JP2011243353A - 酵素電極およびそれを備えるバイオ燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】「酵素反応」や「電子伝達反応」など複数の反応ステップのそれぞれの反応条件を最適化することが可能な酵素電極を提供すること、および従来よりも高い出力を有するバイオ燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明により、導電性基材、酸化還元酵素および電子メディエータを有する酵素電極であって、（ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分、および（ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが、酸化還元酵素は固定されていない部分を少なくとも有する酵素電極、ならびに該酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は酵素電極ならびに酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有するバイオ燃料電池に関する。

近年、環境問題や資源問題への対策の一つとして、燃料電池に対する関心が高まっている。燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。電気化学的にエネルギーを取り出す燃料電池は、火力発電などとは異なってカルノーサイクルの制約を受けないため、高いエネルギー変換効率を示す。一般的に知られている燃料電池の種類としては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ)およびリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）などがある。これらの燃料電池は、触媒として白金（Ｐｔ）を使用することが多い。しかし、白金は非常に高価な材料であるため、そのことが燃料電池普及の障害の一つとなっている。

一方、触媒として白金を使用しない燃料電池として、バイオ燃料電池が注目されている。バイオ燃料電池は、生体内の代謝メカニズムを応用した燃料電池である。バイオ燃料電池の仕組みの一例は次のとおりである。まず、アノード電極に酸化還元酵素を固定する。高出力を得るために、酸化還元酵素の酵素反応に必要となる補酵素、および酵素反応により生じる電子を受け取り電極に伝達する電子メディエータも系中に加えられることが多い。そして、ブドウ糖などの燃料から酵素反応により電子とプロトン（Ｈ^＋）を取り出す。取り出されたプロトンはプロトン伝導体を介してカソード電極に移動する。カソード電極では、大気中などから取り込んだ酸素と電子およびプロトンが反応して水を生成する。

このようなバイオ燃料電池において、出力を向上させるために様々な研究が行われている。例えば特許文献１には、酵素、補酵素および電子メディエータが固定化されたアノード電極を有し、さらに燃料溶液中に補酵素および電子メディエータの少なくとも一方を添加したことを特徴とする燃料電池が記載されている。特許文献２には、酵素をアノード電極に固定化する物質として、燃料および電子メディエータに対して透過性である疎水性変性多糖を用いたことを特徴とする燃料電池が記載されている。

特開２００９−１４０７６０号公報 特表２００９−５１５３０２号公報

しかし、従来のバイオ燃料電池の出力は未だ満足できるものではなかった。その原因の一つとしては、バイオ燃料電池ではエネルギーを取り出すためには「酵素反応」や「電子伝達反応」など複数の反応ステップを経なければならないことが考えられる。これらの反応に関わる要因は、酸化還元酵素だけではなく、補酵素や電子メディエータにも及び、複数の反応ステップのそれぞれに適した条件は互いに背反するものがあり、個々の反応の最適化は困難である。

そこで本発明者らは、「酵素反応」や「電子伝達反応」などの個々の反応条件を最適化することができる電極の構成を考えた結果、個々の反応のみを担う電極をそれぞれ設けた電極構成に想到した。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）導電性基材、酸化還元酵素および電子メディエータを有する酵素電極であって、
（ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分、および
（ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが、酸化還元酵素は固定されていない部分
を少なくとも有する、前記酵素電極。

（２）（ａ）部分と（ｂ）部分が交互に連続する構造を有する、（１）に記載の酵素電極。
（３）少なくとも一部において（ａ）部分と（ｂ）部分の最短距離が０．５ｍｍ以下である、（１）または（２）に記載の酵素電極。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池。

本発明の酵素電極を用いた燃料電池では、酵素電極において酸化還元酵素が固定されている部分と電子メディエータは固定されているが酸化還元酵素は固定されていない部分とが分かれていることにより、酵素反応や電子伝達反応などの個々の反応条件が改善され、従来の酵素電極を用いた場合と比べて大幅な出力向上を達成することができる。

