JP2010267459A - Fuel cell, its manufacturing method, enzyme fixed electrode, its manufacturing method, and electronic equipment - Google Patents

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英之 汲田
Yuichi Tokita
裕一 戸木田
Hideki Sakai
秀樹 酒井
Hiroki Mita
洋樹 三田
Takaaki Nakagawa
貴晶 中川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell for preventing deterioration of output characteristics, lifetime, and efficiency or the like and for improving maintenance rate of current by preventing elution of an electronic mediator fixed to a positive electrode together with an enzyme, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: A positive electrode 2 of a bio-fuel cell is manufactured by contacting a solution, in which a hydrophobic electronic mediator such as ferrocene is dissolved in an organic solvent having phase separation with water, on the surface of an electrode on which an enzyme is fixed, after the enzyme is fixed on the surface of the electrode with gaps inside, and fixing the hydrophobic electronic mediator on the surface of the electrode. As the organic solvent which carries out phase separation with water, methyl-isobutyl ketone or the like is used. By containing a water repellent material in this solution, the water repellent material is formed on the surface of the electrode to make it water repellent. Carbon powder or the like is used as the water repellent material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器に関する。より詳細には、この発明は、正極(カソード)に酵素および電子メディエーターを固定化する燃料電池およびその製造方法に適用して好適なものである。さらに、この発明は、この燃料電池に用いて好適な酵素固定化電極およびその製造方法ならびにこの燃料電池を用いる電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell, a manufacturing method thereof, an enzyme-immobilized electrode, a manufacturing method thereof, and an electronic device. More specifically, the present invention is suitable for application to a fuel cell in which an enzyme and an electron mediator are immobilized on a positive electrode (cathode) and a method for producing the same. Furthermore, the present invention relates to an enzyme-immobilized electrode suitable for use in the fuel cell, a method for producing the same, and an electronic device using the fuel cell.

近年、酵素を用いた燃料電池(バイオ燃料電池)が注目されている(例えば、特許文献1〜12参照。)。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(H+ )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などのアルコール類あるいはグルコースなどの単糖類あるいはデンプンなどの多糖類を用いたものが開発されている。 In recent years, a fuel cell (biofuel cell) using an enzyme has attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 to 12). In this biofuel cell, fuel is decomposed by enzymes and separated into protons (H + ) and electrons. Alcohols such as methanol and ethanol, monosaccharides such as glucose, and polysaccharides such as starch are used as fuel. What has been developed.

このバイオ燃料電池の正極には、酸素を還元する酵素とともに電子メディエーターを固定化するのが一般的であり、電子メディエーターとしては従来より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が用いられている。   Generally, an electron mediator is immobilized on the positive electrode of this biofuel cell together with an enzyme that reduces oxygen. As an electron mediator, potassium hexacyanoferrate (potassium ferricyanide), potassium octacyanotungstate, and the like have been conventionally used. It is used.

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、本発明者らが種々の実験を行った結果得られた知見によれば、正極に酵素とともに固定化するヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどの電子メディエーターは、バイオ燃料電池の使用中に正極から溶出しやすい。このため、バイオ燃料電池の出力、寿命、効率などの低下が生じてしまうという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することにより、電流の維持率の向上を図った燃料電池およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、酵素とともに電子メディエーターが固定化される燃料電池の正極に適用して好適な酵素固定化電極およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
However, according to the knowledge obtained as a result of various experiments conducted by the present inventors, electron mediators such as potassium hexacyanoferrate and potassium octacyanotungstate immobilized on the positive electrode together with the enzyme are used in biofuel cells. Elution from the positive electrode is easy. For this reason, there existed a problem that the output of a biofuel cell, lifetime, efficiency, etc. will fall.
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell and a method for manufacturing the same, in which the retention rate of the current is improved by preventing the elution of the electron mediator immobilized together with the enzyme on the positive electrode. .
Another problem to be solved by the present invention is to provide an enzyme-immobilized electrode suitable for application to a positive electrode of a fuel cell in which an electron mediator is immobilized together with an enzyme, and a method for producing the same.
Still another problem to be solved by the present invention is to provide an electronic device using the above excellent fuel cell.

本発明者らは、従来技術が有する上記の問題を解消するために、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターとしてフェロセンなどの疎水性の電子メディエーターを用いることを考えた。ところが、疎水性の高い電子メディエーターは水に不溶であるため、酵素などとの混合溶液を調製してカーボンなどからなる電極に塗布することができない。一方、フェロセンは、アセトンやエタノールなどの水と混じる有機溶媒には溶解するが、これらの有機溶媒にフェロセンを溶解した溶液を酵素を固定化した電極に塗布すると、これらの有機溶媒が酵素を失活させてしまう。そこで、本発明者らは鋭意研究を行った結果、酵素をほとんど溶解しない有機溶媒に疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布することなどにより疎水性の電子メディエーターを電極に固定化することが有効であるという結論に至った。この方法によれば、あらかじめ電極の表面に固定化された酵素を失活させずに疎水性の電子メディエーターを電極の表面に固定化することができる。   In order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors considered using a hydrophobic electron mediator such as ferrocene as an electron mediator that is immobilized on the positive electrode together with the enzyme. However, since the highly hydrophobic electron mediator is insoluble in water, a mixed solution with an enzyme or the like cannot be prepared and applied to an electrode made of carbon or the like. On the other hand, ferrocene dissolves in organic solvents mixed with water such as acetone and ethanol. However, when a solution in which ferrocene is dissolved in these organic solvents is applied to an electrode on which the enzyme is immobilized, these organic solvents lose the enzyme. I will make it live. Therefore, as a result of intensive studies, the inventors fixed the hydrophobic electron mediator to the electrode by, for example, applying a solution in which the hydrophobic electron mediator is dissolved in an organic solvent that hardly dissolves the enzyme to the surface of the electrode. It came to the conclusion that it is effective. According to this method, the hydrophobic electron mediator can be immobilized on the electrode surface without deactivating the enzyme previously immobilized on the electrode surface.

一方、上述のバイオ燃料電池の正極の電極材料には一般に、酸素の供給のために多孔質カーボンなどの、内部に空隙を有する材料が用いられる。このような内部に空隙を有する材料を用いた正極では、負極に供給される燃料溶液から電解質を通って正極側に移動する水や、負極から電解質を通って供給される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することにより生成される水や、緩衝液を含む電解質から浸透圧により出てくる水などが、正極の内部の空隙を満たす結果、正極の内部が水没するおそれがある。このように正極の内部が水没すると、正極に対する酸素の供給が困難となることから、バイオ燃料電池から得られる電流が大幅に減少してしまう。このため、正極に含まれる水分量を管理することが重要であるが、これまでそのための有効な方法は提案されていなかった。本発明者らは、この問題を解消するために鋭意研究を行った結果、正極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合に、その空隙の内面を含むこの電極の表面の少なくとも一部を撥水性とすることにより、この正極に含まれる水分量を最適範囲に維持することができることを見出した。しかも、この場合、酵素の活性を維持しつつ、電極の表面を撥水化することができる。さらに検討を行った結果、この撥水化技術は、負極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合にも有効であるという結論に至った。 On the other hand, the electrode material for the positive electrode of the above-described biofuel cell is generally a material having voids inside such as porous carbon for supplying oxygen. In the positive electrode using such a material having voids inside, water that moves from the fuel solution supplied to the negative electrode through the electrolyte to the positive electrode side, and H + supplied from the negative electrode through the electrolyte are externally supplied. Water generated by reacting with supplied oxygen and electrons sent from the negative electrode through an external circuit, or water generated by osmotic pressure from an electrolyte containing a buffer solution fills the void inside the positive electrode. As a result, the inside of the positive electrode may be submerged. When the inside of the positive electrode is submerged in this way, it becomes difficult to supply oxygen to the positive electrode, and the current obtained from the biofuel cell is greatly reduced. For this reason, it is important to control the amount of water contained in the positive electrode, but no effective method has been proposed so far. As a result of intensive studies to solve this problem, the present inventors have found that the positive electrode is composed of an electrode on which an enzyme is immobilized, and this electrode has voids inside porous carbon or the like. The inventors have found that the water content contained in the positive electrode can be maintained in the optimum range by making water repellent at least a part of the surface of the electrode including the inner surface of the void. In this case, the surface of the electrode can be made water-repellent while maintaining the activity of the enzyme. As a result of further investigation, it is concluded that this water repellent technology is also effective when the negative electrode is composed of an electrode on which an enzyme is immobilized, and this electrode has a void inside porous carbon or the like. It came to.

すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法である。
ここで、水と相分離する有機溶媒としては、典型的には、酵素の溶解度が十分に小さい、例えば溶解度が10mg/ml以下、好適には1mg/ml以下の有機溶媒が用いられる。また、酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化された電極は、典型的には正極であるが、負極であってもよい。
That is, in order to solve the above problems, the present invention provides:
A step of immobilizing an enzyme on the surface of an electrode having a void inside;
The hydrophobic electron mediator is immobilized on the surface of the electrode by bringing the surface of the electrode on which the enzyme is immobilized into contact with a solution in which the hydrophobic electron mediator is dissolved in an organic solvent that is phase-separated from water. The manufacturing method of the fuel cell which has a process.
Here, as the organic solvent to be phase-separated from water, typically, an organic solvent having a sufficiently low solubility of the enzyme, for example, a solubility of 10 mg / ml or less, preferably 1 mg / ml or less is used. The electrode on which the enzyme and the hydrophobic electron mediator are immobilized is typically a positive electrode, but may be a negative electrode.

また、この発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池である。
In addition, this invention
Having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via a proton conductor;
The positive electrode is a fuel cell in which an enzyme and a hydrophobic electron mediator are immobilized on the surface of an electrode having voids inside.

また、この発明は、
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、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器である。
In addition, this invention
Using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
Having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via a proton conductor;
The positive electrode is an electronic device in which an enzyme and a hydrophobic electron mediator are immobilized on the surface of an electrode having a void inside.

上記の各発明において、電極の表面を撥水性とするためには、例えば、この電極の表面に撥水材料を形成する。具体的には、例えば、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させたものに疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布したり、染み込ませたり、電極をこの溶液にディップ(浸漬)したりする。撥水材料としては、好適には、微粒子状の撥水材料が用いられ、この微粒子状の撥水材料を水と相分離する有機溶剤に分散させる。この溶液中の撥水材料の割合は極微量であってもよい。   In each of the above inventions, in order to make the surface of the electrode water repellent, for example, a water repellent material is formed on the surface of the electrode. Specifically, for example, a solution in which a hydrophobic electron mediator is dissolved in a water-repellent material dispersed in an organic solvent that is phase-separated from water is applied to the surface of the electrode, or the electrode is soaked. Or dipping. As the water repellent material, a particulate water repellent material is preferably used, and the particulate water repellent material is dispersed in an organic solvent that is phase-separated from water. The ratio of the water repellent material in this solution may be extremely small.

正極または負極の電極に用いる、内部に空隙を有する材料としては、一般的には多孔質の材料が用いられ、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が多く用いられるが、他の材料を用いてもよい。   As a material having a void inside, which is used for a positive electrode or a negative electrode, a porous material is generally used. For example, many carbon-based materials such as porous carbon, carbon pellets, carbon felt, and carbon paper are used. Although used, other materials may be used.

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。   In this fuel cell, for example, the fuel solution is configured to contact a part of the positive electrode, or the fuel solution is configured to contact the outer peripheral surface of the negative electrode and the side surface of the positive electrode. It is not something. In the latter case, for example, a sheet made of a material that allows air to permeate but does not permeate the fuel solution is provided on the surface of the positive electrode opposite to the proton conductor.

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、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、マルチ銅酸化酵素を用いることができる。ただし、マルチ銅酸化酵素は、活性中心に4つの銅イオンを有し、酸素を4電子還元する酵素、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の総称である。この場合、正極に酵素とともに固定化する疎水性の電子メディエーターとしては、例えば、次のようなものが挙げられる。
The enzyme immobilized on the positive electrode and the negative electrode may be various, and is selected as necessary. When an enzyme is immobilized on 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, multi-copper oxidase can be used. However, multi-copper oxidase is a general term for enzymes having four copper ions at the active center and capable of reducing oxygen by four electrons, such as bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase. In this case, examples of the hydrophobic electron mediator immobilized on the positive electrode together with the enzyme include the following.

・フェロセンFeCp2 (Cp:シクロペンタジエニル環;logPow=3.28)およびn,n´−置換−フェロセンFe(nX−Cp)(n´Y−Cp)(n,n´=1〜5、X,Yは置換基)のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
・水と相分離する有機溶媒に溶解するアントラキノン系またはナフトキノン系の化合物のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
Ferrocene FeCp 2 (Cp: cyclopentadienyl ring; logPow = 3.28) and n, n′-substituted-ferrocene Fe (nX—Cp) (n′Y—Cp) (n, n ′ = 1 to 5) , X and Y are substituent groups), an electron donor for multi-copper oxidase, and anthraquinone- or naphthoquinone-based compounds that dissolve in an organic solvent that is phase-separated from water. Compounds that can become the body

正極には、必要に応じて、上記の疎水性の電子メディエーターとともに、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどの親水性の電子メディエーターを固定化してもよい。   If necessary, a hydrophilic electron mediator such as potassium hexacyanoferrate or potassium octacyanotungstate may be immobilized on the positive electrode, if necessary, together with the above hydrophobic electron mediator.

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. .

メタノールを燃料とする場合には、触媒としてメタノールに作用してホルムアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)と、ホルムアルデヒドに作用して蟻酸に酸化するホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ(FalDH)と、蟻酸に作用してCO2 に酸化する蟻酸デヒドロゲナーゼ(FateDH)とにより三段階の酸化プロセスを経て、CO2 まで分解される。すなわち、メタノール1分子当たり三つのNADHが生成されることになり、六つの電子が生成される。 When methanol is used as a fuel, alcohol dehydrogenase (ADH) that acts on methanol as a catalyst to oxidize to formaldehyde, formaldehyde dehydrogenase (FalDH) that acts on formaldehyde to oxidize to formic acid, and acts on formic acid to produce CO 2. It is decomposed to CO 2 through a three-stage oxidation process with formate dehydrogenase (FateDH) that oxidizes to CO2. That is, three NADHs are generated per molecule of methanol, and six electrons are generated.

エタノールを燃料とする場合には、触媒としてエタノールに作用してアセトアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)と、アセトアルデヒドに作用して酢酸に酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼ(AlDH)とにより、二段階の酸化プロセスを経て、酢酸まで分解される。すなわち、エタノール1分子につき二段階の酸化反応により合計4電子が生成されることになる。
なお、エタノールは、メタノールと同様にCO2 まで分解する方法をとることもできる。この場合は、アセトアルデヒドに対してアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ(AalDH)を作用させてアセチルCoAとした後、TCA回路に渡される。TCA回路でさらに電子が生成される。
When ethanol is used as a fuel, a two-stage oxidation process is performed using alcohol dehydrogenase (ADH) that acts on ethanol as a catalyst to oxidize to acetaldehyde and aldehyde dehydrogenase (AlDH) that acts on acetaldehyde and oxidizes to acetic acid. Then it is decomposed to acetic acid. That is, a total of 4 electrons are generated by two-stage oxidation reaction per molecule of ethanol.
Incidentally, ethanol may take the method of decomposing to CO 2 as well as methanol. In this case, acetaldehyde dehydrogenase (AalDH) is allowed to act on acetaldehyde to form acetyl CoA, which is then passed to the TCA circuit. Further electrons are generated in the TCA circuit.

