JP2009140814A - Fuel cell and electronic apparatus - Google Patents

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Takaaki Nakagawa
貴晶 中川
Ryuhei Matsumoto
隆平 松本
Masaya Tsunoda
正也 角田
Hideki Sakai
秀樹 酒井
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with an excellent function, which has an original capability of an enzyme sufficiently demonstrated when the enzyme is fixed to at least one of a positive electrode or a negative electrode; and to provide an electronic apparatus using this excellent fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell is configured such that a positive electrode 2 and a negative electrode 1 are faced through an electrolyte layer 3 and the enzyme is fixed to at least one of the positive electrode 2 or the negative electrode 1. Furthermore, electric conductivity of the electrolyte layer 3 is ≥10 mS/cm and preferably ≥50 mS/cm. NaCl, for example, is added to the electrolyte layer 3 in addition to cushioning substance such as imidazole. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池および電子機器に関し、特に、酵素を用いたバイオ燃料電池およびこのバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell and an electronic device, and is particularly suitable when applied to a biofuel cell using an enzyme and various electronic devices using the biofuel cell as a power source.

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クエン酸(TCA)回路を介して二酸化炭素(CO2 )を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+ )を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのNADHの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸(ATP)合成酵素を介して、アデノシン二リン酸(ADP)からATPを生成し、このATPは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
Accordingly, attention has been paid to the fact that biological metabolism performed in living organisms is a highly efficient energy conversion mechanism, and proposals have been made to apply this to fuel cells. The biological metabolism here includes respiration, photosynthesis and the like performed in microbial somatic cells. Biological metabolism has the characteristics that the power generation efficiency is extremely high and the reaction proceeds under mild conditions of about room temperature.
For example, respiration takes nutrients such as sugars, fats, and proteins into microorganisms or cells, and these chemical energies are converted into carbon dioxide (glycolytic and citrate (TCA) circuits through multiple enzymatic reaction steps and carbon dioxide (TCA) circuit. In the process of generating CO 2 ), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) is reduced to reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) to convert it into redox energy, that is, electric energy, and further, an electron transfer system In this mechanism, the electric energy of NADH is directly converted into electric energy of proton gradient, and oxygen is reduced to generate water. The electrical energy obtained here produces ATP from adenosine diphosphate (ADP) via adenosine triphosphate (ATP) synthase, and this ATP is used for reactions necessary for the growth of microorganisms and cells. Used. Such energy conversion occurs in the cytosol and mitochondria.

また、光合成は、光エネルギーを取り込み、電子伝達系を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP+ )を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)とすることで電気エネルギーに変換する過程で、水を酸化し酸素を生成する機構である。この電気エネルギーは、CO2 を取り込み炭素固定化反応に利用され、炭水化物の合成に利用される。
上述のような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メディエーターを介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている(例えば、特許文献1参照。)。
In addition, photosynthesis captures light energy and reduces nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) via an electron transfer system to reduce nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), thereby converting it into electrical energy. In the process of conversion, it is a mechanism that oxidizes water to produce oxygen. This electric energy takes in CO 2 and is used for carbon fixation reaction, and is used for carbohydrate synthesis.
As a technique for utilizing the above-described biometabolism for a fuel cell, a microbial cell that obtains an electric current by taking out the electric energy generated in the microorganism through the electron mediator and passing the electrons to the electrode has been reported. (For example, refer to Patent Document 1).

しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、上述の方法では望まない反応に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2〜13参照。)。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類を用いたものが開発されている。
このバイオ燃料電池においては一般に、電解質のイオン濃度は小さい方が好ましいと考えられていた。それは、電解質のイオンが、触媒として用いられる酵素の活性を低くすると考えられていたためである。
However, since microorganisms and cells have many unnecessary reactions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy, the above method consumes electrical energy for unwanted reactions and has sufficient energy conversion efficiency. Is not demonstrated.
Then, the fuel cell (biofuel cell) which performs only a desired reaction using an enzyme is proposed (for example, refer patent documents 2-13). In this biofuel cell, a fuel is decomposed by an enzyme and separated into protons and electrons, and those using alcohols such as methanol and ethanol or monosaccharides such as glucose have been developed as fuel.
In this biofuel cell, it was generally considered that a smaller ion concentration of the electrolyte was preferable. This is because electrolyte ions were thought to lower the activity of the enzyme used as a catalyst.

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 特開2005−310613号公報JP 2005-310613 A 特開2006−24555号公報JP 2006-24555 A 特開2006−49215号公報JP 2006-49215 A 特開2006−93090号公報JP 2006-93090 A 特開2006−127957号公報JP 2006-127957 A 特開2006−156354号公報JP 2006-156354 A 特開2007−12281号公報JP 2007-12281 A 特開2007−35437号公報JP 2007-35437 A 特開2007−87627号公報JP 2007-87627 A

しかしながら、本発明者らの研究によれば、電解質のイオン濃度を小さくすると、燃料電池の出力が小さくなり、適当ではなかった。むしろ、電解質のイオン濃度を大きくすると、燃料電池の出力は大きくなることが分かった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極および負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている場合に、酵素が本来持っている能力を充分に発揮することができ、優れた性能を有する燃料電池およびこの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, according to the study by the present inventors, when the ion concentration of the electrolyte is decreased, the output of the fuel cell is decreased, which is not appropriate. Rather, it has been found that increasing the ion concentration of the electrolyte increases the output of the fuel cell.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that when the enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode, the ability inherently possessed by the enzyme can be sufficiently exerted, and excellent performance is achieved. And an electronic device using this excellent fuel cell.

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、正極と負極と電解質とを有し、典型的には、正極と負極とが電解質を介して対向した構造を有し、正極および負極の少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池(バイオ燃料電池)において、電解質のイオン濃度が大きい場合、電気伝導度で言えばこの電解質の電気伝導度が10mS/cm以上の場合の方が、燃料電池の出力が大きくなることを見出し、この知見に基づいてこの発明を案出するに至ったものである。   As a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. Typically, the positive electrode and the negative electrode face each other through the electrolyte. In a fuel cell (biofuel cell) in which an enzyme is immobilized on at least one of a positive electrode and a negative electrode, when the ion concentration of the electrolyte is large, the electric conductivity of the electrolyte is It has been found that the output of the fuel cell is larger at 10 mS / cm or more, and the present invention has been devised based on this finding.

すなわち、上記課題を解決するために、第1の発明は、
正極と負極と電解質とを有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記電解質の電気伝導度が10mS/cm以上である
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
In a fuel cell having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and an enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The electrical conductivity of the electrolyte is 10 mS / cm or more.

第2の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極と電解質とを有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記電解質の電気伝導度が10mS/cm以上であるものである
ことを特徴とするものである。
The second invention is
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
In a fuel cell having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and an enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The electrical conductivity of the electrolyte is 10 mS / cm or more.

