JP5481822B2 - 酵素電極及び該酵素電極を用いた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、酵素電極に関する。より詳しくは、酵素を触媒として酸化還元反応が進行する電極であって、高出力化を実現させるために改良された酵素電極、及び該酵素電極を用いて高出力化が実現し得る燃料電池に関する。

近年、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池（以下、「バイオ燃料電池」という。）は、例えばグルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では反応が困難な燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。

図９を用いて、一般的なバイオ燃料電池の反応スキームを説明する。図９に示すグルコースを燃料とするバイオ燃料電池においては、負極でグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、正極で大気中の酸素（Ｏ_２）の還元反応が進行する。

電子の流れを詳しく説明すると、負極では、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、電子伝達メディエータ、電極（カーボン）の順に電子が受け渡される。

一方、正極では、負極から放出された電子が、電極（カーボン）、電子伝達メディエータ、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）の順に受け渡され、該電子と外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行することにより電気エネルギーを発生させる。

このようなバイオ燃料電池は、安全性が高い燃料電池をして注目されている一方で、他の燃料電池に比べて出力が小さいという問題点がある。そこで、最近では、高出力のバイオ燃料電池を得るための検討がなされている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

例えば、特許文献１に記載のバイオ燃料電池では、電極を多孔質構造の導電性部材（金属、導電性高分子、金属酸化物、炭素材料等）で構成し、その孔内に酵素や電子伝達メディエータ等を固定することにより、実効面積あたりの酵素担持密度を高めて、電流密度の向上を図っている。

特許文献２に記載のバイオ燃料電池では、カソード電極をカーボンなどの多孔質材料に酵素及び電子伝達メディエータを固定したものにより構成し、このカソード電極の少なくとも一部が気相の反応基質となる空気又は酸素と接触するようにすることで、優れた電極特性を充分に発揮できるように工夫している。

ところで、従来の燃料電池における集電体は、伝導性のある白金触媒が用いられることが多く、また、電極間隔がバイオ燃料電池に比べて狭いことから、チタン等のエキスパンドメタルの圧延体を用いることが一般的である。同様に、バイオ燃料電池においても、例えば、図１０のように、このエキスパンドメタルの圧延体が一般的に用いられている。

しかし、バイオ燃料電池においては、電極に酵素を固定するための酵素固定化膜を有するため、燃料電池に用いる集電体と同一構造の集電体を用いても、実際には、電極からの集電性が著しく低下していた。

また、燃料電池に用いる集電体と同一構造の集電体を用いても、例えばグルコースなどのバイオ燃料電池で用いる燃料は、比較的粘度が高く、拡散係数が低いことから、集電体の面と平行な方向への物質の供給が悪く、電極表面への均一な燃料供給が得られなかった。これが、バイオ燃料電池の出力の低下にもつながっていた。

特開２００６−２３４７８８号公報。 特開２００６−９３０９０号公報。

前記の通り、バイオ燃料電池の高出力化を実現する技術は様々な方向から開発されつつあるが、用いる集電体の構造が従来の燃料電池に用いる集電体と同一構造である限り、電気エネルギーのロスが起こり、高出力化が得られないのが現状である。

そこで、本発明では、バイオ燃料電池に用いる集電体の構造を工夫することにより、電極からの集電性を向上させ、バイオ燃料電池の高出力化を実現することを主目的とする。

本願発明者らは、前記目的を解決するために、バイオ燃料電池における電極構造について鋭意研究した結果、電極に用いる集電体の構造に着目することにより、電極からの集電性を著しく向上させることに成功し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明では、まず、酵素を触媒として酸化還元反応が進行する電極であって、
電極基材と、
該電極基材に前記酵素を固定するための酵素固定化膜と、
該固定化膜の厚みより高い凸部を備えた集電体と、
を少なくとも備えた酵素電極を提供する。
本発明に係る酵素電極は、前記凸部と前記電極基材が確実に接触することにより、電極からの集電を行うことが可能である。
前記固定化膜と前記集電体との間には、集電体の面と水平な方向への物質供給を向上させるために、空隙を設けることが好ましい。
本発明に係る酵素電極は、酵素を触媒として酸化還元反応が進行することにより起電する燃料電池の電極として、好適に用いることが可能である。

ここで、本発明に用いる技術用語を説明する。本発明において「凸部」とは、スパイク状、針状、円柱状、多角柱状、円錐状、多角錐状など、凸状を有する形態であれば全て包含する。また、集電体自体の形態が、波状、山折・谷折状などを呈することにより、凸状部を備えるものも全て包含する。

