediator-immobilized electrode thus prepared was set to 0.1 V with respect to the reference electrode Ag | AgCl, a potential sufficiently higher than the redox potential of the electron mediator, and the chronoampero Measurement was performed. The glucose concentration of the fuel was 0.4M. FIG. 7 shows the results of chronoamperometry measured by changing the concentration of NaH 2 PO 4 buffer. Moreover, the result of the chronoamperometry measured by changing the ionic strength of the NaH 2 PO 4 buffer is shown in FIG.
図7および表1から分かるように、NaH2 PO4 濃度が0、すなわち緩衝液を全く添加しない比較例1では、NaH2 PO4 濃度が0.1Mの比較例2と比較すると、初期電流は出るが、1800秒後では電流はほとんど0となってしまう。
また、比較例2と実施例1、2、3とを比較すると、NaH2 PO4 濃度を0.2〜2.5M、取り分け0.4〜2.0Mとすることで電流値が比較例2に比べて数倍以上増加し、特に1Mのときに最大となることが分かる。
一方、比較例3のようにNaH2 PO4 濃度を3Mとすると、得られる電流値は、比較例1と同程度に低下してしまう。
As can be seen from FIG. 7 and Table 1, in Comparative Example 1 where the NaH 2 PO 4 concentration was 0, that is, no buffer solution was added, the initial current was higher than that in Comparative Example 2 where the NaH 2 PO 4 concentration was 0.1M. The current is almost zero after 1800 seconds.
Further, when Comparative Example 2 is compared with Examples 1, 2, and 3, the NaH 2 PO 4 concentration is 0.2 to 2.5 M, and in particular 0.4 to 2.0 M, so that the current value is Comparative Example 2. It can be seen that it increases several times or more, especially at 1M.
On the other hand, when the NaH 2 PO 4 concentration is 3M as in Comparative Example 3, the obtained current value decreases to the same extent as in Comparative Example 1.
また、図8および表1から分かるように、比較例2、4、5で、NaH2 PO4 濃度を0.1Mと一定にし、イオン強度のみを上昇させたときの電流値を比較すると、瞬間の電流値は大きくなるものの、1800秒後の電流は逆に下がる傾向が見られた。
さらに、紫外可視分光(UV−vis)法により酵素活性測定を行った。その結果を図9〜図12に示す。ここで、図9および図10はそれぞれNaH2 PO4 濃度およびイオン強度に対するジアホラーゼ(DI)による反応の反応速度(v0 )の変化を示す。ただし、DIの濃度は2.5nM、ANQの濃度は2.2mM、NADHの濃度は40mMである。また、図11および図12はそれぞれNaH2 PO4 濃度およびイオン強度に対するグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)による反応の反応速度(v0 )の変化を示す。ただし、GDHの濃度は1.59nM、グルコースの濃度は133mM、NADHの濃度は1.50mMである。図9〜図12に示す測定結果によると、NaH2 PO4 濃度上昇に伴う、酵素活性の大きな増大は見られず、逆に若干下がる傾向が見られた。このことから、NaH2 PO4 濃度上昇に伴う電流値の上昇は、電極内部あるいは固定化膜内のpH変化の抑制効果のためであると考えることができる。
Further, as can be seen from FIG. 8 and Table 1, in Comparative Examples 2, 4, and 5, when the NaH 2 PO 4 concentration was kept constant at 0.1 M and only the ionic strength was increased, However, the current after 1800 seconds tended to decrease.
