JP2007012281A - Fuel cell, electronic equipment, moving body, power generation system, and enzyme reaction utilization device - Google Patents

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Hiroki Sugiyama
太喜 杉山
Hideki Sakai
秀樹 酒井
Yoshio Goto
義夫 後藤
Yuichi Tokita
裕一 戸木田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of generating electric power efficiently by using an NADH solution. <P>SOLUTION: In the fuel cell having a structure in which a negative electrode 1 and a positive electrode 2 are opposed via a proton conductor 3, an enzyme/electron mediator fixing electrode in which diaphorase 12 and an electron mediator 13 are fixed on an electrode 11 such as carbon is employed as the negative electrode 1, and the NADH solution is used as fuel. The concentration of the NADH solution is 2 to 130 mM, and preferably 3 to 40 mM. Instead of the NADH solution, an NADPH solution or a solution containing NADH and NADPH may be used. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、触媒に酵素を用いる燃料電池、この燃料電池を用いる電子機器、移動体および発電システムならびに燃料電池などの酵素反応利用装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell using an enzyme as a catalyst, an electronic device using the fuel cell, a moving body and a power generation system, and an enzyme reaction utilization device such as a fuel cell.

燃料電池は、基本的に負極(燃料極)と正極(酸化剤極)とが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+ はプロトン伝導体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。 A fuel cell basically has a structure in which a negative electrode (fuel electrode) and a positive electrode (oxidant electrode) face each other with a proton conductor interposed therebetween. In a conventional fuel cell, the fuel (hydrogen) supplied to the negative electrode is oxidized and separated into electrons and protons (H + ), the electrons are passed to the negative electrode, and H + moves through the proton conductor to the positive electrode. To do. 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、電力の発生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, a fuel cell is a highly efficient power generator that directly converts 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 electrical 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 there is a track record of proving that it is possible to replenish crew water simultaneously with the generation of 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。   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.

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。   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。   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.

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。 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。 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.

上述した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。)。   As a technique for utilizing the above-described biological metabolism in 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機能が多く存在するため、上述した方法では望まない反応に電気エネルギーが消費されて充分なエネルギー変換効率が発揮されない。   However, since microorganisms and cells have many unnecessary functions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy, the above-described method consumes electrical energy for unwanted reactions, and sufficient energy conversion efficiency is achieved. Is not demonstrated.

そこで、酵素や電子メディエーターを用いて所望の反応のみを行うような燃料電池が提案されている(例えば、特許文献2、3、4参照。)。この燃料電池は、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、その燃料としては、メタノールやエタノールのようなアルコール類、グルコースのような単糖類のほかに、NADHを用いることが提案されている(例えば、特許文献4参照。)。NADHは、メタノールやエタノールに比べると大きな電力を得ることができ、有利である。
特開2000−133297号公報 特開2003−282124号公報 特開2004−71559号公報 特開2005−13210号公報
Therefore, a fuel cell that performs only a desired reaction using an enzyme or an electron mediator has been proposed (see, for example, Patent Documents 2, 3, and 4). In this fuel cell, fuel is decomposed by an enzyme and separated into protons and electrons. In addition to alcohols such as methanol and ethanol and monosaccharides such as glucose, NADH is used as the fuel. Has been proposed (see, for example, Patent Document 4). NADH is advantageous because it can obtain a larger electric power than methanol or ethanol.
JP 2000-133297 A JP 2003-282124 A JP 2004-71559 A JP 2005-13210 A

しかしながら、酵素や電子メディエーターを用いた燃料電池において燃料としてNADH溶液を用いる場合、発電効率の観点から最適なNADH溶液の濃度は不明であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、NADHあるいはその関連物質であるNADPHを用いて高効率の発電が可能で、しかも限りある化石燃料を使用しないで済み、資源循環型社会の実現に貢献することができる燃料電池ならびにこの燃料電池を用いる電子機器、移動体および発電システム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、より一般的には、NADHあるいはNADPHを用いて高効率の動作が可能な各種の酵素反応利用装置を提供することである。
However, when an NADH solution is used as a fuel in a fuel cell using an enzyme or an electron mediator, the optimum concentration of the NADH solution has not been known from the viewpoint of power generation efficiency.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that NADH or its related substance NADPH can be used for high-efficiency power generation, and it is not necessary to use limited fossil fuels, contributing to the realization of a resource recycling society. A fuel cell that can be used, and an electronic device, a moving body, and a power generation system using the fuel cell.
Another problem to be solved by the present invention is, more generally, to provide various enzyme reaction utilization apparatuses capable of high-efficiency operation using NADH or NADPH.