本発明に係る酵素電極は、電極からの集電性が著しく高いため、得られる電気エネルギーの高出力化が実現できる。

以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

＜酵素電極＞
図１は、本発明に係る酵素電極１の模式的図である。
本発明に係る酵素電極１は、大別して、電極基材１１と、酵素固定化膜１２と、集電体１３と、を少なくとも備える。以下、それぞれの構成、機能、効果等を説明する。

（１）電極基材１１
電極基材１１では、酵素を触媒として酸化還元反応が進行する。より具体的には、本発明に係る酵素電極をアノードとして用いる場合には、電極基材１１上で燃料の酸化反応が進行することにより、電子が放出される。また、本発明に係る酵素電極をカソードとして用いる場合には、アノードで放出され、後述する集電体１３を通して送り込まれる電子と、外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行する。

電極基材１１に用いる材料は、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、公知のあらゆる素材を自由に選択して用いることができる。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB₂、NbB、CrB₂、B₄Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi₂、NbSi₂、MoSi₂、TaSi₂などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。

（２）酵素固定化膜１２
酵素固定化膜１２は、前記電極基材１１に酵素を固定するための膜である。

酵素固定化膜１２で固定する酵素は特に限定されず、バイオ燃料電池に用いることが可能な酵素を１種又は２種以上自由に選択して用いることができる。例えば、本発明に係る酵素電極をアノードとして用いる場合には、酸化酵素を固定するとよい。酸化酵素の一例としては、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼなどが挙げられる。

また、上記の酸化酵素に加え、酸化型補酵素および補酵素酸化酵素を固定してもよい。酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamide adenine dinucleotide、以下「NAD^＋」と称する。）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate、以下「NADP^＋」と称する。）フラビンアデニンジヌクレオチド（flavin adenine dinucleotide、以下「FAD^＋」と称する。）、ピロロキノリンキノン（pyrrollo-quinoline quinone、以下「PQQ^2＋」と称する。）などが挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアフォラーゼが挙げられる。

更に、上記の酸化酵素及び酸化型補酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。電子の電極への受け渡しをスムーズにするためである。電子伝達メディエーターとしては、例えば、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ３、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、３−ジアミノ−１，４−ナフトキノンなどのナフト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、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、キノン骨格を有する化合物、アントラキノン骨格を有する化合物、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などが挙げられる。

本発明に係る酵素電極をカソードとして用いる場合にも、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素を固定することができる。例えば、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等を用いることができる。

また、上記の酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。電子の受け取りをスムーズにするためである。固定し得る電子伝達メディエーターの種類は特に限定されず、必要に応じて自由に選択することができる。例えば、ＡＢＴＳ(2,2'-azinobis(3-ethylbenzoline-6-sulfonate))、K₃[Fe(CN)₆]等を用いることが可能である。

酵素固定化膜１３の作製方法は、特に限定されず、通常のバイオ燃料電池に用いる酵素固定化電極の作製方法に準じて作製することができる。例えば、まず、前記電極基材１１に導電性塗料を塗布して乾燥させ、導電性塗料が塗布された電極基材１１の表面を、オゾン洗浄処理する。そして、前記酵素、補酵素、電子伝達メディエーターなどを含む溶液を塗布して乾燥させ、酵素、補酵素、電子伝達メディエーター塗布状態にし、この上からポリ−Ｌ−リジン（ＰＬＬ）やポリアクリル酸（ＰＡＡｃ）などの固定化材料の水溶液を塗布し、乾燥させることで作製することができる。

なお、酵素固定化膜１３の膜厚は、酵素等の固定ができれば特に限定されないが、通常、４０〜８０μｍであると好ましい。

（３）集電体１３
集電体１３は、外部回路に接続され、アノードで放出された電子を、外部回路を通じてカソードへ送り込む役割を担う。本発明においては、この集電体１３に、凸部１３１を備えることを特徴とする。この凸部１３１を有することにより、凸部１３１が電極基材１１と接触し、電極基材１１からの集電性が著しく向上する。

凸部１３１は、電極基材１１と接触させるために、前記酵素固定化膜１２の厚みより高く設計する。具体的な高さは、前記酵素固定化膜１２の厚みに合わせて自由に設計することが可能であるが、本発明では特に、０．１〜１．０ｍｍが好ましい。確実に電極基材１１と接触可能にするためである。

