JP2009158466A - 燃料電池およびその製造方法ならびに電子機器ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに撥水剤ならびに酵素固定化材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極2と負極1とが電解質層3を介して対向した構造を有し、正極2が酸素還元酵素などが固定化された電極からなり、この電極が内部に空隙を有するものである場合に、この電極の表面の少なくとも一部を撥水性とする。例えば、この電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とする。撥水剤としては、カーボン粉末などの撥水材料とメチルイソブチルケトンなどの水と相分離する有機溶媒とからなるものを用いる。
【選択図】図2
Description
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。
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。
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。)。
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。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
上記課題および他の課題は本明細書の記述によって明らかとなるであろう。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、
上記電極が内部に空隙を有し、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とした燃料電池である。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、上記電極が内部に空隙を有する燃料電池を製造する場合に、上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とする燃料電池の製造方法である。
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、
上記電極が内部に空隙を有し、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性としたものである電子機器である。
この燃料電池においては、例えば、正極の一部に燃料溶液が接触するように構成され、あるいは、負極の外周面および正極の側面に燃料溶液が接触するように構成されるが、これに限定されるものではない。後者の場合には、例えば、正極のプロトン伝導体と反対側の面に、空気は透過し、燃料溶液は透過しない材料からなるシートが設けられる。
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。
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。必要に応じて、これらの緩衝物質も、上記の酵素や電子メディエーターの固定化膜に固定化してもよい。
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。
酵素が固定化された電極からなり、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とした酵素固定化電極である。
酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極を製造する場合に、上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とする酵素固定化電極の製造方法である。
第4および第5の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
少なくとも撥水材料と水と相分離する有機溶媒とを含む撥水剤である。
第7の発明は、
少なくとも撥水材料と酵素の溶解度が10mg/ml以下の有機溶媒とを含む撥水剤である。
第6および第7の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化され、
上記酵素の固定化材に撥水材料が含まれている燃料電池である。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の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を製造する場合に、上記酵素を撥水材料を含む固定化材を用いて固定化する燃料電池の製造方法である。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の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を製造する場合に、上記酵素を電極に固定化した後、上記電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とする燃料電池の製造方法である。
第10の発明において、酵素の固定化には固定化材を用いてもよいし、用いなくてもよい。固定化材としては、一般的には、撥水材料を含まないものが用いられるが、必要に応じて、撥水材料を含むものを用いてもよい。
少なくとも撥水材料と水と相分離する有機溶媒とを含む酵素固定化材である。
第12の発明は、
少なくとも撥水材料と酵素の溶解度が10mg/ml以下の有機溶媒とを含む酵素固定化材である。
第8〜第12の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化され、
上記プロトン伝導体が不織布からなる燃料電池である。
第13の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
図1はこの発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いるものとする。図2は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
図1に示すように、このバイオ燃料電池は、負極1と正極2とがプロトンのみ伝導する電解質層3を介して対向した構造を有する。負極1は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン(H+ )を発生する。正極2は、負極1から電解質層3を通って輸送されたプロトンと負極1から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
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。
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。
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。
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。