本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、酵素により燃料を分解し発電する燃料電池において、酵素としてジアホラーゼ、燃料としてNADH溶液を用いた場合、このNADH溶液の濃度を増加させたときの酵素反応の反応速度の変化が予想外の特異的な振る舞いをすることを見出した。具体的には、NADH濃度を増加させたとき、通常であれば反応速度は単調に増加し、やがて飽和する傾向を示す(ミカエリス−メンテンの式で示される変化)のに対し、実際にはあるNADH濃度で急峻なピークを取り、このピークが立ち下がった後にはほぼ一定の値となることを見出した。発電効率を向上させるためには、NADH濃度を増加させればよいと考えるのが普通であるが、実際にはそうではなく、NADH濃度を増加させ過ぎるとかえって反応速度が減少してしまい、発電効率が減少してしまうことが判明した。これは、NADH濃度が上記のピークに相当するNADH濃度以上になると基質阻害が起こることを意味する。
このように、反応速度、したがって発電効率の向上の観点から、NADH濃度には最適範囲が存在することが分かり、この最適範囲を実際に見出した。
一方、ジアホラーゼは、NADHのほかNADPHも基質として酸化する酵素である。NADHは図9Aに示すような構造を有するのに対し、NADPHの構造は図9Bに示すようにNADHのアデノシン部位に一つのリン酸基が付いたものであり、NADHの構造と極めて類似している。このため、NADPHや、NADHとNADPHとの混合物も、NADHと同様に、ジアホラーゼとの反応において基質阻害を起こすと考えられる。
As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems of the prior art, the inventors of the present invention used a diaphorase as an enzyme and a NADH solution as a fuel in a fuel cell that decomposes fuel with an enzyme to generate electricity. It has been found that a change in the reaction rate of the enzyme reaction when the concentration of the NADH solution is increased causes an unexpected specific behavior. Specifically, when the NADH concentration is increased, the reaction rate usually increases monotonously and tends to saturate (changes indicated by the Michaelis-Menten equation), but in reality. It has been found that a steep peak is taken at the NADH concentration, and that this value becomes substantially constant after the peak falls. In order to improve the power generation efficiency, it is normal to increase the NADH concentration. However, in reality, it is not so. If the NADH concentration is increased too much, the reaction rate decreases. It turns out that the efficiency decreases. This means that substrate inhibition occurs when the NADH concentration exceeds the NADH concentration corresponding to the above peak.
Thus, it was found that there is an optimum range for the NADH concentration from the viewpoint of improving the reaction rate and thus the power generation efficiency, and this optimum range was actually found.
On the other hand, diaphorase is an enzyme that oxidizes NADPH as a substrate in addition to NADH. NADH has a structure as shown in FIG. 9A, whereas NADPH has one phosphate group at the adenosine site of NADH as shown in FIG. 9B, and is very similar to the structure of NADH. Yes. For this reason, NADPH or a mixture of NADH and NADPH is also considered to cause substrate inhibition in the reaction with diaphorase, similarly to NADH.

この発明は、以上の研究結果に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、
第1の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。
The present invention has been devised based on the above research results.
That is, in order to solve the above problem,
The first invention is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more, and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution where the peak falls.

ジアホラーゼおよび電子メディエーターは、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとともに溶液中に含まれた形で存在してもよいが、負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、好適には、固定化材を用いて負極に固定化される。
また、燃料として、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて一種または二種以上の他の燃料を含むものを用いてもよく、その場合はこの他の燃料を分解する一種または二種以上の他の酵素を負極に含ませるようにする。他の燃料としては例えばグルコースを用いることができ、この場合は他の酵素としてNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼを負極に含ませる。他の燃料としては多糖類を用いることもでき、この場合には他の酵素としてこの多糖類をグルコースに分解する酵素であるグルコアミラーゼおよびNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼを負極に含ませる。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)としては、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2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。
Diaphorase and electron mediator may be present in the form of a solution together with reduced nicotinamide adenine dinucleotide, but in order to efficiently capture the enzyme reaction phenomenon occurring near the negative electrode as an electrical signal, it is preferable. Is immobilized on the negative electrode using an immobilizing material.
In addition to the reduced nicotinamide adenine dinucleotide, one containing one or two or more other fuels may be used as the fuel. In that case, one or two or more other fuels that decompose these other fuels may be used. The enzyme is included in the negative electrode. As another fuel, for example, glucose can be used. In this case, NAD + -dependent glucose dehydrogenase is included in the negative electrode as another enzyme. Polysaccharides can also be used as other fuels. In this case, glucoamylase and NAD + dependent glucose dehydrogenase, which are enzymes that decompose the polysaccharides into glucose, are included in the negative electrode as other enzymes. Polysaccharides (polysaccharides in a broad sense, which refers to all carbohydrates that produce two or more monosaccharides by hydrolysis, including oligosaccharides such as disaccharides, trisaccharides, and tetrasaccharides) include, for example, starch, amylose , Amylopectin, glycogen, cellulose, maltose, sucrose, lactose and the like. These are a combination of two or more monosaccharides, and in any polysaccharide, glucose is contained 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.

第2の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とするものである。
ここで、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度は、燃料消費量を抑え、発電効率のより一層の向上を図る観点から、好適には2mM以上80mM以下、より好適には3mM以上40mM以下、さらに好適には5mM以上20mM以下とする。
The second invention is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
Here, the concentration of the solution containing reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is preferably from the viewpoint of suppressing fuel consumption and further improving power generation efficiency. 2 mM or more and 80 mM or less, more preferably 3 mM or more and 40 mM or less, and further preferably 5 mM or more and 20 mM or less.

第1および第2の発明による燃料電池は、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。   The fuel cells according to the first and second inventions can be used for almost all of the devices that require electric power, and may be of any size. For example, electronic devices, mobile objects (automobiles, motorcycles, airplanes, rockets, spacecrafts, etc.) ), Power equipment, construction machines, machine tools, power generation systems, cogeneration systems, and the like, and the output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.

第3の発明は、
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。
The third invention is
In electronic devices using fuel cells,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more, and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution where the peak falls.

第4の発明は、
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とするものである。
The fourth invention is:
In electronic devices using fuel cells,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.

第3および第4の発明による電子機器は、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、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
The electronic device according to the third and fourth inventions may be basically any device, and includes both a portable type and a stationary type. For example, a mobile phone Mobile devices, robots, personal computers, game devices, in-vehicle devices, home appliances, industrial products, and the like.
In the third and fourth inventions, the matters other than the above are explained in relation to the first and second inventions unless they are contrary to the nature.

第5の発明は、
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。
The fifth invention is:
In a mobile body using a fuel cell,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more, and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution where the peak falls.

第6の発明は、
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とするものである。
The sixth invention is:
In a mobile body using a fuel cell,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.

第5および第6の発明による移動体は、基本的にはどのようなものであってもよく、具体例を挙げると、自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船などである。
第5および第6の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
The mobile body according to the fifth and sixth inventions may be basically any type, and specific examples include automobiles, motorcycles, aircraft, rockets, spacecrafts, and the like.
In the fifth and sixth inventions, what has been described in relation to the first and second inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to their properties.

