JP2008034122A - Biological fuel cell - Google Patents

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JP2008034122A JP2006203250A JP2006203250A JP2008034122A JP 2008034122 A JP2008034122 A JP 2008034122A JP 2006203250 A JP2006203250 A JP 2006203250A JP 2006203250 A JP2006203250 A JP 2006203250A JP 2008034122 A JP2008034122 A JP 2008034122A
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英孝 錦織
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biological fuel cell superior in diffusion performance of a base material in an electrolytic solution and capable of taking out a large current. <P>SOLUTION: The biological fuel cell has a half-cell structure which comprises a conductive substrate connected to the outside circuit, an oxidation reduction enzyme capable of electron transmission between the conductive substrate, and an electrolytic solution containing a base material of the oxidation reduction enzyme at least at one of the anode side and cathode side. At least one of the half-cell structure is provided with a base material diffusion mechanism to promote diffusion of the base material to the direction of the conductive substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、生物燃料電池に関する。   The present invention relates to a biofuel cell.

酵素は、その高い基質特異性から種々の物質の存在量を測定する分析、例えば、酵素センサー等に利用されている。酵素を利用した酵素センサーとしては、例えば、分析の対象である対象物質(基質)と酵素との酸化還元反応により生じる電流を測定し、対象物質の定量を行うセンサーがある。具体的には、グルコースを酸化する酵素とグルコースとの間における酸化還元反応に伴って発生する電流が、グルコース濃度に比例することを利用したグルコースセンサーがある。
さらに、最近では、白金等の金属触媒に代わる燃料電池用新規触媒としても期待されており、酸化還元酵素の基質を燃料とし、基質の酸化反応により電子を取り出す生物燃料電池の研究開発が進められている。
Enzymes are used in analysis for measuring the abundance of various substances due to their high substrate specificity, such as enzyme sensors. As an enzyme sensor using an enzyme, for example, there is a sensor that measures a current generated by an oxidation-reduction reaction between a target substance (substrate) to be analyzed and an enzyme, and quantifies the target substance. Specifically, there is a glucose sensor that utilizes the fact that an electric current generated with an oxidation-reduction reaction between an enzyme that oxidizes glucose and glucose is proportional to the glucose concentration.
Furthermore, recently, it is also expected as a new catalyst for fuel cells that replaces metal catalysts such as platinum, and research and development of biofuel cells that take the substrate of oxidoreductase as fuel and extract electrons by the oxidation reaction of the substrate has been promoted. ing.

例えば、特許文献1には、グルコースの酸化反応により電子を取り出す燃料電池において、グルコースデヒドロゲナーゼ、ニコチンアミドアデニンジヌレオチド、ジアフォラーゼ、及び当該ジアフォラーゼと電極との間の電子授受媒体となる電気化学メディエータを、少なくとも含むことを特徴とした燃料電池が記載されている。
また、特許文献2には、酵素と基質(燃料)と電極とを有し、これらの間での電子移動が発電に利用される電池であって、電極がカソードと特定のメディエータが固定化されてなるアノードとからなることを特徴とする生物燃料電池が記載されている。
For example, Patent Document 1 discloses, in a fuel cell that extracts electrons by an oxidation reaction of glucose, glucose dehydrogenase, nicotinamide adenine diureotide, diaphorase, and an electrochemical mediator serving as an electron transfer medium between the diaphorase and an electrode. A fuel cell characterized in that it contains at least is described.
Further, Patent Document 2 is a battery having an enzyme, a substrate (fuel), and an electrode, in which electron transfer between them is used for power generation, in which the cathode and a specific mediator are immobilized. A biofuel cell is described which is characterized by comprising:

特開2003−282124号公報JP 2003-282124 A 特開2005−79001号公報JP 2005-79001 A

燃料酸化型の酸化還元酵素を含む生物燃料電池のアノード側では、該酸化還元酵素によって燃料(基質)から取り出された電子は、該酸化還元酵素から直接、或いは、別の酸化還元酵素やその他電子伝達媒介物質(電子メディエータ)等を介して、アノード電極へと伝達される。一方、酸化剤還元型の酸化還元酵素を含む生物燃料電池のカソード側では、アノード電極から外部回路を経てカソード電極へと移動してきた電子は、酸化剤(基質)を還元する酸化還元酵素へ直接、或いは、別の酸化還元酵素やその他電子伝達媒介物質等を介して酸化剤を還元する酸化還元酵素へと伝達され、さらに酸化還元酵素から酸化剤へと伝達される。   On the anode side of a biofuel cell containing a fuel oxidation type oxidoreductase, electrons extracted from the fuel (substrate) by the oxidoreductase are directly from the oxidoreductase, or another oxidoreductase or other electrons. It is transmitted to the anode electrode via a transmission mediator (electron mediator) or the like. On the other hand, on the cathode side of a biofuel cell containing an oxidant-reducing type oxidoreductase, electrons that have moved from the anode electrode to the cathode electrode through an external circuit directly to the oxidoreductase that reduces the oxidant (substrate). Alternatively, it is transmitted to an oxidoreductase that reduces the oxidant via another oxidoreductase or other electron transfer mediator, and further transmitted from the oxidoreductase to the oxidant.