負極に酵素とともに固定化する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。   As the electron mediator that is immobilized on the negative electrode together with the enzyme, basically any kind of electron mediator may be used. However, 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.

一つの例では、負極に電子メディエーターとしての2−メチル−1,4−ナフトキノン(VK3)、補酵素としての還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)、酸化酵素としてのグルコースデヒドロゲナーゼおよび補酵素酸化酵素としてのジアホラーゼを固定化し、好適には、これらを1.0(mol):0.33〜1.0(mol):(1.8〜3.6)×106 (U):(0.85〜1.7)×107 (U)の比で固定化する。ただし、U(ユニット)とは、酵素活性を示す一つの指標であり、ある温度およびpHにおいて1分間当たり1μmolの基質が反応する度合いを示す。
酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極または正極に固定化するための固定化材としては、従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。
In one example, the negative electrode is 2-methyl-1,4-naphthoquinone (VK3) as an electron mediator, reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, glucose dehydrogenase and coenzyme oxidase as oxidases The diaphorase as is immobilized, and preferably 1.0 (mol): 0.33-1.0 (mol): (1.8-3.6) × 10 6 (U): (0. It is fixed at a ratio of 85 to 1.7) × 10 7 (U). However, U (unit) is an index indicating enzyme activity, and indicates the degree to which 1 μmol of substrate reacts per minute at a certain temperature and pH.
As an immobilizing material for immobilizing an enzyme, a coenzyme, an electron mediator or the like on the negative electrode or the positive electrode, various conventionally known materials can be used and are selected as necessary.

プロトン伝導体としては、電子伝導性を持たず、プロトンのみ伝導するものである限り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。具体的には、プロトン伝導体としては、例えば次のようなものが挙げられる。
・セロハン
・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)
・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)
Various proton conductors can be used as long as they do not have electron conductivity and only conduct protons, and are selected as necessary. Specifically, examples of the proton conductor include the following.
・ Cellophane ・ Perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film ・ Copolymer film of trifluorostyrene derivative ・ Polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid ・ Aromatic polyether ketone sulfonic acid film ・ PSSA-PVA (polystyrene sulfone) Acid polyvinyl alcohol copolymer)
・ PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer)
・ Ion exchange resins with fluorine-containing carbon sulfonic acid groups (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.)

また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する酵素固定化電極の製造方法である。
In addition, this invention
A step of immobilizing an enzyme on the surface of an electrode having a void inside;
The hydrophobic electron mediator is immobilized on the surface of the electrode by bringing the surface of the electrode on which the enzyme is immobilized into contact with a solution in which the hydrophobic electron mediator is dissolved in an organic solvent that is phase-separated from water. And an enzyme-immobilized electrode manufacturing method.

また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極である。
In addition, this invention
An enzyme-immobilized electrode comprising an enzyme and a hydrophobic electron mediator immobilized on the surface of an electrode having a void inside.

上記の発明による酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極は、正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池の正極に適用して好適なものである。上記の酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、上記の発明による燃料電池の製造方法および燃料電池の発明に関連して説明したことが成立する。   The method for producing an enzyme-immobilized electrode and the enzyme-immobilized electrode according to the above invention have a structure in which a positive electrode and a negative electrode face each other via a proton conductor, and the positive electrode has an enzyme and It is suitable for application to the positive electrode of a fuel cell comprising an electron mediator immobilized. In the above-described method for producing an enzyme-immobilized electrode and the invention for an enzyme-immobilized electrode, the matters other than those described above relate to the method for producing a fuel cell and the invention for a fuel cell according to the above-described invention, as long as they do not contradict their properties. The explanation is valid.

上述のように構成されたこの発明においては、内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化し、この酵素を固定化した電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させるようにしている。このため、酵素を失活させることなく、電極の表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。この疎水性の電子メディエーターは水に溶けないため、水を含む緩衝液中にはほとんど溶出しない。   In the present invention configured as described above, an enzyme is immobilized on the surface of an electrode having a void inside, and an organic solvent that phase-separates a hydrophobic electron mediator from water on the surface of the electrode on which the enzyme is immobilized. The solution dissolved in is brought into contact. For this reason, a hydrophobic electron mediator can be immobilized on the surface of the electrode without inactivating the enzyme. Since this hydrophobic electron mediator is not soluble in water, it hardly elutes in a buffer solution containing water.

この発明によれば、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することができることにより、電流の維持率の向上を図ることができ、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、このように優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器を実現することができる。   According to the present invention, the elution of the electron mediator immobilized on the positive electrode together with the enzyme can be prevented, whereby the current maintenance rate can be improved, and a fuel cell having excellent performance can be obtained. By using such an excellent fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.

この発明の第1の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。1 is a schematic diagram showing a biofuel cell according to a first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施の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。FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a negative electrode of the biofuel cell according to the first embodiment of the present invention, an example of an enzyme group immobilized on the negative electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group. . この発明の第1の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の一例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows an example of the whole structure of the biofuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の他の例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the other example of the whole structure of the biofuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の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 measurement system used for the measurement of the chronoamperometry performed for evaluation of the biofuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の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 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったリニアスイープ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 linear sweep voltammetry performed for evaluation of the biofuel cell by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の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 1st Embodiment of this invention. この発明の第2の実施の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 the 2nd Embodiment of this invention.

以下、発明を実施するための形態(以下「実施の形態」とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described. The description will be given in the following order.
1. First Embodiment 2. FIG. Second embodiment

〈1.第1の実施の形態〉
図1は第1の実施の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。
<1. First Embodiment>
FIG. 1 schematically shows a biofuel cell according to a first embodiment. 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.

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とが電子伝導性を持たず、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。 As shown in FIG. 1, this biofuel cell has a structure in which a negative electrode 1 and a positive electrode 2 are opposed to each other through an electrolyte layer 3 that does not have electronic conductivity and conducts 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、内部に空隙を有する材料、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酸化酵素のほか、補酵素、補酵素酸化酵素、電子メディエーターなどが固定化材(図示せず)により固定化されたものである。ここで、グルコースの分解に関与する酸化酵素はグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)である。補酵素は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ものであり、例えばNAD+ 、NADP+ などである。補酵素酸化酵素は補酵素の還元体(例えば、NADH、NADPHなど)を酸化するものであり、ジアホラーゼ(DI)である。電子メディエーターは、ジアホラーゼ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に渡すためのものである。 The negative electrode 1 is formed on a material having voids inside, for example, an electrode 11 made of porous carbon or the like (see FIG. 2), in addition to an oxidase involved in glucose decomposition, a coenzyme, a coenzyme oxidase, an electron mediator, etc. Is fixed by a fixing material (not shown). Here, the oxidase involved in the degradation of glucose is glucose dehydrogenase (GDH). A coenzyme is a product in which a reductant is generated in association with an oxidation reaction in a glucose decomposition process, such as NAD + and NADP + . The coenzyme oxidase oxidizes a reduced form of coenzyme (for example, NADH, NADPH, etc.) and is diaphorase (DI). The electron mediator is for receiving electrons generated from the diaphorase accompanying the oxidation of the coenzyme and passing them to the electrode 11.