第1および第2の発明において、燃料電池は、典型的には、正極と負極とが電解質を介して対向した構造を有する。電解質の電気伝導度は、好適には50mS/cm以上であるが、これに限定されるものではない。電解質のイオン濃度は、充分に高い緩衝能を得る観点より、一般的には0.2M以上3M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以下である。電解質は、緩衝物質(緩衝液)を含んでもよい。この緩衝物質は、一般的には、pKa が4以上10以下あるいは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。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。このイミダゾール環を含む化合物は、具体的には、例えば、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体(ヒスチジン、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、イミダゾール−2−カルボン酸エチル、イミダゾール−2−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−4−カルボン酸、イミダゾール−4,5−ジカルボン酸、イミダゾール−1−イル−酢酸、2−アセチルベンズイミダゾール、1−アセチルイミダゾール、N−アセチルイミダゾール、2−アミノベンズイミダゾール、N−(3−アミノプロピル) イミダゾール、5−アミノ−2−(トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、4−アザベンズイミダゾール、4−アザ−2−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、1−ベンジルイミダゾール、1−ブチルイミダゾール)などである。緩衝物質としては、2−アミノエタノール、トリエタノールアミン、TES(N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid)、BES(N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid)などを用いてもよい。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。電解質は、陽イオンまたは陰イオンを含んでもよい。例えば、電解質は、陽イオンとして、Naイオン、Kイオン、MgイオンおよびCaイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンを含む。あるいは、電解質は、陰イオンとして、Fイオン、Clイオン、BrイオンおよびIイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンを含む。このような電解質は、例えば、NaClやKClなどを添加することにより作製することができる。また、電解質は、HClのような酸を添加することにより作製することができる。また、電解質は、陰イオンに対する陽イオンの比、すなわち陽イオン/陰イオンが0.01以上、好適には1/3以上であるが、これに限定されるものではない。 In the first and second inventions, the fuel cell typically has a structure in which a positive electrode and a negative electrode face each other with an electrolyte interposed therebetween. The electric conductivity of the electrolyte is preferably 50 mS / cm or more, but is not limited thereto. The ion concentration of the electrolyte is generally 0.2M or more and 3M or less, preferably 0.2M or more and 2M or less, more preferably 0.4M or more and 2M or less, and more preferably, from the viewpoint of obtaining a sufficiently high buffer capacity. Is 0.8M or more and 1.2M or less. The electrolyte may include a buffer substance (buffer solution). The buffer substances are generally as long as a pK a 9 below 4 to 10 or 6 or more, or it be used What, Specific examples, dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated as Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), hydrogen citrate ion, 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-H Roxyethylpiperazine-N′-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviation tricine), glycylglycine, N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine (abbreviation) Bicine). Examples of the substance that generates dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 ) include sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ). As the buffer substance, a compound containing an imidazole ring is also preferable. Specific examples of the compound containing an imidazole ring include imidazole, triazole, pyridine derivatives, bipyridine derivatives, imidazole derivatives (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, Ethyl imidazole-2-carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetylimidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2 -Mercaptobenzimidazole, benzimidazole, 1-benzylimidazole, 1-butylimidazole) and the like. As buffer substances, 2-aminoethanol, triethanolamine, TES (N-Tris (hydroxymethyl) methyl-2-aminoethanesulfonic acid), BES (N, N-Bis (2-hydroxyethyl) -2-aminoethanesulfonic acid), etc. It may be used. The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14. The electrolyte may include a cation or an anion. For example, the electrolyte contains at least one kind of ions selected from the group consisting of Na ions, K ions, Mg ions, and Ca ions as cations. Or an electrolyte contains at least 1 or more types of ion chosen from the group which consists of F ion, Cl ion, Br ion, and I ion as an anion. Such an electrolyte can be produced, for example, by adding NaCl, KCl, or the like. The electrolyte can be prepared by adding an acid such as HCl. The electrolyte has a ratio of cation to anion, that is, cation / anion is 0.01 or more, preferably 1/3 or more, but is not limited thereto.

正極および負極に固定化される酵素は、種々のものであってよく、必要に応じて選ばれる。また、正極および負極に酵素が固定化される場合、好適には、酵素に加えて電子メディエーターが固定化される。
正極に固定化される酵素は、典型的には酸素還元酵素を含む。この酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、フェリシアン化カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば平均値で0.64×10-6mol/mm2 以上固定化する。
The enzyme immobilized on the positive electrode and the negative electrode may be various, and is selected as necessary. In addition, when an enzyme is immobilized on the positive electrode and the negative electrode, an electron mediator is preferably immobilized in addition to the enzyme.
The enzyme immobilized on the positive electrode typically includes an oxygen reductase. As this oxygen reductase, for example, bilirubin oxidase, laccase, ascorbate oxidase and the like can be used. In this case, an electron mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme. As the electron mediator, for example, potassium hexacyanoferrate, potassium ferricyanide, potassium octacyanotungstate and the like are used. The electron mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.

負極に固定化される酵素は、例えば、燃料としてグルコースのような単糖類を用いる場合には、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、通常はこれに加えて酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素を含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して電極に電子が渡される。酸化酵素としては例えばNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、補酵素としては例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+ )が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼが用いられる。 For example, when a monosaccharide such as glucose is used as the fuel, the enzyme immobilized on the negative electrode includes an oxidase that promotes and decomposes the monosaccharide and is usually reduced by the oxidase. A coenzyme oxidase that returns the coenzyme to an oxidant. By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when the coenzyme returns to the oxidized form, and the electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the electrode via the electron mediator. For example, NAD + -dependent glucose dehydrogenase (GDH) is used as the oxidase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) is used as the coenzyme, and diaphorase is used as the coenzyme oxidase.

燃料として多糖類(広義の多糖類であり、加水分解によって2分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖、四糖などのオリゴ糖を含む)を用いる場合には、好適には、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素、補酵素および電子メディエーターに加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素も固定化される。多糖類としては、具体的には、例えば、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース、ラクトースなどが挙げられる。これらは単糖類が二つ以上結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。なお、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを用い、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた場合には、グルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、マルトースのいずれかを含むものであれば、これを燃料として発電することが可能となる。なお、グルコアミラーゼはデンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼはβ−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。好適には、多糖類を分解する分解酵素も負極上に固定化される構成とし、最終的に燃料となる多糖類も負極上に固定化される構成とする。   When using polysaccharides (a broadly defined polysaccharide, which refers to all carbohydrates that produce two or more monosaccharides by hydrolysis, including oligosaccharides such as disaccharides, trisaccharides, and tetrasaccharides) as fuel, Preferably, in addition to the above-mentioned oxidase, coenzyme oxidase, coenzyme and electron mediator, a degradation enzyme that promotes degradation such as hydrolysis of polysaccharides and produces monosaccharides such as glucose is also immobilized. . Specific examples of the polysaccharide include starch, amylose, amylopectin, glycogen, cellulose, maltose, sucrose, and lactose. These are a combination of two or more monosaccharides, and any polysaccharide contains glucose as a monosaccharide of the binding unit. Note that amylose and amylopectin are components contained in starch, and starch is a mixture of amylose and amylopectin. When glucoamylase is used as a polysaccharide degrading enzyme and glucose dehydrogenase is used as an oxidase degrading monosaccharides, polysaccharides that can be decomposed to glucose by glucoamylase, such as starch, amylose, amylopectin, glycogen As long as it contains any one of maltose, it is possible to generate electricity using this as fuel. Glucoamylase is a degrading enzyme that hydrolyzes α-glucan such as starch to produce glucose, and glucose dehydrogenase is an oxidase that oxidizes β-D-glucose to D-glucono-δ-lactone. Preferably, the degradation enzyme that decomposes the polysaccharide is also immobilized on the negative electrode, and the polysaccharide that will eventually become the fuel is also immobilized on the negative electrode.

