JP2017216154A - バイオ電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料を酸化して有機酸を生成する酵素を電極触媒とする負極を備えるバイオ電池であって、負極による燃料の酸化により生成する有機酸による負極内のpH変動を調整するpH調整部を備えるバイオ電池。
【選択図】図14
Description
前記負極による前記燃料の酸化に伴い生成する有機酸による負極内のpH変動を調整するpH調整部を備え、
前記pH調整部が、
(i)前記負極に、前記燃料と前記燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている交換用の燃料溶液を供給し、使用済みの燃料溶液と交換する燃料溶液交換部、及び、
(ii)前記負極を、前記負極に供給される燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている緩衝液に含浸する負極含浸部、から選択される少なくとも1つから構成されるバイオ電池。
本発明のバイオ電池は、正極と負極が、隔膜を挟んで対向するように配置され、正極と負極は外部回路によって接続されている。本発明のバイオ電池はpH調整部を備え、負極内pHを調整できるように構成されている。
本発明のバイオ電池の作製は、公知の方法に基づいて行うことができる。例えば、負極及び正極の作製、電池セルの作製、及び必要に応じて電池セルスタックの作製からなる。
本発明のバイオ電池の作動様式は、電極基材上に固定化された酵素が、燃料を酸化し有機酸を生成すると共に、電子及びプロトンを生成する。そして、電子メディエータを介して電極基材にこの電子が伝達される。例えば、酵素としてNAD又はNADP依存性グルコース脱水素酵素を用いる場合には、燃料グルコースを酸化しグルコノラクトンが生じる。燃料の酸化反応に伴い、補酵素NAD又はNADPが、それぞれNADH又はNADPHに還元される。NADH又はNADPHは、ジアホラーゼ等のNADH又はNADPH酸化酵素により酸化される。NADH又はNADPHの酸化に伴って生じる電子を電子メディエータが受け取り導電性基板に伝達される。
A.概要
本参考例では、以下の実施例、比較例、及び参考例で使用するバイオ電池1の負極内部構成について説明する。バイオ電池1の出力を向上させる要因の一つとして、セル電圧の向上がある。以下の実施例、比較例、及び参考例では、酸化還元電位に着目して、2種類の負極内部構成を適宜使用した。
負極22の電極触媒として、電位が劣るが触媒回転速度の高い酵素であるPQQ依存性グルコース脱水素酵素(以下、「PQQGDH」と略する)(触媒回転速度:4000 s-1)と、メディエータとして1-メトキシ-5-フェナジンメトサルフェート(以下、「mPMS」と略する)の組み合わせ
負極22の電極触媒として、電位のロスが少ないが、触媒回転速度が上記PQQGDHより遅く、もう1種類の酵素ジアホラーゼも必要となるNAD依存性グルコース脱水素酵素(以下、「NADGDH」と略する)(触媒回転速度:500 s-1)とメディエータとして2-アミノ-3-クロロ-1,4-ナフトキノン(以下、「ACNQ」と略する)の組合せ
以下に、PQQGDH-mPMS系、及びNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の具体的構成例について詳細に説明すると共に、図1に両者の酸化還元電位の測定結果を示す。
正極21、隔膜3、及び負極22の作製手順について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
a−1.正極酵素溶液の作製
正極酵素として、ビリルビンオキシダーゼ(Bilirubin Oxidase:天野エンザイム、BO-3、以下「BOD」と略する。)を使用した。BODは、適当量の1 Mのイミダゾール pH 4.6に溶解し、280 nm吸光度測定から吸光度1=1.0 mg/mlと換算して100 mg/mlに、また、フェリシアン化カリウムを50 mMになるように濃度調整した溶液を正極酵素溶液とした。
上記で作製した正極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを正極21とした。正極21は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断し、これに活性炭粉末を塗布したものを使用した。活性炭粉末の塗布は、活性炭粉末、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)を乳鉢で混合の後、適当量をスパチュラでカーボンクロス両面に塗抹して60 ℃で8時間以上乾燥させることにより行った。
b−1.負極酵素溶液の作製
ここで用いた負極酵素PQQGDHは、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)NBRC12552株由来のPQQ依存可溶性グルコース脱水素酵素(以下、「sPQQGDH」と略する)である。かかる酵素の作製方法及び配列情報は特開2013-45647号に開示されている。具体的には、sPQQGDH遺伝子(GeneID:X15871)をベクターpET-22b(+)のマルチクローニング部位(NdeI/BamHI)に挿入した。sPQQGDH遺伝子を挿入したpET-22b(+)ベクターを用いて大腸菌BL21(DE3)株をトランスフォーメーションし、出てきたコロニーをLB/Amp(含アンピシリン50 μg/ml)培地300 mlに接種し、37 ℃で一晩培養した。つぎにジャーファーメンターにLB/Amp培地を20 L仕込み、前培養液200 mlを加え、37℃で約1時間(O.D.=0.1になるまで)培養し、0.01 mM IPTGを加えてタンパク発現誘導をかけ、28 ℃で一晩振盪培養した。培養液を遠心、上清を除去した沈殿を−80 ℃で凍結保存した。凍結保存されたタンパク質発現菌体5 gをPBSバッファー15 mlに懸濁した。