グルコースの分解に関与する酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)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−グルコネートになる。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。
By allowing glucose dehydrogenase (GDH) as an enzyme involved in the degradation of glucose, 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. D-gluconate is phosphorylated by hydrolyzing adenosine triphosphate (ATP) into adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase to give 6-phospho-D-gluconate. Become. 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との間で電子の受け渡しを行うもので、バイオ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。しかしながら、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に固定化する電子メディエーターは、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(VK3)などが好適である。そのほか、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)などの金属錯体も電子メディエーターとして用いることができる。さらに、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 exchanges electrons with the electrode 11, and the output voltage of the biofuel 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 with respect to the enzyme, the rate of electron exchange with the electrode 11, the structural stability with respect to inhibitors (light, oxygen, etc.) must also be considered. From such a viewpoint, 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), vitamin K3 (VK3), and the like are preferable as the electron mediator immobilized on the negative electrode 1. In addition, for example, a compound having a quinone skeleton, a metal complex such as osmium (Os), ruthenium (Ru), iron (Fe), and cobalt (Co) can also be used as an electron mediator. Furthermore, a viologen compound such as benzyl viologen, a compound having a nicotinamide structure, a compound having a riboflavin structure, a compound having a nucleotide-phosphate structure, and 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は緩衝物質(緩衝液)を含む。このように緩衝物質(緩衝液)を含む電解質層3を用いる場合には、高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減が電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝作用を得ることができることが望ましい。このように十分な緩衝作用を得ることができることにより、至適pHからのpHのずれを十分に小さく抑えることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにすることができる。このためには、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を0.2M以上2.5M以下にすることが有効であり、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下とする。緩衝物質は、一般的にはpKa が5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。具体例を挙げると、次の通りである。 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 + . As the electrolyte layer 3, for example, one appropriately selected from those already mentioned can be used. In this case, the electrolyte layer 3 includes a buffer substance (buffer solution). When the electrolyte layer 3 containing a buffer substance (buffer solution) is used in this way, even when the increase or decrease in protons occurs in the electrode or in the immobilized membrane of the enzyme due to an enzyme reaction via protons during high output operation. It is desirable that a sufficient buffering action can be obtained. By being able to obtain a sufficient buffering action in this way, it is possible to suppress the deviation in pH from the optimum pH to a sufficiently small level and to fully demonstrate the ability of the enzyme. Can do. For this purpose, it is effective that the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less. More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less. Buffer substances are generally as long as a pK a of 5 to 9 may be used What. A specific example is as follows.

・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(Tris))
・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)
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。
· Dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 -)
2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviation 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-hydroxyethylpiperazine-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 ).

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の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
イミダゾール誘導体の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
上記の緩衝物質としての、イミダゾール環を有する化合物の濃度は必要に応じて選ばれるが、好適には0.2M以上3M以下の濃度とする。
緩衝物質としては、上に挙げたもののほか、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。
As the buffer substance, a compound containing an imidazole ring is also preferable. Specific examples of the compound containing the imidazole ring are as follows.
-Imidazole, triazole, pyridine derivatives, bipyridine derivatives, imidazole derivatives Specific examples of imidazole derivatives are as follows.
・ 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 Imidazo as the above buffer substance The concentration of the compound having the Le ring is selected as necessary, preferably in a 3M following concentrations above 0.2 M.
In addition to those listed above, 2-aminoethanol, triethanolamine, TES (N-Tris (hydroxymethyl) methyl-2-aminoethanesulfonic acid), BES (N, N-Bis (2-hydroxyethyl)- 2-aminoethanesulfonic acid) may also be used.

上述の緩衝物質に加えて、例えば、塩酸(HCl)、酢酸(CH3 COOH)、リン酸(H3 PO4 )および硫酸(H2 SO4 )からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のpHは、好適には7付近であるが、一般的には1〜14のいずれであってもよい。 In addition to the above buffer substance, for example, at least one acid selected from the group consisting of hydrochloric acid (HCl), acetic acid (CH 3 COOH), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) It may be added as a neutralizing agent. By doing so, the activity of the enzyme can be maintained higher. The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14.

緩衝物質のイオン強度(I.S.)は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば0.3程度であることが好ましい。ただし、pHおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。   The ionic strength (I.S.) of the buffer substance has an adverse effect on the enzyme activity if it is too large or too small, but considering the electrochemical responsiveness, it is a moderate ionic strength, for example, about 0.3. It is preferable. However, pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above.

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、具体的には、例えば、ポリ−L−リシン(PLL)、グルタルアルデヒド(GA)、ポリ−L−リシンとグルタルアルデヒドとを組み合わせたもの、ポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。ポリイオンコンプレックスは、例えば、ポリ−L−リシン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ものである。   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. Specific examples of such an immobilizing material include poly-L-lysine (PLL), glutaraldehyde (GA), a combination of poly-L-lysine and glutaraldehyde, and a polyion complex. be able to. The polyion complex is formed using, for example, a polycation such as poly-L-lysine or a salt thereof and a polyanion such as polyacrylic acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)) or a salt thereof. Is.

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、内部に空隙を有する材料、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、少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターが用いられ、必要に応じてさらにヘキサシアノ鉄酸カリウム(より詳細には、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)などの少なくとも一種類の親水性の電子メディエーターが用いられる。   In the positive electrode 2, an oxygen reductase and an electron mediator that transfers electrons to and from this electrode are immobilized on an electrode made of a material having voids inside, 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, at least one kind of hydrophobic electron mediator is used, and if necessary, further potassium hexacyanoferrate (more specifically, hexacyanoferrate ion generated by ionization of potassium hexacyanoferrate), etc. At least one hydrophilic electron mediator is used.

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.

このバイオ燃料電池においては、正極2に用いられる、内部に空隙を有する電極の表面の少なくとも一部、好適には大半を撥水性とする。ここで、電極の表面とは、電極の外面と電極内部の空隙の内面との全体を含む。具体的には、例えば、この電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成することにより撥水性としている。この撥水材料を電極内部の空隙の内面に形成するためには、この撥水材料は、この空隙の大きさより十分に小さい微粒子(粉末)状とし、空隙の内部の空間の大半がこの撥水材料により占められないようにする必要がある。   In this biofuel cell, at least a part, preferably most of the surface of the electrode used for the positive electrode 2 having voids inside is made water-repellent. Here, the surface of the electrode includes the entire outer surface of the electrode and the inner surface of the void inside the electrode. Specifically, for example, a water repellent material is formed by forming a water repellent material on at least a part of the surface of the electrode. In order to form this water repellent material on the inner surface of the gap inside the electrode, the water repellent material is in the form of fine particles (powder) sufficiently smaller than the size of the gap, and most of the space inside the gap is the water repellent material. It is necessary not to be occupied by the material.

撥水材料としては種々のものを用いることができるが、例えばカーボン系の材料、好適にはカーボン粉末を用いることができる。カーボン粉末としては、例えば、天然黒鉛などの黒鉛、活性炭、リチウムイオン電池の添加材などに使用されるカーボンナノファイバー(気相法炭素繊維)、ケッチェンブラックなどを用いることができ、取り分け黒鉛粉末を用いることが好ましい。撥水材料としては撥水性ポリマーを用いることもできる。このような撥水性ポリマーとしては、例えば、ポリビニルブチラールのほか、各種のフッ素系ポリマーなどを用いることができる。フッ素系ポリマーの具体例を挙げると、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニル、パーフルオロアルコキシ樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルスルフォンなどであるが、これらに限定されるものではない。   As the water repellent material, various materials can be used. For example, a carbon-based material, preferably carbon powder can be used. As the carbon powder, for example, graphite such as natural graphite, activated carbon, carbon nanofiber (gas phase carbon fiber) used as an additive for a lithium ion battery, ketjen black, etc. can be used. Is preferably used. A water-repellent polymer can also be used as the water-repellent material. As such a water-repellent polymer, for example, various fluorine-based polymers can be used in addition to polyvinyl butyral. Specific examples of the fluoropolymer include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polyfluoride. Vinyl, perfluoroalkoxy resin, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, polyether sulfone and the like are not limited thereto.