図3に示すバイオ燃料電池においては、電解質層3を介して負極1と正極2とが対向した構造を有し、また、正極2の電解質層3と反対側の面に空気は透過し、燃料溶液12は透過しない材料からなるシート13が貼り付けられており、負極1の外面(上面および側面)の全体と負極1、正極2の側面および正極2の外部にはみ出した部分の電解質層3とに燃料溶液12(燃料溶液12の収容容器の図示は省略する)が接触するように構成されている。電解質層3としては例えば不織布が用いられるが、これに限定されるものではない。また、シート13としては例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)メンブレンが用いられるが、これに限定されるものではない。このバイオ燃料電池においては、正極2の側面と燃料溶液12とが接触しているので、電池反応の進行に伴って正極2の内部に生成される水がこの正極2の側面を通って燃料溶液12中に戻されるため、燃料溶液12の濃度をほぼ一定に保つことができるという利点が得られる。
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)を用意し、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)、上記のカーボンフェルトに順に染み込ませ、乾燥する。次に、このカーボンフェルトを撥水剤中にディップし、このカーボンフェルトの表面に撥水剤を塗布した。この撥水剤は、撥水材料として天然黒鉛を13〜18%、バインダーとしてポリビニルブチラールを3〜8%、カーボンブラックを8.4%、有機溶媒としてメチルイソブチルケトンを69.48%含有するものである。この後、乾燥を行って撥水剤中に含まれる有機溶剤を除去する。こうして、カーボンフェルトの表面に撥水材料として黒鉛粉末を形成し、撥水性とした。こうして得られる酵素/電子メディエーター固定化電極の厚さは0.35mmであり、面積は1cm角である。この酵素/電子メディエーター固定化電極を2枚または6枚重ねて正極2とした。これとは別に、カーボンフェルトの表面を撥水性としないことを除いて上述と同様な正極2を作製した。
(1)室温放置
1回目 632.5
2回目 718.9
3回目 645.1
平均 665.5
(2)温度25℃、湿度100%で6時間放置
1回目 18482.2
2回目 15434.4
3回目 12549.1
平均 15488.6
(1)室温放置
1回目 1481.7
2回目 756.6
3回目 698.1
4回目 1338.1
平均 1068.6
(2)温度25℃、湿度100%で6時間放置
1回目 4943.8
2回目 3516.8
3回目 7280.8
平均 5247.1
図14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。
図21および図22に、図19および図20に示す緩衝液を用いた場合の3600秒後の電流密度を緩衝物質の分子量およびpKa に対してプロットしたものを示す。
このバイオ燃料電池においては、電解質層3が、正極2および負極1に用いられる電子メディエーターの酸化体または還元体の電荷と同符号の電荷を有する。例えば、電解質層3の少なくとも正極2側の表面が負に帯電しており、負電荷を有する。具体的には、例えば、この電解質層3の少なくとも正極2側の部分の全部または一部に、負電荷を有するポリアニオンが含まれる。好適には、このポリアニオンとしては、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂であるナフィオン(商品名、米国デュポン社)が用いられる。
まず、市販のグラッシーカーボン(GC)電極(直径3mm)を2本用意し、ともに研磨・洗浄を行った。次に、一方のグラッシーカーボン電極にポリアニオンである市販のナフィオンのエマルジョン(20%)を5μl添加し、乾燥させた。次に、この2本のグラッシーカーボン電極を1mMのヘキサシアノ鉄酸イオン(多価アニオン)水溶液(50mM NaH2 PO4 /NaOH緩衝液、pH7)中に浸し、掃引速度20mVs-1にてサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。その結果を図23Aに示す。図23Bに、図23Aにおける、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極を用いた場合のCV曲線を拡大して示す。図23AおよびBから分かるように、ナフィオンを添加したグラッシーカーボン電極では、添加していないグラッシーカーボン電極に対し、電子メディエーターであるヘキサシアノ鉄酸イオンに起因する酸化還元ピーク電流は20分の1以下になった。これは、負電荷を有するポリアニオンであるナフィオンに対し、このナフィオンと同じく負電荷を有する多価アニオンであるヘキサシアノ鉄酸イオンが拡散・透過していないことを示している。
図27A、BおよびCならびに図28はこのバイオ燃料電池を示し、図27A、BおよびCはこのバイオ燃料電池の上面図、断面図および裏面図、図28はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
このバイオ燃料電池の上記以外の構成は、その性質に反しない限り、第1の実施形態と同様である。
図29Aに示すように、まず、一端が開放した円筒形状の正極集電体51を用意する。この正極集電体51の底面の全面には複数の酸化剤供給口51bが形成されている。この正極集電体51の内部の底面の外周部の上にリング状の疎水性樹脂56bを載せ、この底面の中央部の上に、正極2、電解質層3および負極1を順次重ねる。
次に、燃料タンク57に蓋58を取り付け、この蓋58の燃料供給口58aより燃料および電解質を注入した後、この燃料供給口58aを密封シールを貼り付けたりすることにより閉じる。ただし、燃料および電解質は、図29Bに示す工程で燃料タンク57に注入してもよい。
また、現在実用化されている空気電池では燃料および電解質を製造時に添加する必要があり、製造後に添加することは困難であるのに対し、このバイオ燃料電池では、製造後に燃料および電解質を添加することが可能であるので、バイオ燃料電池は現在実用化されている空気電池に比べて製造が容易である。
図33に示すように、この第4の実施形態においては、第3の実施形態によるバイオ燃料電池から、負極集電体52に一体に設けられた燃料タンク57を取り除き、さらに正極集電体51および負極集電体52にそれぞれメッシュ電極71、72を形成したものを用い、開放系の燃料タンク57に入れられた燃料57aの上にこのバイオ燃料電池を負極1側が下に、正極2側が上になるようにして浮かべた状態で使用する。
この第4の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第1および第3の実施形態と同様である。
この第4の実施形態によれば、第1および第3の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図34AおよびBならびに図35はこのバイオ燃料電池を示し、図34Aはこのバイオ燃料電池の正面図、図34Bはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図35はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
この第5の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第1および第3の実施形態と同様である。
この第5の実施形態によれば、第1および第3の実施形態と同様な利点を得ることができる。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極11にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。
