JP2007257983A - Fuel cell and its manufacturing method, negative electrode for fuel cell and its manufacturing method, electronic equipment, electrode reaction utilization device and its manufacturing method, electrode for electrode reaction utilization device and its manufacturing method, high output agent, and mediator diffusion accelerator - Google Patents

Fuel cell and its manufacturing method, negative electrode for fuel cell and its manufacturing method, electronic equipment, electrode reaction utilization device and its manufacturing method, electrode for electrode reaction utilization device and its manufacturing method, high output agent, and mediator diffusion accelerator Download PDF

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Tsukasa Hatakeyama
士 畠山
Takaaki Nakagawa
貴晶 中川
Hideki Sakai
秀樹 酒井
Atsushi Sato
敦 佐藤
Yuichi Tokita
裕一 戸木田
Yoshio Goto
義夫 後藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of generating high output and its manufacturing method. <P>SOLUTION: In the fuel cell having structure facing a negative electrode 1 and a positive electrode 2 through a proton conductor 3, and immobilizing enzyme, coenzyme, and mediator in the negative electrode 1, a high output agent comprising phospholipid such as dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC) or its derivative, or a polymer of them in addition to the enzyme, the coenzyme, and the mediator, or a mediator diffusion accelerator is immobilized to the negative electrode 1. As the mediator, a compound having quinone skeleton, 2-amino-1,4-naphtoquinone (ANQ) for example is used. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は燃料電池およびその製造方法ならびに燃料電池用負極およびその製造方法ならびに電子機器ならびに電極反応利用装置およびその製造方法ならびに電極反応利用装置用電極およびその製造方法ならびに高出力化剤ならびにメディエータ拡散促進剤に関し、例えば、負極に触媒としての酵素および電子の伝達を媒介するメディエータが固定化されている燃料電池およびこの燃料電池を用いる各種の機器、装置あるいはシステムに適用して好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell, a method for producing the same, a negative electrode for a fuel cell, a method for producing the same, an electronic device, an electrode reaction utilizing device, a method for producing the electrode, an electrode for an electrode reaction utilizing device, a method for producing the electrode, a high output agent, and a mediator diffusion promotion. The agent is suitable for application to, for example, a fuel cell in which an enzyme as a catalyst and a mediator that mediates the transfer of electrons are immobilized on a negative electrode, and various devices, apparatuses, or systems 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水(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 water (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メディエータ(電子メディエータあるいは電子受容体化合物とも言う)を介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている(例えば、特許文献1参照。)。
In addition, photosynthesis captures light energy and reduces nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) via an electron transfer system to reduce nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), thereby converting it into electrical energy. In the process of conversion, it is a mechanism that oxidizes water to produce oxygen. This electric energy takes in CO 2 and is used for carbon fixation reaction, and is used for carbohydrate synthesis.
As a technique for utilizing the above-described biological metabolism for a fuel cell, electric energy generated in a microorganism is taken out of the microorganism through a mediator (also referred to as an electron mediator or an electron acceptor compound), and the electrons are transferred to an electrode. A microbial battery that obtains an electric current has been reported (for example, see Patent Document 1).

しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、上述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十分なエネルギー変換効率が発揮されない。
そこで、酵素を用いて所望の反応のみを行う燃料電池(バイオ燃料電池)が提案されている(例えば、特許文献2、3、4参照。)。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糖類を用いたものが開発されている。
However, since microorganisms and cells have many unnecessary reactions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy, the above-described method consumes electrical energy for unwanted reactions, resulting in sufficient energy conversion efficiency. Is not demonstrated.
Therefore, a fuel cell (biofuel cell) that performs only a desired reaction using an enzyme has been proposed (see, for example, Patent Documents 2, 3, and 4). In this biofuel cell, a fuel is decomposed by an enzyme to be separated into protons and electrons, and those using alcohols such as methanol and ethanol or sugars such as glucose have been developed as fuel.

バイオ糖−空気燃料電池において、メディエータおよび酵素を電極に固定化する方法として、グラッシーカーボン電極上に、メタノールに溶かしたテトラチアフルバレン(TTF)飽和溶液30μlとグルコースオキシダーゼ(GOD)20μl(3u/μl)とをキャストし、その後ポリスチレンスルホン酸(PSS)5μl(1wt%)とポリ−L−リシン(PLL)5μl(1wt%)を滴下することでポリイオンコンプレックスを形成し、これによりメディエータおよび酵素の溶液への溶出を防ぐ膜を形成し、さらに生体適合性を有するリン脂質膜(MPC)を10μl(5wt%)キャストすることで、溶けにくく生体適合性を有する電極を作製することが開示されている(非特許文献1参照。)。しかしながら、非特許文献1には、リン脂質が燃料電池を高出力化することや、メディエータの拡散係数を増加させ、メディエータの拡散を促進することについては何ら開示も示唆もされていない。   In a biosugar-air fuel cell, as a method of immobilizing a mediator and an enzyme on an electrode, 30 μl of tetrathiafulvalene (TTF) saturated solution dissolved in methanol and 20 μl of glucose oxidase (GOD) (3 u / μl) on a glassy carbon electrode. ) And then dropping 5 μl (1 wt%) of polystyrene sulfonic acid (PSS) and 5 μl (1 wt%) of poly-L-lysine (PLL) to form a polyion complex, whereby the mediator and enzyme solution It is disclosed that a membrane that prevents elution is formed, and a biocompatible phospholipid membrane (MPC) is cast by 10 μl (5 wt%) to produce an electrode that is hardly soluble and biocompatible. (Refer nonpatent literature 1.). However, Non-Patent Document 1 does not disclose or suggest that phospholipids increase the output of fuel cells, increase the diffusion coefficient of mediators, and promote the diffusion of mediators.

特開2000−133297号公報JP 2000-133297 A 特開2003−282124号公報JP 2003-282124 A 特開2004−71559号公報JP 2004-71559 A 特開2005−13210号公報JP 2005-13210 A [平成18年1月12日検索]、インターネット〈URL:http://www.business-ijp/sentan/jusyou/2004/ 〉[Search January 12, 2006] Internet <URL: http: //www.business-ijp/sentan/jusyou/2004/>

しかしながら、バイオ燃料電池においては、現時点では大きな出力が得られていないのが実情である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、高出力化が可能な燃料電池およびその製造方法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、上記の燃料電池に用いて好適な燃料電池用負極およびその製造方法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。
However, in the biofuel cell, a large output is not obtained at present.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell capable of increasing output and a method for manufacturing the same.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell negative electrode suitable for use in the above fuel cell and a method for producing the same.
Another problem to be solved by the present invention is to provide an electronic device using the excellent fuel cell as described above.

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、高出力化が可能な電極反応利用装置およびその製造方法ならびにこの電極反応利用装置に用いて好適な電極反応利用装置用電極およびその製造方法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、燃料電池などの電極反応利用装置の出力を大幅に増加させることができる高出力化剤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、メディエータの拡散係数を大幅に増加させ、メディエータの拡散を大幅に促進することができるメディエータ拡散促進剤を提供することである。
Other problems to be solved by the present invention are, more generally, an electrode reaction utilization device capable of increasing output, a manufacturing method thereof, an electrode for an electrode reaction utilization device suitable for use in this electrode reaction utilization device, and The manufacturing method is provided.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a high output agent capable of greatly increasing the output of an electrode reaction utilization device such as a fuel cell.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a mediator diffusion promoter capable of greatly increasing the diffusion coefficient of the mediator and greatly promoting the diffusion of the mediator.