氷上で、超音波破砕機XL2000(MISONIX)を用いて15 Wで15秒間破砕を10回行なった。破砕した液は4 ℃、5000 rpmで20分間遠心分離し、分取した上清をCellulose Acetate 0.45μm filter (ADBANTEC)でフィルタリングしたものをサンプルとした。オープンカラム(Bio-Rad)にヒスチジンタグ精製用レジン:TALON(Clontech)を10 ml充填し、ベッドボリュームの5倍量の平衡化バッファー(PBS + 50 mM NaCl)で平衡化した。前処理を行なったサンプルをカラムにアプライし、ベッドボリュームの5倍量の洗浄バッファー(PBS + 50 mM NaCl +10 mM イミダゾール)で洗浄後、ベッドボリュームの3倍量の溶出バッファー(PBS + 50 mM NaCl +150 mM イミダゾール)で溶出した。回収した溶出液をAmicon Ultra-4 (Millipore)を用いて濃縮し、微量透析装置 低速タイプ及び透析カップMWCO1200(共にBio-Tec)を用いて、透析バッファー(10 mM Tris-HCl(pH 7.5)+ 0.1 mM CaCl2)を1時間ごとに交換し合計2時間透析した。透析サンプルは4 ℃、15000 rpmで5分間遠心分離し、分取した上清を20 mg/ml以上になるように再度濃縮した。使用時に、CaCl2を1 mM、及びPQQを1μMとなるように添加し4℃で30分以上インキュベートした。更に、1 M イミダゾール pH 8.0に溶解し、sPQQGDH を1 mg/ml、mPMSを30 mMとなるように濃度調整した溶液を負極酵素溶液とした。
上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
セルロース膜を隔膜3として使用した。
正極21、隔膜3、及び負極22の作製手順について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
正極21は、上記のPQQGDH-mPMS系と同様にして作製した。
b−1.酵素溶液の作製
ここで用いた負極酵素NADGDHは、NAD依存性グルコース脱水素酵素(天野エンザイム、GLUCDH“Amano”2、以下、「NADGDH」と略する。)である。適当量の1Mのイミダゾール pH 8.7に溶解し、NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼ(東洋紡DAD301)を20 mg/ml、及びNADH(β-Nicotinamide-adenine dinucleotide reduced、和光純薬工業 Wako 305-50451)を10 mMになるように濃度調整した溶液を負極酵素溶液とした。
60 mMの ACNQを予め塗布した電極基材に、上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材は、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
セルロース膜を隔膜3として使用した。
A.概要
本参考例では、正極21及び22負極の反応系での水素イオン濃度の動態からも正極21及び負極22に使用する酵素のpH依存性を検証した。
バイオ電池1では、正極21には、O2、H+及びe-からH2Oに還元する酵素が使用され、例えば、参考例1で使用したBOD等が使用できる。負極22には、ブドウ糖等のバイオマスを酸化して有機酸、H+、e-を生成する酵素が使用され、例えば、グルコース脱水素酵素、更に詳細には、参考例1で使用したPQQGDH等が使用できる。
A.概要
本参考例では、参考例2の結果に基づき正極21及び負極22のpHを設定し、pH環境がバイオ電池1の出力に与える影響を検討した。
B−1.バイオ電池1の構成、及び当該構成を用いたバイオ電池1の作製手順
B−1−1.各構成の作製
正極21、負極22、燃料溶液の作製について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
a−1.酵素溶液の作製
正極酵素として、参考例1で使用したBODを使用した。BODを適当量の1Mの Sodium phosphate Bufferに溶解し、280 nm吸光度測定から吸光度1=1.0 mg/mlと換算して100 mg/mlとなるように濃度調整したものを正極酵素溶液とした。
上記で作製した正極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを正極21とした。正極21は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断し、これに活性炭粉末を塗布したものを使用した。活性炭粉末の塗布は、活性炭粉末、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)を乳鉢で混合の後、適当量をスパチュラでカーボンクロス両面に塗抹して60 ℃で8時間以上乾燥させることにより行った。
b−1.酵素溶液の作製
負極酵素として、参考例1に記載のアシネトバクター・カルコアセティカスNBRC12552株由来のグルコース脱水素酵素を用いた。かかる酵素の作製方法等の詳細は参考例1に記載の通りである。上清を20 mg/ml以上になるように再度濃縮したサンプルに、使用時に、CaCl2を1 mM、及びPQQを0.8 mMとなるように添加し4℃で30分以上インキュベートした。更に、PQQGDH 1 mg/ml、30 mM mPMS、1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0となるように調整した溶液を負極酵素溶液とした。
上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
正極21と負極22の間を隔てる隔膜3として、セルロース膜を使用した。
1M D-Glucose、1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0に作製し、これを燃料溶液として使用した。