また、デンプンを燃料とする場合には、デンプンを糊化してゲル状の固形化燃料としたものを用いることもできる。この場合、好適には、糊化したデンプンを酵素などが固定化された負極に接触させ、あるいは負極上に酵素などとともに固定化する方法をとることができる。このような電極を用いると、負極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がなくなるため、例えばモバイル機器に用いたときに非常に有利である。   Further, when starch is used as fuel, it is possible to use a gelatinized fuel obtained by gelatinizing starch. In this case, it is preferable to use a method in which gelatinized starch is brought into contact with a negative electrode on which an enzyme or the like is immobilized, or is immobilized on the negative electrode together with the enzyme or the like. When such an electrode is used, the starch concentration on the negative electrode surface can be maintained at a higher level than when starch dissolved in the solution is used, the enzymatic degradation reaction becomes faster, and the output is improved. The fuel handling is easier than in the case of a solution, the fuel supply system can be simplified, and the fuel cell does not need to be used upside down, which is very advantageous when used for mobile devices, for example. .

電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物、取り分け、ナフトキノン骨格を有する化合物が用いられる。このナフトキノン骨格を有する化合物としては各種のナフトキノン誘導体を用いることが可能であるが、具体的には、例えば、2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)、2−アミノ−3−メチル−1,4−ナフトキノン(AMNQ)、2−メチル−1,4−ナフトキノン(VK3)、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)などが用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、ナフトキノン骨格を有する化合物以外に、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。キノン骨格を有する化合物、特にナフトキノン骨格を有する化合物を負極に固定化する際に用いる溶媒としては、好適にはアセトンが用いられる。このように溶媒としてアセトンを用いることにより、キノン骨格を有する化合物の溶解性を高めることができ、キノン骨格を有する化合物を負極に効率的に固定化することができる。溶媒には、必要に応じて、アセトン以外の一種または二種以上の他の溶媒を含ませてもよい。   Basically, any electron mediator may be used, but a compound having a quinone skeleton, particularly, a compound having a naphthoquinone skeleton is preferably used. As the compound having a naphthoquinone skeleton, various naphthoquinone derivatives can be used. Specifically, for example, 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1 2, 4-naphthoquinone (AMNQ), 2-methyl-1,4-naphthoquinone (VK3), 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), and the like are used. As a compound having a quinone skeleton, for example, anthraquinone or a derivative thereof can be used in addition to a compound having a naphthoquinone skeleton. In addition to the compound having a quinone skeleton, the electron mediator may contain one or two or more other compounds that function as an electron mediator, if necessary. As a solvent used when a compound having a quinone skeleton, particularly a compound having a naphthoquinone skeleton, is immobilized on the negative electrode, acetone is preferably used. Thus, by using acetone as a solvent, the solubility of the compound having a quinone skeleton can be increased, and the compound having a quinone skeleton can be efficiently immobilized on the negative electrode. If necessary, the solvent may contain one or two or more other solvents other than acetone.

酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極および正極に固定化するための固定化材としては、各種のものを用いることができるが、好適には、ポリ−L−リシン(PLL)をはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸(例えば、ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスを用いることができ、このポリイオンコンプレックスの内部に酵素、補酵素、電子メディエーターなどが含まれるようにすることができる。   Various materials can be used as an immobilizing material for immobilizing an enzyme, a coenzyme, an electron mediator, etc. on the negative electrode and the positive electrode, preferably poly-L-lysine (PLL). A polyion complex formed using a polycation or a salt thereof and a polyanion or a salt thereof such as polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)) can be used, and an enzyme is contained inside the polyion complex. , Coenzymes, electron mediators, and the like can be included.

ところで、この燃料電池の正極および負極に電子メディエーターが固定化される場合、電子メディエーターは一般に低分子であることから、溶出を完全に抑え、正極および負極に電子メディエーターが固定化された状態を長時間維持することは必ずしも容易でない。このため、正極に用いられる電子メディエーターが負極側に移動し、逆に負極に用いられる電子メディエーターが正極側に移動することが起き得るが、この場合には燃料電池の出力の低下および電気容量の低下を招くおそれがある。この問題を解消するためには、電解質として電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するものを用いることが有効である。このようにすることにより、電解質の電荷と電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷との間に斥力が働く。このため、電子メディエーターが電解質側に移動しにくくなり、電子メディエーターが電解質を透過して反対側に移動するのを効果的に抑えることができる。典型的には、電解質に、電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンまたはポリカチオンが含まれることにより、電解質が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するが、これに限定されるものではなく、他の方法により電解質が電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有するようにしてもよい。具体的には、正極および負極の少なくとも一方に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体が負電荷を有する場合には、負電荷を有するポリマー、例えばポリアニオンが電解質に含まれるようにし、電子メディエーターの酸化体または還元体が正電荷を有する場合には、正電荷を有するポリマー、例えばポリカチオンが電解質に含まれるようにする。ポリアニオンとしては、例えば、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂であるナフィオン(商品名、米国デュポン社)のほか、重クロム酸イオン(Cr2 7 2- )、パラモリブデン酸イオン([Mo7 246-)、ポリアクリル酸(例えば、ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))などを用いることができる。ポリカチオンとしては、例えば、ポリ−L−リシン(PLL)などを用いることができる。 By the way, when an electron mediator is immobilized on the positive electrode and the negative electrode of this fuel cell, since the electron mediator is generally a low molecule, elution is completely suppressed, and the state in which the electron mediator is immobilized on the positive electrode and the negative electrode is long. Maintaining time is not always easy. For this reason, the electron mediator used for the positive electrode may move to the negative electrode side, and conversely, the electron mediator used for the negative electrode may move to the positive electrode side. There is a risk of lowering. In order to solve this problem, it is effective to use an electrolyte having the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator. By doing so, a repulsive force acts between the charge of the electrolyte and the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator. For this reason, it becomes difficult for the electron mediator to move to the electrolyte side, and it is possible to effectively suppress the electron mediator from passing through the electrolyte and moving to the opposite side. Typically, the electrolyte includes a polymer having a charge of the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator, such as a polyanion or polycation, so that the electrolyte is charged in the oxidized or reduced form of the electron mediator. However, the present invention is not limited to this, and the electrolyte may have the same sign as the charge of the oxidized or reduced form of the electron mediator by other methods. Specifically, when the oxidized or reduced form of the electron mediator used for at least one of the positive electrode and the negative electrode has a negative charge, a polymer having a negative charge, such as a polyanion, is included in the electrolyte, and the electron mediator When the oxidant or reductant has a positive charge, a polymer having a positive charge, such as a polycation, is included in the electrolyte. Examples of the polyanion include Nafion (trade name, DuPont, USA), which is an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group, dichromate ion (Cr 2 O 7 2− ), paramolybdate ion ([ Mo 7 O 24 ] 6− ), polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)), or the like can be used. For example, poly-L-lysine (PLL) can be used as the polycation.

プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、不織布、パーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、PSSA−PVA(ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)や、PSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体)、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂(ナフィオン(商品名、米国デュポン社)など)などからなるものが挙げられる。   Various proton conductors can be used and are selected as necessary. Specifically, for example, cellophane, non-woven fabric, perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film, trifluorostyrene derivative Copolymer film, polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, aromatic polyether ketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol) Copolymer), an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.) and the like.

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。
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。
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.
Electronic devices may be basically any type, including both portable and stationary types, but specific examples include mobile phones, mobile devices, robots, personal computers. , Game equipment, in-vehicle equipment, home appliances, industrial products, etc.

上述のように構成されたこの発明においては、電解質の電気伝導度が10mS/cm以上であることにより、正極および負極のうちの少なくとも一方に固定化された酵素を失活させることなく、イオン伝導度を高くすることができる。   In the present invention configured as described above, when the electrical conductivity of the electrolyte is 10 mS / cm or more, ion conduction is performed without deactivating the enzyme immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode. The degree can be increased.

この発明によれば、正極および負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている場合に、酵素が本来持っている能力を充分に発揮することができ、優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。そして、この優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。   According to the present invention, when the enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode, the ability inherent in the enzyme can be fully exhibited, and a fuel cell having excellent performance can be obtained. be able to. By using this excellent fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1はこの発明の一実施形態によるバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いるものとする。図2は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
図1に示すように、このバイオ燃料電池は、負極1と正極2とがプロトンのみ伝導する電解質層3を介して対向した構造を有する。負極1は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン(H+ )を発生する。正極2は、負極1から電解質層3を通って輸送されたプロトンと負極1から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a biofuel cell according to an 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 an electrolyte layer 3 conducting only protons. 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 by protons transported from the negative electrode 1 through the electrolyte layer 3, electrons transmitted 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+ 、NADP+ など)と、この補酵素の還元体(例えば、NADH、NADPHなど)を酸化する補酵素酸化酵素(例えば、ジアホラーゼ)と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡す電子メディエーターとが、例えばポリマーなどからなる固定化材により固定化されて構成されている。 The 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 + , NADP + and the like), a coenzyme oxidase (eg, diaphorase) that oxidizes a reduced form of this coenzyme (eg, NADH, NADPH, etc.), and the coenzyme oxidase accompanying oxidation of the coenzyme An electron mediator that receives the generated electrons and passes them to the electrode 11 is configured to be fixed by a fixing material made of, for example, a polymer.

グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)を用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
さらに、このD−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(PhGDH)との二つの酵素を存在させることにより、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに分解することができる。すなわち、D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、6−フォスフォ−D−グルコネートになる。この6−フォスフォ−D−グルコネートは、酸化酵素PhGDHの作用により、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに酸化される。
As an enzyme involved in the degradation of glucose, for example, glucose dehydrogenase (GDH) can be used. In the presence of this oxidase, for example, β-D-glucose can be oxidized to D-glucono-δ-lactone.
Furthermore, this D-glucono-δ-lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH). Can do. That is, D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted from adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate. This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.

また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してCO2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにTCA回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、GDHの場合、補酵素にはNAD+ が用いられる。すなわち、GDHの作用によりβ−D−グルコースがD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、NAD+ がNADHに還元され、H+ を発生する。
In addition to the above decomposition process, glucose can also be decomposed to CO 2 by utilizing sugar metabolism. The decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.
The oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, NAD + is used as the coenzyme. That is, when β-D-glucose is oxidized to D-glucono-δ-lactone by the action of GDH, NAD + is reduced to NADH to generate H + .

生成されたNADHは、ジアホラーゼ(DI)の存在下で直ちにNAD+ に酸化され、二つの電子とH+ とを発生する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で二つの電子と二つのH+ とが生成されることになる。2段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのH+ とが生成される。
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極11に渡され、H+ は電解質層3を通って正極2へ輸送される。
The produced NADH is immediately oxidized to NAD + in the presence of diaphorase (DI), generating two electrons and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per glucose molecule. In the two-stage oxidation reaction, a total of four electrons and four H + are generated.
The electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the electrode 11 through the electron mediator, and H + is transported to the positive electrode 2 through the electrolyte layer 3.

電子メディエーターは電極11との電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の出力電圧は、電子メディエーターの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い出力電圧を得るには、負極1側ではよりネガティブな電位の電子メディエーターを選ぶとよいが、電子メディエーターの酵素に対する反応親和性、電極11との電子交換速度、阻害因子(光、酸素など)に対する構造安定性なども考慮しなければならない。このような観点から、負極1に作用する電子メディエーターとしては、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)やビタミンK3などが好適である。そのほかに、例えばキノン骨格を有する化合物、オスミウム(Os)、ルテニウム(Ru)、鉄(Fe)、コバルト(Co)などの金属錯体、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物なども電子メディエーターとして用いることができる。   The electron mediator transfers electrons to and from the electrode 11, and the output voltage of the fuel cell depends on the redox potential of the electron mediator. That is, in order to obtain a higher output voltage, it is preferable to select an electron mediator having a more negative potential on the negative electrode 1 side. However, the reaction affinity of the electron mediator to the enzyme, the rate of electron exchange with the electrode 11, an inhibitor (light, Structural stability against oxygen) must also be considered. From such a viewpoint, 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), vitamin K3, and the like are preferable as the electron mediator acting on the negative electrode 1. In addition, for example, compounds having a quinone skeleton, metal complexes such as osmium (Os), ruthenium (Ru), iron (Fe), cobalt (Co), viologen compounds such as benzyl viologen, compounds having a nicotinamide structure, riboflavin structure A compound having a nucleotide, a compound having a nucleotide-phosphate structure, or the like can also be used as an electron mediator.

電解質層3は負極1において発生したH+ を正極2に輸送するプロトン伝導体であり、電子伝導性を持たず、H+ を輸送することが可能な材料により構成されている。ここで、この電解質層3の電気伝導度は10mS/cm以上、好適には50mS/cm以上、より好適には100mS/cm以上に選ばれている。この電解質層3は、例えばすでに挙げたものの中から適宜選ばれたものを用いることができる。この場合、この電解質層3には、例えばすでに挙げたものの中から適宜選ばれた緩衝物質が含まれている。この緩衝物質の濃度は必要に応じて選ばれるが、好適には例えば0.2M以上2M以下の濃度含ませる。こうすることで高い緩衝能を得ることができ、燃料電池の高出力動作時においても、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。また、この電解質層3には、上記の緩衝物質に加えて、陽イオンとして、Naイオン、Kイオン、MgイオンおよびCaイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンが含まれ、あるいは、陰イオンとして、Fイオン、Clイオン、BrイオンおよびIイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンが含まれる。 The electrolyte layer 3 is a proton conductor that transports H + generated in the negative electrode 1 to the positive electrode 2, and is made of a material that does not have electronic conductivity and can transport H + . Here, the electric conductivity of the electrolyte layer 3 is selected to be 10 mS / cm or more, preferably 50 mS / cm or more, and more preferably 100 mS / cm or more. As the electrolyte layer 3, for example, one appropriately selected from those already mentioned can be used. In this case, the electrolyte layer 3 contains, for example, a buffer substance appropriately selected from those already mentioned. The concentration of the buffer substance is selected as necessary, but preferably, for example, a concentration of 0.2 M or more and 2 M or less is included. By doing so, a high buffering capacity can be obtained, and the original ability of the enzyme can be fully exhibited even during high power operation of the fuel cell. In addition to the buffer substance, the electrolyte layer 3 contains at least one ion selected from the group consisting of Na ion, K ion, Mg ion and Ca ion as a cation, or The anion includes at least one ion selected from the group consisting of F ion, Cl ion, Br ion and I ion.