上述のように電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成するためには、例えば、この撥水材料を水と相分離する有機溶媒に分散させ、さらに少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターを溶解させた溶液をこの電極の表面に塗布し、内部の空隙を通してこの電極に含浸させた後、有機溶媒を除去する。   In order to form the water-repellent material on at least a part of the surface of the electrode as described above, for example, the water-repellent material is dispersed in an organic solvent that is phase-separated from water, and at least one hydrophobic electron mediator is used. A solution in which is dissolved is applied to the surface of the electrode, and the electrode is impregnated through an internal gap, and then the organic solvent is removed.

上記の水と相分離する有機溶媒としては、好適には、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、ジエチルエーテルなどが用いられる。この有機溶媒としては、一般的には、脂肪族、脂環式または芳香族系の炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、これらのハロゲン化物などの各種の有機溶媒を用いることができる。この有機溶媒としては、より具体的には、例えば、ブタン類、ペンタン類、ヘキサン類、ヘプタン類、オクタン類、ノナン類、デカン類、ドデカン類、シクロヘキサン、シクロペンタン、ベンゼン、キシレン類、ブタノール、ペンタノール、メチルエーテル、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、塩化メチレン、メチルクロロホルム、四塩化炭素、ジクロロジフルオロメタン、パークロロエチレン、塩素原子、臭素原子および(または)ヨウ素原子で1個以上置換されたベンゼン系溶媒やトルエン系溶媒などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、また、これらは単独で用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。   As the organic solvent for phase separation from the above water, methyl isobutyl ketone, heptane, hexane, toluene, isooctane, diethyl ether and the like are preferably used. As the organic solvent, various organic solvents such as aliphatic, alicyclic or aromatic hydrocarbon solvents, ether solvents, and halides thereof can be generally used. More specifically, examples of the organic solvent include butanes, pentanes, hexanes, heptanes, octanes, nonanes, decanes, dodecanes, cyclohexane, cyclopentane, benzene, xylenes, butanol, Benzene system substituted with one or more of pentanol, methyl ether, ethyl ether, isopropyl ether, methylene chloride, methyl chloroform, carbon tetrachloride, dichlorodifluoromethane, perchloroethylene, chlorine atom, bromine atom and / or iodine atom Although a solvent, a toluene type solvent, etc. are mentioned, it is not limited to these, Moreover, these may be used independently and may use 2 or more types together.

水と相分離する有機溶媒としては、塩化メチレン、1,2−ジクロロエタン、クロロホルム、モノクロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、2−クロロトルエン、3−クロロトルエン、4−クロロトルエン、2−クロロ−m−キシレン、2−クロロ−p−キシレン、4−クロロ−o−キシレン、2,3−ジクロロトルエン、2,4−ジクロロトルエン、2,5−ジクロロトルエン、2,6−ジクロロトルエン、3,4−ジクロロトルエン、モノフルオロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素溶媒、ニトロベンゼン、ベンゼンなどの炭化水素溶媒なども挙げられる。また、水と相分離する有機溶媒としては、例えば、シクロヘキサン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサノン、1−メトキシイソプロパノールアセテート、酢酸エチル、酢酸ブチル、石油エーテル、シリコンオイルなども挙げられる。   Examples of the organic solvent for phase separation from water include methylene chloride, 1,2-dichloroethane, chloroform, monochlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 2-chlorotoluene, 3-chlorotoluene, 4-chlorotoluene, 2-chloro- m-xylene, 2-chloro-p-xylene, 4-chloro-o-xylene, 2,3-dichlorotoluene, 2,4-dichlorotoluene, 2,5-dichlorotoluene, 2,6-dichlorotoluene, 3, Other examples include halogenated hydrocarbon solvents such as 4-dichlorotoluene and monofluorobenzene, and hydrocarbon solvents such as nitrobenzene and benzene. Examples of the organic solvent that is phase-separated from water include cyclohexane, normal hexane, cyclohexanone, 1-methoxyisopropanol acetate, ethyl acetate, butyl acetate, petroleum ether, and silicone oil.

水と相分離する有機溶媒としてはさらに、イオン性液体を用いることもできる。このイオン性液体としては、例えば、アニオンとして、フルオロアルキル硫酸アニオン、フルオロシクロアルキル硫酸アニオンおよびフルオロベンジル硫酸アニオンからなる群から選ばれた少なくも1つのアニオンを含有するものが挙げられる。   An ionic liquid can also be used as the organic solvent that is phase-separated from water. Examples of the ionic liquid include those containing at least one anion selected from the group consisting of a fluoroalkyl sulfate anion, a fluorocycloalkyl sulfate anion, and a fluorobenzyl sulfate anion as anions.

水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液には、必要に応じて、バインダーなどを含ませる。このバインダーとしては種々のものを用いることができるが、ポリビニルブチラールなどの撥水性が高いバインダーを用いるとより好ましい。この溶液中のバインダーの割合は例えば0.01〜10%であるが、これに限定されるものではない。バインダーが例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの撥水性を有するものである場合にはこのバインダー自身を撥水材料として用いることができる。
上記の溶液を用いる場合、正極2に固定化された酵素を失活させないようにすることが重要であるが、有機溶剤としてすでに挙げたものを用いることにより酵素の失活を防止することができる。
The solution in which the water repellent material is dispersed in an organic solvent that is phase-separated from water and the hydrophobic electron mediator is dissolved may contain a binder or the like, if necessary. Various binders can be used as the binder, but it is more preferable to use a binder having high water repellency such as polyvinyl butyral. Although the ratio of the binder in this solution is 0.01 to 10%, for example, it is not limited to this. In the case where the binder has water repellency such as polyvinylidene fluoride (PVDF), the binder itself can be used as the water repellent material.
When using the above solution, it is important not to inactivate the enzyme immobilized on the positive electrode 2, but the inactivation of the enzyme can be prevented by using those already mentioned as the organic solvent. .

このバイオ燃料電池の全体構成の二つの例を図3および図4に示す。
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が貼り付けられている。そして、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)が接触している。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。このため、燃料溶液12の濃度をほぼ一定に保つことができる。
Two examples of the overall configuration of this biofuel cell are shown in FIGS.
The biofuel cell shown in FIG. 3 has a structure in which the negative electrode 1 and the positive electrode 2 face each other with the electrolyte layer 3 interposed therebetween, and air passes through the surface of the positive electrode 2 on the side opposite to the electrolyte layer 3. A sheet 13 made of a material that does not transmit the solution 12 is attached. The fuel solution 12 (the container for containing the fuel solution 12 is not shown) on the entire outer surface (upper surface and side surface) of the negative electrode 1 and on the negative electrode 1, the side surface of the positive electrode 2, and the electrolyte layer 3 that protrudes outside the positive electrode 2. Is touching. For example, a nonwoven fabric is used as the electrolyte layer 3, but is not limited thereto. Moreover, as the sheet | seat 13, although a PTFE (polytetrafluoroethylene) membrane is used, for example, it is not limited to this. In this biofuel cell, since the side surface of the positive electrode 2 and the fuel solution 12 are in contact with each other, water generated in the positive electrode 2 as the cell reaction proceeds passes through the side surface of the positive electrode 2 and the fuel solution. 12 is returned. For this reason, the concentration of the fuel solution 12 can be kept substantially constant.

図4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する。そして、負極1の外面(上面および側面)の全体と負極1および正極2の外部にはみ出した部分の電解質層3に燃料溶液12(燃料溶液12の収容容器の図示は省略する)が接触している。電解質層3としては例えばセロハンが用いられるが、これに限定されるものではない。   The biofuel cell shown in FIG. 4 has a structure in which the negative electrode 1 and the positive electrode 2 face each other with the electrolyte layer 3 interposed therebetween. Then, the fuel solution 12 (illustration of the container for the fuel solution 12 is omitted) is in contact with the entire outer surface (upper surface and side surfaces) of the negative electrode 1 and the electrolyte layer 3 in a portion protruding from the negative electrode 1 and the positive electrode 2. Yes. For example, cellophane is used as the electrolyte layer 3, but is not limited thereto.