上記で作製した正極21、負極22、及び隔膜3を組み合わせてバイオ電池1の電池セル1aを作製した。ここで作製した電池セル1aの構成の模式的に示す図3を参照して説明する。図3の電池セル1aは、2 mm厚アクリル板100aに燃料溶液供給用に3 mmφの丸穴(燃料供給孔)110を2箇所を開けたものと、5mm厚アクリル板100bに10 mm×10 mmの角穴111を開けたものを使用した。角穴111の4辺には、ねじ止め用に穴を開けた。なお、集電板としてチタンメッシュ103(Alfa Aesar 40921)を10 mm×40 mm、0.4 mm厚SUS網10メッシュ102を14 mm×14 mm、スペーサーとして0.5 mm厚シリコンシート101a(アズワン等)に16 mm×16 mmの角穴をあけたもの、又は1 mm厚のシリコンシート101bに10 mm×10 mmの角穴をあけたもの、隔膜3として、セルロース膜(和光純薬工業 生化学用透析膜 047-30941)を使用した。これらを図3の順番通りに、正極21|隔膜3|負極22となるよう積層し、四方をねじ止めし電池セル1aを組み立てた。バイオ電池1の駆動時には、負極22には丸穴から燃料溶液が導入され、正極21にはダイアフラムポンプ((5.5 L-air/min、KNF LAB、LABOPORT N86 KT.18)で大気を送気するように構成した。
測定時には、燃料溶液供給用の丸穴から、下記負極22側の緩衝液と同じpHの緩衝液を使用して作製された燃料溶液150μlが注入し、上記で作製した電池セル1aを電子負荷装置(菊水電子PLZ164WA)に接続し、0.5 mAずつ負荷電流を上げ、各電流値での安定電圧を測定することにより、電池出力を測定した。正極21及び負極22側の緩衝液は、下記表1に示す各種pHの1 M Sodium phosphate Buffer組合せを使用した。
各種pHにおける最大電力密度を比較した結果を表1に示す。その結果、負極22がpH 8.0、正極21がpH 4.3の組合せが、最大電力密度が最も高かった。なお負極22がpH 8.8と正極21がpH 4.3の組み合わせでは、酵素の凝集が認められ最大電力密度も低下した。
A.概要
本比較例では、PQQGDH-mPMS系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。このとき、燃料溶液を交換しながら検証を行った。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、参考例1で使用したPQQGDH-mPMS系であり、参考例1のPQQGDH-mPMS系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
PQQGDH-mPMS系を使用した使用した電極面積1 cm2の電池セル1aに対し、1回目の燃料溶液を添加し、1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
結果を図4に示す。図4は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。1回目の燃料溶液における電池容量は2.0 mWh(4.5 mAh)であったが、2回目の燃料溶液における電池容量は0.3 mWh(1.1 mAh)と、2回目の電池容量(Wh)は約1/6に低下した。1回目の燃料溶液には、ブドウ糖2.4 M×78 μl(188 μmole)が含まれていると算出できる。してみると、1回目の電池容量が4.5 mAh=4.5 mC/s×3600 s=16.2 C=16.2 C/96500 C/mole=168μmole-電子であったこと。ブドウ糖の脱水素が2電子反応であることを考慮すると、168 μmole-電子/(188μmole-ブドウ糖×2)=0.45となり、ブドウ糖の少なくとも45 %(0.45×2.4 M=1.1 M)が脱水素されグルコン酸になっていると推定される。これは燃料溶液の緩衝液成分(イミダゾール)濃度の1 Mを超える濃度であり、pHへの影響は大きいと推定できる。燃料溶液の交換に際して、1回目の発電の後、燃料溶液をピペッタにて極力吸い取り、1回目と同様の燃料溶液を入れて発電したが、電極基材がカーボンクロスであるため、電極中には未反応のブドウ糖とグルコン酸が残留していることが想定される。2回目の燃料溶液に含まれるブドウ糖を基準とすると、同様の計算でブドウ糖の11 %(0.26 M)が脱水素されたと推定され、大幅に発電効率が低下していることが理解できる。
A.概要
本比較例では、比較例1と同様にして、NADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。NADGDH-ACNQ系は、電位を至適化し高出力が期待される。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、参考例1で使用したNADGDH-ACNQ系であり、参考例1のNADGDH-ACNQ系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
NADGDH-ACNQ系を使用した電極面積1 cm2の電池セル1aに対し、1回目の燃料溶液を添加し、1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
結果を図5に示す。図5は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の発電での電池容量(Wh)は約1/3に低下することが判明した。
A.概要
本比較例では、比較例2に続いて、NADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。本比較例では、正極21及び負極22に含浸する酵素溶液、及び燃料溶液のpHを7.0とした系で検証した。
B−1.バイオ電池の構成