上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えるために、固定化材を用いて電極11上に固定化されることが好ましい。さらに、燃料を分解する酵素および補酵素も電極11上に固定化することで、負極1の酵素反応系の安定化を図ることができる。このような固定化材としては、例えば、グルタルアルデヒド(GA)とポリ−L−リシン(PLL)とを組み合わせたものやポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)とポリ−L−リシン(PLL)とを組み合わせたものを用いてもよいし、これらを単独で用いてもよいし、さらには他のポリマーを用いてもよい。グルタルアルデヒドとポリ−L−リシンとを組み合わせた固定化材を用いることにより、それぞれが持つ酵素固定化能力を大きく改善することが可能となり、固定化材全体として優れた酵素固定化能力を得ることができる。この場合、グルタルアルデヒドとポリ−L−リシンとの組成比は、固定化する酵素とこの酵素の基質とに応じて最適な値が異なるが、一般的には任意の組成比で構わない。具体例を挙げると、グルタルアルデヒド水溶液(0.125%)とポリ−L−リシン水溶液(1%)とを用い、それらの比を1:1、1:2、2:1などとする。   The enzyme, coenzyme, and electron mediator are preferably immobilized on the electrode 11 using an immobilizing material in order to efficiently capture an enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode as an electric signal. Furthermore, the enzyme reaction system of the negative electrode 1 can be stabilized by immobilizing the enzyme and the coenzyme for decomposing the fuel on the electrode 11. As such an immobilizing material, for example, a combination of glutaraldehyde (GA) and poly-L-lysine (PLL) or a combination of sodium polyacrylate (PAAcNa) and poly-L-lysine (PLL). These may be used, these may be used alone, or other polymers may be used. By using an immobilization material combining glutaraldehyde and poly-L-lysine, it becomes possible to greatly improve the enzyme immobilization ability of each, and to obtain an excellent enzyme immobilization ability as a whole immobilization material. Can do. In this case, the optimum composition ratio between glutaraldehyde and poly-L-lysine varies depending on the enzyme to be immobilized and the substrate of the enzyme, but generally an arbitrary composition ratio may be used. As a specific example, a glutaraldehyde aqueous solution (0.125%) and a poly-L-lysine aqueous solution (1%) are used, and the ratio thereof is 1: 1, 1: 2, 2: 1, or the like.

図2には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ 、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡す電子メディエータがACNQである場合が図示されている。 In FIG. 2, for example, glucose dehydrogenase (GDH) is an enzyme involved in the degradation of glucose, NAD + is a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process, and a reductant of coenzyme. The case where the coenzyme oxidase that oxidizes a certain NADH is diaphorase (DI), and the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is ACNQ is shown.

正極2は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極上に酸素還元酵素およびこの電極との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターが固定化されたものである。酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。電子メディエーターとしては、例えばヘキサシアノ鉄酸カリウムの電離により生成されるヘキサシアノ鉄酸イオンを用いることができる。この電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で0.64×10-6mol/mm2 以上固定化する。 In the positive electrode 2, an oxygen reductase and an electron mediator that transfers electrons to and from the electrode are fixed on an electrode made of, for example, porous carbon. As the oxygen reductase, for example, bilirubin oxidase (BOD), laccase, ascorbate oxidase and the like can be used. As the electron mediator, for example, hexacyanoferrate ions generated by ionization of potassium hexacyanoferrate can be used. This electron mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.

この正極2においては、酸素還元酵素の存在下で、電解質層3からのH+ と負極1からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
以上のように構成された燃料電池の動作時(使用時)において、負極1側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極1側で電子とH+ とを生成することができ、負極1と正極2との間で電流を発生させることができる。
In the positive electrode 2, in the presence of oxygen reductase, oxygen in the air is reduced by H + from the electrolyte layer 3 and electrons from the negative electrode 1 to generate water.
When glucose is supplied to the negative electrode 1 side during operation (in use) of the fuel cell configured as described above, the glucose is decomposed by a decomposing enzyme including 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.

次に、電解質層3に含まれる緩衝物質の濃度の範囲について説明する。このために、まず、負極1として用いる酵素/電子メディエーター固定化電極の単極での電気化学測定を行った結果について説明する。
この酵素/電子メディエーター固定化電極は次のようにして作製した。
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、100mMリン酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 )緩衝溶液(I.S.=0.3、pH=7.0)を用いた。
ジアホラーゼ(DI)(EC1.6.99.−、ユニチカ製、B1D111)を5〜10mg秤量し、緩衝溶液1.0mlに溶解させ、DI酵素緩衝溶液((1))とした。
グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC1.1.1.47、東洋紡製、GLD−311)を10〜15mg秤量し、緩衝溶液1.0mlに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液((2))とした。
上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を30.0〜60.0mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させ、NADH緩衝溶液((3))とした。
ポリ−L−リシン臭化水素酸塩(PLL)(Wako製、164−16961)を適量秤量し、1〜2wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PLL水溶液((4))とした。
2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)(合成品)を10〜50mg秤量し、アセトン溶液1mlに溶解させ、ANQアセトン溶液((5))とした。
ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)(アルドリッチ製、041−00595)を適量秤量し、0.01〜0.1wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PAAcNa水溶液((6))とした。
Next, the range of the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte layer 3 will be described. For this purpose, first, the results of electrochemical measurements at a single electrode of the enzyme / electron mediator immobilized electrode used as the negative electrode 1 will be described.
The enzyme / electron mediator immobilized electrode was prepared as follows.
First, various solutions were prepared as follows. As a buffer solution, a 100 mM sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) buffer solution (IS = 0.3, pH = 7.0) was used.
Diaphorase (DI) (EC1.6.99.-, manufactured by Unitika, B1D111) was weighed 5 to 10 mg and dissolved in 1.0 ml of a buffer solution to obtain a DI enzyme buffer solution ((1)).
Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent type, EC 1.1.1.17, manufactured by Toyobo, GLD-311) was weighed 10 to 15 mg, dissolved in 1.0 ml of buffer solution, and GDH enzyme buffer solution ((2)) It was.
The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.
3DH to 60.0 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 0.1 ml of buffer solution to obtain NADH buffer solution ((3)).
An appropriate amount of poly-L-lysine hydrobromide (PLL) (manufactured by Wako, 164-16961) was weighed and dissolved in ion-exchanged water so as to be 1 to 2 wt% to obtain a PLL aqueous solution ((4)). .
10-50 mg of 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ) (synthetic product) was weighed and dissolved in 1 ml of an acetone solution to obtain an ANQ acetone solution ((5)).
Sodium polyacrylate (PAAcNa) (manufactured by Aldrich, 041-00595) was weighed in an appropriate amount and dissolved in ion-exchanged water so as to be 0.01 to 0.1 wt% to obtain a PAAcNa aqueous solution ((6)).