また、凸部１３１を前記酵素固定化膜１２の厚みより高く設計することで、集電体１３と前記酵素固定化膜１２との間に空隙Ｓを設けることが好ましい。空隙Ｓを設けることで、集電体１３と酵素固定化膜１２との間の燃料等の物質供給を向上させることができ、電極基材１１表面への均一な物質供給が可能となり、高出力が実現できる。特に、バイオ燃料電池においては、グルコースなど比較的粘度が高く、拡散係数が低い燃料を用いることが多いことから、空隙Ｓは非常に重要な役割を担う。

なお、集電体１３は、一つの酵素電極に複数備えてもよい。例えば、図２に示すように、２枚の集電体１３で電極基材１１を挟んだり、図３に示すように、複数の電極基材１１の間に、複数の集電体１３を挿通させたりすることも可能である。

集電体１３に用いる材料は、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、公知のあらゆる素材を自由に選択して用いることができる。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。

＜燃料電池＞
本発明に係る酵素電極は、電極上で酵素を触媒として酸化還元反応が進行する燃料電池に好適に用いることができる。図４は、本発明に係る燃料電池１０の模式図である。本発明に係る燃料電池１０は、大別して、電極基材１１と、酵素固定化膜１２と、集電体１３と、からなる酵素電極１を少なくとも備え、必要に応じて、燃料タンク１０１、プロトン伝導体１０２、などを備える。以下、それぞれの構成、機能、効果等を説明する。なお、酵素電極１については、前述の通りであるため、ここでは説明を割愛する。

（１）燃料タンク１０１
燃料タンク部１０１は、燃料を貯蔵するために用いる。燃料タンク部１０１の形状は特に限定されず、後述するアノードである酵素電極１ａに燃料を供給可能な形態であれば、自由に設計することができる。燃料タンク部１０１からアノードである酵素電極１ａへの燃料の供給方法も特に限定されず、公知の方法を自由に選択することができる。例えば、加圧注入、負圧注入、接触吸水、毛細管現象などの原理を用いて、燃料をアノードである酵素電極１ａに供給することが可能である。

本発明に係る燃料電池１０に用いることができる燃料は、酵素を触媒とした酸化還元反応により電子を放出し得る燃料であれば、特に限定されない。例えば、ジュース、スポーツ飲料、砂糖水、アルコール類などの飲料、化粧水などの化粧料等を用いることができる。特に、糖質、タンパク質、糖たんぱく質、脂肪酸等を含むものを燃料として用いることが望ましい。

（２）プロトン伝導体１０２
アノードである酵素電極１ａとカソードである酵素電極１ｂとは、プロトン伝導可能な状態で接続する。接続方法は特に限定されないが、例えば、図４の実施形態に示すように、アノードある酵素電極１ａとカソードである酵素電極１ｂが、プロトン伝導体１０２を介して対向するように配設することで、アノードとカソードとをプロトン伝導可能な状態で接続することが可能である。

プロトン伝導体１０２に用いる材料は、電子伝導性がなく、且つ、Ｈ^＋の輸送が可能な電解質であれば特に限定されず、公知のあらゆる材料を選択して用いることができる。例えば、緩衝物質を含む電解質を用いることができる。緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_２ＰＯ_４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ_２ＰＯ_４）などが生成するリン酸二水素イオン（Ｈ_２ＰＯ_４ ⁻）、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）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）、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）、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（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）などのイミダゾール環を含む化合物などを挙げることができる。また、固体電解質であるナフィオン類等も用いることができる。

なお、本実施形態では、集電体１３でプロトン伝導体１０２を挟み込むように配設しているが、これに限定されない。例えば、集電体１３を酵素電極１ａ、１ｂのプロトン伝導体１０２の積層面と逆面側に配設することも可能である。また、複数の電極基材１１の間に、複数の集電体１３を挿通させたりすることも可能である。

＜電子機器＞
本発明に係る燃料電池は、大きな出力電流及び電圧を得ることができるため、公知のあらゆる電子機器に好適に用いることができる。

該電子機器は、本発明に係る燃料電池を少なくとも使用できるものであれば、構造、機能等は特に限定されず、電気的に作動する機器を全て含有する。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ー、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品等の電子機器、自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船等の移動体、検査機器、ペースメーカー用の電源、バイオセンサーを含む生体内機器の電源等の医療機器、生ごみを分解し電気エネルギーを発電させるシステム等の発電システムおよびコジェネレーションシステム、等を挙げることができる。

実施例１では、本発明に係る酵素電極を作製した。

（１）集電体の作製
集電体の一例として、チタンを用いたエキスパンドメタルの圧延体を用いた。エキスパンドメタルの圧延体の随所を剣山により切断し、スパイク状の凸部を形成することで、凸部を備える集電体を作製した。なお、作製した集電体の凸部の高さは、平均０．１〜１．０ｍｍであった。