バイオ電池の構成は、参考例1で説明したNADGDH-ACNQ系であり、正極酵素溶液及び負極酵素溶液の作製をpH 7.0のイミダゾールで行った以外は、参考例1のNADGDH-ACNQ系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
比較例2と同様にNADGDH-ACNQ系において、電極に含浸する酵素-メディエータ溶液、最初に添加する燃料溶液ともにpH 7.0とした系で、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 7.0
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 7.0
結果を図6に示す。図6は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の発電での電池容量(Wh)は約1/5に低下することが判明した。
A.概要
本参考例では、比較例1〜3で確認された燃料溶液の交換による2回目の発電での電池容量低下が正極21又は負極22の何れに起因しているのかを検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、図7に示すように、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21、又は負極22を新しいものに交換することにより、電池容量低下が正極21、又は負極22の何れに起因しているのかを検証した。正極21及び負極22の交換方式は以下の通りである。
1.2回目の発電において、負極22はそのまま1回目と同じもの、正極21は新しいものに交換した電池セル
2.2回目の発電において、正極21はそのまま1回目と同じもの、負極22は新しいものに交換した電池セル
比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、正極21又は負極22の交換を行うと共に燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
結果を図8に示す。図8は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、正極21を交換し負極22を交換しなかった“1”の電池セル1aにおいては、2回目の発電では1回目に比べて短い時間で電圧が低下し、電池容量(Wh)も約1/5に低下することが判明した。負極22を交換し正極21を交換しなかった“2”の電池セル1aにおいては、2回目の発電でも1回目同様に電圧は保持された。このことから、負極22が電池容量低下の要因であることが判明した。
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、負極22の内部構成成分に着目し詳細に検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21はそのままで2回目も使用し、負極22についても2回目も使用するが、負極22の内部構成成分のうちの一部を負極22に含浸させてから、電池セル1aを組み立て、電池容量低下が負極22の内部構成成分の何れに起因しているのかを検証した。2回目の発電の際に負極22に含浸させる負極22の内部構成成分は表2に要約した。
比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)により発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、負極22に内部構成成分を含浸させた後、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、電圧保持時間を測定した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
結果を図9に示す。図9中、横軸は、2回目発電時に負極22に含浸させた負極22の内部構成成分を示す凡例、縦軸は1回目の電圧保持時間を100%とし、それに対する相対値を示す。その結果、酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成成分の何れを含浸させても1回目の発電の電圧保持時間まで復活するものはなかった。
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、燃料消費によって発生する有機酸に着目し詳細に検証した。参考例5で負極22の内部構成成分に着目し電池容量低下要因を検証したが、2回目の発電に際して、酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成要素の何れを含浸させても1回目の電圧保持時間まで復活しなかったことから、本参考例では、他の要因として、燃料のブドウ糖の消費で発生するグルコン酸に着目した。特に、グルコン酸が及ぼす影響の1つ目として、グルコン酸生成によるpH変化による影響を検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、負極酵素溶液の作製をpH 6.4又はpH 10.8のイミダゾールで行った以外は、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
比較例2の1回目の発電と同様にして、負極酵素溶液のpHと同じpHに作製した燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、1回の発電による電圧保持時間を検証した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 6.4、又は、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8
結果を図10に示す。図10は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、pH 6.4ではpH 10.8の1/10程度と大幅に電圧保持時間は低下することが判明した。