上記のようにして作製した各種の溶液を、(5)、(1)、(3)、(2)、(4)、(6)の順に下記に示す量だけ、それぞれマイクロシリンジを用いて多孔質カーボン(東海カーボン製、0.5×0.5cm2 、厚さ2mm)上に塗布した後、適宜乾燥を行い、酵素/電子メディエーター固定化電極を作製した。
DI酵素緩衝溶液(1):10μl
GDH酵素緩衝溶液(2):10μl
NADH緩衝溶液(3):10μl
PLL水溶液(4):10μl
ANQアセトン溶液(5):7μl
PAAcNa水溶液(6):4μl
The various solutions prepared as described above were porous using a microsyringe in the amounts shown below in the order of (5), (1), (3), (2), (4), (6). After coating on quality carbon (made by Tokai Carbon, 0.5 × 0.5 cm 2 , thickness 2 mm), it was appropriately dried to prepare an enzyme / electron mediator fixed electrode.
DI enzyme buffer solution (1): 10 μl
GDH enzyme buffer solution (2): 10 μl
NADH buffer solution (3): 10 μl
PLL aqueous solution (4): 10 μl
ANQ acetone solution (5): 7 μl
PAAcNa aqueous solution (6): 4 μl

こうして作製した酵素/電子メディエーター固定化電極を、燃料としてのグルコースとNaH2 PO4 緩衝液とを含む測定溶液を用い、参照電極Ag|AgClに対して、0.1Vと電子メディエーターの酸化還元電位より充分高い電位に設定し、クロノアンペロメトリーを行った。燃料のグルコース濃度はいずれも0.4Mとした。NaH2 PO4 緩衝液の濃度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を図3に示す。図3において、実施例1、2、3のNaH2 PO4 濃度はそれぞれ0.4M、1.0M、2.0M、比較例1、2、3のNaH2 PO4 濃度はそれぞれ0.0M、0.1M、3.0Mである。 The thus prepared enzyme / electron mediator-immobilized electrode was measured using a measurement solution containing glucose as a fuel and NaH 2 PO 4 buffer, and 0.1 V relative to the reference electrode Ag | AgCl, and the redox potential of the electron mediator. Chronoamperometry was performed at a sufficiently higher potential. The glucose concentration of the fuel was 0.4M. The results of chronoamperometry measured by changing the concentration of NaH 2 PO 4 buffer are shown in FIG. In FIG. 3, the NaH 2 PO 4 concentrations of Examples 1, 2, and 3 are 0.4 M, 1.0 M, and 2.0 M, respectively, and the NaH 2 PO 4 concentrations of Comparative Examples 1, 2, and 3 are 0.0 M, respectively. 0.1M and 3.0M.

図3から分かるように、NaH2 PO4 濃度が0、すなわち緩衝液を全く添加しない比較例1では、NaH2 PO4 濃度が0.1Mの比較例2と比較すると、初期電流は出るが、1800秒後では電流はほとんど0となってしまう。また、比較例2と実施例1、2、3とを比較すると、NaH2 PO4 濃度を0.2〜2.5M、取り分け0.4〜2.0Mとすることで電流値が比較例2に比べて数倍以上増加し、特に1Mのときに最大となることが分かる。
一方、比較例3のようにNaH2 PO4 濃度を3Mとすると、得られる電流値は、比較例1と同程度に低下してしまう。
As can be seen from FIG. 3, in Comparative Example 1 in which the NaH 2 PO 4 concentration is 0, that is, no buffer solution is added, the initial current is generated as compared with Comparative Example 2 in which the NaH 2 PO 4 concentration is 0.1 M. The current becomes almost zero after 1800 seconds. Further, when Comparative Example 2 is compared with Examples 1, 2, and 3, the NaH 2 PO 4 concentration is 0.2 to 2.5 M, and in particular 0.4 to 2.0 M, so that the current value is Comparative Example 2. It can be seen that it increases several times or more, especially at 1M.
On the other hand, when the NaH 2 PO 4 concentration is 3M as in Comparative Example 3, the obtained current value decreases to the same extent as in Comparative Example 1.

次に、正極2に酸素還元酵素としてBODを固定化し、イミダゾールと塩酸とを混合してpH7に調整したものを緩衝液として用いた場合においては、緩衝液濃度の上昇に伴う電流値の維持向上が顕著に見られた。表1および図4に、この場合にイミダゾールの濃度を変えて測定したクロノアンペロメトリーの結果を示す。また、図5に電流値(表1および図4の3600秒後の値)の緩衝液濃度依存性を示す。表1、図4および図5には、緩衝液としてNaH2 PO4 緩衝液を用いた場合の結果も併せて示す。この測定は、図6に示すように、正極2上にフィルム状のセロハン21を載せ、このセロハン21に緩衝液22を接触させた状態で行った。正極2としては、次のようにして作製される酵素/電子メディエーター固定化電極を用いた。まず、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト(TORAY製 BO050)を用い、このカーボンフェルトを1cm角に切り抜いた。次に、ヘキサシアノ鉄酸イオン(100mM)を80μl、ポリ−L−リシン(1wt%)を80μl、BOD溶液を80μl(50mg/ml)を上記のカーボンフェルトに順に染み込ませ、乾燥することで酵素/電子メディエーター固定化電極を得た。こうして作製した酵素/電子メディエーター固定化電極を2枚重ねて正極2とした。 Next, when BOD is immobilized on the positive electrode 2 as an oxygen reductase and imidazole and hydrochloric acid are mixed and adjusted to pH 7 as a buffer solution, the current value is maintained and improved as the buffer solution concentration increases. Was noticeable. Table 1 and FIG. 4 show the results of chronoamperometry measured by changing the concentration of imidazole in this case. FIG. 5 shows the buffer concentration dependence of the current value (the value after 3600 seconds in Table 1 and FIG. 4). Table 1, FIG. 4 and FIG. 5 also show the results when NaH 2 PO 4 buffer is used as the buffer. As shown in FIG. 6, this measurement was performed with a film-like cellophane 21 placed on the positive electrode 2 and a buffer solution 22 in contact with the cellophane 21. As the positive electrode 2, an enzyme / electron mediator fixed electrode prepared as follows was used. First, commercially available carbon felt (BORAY made by TORAY) was used as porous carbon, and this carbon felt was cut into 1 cm square. Next, 80 μl of hexacyanoferrate ion (100 mM), 80 μl of poly-L-lysine (1 wt%), 80 μl of BOD solution (50 mg / ml) are sequentially infiltrated into the above carbon felt and dried to dry the enzyme / An electron mediator fixed electrode was obtained. Two sheets of the enzyme / electron mediator-immobilized electrode produced in this way were stacked to make a positive electrode 2.