Furthermore, enzyme activity was measured by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis) method. The results are shown in FIGS. Here, FIGS. 9 and 10 show changes in the reaction rate (v 0 ) of the reaction by diaphorase (DI) with respect to the NaH 2 PO 4 concentration and ionic strength, respectively. However, the concentration of DI is 2.5 nM, the concentration of ANQ is 2.2 mM, and the concentration of NADH is 40 mM. FIG. 11 and FIG. 12 show changes in the reaction rate (v 0 ) of the reaction by glucose dehydrogenase (GDH) with respect to the NaH 2 PO 4 concentration and ionic strength, respectively. However, the concentration of GDH is 1.59 nM, the concentration of glucose is 133 mM, and the concentration of NADH is 1.50 mM. According to the measurement results shown in FIGS. 9 to 12, there was no significant increase in enzyme activity accompanying the increase in NaH 2 PO 4 concentration, but there was a tendency to decrease slightly. From this, it can be considered that the increase in the current value accompanying the increase in the NaH 2 PO 4 concentration is due to the effect of suppressing the pH change inside the electrode or the immobilized film.
一方、正極2に酸素還元酵素としてビリルビンオキシダーゼ(BOD)を固定化した場合においても、NaH2 PO4 濃度上昇に伴う、電流値の維持向上が見られた。図13および図14に、この場合にUV−vis法により酵素活性測定を行った結果を示す。ここで、図13および図14はそれぞれNaH2 PO4 濃度およびイオン強度に対するBODによる反応の反応速度(v0 )の変化を示す。ただし、BODの濃度は2.4nM、ビリルビンの濃度は1.8mg/mlである。図13および図14に示す測定結果によると、正極2においても、NaH2 PO4 濃度上昇に伴う、酵素活性の大きな増大は見られず、逆に若干下がる傾向が見られた。
上記のような結果が得られる原因として、電極内部あるいは固定化膜内のプロトン移動が遅いことが考えられる。
On the other hand, even when bilirubin oxidase (BOD) was immobilized on the
As a cause of obtaining the above result, it is conceivable that proton movement in the electrode or in the immobilized membrane is slow.
次に、正極2に酸素還元酵素としてBODを固定化し、イミダゾールと塩酸とを混合してpH7に調整したものを緩衝液として用いた場合においては、緩衝液濃度の上昇に伴う電流値の維持向上が顕著に見られた。表2および図15に、この場合にイミダゾールの濃度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を示す。また、図16に電流値(表2および図15の3600秒後の値)の緩衝液濃度依存性を示す。表2、図15および図16には、緩衝液としてNaH2 PO4 緩衝液および10%酢酸緩衝液を用いた場合の結果も併せて示す。この測定は、図17に示すように、正極2上にフィルム状のセロハン21を載せ、このセロハン21に緩衝液22を接触させた状態で行った。正極2としては、次のようにして作製される酵素/電子メディエーター固定化電極を用いた。まず、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト(TORAY製 BO050)を用い、このカーボンフェルトを1cm角に切り抜いた。次に、ヘキサシアノ鉄酸イオン(100mM)を80μl、ポリ−L−リシン(1wt%)を80μl、BOD溶液を80μl(50mg/ml)を上記のカーボンフェルトに順に染み込ませ、乾燥することで酵素/電子メディエーター固定化電極を得た。こうして作製した酵素/電子メディエーター固定化電極を2枚重ねて正極2とした。
Next, when BOD is immobilized on the
表2および図15から分かるように、NaH2 PO4 濃度が1.0Mでは、初期電流は出るが、3600秒後には電流は大幅に減少してしまう。これに対し、イミダゾール濃度が0.4M、1.0Mおよび2.0Mでは、3600秒後にも電流の低下はほとんど見られない。10%酢酸緩衝液(pH=2.8)の場合は、初期電流は低いが、3600秒後にもイミダゾール濃度が2.0Mの場合と同様なレベルの電流を維持している。図16から分かるように、イミダゾール濃度が0.2〜2.5Mの範囲では濃度に対して電流値が直線的に増加する。また、NaH2 PO4 緩衝液とイミダゾール緩衝液とは、ともにpKa が7付近、酸素溶解度もほぼ同じにもかかわらず、同じ濃度の緩衝液においてイミダゾールが存在する場合、大きな酸素還元電流が得られた。 As can be seen from Table 2 and FIG. 15, when the NaH 2 PO 4 concentration is 1.0 M, an initial current is generated, but after 3600 seconds, the current is greatly reduced. On the other hand, when the imidazole concentration is 0.4M, 1.0M and 2.0M, almost no decrease in current is observed even after 3600 seconds. In the case of 10% acetate buffer (pH = 2.8), the initial current is low, but the current at the same level as in the case where the imidazole concentration is 2.0 M is maintained even after 3600 seconds. As can be seen from FIG. 16, the current value increases linearly with respect to the concentration when the imidazole concentration is in the range of 0.2 to 2.5M. Further, the NaH 2 PO 4 buffer and imidazole buffer, near both pK a of 7, even though almost be oxygen solubility same, if the imidazole is present in a buffer of the same concentration, a large oxygen reduction current obtained It was.