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、参考例6に続き燃料消費によって発生する有機酸に着目し詳細に検証した。参考例5で負極22の内部構成成分に着目し電池容量低下要因を検証したが、2回目の発電に際して酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成要素の何れを含浸させても1回目の電圧保持時間まで復活しなかったことから、本参考例では、他の要因として、燃料のブドウ糖の消費で発生するグルコン酸に着目した。特に、グルコン酸が及ぼす影響の2つ目として、グルコン酸生成による生成物阻害の影響を検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系である。ただし、負極22として、グルコン酸が電池容量に与える影響を検証するため、比較例2と同様にして作製した負極酵素溶液に加えてグルコン酸(pH未調整又は調整済み)を含浸して作製したものを使用し、その他は比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。作製した負極酵素溶液の詳細は以下の通りである。なお、pH未調整のグルコン酸を含浸したものは負極22内pHが5前後の酸性側に傾いているものと推定される。
NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、続いて、グルコン酸のpH未調整のものを0.36 Mとなるよう添加したもの
2.グルコン酸のpH調整済みのものを含浸
NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、続いて、グルコン酸をNaOHでpH 8付近に調整したものを0.36 Mとなるよう添加したもの
3.グルコン酸添加なし(コントロール)
参考例1と同様にNADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、グルコン酸を加えないもの。
比較例2の1回目の発電と同様にして、燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、1回の発電による電圧保持時間を検証した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
結果を図11に示す。図11は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、pH未調整のグルコン酸を添加した“1”においては、グルコン酸を添加しない“3”に比べて短い時間で電圧が低下したが、pHを調整した“2”では、グルコン酸を添加しない“3”と同等の電圧保持時間となった。
A.概要
本実施例では、参考例7で負極22内pHの変化が電圧保持時間に与える影響が大きいことが判明したことから、その詳細検証を行った。本実施例では、負極22側で使用する緩衝液が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。緩衝液は水素イオン濃度に対する緩衝作用を有することから、負極22で生成するグルコン酸による負極22内pHの変動を小さくする。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、図12に示すように、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21はそのままで2回目も使用し、負極22についても2回目も使用するが、負極22の内部構成成分及び緩衝液成分のうちの一部を負極22に含浸させてから、電池セル1aを組み立て、電池容量が負極22の内部構成成分及び緩衝液成分の何れにより回復できるのかを検証した。2回目の発電の際に負極22に含浸させる負極22の内部構成成分及び緩衝液成分の種類、並びにその濃度及び液量は以下の通りである。
2.5 Mイミダゾール pH 10.8を11μl、NADGDH 100 mg/mlを5.5μl、ジアホラーゼ200 mg/mlを11μl、NADH 200 mMを2.8μl、ACNQ 60 mMを2μl加えて混合し、負極22に1枚あたり32.3μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
2.緩衝液(緩衝液のみを含浸)
1 Mイミダゾール pH 10.8を負極22に1枚あたり32μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
3.内部構成成分(酵素、メディエータ、及び補酵素のみを含浸)
NADGDH 100 mg/mlを5.5μl、ジアホラーゼ200 mg/mlを11μl、NADH 200 mMを2.8μl、ACNQ60mMを2μl、水を11μl加えて混合し、負極22に1枚あたり32μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
4.含浸なし(コントロール)
1回目の発電後の負極22をそのまま使用
比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、負極22に内部構成成分を含浸させ、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖/ 1 M イミダゾール pH 10.8
結果を図13に示す。図13は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。緩衝液、酵素、メディエータ、及び補酵素を含浸した“1”、及び緩衝液のみを含浸した“2”では、2回目の発電においても1回目と同様の電圧保持間を示し、電池容量も同等であった。この結果から、負極22内のpHが低下し、酵素、及びメディエータが充分に機能できない条件になったことが電圧保持時間低下要因であることが判明した。また、発電1回目の後に負極22に緩衝液を含浸させるという簡単な操作だけで、2回目の発電に際して電池容量を同じにすることができることも判明した。