酸化還元酵素は、基質(燃料又は酸化剤)と共に電解液内に分散させる形態の他、導電体よりなる電極表面に固定化させる形態(アノード電極表面に燃料酸化型の酸化還元酵素を固定或いはカソード電極表面に酸化剤還元型の酸化還元酵素を固定)もある。分散型及び固定型に関わらず、アノード電極近傍に存在する燃料酸化型酸化還元酵素又はカソード電極近傍に存在する酸化剤還元型酸化還元酵素は、電極との間の電子伝達性に優れ、燃料の酸化反応又は酸化剤の還元反応を円滑に進行させる。   The oxidoreductase is dispersed in the electrolyte together with the substrate (fuel or oxidant), or is immobilized on the electrode surface made of a conductor (fuel oxidation type oxidoreductase is immobilized on the anode electrode surface or the cathode. There is also an oxidant reducing type oxidoreductase immobilized on the electrode surface). Regardless of the dispersion type or the fixed type, the fuel oxidation type redox enzyme present near the anode electrode or the oxidant reduction type redox enzyme present near the cathode electrode is excellent in electron transfer between the electrode and the fuel. The oxidation reaction or the reduction reaction of the oxidizing agent proceeds smoothly.

従って、酸化還元酵素による基質の酸化還元反応(燃料の酸化反応又は酸化剤の還元反応)は電極近傍において活発に進行し、燃料が消費されるアノード電極近傍では燃料濃度が低下し、酸化剤が消費されるカソード電極近傍では酸化剤濃度が低下する。このとき、電極近傍への燃料又は酸化剤の拡散がスムーズに行われないと、電極近傍に存在し、電極とのスムーズな電子伝達が可能な酸化還元酵素が有効に働かなくなる。
しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載の生物燃料電池のような従来の生物燃料電池では、燃料や酸化剤である酸化還元酵素の基質の電解液における拡散性が低いため、電極反応である燃料の酸化反応や酸化剤の還元反応が効率よく進行せず、大きな発電電流を得ることができなかった。
Accordingly, the oxidation-reduction reaction of the substrate by the oxidoreductase (fuel oxidation reaction or oxidant reduction reaction) proceeds actively in the vicinity of the electrode, and the fuel concentration decreases in the vicinity of the anode electrode where the fuel is consumed. In the vicinity of the consumed cathode electrode, the oxidant concentration decreases. At this time, if the fuel or the oxidant is not smoothly diffused in the vicinity of the electrode, the oxidoreductase existing in the vicinity of the electrode and capable of smooth electron transfer with the electrode does not work effectively.
However, in the conventional biofuel cell such as the biofuel cell described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the diffusivity in the electrolyte of the substrate of the oxidoreductase, which is a fuel or an oxidant, is low, and this is an electrode reaction. The oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant did not proceed efficiently and a large generated current could not be obtained.

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、電解液における基質の拡散性に優れ、高電流を取り出すことが可能な生物燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a biofuel cell that is excellent in diffusibility of a substrate in an electrolytic solution and can take out a high current.

本発明の生物燃料電池は、アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とするものである。   The biofuel cell of the present invention comprises a conductive substrate connected to an external circuit on at least one of the anode side and the cathode side, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive substrate, A biofuel cell having a half-cell structure including an electrolyte containing the oxidoreductase substrate, wherein the at least one half-cell structure diffuses the substrate in the direction of the conductive substrate. It is characterized by having a substrate diffusion mechanism to promote.

電解液に分散又は溶解された基質の酸化及び/又は還元により電流を取出す生物燃料電池において、電極近傍への基質の拡散を促進することによって、電極近傍に存在する酸化還元酵素による基質の酸化反応又は還元反応がスムーズに進行するため、高い発電性能が得られる。   In a biofuel cell that extracts current by oxidation and / or reduction of a substrate dispersed or dissolved in an electrolyte, the substrate oxidation reaction by the oxidoreductase present in the vicinity of the electrode is promoted by promoting the diffusion of the substrate in the vicinity of the electrode. Alternatively, since the reduction reaction proceeds smoothly, high power generation performance can be obtained.

前記基質拡散機構の具体例としては、超音波振動子が挙げられる。超音波振動子により電解液を加振することで、電解液内における基質の拡散が促進され、基質が消費されて基質濃度が低下した電極近傍に存在する酸化還元酵素へ、基質が滞りなく供給される。その結果、電極反応である基質の酸化反応又は還元反応の進行が促進されるため、大電流を取出すことが可能な優れた電池特性を示す生物燃料電池が得られる。   A specific example of the substrate diffusion mechanism is an ultrasonic transducer. By oscillating the electrolyte with an ultrasonic vibrator, diffusion of the substrate in the electrolyte is promoted, and the substrate is consumed and supplied to the oxidoreductase in the vicinity of the electrode where the substrate is consumed and the substrate concentration is reduced. Is done. As a result, since the progress of the oxidation reaction or reduction reaction of the substrate, which is an electrode reaction, is promoted, a biofuel cell exhibiting excellent battery characteristics capable of taking out a large current can be obtained.