本発明の酵素電極の構成の一例を示す図である。 本発明の酵素電極の構成の一例を示す図である。 実施例におけるクロノアンペロメトリー測定用装置の概略図である。 従来の酵素固定化電極と酵素非固定電極を用いて１０ｍＭのＮＡＤＨに基づく出力を測定した結果を示すグラフである。 従来の酵素固定化電極と本発明の電極を用いて酵素触媒反応に基づく出力を測定した結果を示すグラフである。

本発明の酵素電極は、導電性基材、酸化還元酵素および電子メディエータを備えており、（ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分、および（ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが、酸化還元酵素は固定されていない部分を少なくとも有することを特徴とする。上記（ａ）部分には酸化還元酵素のほかに電子メディエータが固定されていてもよい。

導電性基材としては、例えばグラファイト、カーボンブラック、活性炭等の導電性炭素質からなるものや、金、白金等の金属からなるものなど、一般的なものを用いることができる。導電性基材の具体例としては、カーボンペーパー、グラッシーカーボン、ＨＯＰＧ（高配向性熱分解グラファイト）、あるいは炭素繊維製のマットに多孔性カーボンと溶媒とポリマーとを含むカーボンスラリーを含浸させたものなどが挙げられる。

酸化還元酵素としては、例えばデヒドロゲナーゼや、オキシダーゼなどを用いることができる。酸化還元酵素の具体例としては、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、フルクトースデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）、アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、アルコールオキシダーゼ（ＡＯＤ）、アルデヒドオキシダーゼ、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ギ酸オキシダーゼ、ジアホラーゼ、マルチ銅オキシダーゼなどが挙げられる。酸化還元酵素は、１種のみを用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明の酵素電極は燃料電池のアノード極およびカソード極のいずれとしても用いることができる。本発明の酵素電極をアノード極として使用する場合、酸化還元酵素は基質を酸化する酵素である。一方、本発明の酵素電極をカソード極として使用する場合、酸化還元酵素は基質を還元する酵素である。

本発明において、電子メディエータとは、酵素又は補酵素と電子を授受し、さらに導電性基材とも電子を授受することができる物質を意味する。電子メディエータとして用いることができる化合物の例としては、例えば、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｗなどの金属元素またはこれら金属のイオンを中心金属とする金属錯体（フェロセン、フェリシアン化カリウム、フェリシアン化リチウム、フェリシアン化ナトリウムなどのフェリシアン化アルカリ金属、またはこれらのアルキル置換体（メチル置換体、エチル置換体、プロピル置換体等）、オクタシアノタングステン酸カリウムなど）；キノン、ベンゾキノン、アントラキノン、ナフトキノンなどのキノン類；ビオローゲン、メチルビオローゲン、ベンジルビオローゲン、フェナジンメトサルフェート、フェナジンエトサルフェート、ビピリジンまたはその誘導体などの複素環式化合物；その他、２，６−ジクロロフェノールインドフェノール、メチレンブルー、β−ナフトキノン−４−スルホン酸カリウム、ビタミンＫなどが挙げられる。

電子メディエータを介して酵素−電極間の電子伝達が行われる酵素電極において得られる電極電位は電子メディエータの酸化還元電位に依存する。従って、アノード電極（基質酸化型酵素電極）においては、電子メディエータの酸化開始電位が、当該電子メディエータに直接電子を渡す酵素又は補酵素の酸化還元電位より高い範囲内で、低ければ低いほど、エネルギー損失は小さく、電池を組んだ場合に得られる電圧が高くなるため好ましい。一方、カソード電極（基質還元型酵素電極）においては、電子メディエータの還元開始電位が、当該電子メディエータから電子を渡される酵素又は補酵素の酸化還元電位より低い範囲内で、高ければ高いほど、エネルギー損失が小さく、電池を組んだ場合に得られる電圧が高くなるため好ましい。

例えば、アノードにおいて、補酵素としてＮＡＤ／ＮＡＤＨを用いる場合は、還元開始電位が−０．３２Ｖ以上の電子メディエータを使用することが好ましく、カソードの基質が酸素の場合は、還元開始電位が１．２Ｖ以下の電子メディエータを用いることが好ましい。当業者であれば、燃料などの条件に従って電子メディエータを適宜選択することができる。

