JP4770153B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
すなわち燃料電池においては、水素及び酸素が送り込まれることによって、水(H2O)を生成するとともに電気が取り出され、発電を行うものである。
具体的には、燃料極に供給された燃料(水素)が酸化されて電子とプロトン(H+)とに分離し、このプロトン(H+)が電解質を介して空気極まで移動し、空気極に供給された酸素と反応することによってH2Oが生成されるのである。
例えば、スペースシャトルには燃料電池が搭載されており、電力と同時に乗組員の水を供給できることや、クリーンな発電装置であることが証明されている。
ところで近年においては、高分子固体電解質燃料電池等、室温から90℃程度の比較的低温な作動温度域を示す燃料電池が開発され、注目を集めている。
このため、大規模発電用途のみならず、自動車の駆動用電源、パーソナルコンピュータやモバイル機器等のポータブル電源等の小型システムへの応用が模索されつつある。
例えば、具体的に、燃料としてメタノールを用い、かつ室温付近で動作させた場合、CO等による触媒被毒があること、Pt等の高価な貴金属を用いた触媒が必要であること、その他、クロスオーバーによるエネルギーロスの発生、燃料に水素やメタノールを用いる場合の取り扱いが困難であること等である。
なお、ここでいう生体代謝には、微生物や細胞内で行われる呼吸、光合成等が含まれるものとする。
このような生体代謝を模倣し、触媒に酵素や微生物を用い、燃料としてグルコース等の高エネルギー物質を用いた燃料電池は、バイオ燃料電池と呼ばれている。
ここで得られた電気エネルギーは、ATP合成酵素を介して、ADPからATPを生成し、このATPは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾル及びミトコンドリアで行われている。
この電気エネルギーは、CO2を取り込み炭素固定化反応に利用され、炭水化物の合成に利用される。
酵素は、一般的に分子量1万〜20万程度のタンパク質であり、様々な基質から生成物への変換を高選択的に触媒する重要な役割を果たしている。
酵素の、このような反応選択性は、酵素がタンパク質分子であるために、活性点が特有の3次元構造を有することに起因するものである。
そのために、生体内に取り込まれた燃料に対して数十種類の酵素が順序良く反応し、最終的にはCO2になるまで酸化が進行することになる。
上述したNADHの生成反応は、下記式(1)により表される。
また、出力の向上を図るためには、電極を浸す燃料含有溶液の攪拌操作や酸素の溶液中へのバブリング、酸素溶存溶液の攪拌等を行うことも考案されているが、装置が大規模化、複雑化し、コスト高を招来してしまい、また出力の向上効果も充分でないという問題があった。
すなわち、静止系での反応が充分に行われることが要求されることや、溶存酸素の拡散律速の観点から、酸素供給量には必然的な限界があり、大きな酸素還元電流を得ることが困難であるという問題があった。
また、負極において、補酵素NAD(P)+(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)とその還元体を用いることで反応効率を高めることができることは予想されていたが、これを効率良く固定化する方法が無いという課題があった。
燃料電池10は、カソード電極(正極)11と、アノード電極(負極)12よりなる一対の電極がプロトン伝導体13を介して対向した構成を有している。
なお、電極材は、カーボンに限定されるものではなく、チタン、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、クロム、金、白金等も同様に適用できる。
集電体15は、チタンの他、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、クロム、金、白金等よりなるものであってもよい。
集電体15の構造は、良好な集電を得るためにエクスパンドメタルが好ましい。また、上記金属に導電塗料を塗布することにより集電効果の向上を図ることもできる。
なお、バイオ燃料電池において、正極、負極ともに酵素を固定化させた場合、それぞれの酵素の基質選択性により選定した電解質溶液としてもよい。
グルコース、エタノール、糖代謝の中間生成物等は、分解酵素を単独又は適当な複数種類用いて組合せるとともに、特にTCA回路に関与する複数の酵素を用い、環境条件を最適化することで、CO2まで酸化される系を実現できる。
上記において挙げた材料の中でも、特にグルコースやでんぷんは、取り扱いが容易であり、かつエネルギー密度が高いため好ましい。