上記のようにしてクロノアンペロメトリーを3600秒間行った後、電位−0.3〜+0.6V間におけるサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。その結果を図18に示す。ただし、この測定は、図19に示すように、上記と同様な酵素/電子メディエーター固定化電極からなる正極2を作用極とし、これをPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)メンブレン23上に載せ、この正極2に緩衝液22を接触させた状態で行った。緩衝液22内に対極24および参照電極25を浸漬し、作用極としての正極2、対極24および参照電極25に電気化学測定装置(図示せず)を接続した。対極24としてはPt線、参照電極25としてはAg|AgClを用いた。測定は大気圧で行い、測定温度は25℃とした。緩衝液22としては、イミダゾール/塩酸緩衝液(pH7、1.0M)とNaH2 PO4 /NaOH緩衝液(pH7、1.0M)との2種類を用いた。
図18より、緩衝液22としてイミダゾール/塩酸緩衝液(pH7、1.0M)を用いた場合には、極めて良好なCV特性が得られていることが分かる。
以上のことから、測定系を変えても、イミダゾール緩衝液に優位性があることが確認された。
Chronoamperometry was performed for 3600 seconds as described above, and then cyclic voltammetry (CV) between −0.3 and +0.6 V was performed. The result is shown in FIG. However, in this measurement, as shown in FIG. 19, a
From FIG. 18, it can be seen that when an imidazole / hydrochloric acid buffer (pH 7, 1.0 M) is used as the buffer 22, extremely good CV characteristics are obtained.
From the above, it was confirmed that the imidazole buffer solution has an advantage even if the measurement system is changed.
このバイオ燃料電池の具体的な構成例を図20AおよびBに示す。
図20AおよびBに示すように、このバイオ燃料電池は、0.25cm2 のカーボンフェルトに酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなる負極1と、0.25cm2 のカーボンフェルト上に酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなる正極2とが、緩衝物質を含む電解質層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、電解質層3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16B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に燃料としてグルコース/緩衝溶液を入れて発電を行う。
A specific configuration example of this biofuel cell is shown in FIGS. 20A and 20B.
As shown in FIGS. 20A and 20B, this biofuel cell includes a
As shown in FIG. 16B, a
以上のように、この第1の実施形態によれば、電解質層3が、正極2および負極1に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するため、正極2および負極1の一方の電子メディエーターが電解質層3を透過して正極2および負極1の他方に移動するのを効果的に抑えることができる。このため、バイオ燃料電池の出力の低下および電気容量の低下を十分に抑えることができる。加えて、電解質層3に含まれる緩衝物質(緩衝液)の濃度が0.2M以上2.5M以下であることにより、十分な緩衝能を得ることができ、このためバイオ燃料電池の高出力動作時においても、正極2および負極1に固定化された酵素の周囲の電解質層3のpHを至適pH付近に維持することができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮させることができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。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。
As described above, according to the first embodiment, since 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。
図21A、BおよびCならびに図22はこのバイオ燃料電池を示し、図21A、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22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。
Next explained is a biofuel cell according to the second embodiment of the invention.
21A, B and C and FIG. 22 show the biofuel cell, FIGS. 21A, B and C show a top view, a cross-sectional view and a back view of the biofuel cell, and FIG. 22 shows the components of the biofuel cell. It is a disassembled perspective view shown disassembled.