前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の円滑な電子伝達の観点から、前記半電池構造は、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含むことが好ましい。   From the viewpoint of smooth electron transfer between the conductive substrate and the oxidoreductase, the half-cell structure includes an electron mediator that mediates electron transfer between the conductive substrate and the oxidoreductase. It is preferable to include.

また、得られる電池特性の観点から、本発明の生物燃料電池は、少なくとも、アノード側に前記半電池構造を有し、該半電池構造がアノード側酸化還元酵素の基質である燃料の前記導電性基材への拡散を促進する基質拡散機構を備えることが好ましい。このとき、前記燃料としては、例えば、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類の炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも1種が挙げられ、具体的には、エタノール、メタノール及びグルコースより選ばれる少なくとも1種が好ましく用いられる。   From the viewpoint of the obtained battery characteristics, the biofuel cell of the present invention has at least the half-cell structure on the anode side, and the conductivity of the fuel in which the half-cell structure is a substrate for the anode-side oxidoreductase. It is preferable to provide a substrate diffusion mechanism that promotes diffusion to the substrate. At this time, examples of the fuel include at least one selected from hydrocarbon compounds such as alcohols, aldehydes, saccharides, and ketones, and specifically, at least one selected from ethanol, methanol, and glucose. Species are preferably used.

本発明の生物燃料電池は、基質の拡散促進効果により優れた発電特性を示し、高い発電電流を得ることが可能である。   The biofuel cell of the present invention exhibits excellent power generation characteristics due to the substrate diffusion promoting effect, and can obtain a high power generation current.

本発明の生物燃料電池は、アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とするものである。   The biofuel cell of the present invention comprises a conductive substrate connected to an external circuit on at least one of the anode side and the cathode side, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive substrate, A biofuel cell having a half-cell structure including an electrolyte containing the oxidoreductase substrate, wherein the at least one half-cell structure diffuses the substrate in the direction of the conductive substrate. It is characterized by having a substrate diffusion mechanism to promote.

ここで、図1を用いて、本発明の生物燃料電池の一実施形態例を説明する。
まず、GDH(グルコースデヒドロゲナーゼ)等の酸化還元酵素が燃料であるグルコース等の基質を酸化し、電子を受け取る。次に、電子を受け取った酸化還元酵素は、通常、該酸化還元酵素と電極との間の電子伝達を仲介する電子メディエータに電子を受け渡し、該電子メディエータによって導電性基材(アノード電極)へ電子が受け渡される。そして、アノード電極である導電性基材から外部回路を通ってカソード電極に電子が到達することで、電流が発生する。上記過程において発生するプロトン(H)は、プロトン伝導膜又はプロトン伝導膜のない電解液内をカソード電極まで移動する。そして、カソード電極では、電解液内を移動してきて到達したプロトンと、外部回路を経てアノード側から移動してきた電子と、酸素や過酸化水素等の酸化剤(カソード側基質)とが反応して水が生成される。
Here, an embodiment of the biofuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
First, an oxidoreductase such as GDH (glucose dehydrogenase) oxidizes a substrate such as glucose as a fuel and receives electrons. Next, the oxidoreductase that has received the electrons usually delivers the electrons to an electron mediator that mediates electron transfer between the oxidoreductase and the electrode, and the electrons are transferred to the conductive substrate (anode electrode) by the electron mediator. Is passed. And an electric current generate | occur | produces when an electron reaches | attains a cathode electrode through an external circuit from the electroconductive base material which is an anode electrode. Protons (H + ) generated in the above process move to the cathode electrode in the electrolyte solution without the proton conducting membrane or the proton conducting membrane. In the cathode electrode, protons that have moved through the electrolyte solution, electrons that have moved from the anode side through the external circuit, and an oxidizing agent (cathode side substrate) such as oxygen or hydrogen peroxide react with each other. Water is produced.

上述したように、酸化還元酵素による燃料の酸化により電流を取り出すアノード側半電池構造を有する生物燃料電池において、発電に有効な燃料の酸化反応は、アノード電極である導電性基材の近傍において進行する。すなわち、アノード側において、燃料を酸化して電子を受け取る(還元型酸化還元酵素)→該電子を電極又は電子メディエータ等へ受け渡す(酸化型酸化還元酵素)→再び燃料を酸化して電子を受け取る(還元型酸化還元酵素)というサイクルを効率的に繰り返すことができるのは、電子を受け渡す相手であるアノード電極の近傍に存在する酸化還元酵素である。燃料を酸化し電子を受け取った酸化還元酵素が電極へ円滑に電子を受け渡すことができなければ、この燃料の酸化反応は発電に有効とならない。   As described above, in a biofuel cell having an anode-side half-cell structure in which an electric current is extracted by oxidation of fuel by an oxidoreductase, the oxidation reaction of the fuel effective for power generation proceeds in the vicinity of the conductive substrate that is the anode electrode. To do. That is, on the anode side, the fuel is oxidized to receive electrons (reduced oxidoreductase) → the electrons are transferred to an electrode or an electron mediator or the like (oxidized oxidoreductase) → The fuel is oxidized again to receive electrons. It is the oxidoreductase present in the vicinity of the anode electrode that is the partner to which the electron is transferred that can efficiently repeat the cycle of (reduced oxidoreductase). If the oxidoreductase that oxidizes the fuel and receives the electrons cannot smoothly deliver the electrons to the electrodes, the oxidation reaction of the fuel will not be effective for power generation.