第7の発明は、
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。
The seventh invention
In a power generation system using a fuel cell,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more, and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution where the peak falls.

第8の発明は、
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とするものである。
The eighth invention
In a power generation system using a fuel cell,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.

第7および第8の発明による発電システムは、基本的にはどのようなものであってもよく、その規模も問わない。
第7および第8の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
The power generation system according to the seventh and eighth inventions may be basically any type, and its scale is not limited.
In the seventh and eighth inventions, what has been described in relation to the first and second inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to their properties.

第9の発明は、
還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置である。
The ninth invention
At least a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution, diaphorase and an electron mediator,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The enzyme reaction utilization apparatus, wherein the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution at which the peak falls.

第10の発明は、
還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が、2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置である。
The tenth invention is
At least a solution containing reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, diaphorase and an electron mediator,
The enzyme reaction utilization apparatus, wherein the concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.

第9および第10の発明において、酵素反応利用装置は、酵素反応を利用する各種の装置を含むが、具体的には、燃料電池やバイオセンサーなどである。
第9および第10の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
In the ninth and tenth inventions, the enzyme reaction utilization device includes various devices utilizing an enzyme reaction, and specifically, is a fuel cell or a biosensor.
In the ninth and tenth inventions, what has been described in relation to the first and second inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to the nature thereof.

上述のように構成されたこの発明においては、NADH溶液あるいはNADPH溶液あるいはNADHとNADPHとの双方を含む溶液の濃度を上記の範囲に設定することにより、この燃料から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。   In the present invention configured as described above, by setting the concentration of the NADH solution or NADPH solution or the solution containing both NADH and NADPH in the above range, electric energy can be efficiently extracted from this fuel. it can.

この発明によれば、触媒として酵素を用い、燃料としてNADH溶液あるいはNADPH溶液あるいはこれらの双方を含む溶液を用いて高い効率で発電可能な燃料電池を得ることができる。この燃料電池によれば、燃料の消費量を抑えることができるだけでなく、限りある化石燃料を使用しないで済み、資源循環型社会の実現に貢献することができる。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、移動体、発電システムなどを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell capable of generating power with high efficiency by using an enzyme as a catalyst and using a NADH solution or NADPH solution or a solution containing both of them as a fuel. According to this fuel cell, not only the amount of fuel consumed can be suppressed, but also limited fossil fuel can be used, which can contribute to the realization of a resource recycling society. By using such an excellent fuel cell, it is possible to realize a high-performance electronic device, a moving body, a power generation system, and the like.

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の実施形態による燃料電池を示す。
図1に示すように、この燃料電池は、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では、燃料として供給されるNADHがNAD+ に酸化され、2個の電子とプロトン(H+ )とが発生する。プロトン伝導体3はプロトンのみ伝導し、負極1で発生したプロトンを正極2に輸送する。正極2では、負極1から正極2に輸送されたプロトンと、負極2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(O2 )とにより水が生成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the fuel cell has a structure in which a negative electrode 1 and a positive electrode 2 face each other with a proton conductor 3 interposed therebetween. In the negative electrode 1, NADH supplied as fuel is oxidized to NAD + and two electrons and protons (H + ) are generated. The proton conductor 3 conducts only protons and transports protons generated at the negative electrode 1 to the positive electrode 2. In the positive electrode 2, water is generated by protons transported from the negative electrode 1 to the positive electrode 2, electrons sent from the negative electrode 2 through an external circuit, and oxygen (O 2 ) in the air, for example.

負極1は、例えばカーボンなどからなる電極と、NADHの分解に関与する酸化酵素であるジアホラーゼと、電子メディエーターとを含む。この電子メディエーターは電極との間で電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の電圧はこの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2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)やビタミンK3などが好ましい。そのほかに、例えばキノン骨格を有する化合物、Os、Ru、Fe、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 negative electrode 1 includes, for example, an electrode made of carbon or the like, diaphorase that is an oxidase involved in the decomposition of NADH, and an electron mediator. The electron mediator transfers electrons to and from the electrode, and the voltage of the fuel cell depends on the redox potential of the electron mediator. In other words, in order to obtain a higher voltage, it is better to select an electron mediator having a more negative potential on the negative electrode 1 side. However, the reaction affinity of the electron mediator to the enzyme, the rate of electron exchange with the electrode, an inhibitor (light, oxygen, etc.) ) Structural stability must also be considered. From such a viewpoint, examples of the electron mediator that acts on the negative electrode 1 include 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), vitamin K3, and the like. preferable. In addition, for example, compounds having a quinone skeleton, metal complexes such as Os, Ru, Fe and Co, viologen compounds such as benzyl viologen, compounds having a nicotinamide structure, compounds having a riboflavin structure, compounds having a nucleotide-phosphate structure Etc. can also be used as electron mediators.

上記のジアホラーゼ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、トリス緩衝液、リン酸緩衝液などの緩衝液により、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。また、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-mentioned diaphorase and electron mediator are maintained at a pH optimum for the enzyme, for example, around pH 7, by a buffer solution such as Tris buffer or phosphate buffer so that the electrode reaction can be carried out efficiently and constantly. It is preferable. The ionic strength (I.S.) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity. However, considering the electrochemical response, the ionic strength (IS) should be an appropriate ionic strength, for example, about 0.3. Is preferred. However, pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above.