A.概要
本実施例では、実施例1にてグルコン酸の生成により負極22内のpHが低下し、酵素、及びメディエータが充分に機能できない条件になったことが電圧保持時間低下要因であることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試みた。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、2回目に添加する燃料溶液をこれまでの2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7から1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8に変更した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液と交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
A.概要
本実施例では、実施例2で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、交換時に添加する燃料溶液の緩衝液の種類の影響を検証した。
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にして参考例1と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。
1回目の発電終了後の負極2内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、2回目に添加する燃料溶液の緩衝液の種類を変え、その影響を検証した。そして、比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対する1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 Mイミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 0.9 M CHES pH 9.5、
2.4 M ブドウ糖 / 0.7 M CAPS pH 10.0、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M リン酸 pH10.6、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7/1.5 M NaOH
結果を図15及び16に示す。図15及び図16は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示し、図15は、2回目の燃料溶液が2.4 M ブドウ糖 / 0.9 M CHES pH 9.5、2.4 M ブドウ糖 / 0.7 M CAPS pH 10.0、2.4 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、2.4 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、及び、1.5 Mブドウ糖 / 2.5 Mリン酸 pH 10.6の結果を示し、図16は、1.5 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7 / 1.5 M NaOHの結果を示す。図15より、1 M イミダゾール緩衝液はpH 8.7(1.0 mWh(1.8 mAh))及びpH 10.8(1.0 mWh(1.8 mAh))では、2回目の発電に際し電池容量の回復効果が認められたが、その効果は小さかった。一方、CHES(0.3 mWh(0.5 mAh))、CAPS(0.3 mWh(0.5 mAh))、及びリン酸(0.3 mWh(0.5 mAh))では電池容量の回復効果が認められなかった。そして、図16より、1 Mイミダゾール緩衝液pH 8.7 / 1.5 M NaOH(2.5 mWh(4.0 mAh))では2回目の発電においても1回目の発電と同等の電池容量が得られることが判明した。
A.概要
本実施例では、実施例2〜3で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度を高濃度に調整すると共に、そのpHが与える影響についても検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高濃度(1.5 Mブドウ糖 / 2.5 Mイミダゾール)にし、高濃度緩衝液が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証する共に、pHがどのように影響するのかを検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 7.0、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
結果を図17に示す。図17は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の燃料溶液の緩衝液をpH 10.8とすることで更に大きな電池容量の向上が得られた。なお pH 10.8での2回目の発電による電池容量は3.5 mWh(5.6 mAh)であった。これを、比較例1と同様に計算すると2回目の燃料に含まれるブドウ糖を基準とすると同様の計算でブドウ糖の89 %(1.3 M)が脱水素されたと計算できる。しかしながら、1回目の燃料に含まれるブドウ糖が残留した分が加算されていることも考慮すべきである。
A.概要