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、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、負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池(バイオ燃料電池)において、負極に酵素およびメディエータに加えてジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)などのリン脂質を固定化することにより、燃料電池の出力の大幅な向上を図ることができるという現象を見出した。すなわち、リン脂質は高出力化剤として機能することを見出した。このようにリン脂質の固定化により高出力化が可能な理由について種々検討を行ったところ、従来の燃料電池において十分に大きな出力が得られない理由の一つが、負極に固定化する酵素とメディエータとが均一に混合せず、両者が互いに分離して凝集状態にあることによるが、リン脂質の固定化により酵素とメディエータとが互いに分離して凝集してしまうのを防止することができ、酵素とメディエータとを均一に混合することができるためであるという結論に至った。さらに、リン脂質の添加により酵素とメディエータとを均一に混合することができるようになる原因を究明したところ、メディエータ還元体の拡散係数がリン脂質の添加により大幅に上昇するという極めて稀有な現象を発見した。すなわち、リン脂質はメディエータ拡散促進剤として機能することを見出した。このリン脂質の固定化の効果は、特に、メディエータがキノン骨格を有する化合物である場合に著しい。
以上は燃料電池の負極についてであるが、酵素およびメディエータを固定化する電極であれば、燃料電池の負極以外の電極であっても、リン脂質の添加により同様な効果を得ることができる。さらに、酵素は固定化しないが、少なくともメディエータを固定化する電極であっても、リン脂質の添加により同様な効果を得ることができる。また、リン脂質の代わりに、リン脂質の誘導体であっても、リン脂質またはその誘導体の重合体であっても同様な効果を得ることができる。
高出力化剤とは、最も一般的に言うと、少なくともメディエータが固定化された電極における反応速度を向上させ、高出力化を図ることができるものである。また、メディエータ拡散促進剤とは、最も一般的に言うと、少なくともメディエータが固定化された電極の内部でのメディエータの拡散係数を増加させ、あるいは、電極近傍でのメディエータ濃度を維持するか上昇させるものである。
この発明は、本発明者らが独自に得た上記の知見に基づいて案出されたものである。
As a result of intensive studies in order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other through a proton conductor, and an enzyme and a mediator are fixed to the negative electrode. In a fuel cell (biofuel cell), the output of the fuel cell can be greatly improved by immobilizing phospholipids such as dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) in addition to the enzyme and mediator on the negative electrode I found a phenomenon that I can do it. That is, it has been found that phospholipid functions as a high output agent. As described above, various studies have been made on the reason why high output can be achieved by immobilizing phospholipids. One of the reasons why a sufficiently large output cannot be obtained in a conventional fuel cell is that an enzyme and a mediator immobilized on the negative electrode. Is not uniformly mixed, and both are separated from each other and are in an agglomerated state. However, by immobilizing phospholipids, the enzyme and mediator can be prevented from separating from each other and agglomerated. It came to the conclusion that it is because it can mix uniformly with a mediator. Furthermore, the cause of the ability to mix the enzyme and mediator uniformly by adding phospholipids was investigated, and a very rare phenomenon in which the diffusion coefficient of the mediator reductant was significantly increased by the addition of phospholipids. discovered. That is, it was found that phospholipid functions as a mediator diffusion promoter. This phospholipid immobilization effect is particularly remarkable when the mediator is a compound having a quinone skeleton.
The above is for the negative electrode of the fuel cell, but the same effect can be obtained by adding phospholipids to any electrode other than the negative electrode of the fuel cell as long as the electrode immobilizes the enzyme and the mediator. Furthermore, although the enzyme is not immobilized, the same effect can be obtained by adding phospholipid even at least an electrode that immobilizes the mediator. In addition, the same effect can be obtained by using a phospholipid derivative or a polymer of phospholipid or a derivative thereof instead of phospholipid.
The high output agent is most generally said to improve the reaction rate at least at the electrode on which the mediator is immobilized, thereby achieving high output. A mediator diffusion promoter, most generally speaking, increases the diffusion coefficient of the mediator at least inside the electrode on which the mediator is immobilized, or maintains or increases the mediator concentration in the vicinity of the electrode. Is.
The present invention has been devised based on the above-mentioned knowledge obtained independently by the present inventors.

すなわち、上記課題を解決するために、第1の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
That is, in order to solve the above problem, the first invention
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
In addition to the enzyme and the mediator, a high-power agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode.

第2の発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
The second invention is
A method for producing a fuel cell, wherein a positive electrode and a negative electrode have a structure facing each other via a proton conductor, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
In addition to the enzyme and the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode.

ここで、リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン(レシチン)、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール(カルジオリピン)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。このリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の添加量は酵素およびメディエータの固定化量に応じて適宜選ぶことができるものであるが、極微量であっても高出力化効果またはメディエータ拡散促進効果を得ることが可能である。このリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を負極に固定化する際に用いる溶媒には、ベシクル(vesicle)の形成を防止するために、好適には、エタノールなどのアルコールが用いられる。必要に応じてアルコール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。   Here, basically any phospholipid may be used, and either glycerophospholipid or sphingophospholipid may be used. Examples of the glycerophospholipid include, but are not limited to, phosphatidic acid, phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidylglycerol, and diphosphatidylglycerol (cardiolipin). Sphingophospholipids include, but are not limited to, sphingomyelin. The amount of the high-power agent or mediator diffusion accelerator comprising this phospholipid or derivative thereof or a polymer thereof can be appropriately selected according to the amount of immobilized enzyme and mediator, but it is extremely small. However, it is possible to obtain a high output effect or a mediator diffusion promoting effect. In order to prevent the formation of vesicles, it is preferable that the solvent used for immobilizing the high output agent or mediator diffusion accelerator composed of this phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof on the negative electrode is preferably used. Alcohol such as ethanol is used. One or two or more other solvents other than alcohol may be included as necessary.

メディエータ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。メディエータには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、メディエータ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 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 mediator may contain one or more other compounds acting as a mediator, as 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.

負極に固定化される酵素は、使用する燃料に応じて選ばれるが、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メディエータ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グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、好適にはNAD依存型グルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素の酸化体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などのNADHデヒドロゲナーゼが用いられる。 The enzyme to be immobilized on the negative electrode is selected depending on the fuel used. For example, when a monosaccharide such as glucose is used as the fuel, the enzyme contains an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of the monosaccharide. In addition to this, coenzyme oxidase which returns the coenzyme reduced by oxidase to the oxidant is included. 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 mediator. For example, glucose dehydrogenase (GDH) as an oxidase, preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) as an oxidant of a coenzyme, and NADH such as diaphorase as a coenzyme oxidase Dehydrogenase is used.

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。この多糖類としては、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。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してもよい。   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 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. The decomposing enzyme that decomposes the polysaccharide may also be fixed on the negative electrode, and the polysaccharide that will eventually become the fuel may also be fixed 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、糊化したデンプンを酵素などが固定化された負極に接触させる、あるいは負極上に酵素などともに固定化する方法をとることができる。こうすることで、負極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がないため、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, the gelatinized starch can be brought into contact with the negative electrode on which the enzyme or the like is immobilized, or the enzyme and the like can be immobilized on the negative electrode. In this way, the starch concentration on the negative electrode surface can be kept higher than when starch dissolved in the solution is used, the enzymatic decomposition reaction becomes faster, the output is improved, and the fuel Since it is easier to handle 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, it is very advantageous when used in a mobile device, for example.

一つの例では、負極にメディエータとしての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 a mediator, reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, glucose dehydrogenase and coenzyme oxidase as oxidases Of diaphorase, preferably 1.0 (mol): 0.33-1.0 (mol): (1.8-3.6) × 10 6 (U): (0.85 1.7) immobilized at a ratio of × 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、正極には、酵素が固定化されても固定されなくてもよい。正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えてメディエータも固定化される。メディエータとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウムを用いられる。メディエータは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で0.64×10-6mol/mm2 以上固定化する。 On the other hand, an enzyme may or may not be immobilized on the positive electrode. When an enzyme is immobilized on the positive electrode, this enzyme typically includes an enzyme that reduces oxygen. Examples of the enzyme that reduces oxygen include bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase. In this case, a mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme. As the mediator, for example, potassium hexacyanoferrate is used. The mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.