例えば、メタノールデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコアミラーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、電子伝達系の一連の酵素、糖代謝に関与する酵素(例えばヘキソキナーゼ、グルコースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、フルクトース二リン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グリセルアルデヒドリン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホグリセロムターゼ、ホスホピルビン酸ヒドラターゼ、ピルビン酸キナーゼ、L−乳酸デヒドロゲナーゼ、D−乳酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、クエン酸シンターゼ、アコニターゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、2−オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニル−CoAシンテターゼ、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼ、マロン酸デヒドロゲナーゼ等)等の公知の酵素を挙げることができる。
NADHデヒドロゲナーゼは、NADHを脱水素(酸化)し、NAD+とする過程において、下記に説明する電子メディエータに電子を受け渡し、メディエータを還元することができる。
例えば、ナフトキノン骨格を有する、VK3(2-methyl-1,4-naphthoquinone,VitaminK3)、ACNQ(2-Amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone)等や、Os、Ru錯体等を用いることができる。
負極に固定化する電子メディエータとしては、その酸化還元電位がよりネガティブであり、かつ、NADHデヒドロゲナーゼとの反応速度がある程度大きいものが好ましく、また電極反応速度もより大きいものが好ましい。
電子メディエータは、下記に示す文献に主に記載されているものを、適用することができる。
『F. Xu, W. Shin, S. H. Brown, J. A. Wahleithner, U. M. Sundaram, E. I. Solomon , Biochem. Biophys. Acta, 1292, 303 (1996).』、『I. Taniguchi, S. Miyamoto, S. Tomimura, F. M. Hawkridge, J. Electroanal. Chem., 240, 333 (1988).』、『K. M. Faulkner, C. Bonaventura, A. L. Crumbliss , J. Biol. Chem., 270, 13604 (1995).』。
すなわち、本発明においては、上述した燃料分解酵素群、NAD+とその還元体、NADHデヒドロゲナーゼ、及び電子メディエータが、ポリアニオン及び/又はポリカチオンによって静電的に形成されるポリイオンコンプレックス内に固定化されているものとする。
第1の方法として、『担体結合法』が挙げられる。
これは、水不溶性の担体に酵素を結合させる方法(共有結合法、イオン結合法、物理吸着法)である。
共有結合法は、架橋試薬により酵素のアミノ基、カルボキシル基等を結合に用い、担体に結合する方法である。これは、比較的容易な方法で、安定に固定化される利点を有する反面、架橋試薬が酵素の活性中心付近を修飾したり、架橋される条件が酵素にとって厳しいものだったりする場合があるという欠点があり、酵素が失活することが少なくない。
また、イオン結合法、及び物理吸着法は、担体への酵素のイオン吸着、あるいは物理吸着を利用するものである。これらは固定化の方法が容易な反面、使用条件により吸着状態が影響を受けやすく、酵素の吸着と脱離が不安定になりやすく、一般的な固定化法とは言い難いという欠点を有している。
これは、酵素を2個、もしくはそれ以上の官能基を有する試薬と反応させる方法である。
架橋法は、原理的には、上述した担体結合法の共有結合法と同じであるが、この場合は、水不溶性担体を使用しない点が異なっている。上記共有結合法と同じく、安定に固定化されるが、酵素が失活してしまうおそれがあるという欠点がある。
これは、酵素をゲルの微細な格子の中に包み込むか、半透膜性のポリマーの皮膜によって被覆する方法(格子型、マイクロカプセル型)である。