Figure 2009140814
Figure 2009140814

表1および図4から分かるように、NaH2 PO4 濃度が1.0Mでは、初期電流は出るが、3600秒後には電流は大幅に減少してしまう。これに対し、イミダゾール濃度が0.4M、1.0Mおよび2.0Mでは、3600秒後にも電流の低下はほとんど見られない。10%の酢酸緩衝液(pH=2.8)の場合は、初期電流は低いが、3600秒後にもイミダゾール濃度が2.0Mの場合と同様なレベルの電流を維持している。図5から分かるように、イミダゾール濃度が0.2〜2.5Mの範囲では濃度に対して電流値が直線的に増加する。また、NaH2 PO4 緩衝液とイミダゾール緩衝液とは、ともにpKa が7付近、酸素溶解度もほぼ同じにもかかわらず、同じ濃度の緩衝液においてイミダゾールが存在する場合、大きな酸素還元電流が得られた。 As can be seen from Table 1 and FIG. 4, when the NaH 2 PO 4 concentration is 1.0 M, an initial current is generated, but after 3600 seconds, the current is greatly reduced. On the other hand, when the imidazole concentration is 0.4M, 1.0M and 2.0M, almost no decrease in current is observed even after 3600 seconds. In the case of 10% acetate buffer (pH = 2.8), the initial current is low, but the current at the same level as in the case where the imidazole concentration is 2.0 M is maintained after 3600 seconds. As can be seen from FIG. 5, when the imidazole concentration is in the range of 0.2 to 2.5 M, the current value increases linearly with respect to the concentration. Further, the NaH 2 PO 4 buffer and imidazole buffer, near both pK a of 7, even though almost be oxygen solubility same, if the imidazole is present in a buffer of the same concentration, a large oxygen reduction current obtained It was.

上記のようにしてクロノアンペロメトリーを3600秒間行った後、電位−0.3〜+0.6V間におけるサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。その結果を図7に示す。ただし、この測定は、図8に示すように、上記と同様な酵素/電子メディエーター固定化電極からなる正極2を作用極とし、これをPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)メンブレン23上に載せ、この正極2に緩衝液22を接触させた状態で行った。緩衝液22内に対極24および参照電極25を浸漬し、作用極としての正極2、対極24および参照電極25に電気化学測定装置(図示せず)を接続した。対極24としてはPt線、参照電極25としてはAg|AgClを用いた。測定は大気圧で行い、測定温度は25℃とした。緩衝液22としては、イミダゾール/塩酸緩衝液(pH7、1.0M)とNaH2 PO4 /NaOH緩衝液(pH7、1.0M)との2種類を用いた。
図7より、緩衝液22としてイミダゾール/塩酸緩衝液(pH7、1.0M)を用いた場合には、極めて良好なCV特性が得られていることが分かる。
以上のことから、測定系を変えても、イミダゾール緩衝液に優位性があることが確認された。
Chronoamperometry was performed for 3600 seconds as described above, and then cyclic voltammetry (CV) between −0.3 and +0.6 V was performed. The result is shown in FIG. However, in this measurement, as shown in FIG. 8, a positive electrode 2 composed of an enzyme / electron mediator-immobilized electrode similar to the above was used as a working electrode, and this was placed on a PTFE (polytetrafluoroethylene) membrane 23. The test was performed in a state where the buffer solution 22 was brought into contact with 2. The counter electrode 24 and the reference electrode 25 were immersed in the buffer solution 22, and an electrochemical measurement device (not shown) was connected to the positive electrode 2, the counter electrode 24, and the reference electrode 25 as working electrodes. Pt line was used as the counter electrode 24 and Ag | AgCl was used as the reference electrode 25. The measurement was performed at atmospheric pressure, and the measurement temperature was 25 ° C. As the buffer solution 22, two types of imidazole / hydrochloric acid buffer solution (pH 7, 1.0 M) and NaH 2 PO 4 / NaOH buffer solution (pH 7, 1.0 M) were used.
From FIG. 7, it can be seen that when an imidazole / hydrochloric acid buffer (pH 7, 1.0 M) is used as the buffer 22, extremely good CV characteristics are obtained.
From the above, it was confirmed that the imidazole buffer solution has an advantage even if the measurement system is changed.

図9に、イミダゾール/塩酸緩衝液(pH7、2.0M)にNaClを1.0M加えた場合と加えない場合とについて負極1のサイクリックボルタンメトリーを行った結果を示す。負極1としては既に述べた酵素/電子メディエーター固定化電極を用いた。また、図10に、−0.3Vにおけるクロノアンペロメトリーの結果を示す。図9および図10に示すように、イミダゾール/塩酸緩衝液にNaClを1.0M加えた場合には、加えない場合に比べてより高い電流値が得られている。このように高い電流値が得られるのは、電解質層3の電気伝導率が10mS/cm以上と高いので、バイオ燃料電池の抵抗が低減するためである。ここで、イミダゾール/塩酸緩衝液にNaClを1.0M加えた場合の電解質層3の電気伝導率は120mS/cm、加えない場合の電解質層3の電気伝導率は60mS/cmである。   FIG. 9 shows the results of cyclic voltammetry of the negative electrode 1 with and without the addition of 1.0 M NaCl in an imidazole / hydrochloric acid buffer (pH 7, 2.0 M). As the negative electrode 1, the above-described enzyme / electron mediator fixed electrode was used. FIG. 10 shows the results of chronoamperometry at −0.3V. As shown in FIGS. 9 and 10, when 1.0 M NaCl is added to the imidazole / hydrochloric acid buffer, a higher current value is obtained than when no NaCl is added. The reason why such a high current value is obtained is that the resistance of the biofuel cell is reduced because the electric conductivity of the electrolyte layer 3 is as high as 10 mS / cm or more. Here, when 1.0 M NaCl is added to the imidazole / hydrochloric acid buffer, the electric conductivity of the electrolyte layer 3 is 120 mS / cm, and when not added, the electric conductivity of the electrolyte layer 3 is 60 mS / cm.

次に、このバイオ燃料電池の具体的な構成例を図11AおよびBに示す。
図11AおよびBに示すように、このバイオ燃料電池は、0.25cm2 のカーボンフェルトに酵素や電子メディエーターを固定化材でを固定化した酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなる負極1と、0.25cm2 のカーボンフェルト上に酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなる正極2とが、緩衝物質を含む電解質層3を介して対向した構成を有している。この場合、正極2の下および負極1の上にそれぞれTi集電体41、42が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号43、44は固定板を示す。これらの固定板43、44はねじ45により相互に締結され、それらの間に、正極2、負極1、電解質層3およびTi集電体41、42の全体が挟み込まれている。固定板43の一方の面(外側の面)には空気取り込み用の円形の凹部43aが設けられ、この凹部43aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴43bが設けられている。これらの穴43bは正極2への空気の供給路となる。一方、固定板44の一方の面(外側の面)には燃料装填用の円形の凹部44aが設けられ、この凹部44aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴44bが設けられている。これらの穴44bは負極1への燃料の供給路となる。この固定板44の他方の面の周辺部にはスペーサー46が設けられており、固定板43、44をねじ45により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
図11Bに示すように、Ti集電体41、42の間に負荷47を接続し、固定板44の凹部44aに燃料としてグルコース/緩衝溶液を入れて発電を行う。
Next, a specific configuration example of this biofuel cell is shown in FIGS. 11A and 11B.
As shown in FIGS. 11A and 11B, this biofuel cell includes a negative electrode 1 composed of an enzyme / electron mediator-immobilized carbon electrode in which an enzyme or an electron mediator is immobilized on a carbon felt of 0.25 cm 2 with an immobilizing material; A structure in which a positive electrode 2 composed of an enzyme / electron mediator-immobilized carbon electrode in which an enzyme or an electron mediator is immobilized on a carbon felt of 0.25 cm 2 with an immobilizing material is opposed to an electrolyte layer 3 containing a buffer substance. Have. In this case, Ti current collectors 41 and 42 are placed under the positive electrode 2 and the negative electrode 1, respectively, so that current can be easily collected. Reference numerals 43 and 44 denote fixed plates. These fixing plates 43 and 44 are fastened to each other by screws 45, and the positive electrode 2, the negative electrode 1, the electrolyte layer 3, and the Ti current collectors 41 and 42 are sandwiched between them. One surface (outer surface) of the fixing plate 43 is provided with a circular recess 43a for taking in air, and a plurality of holes 43b penetrating to the other surface are provided in the bottom surface of the recess 43a. These holes 43 b serve as air supply paths to the positive electrode 2. On the other hand, a circular recess 44a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixing plate 44, and a number of holes 44b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 44a. These holes 44 b serve as a fuel supply path to the negative electrode 1. A spacer 46 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 44, and when the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other with screws 45, the interval between them becomes a predetermined interval. .
As shown in FIG. 11B, a load 47 is connected between the Ti current collectors 41 and 42, and a glucose / buffer solution is put as fuel in the recess 44a of the fixed plate 44 to generate power.