図21A、BおよびCならびに図22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、電解質層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、電解質層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、電解質層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。
As shown in FIGS. 21A, B and C and FIG. 22, in this biofuel cell, the
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、電解質層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。電解質層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21Cおよび図22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22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。
The positive electrode
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。
The negative electrode
The configuration of the biofuel cell other than the above is the same as that of the first embodiment as long as it does not contradict its properties.
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23A〜Dに示す。
図23A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、電解質層3および負極1を順次重ねる。
Next, an example of a method for manufacturing this biofuel cell will be described. This manufacturing method is shown in FIGS.
As shown in FIG. 23A, first, a cylindrical positive electrode
一方、図23B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、電解質層3および負極1を挟む。
On the other hand, as shown in FIG. 23B, a
次に、図23C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、電解質層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、電解質層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、電解質層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。
Next, as shown in FIG. 23C, the
こうして、図23D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、電解質層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23Bに示す工程で燃料タンク57に注入してもよい。
Thus, as shown in FIG. 23D, a biofuel cell in which the
Next, a
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からそれぞれ電解質層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。
In this biofuel cell, when, for example, a glucose solution is used as the fuel to be placed in the
図24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。
図25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。
図26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。
As shown in FIG. 24,
FIG. 25 shows a case where two biofuel cells are connected in series. In this case, the
FIG. 26 shows a case where two biofuel cells are connected in parallel. In this case, the
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、電解質層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。
According to the second embodiment, when the
In addition, it is necessary to add a fuel and an electrolyte at the time of production in an air cell that is currently in practical use, and it is difficult to add it after the production, whereas in this biofuel cell, a fuel and an electrolyte are added after the production. Therefore, biofuel cells are easier to manufacture than air cells currently in practical use.
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27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の実施形態と同様な利点を得ることができる。
Next explained is a biofuel cell according to the third embodiment of the invention.
As shown in FIG. 27, in the third embodiment, the
Except for the above, the third embodiment is the same as the first embodiment as long as it does not contradict its nature.
According to the third embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained.
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28AおよびBならびに図29はこのバイオ燃料電池を示し、図28Aはこのバイオ燃料電池の正面図、図28Bはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図29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。
Next explained is a biofuel cell according to the fourth embodiment of the invention. The biofuel cell according to the second embodiment is a coin type or a button type, whereas this biofuel cell is a cylindrical type.
28A and B and FIG. 29 show this biofuel cell, FIG. 28A is a front view of this biofuel cell, FIG. 28B is a longitudinal sectional view of this biofuel cell, and FIG. 29 shows each component of this biofuel cell. It is a disassembled perspective view shown disassembled.
図28AおよびBならびに図29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、電解質層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、電解質層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。電解質層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。
As shown in FIGS. 28A and 28 and FIG. 29, in this biofuel cell, a cylindrical negative electrode
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。
In this biofuel cell, fuel and electrolyte are put in the
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。
In this biofuel cell, a gas-liquid separation layer may be provided on the outer peripheral surface of the positive electrode
Except for the above, the fourth embodiment is the same as the first and second embodiments as long as it does not contradict its nature.
According to the fourth embodiment, the same advantages as those of the first and second embodiments 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。
この第5の実施形態によるバイオ燃料電池は、負極1の電極11の材料に、図30に示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
図30Aはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図30Bはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図30AおよびBに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格81と、この骨格81の表面を被覆するカーボン系材料82とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料82に囲まれた多数の孔83が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔83同士は互いに連通している。カーボン系材料82の形態は問わず、繊維状(針状)、粒状などのいずれであってもよい。
Next explained is a biofuel cell according to the fifth embodiment of the invention.