酵素、補酵素、メディエータ、リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤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、高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤などが含まれるようにすることができる。   Various materials are used as the immobilization material for immobilizing an enzyme, coenzyme, mediator, phospholipid or derivative thereof or a polymer thereof, or a high output agent or mediator diffusion accelerator, on the negative electrode or the positive electrode. Preferably, a polycation or a salt thereof such as poly-L-lysine (PLL) and a polyanion or a salt thereof such as polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)) A polyion complex formed by using an enzyme, an enzyme, a coenzyme, an electron mediator, a high output agent, a mediator diffusion accelerator, or the like can be contained inside the polyion complex.

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.

プロトン伝導体として緩衝物質を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を0.2M以上2.5M以下にすることが有効であり、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下とする。緩衝物質は、一般的には、pKa が6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。 In the case of using an electrolyte containing a buffer substance as a proton conductor, in order to obtain a sufficient buffer capacity at the time of high output operation and to fully exhibit the ability inherent in the enzyme, It is effective that the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2M to 2.5M, preferably 0.2M to 2M, more preferably 0.4M to 2M, and even more preferably. 0.8M to 1.2M. Buffer substances, in general, as long as a pK a of 6 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 ). The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14.

この燃料電池は、およそ電力が必要なもの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。この燃料電池を発電システムやコージェネレーションシステムに用いる場合、燃料として、単糖類や多糖類そのもののほか、多糖類を含む生ごみなどを用いてもよい。   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. When this fuel cell is used in a power generation system or a cogeneration system, as a fuel, in addition to monosaccharides and polysaccharides themselves, garbage containing polysaccharides may be used.

第3の発明は、
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
The third invention is
A negative electrode for a fuel cell in which an enzyme and a mediator are immobilized,
In addition to the enzyme and the mediator, a high-power agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode.

第4の発明は、
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
第3および第4の発明においては、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 fourth invention is:
A method for producing a negative electrode for a fuel cell in which an enzyme and a mediator are immobilized,
In addition to the enzyme and the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode.
In the third and fourth inventions, what has been described in relation to the first and second inventions is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.

第5の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されているものである
ことを特徴とするものである。
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。
The fifth invention is:
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
In addition to the enzyme and the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode.
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.

第6の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
The sixth invention is:
An electrode reaction utilization device having an electrode on which at least a mediator is immobilized,
In addition to the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the electrode.

第7の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
The seventh invention
A method for producing an electrode reaction utilization device having an electrode having at least a mediator immobilized thereon,
In addition to the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the electrode.

第6および第7の発明において、電極反応利用装置は、酵素およびメディエータが固定化された電極を有する酵素反応利用装置のほかに、メディエータは固定化されているが、酵素は固定化されておらず、したがって酵素反応を利用しないものも含む。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、バイオセンサー、バイオリアクターなどである。
第6および第7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 sixth and seventh inventions, in the electrode reaction utilization apparatus, in addition to the enzyme reaction utilization apparatus having the electrode on which the enzyme and the mediator are immobilized, the mediator is immobilized, but the enzyme is not immobilized. Therefore, the thing which does not utilize an enzyme reaction is also included. The enzyme reaction utilization device includes various devices utilizing an enzyme reaction, and specifically includes a fuel cell, a biosensor, a bioreactor, and the like.
In the sixth and seventh 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.

第8の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とするものである。
The eighth invention
An electrode for an electrode reaction utilization device having at least a mediator immobilized thereon,
In addition to the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the electrode.

第9の発明は、
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とするものである。
第8および第9の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1、第2、第6および第7の発明に関連して説明したことが成立する。
The ninth invention
A method for producing an electrode for an electrode reaction utilization device in which at least a mediator is immobilized,
In addition to the mediator, a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the electrode.
In the eighth and ninth inventions, what has been described in relation to the first, second, sixth, and seventh inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to their properties.

第10の発明は、
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とする高出力化剤である。
第11の発明は、
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とするメディエータ拡散促進剤である。
第10および第11の発明においては、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 tenth invention is
A high-power agent characterized by comprising a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof.
The eleventh invention is
A mediator diffusion promoter characterized by comprising a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof.
In the tenth and eleventh inventions, what has been described in relation to the first and second inventions is valid as long as the nature is not contrary.

上述のように構成されたこの発明においては、負極または電極に酵素およびメディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化することにより、メディエータ還元体の拡散係数を大幅に増加させることができ、酵素とメディエータとが互いに分離して凝集してしまうのを防止することができ、酵素とメディエータとを均一に混合することができ、ひいては高出力化を図ることができる。   In the present invention configured as described above, by immobilizing a negative electrode or an electrode with a high-output agent or mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof in addition to an enzyme and a mediator, The diffusion coefficient of the mediator reductant can be greatly increased, the enzyme and the mediator can be prevented from separating and aggregating with each other, the enzyme and the mediator can be mixed uniformly, and consequently High output can be achieved.

この発明によれば、負極に固定化される酵素とメディエータとを均一に混合することができることなどにより、メディエータの機能を十分に発揮することができ、負極により多くの電子を供給することができ、燃料電池の高出力化が可能である。そして、このように高出力化が可能な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、コージェネレーションシステムなどを実現することができる。
また、電極に固定化される酵素とメディエータとを均一に混合することができることにより、酵素反応利用装置などの電極反応利用装置の高出力化が可能である。
さらには、電極に酵素が固定化されない場合でも、電極反応利用装置の高出力化が可能である。
According to the present invention, the enzyme immobilized on the negative electrode and the mediator can be mixed uniformly, etc., so that the function of the mediator can be sufficiently exhibited, and more electrons can be supplied to the negative electrode. The output of the fuel cell can be increased. By using a fuel cell capable of increasing the output in this way, a high-performance electronic device, a moving body, a power generation system, a cogeneration system, and the like can be realized.
In addition, since the enzyme immobilized on the electrode and the mediator can be uniformly mixed, it is possible to increase the output of an electrode reaction utilization device such as an enzyme reaction utilization device.
Furthermore, even when the enzyme is not immobilized on the electrode, the output of the electrode reaction utilization apparatus can be increased.

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とがプロトン伝導体3を介して対向した構造を有する。負極1は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン(H+ )を発生する。正極2は、負極1からプロトン伝導体3を通って輸送されたプロトンと負極1から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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 negative electrode 1 and a positive electrode 2 face each other with a proton conductor 3 interposed therebetween. The negative electrode 1 decomposes glucose supplied as fuel with an enzyme to extract electrons and generate protons (H + ). The positive electrode 2 generates water from protons transported from the negative electrode 1 through the proton conductor 3, electrons sent from the negative electrode 1 through an external circuit, and oxygen in the air, for example.

負極1は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極11(図2参照)上に、グルコースの分解に関与する酵素と、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素(例えば、NAD+ )と、補酵素の還元体(例えば、NADH)を酸化する補酵素酸化酵素(例えば、ジアホラーゼ)と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡すメディエータ(例えば、ANQやAMNQやVK3)と、高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのリン脂質またはその誘導体(例えば、DMPC)またはそれらの重合体とが固定化材(図示せず)(例えば、ポリ−L−リシン(PLL)のようなポリカチオンとポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))のようなポリアニオンとを用いて形成されたポリイオンコンプレックス)により固定化されて構成されている。 The negative electrode 1 is composed of, for example, an electrode 11 (see FIG. 2) made of porous carbon or the like, an enzyme involved in glucose decomposition, and a coenzyme in which a reductant is generated in an oxidation reaction in the glucose decomposition process (for example, , NAD + ), a coenzyme oxidase (eg, diaphorase) that oxidizes a reduced form of the coenzyme (eg, NADH), and an electron generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme. A mediator (for example, ANQ, AMNQ, or VK3) to be passed, and a phospholipid or a derivative thereof (for example, DMPC) or a polymer thereof as a high-power agent or a mediator diffusion promoter, is used as an immobilizing material (not shown) ( For example, a polycation such as poly-L-lysine (PLL) and a polyanion such as sodium polyacrylate (PAAcNa)) Is constructed immobilized by a polyion complex) formed by using.

グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、好適にはNAD依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
さらに、このD−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(PhGDH)との二つの酵素を存在させることにより、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに分解することができる。すなわち、D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、6−フォスフォ−D−グルコネートになる。この6−フォスフォ−D−グルコネートは、酸化酵素PhGDHの作用により、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに酸化される。
As an enzyme involved in the degradation of glucose, for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used. In the presence of this oxidase, for example, β-D-glucose can be oxidized to D-glucono-δ-lactone.
Furthermore, this D-glucono-δ-lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH). Can do. That is, D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted 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メディエータを介して電極11に渡され、H+ はプロトン伝導体3を通って正極2へ輸送される。
The produced NADH is immediately oxidized to NAD + in the presence of diaphorase (DI), generating two electrons and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per glucose molecule. In the two-stage oxidation reaction, a total of four electrons and four H + are generated.
Electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the electrode 11 through the mediator, and H + is transported to the positive electrode 2 through the proton conductor 3.

上記の酵素、補酵素およびメディエータは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、プロトン伝導体3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。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 enzymes, coenzymes and mediators are optimal for the enzyme by using a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution contained in the proton conductor 3 so that the electrode reaction can be carried out efficiently and constantly. It is preferably maintained at a low pH, for example, around pH 7. As the phosphate buffer, for example, NaH 2 PO 4 or KH 2 PO 4 is used. Further, the ionic strength (IS) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity, but considering the electrochemical response, it 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.

図2には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ 、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡す電子メディエーターがVK3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 certain NADH is diaphorase (DI), and the electron mediator that receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is VK3.

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。触媒には、例えば、白金(Pt)の微粒子、または鉄(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。なお、正極2はこの構成に限らず、触媒として酸素還元酵素を用いることもできる。この場合は、好適には、電極との間で電子の受け渡しを行うメディエータと組み合わせて用いられる。
この正極2においては、触媒の存在下で、プロトン伝導体3からのH+ と負極1からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
The 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. As the catalyst, for example, platinum (Pt) fine particles, or fine particles of transition metal such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or ruthenium (Ru) and platinum, or oxide fine particles are used. It is done. 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 is not limited to this configuration, and oxygen reductase can also be used as a catalyst. In this case, it is preferably used in combination with a mediator that transfers electrons to and from the electrode.
In the positive electrode 2, in the presence of a catalyst, oxygen in the air is reduced by H + from the proton conductor 3 and electrons from the negative electrode 1 to generate water.

プロトン伝導体3は負極1において発生したH+ を正極2に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、H+ を輸送することが可能な材料により構成されている。プロトン伝導体3としては、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)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。なかでも、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなるものが好ましく、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 for transporting 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 + . Specific 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. Examples thereof include a ketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer) and PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer). Among these, those made of an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group are preferable, and specifically, Nafion (trade name, DuPont, USA) is used.

以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極1側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極1側で電子とH+ とを生成することができ、負極1と正極2との間で電流を発生させることができる。
この第1の実施形態によれば、負極1の電極11上に、グルコースの分解に関与する酵素、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、補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素およびメディエータに加えて高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体を固定化していることにより、例えば、電極11の内部や近傍でメディエータが大幅に拡散しやすくなり、上記の酵素、補酵素、補酵素酸化酵素およびメディエータを均一に混合することができ、ひいては電極11の近傍でのメディエータ濃度を維持しまたは上昇させることができ、メディエータの機能を十分に発揮することができ、電極11により多くの電子を供給することができ、最終的にバイオ燃料電池の大幅な高出力化が可能である。
In the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the negative electrode 1, the glucose is decomposed by a degrading enzyme containing an oxidase. Since oxidase is involved in the monosaccharide decomposition process, electrons and H + can be generated on the negative electrode 1 side, and a current can be generated between the negative electrode 1 and the positive electrode 2.
According to the first embodiment, on the electrode 11 of the negative electrode 1, an enzyme involved in the decomposition of glucose, a coenzyme in which a reductant is generated by an oxidation reaction in the glucose decomposition process, and a reduced form of the coenzyme In addition to the coenzyme oxidase and mediator that oxidize phospholipids, derivatives thereof or polymers thereof as a high-power agent or mediator diffusion promoter, for example, in or near the electrode 11 The mediator is greatly facilitated to diffuse, the above-mentioned enzyme, coenzyme, coenzyme oxidase and mediator can be mixed uniformly, and thus the mediator concentration in the vicinity of the electrode 11 can be maintained or increased, The function of the mediator can be fully exerted, more electrons can be supplied to the electrode 11, and finally the buffer can be supplied. It is possible to significantly higher output of the biofuel cell.

次に、負極1として用いる酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極における高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の機能を評価するために行った実験の結果について説明する。
負極1として用いる酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定に使用した電気化学測定系を図3に示す。図3に示すように、容器21内に測定溶液22を入れ、この測定溶液22内に作用極23、対極24および参照極25を浸漬し、これらに電気化学測定装置26を接続した。測定溶液22としては、緩衝溶液(0.1M NaH2 PO4 −NaOH−NaCl、I.S.=0.3、pH7)を用いた。作用極23としては、グラッシーカーボンディスク電極(3mmφ、0.071cm2 )上にメディエータとしてのANQ、ジアホラーゼ(DI)、NADH、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)および高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤としてのDMPCをポリ−L−リシン(PLL)とポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスを固定化材として用いて固定化したものを用いた。また、対極24としてはPt線、参照極25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。測定溶液22の量は1mlとし、測定前にバブラ27により測定溶液22中にArガスを送り込んでバブリングを十分に行うことにより脱酸素を行った。図4にDMPCの構造式を示す。
Next, the results of an experiment conducted to evaluate the function of the high output agent or mediator diffusion accelerator in the immobilized electrode of the enzyme / coenzyme / mediator / high output agent or mediator diffusion accelerator used as the negative electrode 1 will be described. To do.
FIG. 3 shows an electrochemical measurement system used for electrochemical measurement at the single electrode of the enzyme / coenzyme / mediator / high output agent or mediator diffusion promoter-immobilized electrode used as the negative electrode 1. As shown in FIG. 3, a measurement solution 22 was placed in a container 21, and a working electrode 23, a counter electrode 24, and a reference electrode 25 were immersed in the measurement solution 22, and an electrochemical measurement device 26 was connected thereto. A buffer solution (0.1 M NaH 2 PO 4 —NaOH—NaCl, IS = 0.3, pH 7) was used as the measurement solution 22. The working electrode 23 includes a glassy carbon disk electrode (3 mmφ, 0.071 cm 2 ), ANQ as a mediator, diaphorase (DI), NADH, glucose dehydrogenase (GDH), and DMPC as a high output agent or a mediator diffusion accelerator. A polyion complex formed using poly-L-lysine (PLL) and sodium polyacrylate (PAAcNa) was used as an immobilizing material. The counter electrode 24 is Pt wire, and the reference electrode 25 is Ag | AgCl. The measurement was performed under atmospheric pressure, and the measurement temperature was 25 ° C. The amount of the measurement solution 22 was 1 ml, and deoxygenation was performed by sufficiently bubbling by sending Ar gas into the measurement solution 22 by a bubbler 27 before measurement. FIG. 4 shows the structural formula of DMPC.