以上のように、この一実施形態によれば、電解質層3の電気伝導率が10mS/cm以上であることにより、バイオ燃料電池の抵抗を低減することができるとともに、酵素が本来持っている能力を充分に発揮させることができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。このバイオ燃料電池は、各種の電子機器、移動体、発電システムなどの電源に適用して好適なものである。   As described above, according to this embodiment, the electrical conductivity of the electrolyte layer 3 is 10 mS / cm or more, so that the resistance of the biofuel cell can be reduced and the ability of the enzyme is inherent. Can be fully exhibited. As a result, a high-performance biofuel cell capable of high output operation can be realized. This biofuel cell is suitable for application to power sources of various electronic devices, mobile objects, power generation systems, and the like.

以上、この発明の一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。
なお、酵素固定化電極の電極材料にカーボンフェルトを用いる場合、このカーボンフェルトを賦活処理することにより電極の実効表面積を増加させることができ、この酵素固定化電極を用いたバイオ燃料電池の電流値の向上を図ることができる。また、このように賦活処理した電極を用いることにより、酵素を固定化する際に、賦活化により形成された細孔に酵素が吸着するため、酵素を電極上に固定化しやすくなるなどの相乗効果を得ることもできる。さらに、こうして酸素還元酵素を固定化した酵素固定化電極を用いると、初期の酸素還元電流値が増加する。賦活化電極は、例えば次のようにして作製することができる。鉄(II)アセテート95%をエタノールに溶解し、0.01w/v%の溶液を得た。この溶液をカーボンフェルト1枚に片面40μlずつ塗布した後、空気中で1時間乾燥させる。この後、真空中で600℃、1時間の加熱を行うことにより目的の賦活化カーボンフェルト電極を得た。この賦活化カーボンフェルト電極を走査型電子顕微鏡により観察したところ、多数の細孔ができていることを確認できた。この賦活化カーボンフェルト電極の実効表面積を測定したところ、賦活処理前の電極よりも増加していることが確認できた。次に、この賦活化カーボンフェルト電極に酸素還元酵素を固定化して酸素還元電流値の測定を行った。この結果、100秒後の電流値が著しく増加することが分かった。
Although one embodiment of the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are 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.
When carbon felt is used as the electrode material for the enzyme-immobilized electrode, the effective surface area of the electrode can be increased by activating the carbon felt, and the current value of the biofuel cell using this enzyme-immobilized electrode Can be improved. In addition, by using the electrode thus activated, when the enzyme is immobilized, the enzyme is adsorbed to the pores formed by activation, so that the enzyme can be easily immobilized on the electrode. You can also get Furthermore, when an enzyme-immobilized electrode in which an oxygen reductase is immobilized in this way is used, the initial oxygen reduction current value increases. The activation electrode can be produced, for example, as follows. Iron (II) acetate 95% was dissolved in ethanol to obtain a 0.01 w / v% solution. This solution is applied to one piece of carbon felt, 40 μl per side, and then dried in air for 1 hour. Then, the target activated carbon felt electrode was obtained by heating in vacuum at 600 ° C. for 1 hour. When this activated carbon felt electrode was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that many pores were formed. When the effective surface area of this activated carbon felt electrode was measured, it was confirmed that it increased compared to the electrode before the activation treatment. Next, an oxygen reductase was immobilized on the activated carbon felt electrode, and an oxygen reduction current value was measured. As a result, it was found that the current value after 100 seconds significantly increased.

この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the biofuel cell by one Embodiment of this invention. この発明の一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 one 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. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果から得られた緩衝液濃度と得られる電流密度との関係を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relationship between the buffer solution density | concentration obtained from the result of the chronoamperometry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention, and the current density obtained. 図4に示すクロノアンペロメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measuring system used for the measurement of the chronoamperometry shown in FIG. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the cyclic voltammetry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention. 図7に示すサイクリックボルタンメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measuring system used for the measurement of cyclic voltammetry shown in FIG. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the cyclic voltammetry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed for evaluation of the biofuel cell by one Embodiment of this invention. この発明の一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略線図である。It is a basic diagram which shows the specific structural example of the biofuel cell by one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…負極、2…正極、3…電解質層、11…電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode, 2 ... Positive electrode, 3 ... Electrolyte layer, 11 ... Electrode

Claims (10)

正極と負極と電解質とを有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記電解質の電気伝導度が10mS/cm以上である
ことを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and an enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The fuel cell, wherein the electrolyte has an electric conductivity of 10 mS / cm or more.
上記電解質は、陽イオンとして、Naイオン、Kイオン、MgイオンおよびCaイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンを含む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 electrolyte contains at least one kind of ions selected from the group consisting of Na ions, K ions, Mg ions and Ca ions as cations. 上記電解質は、陰イオンとして、Fイオン、Clイオン、BrイオンおよびIイオンからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のイオンを含む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 electrolyte contains at least one kind of ions selected from the group consisting of F ions, Cl ions, Br ions and I ions as anions. 上記電解質は陰イオンに対する陽イオンの比が0.01以上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 electrolyte has a cation to anion ratio of 0.01 or more. 上記電解質は緩衝物質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 electrolyte includes a buffer substance. 上記緩衝物質のpKa が4以上10以下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 pK a of the buffer substance is 4 to 10. 上記緩衝物質はイミダゾール環を含む化合物を含む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 buffer substance contains a compound containing an imidazole ring. 上記負極に酵素が固定化されており、この酵素が、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 an enzyme is immobilized on the negative electrode, and the enzyme contains an oxidase immobilized on the negative electrode that promotes and decomposes monosaccharides. 上記負極に固定化された酵素が、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電子メディエーター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8記載の燃料電池。   The enzyme immobilized on the negative electrode contains a coenzyme oxidase that returns the coenzyme reduced by oxidation of the monosaccharide to an oxidized form and passes electrons to the negative electrode through an electron mediator. The fuel cell according to claim 8. 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、
正極と負極と電解質とを有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化されている燃料電池において、
上記電解質の電気伝導度が10mS/cm以上であるものである
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
In a fuel cell having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and an enzyme is immobilized on at least one of the positive electrode and the negative electrode,
An electronic device, wherein the electrolyte has an electrical conductivity of 10 mS / cm or more.
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