The biofuel cell according to the fifth embodiment is the same as the biofuel cell according to the first embodiment except that a porous conductive material as shown in FIG. 30 is used as the material of the electrode 11 of the
FIG. 30A schematically shows the structure of the porous conductive material, and FIG. 30B is a cross-sectional view of the skeleton of the porous conductive material. As shown in FIGS. 30A and 30B, this porous conductive material includes a
多孔体材料からなる骨格81としては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格81の多孔率は一般的には85%以上、より一般的には90%以上であり、その孔径は、一般的には例えば10nm〜1mm、より一般的には10nm〜600μm、さらに一般的には1〜600μm、典型的には50〜300μm、より典型的には100〜250μmである。カーボン系材料82としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。
この多孔体導電材料の多孔率は一般的には80%以上、より一般的には90%以上であり、孔83の径は、一般的には例えば9nm〜1mm、より一般的には9nm〜600μm、さらに一般的には1〜600μm、典型的には30〜400μm、より典型的には80〜230μmである。
As the
The porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, more typically 90% or more, and the diameter of the
次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図31Aに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金(例えば、発泡ニッケル)からなる骨格81を用意する。
次に、図31Bに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格81の表面にカーボン系材料82をコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格81の表面に噴射することによりカーボン系材料82をコーティングする。このカーボン系材料82のコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格81の多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料82に囲まれた多数の孔83同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。
Next, a method for producing this porous conductive material will be described.
As shown in FIG. 31A, first, a
Next, as shown in FIG. 31B, a carbon-based
In this way, the target porous conductive material is manufactured.
この第5の実施形態によれば、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格81の表面をカーボン系材料82により被覆した多孔体導電材料は、孔83の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を用いて電極81を形成し、この電極81に酵素、補酵素、電子メディエーターなどを固定化したものからなる負極1は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極11の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。
According to the fifth embodiment, the porous conductive material obtained by coating the surface of the
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、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極11にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。
このバイオ燃料電池においては、負極1側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってNAD+ が還元されてNADHが生成され、このNADHがジアホラーゼにより酸化されて2個の電子とNAD+ とH+ とに分離する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で2個の電子と2個のH+ とが生成される。2段階の酸化反応では合計4個の電子と4個のH+ とが生成される。こうして発生する電子は負極1の電極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 sixth 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 fuel, glucoamylase, which is a degrading enzyme that decomposes starch into glucose, is also immobilized on the negative electrode 11.
In this biofuel cell, when starch is supplied as fuel to the
Other than the above, the biofuel cell according to the first embodiment is the same.
According to the sixth embodiment, the same advantages as in 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.
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…電解質層、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、81…骨格、82…カーボン系材料、83…孔
DESCRIPTION OF
Claims (11)
上記プロトン伝導体が上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有し、
上記プロトン伝導体に上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するポリアニオンまたはポリカチオンが含まれ、
上記プロトン伝導体が、イミダゾールと塩酸とを混合した緩衝液を含む電解質からなる燃料電池。 The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and at least one of the positive electrode and the negative electrode includes an enzyme, a microorganism or a cell, and an electron mediator ,
The proton conductor have a the oxidized form or the reduced form of the charge of the same sign of charge of the electron mediator,
The proton conductor includes a polyanion or polycation having a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator,
A fuel cell , wherein the proton conductor comprises an electrolyte containing a buffer solution in which imidazole and hydrochloric acid are mixed .
少なくとも一つの上記燃料電池が、At least one of the fuel cells is
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、上記正極および上記負極の少なくとも一方に酵素、微生物または細胞と電子メディエーターとが用いられ、The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and at least one of the positive electrode and the negative electrode includes an enzyme, a microorganism or a cell, and an electron mediator,
上記プロトン伝導体が上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有し、The proton conductor has a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator;
上記プロトン伝導体に上記電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するポリアニオンまたはポリカチオンが含まれ、The proton conductor includes a polyanion or polycation having a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator,
上記プロトン伝導体が、イミダゾールと塩酸とを混合した緩衝液を含む電解質からなるものである電子機器。An electronic device in which the proton conductor is made of an electrolyte containing a buffer solution in which imidazole and hydrochloric acid are mixed.
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