[比較例1]
高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されていない酵素/補酵素/メディエータ固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
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、測定溶液22として用いたものと同じものを用いた。
・GDH/DI/NADH酵素・補酵素緩衝溶液((1))
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.6.99.−、天野エンザイム製、DH”Amano ”3)を10mg秤量し、緩衝溶液200μlに溶解させた((1)´)。酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで8℃以下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8℃以下で冷蔵保存しておくことが好ましい。
グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC 1.1.1.47、天野エンザイム製、GDH−2)を13.8mg秤量し、緩衝溶液180μlに溶解させた。これに上記の溶液(1)´を20μl加えてよく混合し、最終的にGDH/DI=4.2/20U/μl溶液200μlとした。
・NADH緩衝溶液((2))
NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を64mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させた(640μg/μl)。
・PLL水溶液((3))
ポリ−L−リシン臭化水素酸塩(PLL)(シグマアルドリッチ製、P−2174)を適量秤量し、2wt%となるように脱イオン水に溶解させた。
・ANQアセトン溶液((4))
2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)を10mg秤量し、アセトン溶液964μlに溶解させ60mMとした。
・PAAcNa水溶液((5))
ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)(シグマアルドリッチ製、41,604−5)を適量秤量し、0.022wt%となるように脱イオン水を加えて調製した。
[Comparative Example 1]
An enzyme / coenzyme / mediator-immobilized electrode in which a high output agent or a mediator diffusion accelerator was not immobilized was prepared as follows.
Solution preparation First, various solutions were prepared as follows. As the buffer solution, the same one as that used as the measurement solution 22 was used.
・ GDH / DI / NADH enzyme ・ Coenzyme buffer solution ((1))
10 mg of diaphorase (DI) (EC 1.6.99.-, manufactured by Amano Enzyme, DH “Amano” 3) was weighed and dissolved in 200 μl of a buffer solution ((1) ′). The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated at 8 ° C. or less until immediately before, and the enzyme buffer solution is preferably refrigerated at 8 ° C. or less as much as possible.
13.8 mg of glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.47, Amano Enzyme, GDH-2) was weighed and dissolved in 180 μl of a buffer solution. To this, 20 μl of the above solution (1) ′ was added and mixed well to finally make 200 μl of GDH / DI = 4.2 / 20 U / μl solution.
-NADH buffer solution ((2))
64 mg of NADH (manufactured by Sigma-Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 0.1 ml of a buffer solution (640 μg / μl).
・ PLL aqueous solution ((3))
An appropriate amount of poly-L-lysine hydrobromide (PLL) (manufactured by Sigma-Aldrich, P-2174) was weighed and dissolved in deionized water to 2 wt%.
・ ANQ acetone solution ((4))
10 mg of 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ) was weighed and dissolved in 964 μl of an acetone solution to give 60 mM.
-PAAcNa aqueous solution ((5))
Sodium polyacrylate (PAAcNa) (manufactured by Sigma-Aldrich, 41,604-5) was weighed in an appropriate amount and prepared by adding deionized water to 0.022 wt%.

固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極(BAS製、002012、3mmφ、0.071cm2 )表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは40℃以下で乾燥を行い、酵素/補酵素/電子メディエーター固定化電極を作製した。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1)):8μl
NADH緩衝溶液(2):2μl
PLL水溶液((3)):10μl
ANQアセトン溶液((4)):18.7μl
PAAcNa水溶液((5)):12μl
なお、この組成で作製した酵素/補酵素/電子メディエーター固定化電極をANQE4とした。
Preparation of Immobilized Membrane The various solutions prepared as described above were applied in the following order in the following order on the surface of a glassy carbon disk electrode (manufactured by BAS, 002012, 3 mmφ, 0.071 cm 2 ). After being dropped and mixed with the solution, drying was appropriately performed at room temperature or 40 ° C. or lower to prepare an enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)): 8 μl
NADH buffer solution (2): 2 μl
PLL aqueous solution ((3)): 10 μl
ANQ acetone solution ((4)): 18.7 μl
PAAcNa aqueous solution ((5)): 12 μl
The enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode produced with this composition was named ANQE4.

[実施例1]
酵素/補酵素/メディエータ/メディエータ拡散促進剤固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
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、測定溶液22として用いたものと同じものを用いた。
・DMPCエタノール溶液(6)
ジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)(和光純薬工業製、163−12771)1mgを1mlのエタノールに溶解し、0.1%(w/v)エタノール溶液とした。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1))、NADH緩衝溶液((2))、PLL水溶液((3))、ANQアセトン溶液(4)およびPAAcNa水溶液((5))は比較例1と同様に調製した。
[Example 1]
An enzyme / coenzyme / mediator / mediator diffusion promoter-immobilized electrode was prepared as follows.
Solution preparation Various solutions were prepared as follows. As the buffer solution, the same one as that used as the measurement solution 22 was used.
DMPC ethanol solution (6)
1 mg of dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 163-12771) was dissolved in 1 ml of ethanol to obtain a 0.1% (w / v) ethanol solution.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)), NADH buffer solution ((2)), PLL aqueous solution ((3)), ANQ acetone solution (4), and PAAcNa aqueous solution ((5)) were the same as in Comparative Example 1. Prepared.

固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極(BAS製、002012、3mmφ、0.071cm2 )表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは40℃以下で乾燥を行い、酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極を作製した。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1)):8μl
NADH緩衝溶液((2)):2μl
PLL水溶液((3)):10μl
ANQアセトン溶液((4)):18.7μl
PAAcNa水溶液((5)):12μl
DMPCエタノール溶液(6):10μl
すなわち、この組成はANQE4+DMPCとなる。
Preparation of Immobilized Membrane The various solutions prepared as described above were applied in the following order in the following order on the surface of a glassy carbon disk electrode (manufactured by BAS, 002012, 3 mmφ, 0.071 cm 2 ). Then, the solution was dried at room temperature or 40 ° C. or lower as appropriate to prepare an enzyme / coenzyme / mediator / high output agent or mediator diffusion accelerator-immobilized electrode.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)): 8 μl
NADH buffer solution ((2)): 2 μl
PLL aqueous solution ((3)): 10 μl
ANQ acetone solution ((4)): 18.7 μl
PAAcNa aqueous solution ((5)): 12 μl
DMPC ethanol solution (6): 10 μl
That is, this composition is ANQE4 + DMPC.

以上のようにして作製したANQE4固定化電極およびANQE4+DMPC固定化電極を、測定溶液22中で、参照電極Ag|AgClに対して、0.1Vにおけるクロノアンペロメトリーを1時間行った後、電位−0.6〜+0.6V間におけるサイクリック・ボルタノメトリー(CV)を10mV/sのスキャン速度で2周行った。なお、測定は各電極を400mMグルコースを含む緩衝溶液に浸して行った(測定にはSolartron Multistat 1480を使用した)。測定結果を図5AおよびBに示す。
図5Aの定電位測定の結果より、実施例1(ANQE4+DMPC固定化電極)は、比較例1(ANQE4固定化電極)と比較すると、電流値が5分(300秒)後で約2.8倍、30分(1800秒)後でも約1.8倍となっており、DMPCの添加が電流値上昇に効果があると言うことができる。これは、図5Bのサイクリック・ボルタノメトリーでもピーク値が上昇していることからも分かる。
The ANQE4 immobilized electrode and the ANQE4 + DMPC immobilized electrode prepared as described above were subjected to chronoamperometry at 0.1 V for 1 hour with respect to the reference electrode Ag | AgCl in the measurement solution 22, and then the potential − Cyclic voltammetry (CV) between 0.6 and +0.6 V was performed twice at a scan speed of 10 mV / s. Measurement was performed by immersing each electrode in a buffer solution containing 400 mM glucose (Solartron Multistat 1480 was used for measurement). The measurement results are shown in FIGS.
From the result of the constant potential measurement of FIG. 5A, Example 1 (ANQE4 + DMPC fixed electrode) is about 2.8 times after 5 minutes (300 seconds) in comparison with Comparative Example 1 (ANQE4 fixed electrode). After 30 minutes (1800 seconds), the ratio is about 1.8 times, and it can be said that the addition of DMPC is effective in increasing the current value. This can also be seen from the fact that the peak value is increased in the cyclic voltammetry of FIG. 5B.