また、酸化還元酵素による酸化剤の還元により電流を取出すカソード側半電池構造を有する生物燃料電池において、発電に有効な酸化剤の還元反応は、カソード電極である導電性基材の近傍において進行する。すなわち、カソード側において、電極又は電子メディエータ等から電子を受け取る(還元型酸化還元酵素)→該電子を酸化剤へ受け渡す(酸化型酸化還元酵素)→再び電極又は電子メディエータ等から電子を受け取る(還元型酸化還元酵素)というサイクルを効率的に繰り返すことができるのは、電子を受けとる相手であるカソード電極の近傍に存在する酸化還元酵素である。酸化還元酵素が電極から円滑に電子を受け取ることができなければ、酸化剤の還元反応が進行せず、大電流を取り出すことができない。   Further, in a biofuel cell having a cathode-side half-cell structure that takes out current by reducing the oxidant with an oxidoreductase, the reduction reaction of the oxidant effective for power generation proceeds in the vicinity of the conductive substrate that is the cathode electrode. . That is, on the cathode side, electrons are received from an electrode or an electron mediator (reduced oxidoreductase) → the electrons are transferred to an oxidizing agent (oxidized oxidoreductase) → an electron is again received from the electrode or electron mediator ( It is the oxidoreductase present in the vicinity of the cathode electrode that is the partner that receives the electrons that can efficiently repeat the cycle of reductive oxidoreductase). If the oxidoreductase cannot smoothly receive electrons from the electrode, the reduction reaction of the oxidant does not proceed and a large current cannot be taken out.

以上のように、酸化還元酵素の基質である燃料や酸化剤の酸化反応又は還元反応は、電極近傍において活発に進行することになり、電極近傍において電解液内の基質は集中的に消費され、その濃度が低下する。このような電極近傍における基質不足状態の発生により、電極近傍に存在する酸化還元酵素と基質との接触確率が減少すると、基質の酸化反応又は還元反応が円滑に進行しなくなる。その結果、燃料電池は充分な発電量を維持することができなくなる。   As described above, the oxidation reaction or reduction reaction of the fuel or oxidant, which is a substrate of the oxidoreductase, proceeds actively in the vicinity of the electrode, and the substrate in the electrolyte solution is intensively consumed in the vicinity of the electrode, Its concentration decreases. When the contact probability between the oxidoreductase existing in the vicinity of the electrode and the substrate decreases due to the occurrence of the substrate shortage state in the vicinity of the electrode, the oxidation reaction or reduction reaction of the substrate does not proceed smoothly. As a result, the fuel cell cannot maintain a sufficient power generation amount.

そこで、本発明では、基質拡散機構により基質の電極である導電性基材の方向への拡散を促進することによって、電極近傍における基質の濃度を高レベルに維持できるようにし、電極近傍に存在し、発電に有効に機能する酸化還元酵素と、基質との接触確率を高めることを可能にした。電極近傍における酸化還元酵素と基質との接触確率を高めることによって、電極近傍において基質の酸化反応又は還元反応が円滑に進行し、優れた発電性能を示す生物燃料電池を提供することができる。   Therefore, in the present invention, the substrate diffusion mechanism facilitates diffusion in the direction of the conductive substrate that is the substrate electrode, so that the concentration of the substrate in the vicinity of the electrode can be maintained at a high level, and is present in the vicinity of the electrode. This makes it possible to increase the contact probability between the oxidoreductase functioning effectively for power generation and the substrate. By increasing the probability of contact between the oxidoreductase and the substrate in the vicinity of the electrode, a biofuel cell can be provided in which the oxidation or reduction reaction of the substrate proceeds smoothly in the vicinity of the electrode and exhibits excellent power generation performance.

本発明において、基質拡散機構とは、電解液内の基質が電極(アノード電極又はカソード電極)である導電性基材の方向へ拡散するのを促進し、導電性基材よりなる電極近傍の基質濃度を高レベルに維持することを可能とするものであれば、特に限定されない。例えば、電解液内における濃度勾配に従う燃料の自発的移動を促進するものの他、外力により基質の運動を増加させるものも含まれる。   In the present invention, the substrate diffusion mechanism refers to a substrate in the vicinity of an electrode made of a conductive substrate that promotes diffusion of the substrate in the electrolyte toward the conductive substrate that is an electrode (anode electrode or cathode electrode). There is no particular limitation as long as the concentration can be maintained at a high level. For example, in addition to those that promote the spontaneous movement of fuel according to the concentration gradient in the electrolyte, those that increase the movement of the substrate by external force are also included.

外力により基質の運動を増加させるものとして、具体的には、電解液に対流を生じさせ、対流により電解液の溶質である基質の拡散を促進するものや、電解液に振動を加えて、振動により電解液内の基質の拡散を促進するもの等が挙げられる。   Specifically, the movement of the substrate is increased by external force. Specifically, it causes convection in the electrolyte and promotes diffusion of the substrate that is the solute of the electrolyte by convection. And those that promote the diffusion of the substrate in the electrolyte.