酸化還元酵素は、ポリマーと架橋剤とを用いることにより導電性基材に固定することができる。酵素の固定に用いることができるポリマーとしては、例えばポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリアミノ酸（ポリＬ−リジンなど）、ポリピロール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミンなどが挙げられる。架橋剤としては、例えばポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、グルタルアルデヒドなどが挙げられる。酵素の固定に用いるポリマーと架橋剤の組み合わせの具体例としては、ポリＬ−リジンとグルタルアルデヒドを重量比で５：１〜８０：１の範囲で組み合わせたものが挙げられる。このような酵素の固定法は当業者に知られたものである。

（ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分、および（ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが、酸化還元酵素は固定されていない部分を少なくとも有する酵素電極の例としては、導電性基材に酸化還元酵素を固定した部品Ａと導電性基材に電子メディエータを固定した部品Ｂ（ただし該部品Ｂは酸化還元酵素を有しない）とを組み合わせて構成した電極、および一つの導電性基材上に酸化還元酵素を固定した部分Ａと電子メディエータを固定した部分Ｂ（ただし該部分Ｂは酸化還元酵素を有しない）とを別個に形成した電極が挙げられる。本発明の電極においては、製造の容易さなどから、前者の部品Ａと部品Ｂとを組み合わせた構成が好ましい。本発明の酵素電極は、好ましくは部品Ａと部品Ｂ、あるいは部分Ａと部分Ｂが交互に連続する構造を有する。交互に連続するとは、例えばＡＢから構成される繰り返し単位が２以上繰り返されている構造を意味する。

図１および図２に部品Ａと部品Ｂとが交互に連続する構造を有する、部品ＡとＢの組み合わせ構成例を示す。図１の例は、部品Ａと部品Ｂとを円形の薄板状とし、それらが交互に重なった層状構造としたものである。薄板の形状は円形に限らず、必要に応じて楕円形、あるいは正方形や長方形もしくはその他の多角形など任意の形状とすることができる。また、部品Ａと部品Ｂとからなる層の数も、必要に応じて任意の数とすることができる。図２の例は、部品Ａと部品Ｂとを細い棒状とし、それらが交互に重なった集合体としたものである。図２では各部品を棒状としたが、棒状ではなく小さな立方体状あるいは球状とし、それを交互に積み重ねてもよい。ここで「交互に重なった」とは、各部品が規則性を保つよう並んでいる構造のみならず、各部品がランダムに存在する構造をも意味するものとする。

（ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分と、（ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが酸化還元酵素は固定されていない部分との間の最短距離は、少なくとも一部において１．０ｍｍ以下、さらに０．８ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以下、とりわけ０．１ｍｍ以下とするのが好ましい。（ａ）部分と（ｂ）部分との間の距離は近いほど好ましい。従って、一方の部分が他の部分を完全に覆う状態でなければ、（ａ）部分と（ｂ）部分は接触していてもよい。

本発明の酵素電極は、燃料電池におけるアノード極およびカソード極の少なくとも一方として用いることができる。すなわち、本発明は上述したような酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池（すなわちバイオ燃料電池）にも関する。本発明の燃料電池で用いる燃料は、電極に用いた酵素の酸化還元反応の基質となる物質である。燃料の具体例としては、メタノールやエタノールなどのアルコール類、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、ギ酸や酢酸などのカルボン酸類、グルコース、フルクトースなどの糖類などが挙げられる。燃料は、例えば水溶液の状態で系中に供給される。本発明の燃料電池の構成は、酵素電極の他は当業者に公知の構成とすることができる。