上記のジアホラーゼおよび電子メディエーターは、緩衝液に溶解した状態で用いてもよいが、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、固定化材を用いて負極1上に固定化されることが好ましい。図2に、例えばカーボンなどからなる電極11上に、電子メディエーター12とジアホラーゼ13とを、固定化材(図示せず)により固定化した状態を示す。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 diaphorase and the electron mediator may be used in a state dissolved in a buffer solution. However, in order to efficiently capture the enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode as an electric signal, the immobilization material is used on the negative electrode 1. It is preferably immobilized. FIG. 2 shows a state in which an electron mediator 12 and diaphorase 13 are immobilized on an electrode 11 made of, for example, carbon or the like by an immobilizing material (not shown). As such an immobilizing material, for example, a combination of glutaraldehyde (GA) and poly-L-lysine (PLL) or a combination of sodium polyacrylate (PAAcNa) and poly-L-lysine (PLL). These may be used, these may be used alone, or other polymers may be used. By using an immobilization material combining glutaraldehyde and poly-L-lysine, it becomes possible to greatly improve the enzyme immobilization ability of each, and to obtain an excellent enzyme immobilization ability as a whole immobilization material. Can do. In this case, the optimum composition ratio between glutaraldehyde and poly-L-lysine varies depending on the enzyme to be immobilized and the substrate of the enzyme, but generally an arbitrary composition ratio may be used. As a specific example, a glutaraldehyde aqueous solution (0.125%) and a poly-L-lysine aqueous solution (1%) are used, and the ratio thereof is 1: 1, 1: 2, 2: 1, or the like.

正極2は、例えば、触媒が担持された炭素粉末あるいは炭素に保持されない触媒粒子により構成される。この触媒には、例えば、白金(Pt)の微粒子や、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)あるいはルテニウム(Ru)などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が用いられる。この正極2は、例えば、プロトン伝導体3の側から順に触媒あるいは触媒を含む炭素粉末よりなる触媒層と多孔質の炭素材料よりなるガス拡散層とが積層された構造に形成される。この正極2は、触媒としての酸素還元酵素を含むように構成してもよい。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を用いることができる。この場合は、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と組み合わせて用いられる。この電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸イオンなどを用いることができる。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、上記のポリ−L−リシン(PLL)などを用いる。   The positive electrode 2 is made of, for example, carbon powder on which a catalyst is supported or catalyst particles that are not held by carbon. Examples of the catalyst include fine particles of platinum (Pt), fine particles of an alloy or oxide of a transition metal such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), or ruthenium (Ru) and platinum. Used. For example, the positive electrode 2 is formed in a structure in which a catalyst layer made of a catalyst or a carbon powder containing a catalyst and a gas diffusion layer made of a porous carbon material are laminated in order from the proton conductor 3 side. The positive electrode 2 may be configured to include an oxygen reductase as a catalyst. As this oxygen reductase, for example, bilirubin oxidase can be used. In this case, it is used in combination with an electron mediator that transfers electrons to and from the electrode. As this electron mediator, for example, hexacyanoferrate ion or the like can be used. Various materials can be used as the immobilizing material, and preferably, the above-described poly-L-lysine (PLL) is used.

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に輸送するプロトン伝導膜であり、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。このプロトン伝導体3としては、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)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)などからなるものが挙げられる。これらの中でも、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなるものが好ましく、具体的には、ナフィオン(商品名、米国デュポン社)が用いられる。 The proton conductor 3 is a proton conductive membrane that transports H + generated in the negative electrode 1 to the positive electrode 2 and is made of a material that does not have electron conductivity and can transport H + . Examples of the proton conductor 3 include a perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film, a copolymer film of a trifluorostyrene derivative, a polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, and an aromatic polyether ketone sulfonic acid film. , PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer), and the like. Among these, those made of an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group are preferable, and specifically, Nafion (trade name, US DuPont) is used.

図3および図4はこの燃料電池の具体的な構成例を示し、図4はこの燃料電池の各構成要素を分解して示したものである。
図3および図4に示すように、この燃料電池は、例えば多孔質カーボンなどに酵素(ジアホラーゼ)と電子メディエーターとを固定化材により固定化した酵素/電子メディエータ固定化電極からなる負極1と、例えば多孔質カーボンなどに酵素(例えば、ビリルビンオキシダーゼ)と電子メディエーターとを固定化材により固定化した酵素/電子メディエータ固定化電極からなる正極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。
3 and 4 show a specific configuration example of the fuel cell, and FIG. 4 is an exploded view of each component of the fuel cell.
As shown in FIGS. 3 and 4, this fuel cell includes a negative electrode 1 composed of an enzyme / electron mediator-immobilized electrode in which an enzyme (diaphorase) and an electron mediator are immobilized on a porous carbon or the like by an immobilizing material, For example, a structure in which a positive electrode 2 composed of an enzyme / electron mediator-immobilized electrode in which an enzyme (for example, bilirubin oxidase) and an electron mediator are immobilized on a porous carbon or the like is opposed via a proton conductor 3. Have.

プロトン伝導体3の上下にはそれぞれ例えばTiからなる集電体4、5が設置されており、集電を容易に行うことができるようになっている。符号6、7は固定板を示す。これらの固定板6、7はねじ8により相互に締結され、それらの間に、負極1、正極2、プロトン伝導体3および集電体4、5の全体が挟み込まれている。固定板6の一方の面(外側の面)には燃料装填用の円形の穴6aが設けられている。符号6bはねじ8が入る穴を示す。固定板7の一方の面(外側の面)には空気または酸素の取り込み用の円形の穴7aが設けられている。符号7bはねじ8が入る穴を示す。固定板6の他方の面の周辺部にはスペーサー9が設けられており、固定板6、7をねじ8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。スペーサー9としては、シリコン板などが用いられる。   Current collectors 4 and 5 made of, for example, Ti are installed above and below the proton conductor 3, respectively, so that current collection can be performed easily. Reference numerals 6 and 7 denote fixed plates. These fixing plates 6 and 7 are fastened to each other by screws 8, and the whole of the negative electrode 1, the positive electrode 2, the proton conductor 3 and the current collectors 4 and 5 is sandwiched between them. A circular hole 6a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixed plate 6. Reference numeral 6b denotes a hole into which the screw 8 is inserted. One surface (outer surface) of the fixing plate 7 is provided with a circular hole 7a for taking in air or oxygen. Reference numeral 7b indicates a hole into which the screw 8 is inserted. A spacer 9 is provided in the periphery of the other surface of the fixing plate 6, and when the fixing plates 6 and 7 are fastened to each other by the screws 8, the interval between them becomes a predetermined interval. A silicon plate or the like is used as the spacer 9.