[実施例2]
DMPCの添加により電流値上昇の効果が得られた原因を調べるためにグラッシーカーボンディスク電極にDMPCを塗布した電極を作製し、メディエータの拡散係数を算出した。
電極作製
グラッシーカーボンディスク電極表面上にDMPCエタノール溶液(6)を10μl添加し、40℃で15分放置し、乾燥した。
電気化学測定
・ポテンシャルステップ・クロノアンペロメトリー(PSCA)
上記のDMPC塗布グラッシーカーボンディスク電極を終濃度10mMになるように緩衝溶液(0.1M NaH2 PO4 −NaOH−NaCl、I.S.=0.3、pH7)にANQ、AMNQまたはVK3(ナカライテスク、36405−84)を溶解し、20分間Arガスで置換して酸素を系内から極力排除した状態で、(1)−0.4V 5分→0.4V 3分(2)0.6V 5分→−0.4V 3分の定電位測定を行い、その電流値を計測した。
・サイクリック・ボルタノメトリー(CV)
上記のDMPC塗布グラッシーカーボンディスク電極を終濃度10mMもしくは100mMになるように緩衝溶液(0.1M NaH2 PO4 −NaOH−NaCl、I.S.=0.3、pH7)にANQ、AMNQ、VK3を溶解し、20分間Arガスで置換し酸素を系内から極力排除した状態で電位−0.6V〜0.6V間におけるサイクリック・ボルタノメトリーを50、20、10、5mV/sのスキャン速度で2周行った。
[Example 2]
In order to investigate the cause of the increase in the current value due to the addition of DMPC, an electrode in which DMPC was applied to a glassy carbon disk electrode was prepared, and the diffusion coefficient of the mediator was calculated.
Electrode preparation 10 μl of DMPC ethanol solution (6) was added on the glassy carbon disk electrode surface, left at 40 ° C. for 15 minutes, and dried.
Electrochemical measurement , potential step, chronoamperometry (PSCA)
The DMPC-coated glassy carbon disk electrode is mixed with ANQ, AMNQ or VK3 (Nacalai) in a buffer solution (0.1 M NaH 2 PO 4 -NaOH-NaCl, IS = 0.3, pH 7) to a final concentration of 10 mM. (1) -0.4V 5 minutes → 0.4V 3 minutes (2) 0.6V in a state in which Tesque, 36405-84) is dissolved and replaced with Ar gas for 20 minutes to remove oxygen from the system as much as possible. 5 minutes-> -0.4V The constant potential measurement was performed for 3 minutes, and the electric current value was measured.
・ Cyclic voltammetry (CV)
The above DMPC-coated glassy carbon disk electrode is placed in a buffer solution (0.1 M NaH 2 PO 4 -NaOH-NaCl, IS = 0.3, pH 7) to a final concentration of 10 mM or 100 mM. ANQ, AMNQ, VK3 Is dissolved, Ar gas is substituted for 20 minutes, and oxygen is eliminated from the system as much as possible. Cyclic voltammetry between -0.6V and 0.6V is scanned at 50, 20, 10, 5mV / s. Two laps were made at speed.

[比較例2]
実施例2においてDMPCを塗布しないグラッシーカーボンディスク電極を用意し、同様に各メディエータにおけるPSCA測定およびCV測定を行った。
PSCAにおけるコットレル式を式1に示す。

Figure 2007257983
ただし、I(t)lim は電流値(A)、Fはファラデー定数、Aは電極面積(cm2 )、C* 0 はメディエータ濃度(mol/cm3 )、D0 は拡散係数(cm/s)、tは時間(s)である。
式1より、系内が拡散律速の場合、電流値I(t)lim と時間t(s)の平方根の逆数との間には比例関係が成立し、その傾きから拡散係数D0 を求めることができる。 [Comparative Example 2]
In Example 2, a glassy carbon disk electrode not coated with DMPC was prepared, and PSCA measurement and CV measurement were similarly performed on each mediator.
The Cottrell equation in PSCA is shown in Equation 1.
Figure 2007257983
Where I (t) lim is the current value (A), F is the Faraday constant, A is the electrode area (cm 2 ), C * 0 is the mediator concentration (mol / cm 3 ), D 0 is the diffusion coefficient (cm / s) ), T is time (s).
From Equation 1, when the system is diffusion-controlled, a proportional relationship is established between the current value I (t) lim and the inverse of the square root of time t (s), and the diffusion coefficient D 0 is obtained from the slope. Can do.

また、CVから得られる電流値とスキャン速度との間には式2の関係式が成立する。

Figure 2007257983
ただし、IpcはCVより得られた酸化・還元反応それぞれのピーク電流値(A)、nは電子数、Aは電極面積(cm2 )、C* 0 はメディエータ濃度(mol/cm3 )、D0 は拡散係数(cm2 /s)、vはスキャン速度(V/s)である。
式2もPSCAと同様に拡散律速の場合、ピーク電流値Ipc(A)とスキャン速度v(V/s)の平行根との間には比例関係が成立するため、やはりその傾きから拡散係数を求めることができる。式1、2より得られたANQ、AMNQ、VK3各メディエータの拡散係数の値を表1に示す。また、拡散係数の算出に用いたポテンシャルステップ・クロノアンペロメトリーおよびサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果の一例(メディエータがANQである場合)を図6に示す。 Further, the relational expression of Expression 2 is established between the current value obtained from CV and the scan speed.
Figure 2007257983
However, I pc is the peak current value (A) of each oxidation / reduction reaction obtained from CV, n is the number of electrons, A is the electrode area (cm 2 ), C * 0 is the mediator concentration (mol / cm 3 ), D 0 is the diffusion coefficient (cm 2 / s), and v is the scan speed (V / s).
In the case of Formula 2 as well as PSCA, in the case of diffusion rate limiting, since a proportional relationship is established between the peak current value I pc (A) and the parallel root of the scan speed v (V / s), the diffusion coefficient is also determined from the slope. Can be requested. Table 1 shows the diffusion coefficient values of the ANQ, AMNQ, and VK3 mediators obtained from Equations 1 and 2. FIG. 6 shows an example of measurement results of potential step chronoamperometry and cyclic voltammetry used for calculating the diffusion coefficient (when the mediator is ANQ).

Figure 2007257983
Figure 2007257983

以上の結果より、各メディエータの還元体の拡散係数がDMPCの添加によって上昇していることが分かった。この理由としては、より親水性であるメディエータ還元体が、DMPCが電極表面に存在することによって拡散しやすくなることが考えられる。そしてこれが、実施例1で得られた電極における電流値上昇の原因の1つであると考えられる。
図7は上記のANQE4電極上に固定化された酵素(GDH、DI)およびメディエータ(ANQ)を共焦点顕微鏡(オリンパス製Fluoview FV1000×100レンズ ズーム×1)により観察した結果を示す。図7より、酵素とメディエータとが互いに分離して凝集し、特にメディエータは針状結晶を形成しており、不均一になっている様子が観察される。
図8は上記のANQE4+DMPC電極上に固定化された酵素(GDH、DI)およびメディエータ(ANQ)を上記と同様に観察した結果を示す。図8より、メディエータからなる針状結晶は観察されず、酵素とメディエータとは互いに均一に混合している様子が観察される。この結果により、DMPCの添加によりメディエータ還元体が拡散しやすくなることが裏付けられる。
From the above results, it was found that the diffusion coefficient of the reductant of each mediator was increased by the addition of DMPC. A possible reason for this is that a more hydrophilic mediator reductant is likely to diffuse due to the presence of DMPC on the electrode surface. This is considered to be one of the causes of the current value increase in the electrode obtained in Example 1.
FIG. 7 shows the results of observing the enzyme (GDH, DI) and mediator (ANQ) immobilized on the ANQE4 electrode with a confocal microscope (Olympus Fluoview FV1000 × 100 lens zoom × 1). From FIG. 7, it is observed that the enzyme and the mediator are separated from each other and aggregate, and in particular, the mediator forms a needle-like crystal and is non-uniform.
FIG. 8 shows the results of observing the enzyme (GDH, DI) and mediator (ANQ) immobilized on the ANQE4 + DMPC electrode in the same manner as described above. From FIG. 8, the needle-like crystal composed of the mediator is not observed, and it is observed that the enzyme and the mediator are uniformly mixed with each other. This result confirms that the addition of DMPC facilitates diffusion of the mediator reductant.