電解液の対流を生じさせる方法としては、例えば、基質が分散された電解液を攪拌する方法等が挙げられる。電解液の攪拌方法としては特に限定されない。また、電解液に振動を加える方法としては、超音波振動子による加振等が挙げられる。   Examples of the method for causing convection of the electrolytic solution include a method of stirring the electrolytic solution in which the substrate is dispersed. The method for stirring the electrolytic solution is not particularly limited. Moreover, as a method of applying vibration to the electrolytic solution, there is an excitation by an ultrasonic vibrator.

基質拡散機構としては、生物燃料電池への組み込みやすさ、設計容易性等の観点から、超音波振動子による電解液への加振が好適である。   As the substrate diffusion mechanism, excitation to the electrolyte solution with an ultrasonic vibrator is preferable from the viewpoint of ease of incorporation into a biofuel cell, ease of design, and the like.

尚、基質や基質を含む電解液を流通させるような電池構成であっても、該基質又は基質を含む電解液の流通速度によっては、上記のような基質拡散機構による基質の拡散効果が充分得られるため、本発明の生物燃料電池は、基質の供給が行われない閉鎖系の形態以外にも、基質の供給を行うことが可能な形態に適用してもよい。   Even in a battery configuration in which a substrate or an electrolyte containing the substrate is distributed, depending on the distribution speed of the substrate or the electrolyte containing the substrate, a sufficient substrate diffusion effect by the substrate diffusion mechanism as described above can be obtained. Therefore, the biofuel cell of the present invention may be applied to a form capable of supplying a substrate other than a closed system in which the substrate is not supplied.

電極を構成する導電性基材としては、特に限定されず、一般的なものを用いることができる。例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等の導電性炭素質からなるものや、金、チタン等の金属からなるものを用いることができる。   It does not specifically limit as an electroconductive base material which comprises an electrode, A general thing can be used. For example, those made of conductive carbon such as graphite, carbon black and activated carbon, and those made of metal such as gold and titanium can be used.

本発明の生物燃料電池は、アノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよいし、カソード側に前記半電池構造を有し、カソード電極である導電性基材への酸化剤の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよいし、或いは、アノード側及びカソード側に前記半電池構造を有し、アノード側電極への燃料の拡散を促進する基質拡散機構及びカソード電極への酸化剤の拡散を促進する基質拡散機構を備える形態でもよい。
得られる発電性能の高さから、本発明の生物燃料電池は、少なくともアノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備えることが好ましい。
The biofuel cell of the present invention may have a form of a half cell structure on the anode side and a substrate diffusion mechanism that promotes the diffusion of fuel to the conductive base material that is the anode electrode. It may have a battery structure and a substrate diffusion mechanism that promotes diffusion of an oxidant to a conductive substrate that is a cathode electrode, or may have the half-cell structure on the anode side and the cathode side, A form provided with a substrate diffusion mechanism for promoting the diffusion of fuel to the side electrode and a substrate diffusion mechanism for promoting the diffusion of the oxidant to the cathode electrode may be employed.
Because of the high power generation performance obtained, the biofuel cell of the present invention has the half-cell structure at least on the anode side, and includes a substrate diffusion mechanism that promotes the diffusion of fuel to the conductive substrate that is the anode electrode. It is preferable.

以下、本発明の生物燃料電池の一形態例として、アノード側に前記半電池構造を有し、アノード電極である導電性基材への燃料の拡散を促進する基質拡散機構を備える生物燃料電池を中心に説明する。
燃料としては、一般的なものを広く利用することができ、例えば、アルコール類、アルデヒド類、糖類、ケトン類よりなる炭化水素系化合物の他、水素等が挙げられる。中でも、取り扱いの容易さ等の観点から、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類よりなる炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも1種が好適である。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン等のアルコール類;ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類;グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類;ケトン類等が挙げられる。その他にも、脂肪類、タンパク質、糖等の代謝中間生成物、これら混合物などを用いることができる。
Hereinafter, as one embodiment of the biofuel cell of the present invention, a biofuel cell having the half-cell structure on the anode side and provided with a substrate diffusion mechanism that promotes the diffusion of fuel to the conductive substrate that is the anode electrode is provided. The explanation is centered.
As a fuel, a general thing can be utilized widely, For example, hydrogen etc. other than the hydrocarbon type compound which consists of alcohols, aldehydes, saccharides, and ketones are mentioned. Among them, at least one selected from hydrocarbon compounds composed of alcohols, aldehydes, saccharides, and ketones is preferable from the viewpoint of ease of handling and the like. Specific examples include alcohols such as methanol, ethanol, propanol and glycerin; aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde; saccharides such as glucose, fructose and sorbose; ketones and the like. In addition, metabolic intermediate products such as fats, proteins, and sugars, and mixtures thereof can be used.

中でも、分子量が大きく、濃度勾配等による自発的な拡散性が低いグルコース等を燃料として用いる場合、本発明により得られる効果が特に高いものとなる。また、入手の容易性、取り扱いの容易性等の観点からは、エタノール、メタノール、グルコースが好適に用いられる。   Among these, when glucose or the like having a large molecular weight and low spontaneous diffusivity due to a concentration gradient or the like is used as a fuel, the effect obtained by the present invention is particularly high. In addition, ethanol, methanol, and glucose are preferably used from the viewpoints of easy availability and ease of handling.