包括法は、酵素自身とは結合反応を起こすことなく、水不溶性の半透膜性の高分子物質によって酵素を包み込む方法であり、そのメリットは比較的温和な条件にて固定化されるため、酵素活性を損なう心配が低い点が挙げられる。
反面、固定化した際に酵素は溶出せず、一方で、酵素の反応基質は透過しやすい空孔を有する必要があり、酵素-基質が替わるごとに適当な包括剤の選択が求められる。
さらに、電極系に固定化する場合には、酵素以外にも電子メディエータ等の固定化も必要であり、様々な検討が行われてきた。
このような固定化方法は、燃料分解酵素及び電子メディエータと、固定化担体とが、共有結合により固定化されているために、環境の変化に対して、非常に安定であるという利点を有している。
また、架橋固定化すると、燃料分解酵素の活性部位の構造変化が起きやすくなり、酵素の種類によっては、失活してしまうことがあった。
すなわち、様々な種類の燃料代謝酵素群を固定化することを考慮すると、上述したような架橋固定化方法をバイオ燃料電池に適用することは不適切であると言える。
そこで、本発明においては、補酵素NAD+とその還元体(NADH)を確実に固定化しつつ、かつ酵素を活性部位の構造変化や失活を効果的に回避可能な方法で固定化することとした。
この方法は、上述した、従来において適用されていた第1〜第3の酵素固定化方法における担体イオン結合法と包括法の特徴を合わせた方法であると言え、特に、ポリイオンコンプレックス法と呼ばれるものである。
分子鎖上に電荷を有する高分子を高分子電解質と呼び、多くは水に可溶である。
このような高分子電解質は、水溶液中で解離してポリイオンと対イオンになる。電荷には正と負の2種あるため、高分子電解質は次の3種類に大別できる。すなわち、(1)ポリカチオン:主鎖に正電荷を持つもの、(2)ポリアニオン:主鎖に負電荷を持つもの、(3)ポリアンフォライト:鎖上に正負両方の電荷を持つもの、である。
このような互いに反対符号の電荷を持った高分子電解質の水溶液を混合すると、ただちに沈殿が生成する。この沈殿形成等の相分離現象は、高分子電解質が非平衡的に集合し、溶解性を失った結果である。このような高分子電解質の集合体をポリイオンコンプレックス(高分子電解質集合体:Polyelectrolyte Complex, Polyion Complex, Polysalt)と言う。
このようなポリイオンコンプレックスについては、ポリカチオンとポリアニオンの混合組成比を変えて溶液粘度が測定される。水溶液中で分子内電荷反発によって充分伸びた形態の高分子電解質は、反対電荷を持った高分子電解質を少量ずつ添加すると、非平衡的に静電的な引力で両者が集合するとともに、荷電反発がなくなるため収縮し始める。そして電荷モル比が等しい点で両者は著しく収縮し、溶液比粘度は最小値となる。このことは、ポリイオンコンプレックス形成において化学量論性が成立していることを明確に示している。ただし、統計的なもので、すべての電荷単位が集合に関与しているわけではない。
ポリイオンコンプレックスを形成するポリアニオンとポリカチオンとに、所定の燃料分解酵素を添加することによって燃料分解酵素を、イオン結合によりポリイオンコンプレックス内に固定化できる。
なお、ポリカチオンとしては、ポリ−L−リシン、ポリアリルアミン、ポリビニルイミダゾール、ポリエチレンイミン等が適用できる。
また、ポリアニオンとしては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリフルオロスルホン酸、ポリアルギン酸、ポリスチレンスルホン酸等が適用できる。
なお、ポリカチオン、及びポリアニオンの種類に関しては、組成を固定化する燃料分解酵素群、NAD+とその還元体、NADHデヒドロゲナーゼ、電子メディエータ、種類、組成により、最適化する。
このようなポリイオンコンプレックス法による酵素固定化法、及びこの方法を用いて作製される酵素固定化電極については、下記文献で報告されている。
このポリイオンコンプレックスの形成は、非常にマイルドな条件で進行し、またイオン結合によりポリアニオンとポリカチオンとにより、酵素を包括するように固定化するため、酵素の失活を効果的に抑制でき、優れた酵素分解反応を実現することができるようになる。
Immobilization of polyglutamate-glucose oxidase onto a cysteamine-modified gold erectrode
SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL 91 (1-3): 187-190 JUN 1 2003』
『Mizutani F
Application of enzyme-modified electrodes to biosensors
BUNSEKI KAGAKU 48 (9): 809-821 SEP 1999』