次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図9AおよびBに示すように、このバイオ燃料電池は、例えばカーボンフェルト(例えば、面積0.25cm2 )の上に酵素、補酵素、メディエータおよび高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化材で固定化した酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化カーボン電極からなる負極1と、例えばカーボンフェルト(例えば、面積0.25cm2 )の上に酵素やメディエータを固定化材で固定化した酵素/メディエータ固定化カーボン電極からなる正極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。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31、32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33、34は固定板を示す。これらの固定板33、34はねじ35により相互に締結され、それらの間に、正極2、負極1、プロトン伝導体3およびTi集電体33、34の全体が挟み込まれている。固定板33の一方の面(外側の面)には空気取り込み用の円形の凹部33aが設けられ、この凹部33aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴33bが設けられている。これらの穴33bは正極2への空気の供給路となる。一方、固定板34の一方の面(外側の面)には燃料装填用の円形の凹部34aが設けられ、この凹部34aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴34bが設けられている。これらの穴34bは負極1への燃料の供給路となる。この固定板34の他方の面の周辺部にはスペーサー36が設けられており、固定板33、34をねじ35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9Bに示すように、Ti集電体31、32の間に負荷37を接続し、固定板34の凹部34aに燃料として例えばグルコース溶液を入れて発電を行う。
Next, a specific structural example of the biofuel cell will be described.
As shown in FIGS. 9A and 9B, this biofuel cell has an enzyme, a coenzyme, a mediator, and a high output agent or a mediator diffusion accelerator on a carbon felt (for example, an area of 0.25 cm 2 ). Enzymes and mediators are immobilized on the negative electrode 1 composed of the carbon electrode immobilized with the enzyme / coenzyme / mediator / high-power agent or mediator diffusion accelerator immobilized on the surface and, for example, carbon felt (for example, area 0.25 cm 2 ). The positive electrode 2 composed of an enzyme / mediator-immobilized carbon electrode immobilized with a chemical material is opposed to the proton conductor 3 via a proton conductor 3. In this case, Ti current collectors 31 and 32 are placed under the positive electrode 2 and the negative electrode 1, respectively, so that current collection can be performed easily. Reference numerals 33 and 34 denote fixed plates. The fixing plates 33 and 34 are fastened to each other by screws 35, and the positive electrode 2, the negative electrode 1, the proton conductor 3, and the Ti current collectors 33 and 34 are sandwiched between them. One surface (outer surface) of the fixing plate 33 is provided with a circular recess 33a for taking in air, and a plurality of holes 33b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 33a. These holes 33 b serve as air supply paths to the positive electrode 2. On the other hand, a circular recess 34a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixed plate 34, and a number of holes 34b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 34a. These holes 34 b serve as fuel supply paths to the negative electrode 1. A spacer 36 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 34, and when the fixing plates 33 and 34 are fastened to each other with screws 35, the interval between them becomes a predetermined interval. .
As shown in FIG. 9B, a load 37 is connected between the Ti current collectors 31, 32, and power is generated by, for example, putting a glucose solution as a fuel in the recess 34 a of the fixed plate 34.

次に、この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第2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10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10Aはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図10Bはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図10A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41と、この骨格41の表面を被覆するカーボン系材料42とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料42に囲まれた多数の孔43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43同士は互いに連通している。カーボン系材料42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 second embodiment of the invention.
The biofuel cell according to the second embodiment is the same as the biofuel cell according to the first embodiment except that a porous conductive material as shown in FIG. 10 is used as the material of the electrode 11 of the negative electrode 1. It has a configuration.
FIG. 10A schematically shows the structure of the porous conductive material, and FIG. 10B is a cross-sectional view of the skeleton of the porous conductive material. As shown in FIGS. 10A and 10B, this porous conductive material includes a skeleton 41 made of a porous material having a three-dimensional network structure, and a carbon-based material 42 covering the surface of the skeleton 41. This porous conductive material has a three-dimensional network structure in which a large number of holes 43 surrounded by the carbon-based material 42 correspond to a network. In this case, these holes 43 communicate with each other. The form of the carbon-based material 42 is not limited and may be any of a fibrous shape (needle shape) and a granular shape.

多孔体材料からなる骨格41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41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42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43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 skeleton 41 made of a porous material, a foam metal or a foam alloy such as nickel foam is used. The porosity of the skeleton 41 is generally 85% or more, more typically 90% or more, and the pore diameter is typically, for example, 10 nm to 1 mm, more typically 10 nm to 600 μm, and more generally 1 to 600 μm, typically 50 to 300 μm, more typically 100 to 250 μm. The carbon material 42 is preferably a highly conductive material such as ketjen black, but a functional carbon material such as carbon nanotube or fullerene may be used.
The porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, more typically 90% or more, and the diameter of the hole 43 is typically, for example, 9 nm to 1 mm, more generally 9 nm to It is 600 μm, more generally 1 to 600 μm, typically 30 to 400 μm, more typically 80 to 230 μm.

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11A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41を用意する。
次に、図11B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41の表面にカーボン系材料42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41の表面に噴射することによりカーボン系材料42をコーティングする。このカーボン系材料42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41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42に囲まれた多数の孔43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. 11A, first, a skeleton 41 made of a foam metal or a foam alloy (for example, foam nickel) is prepared.
Next, as shown in FIG. 11B, a carbon-based material 42 is coated on the surface of the skeleton 41 made of the foam metal or foam alloy. As this coating method, a conventionally known method can be used. For example, the carbon-based material 42 is coated by spraying an emulsion containing carbon powder, an appropriate binder, or the like onto the surface of the skeleton 41 by spraying. The coating thickness of the carbon-based material 42 is determined according to the porosity and the pore diameter required for the porous conductive material in consideration of the porosity and the pore diameter of the skeleton 41 made of the foam metal or foam alloy. In this coating, a large number of holes 43 surrounded by the carbon-based material 42 are communicated with each other.
In this way, the target porous conductive material is manufactured.

この第2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41の表面をカーボン系材料42により被覆した多孔体導電材料は、孔43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11を形成し、これに酵素、補酵素、メディエータおよび高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化することで得られる酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極からなる負極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 second embodiment, the porous conductive material obtained by coating the surface of the skeleton 41 made of foam metal or foam alloy with the carbon-based material 42 has a sufficiently large diameter of the holes 43 and a rough three-dimensional network shape. While having a structure, it has high strength and high conductivity, and a necessary and sufficient surface area can be obtained. Therefore, the electrode 11 is formed using the porous conductive material, and the enzyme / coenzyme / mediator / obtained by immobilizing an enzyme, a coenzyme, a mediator, and a high-power agent or a mediator diffusion promoter on the electrode 11. The negative electrode 1 composed of a high-output agent or a mediator diffusion accelerator-immobilized electrode can cause the enzyme metabolism reaction on the electrode 1 to be performed with high efficiency, or can efficiently perform the enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode 11. It can be well understood as an electric signal, and is stable regardless of the use environment, and a high-performance biofuel cell can be realized.

次に、この発明の第3の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第3の実施形態によるバイオ燃料電池は、プロトン伝導体3がリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液を含む電解質層からなり、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、バイオ燃料電池の高出力動作時においても、酵素にとって最適なpH、例えばpH7付近に維持することができるので、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。
上記以外のことは第1の実施形態と同様である。
Next explained is a biofuel cell according to the third embodiment of the invention.
In the biofuel cell according to the third embodiment, the proton conductor 3 is composed of an electrolyte layer containing a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution, and at least the enzyme immobilized on the negative electrode 1 and the positive electrode 2 is used. The surrounding electrolyte layer has a buffer solution of 0.2M to 2.5M, preferably 0.2M to 2M, more preferably 0.4M to 2M, and even more preferably 0.8M to 1.2M. The following concentrations are included. In this way, a high buffer capacity can be obtained, and even at the time of high output operation of the biofuel cell, it can be maintained at an optimum pH for the enzyme, for example, near pH 7, so that the original ability of the enzyme can be fully exhibited. be able to. As the phosphate buffer, for example, NaH 2 PO 4 or KH 2 PO 4 is used.
Other than the above are the same as in the first embodiment.