（２）酵素固定化膜の作製
最初に、以下のようにして各種の溶液（Ａ）〜（Ｅ）と導電性塗料（カーボン系材料）を塗布した多孔体カーボン（ＰＣ）電極（Ｆ）を調製した。溶液調製用の緩衝溶液としては、５０ｍＭリン酸二水素カリウム（ＫＨ_２ＰＯ_４）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝７．５）と１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_２ＰＯ_４）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝８．０）を用いた。

（Ａ）ＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液
ＤＩ（ＥＣ：１．６．９９．、天野エンザイム株式会社製）を４７．６ｍｇ秤量し、前記５０ｍＭリン酸二水素カリウム緩衝溶液２００μＬに溶解させた（溶液（Ａ）’）。この際、酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで４℃以下に冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ４℃以下で冷蔵保存しておくことが好ましい。本実施例においても、緩衝溶液および酵素緩衝溶液ともに、４℃以下で冷蔵保存しておいた。

ＧＤＨ（ＮＡＤ依存型、ＥＣ：１．１．１．４７ 天野エンザイム株式会社製）を１３．１ｍｇ秤量し、前記１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液２３０μＬに溶解させた。この溶液に溶液（Ａ）’を２０μＬ加え、よく混合してＧＤＨ／ＤＩ酵素緩衝溶液（Ａ）とした。

（Ｂ）ＮＡＤＨ緩衝溶液
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、Ｎ−８１２９）を４１ｍｇ秤量し、上記の１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液６４μＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（Ｂ）とした。

（Ｃ）ＡＮＱアセトン溶液
２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）（合成品）を６．２ｍｇ秤量し、アセトン溶液６００μＬに溶解させ、ＡＮＱアセトン溶液（Ｃ）とした。

（Ｄ）ＰＬＬ水溶液
ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬ）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、Ｐ−１２７４、Ｍｗ＝９３Ｋ）を適量秤量し、２．０ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＬＬ水溶液（Ｄ）とした。

（Ｅ）ＰＡＡｃＮａ水溶液
ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製、０４１−００５９５、Ｍｗ＝３０Ｋ）を適量秤量し、０．０２２ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＡＡｃＮａ水溶液（Ｅ）とした。

（Ｆ）導電性塗料（カーボン系材料）を塗布した多孔体カーボン（ＰＣ）電極
導電性塗料（カーボン系材料）であるバニーハイト(日本黒鉛工業株式会社製、バニーハイト♯２７Ｍ)を２−ブタノン（和光純薬株式会社製、１３３−０２５０６）に体積５：１の割合で希釈し、多孔体カーボン電極（東海カーボン株式会社製、１ｃｍ×１ｃｍ×２ｍｍ、６０％空隙率、約９５〜９８ｍｇ）上に乾燥後、約１０５〜１０８ｍｇになるように塗布し、一晩乾燥した（約１０５〜１０８ｍｇ）。

次に、導電性塗料を塗布した多孔体カーボン電極（Ｆ）の上面と底面を２０分ずつオゾン洗浄処理を行った。前記で調整した溶液（Ａ）〜（Ｃ）を下記の表１に記載した量ずつ採取して混合し、この混合液をマイクロピペット等を用いてオゾン洗浄処理を行った多孔体カーボン電極の上面と底面に半分量ずつ塗布した。その後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極を作製した。

前記で作製した酵素／補酵素／電子メディエーター塗布電極の上面と底面にＰＬＬ水溶液（Ｄ）を下記の表２に記載した量の半分量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行った。そして、その電極の上面と底面にＰＡＡｃＮａ水溶液（Ｅ）を下記の表２に記載した量の半分量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極を作製した。

（３）酵素固定化膜の膜厚の測定
板状のグラッシーカーボン電極の上に、シート状のシリコンゴム（厚さ３．０ｍｍ）に直径６ｍｍの丸い穴を開けたものをのせた。そして、前記で調整した溶液（Ａ）〜（Ｃ）を下記の表３に記載の量ずつ採取して混合し、この混合液をマイクロシリンジを用いて、そのシリコンゴムの穴の中に塗布した。その後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、シリコンゴムの穴の中に酵素／補酵素／電子メディエーター塗布膜を作製した。

シリコンゴムの穴の中に作製した酵素／補酵素／電子メディエーター塗布膜上に、ＰＬＬ水溶液（Ｄ）を前記表２に記載の量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行った。そして、ＰＡＡｃＮａ水溶液（Ｅ）を前記表２に記載の量塗布した後、４０℃で１５分間ドライオーブン中で乾燥を行い、酵素固定化膜を作製した。