燃料である基質を酸化する酸化還元酵素としては、特に限定されず、用いる燃料に応じて適宜選択すればよい。例えば、デヒドロゲナーゼや、オキシダーゼ等を用いることができる。具体的には、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(GOD)、アルコールオキシダーゼ(AOD)、アルデヒドオキシダーゼ等が挙げられる。燃料の入手及び管理の容易さ、並びに安全性の観点からGDH、ADH、GOD、AODが好ましく用いられる。酵素は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The oxidoreductase that oxidizes the substrate as the fuel is not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the fuel to be used. For example, dehydrogenase or oxidase can be used. Specific examples include glucose dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), aldehyde dehydrogenase, glucose oxidase (GOD), alcohol oxidase (AOD), and aldehyde oxidase. GDH, ADH, GOD, and AOD are preferably used from the viewpoints of fuel availability and management, and safety. Only one kind of enzyme may be used alone, or two or more kinds of enzymes may be used in combination.

酸化還元酵素は、基質と接触して基質を酸化又は還元することができれば、基質と共に電解液内に分散されていてもよいし、或いは、導電性基材の表面に固定されていてもよい。導電性基材の表面に固定する方法としては特に限定されず、一般的な方法に準じて行うことができる。例えば、酸化還元酵素同士又は酸化還元酵素と導電性基材又は酸化還元酵素と導電性基材上の担体とを共有結合させうる反応性基を有するポリエチレングリコールジグリシジル(PEGDE)やグルタルアルデヒド等の架橋試薬を用いたり、或いは、酵素と静電相互作用を有するポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリアミノ酸、ポリピロール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等のイオン性ポリマーを固化することにより、酸化還元酵素を導電性表面に固定化する方法等が挙げられる。
導電性基材との円滑な電子伝達の観点から、通常、酵素は電極表面に固定化されることが好ましい。
The oxidoreductase may be dispersed in the electrolytic solution together with the substrate or may be fixed on the surface of the conductive substrate as long as it can contact the substrate to oxidize or reduce the substrate. It does not specifically limit as a method to fix to the surface of an electroconductive base material, It can carry out according to a general method. For example, polyethylene glycol diglycidyl (PEGDE) or glutaraldehyde having a reactive group capable of covalently bonding oxidoreductases or oxidoreductases and conductive substrates or oxidoreductases and carriers on conductive substrates. Make oxidoreductase conductive by solidifying ionic polymers such as polyvinyl imidazole, polyallylamine, polyamino acid, polypyrrole, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, etc. that use a crosslinking reagent or have electrostatic interaction with the enzyme. A method of immobilizing on the surface is mentioned.
In general, the enzyme is preferably immobilized on the electrode surface from the viewpoint of smooth electron transfer with the conductive substrate.

また、上記半電池構造は、酸化還元酵素と導電性基材間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含有していてもよい。一般的に、酸化還元酵素の分子構造上、酸化還元酵素と導電性基材との間では効率よく電子移動を行うことが難しい場合が多い。そのため、酸化還元酵素と電極との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを用いることで、酵素−導電性基材間の電子移動を円滑に進行させることができる。   The half-cell structure may contain an electron mediator that mediates electron transfer between the oxidoreductase and the conductive substrate. In general, due to the molecular structure of oxidoreductase, it is often difficult to efficiently transfer electrons between the oxidoreductase and the conductive substrate. Therefore, by using an electron mediator that mediates electron transfer between the oxidoreductase and the electrode, the electron transfer between the enzyme and the conductive substrate can be smoothly advanced.

電子メディエータとしては、用いる酸化還元酵素に応じて一般的に用いられている物質の中から適宜選択すればよい。例えば、Os、Fe、Ru、Co、Cu、Ni、V、Mo、Cr、Mn、Pt、W等の金属元素を中心金属とする金属錯体;ビオローゲン等の複素環式化合物等が挙げられる。   The electron mediator may be appropriately selected from commonly used substances according to the oxidoreductase used. Examples thereof include metal complexes having a metal element such as Os, Fe, Ru, Co, Cu, Ni, V, Mo, Cr, Mn, Pt, and W as a central metal; heterocyclic compounds such as viologen, and the like.

電子メディエータも、酸化還元酵素同様、円滑な電子伝達進行の観点から、導電性基材に固定化されることが好ましい。固定化方法としては、一般的な方法に準じることができ、例えば、既述した酸化還元酵素の固定化方法等を利用することができる。   Similarly to the oxidoreductase, the electron mediator is preferably immobilized on a conductive substrate from the viewpoint of smooth electron transfer. As an immobilization method, a general method can be applied, and for example, the oxidoreductase immobilization method described above can be used.

尚、本発明の生物燃料電池において、燃料又は酸化剤である基質を酸化又は還元する酸化還元酵素と、導電性基材との間の電子伝達は、酸化還元酵素−導電性基材間で直接行われてもよいし、上記したような電子メディエータを介して行われてもよいし、他の酸化還元酵素を介して行われてもよい。   In the biofuel cell of the present invention, electron transfer between an oxidoreductase that oxidizes or reduces a substrate that is a fuel or an oxidant and a conductive substrate is directly performed between the oxidoreductase and the conductive substrate. It may be carried out, may be carried out via an electron mediator as described above, or may be carried out via another oxidoreductase.