以上のように、この第3の実施形態によれば、プロトン伝導体3を構成する電解質層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。   As described above, according to the third embodiment, the concentration of the buffer substance (buffer solution) contained in the electrolyte layer constituting the proton conductor 3 is not less than 0.2M and not more than 2.5M. Therefore, the pH of the electrolyte layer around the enzyme immobilized on the positive electrode 2 and the negative electrode 1 can be maintained near the optimum pH even when the biofuel cell is operated at high power. And the ability of the enzyme can be fully demonstrated. Thereby, a high-performance biofuel cell capable of high output operation can be realized.

次に、この発明の第4の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、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11aに渡され、H+ はプロトン伝導体3を通って正極2まで移動する。正極2では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極1から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
上記以外のことは第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第4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 fourth 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 negative electrode 1 side, this starch is hydrolyzed into glucose by glucoamylase, and this glucose is further decomposed by glucose dehydrogenase, accompanied by an oxidation reaction in this decomposition process. NAD + is reduced to produce NADH, which 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 electrode 11 a of 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.
Other than the above, the biofuel cell according to the first embodiment is the same.
According to the fourth 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.

この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。1 is a schematic diagram showing a biofuel cell according to a first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。It is a basic diagram which shows typically the detail of a structure of the negative electrode of the biofuel cell by 1st Embodiment of this invention, an example of the enzyme group fix | immobilized by this negative electrode, and the electron transfer reaction by this enzyme group. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池において負極に用いる酵素/補酵素/メディエーター/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤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。1 shows a measurement system used for electrochemical measurement of a single electrode of an enzyme / coenzyme / mediator / high power agent or mediator diffusion promoter immobilized electrode used for a negative electrode in a biofuel cell according to the first embodiment of the present invention. FIG. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池において負極に固定化する高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤の一例であるDMPCの化学構造を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the chemical structure of DMPC which is an example of the high output agent or mediator diffusion promoter immobilized on the negative electrode in the biofuel cell according to the first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池において負極に用いる酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定により得られるクロノアンペロメトリーの測定結果およびサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果を示す略線図である。Chronoamperometry obtained by electrochemical measurement at a single electrode of an enzyme / coenzyme / mediator / high power agent or mediator diffusion promoter immobilized electrode used as a negative electrode in the biofuel cell according to the first embodiment of the present invention It is a basic diagram which shows the measurement result of this, and the measurement result of cyclic voltammetry. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池において負極に用いる酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の単極での電気化学測定により得られるサイクリック・ボルタノメトリーの測定結果を示す略線図である。Cyclic volta obtained by electrochemical measurement at a single electrode of an enzyme / coenzyme / mediator / high power agent or mediator diffusion promoter immobilized electrode used as a negative electrode in the biofuel cell according to the first embodiment of the present invention It is a basic diagram which shows the measurement result of Nometry. 比較例1による酵素/補酵素/メディエータ固定化電極の共焦点顕微鏡による観察結果を示す図面代用写真である。6 is a drawing-substituting photograph showing the observation result of the enzyme / coenzyme / mediator immobilized electrode according to Comparative Example 1 using a confocal microscope. 実施例1による酵素/補酵素/メディエータ/高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤固定化電極の共焦点顕微鏡による観察結果を示す図面代用写真である。FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing the observation result of the enzyme / coenzyme / mediator / high-power agent or mediator diffusion promoter immobilized electrode according to Example 1 using a confocal microscope. この発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す断面図および略線図である。1 is a cross-sectional view and a schematic diagram illustrating a specific configuration example of a biofuel cell according to a first embodiment of the present invention. この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。It is a basic diagram and sectional drawing for demonstrating the structure of the porous electrically conductive material used for the electrode material of a negative electrode in the biofuel cell by the 2nd Embodiment of this invention. この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the manufacturing method of the porous electroconductive material used for the electrode material of a negative electrode in the biofuel cell by the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…負極、2…正極、3…プロトン伝導体、11…電極、31、32…Ti集電体、33、34…固定板、37…負荷、41…骨格、42…カーボン系材料、43…孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode, 2 ... Positive electrode, 3 ... Proton conductor, 11 ... Electrode, 31, 32 ... Ti current collector, 33, 34 ... Fixing plate, 37 ... Load, 41 ... Skeleton, 42 ... Carbon material, 43 ... Hole

Claims (18)

正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
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, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
A fuel cell, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode in addition to the enzyme and the mediator.
上記メディエータがキノン骨格を有する化合物であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the mediator is a compound having a quinone skeleton. 上記酵素が、上記負極に固定化された、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the enzyme includes an oxidase immobilized on the negative electrode, which promotes and decomposes monosaccharides. 上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに上記メディエータを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含むことを特徴とする請求項3記載の燃料電池。   4. The enzyme according to claim 3, wherein the enzyme includes a coenzyme oxidase that returns a coenzyme reduced by oxidation of the monosaccharide to an oxidant and passes electrons to the negative electrode through the mediator. Fuel cell. 上記補酵素の酸化体がNAD+ であり、上記補酵素酸化酵素がNADHデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項4記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein the oxidant of the coenzyme is NAD + and the coenzyme oxidase is NADH dehydrogenase. 上記酸化酵素がグルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 3, wherein the oxidase is glucose dehydrogenase. 上記酵素が、上記負極に固定化された、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素および生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   2. The enzyme according to claim 1, wherein the enzyme comprises a degrading enzyme immobilized on the negative electrode for promoting the degradation of the polysaccharide to produce a monosaccharide and an oxidase for promoting the oxidation of the produced monosaccharide for decomposing. The fuel cell as described. 上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素がグルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項7記載の燃料電池。   8. The fuel cell according to claim 7, wherein the degrading enzyme is glucoamylase and the oxidase is 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、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell, wherein a positive electrode and a negative electrode have a structure facing each other via a proton conductor, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
A method for producing a fuel cell, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode in addition to the enzyme and the mediator.
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする燃料電池用負極。
A negative electrode for a fuel cell in which an enzyme and a mediator are immobilized,
A negative electrode for a fuel cell, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode in addition to the enzyme and the mediator.
酵素およびメディエータが固定化された燃料電池用負極の製造方法であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする燃料電池用負極の製造方法。
A method for producing a negative electrode for a fuel cell in which an enzyme and a mediator are immobilized,
Production of a negative electrode for a fuel cell, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode in addition to the enzyme and the mediator Method.
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記負極に酵素およびメディエータが固定化されている燃料電池であって、
上記負極に上記酵素および上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されているものである
ことを特徴とする電子機器。
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed via a proton conductor, and an enzyme and a mediator are immobilized on the negative electrode,
An electronic device, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the negative electrode in addition to the enzyme and the mediator.
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする電極反応利用装置。
An electrode reaction utilization device having an electrode on which at least a mediator is immobilized,
An electrode reaction utilization apparatus, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the electrode in addition to the mediator.
少なくともメディエータが固定化された電極を有する電極反応利用装置の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする電極反応利用装置の製造方法。
A method for producing an electrode reaction utilization device having an electrode having at least a mediator immobilized thereon,
A method for producing an electrode reaction utilization apparatus, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the electrode in addition to the mediator.
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤が固定化されている
ことを特徴とする電極反応利用装置用電極。
An electrode for an electrode reaction utilization device having at least a mediator immobilized thereon,
An electrode for an electrode reaction utilization device, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator composed of a phospholipid, a derivative thereof, or a polymer thereof is immobilized on the electrode in addition to the mediator.
少なくともメディエータが固定化された電極反応利用装置用電極の製造方法であって、
上記電極に上記メディエータに加えてリン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなる高出力化剤またはメディエータ拡散促進剤を固定化するようにした
ことを特徴とする電極反応利用装置用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for an electrode reaction utilization device in which at least a mediator is immobilized,
A method for producing an electrode for an electrode reaction utilization device, wherein a high output agent or a mediator diffusion accelerator comprising a phospholipid, a derivative thereof or a polymer thereof is immobilized on the electrode in addition to the mediator .
リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とする高出力化剤。   A high-power agent comprising a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof. リン脂質またはその誘導体またはそれらの重合体からなることを特徴とするメディエータ拡散促進剤。
A mediator diffusion promoter characterized by comprising a phospholipid or a derivative thereof or a polymer thereof.
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