本発明の酵素電極を有する燃料電池は、酸化還元酵素の働きを補助する補酵素を燃料溶液中に含むことが好ましい。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（酸化型：ＮＡＤ、還元型：ＮＡＤＨ、ＮＡＤ／ＮＡＤＨとも称する）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（酸化型：ＮＡＤＰ、還元型：ＮＡＤＰＨ、ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨとも称する）、シトクロム、キノン類（例えば、ピロロキノリンキノン）などが挙げられる。これらの中でも様々な酵素に対して補酵素として機能するＮＡＤ／ＮＡＤＨあるいはＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ（これらを併せてＮＡＤ（Ｐ）／ＮＡＤ（Ｐ）Ｈとも称する）が特に好ましい。ただし、酸化還元酵素が補酵素を必要としない場合（カソード極に用いる酵素は補酵素を必要としない場合が多い）、燃料溶液には補酵素が含まれていなくてもよい。

本発明の酵素電極をアノード極として用いる場合、該アノード極の（ａ）部分（酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分）では酵素反応により還元型補酵素（補酵素を用いない場合は電子メディエータ）が生成する。一方、該アノード極の（ｂ）部分（電子メディエータは導電性基材に固定されているが酸化還元酵素は固定されていない部分）では、還元型補酵素（補酵素を用いない場合は電子メディエータ）が酸化されて電子が取り出される。反対に、本発明の酵素電極をカソード極として用いる場合、該カソード極の（ａ）部分では酵素反応により酸化型電子メディエータ（補酵素を用いる場合は補酵素）が生成し、該カソード極の（ｂ）部分では酸化型電子メディエータ（補酵素を用いる場合は補酵素）が還元される。

本発明の酵素電極は、上述したように、酵素反応の場と電子伝達反応の場が分かれていることを特徴とする。例えば、酵素電極をアノード極として用い、かつ補酵素としてＮＡＤ／ＮＡＤＨを用いた場合、酵素反応速度を向上させるためには［ＮＡＤ］＞［ＮＡＤＨ］（カッコは濃度を意味する）であることが望ましい。一方、ＮＡＤＨからの電子伝達反応速度を向上させるためには［ＮＡＤＨ］＞［ＮＡＤ］であることが望ましい。しかし、従来の酵素電極においては酵素反応の場と電子伝達反応の場が分かれていなかったため、それぞれの反応場において好ましいＮＡＤ／ＮＡＤＨ濃度を実現することはできなかった。また、従来の酵素電極において出力向上を図って酵素固定化量を増やした場合、酵素反応速度は向上するものの、電極表面の透過性や電導性が低下するため、補酵素や電子メディエータの働きが阻害され、補酵素や電子メディエータから電子を取り出す電子伝達反応速度が低下するという問題があった。それに対し、本発明の酵素電極は、酵素反応の場と電子伝達反応の場とを分けることにより、例えば電子伝達反応の場でＮＡＤＨを速やかに酸化することにより、酵素反応の場において［ＮＡＤ］＞［ＮＡＤＨ］の濃度バランスを維持し酵素反応速度を高く保つということが可能となる。また、酵素により電極表面の透過性や電導性が低下することもない。したがって、本発明の酵素電極アノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池では、従来の酵素電極を用いた場合と比較して高い出力を得ることができると考えられる。

なお、本発明の酵素電極は、燃料電池の他にも例えばバイオセンサー用の電極としても用いることができる。本発明の酵素電極は少ない酵素量でも高い出力が得られるため、そのような用途においても有利である。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

１．電極の製造
［１］電極１（従来例）
（手順１：ベース電極の製造）
導電性カーボンブラック３ｍｇ、１０％ＰＶＰ溶液１３μｌおよびＮＭＰ１８０μｌを混合し、ソニケーションにより分散させ、カーボンスラリーを得た。カーボンスラリー原料の詳細は表１に記載したとおりである。

直径１ｃｍの炭素繊維製マット（トレカマットＢ００５０、東レ社製、厚さ０．７９ｍｍ）に得られたカーボンスラリーを含浸させた。９０℃で３時間乾燥させ、ベース電極を得た。

（手順２：酵素固定化）
表２に示した組成の酵素固定化溶液を調製し、この酵素固定化溶液をベース電極に含浸させた後、４℃で８時間以上静置し乾燥させた。

（手順３：メディエータ吸着）
酵素固定化したベース電極を４００μＬの１−メトキシ−５−メチルフェナジウムメチルサルフェート（ｍＰＭＳ、同仁化学研究所製）０．８ｍＭ水溶液に浸した。４℃で３時間静置し、電極１を得た。