電極の表面に電子メディエーターとして疎水性の電子メディエーターを固定化した正極2の評価を行った結果について説明する。
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焼成後、2枚重ねて1cm角に切り抜いた。次に、ポリ−L−リシン(2wt%水溶液)80μlと、BOD溶液80μl(100mg/ml、0.4Mイミダゾール/硫酸緩衝液)とを混合後、上記のカーボンフェルトに染み込ませ、乾燥させた。こうして、カーボンフェルトにBODが固定化される。次に、撥水材料としてカーボン粉末、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂などを含む有機溶媒のメチルイソブチルケトンに、疎水性の電子メディエーターとしてのフェロセンを200mM溶解させた溶液を調製する。次に、この溶液中にBODが固定化されたカーボンフェルトをディップし、このカーボンフェルトの表面にこの溶液を塗布した。この後、乾燥を行ってこの溶液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層を形成して撥水性とするとともに、カーボンフェルト内にフェロセンを均一に分散させた。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1cm2 である。
The result of evaluating the positive electrode 2 having a hydrophobic electron mediator immobilized as an electron mediator on the surface of the electrode will be described.
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 prepared as porous carbon. After firing this carbon felt, two sheets were stacked and cut into 1 cm squares. Next, 80 μl of poly-L-lysine (2 wt% aqueous solution) and 80 μl of BOD solution (100 mg / ml, 0.4 M imidazole / sulfate buffer) were mixed, and then soaked in the carbon felt and dried. Thus, the BOD is fixed to the carbon felt. Next, a solution in which 200 mM of ferrocene as a hydrophobic electron mediator is dissolved in methyl isobutyl ketone as an organic solvent containing carbon powder, silicon resin, fluorine resin, or the like as a water repellent material is prepared. Next, the carbon felt in which BOD was fixed in this solution was dipped, and this solution was applied to the surface of the carbon felt. Thereafter, drying is performed to remove the organic solvent contained in the solution. Thus, a water repellent layer was formed on the surface of the carbon felt to make it water repellent, and ferrocene was uniformly dispersed in the carbon felt. The enzyme / electron mediator immobilized electrode thus obtained has a thickness of 0.35 mm and an area of 1 cm 2 .

正極2に固定化された酵素、すなわちBODに対する、上記の黒鉛粉末などを含む溶液の影響を調べるために、この溶液に含まれる有機溶媒であるメチルイソブチルケトンとBOD溶液(5mg/ml 50mMリン酸緩衝液)とABTS溶液とを混合したところ、メチルイソブチルケトンと水とに相分離することが確認された。この場合、BODの活性は維持されていることが確認された。これは、BODは水相に存在するので、失活しにくいためである。ここで、メチルイソブチルケトンの水に対する溶解度は1.91g/100mLである。   In order to investigate the effect of the solution containing the above graphite powder or the like on the enzyme immobilized on the positive electrode 2, ie, BOD, methyl isobutyl ketone, which is an organic solvent contained in this solution, and BOD solution (5 mg / ml 50 mM phosphoric acid) Buffer) and the ABTS solution were mixed, and it was confirmed that phase separation into methyl isobutyl ketone and water occurred. In this case, it was confirmed that the activity of BOD was maintained. This is because BOD is not easily deactivated because it exists in the aqueous phase. Here, the solubility of methyl isobutyl ketone in water is 1.91 g / 100 mL.

さらに、有機溶媒としてヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタン、ジエチルエーテルを用い、これらの有機溶媒とBOD溶液とABTS溶液とを混合したところ、これらの有機溶媒と水とに相分離することが確認された。これらの場合も、BODの活性は維持されていることが確認された。ここで、ヘプタン、トルエンおよびイソオクタンは水に不溶であり、ヘキサンの水に対する溶解度は13mg/L、ジエチルエーテルの水に対する溶解度は6.9g/100mLである。   Further, when heptane, hexane, toluene, isooctane and diethyl ether were used as organic solvents, and these organic solvents, BOD solution and ABTS solution were mixed, it was confirmed that the phases were separated into these organic solvents and water. . Also in these cases, it was confirmed that the activity of BOD was maintained. Here, heptane, toluene and isooctane are insoluble in water, the solubility of hexane in water is 13 mg / L, and the solubility of diethyl ether in water is 6.9 g / 100 mL.

一方、有機溶媒としてテトラヒドロフラン(THF)、アセトン、エタノール、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を用い、これらの有機溶媒とBOD溶液とABTS溶液とを混合したところ、これらの混合溶液は白濁することが確認された。このことから、BODが変性したことが分かる。すなわち、これらの有機溶媒を用いた場合には、BODは失活してしまう。ここで、これらのテトラヒドロフラン、アセトン、エタノールおよびN,N−ジメチルホルムアミドはいずれも水と混和するものである。   On the other hand, when tetrahydrofuran (THF), acetone, ethanol, N, N-dimethylformamide (DMF) is used as the organic solvent and these organic solvent, BOD solution, and ABTS solution are mixed, these mixed solutions become cloudy. Was confirmed. This shows that BOD has denatured. That is, when these organic solvents are used, BOD is deactivated. Here, these tetrahydrofuran, acetone, ethanol and N, N-dimethylformamide are all miscible with water.

次に、上述のようにして、メチルイソブチルケトン中にカーボン粉末として天然黒鉛を13〜18%含む溶液を用いてカーボンフェルトの表面を撥水性としたものの撥水性の確認を行った。具体的には、表面を上記の溶液で撥水性としたカーボンフェルトおよび表面を撥水性としていないカーボンフェルトを用意する。そして、これらのカーボンフェルトを室温に放置した場合および温度25℃、湿度100%で6時間保った場合にこれらのカーボンフェルトに含まれる水分量を、カール・フィッシャー水分量測定器((株)ダイアインスツルメント製、VA−100型)を用いて測定した。その結果を下記に示す。   Next, the water repellency of the carbon felt surface was confirmed using a solution containing 13 to 18% of natural graphite as carbon powder in methyl isobutyl ketone as described above. Specifically, a carbon felt whose surface is water-repellent with the above solution and a carbon felt whose surface is not water-repellent are prepared. Then, when these carbon felts are left at room temperature and when kept at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 100% for 6 hours, the water content contained in these carbon felts is determined according to the Karl Fischer water content meter (Diamond Co., Ltd.). VA-100 type manufactured by Instrument). The results are shown below.

撥水性なしのカーボンフェルト
(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
Carbon felt without water repellency (1) Room temperature 1st 632.5
Second time 718.9
Third time 645.1
Average 665.5
(2) Left at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 100% for 6 hours 1st 18482.2
Second time 15434.4
3rd 12549.1
Average 15488.6

撥水性としたカーボンフェルト
(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
Water-repellent carbon felt (1) Room temperature 1st 1481.7
Second time 756.6
Third time 698.1
4th 1338.1
Average 1068.6
(2) Left at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 100% for 6 hours 1st 4943.8
Second time 3516.8
Third time 7280.8
Average 5247.1

以上の結果より、メチルイソブチルケトン中に撥水材料として黒鉛粉末を含む溶液で表面を撥水性としたカーボンフェルトに含まれる水分量は、表面を撥水性としていないカーボンフェルトに含まれる水分量に比べて約1/3と少なく、撥水材料で表面を撥水性としたカーボンフェルトは確かに撥水性を有することが分かった。   From the above results, the amount of water contained in carbon felt whose surface is water-repellent with a solution containing graphite powder as a water-repellent material in methyl isobutyl ketone is compared to the amount of water contained in carbon felt whose surface is not water-repellent. It was found that the carbon felt having a water repellent surface with a water repellent material certainly has water repellency.