なお、燃料分解酵素群、NADHデヒドロゲナーゼ以外にも、電子メディエータやNAD+とその還元体も、それ自身が持つ電荷により、ポリイオンコンプレックスによって静電的に固定化される。
これにより、従来においては困難であった、NAD+とその還元体(NADH)の確実な固定化が実現でき、かつ酵素のマイルドな固定化が達成される。
また、このポリイオンコンプレックス法により、燃料分解酵素群に必要な、ATP(アデノシン3リン酸)/ADP((アデノシン2リン酸)、マグネシウムイオン、GTP(guanosine triphosphate、グアノシン3リン酸)/GDP(guanosine diphosphate、グアノシン2リン酸)等も同様に固定化することができる。
またこのポリイオンコンプレックスによって酵素の固定化を行った酵素固定化電極では、NAD+とその還元体、NADHデヒドロゲナーゼが固定化されており、燃料分解酵素群を適宜選定することにより、種々の材料を燃料として電力を取り出せることが可能であることが確かめられた。
そして上記のようにして作製した酵素固定化電極においては、例えば負極側の燃料含有溶液、あるいは正極側の酸素含有溶液を攪拌しなくても、静止系において、実用上充分に高い、従来に比較して極めて高い電流密度が得られた。
正極11においては、上述した負極12からプロトン伝導体13を介して移動してきたH+が空気中の酸素(O2)と反応することによって水(H2O)を生成する。
しかしこの場合、負極12からの燃料のクロスオーバーにより、そのPt/カーボンの基質選択性の低さのために、正極11において燃料が反応し、正極電位の上昇、つまり、セル電圧の減少が起き、燃料のロスが生じるという問題がある。
酸素還元酵素としては、BOD(ビリルビンオキシダーゼ)、ラッカーゼ等を用いることができる。
またこれらの酸素還元酵素は、上述したPt/カーボン触媒と比較して、還元効率が高く、酸素を効率的に4電子還元反応することできるとされている。
また、従来公知のPt/カーボン電極に、酸素還元酵素を固定化させた構成としても電極としての機能を発揮する。
例えば、ABTS〔2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate)〕)、Co、Fe、Os、Ru、W、Mo等の金属錯体等が適用できる。
なお、電極材及びその構造については、上述した負極12と同様のものを適用することができる。
すなわち、気相中から酸素を取り込むようにしたことにより、静止系において、極めて大きな電流値を得ることができるのである。
このとき、半透膜としては、絶縁性であり、プロトン伝導性を有するものを適用し、正極11側に負極側からの電解質溶液が染み出さないような構成とする。
半透膜としては、具体的に、セロハン、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜、イオン交換樹脂膜を挙げることができる。特にセロハンは非常に安価で、酵素を用いたバイオ燃料電池に用いた場合、セル性能が良くなる傾向がある。
負極12については、燃料分解酵素群、NAD+と還元体(NADH)、NADHデヒドロゲナーゼ、電子メディエータのうちの、任意のものを単独で、あるいは組合せて、ポリアニオン及び/又はポリカチオンを用いて混合して溶液を調製し、これを例えばグラッシーカーボン等の電極材上に適宜添加、混合し、乾燥処理を行うことにより作製する。
電極材上への添加、及び混合工程は、繰り返して行ってもよい。
なお、乾燥処理については、室温程度、あるいは燃料分解酵素が失活しない程度の温度、例えば40℃程度で行うことが好ましい。
また、電極に固定化する各材料を混合し調製するためには、水や従来公知の有機溶媒を適宜用いてもよい。
これら正極11と負極12とを、プロトン伝導体を介して対向配置し、かつこれらの間をセパレータにより隔離させた構成とする。
本発明の燃料電池は、生体代謝を利用したものであり、図2に示すように、正極(空気極)21と、負極(燃料極)22と、これらの電極間を隔離するプロトン伝導体23とから構成されている。
負極(燃料極)22には、図3に示すように、燃料分解酵素群、NAD+とその還元体、NADHデヒドロゲナーゼ、及び電子メディエータが、ポリアニオンとポリカチオンとのポリイオンコンプレックスによって電極上に固定化されている。
正極(空気極)21には、酸素4電子還元酵素であるBOD、及び電子メディエータが、固定化されている。
生成したNADHは、ジアホラーゼ(DI)により、電子メディエータを介して負極(燃料極)へ電子を受け渡す(図2中(3)、(4)、図3中の一点鎖線)。
そして、外部回路を通って正極(空気極)に電子が到達することで、電力が発生する。
また、上述したような過程で発生するH+は、プロトン伝導体23を介して空気極まで移動する。