［２］電極２（比較例）
手順２の酵素固定化を省いた以外は上記（１）と同様にして電極２を得た。

［３］電極３（実施例）
（手順１：ベース電極の製造）
導電性カーボンブラック０．４ｍｇ、１０％ＰＶＰ溶液１．６μｌおよびＮＭＰ２２．５μｌを混合し、ソニケーションにより分散させ、カーボンスラリーを得た。カーボンスラリー原料の詳細は表１に記載したとおりである。
直径１ｃｍの炭素繊維製マット（トレカマットＢ００５０、東レ社製、厚さ０．７９ｍｍ）をそれぞれ１／８の厚さとなるように剥離して８枚とし、得られたカーボンスラリーを含浸させた。９０℃で３時間乾燥させ、ベース電極を得た。

（手順２：酵素固定化）
表２に示した組成の酵素固定化溶液を１／３量で調製した。この酵素固定化溶液を上記の手順１で作製した８枚のベース電極のうちの３枚に含浸させた後、４℃で８時間以上静置し乾燥させた。

（手順３：メディエータ吸着）
手順１で作製した８枚のベース電極のうち、酵素を固定化していない４枚のベース電極を４００μＬの１−メトキシ−５−メチルフェナジウムメチルサルフェート（ｍＰＭＳ、同仁化学研究所製）０．８ｍＭ水溶液に浸し、４℃で３時間静置した。

（手順４：電極の組み立て）
手順２で得た酵素固定化ベース電極３枚と、手順３で得たメディエータを吸着させたベース電極４枚とを図１に表すように交互に重ねて、電極３を得た。

２．クロノアンペロメトリー測定
図３に示した装置およびモデル２３２３バイポテンショスタット（ＢＡＳ社製）を用いて、作製した電極の性能をクロノアンペロメトリー（０．１Ｖ）で測定した。

（測定１：１０ｍＭ ＮＡＤＨに基づく出力）
１０ｍＭのＮＡＤＨを含む１Ｍリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．０）を用い、従来の酵素固定化電極である電極１と酵素非固定電極である電極２を用いた場合の、それぞれの初期電流を測定した。その結果を図４に示す。同じ濃度のＮＡＤＨから得られる電流は、酵素固定化電極である電極１のほうが、酵素を固定化していない電極２よりも低くなるという結果が得られた。このことから、電極における酵素または酵素の固定化に用いたポリマーなどの存在が電子伝達反応を阻害していることが予想された。

（測定２：酵素触媒反応に基づく出力）
従来の酵素固定化電極である電極１と本発明の電極である電極３を用いた場合の、それぞれの酵素触媒反応に基づく出力を測定した。バッファーとしては、２５ｍＭのＮＡＤ、２５ｍＭのＮＡＤＨ、０．３４Ｍのギ酸ナトリウムおよび０．８Ｍのリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．０）を含む水溶液を用いた。その結果を図５に示す。本発明の電極である、酵素固定化電極と酵素非固定電極とを交互に組み合わせた電極３を用いた場合、従来の酵素固定化電極である電極１に対して１．８倍を超える相対出力が得られた。

バイオ燃料電池は低コストかつ低環境負荷電池として、現行のリチウムイオン電池の代替として利用される可能性がある。用途としては医療機器やモバイル機器のほか、小型モビリティの電源などが考えられており、その場合の市場規模は極めて大きい。

Claims (4)

1. 導電性基材、酸化還元酵素および電子メディエータを有する酵素電極であって、
   （ａ）酸化還元酵素が導電性基材に固定されている部分、および
   （ｂ）電子メディエータは導電性基材に固定されているが、酸化還元酵素は固定されていない部分
   を少なくとも有する、前記酵素電極。
2. （ａ）部分と（ｂ）部分が交互に連続する構造を有する、請求項１に記載の酵素電極。
3. 少なくとも一部において（ａ）部分と（ｂ）部分の最短距離が０．５ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の酵素電極。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池。

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