本実施例では、実施例2〜4で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、緩衝液濃度の影響を検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH(0.5 Mブドウ糖 / イミダゾールpH 10.8)にした場合、更に緩衝液の濃度がどのように影響するか検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 10.8
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、
0.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
0.5 M ブドウ糖 / 3 M イミダゾール pH 10.8、又は、
0.5 M ブドウ糖 / 4.2 M イミダゾール pH 10.8
結果を図18に示す。図18は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、燃料溶液のイミダゾール濃度1.0 Mの場合と比較して、イミダゾール2.5 Mの場合には電池容量向上効果が有ったが、3 M以上では若干の低下が発生した。これにより、緩衝液濃度に至適範囲があることが判明した。
A.概要
本実施例では、NADGDH-ACNQ系において、実施例2〜5で燃料溶液による負極22内pH及び緩衝液濃度の調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、PQQGDH-mPMS系における燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度及びpHが電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。具体的には、PQQGDH-mPMS系において、1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH、及び高濃度にした場合の影響を検証した
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例1で説明したPQQGDH-mPMS系であり、比較例1と同様にしてバイオ電池1を作製した。
PQQGDH-mPMS系において、1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH、及び高濃度にした場合の影響を検証した。比較例1と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
2回目の燃料溶液:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0、
1 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 8.0、又は、
1 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
結果を図19に示す。図19は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1 Mブドウ糖/1 MイミダゾールpH 8.0、1 Mブドウ糖/2.5 MイミダゾールpH 8.0、1 M ブドウ糖/2.5 M イミダゾールpH 10.8に対して、2回目の発電による電池容量はそれぞれ0.9 mWh(2.2 mAh)、1.1 mWh(2.7 mAh)、1.2 mWh(2.9 mAh)であった。このことから、燃料溶液中の緩衝液のpHと濃度が高いほど電池容量向上が得られることが確認できた。
A.概要
本比較例では、比較例2で確認された電池容量の低下について、燃料濃度が低い場合における挙動を検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で説明したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
比較例2と同じ実験を、燃料濃度を2.4 Mから1.0 M又は0.5 Mに下げて実施した。比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目、2回目の燃料溶液ともに:0.5 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1回目、2回目の燃料溶液ともに:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
結果を図20に示す。図20は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、低濃度燃料溶液の場合には、2回目の発電での電池容量(Wh)の低下は目立たなかった。燃料溶液中の燃料濃度が緩衝液濃度と比べて同じあるいは低い場合に電池容量はほとんど低下せず、有機酸が発生してもpH変動による負極側での酵素の活性低下が起こらないことが理解できる。
A.概要
本実施例では、実施例5において、緩衝液濃度に至適範囲があることが判明した結果に基づき、燃料溶液中の燃料濃度と緩衝液濃度の関係が電池容量に与える影響を検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用しNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は、下記表3及び表4に要約する。
A.概要
本実施例では、実施例1にて1回目の発電の後に負極22に緩衝液を含浸させるという簡単な操作だけで、2回目の発電においても電池容量を同じにすることができることが判明したことから、1回目の発電後に負極22に含浸させる緩衝液のpHが電圧保持時間及び電池容量に与える影響について検証した。
B−1.バイオ電池の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