このバイオ燃料電池においては、負極1側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってNAD+ が還元されてNADHが生成され、このNADHがジアホラーゼにより酸化されて2個の電子とNAD+ とH+ とに分離する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で2個の電子と2個のH+ とが生成される。2段階の酸化反応では合計4個の電子と4個のH+ とが生成される。こうして発生する電子は負極1の電極11に渡され、H+ は電解質層3を通って正極2まで移動する。正極2では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極1から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
上記以外のことは第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第6の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
このバイオ燃料電池においては、第1の実施形態によるバイオ燃料電池において、正極2を作製する際に、酵素などをPLLで固定化した電極の表面に撥水性ポリマーであるポリビニルブチラールを有機溶媒に分散させた撥水剤を塗布することにより撥水性を付与する。その他のことは第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第7の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
このバイオ燃料電池においては、第1の実施形態によるバイオ燃料電池において、正極2を作製する際に、電極の表面に酵素などを固定化した後、撥水性ポリマーであるポリビニルブチラールを有機溶媒に分散させた撥水剤を塗布することにより撥水性を付与する。その他のことは第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第8の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
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。
Claims (27)
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、
上記電極が内部に空隙を有し、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とした燃料電池。 - 上記電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とした請求項1記載の燃料電池。
- 上記撥水剤が少なくとも撥水材料と水と相分離する有機溶媒とを含む請求項2記載の燃料電池。
- 上記撥水剤が少なくとも撥水材料と酵素の溶解度が10mg/ml以下の有機溶媒とを含む請求項2記載の燃料電池。
- 上記電極が多孔質の材料からなる請求項3記載の燃料電池。
- 上記正極の一部に燃料溶液が接触するように構成されている請求項5記載の燃料電池。
- 上記負極の外周面および上記正極の側面に上記燃料溶液が接触するように構成されている請求項6記載の燃料電池。
- 上記正極の上記プロトン伝導体と反対側の面に、空気は透過し、上記燃料溶液は透過しない材料からなるシートが設けられている請求項7記載の燃料電池。
- 上記プロトン伝導体が不織布からなる請求項8記載の燃料電池。
- 上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項5記載の燃料電池。
- 上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項10記載の燃料電池。
- 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請求項5記載の燃料電池。
- 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請求項12記載の燃料電池。
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、上記電極が内部に空隙を有する燃料電池を製造する場合に、上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とする燃料電池の製造方法。
- 上記電極の表面に上記酵素を固定化した後、上記電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とする請求項14記載の燃料電池の製造方法。
- 一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方が酵素が固定化された電極からなり、
上記電極が内部に空隙を有し、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性としたものである電子機器。 - 酵素が固定化された電極からなり、
上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とした酵素固定化電極。 - 酵素が固定化された電極からなる酵素固定化電極を製造する場合に、上記電極の表面の少なくとも一部を撥水性とする酵素固定化電極の製造方法。
- 上記電極の表面に上記酵素を固定化した後、上記電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とする請求項18記載の酵素固定化電極の製造方法。
- 少なくとも撥水材料と水と相分離する有機溶媒とを含む撥水剤。
- 少なくとも撥水材料と酵素の溶解度が10mg/ml以下の有機溶媒とを含む撥水剤。
- 上記撥水材料がカーボン粉末、上記有機溶媒がメチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタンまたはジエチルエーテルである請求項20記載の撥水剤。
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極および上記負極のうちの少なくとも一方に酵素が固定化され、
上記酵素の固定化材に撥水材料が含まれている燃料電池。 - 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の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を製造する場合に、上記酵素を撥水材料を含む固定化材を用いて固定化する燃料電池の製造方法。
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の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を製造する場合に、上記酵素を電極に固定化した後、上記電極の表面に撥水剤を形成することにより撥水性とする燃料電池の製造方法。
- 少なくとも撥水材料と水と相分離する有機溶媒とを含む酵素固定化材。
- 少なくとも撥水材料と酵素の溶解度が10mg/ml以下の有機溶媒とを含む酵素固定化材。
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