上述のようにして作製した酵素/電子メディエーター固定化電極からなる正極2の電気化学特性を測定した。使用した測定系を図5に示す。図5に示すように、正極2を作用電極とし、これを透気性のPTFEメンブレン14上に載せてプレスし、この正極2に緩衝液15を接触させた状態で測定を行った。緩衝液15内に対極16および参照電極17を浸漬し、作用極としての正極2、対極16および参照電極17に電気化学測定装置(図示せず)を接続した。対極16としてはPt線、参照電極17としてはAg|AgClを用いた。測定は大気下で行い、測定温度は25℃とした。緩衝液15としては、2.0Mイミダゾール/硫酸緩衝液(pH7.0)を用いた。   The electrochemical characteristics of the positive electrode 2 comprising the enzyme / electron mediator immobilized electrode prepared as described above were measured. The measurement system used is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the positive electrode 2 was used as a working electrode, this was placed on a gas-permeable PTFE membrane 14 and pressed, and the measurement was performed with the buffer solution 15 in contact with the positive electrode 2. The counter electrode 16 and the reference electrode 17 were immersed in the buffer solution 15, and an electrochemical measurement device (not shown) was connected to the positive electrode 2, the counter electrode 16, and the reference electrode 17 as working electrodes. Pt wire was used as the counter electrode 16 and Ag | AgCl was used as the reference electrode 17. The measurement was performed in the atmosphere, and the measurement temperature was 25 ° C. As buffer solution 15, 2.0 M imidazole / sulfate buffer solution (pH 7.0) was used.

図5に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを900秒間行った。クロノアンペロメトリーにおける印加電圧は0.25V vs.Ag|AgClとした。この測定結果を図6の曲線(1)に示す。また、同様な測定をアルゴン下で行った結果を図6の曲線(2)に示す。さらに、図5に示す測定系を用いてリニアスイープボルタンメトリーも行った。リニアスイープボルタンメトリーでは、0.6〜−0.30V vs.Ag|AgClの電位領域を1mV/sの速度で0.65Vから負側に向けて電位走査した。この結果を図7に示す。   Chronoamperometry was performed for 900 seconds using the measurement system shown in FIG. The applied voltage in chronoamperometry was 0.25 V vs. Ag | AgCl. The measurement result is shown in the curve (1) in FIG. Moreover, the result of having performed the same measurement under argon is shown in the curve (2) of FIG. Furthermore, linear sweep voltammetry was also performed using the measurement system shown in FIG. In linear sweep voltammetry, a potential region of 0.6 to −0.30 V vs. Ag | AgCl was scanned from 0.65 V to the negative side at a rate of 1 mV / s. The result is shown in FIG.

図6の曲線(1)に示すように、大気下では約3mA/cm2 の電流値が900秒間にわたって安定的に観測されている。一方、図6の曲線(2)に示すように、アルゴン下では0.5mA/cm2 程度の電流値しか観測されていない。このことから、大気下で観測された電流値は、正極2に固定化されたBODによる触媒電流であることが分かる。 As shown by curve (1) in FIG. 6, a current value of about 3 mA / cm 2 is stably observed over 900 seconds in the atmosphere. On the other hand, as shown by the curve (2) in FIG. 6, only a current value of about 0.5 mA / cm 2 is observed under argon. From this, it can be seen that the current value observed in the atmosphere is a catalyst current by the BOD fixed to the positive electrode 2.

図8は、正極2に固定化した電子メディエーターがヘキサシアノ鉄酸カリウム(FeCNと略記)である場合と疎水性のフェロセン(Fcと略記)である場合とについて図5に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを900秒間行った結果を示す。従来より電子メディエーターとして用いられているヘキサシアノ鉄酸カリウムは水に対する溶解度が非常に高い。したがって、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは、固定化の際には高濃度の水溶液として簡単に塗布することができる利点がある反面、電気化学測定中には正極2から緩衝液中に容易に溶出してしまう。このため、図8の曲線(1)に示すように、測定開始の初期には高い電流値が得られるが、その維持率は低くなる。これに対して、フェロセンは水に不溶であるので、測定中に正極2から緩衝液中に溶出することはほとんどない。このため、図8の曲線(2)に示すように、ヘキサシアノ鉄酸カリウムを用いた場合に比べて電流値自体は低いものの、維持率は高く、安定した触媒電流が得られている。   FIG. 8 shows a case where the electron mediator immobilized on the positive electrode 2 is potassium hexacyanoferrate (abbreviated as FeCN) and a hydrophobic ferrocene (abbreviated as Fc) using the measurement system shown in FIG. The result of performing amperometry for 900 seconds is shown. Conventionally, potassium hexacyanoferrate used as an electron mediator has a very high solubility in water. Accordingly, potassium hexacyanoferrate has an advantage that it can be easily applied as a high-concentration aqueous solution at the time of immobilization, but is easily eluted from the positive electrode 2 into the buffer solution during the electrochemical measurement. . For this reason, as shown by the curve (1) in FIG. 8, a high current value is obtained at the beginning of the measurement, but the maintenance ratio is low. On the other hand, since ferrocene is insoluble in water, it hardly elutes from the positive electrode 2 into the buffer during the measurement. Therefore, as shown by the curve (2) in FIG. 8, although the current value itself is lower than that when potassium hexacyanoferrate is used, the maintenance ratio is high and a stable catalyst current is obtained.

以上のように、この第1の実施の形態によれば、正極2の電極の表面に、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を接触させた後、有機溶媒を乾燥させている。これにより、固定化された酵素の活性を維持しながら、この表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。このため、バイオ燃料電池の使用中に正極2から電子メディエーターが溶出するのを防止することができるので、出力特性、寿命、効率などの低下を防止することができ、電流の維持率の向上を図ることができる。また、正極2の表面に撥水材料を形成することにより撥水性としているので、正極2に含まれる水分量を最適範囲に維持することができ、それによって高い触媒電流を得ることができ、ひいてはバイオ燃料電池において高い電流値を継続的に得ることができる。   As described above, according to the first embodiment, the surface of the electrode of the positive electrode 2 is contacted with a solution in which a water repellent material is dispersed in an organic solvent that is phase-separated from water and a hydrophobic electron mediator is dissolved. Then, the organic solvent is dried. Thereby, a hydrophobic electron mediator can be immobilized on this surface while maintaining the activity of the immobilized enzyme. For this reason, since it is possible to prevent the elution of the electron mediator from the positive electrode 2 during use of the biofuel cell, it is possible to prevent a decrease in output characteristics, lifetime, efficiency, etc., and to improve the current maintenance rate. Can be planned. In addition, since the water repellent material is formed on the surface of the positive electrode 2 to make it water repellent, the amount of water contained in the positive electrode 2 can be maintained in the optimum range, thereby obtaining a high catalyst current, and consequently A high current value can be continuously obtained in the biofuel cell.

加えて、電解質層3が、イミダゾール環を含む化合物などの緩衝物質を適切な濃度含むことにより、十分な緩衝能を得ることができる。このため、バイオ燃料電池の高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減がプロトンの電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝能を得ることができ、酵素の周囲の電解質のpHの至適pHからのずれを十分に小さく抑えることができる。このため、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができ、酵素、補酵素、電子メディエーターなどによる電極反応を効率よく定常的に行うことができる。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。   In addition, when the electrolyte layer 3 contains a buffer substance such as a compound containing an imidazole ring at an appropriate concentration, a sufficient buffer capacity can be obtained. For this reason, at the time of high output operation of the biofuel cell, even if the increase or decrease of protons occurs in the proton electrode or in the enzyme immobilization membrane due to the proton-mediated enzyme reaction, sufficient buffer capacity can be obtained, Deviation from the optimum pH of the electrolyte surrounding the enzyme can be suppressed sufficiently small. For this reason, the ability inherent to the enzyme can be sufficiently exerted, and the electrode reaction by the enzyme, coenzyme, electron mediator and the like can be performed efficiently and constantly. As a result, a high-performance biofuel cell capable of high output operation can be realized.