1回目の発電後に負極22に含浸させる緩衝液のpHについて、pH 7.0、pH 8.7、pH 10.8の3条件で電池容量への影響を検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、負極22を1 M イミダゾール pH 7.0、pH 8.7、又はpH 10.8に含浸させ、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。1回目の発電の後に負極22を緩衝液に含浸しなかったものについても同様に検討した。燃料溶液の組成は以下の通りある。
1回目燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH8.7
2回目燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH8.7
結果を図21に示す。図21は、電圧保持時間を(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1回目の発電による電池容量の平均が2.5 mWh(3.7 mAh)であるのに対して、緩衝液含浸なしでは2回目の発電による電池容量が0.7 mWh(2.0 mAh)と1/3以下に低下した。一方、pH 7.0での含浸では2回目の発電による電池容量は1.1 mWh(2.0 mWh)、pH8.7では1.3 mWh(2.3 mAh)、pH 10.8では1.8 mWh(3.1 mAh)であり、pH 7.0以上の緩衝液を負極22に含浸させることでpH調整が可能となり、電池容量は向上することが判明した。
A.概要
本実施例では、比較例4にて燃料溶液中の燃料濃度が緩衝液濃度と比べて同じあるいは低い場合に電池容量はほとんど低下せず、有機酸が発生してもpH変動による負極側での酵素の活性低下が起こらないこと確認されたことから、燃料濃度と緩衝液濃度の関係が電圧保持時間及び電池容量に与える影響に更に詳細に検証した。
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
1回目の発電の後に負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、燃料濃度と緩衝液濃度の関係を検証するため、1 回目及び2回目に添加する燃料溶液をブドウ糖0.5 Mに対して緩衝液濃度を0.125 M、0.25 M、0.5 M、1 Mとした。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りあり、1回目及び2回目の燃料溶液は、同じイミダゾール濃度のものを使用した。
1回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.125 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.25 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
2回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.125 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.25 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
結果を図22に示す。図22は、電圧保持時間を(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1回目の発電による電池容量の平均は0.9mWh(1.3mAh)であるのに対し、2回目の発電の電池容量は緩衝液濃度0.125 Mで0.5 Wh(0.7 mAh)、0.25 Mでは0.6 Wh(1.0 mAh)、0.5 Mでは0.8 Wh(1.3 mAh)、1 Mでは0.8 Wh(1.2 mAh)となり、燃料濃度に比べて緩衝液濃度が低い濃度である場合はpH調整ができず、2回目の発電による電池容量は低下することが判明した。効果的なpH調整のためには燃料溶液の0.5倍以上の濃度に緩衝液を調整することが好ましいことが理解できる。
電池セル1a
正極21
負極22
隔膜3
Claims (8)
- 燃料を酸化して有機酸を生成する酵素を電極触媒とする負極を備えるバイオ電池であって、
前記負極による前記燃料の酸化に伴い生成する有機酸による負極内のpH変動を調整するpH調整部を備え、
前記pH調整部が、
(i)前記負極に、前記燃料と前記燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている交換用の燃料溶液を供給し、使用済みの燃料溶液と交換する燃料溶液交換部、及び、
(ii)前記負極を、前記負極に供給される前記燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている緩衝液に含浸する負極含浸部、から選択される少なくとも1つから構成されるバイオ電池。 - 前記燃料溶液交換部によって前記負極に供給される前記交換用の燃料溶液が、0.75M以上の緩衝液成分を含む請求項1に記載のバイオ電池。
- 前記負極含浸部によって前記負極が含浸される前記緩衝液が、1M以上の緩衝液成分を含む請求項1又は2に記載のバイオ電池。
- 前記アルカリ性が、pH 8〜11の範囲である請求項1〜3の何れか一項に記載のバイオ電池。
- 前記緩衝液成分が、イミダゾール化合物を含む請求項1〜4の何れか一項に記載のバイオ電池。
- 前記緩衝液成分が、強塩基性化合物によって緩衝能が調整されている請求項1〜5の何れか一項に記載のバイオ電池。
- 前記pH調整部が、燃料溶液の交換時に繰り返し作動するように構成されている請求項1〜6の何れか一項に記載のバイオ電池。
- 前記酵素が、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、又はピロロキノリンキノン依存性脱水素酵素である請求項1〜7の何れか一項に記載のバイオ電池。
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