この燃料電池においては、図3に示すように、集電体4、5の間に負荷10を接続し、固定板6の穴6aに燃料としてNADH溶液を入れ、固定板7の穴7aから空気または酸素を取り込んで発電を行う。この場合、負極1では、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+ とに分離し、この電子は負極1に渡され、H+ はプロトン伝導体3を通って正極2まで移動する。正極2では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極1から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。 In this fuel cell, as shown in FIG. 3, a load 10 is connected between the current collectors 4, 5, NADH solution is put as fuel in the hole 6 a of the fixing plate 6, and Or generate oxygen by taking in oxygen. In this case, in the negative electrode 1, NADH is oxidized by diaphorase and separated into two electrons, NAD + and H + , which are passed to the negative electrode 1, and H + passes through the proton conductor 3 and is positive electrode 2. Move up. In the positive electrode 2, this H + reacts with oxygen supplied from the outside and electrons sent from the negative electrode 1 through an external circuit to generate H 2 O.

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。
使用した電気化学測定系を図5に示す。図5に示すように、容器51内に溶液52を入れ、この溶液52内に作用極53、対極54および参照極55を浸漬し、作用極53に電気化学測定装置56を接続した。作用極53としては、グラッシーカーボンディスク電極(3mmφ、0.071cm2 )上にジアホラーゼとANQとをグルタルアルデヒド(GA)とポリ−L−リシン(PLL)とを組み合わせた固定化材を用いて固定化したものを用いた。対極54としてはPt線、参照極55としてはAg|AgClを用いた。測定は大気圧下で行い、測定温度は25℃とした。溶液52の量は1.0mlとし、測定前にバブラ57により溶液52中にArガスを送り込んでバブリングを十分に行い、脱酸素を行った。
Next, the result of electrochemical measurement at a single electrode of the enzyme / electron mediator immobilized electrode used as the negative electrode 1 will be described.
The electrochemical measurement system used is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the solution 52 was put in the container 51, the working electrode 53, the counter electrode 54, and the reference electrode 55 were immersed in the solution 52, and the electrochemical measurement device 56 was connected to the working electrode 53. The working electrode 53 is fixed on a glassy carbon disk electrode (3 mmφ, 0.071 cm 2 ) using an immobilizing material in which diaphorase and ANQ are combined with glutaraldehyde (GA) and poly-L-lysine (PLL). What was made into was used. Pt line was used as the counter electrode 54 and Ag | AgCl was used as the reference electrode 55. The measurement was performed under atmospheric pressure, and the measurement temperature was 25 ° C. The amount of the solution 52 was 1.0 ml, and before the measurement, Ar gas was sent into the solution 52 by a bubbler 57 to perform sufficient bubbling to perform deoxygenation.

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=8.0)を用いた。
ジアホラーゼ(DIと略)(EC1.6.99.−、アマノエンザイム、DH−3)を4.76mg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。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。ポリ−L−リシン臭化水素酸塩(PLLと略)(アルドリッチ、P−1399)を適量秤量し、2.0wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PLL水溶液((2))とした。ANQを10.4mg秤量し、アセトン溶液1.0mlに溶解させ、ANQアセトン溶液((3))とした。グルタルアルデヒド(GAと略)(関東化学、17026−02)を適量秤量し、0.125wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、GA水溶液((4))とした。
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 = 8.0) was used.
Diaphorase (abbreviated as DI) (EC1.6.99.-, Amanoenzyme, DH-3) was weighed 4.76 mg and dissolved in 1.0 ml of a buffer solution to obtain a DI enzyme buffer solution ((1)). 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. A suitable amount of poly-L-lysine hydrobromide (abbreviated as PLL) (Aldrich, P-1399) was weighed and dissolved in ion-exchanged water so as to be 2.0 wt%, and an aqueous PLL solution ((2)) did. 10.4 mg of ANQ was weighed and dissolved in 1.0 ml of an acetone solution to obtain an ANQ acetone solution ((3)). An appropriate amount of glutaraldehyde (abbreviated as GA) (Kanto Chemical Co., Inc., 17026-02) was weighed and dissolved in ion-exchanged water so as to be 0.125 wt% to obtain an aqueous GA solution ((4)).

上記のようにして作製した各種の溶液を下の表1の上から下の順に、それぞれマイクロシリンジなどでグラッシーカーボンディスク電極(3mmφ、0.071cm2 )上に塗布、混合、室温乾燥を行い、互いに酵素量が異なる二種類の酵素/電子メディエーター固定化電極(サンプル1、2)を作製した。 Various solutions prepared as described above were applied onto a glassy carbon disk electrode (3 mmφ, 0.071 cm 2 ) with a microsyringe in the order from the top to the bottom of Table 1 below, mixed, and dried at room temperature. Two types of enzyme / electron mediator immobilized electrodes (samples 1 and 2) having different enzyme amounts were prepared.