基質である燃料や酸化剤が分散又は溶解される電解液は、電極反応である酸化反応又は還元反応が効率よく定常的に進行するように、トリス緩衝液、リン酸緩衝液、モルホリノプロパンスルホン酸(MOPS)等の緩衝液によって、最適なpH、例えば、pH7付近に維持されることが好ましい。また、電極反応が効率よく定常的に進行するようにするためには、例えば、20〜30℃程度に維持されていることが好ましい。   The electrolyte solution in which the fuel or oxidant as the substrate is dispersed or dissolved is used in the tris buffer solution, phosphate buffer solution, morpholinopropane sulfonic acid so that the oxidation reaction or reduction reaction that is an electrode reaction proceeds efficiently and constantly. It is preferably maintained at an optimum pH, for example, around pH 7, by a buffer solution such as (MOPS). Moreover, in order to make an electrode reaction advance efficiently and stably, it is preferable to maintain at about 20-30 degreeC, for example.

上記のような半電池構造を有するアノードと対をなすカソードとしては、例えば、酸化剤の還元反応に有効な触媒である白金や白金合金等、燃料電池において一般的に用いられている電極触媒を、グラファイト、カーボンブラック、活性炭のような炭素質材料、又は金、チタン等からなる導電体に担持させたものや、白金や白金合金等の電極触媒そのものからなる導電体をカソード電極として用い、酸化剤を電極触媒に供給するような形態とすることができる。   As the cathode paired with the anode having the half-cell structure as described above, for example, an electrode catalyst generally used in a fuel cell such as platinum or a platinum alloy which is an effective catalyst for a reduction reaction of an oxidant is used. Using a cathode made of a carbonaceous material such as graphite, carbon black, activated carbon, or a conductor made of gold, titanium or the like, or a conductor made of an electrode catalyst such as platinum or a platinum alloy. The agent can be supplied to the electrode catalyst.

或いは、上記のような半電池構造を有するアノードと対をなすカソードを、酸化剤拡散機構を備える又は備えていない上記半電池構造を有する形態としてもよい。酸化剤を還元する酸化還元酵素としては、ラッカーゼやビリルビンオキシターゼ等の公知のものが挙げられる。酸化剤を還元する触媒として酸化還元酵素を用いる場合には、必要に応じて、公知の電子メディエータを用いてもよい。
酸化剤としては、酸素、過酸化水素等が挙げられる。
カソードにおける電極反応を妨害する不純物による影響を回避するために、ジメチルポリシロキサン等の酸素選択性の膜をカソード電極の周囲に配置してもよい。
Alternatively, the cathode paired with the anode having the half-cell structure as described above may have a form having the half-cell structure with or without the oxidant diffusion mechanism. Examples of the oxidoreductase that reduces the oxidant include known ones such as laccase and bilirubin oxidase. When an oxidoreductase is used as a catalyst for reducing the oxidant, a known electron mediator may be used as necessary.
Examples of the oxidizing agent include oxygen and hydrogen peroxide.
In order to avoid the influence of impurities that hinder the electrode reaction at the cathode, an oxygen selective membrane such as dimethylpolysiloxane may be disposed around the cathode electrode.

[基質酸化型酵素電極の作製]
カーボンペーパー(Φ10mm)の表面に、マイクロピペットを用いて、まず、ポリ(1−ビニルイミダゾール)とOs(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジン)Clとの複合体(以下、PVI−Osとする。)の15mg/ml水溶液を8μl滴下した。続いて、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)の5mg/mLリン酸緩衝溶液を8μl滴下した。次に、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(PEGDE)の3mg/ml水溶液を8μl滴下した。
これを常温で一晩放置して乾燥させ、PVI−Osのポリビニルイミダゾール鎖にPEGDEを介してGDHを結合させることにより、カーボンシート表面に酵素であるGDHとメディエータであるPVI−Osとを固定した。
図3に示すようにして、上記にて酸化還元酵素と電子メディエータとを固定したカーボンペーパーを、外部回路と接続されたカーボン芯を有する部材の先端に、ナイロン製ネット及びOリングで固定し、基質酸化型酵素電極(試料極)とした。
[Preparation of substrate oxidation enzyme electrode]
First, a composite of poly (1-vinylimidazole) and Os (4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine) 2 Cl (hereinafter, referred to as “poly (1-vinylimidazole)”) was used on the surface of carbon paper (Φ10 mm). 8 μl of a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os. Subsequently, 8 μl of 5 mg / mL phosphate buffer solution of glucose dehydrogenase (GDH) was dropped. Next, 8 μl of a 3 mg / ml aqueous solution of polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE) was dropped.
This was left to stand overnight at room temperature and dried, and GDH as an enzyme and PVI-Os as a mediator were fixed on the surface of the carbon sheet by binding GDH to the polyvinylimidazole chain of PVI-Os via PEGDE. .
As shown in FIG. 3, the carbon paper in which the oxidoreductase and the electron mediator are fixed as described above is fixed to the tip of a member having a carbon core connected to an external circuit with a nylon net and an O-ring, A substrate oxidized enzyme electrode (sample electrode) was used.