そして、正極(空気極)21においては、到達したH+と、外部回路から電子メディエータを介して供給された電子と、大気中から供給される酸素とから、酸素還元酵素(BOD)により水が生成される(図2中(5)、(6))。
図4に電極測定装置の概略図を、図5(a)〜(c)に測定対象の作用極(燃料電池において負極となる電極)の作製工程図を示す。
図4に示すように、作用極31、対極32、及び参照極33をそれぞれ緩衝溶液35中に浸漬し、電気化学測定装置34に接続し、さらには緩衝溶液中の脱酸素を行うバブリング手段36を配置した。
測定溶液として、緩衝溶液(0.1M、NaH2PO4−NaOH−NaCl,I.S(イオン強度)=0.3,pH7)を用いた。
測定環境は、大気圧、温度は25℃とした。
緩衝溶液の量は1mlとし、測定前にバブリング手段36により、Arバブリングを充分に行い、脱酸素を行った。
また、後述する酵素の溶解溶液にも緩衝溶液を適用した。
これらは、グラッシーカーボンdisk電極上に酵素固定化膜を形成して、酵素固定化電極を形成した。
(溶液調製)
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.6.99.-、ユニチカ製、B1D111)を、2〜5mg秤量し、緩衝溶液1mlに溶解させ、DI酵素緩衝溶液(1)とした。
グルコース・デヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD-dependent、EC 1.1.1.47、東洋紡製、GLD-311)を、5〜10mg秤量し、緩衝溶液1mlに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液(2)とした。
酵素を溶解させる緩衝溶液は、溶解直前まで冷蔵しておき、酵素緩衝溶液も冷蔵保存しておいた。
NADH(シグマアルドリッチ製、N-8129)を、15.0〜30.0mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させ、NADH緩衝溶液(3)とした。
Poly-L-lysine Hydrobromide(PLL)(Wako製、164-16961)を適量秤量し、0.1〜2wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PLL水溶液(4)とした。
2-Amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone(ACNQ)を、従来公知の方法により合成した。ACNQを1〜8mg秤量し、アセトン溶液1mlに溶解させ、ACNQアセトン溶液(5)とした。
市販のグルタルアルデヒド水溶液から、グルタルアルデヒド0.125%水溶液を調製し、GA水溶液(6)とした。
上記のようにして作製した溶液を、図5(a)〜(c)に示すように、下記に示す量を所定の順序で、それぞれマイクロシリンジを用いて、グラッシーカーボンdisk電極上に塗布し、混合し、室温乾燥を行い、酵素固定化電極(比較例1のサンプル電極)を得た。
DI酵素緩衝溶液(1):3μl
GDH酵素緩衝溶液(2):6μl
NADH緩衝溶液(3):2μl
PLL水溶液(4):3μl
ACNQアセトン溶液(5):2μl
GA水溶液(6):3μl
(溶液調製)
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.6.99.-、ユニチカ製、B1D111)を、5〜10mg秤量し、緩衝溶液1mlに溶解させ、DI酵素緩衝溶液(1)とした。
グルコース・デヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD-dependent、EC 1.1.1.47、東洋紡製、GLD-311)を、10〜15mg秤量し、緩衝溶液1mlに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液(2)とした。
酵素を溶解させる緩衝溶液は、溶解直前まで冷蔵しておき、酵素緩衝溶液も冷蔵保存した。
NADH(シグマアルドリッチ製、N-8129)を、30.0〜60.0mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させ、NADH緩衝溶液(3)とした。
Poly-L-lysine Hydrobromide(PLL)(Wako製、164-16961)を適量秤量し、1〜2wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PLL水溶液(4)とした。