Figure 2007012281
Figure 2007012281

一方、NADH(シグマアルドリッチ、N−8129)を709mg秤量し、緩衝溶液1.0mlに溶解させ、NADH緩衝溶液((5))とした。
そして、溶液52として上記の緩衝溶液を用い、上記の酵素/電子メディエーター固定化電極を作用極53とし、電極回転数500rpmの条件下、NADH緩衝溶液((5))を溶液52に徐々に添加することでNADH濃度を0〜167mMと変化させてサイクリックボルタンメトリーを行った。スキャン速度は10mVs-1で行った。そのサイクリックボルタンメトリーから、電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位である0.4Vにおける電流値を定常電流値Iとしてプロットしたものを図6に示す。酵素量は5U(サンプル1)と10U(サンプル2)との2水準とした。なお、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。
On the other hand, 709 mg of NADH (Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1.0 ml of a buffer solution to obtain a NADH buffer solution ((5)).
Then, the above buffer solution is used as the solution 52, and the NADH buffer solution ((5)) is gradually added to the solution 52 under the condition that the enzyme / electron mediator immobilized electrode is the working electrode 53 and the electrode rotation speed is 500 rpm. Thus, cyclic voltammetry was performed with the NADH concentration varied from 0 to 167 mM. The scan speed was 10 mVs −1 . FIG. 6 shows a plot of the current value at 0.4 V, which is a potential sufficiently higher than the redox potential of the electron mediator, as a steady-state current value I from the cyclic voltammetry. The amount of enzyme was set at two levels of 5 U (sample 1) and 10 U (sample 2). 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.

図6より、上記の酵素/電子メディエーター固定化電極の定常電流値は、NADH濃度([NADH])が10mM付近でピークを取ることが分かる。また、NADH濃度が10mMより高濃度側では、定常電流値は徐々に減少することが分かる。これは、NADH同士がジアホラーゼの活性サイトを奪い合う基質阻害によるものであると考えられる。図6において、ピークが立ち下がったところのNADH濃度、具体的には約130mMを超えた濃度範囲では、得られる定常電流値は低く、燃料を徒に消費するだけで無駄であるので、NADH濃度は130mM以下にするのが好ましい。一方、上記のピークの立ち上がりは急峻であるため、NADH濃度が2mM以上であれば、十分に高い定常電流値を得ることができる。ある程度以上の定常電流値を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、NADH濃度を好適には2〜80mM、より好適には3〜40mM、さらに好適には5〜20mMとする。   FIG. 6 shows that the steady-state current value of the enzyme / electron mediator immobilized electrode has a peak when the NADH concentration ([NADH]) is around 10 mM. It can also be seen that the steady-state current value gradually decreases when the NADH concentration is higher than 10 mM. This is considered to be due to substrate inhibition in which NADHs compete for the active site of diaphorase. In FIG. 6, the NADH concentration at which the peak has fallen, specifically, in the concentration range exceeding about 130 mM, the steady current value obtained is low, and it is useless to simply consume the fuel. Therefore, the NADH concentration Is preferably 130 mM or less. On the other hand, since the peak rises steeply, a sufficiently high steady-state current value can be obtained if the NADH concentration is 2 mM or more. In order to simultaneously suppress the fuel consumption while obtaining a steady current value of a certain level or more, the NADH concentration is preferably 2 to 80 mM, more preferably 3 to 40 mM, and even more preferably 5 to 20 mM.

図7は、電極回転数0rpmの条件(電極が静止した条件)下、NADH緩衝溶液((5))を溶液52に徐々に添加させることでNADH濃度を0〜167mMと変化させてサイクリックボルタンメトリーを行った結果を、電極回転数500rpmの条件下で測定した上記の結果(図6)と併せて図示したものである。電極回転数以外の条件は両者で全て同一である。図7より、電極回転数0rpmでは、電極回転数500rpmに比べてピーク位置は約30mM程高濃度側にシフトしているが、ピーク形状を有する点は同じであることが分かる。この場合、NADH濃度は130mM以下にするのが好ましく、7mM以上にするのが好ましい。ある程度以上の定常電流値を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、NADH濃度を好適には7〜90mM、より好適には10〜80mM、さらに好適には20〜60mMとする。   FIG. 7 shows cyclic voltammetry by changing the NADH concentration from 0 to 167 mM by gradually adding the NADH buffer solution ((5)) to the solution 52 under the condition where the electrode rotation speed is 0 rpm (condition where the electrode is stationary). The result of having performed is shown together with said result (FIG. 6) measured on the conditions of electrode rotation speed 500rpm. The conditions other than the electrode rotation speed are the same in both cases. From FIG. 7, it can be seen that at the electrode rotation speed of 0 rpm, the peak position is shifted to the higher concentration side by about 30 mM as compared with the electrode rotation speed of 500 rpm, but the peak shape is the same. In this case, the NADH concentration is preferably 130 mM or less, more preferably 7 mM or more. In order to simultaneously suppress the fuel consumption while obtaining a steady current value of a certain level or more, the NADH concentration is preferably 7 to 90 mM, more preferably 10 to 80 mM, and even more preferably 20 to 60 mM.