このバイオ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。具体的には、この燃料電池は、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る。この場合、用途などによって燃料電池の出力、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。具体例を挙げると、例えば、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(デスクトップ型、ノート型の双方を含む)、ゲーム機器、カメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。モバイル機器は、携帯情報端末機(PDA)などである。   This biofuel cell can be used for anything requiring electric power, and can be of any size. Specifically, this fuel cell is used for, for example, an electronic device, a moving body (automobile, motorcycle, aircraft, rocket, spacecraft, etc.), power unit, construction machine, machine tool, power generation system, cogeneration system, etc. Can do. In this case, the output, size, shape, type of fuel, etc. of the fuel cell are determined depending on the application. The electronic device may basically be anything, and includes both a portable type and a stationary type. Specific examples include, for example, a mobile phone, a mobile device, a robot, a personal computer (including both a desktop type and a notebook type), a game device, a camera-integrated VTR (video tape recorder), an in-vehicle device, a home appliance, Industrial products. The mobile device is a personal digital assistant (PDA) or the like.

〈2.第2の実施の形態〉
第1の実施の形態においては、正極2の電極に疎水性の電子メディエーターだけを固定化するのに対し、第2の実施の形態においては、正極2の電極に疎水性の電子メディエーターと従来より用いられている親水性の電子メディエーターとの両方を固定化する。その他のことは第1の実施の形態と同様である。
<2. Second Embodiment>
In the first embodiment, only the hydrophobic electron mediator is immobilized on the electrode of the positive electrode 2, whereas in the second embodiment, the hydrophobic electron mediator and the electrode of the positive electrode 2 are conventionally used. Immobilize both the hydrophilic electron mediator used. Others are the same as in the first embodiment.

図9は、正極2の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム(FeCN)とフェロセン(Fc)との両方を固定化した場合について図5に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを1500秒間行った結果(曲線(3))を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは200mMのものを40μL塗布して固定化し、フェロセン(Fc)は200mMのものを70mL塗布して固定化した。図9には、比較のために、正極2の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合(曲線(1))およびフェロセンだけを固定化した場合(曲線(2))について図5に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを1500秒間行った結果を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは200mMのものを80μL塗布して固定化した。また、フェロセンは200mMのものを140mL塗布して固定化した。図9の曲線(4)〜(6)はそれぞれ曲線(1)〜(3)の電流値の標準偏差(stdev)である。図9の曲線(3)に示すように、正極2の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム(FeCN)とフェロセン(Fc)との両方を固定化した場合の電流値およびその維持率は、電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とフェロセンだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とのほぼ中間の値を示している。このことから、正極2の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムに加えてフェロセンを固定化した場合も、従来のように正極2の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合に比べて電流値およびその維持率の向上を図ることができることが分かる。
この第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
FIG. 9 shows the result of performing chronoamperometry for 1500 seconds using the measurement system shown in FIG. 5 in the case where both potassium hexacyanoferrate (FeCN) and ferrocene (Fc) are immobilized on the electrode of the positive electrode 2 ( Curve (3)) is shown. However, 40 μL of 200 mM potassium hexacyanoferrate was applied and immobilized, and 70 mL of 200 mM ferrocene (Fc) was applied and immobilized. For comparison, FIG. 9 shows a case where only potassium hexacyanoferrate is immobilized on the electrode of the positive electrode 2 (curve (1)) and a case where only ferrocene is immobilized (curve (2)). The result of having performed chronoamperometry for 1500 second using the measuring system is shown. However, potassium hexacyanoferrate was immobilized by applying 80 μL of 200 mM. Ferrocene was immobilized by applying 140 mL of 200 mM. Curves (4) to (6) in FIG. 9 are standard deviations (stdev) of the current values of the curves (1) to (3), respectively. As shown by the curve (3) in FIG. 9, the current value and the retention rate when both potassium hexacyanoferrate (FeCN) and ferrocene (Fc) are immobilized on the electrode of the positive electrode 2 are as follows. The current value in the case where only potassium acid is immobilized and the maintenance ratio thereof, and the current value in the case where only ferrocene is immobilized and the maintenance ratio thereof are shown in an almost intermediate value. Therefore, even when ferrocene is immobilized on the electrode of the positive electrode 2 in addition to potassium hexacyanoferrate, the current value and its value are compared with the case where only potassium hexacyanoferrate is immobilized on the electrode of the positive electrode 2 as in the prior art. It can be seen that the maintenance rate can be improved.
According to the second embodiment, advantages similar to those of the first embodiment can be obtained.

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の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、上述の実施の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。
Although the 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.

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 (19)

内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法。
A step of immobilizing an enzyme on the surface of an electrode having a void inside;
The hydrophobic electron mediator is immobilized on the surface of the electrode by bringing the surface of the electrode on which the enzyme is immobilized into contact with a solution in which the hydrophobic electron mediator is dissolved in an organic solvent that is phase-separated from water. A method for producing a fuel cell comprising the steps of:
上記有機溶媒は上記酵素の溶解度が10mg/ml以下である請求項1記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the organic solvent has a solubility of the enzyme of 10 mg / ml or less. 上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項2記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 2, wherein the solution further contains a water repellent material. 上記電極が多孔質の材料からなる請求項1記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the electrode is made of a porous material. 上記酵素および上記疎水性の電子メディエーターが固定化された上記電極は正極である請求項1記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the electrode on which the enzyme and the hydrophobic electron mediator are immobilized is a positive electrode. 上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項1記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the enzyme contains an oxygen reductase. 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6記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 6, wherein the oxygen reductase is bilirubin oxidase. 上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、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3記載の燃料電池の製造方法。   4. The method for producing a fuel cell according to claim 3, wherein the water repellent material is carbon powder, silicon resin or fluorine resin, and the organic solvent is methyl isobutyl ketone, heptane, hexane, toluene, isooctane or diethyl ether. 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、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池。
Having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via a proton conductor;
A fuel cell comprising the positive electrode, wherein an enzyme and a hydrophobic electron mediator are immobilized on the surface of an electrode having a void inside.
上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項9記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 9, wherein a water repellent material is further formed on a surface of the electrode. 上記電極が多孔質の材料からなる請求項9記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 9, wherein the electrode is made of a porous material. 上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項9記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 9, wherein the enzyme comprises an oxygen reductase. 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12記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 12, wherein the oxygen reductase is bilirubin oxidase. 上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、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9記載の燃料電池。   10. The fuel cell according to claim 9, wherein the water repellent material is carbon powder, silicon resin or fluorine resin, and the organic solvent is methyl isobutyl ketone, heptane, hexane, toluene, isooctane or diethyl ether. 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、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器。
Using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
Having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via a proton conductor;
An electronic device in which the positive electrode is formed by immobilizing an enzyme and a hydrophobic electron mediator on the surface of an electrode having voids inside.
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する酵素固定化電極の製造方法。
A step of immobilizing an enzyme on the surface of an electrode having a void inside;
The hydrophobic electron mediator is immobilized on the surface of the electrode by bringing the surface of the electrode on which the enzyme is immobilized into contact with a solution in which the hydrophobic electron mediator is dissolved in an organic solvent that is phase-separated from water. And a method for producing an enzyme-immobilized electrode.
上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項16記載の酵素固定化電極の製造方法。   The method for producing an enzyme-immobilized electrode according to claim 16, wherein the solution further contains a water repellent material. 内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極。   An enzyme-immobilized electrode comprising an enzyme and a hydrophobic electron mediator immobilized on the surface of an electrode having a void inside. 上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項18記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 18, wherein a water-repellent material is further formed on the surface of the electrode.
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