2-methyl-1,4-naphthoquinone(Vitamin K3)(VK3)(ナカライテスク、36405-84)を10〜50mg秤量し、アセトン溶液1mlに溶解させ、VK3アセトン溶液(5)とした。
Sodium Polyacrylate(PAAcNa)(アルドリッチ、041-00595)を適量秤量し、0.01〜0.1wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PAAc水溶液(6)とした。
上記のようにして作製した溶液を、図5(a)〜(c)に示すように、下記に示す量を所定の順序で、それぞれマイクロシリンジを用いて、グラッシーカーボンdisk電極上に塗布し、混合し、室温乾燥を行い、酵素固定化電極(実施例1のサンプル電極)を得た。
DI酵素緩衝溶液(1):3μl
GDH酵素緩衝溶液(2):3μl
NADH緩衝溶液(3):3μl
PLL水溶液(4):3μl
VK3アセトン溶液(5):2μl
PAAcNa水溶液(6):2μl
上記実施例1におけるPLL水溶液(4)に替えて、Poly- Allylamine(PAA)(日東紡製、PAA-10C)を適量秤量し、1〜2wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PAA水溶液(4)とした。その他の条件は実施例1と同様として、酵素固定化電極(実施例2のサンプル電極)を得た。
多孔質カーボン(東海カーボン、4φ、0.126cm2、厚さ1mm)上に、下記に示す条件で酵素固定化膜を形成した。
酵素を固定化した多孔質カーボンを、グラッシーカーボンdisk電極上に載置し、ナイロンメッシュを用いて物理的に固定化させて、酵素固定化電極(実施例3のサンプル電極)を得た。その他の条件は実施例1と同様とした。
DI酵素緩衝溶液(1):5μl
GDH酵素緩衝溶液(2):5μl
NADH緩衝溶液(3):5μl
PLL水溶液(4):5μl
VK3アセトン溶液(5):3.5μl
PAAcNa水溶液(6):2μl
下記表1に、クロノアンペロメトリー測定開始後5分後の電流密度を示した・
これは、GA架橋では、NADHを充分に固定化することが困難であり、測定時間の経過とともにNADHが徐々に溶液中に溶出し、酵素固定化膜の反応速度がそれに伴い減少してしまったためであり、また、架橋により酵素が失活しやすいためでもある。
一方において、実施例1〜3においては、ポリイオンコンプレックスを利用したため、NADHを電極上に極めて安定に固定化することができ、かつ酵素活性も維持されるため、高い電流値が得られた。
これは、多孔質カーボンを用いたことにより、反応に寄与する表面積を大きくすることでできたためであり、さらに固定化する酵素量を効果的に増加させることも可能である。
図6に、電気化学測定系の概略図を示す。
図に示すように、負極52と正極51とをセパレータ53を介して対向配置し、集電体55と接続させ、上下で圧着してセルを構成した。
負極52に燃料57としてグルコース緩衝溶液を供給することとし、正極51には大気圧として酸素を供給するようにした。
負極52に作用極を、正極51に参照極と対極を接続し、2極式で電気化学測定装置54により、出力密度の測定を行った。
下記に、測定に用いたセルの構成条件を示す。
上記実施例3において、固定化用の電極の多孔質カーボン(東海カーボン製、0.5×0.5cm2、0.25cm2、厚さ1mm)を適用し、下記に示す条件に従い、ポリイオンコンプレックスにより酵素を固定化した電極を作製した。
DI酵素緩衝溶液(1):10μl
GDH酵素緩衝溶液(2):10μl
NADH緩衝溶液(3):10μl
PLL水溶液(4):10μl
VK3アセトン溶液(5):7μl
PAAcNa水溶液(6):4μl
このセル設計においては、空気極の能力が高く、電流値はアノード律速となっている。
上記実施例4において、空気極を酵素固定化用電極とし、電極材としてカーボンフェルト電極(東レ製、商品名トレカマット、0.5×0.5cm2、0.25cm2、厚さ0.2mm)を適用した。
なお、このセル設計においては、空気極の能力が高く、電流値はアノード律速となっている。
下記に、酵素固定化電極の作製条件を示す。
(溶液調製)
Poly-L-lysine Hydrobromide(PLL)(シグマ製、P1524)を適量秤量し、1〜5wt%となるようにイオン交換水に溶解させ、PLL水溶液(1)とした。
ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム(K3[Fe(CN)6])(Wako製、167-03722)を適量秤量し、1〜20mMとなるようにイオン交換水に溶解させ、K3[Fe(CN)6]水溶液(2)とした。