上記の図6に示した結果は酵素/電子メディエーター固定化電極を用いた場合のものであるが、酵素および電子メディエーターを溶解した形で含む溶液系を用いた場合も同様な結果が得られる。これについて説明する。
100mMリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液(I.S.=0.3、pH=8.0)を溶媒とし、ジアホラーゼを87ng/ml、ANQを2.2mM含む溶液を調製した。この溶液中には、ANQが十分な濃度(KM,ANQ の約10倍)存在している。測定前にバブラによりこの溶液中にArガスを送り込んでバブリングを15分間行い、十分に脱酸素を行った。そして、この溶液に、上記と同様なNADH緩衝溶液((5))を上記の溶液に徐々に添加することでNADH濃度を0〜500mMの範囲内で変化させてジアホラーゼによるNADHの酸化反応の反応速度をANQの吸光度変化から求めた。測定は大気圧下で行い、測定温度は25℃とした。また、吸光度の測定波長は520nmとした。図8Aはこうして測定されたジアホラーゼによるNADHの酸化反応の反応速度(v0 )−NADH濃度([NADH]0 )曲線を示し、図8Bは図8Aの低濃度部(0〜35mM)を拡大したものである。図8AおよびBより、この溶液の系においては、NADH濃度が25mM付近でピークを取り、より高濃度側では反応速度は徐々に減少することが分かる。このことから、溶液の系においても、ジアホラーゼに対し、NADHの基質阻害が起こることが確認された。この場合、ある程度以上の反応速度を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、NADH濃度を好適には2〜300mM、より好適には5〜200mM、さらに好適には10〜100mMとする。
The results shown in FIG. 6 above are obtained when the enzyme / electron mediator-immobilized electrode is used, but similar results can be obtained when using a solution system containing the enzyme and electron mediator dissolved. This will be described.
A solution containing 87 ng / ml diaphorase and 2.2 mM ANQ was prepared using a 100 mM sodium dihydrogen phosphate buffer solution (I.S. = 0.3, pH = 8.0) as a solvent. In this solution, ANQ is present in a sufficient concentration (K M, ANQ about 10 times). Prior to the measurement, Ar gas was sent into the solution by a bubbler and bubbling was performed for 15 minutes to sufficiently deoxygenate. Then, the NADH buffer solution ((5)) similar to the above is gradually added to the above solution to change the NADH concentration within the range of 0 to 500 mM, thereby reacting the oxidation reaction of NADH with diaphorase. The speed was determined from the change in absorbance of ANQ. The measurement was performed under atmospheric pressure, and the measurement temperature was 25 ° C. The measurement wavelength of absorbance was 520 nm. FIG. 8A shows a reaction rate (v 0 ) -NADH concentration ([NADH] 0 ) curve of the oxidation reaction of NADH by diaphorase thus measured, and FIG. 8B is an enlarged view of the low concentration portion (0 to 35 mM) of FIG. 8A. Is. 8A and 8B, it can be seen that in this solution system, the NADH concentration has a peak around 25 mM, and the reaction rate gradually decreases on the higher concentration side. From this, it was confirmed that NADH substrate inhibition also occurred for diaphorase in the solution system. In this case, the NADH concentration is preferably 2 to 300 mM, more preferably 5 to 200 mM, and still more preferably 10 to 100 mM in order to suppress the fuel consumption while obtaining a reaction rate of a certain level or more.

以上のように、この第1の実施形態によれば、NADH溶液の濃度の最適化により、燃料電池の効率の大幅な向上を図ることができ、燃料の消費量も抑えることができる。
この燃料電池は、携帯電話などの各種の電子機器やその他の各種の装置あるいは機器などの電源に用いて好適なものである。
As described above, according to the first embodiment, by optimizing the concentration of the NADH solution, the efficiency of the fuel cell can be greatly improved, and the fuel consumption can be suppressed.
This fuel cell is suitable for use as a power source for various electronic devices such as mobile phones and other various devices or devices.

次に、この発明の第2の実施形態による燃料電池について説明する。
この燃料電池においては、燃料として、NADHに加えてグルコースも用いる。また、このグルコースを用いることに伴い、負極1にこのグルコースの分解酵素であるNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも含ませる。このNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも負極1に固定化するのが好ましい。
この燃料電池においては、負極1側にグルコースを含むNADH溶液が供給されると、このグルコースがNAD+ 依存型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に渡され、H+ はプロトン伝導体3を通って正極2まで移動する。正極2では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極1から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
この燃料電池の上記以外のことは第1の実施形態による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、NADHに加えてグルコースも燃料に用いていることにより、NADHだけ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 fuel cell according to the second embodiment of the invention.
In this fuel cell, glucose is used as fuel in addition to NADH. In addition, with the use of this glucose, the negative electrode 1 also contains NAD + -dependent glucose dehydrogenase, which is a glucose degrading enzyme. This NAD + -dependent glucose dehydrogenase is also preferably immobilized on the negative electrode 1.
In this fuel cell, when a NADH solution containing glucose is supplied to the negative electrode 1 side, this glucose is decomposed by NAD + -dependent glucose dehydrogenase, and NAD + is reduced along with an oxidation reaction in this decomposition process, and NADH This NADH is oxidized by diaphorase and separated into two electrons, NAD + and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per molecule of glucose. In the two-stage oxidation reaction, a total of 4 electrons and 4 H + are generated. The generated electrons are transferred to the negative electrode 1, and H + moves to the positive electrode 2 through the proton conductor 3. In the positive electrode 2, this H + reacts with oxygen supplied from the outside and electrons sent from the negative electrode 1 through an external circuit to generate H 2 O.
The fuel cell other than the above is the same as the fuel cell according to the first embodiment.
According to the second embodiment, the same advantages as in the first embodiment can be obtained, and in addition to NADH, glucose is also used as fuel, so that only NADH is used as fuel. The advantage that the amount of power generation can be increased can be obtained.

次に、この発明の第3の実施形態による燃料電池について説明する。
この燃料電池においては、燃料として、NADHに加えて多糖類であるデンプンも用いる。また、デンプンを用いることに伴い、負極1にデンプンの分解酵素であるグルコアミラーゼとこのグルコアミラーゼによりデンプンが分解されることにより得られるグルコースの分解酵素であるNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼとを含ませる。これらのグルコアミラーゼおよびNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも負極1に固定化するのが好ましい。
Next explained is a fuel cell according to the third embodiment of the invention.
In this fuel cell, starch, which is a polysaccharide, is used as fuel in addition to NADH. In addition, with the use of starch, the negative electrode 1 includes glucoamylase, which is a starch degrading enzyme, and NAD + -dependent glucose dehydrogenase, which is a glucose degrading enzyme obtained by degrading starch by this glucoamylase. . These glucoamylase and NAD + -dependent glucose dehydrogenase are also preferably immobilized on the negative electrode 1.