[発電試験]
(実施例)
上記試料極を用いて、下記条件下、超音波振動子により電解液を加振しながら発電試験(3電極式電気化学評価。図4参照)を行った。結果を図2に示す。尚、参照極としてAg/AgCl、対極としてPtワイヤーを用いた。
[Power generation test]
(Example)
Using the sample electrode, a power generation test (three-electrode electrochemical evaluation, see FIG. 4) was performed while vibrating the electrolyte solution with an ultrasonic vibrator under the following conditions. The results are shown in FIG. In addition, Ag / AgCl 2 was used as a reference electrode, and a Pt wire was used as a counter electrode.

<試験条件>
・温度:室温(約27℃)
・電解液:MOPS 30mM、CaCl 3mM、KCl 100mM、及びグルコース0.1Mを含む水溶液(pH7.0)
<Test conditions>
・ Temperature: Room temperature (about 27 ℃)
Electrolyte solution: aqueous solution (pH 7.0) containing MOPS 30 mM, CaCl 2 3 mM, KCl 100 mM, and glucose 0.1 M

(比較例)
実施例において、超音波振動子による電解液の加振を行わなかった以外は、同様にして発電試験を行った。結果を図2に合わせて示す。
(Comparative example)
In the examples, a power generation test was conducted in the same manner except that the electrolyte was not vibrated with an ultrasonic vibrator. The results are shown in FIG.

<結果>
図2に示すように、超音波振動子により電解液に振動を加え、燃料であるグルコースの電極への拡散を促進させた実施例は、グルコースの拡散を促進させる基質拡散機構を用いなかった比較例と比べて、高電位範囲における電流密度の向上が確認できた。これは、比較例においては、グルコースの拡散性が悪く、電極表面に固定されたGDHへのグルコース供給が不十分であったのに対して、実施例においては、超音波振動子による電解液への加振により、電極へとグルコースが拡散し、常に充分量のグルコースが電極表面に固定されたGDHに供給されたためである。
<Result>
As shown in FIG. 2, the example in which the electrolyte is vibrated by an ultrasonic vibrator and the diffusion of glucose as a fuel to the electrode is promoted is a comparison in which the substrate diffusion mechanism that promotes the diffusion of glucose is not used. Compared to the example, an improvement in current density in the high potential range was confirmed. This is because, in the comparative example, the diffusibility of glucose was poor, and the glucose supply to the GDH fixed on the electrode surface was insufficient. This is because glucose was diffused to the electrode due to the excitation of, and a sufficient amount of glucose was always supplied to the GDH fixed to the electrode surface.

本発明の酵素電極を備えた生物燃料電池の一形態例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows one example of the biofuel cell provided with the enzyme electrode of this invention. 実施例における評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result in an Example. 実施例における酵素電極の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the preparation methods of the enzyme electrode in an Example. 実施例における発電試験(三電極式電気化学評価)の評価系を示す図である。It is a figure which shows the evaluation system of the electric power generation test (three-electrode-type electrochemical evaluation) in an Example.

Claims (6)

アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、該酸化還元酵素の基質を含有する電解液と、を含む半電池構造を有する生物燃料電池であって、
前記少なくとも一方の半電池構造が、前記基質の前記導電性基材の方向への拡散を促進する基質拡散機構を備えることを特徴とする、生物燃料電池。
At least one of the anode side and the cathode side contains a conductive substrate connected to an external circuit, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive substrate, and a substrate of the oxidoreductase A biofuel cell having a half-cell structure comprising:
The biofuel cell, wherein the at least one half-cell structure includes a substrate diffusion mechanism that promotes diffusion of the substrate in the direction of the conductive substrate.
前記基質拡散機構が超音波振動子による前記電解液の加振である、請求項1に記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1, wherein the substrate diffusion mechanism is excitation of the electrolyte solution by an ultrasonic vibrator. 前記半電池構造が、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介する電子メディエータを含む、請求項1又は2に記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1 or 2, wherein the half-cell structure includes an electron mediator that mediates electron transfer between the conductive substrate and the oxidoreductase. アノード側に前記半電池構造を有し、該半電池構造が、アノード側酸化還元酵素の基質である燃料の前記導電性基材への拡散を促進する基質拡散機構を備える、請求項1乃至3のいずれかに記載の生物燃料電池。   The said half-cell structure is provided with the substrate diffusion mechanism which accelerates | stimulates the spreading | diffusion to the said electroconductive base material of the fuel which is a substrate of an anode side oxidoreductase, and has the said half-cell structure on the anode side. The biofuel cell according to any one of the above. 前記燃料が、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類よりなる炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも1種である、請求項4に記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 4, wherein the fuel is at least one selected from hydrocarbon-based compounds consisting of alcohols, aldehydes, sugars and ketones. 前記燃料が、エタノール、メタノール及びグルコースより選ばれる少なくとも1種である、請求項5に記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 5, wherein the fuel is at least one selected from ethanol, methanol, and glucose.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010113825A (en) * 2008-11-04 2010-05-20 Olympus Corp Glucose fuel cell and portable device

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