Bilirubin Oxidase(BOD)(EC 1.3.3.5、天野エンザイム製、BO-3 ”Amano”3)を、5〜10mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させ、BOD酵素緩衝溶液(3)とした。
なお、酵素を溶解させる緩衝溶液は、溶解直前まで冷蔵しておくことが好ましく、酵素緩衝溶液も冷蔵保存することが望ましい。
(固定化膜作製)
上述のようにして調整した各種溶液を、下記に示す量に従って秤量し、順次、マイクロシリンジを用いてカーボンフェルト電極上に塗布、混合し、室温乾燥処理を施し、酵素固定化膜を作製した。
PLL水溶液(1):35μl
K3[Fe(CN)6]水溶液(2):7μl
BOD酵素緩衝溶液(3):14μl
上記実施例5において、セパレータとして適用したNafion(デュポン社製商品名)に代えて、セロハンを適用した。
このセル設計においては、空気極の能力が高く、電流値はアノード律速となっている。
実施例4〜6のセルのそれぞれの出力密度を下記表2に示す。
特に、実施例6のセルが、他の実施例よりも大きな出力が実現できた。
これは、両極を隔てるセパレータとして、実施例4、5においては、Nafion117(デュポン社製商品名)を用いたが、実施例6においてはセロハンを用いたことに起因する。すなわち、Nafion117(デュポン社製商品名)は、強酸性であるため、測定中に負極(燃料極)を浸した溶液のpHが低下し、酵素活性が低下してしまい、高い出力が得られなくなってしまうためである。
一方において、実施例6においては、セパレータとしてセロハンを用いたことにより、負極(燃料極)を浸した溶液の、酵素活性の低下が抑制され、これによって高く出力密度が得られ、かつ、安定した出力が得られた。
Claims (5)
- 正極と負極よりなる対の電極が、プロトン伝導体を介して対向している構成を有し、
前記負極に、アルコール、糖類、脂肪類、タンパク質、有機酸またはこれらの混合物からなる燃料を分解する燃料分解酵素群、NAD(P)+ (ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)とその還元体、NADHデヒドロゲナーゼ、及び電子メディエータが、ポリアニオン及びポリカチオンからなるポリイオンコンプレックスにより静電的に固定化され、
前記プロトン伝導体が半透膜よりなり、
前記正極は、前記半透膜により、気相中に存在する状態となされており、
前記正極には、酸素還元酵素が固定化されており、気相中における酸素を燃料として、酸素還元反応が行われるようになされている燃料電池。 - 前記半透膜が、セロハン、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜またはイオン交換樹脂膜である請求項1に記載の燃料電池。
- 前記燃料分解酵素群が、メタノールデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコアミラーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、電子伝達系の一連の酵素及び糖代謝に関与する酵素から、使用する燃料に応じて選定された酵素を含む請求項1または2に記載の燃料電池。
- 前記糖代謝に関与する酵素は、ヘキソキナーゼ、グルコースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、フルクトース二リン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グリセルアルデヒドリン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホグリセロムターゼ、ホスホピルビン酸ヒドラターゼ、ピルビン酸キナーゼ、L−乳酸デヒドロゲナーゼ、D−乳酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、クエン酸シンターゼ、アコニターゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、2−オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニル−CoAシンテターゼ、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼまたはマロン酸デヒドロゲナーゼである請求項3に記載の燃料電池。
- 前記燃料分解酵素群に、少なくとも、NAD + 依存型デヒドロゲナーゼが含まれている請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池。
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