この燃料電池においては、負極1側にデンプンを含むNADH溶液が供給されると、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NAD+ 依存型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に渡され、H+ はプロトン伝導体3を通って正極2まで移動する。正極2では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極1から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
この燃料電池の上記以外のことは第1の実施形態による燃料電池と同様である。
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ほか、NADHに加えてデンプンも燃料に用いていることにより、NADHだけ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。
In this fuel cell, when a NADH solution containing starch is supplied to the negative electrode 1 side, this starch is hydrolyzed into glucose by glucoamylase, and this glucose is further decomposed by NAD + -dependent glucose dehydrogenase. NAD + is reduced to produce NADH along with the oxidation reaction, and this NADH is oxidized by diaphorase to be separated into two electrons, NAD + and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per molecule of glucose. In the two-stage oxidation reaction, a total of 4 electrons and 4 H + are generated. The generated electrons are transferred to the negative electrode 1, and H + moves to the positive electrode 2 through the proton conductor 3. In the positive electrode 2, this H + reacts with oxygen supplied from the outside and electrons sent from the negative electrode 1 through an external circuit to generate H 2 O.
The fuel cell other than the above is the same as the fuel cell according to the first embodiment.
According to the third embodiment, the same advantages as in the first embodiment can be obtained, and starch is also used as fuel in addition to NADH, so that only NADH is used as fuel. The advantage that the amount of power generation can be increased 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.

この発明の第1の実施形態による燃料電池を示す略線図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池を示す略線図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the specific structural example of the fuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the specific structural example of the fuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池において負極に用いる酵素/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に用いた測定系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement system used for the electrochemical measurement by the single electrode of the enzyme / electron mediator fixed electrode used for a negative electrode in the fuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池の定常電流値のNADH濃度依存性を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the NADH density | concentration dependence of the steady-state current value of the fuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施形態による燃料電池の定常電流値のNADH濃度依存性を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the NADH density | concentration dependence of the steady-state current value of the fuel cell by 1st Embodiment of this invention. ジアホラーゼと電子メディエーターとが溶解したNADH溶液を用いた場合におけるジアホラーゼによるNADHの酸化反応の反応速度のNADH濃度依存性を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the NADH density | concentration dependence of the reaction rate of the oxidation reaction of NADH by a diaphorase in the case of using the NADH solution which diaphorase and the electron mediator melt | dissolved. NADHおよびNADPHの構造を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the structure of NADH and NADPH.

符号の説明Explanation of symbols

1…負極、2…正極、3…プロトン伝導体、4、5…集電体、6、7…固定板、10…負荷、11…電極、12…電子メディエーター、13…ジアホラーゼ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode, 2 ... Positive electrode, 3 ... Proton conductor, 4, 5 ... Current collector, 6, 7 ... Fixed plate, 10 ... Load, 11 ... Electrode, 12 ... Electron mediator, 13 ... Diaphorase

Claims (15)

正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
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 via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
A fuel cell, wherein the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and not more than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution at which the peak falls.
上記負極に上記ジアホラーゼおよび上記電子メディエーターが固定化されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the diaphorase and the electron mediator are immobilized on the negative electrode. 上記燃料に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて一種または二種以上の他の燃料とその燃料を分解する一種または二種以上の他の酵素とが含まれていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   In addition to the reduced nicotinamide adenine dinucleotide, the fuel contains one or more other fuels and one or more other enzymes that decompose the fuel. Item 2. The fuel cell according to Item 1. 上記他の燃料にグルコースが含まれ、上記他の酵素にNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼが含まれていることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 4. The fuel cell according to claim 3, wherein glucose is contained in the other fuel, and NAD + dependent glucose dehydrogenase is contained in the other enzyme. 上記他の燃料に多糖類が含まれ、上記他の酵素に多糖類をグルコースに分解する酵素およびNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼが含まれていることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 4. The fuel cell according to claim 3, wherein the other fuel contains a polysaccharide, and the other enzyme contains an enzyme that decomposes the polysaccharide into glucose and an NAD + -dependent glucose dehydrogenase. 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする燃料電池。
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
A fuel cell, wherein the concentration of the solution containing reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする電子機器。
In electronic devices using fuel cells,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
An electronic device, wherein the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and is equal to or lower than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution at which the peak falls.
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする電子機器。
In electronic devices using fuel cells,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
An electronic device, wherein a concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド容器の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする移動体。
In a mobile body using a fuel cell,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
The curve showing the change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide container has a peak shape,
The moving body characterized in that the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and not more than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution at which the peak falls.
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする移動体。
In a mobile body using a fuel cell,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The moving body, wherein the concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする発電システム。
In a power generation system using a fuel cell,
The fuel cell is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and uses a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution as a fuel,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
A power generation system characterized in that the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and not more than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution where the peak falls.
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする発電システム。
In a power generation system using a fuel cell,
The fuel cell is
The negative electrode has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and the negative electrode contains at least diaphorase and an electron mediator, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphorus as a fuel A fuel cell using a solution containing an acid,
The concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、2mM以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置。
At least a reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution, diaphorase and an electron mediator,
A curve showing a change in the reaction rate of the enzyme reaction by diaphorase with respect to the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution has a peak shape,
The enzyme reaction utilization apparatus, wherein the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution is 2 mM or more and not more than the concentration of the reduced nicotinamide adenine dinucleotide solution at which the peak falls.
上記酵素反応利用装置はバイオセンサーであることを特徴とする請求項13記載の酵素反応利用装置。   14. The enzyme reaction utilization apparatus according to claim 13, wherein the enzyme reaction utilization apparatus is a biosensor. 還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび/または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が、2mM以上130mM以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置。
At least a solution containing reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, diaphorase and an electron mediator,
The enzyme reaction utilization apparatus, wherein the concentration of the solution containing the reduced nicotinamide adenine dinucleotide and / or the reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate is 2 mM or more and 130 mM or less.
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