このグラッシーカーボン電極の上（シリコンゴムの穴の中）に作製した酵素固定化膜がはがれないように注意深くシリコンゴムを取り外し、触針式段差計（Dektak3、SLOAN THECHNOLOGY）によりこの酵素固定化膜の膜厚測定を行った。その結果、得られた膜厚は約４０〜８０μｍであった。

実施例２では、単極評価セル中で締め付けるトルクの値を変化させて電極の抵抗値が、酵素固定化膜によってどのように変化するのか検討を行った。

実施例１で作製した導電性塗料を塗布した多孔体カーボン電極（Ｆ）（本実施例では「電極（Ｉ）」とする。）、および、実施例１で作製した酵素固定化膜電極（電極（II））を準備した。それぞれの電極１枚を単極評価セルにセットし、電極の上面と底面に、チタンを用いたエキスパンドメタルの圧延体をひいて、図５に示すように、上蓋で締め付けるトルクを変化させながら、２つの集電体間の抵抗値をテスターにより測定した。

結果を図６に示す。まず、電極（Ｉ）はトルクに対して抵抗値が減少することが分かった。それに対し、電極（II）は電極（Ｉ）よりもかなり抵抗値が大きくなるが、電極（Ｉ）と同様にトルクに対して抵抗値が減少することが分かった。この結果から、酵素固定化膜を備える電極を用いるバイオ燃料電池においては、通常の燃料電池に比べ、抵抗値が大きくなることが分かった。

実施例３では、電極基材表面と集電体の接触抵抗が、集電体の凸部によって軽減されるか否かの検討を行った。即ち、実施例１のトルクと抵抗値の検討結果から、酵素固定化膜を備える電極基材を用いる際、その電極基材と集電体の間の接触抵抗が問題になることがわかった。そこで、凸部を備える集電体を用いることで、その接触抵抗を低減できないかの検討を行った。

実施例１で作製した酵素固定化膜電極１枚を、単極評価セルにセットし、電極の上面と底面に、平らなエキスパンドメタルの圧延体（集電体（ａ））をひいたものと、実施例１で作成した凸部を備える集電体（ｂ）をひいたものを、用意した。これらを図５に示す装置を用いて、上蓋をトルク２ｃＮ・ｍで締め付けた。両者の抵抗値をテスターにより測定した。

結果を表４に示す。表４に示す通り、通常のバイオ燃料電池で用いる集電体（ａ）を用いる場合に比べ、凸部を備えた集電体（ｂ）を用いることで、電極基材の上面と底面間の抵抗値が著しく減少することが分かった。

実施例４では、凸部を備えた集電体（ｂ）を用いる場合の接触抵抗減少の効果を、電気化学的に検討した。

まず、実施例１で作製した酵素固定化膜電極１枚を、単極評価セルにセットし、電極の上面と底面に、平らなエキスパンドメタルの圧延体（集電体（ａ））をひいたものと、実施例１で作成した凸部を備える集電体（ｂ）をひいたものを、用意した。これらを図５に示す装置を用いて、上蓋をトルク２ｃＮ・ｍで締め付けた。

次に、燃料溶液として、２．０Ｍイミダゾール−塩酸バッファー(ｐＨ７．０)に、０Ｍ，０．２Ｍ，０．４Ｍ，０．６Ｍ，１．０Ｍ，２．０Ｍと濃度の異なるグルコースを溶解した溶液を用いて、ＬＳＶ（リニアスイープボルタンメトリー）測定（−０．６〜−０．１Ｖ、１ｍＶ／ｓ）を行った。

結果を図７および図８に示す。図７は、集電体（ａ）と集電体（ｂ）を用いた場合におけるＬＳＶ測定結果（グルコース０．４Ｍ）を示す図面代用グラフである。図８は、ＬＳＶの−０．３Ｖにおける電流密度のグルコース濃度依存性の比較（集電体（ａ）と集電体（ｂ））を示す図面代用グラフである。

図７に示す通り、凸部を備えた集電体（ｂ）を用いた場合の方が、ＬＳＶの立ち上がりの傾きが明らかに大きいことが分かった。また、図８に示す通り、グルコース濃度０．２Ｍ程度までは、集電体（ａ）と集電体（ｂ）とに差はほとんどないが、０．２Ｍを超えると、凸部を備えた集電体（ｂ）を用いた場合の方が、顕著に高い電流密度を示すことが分かった。

以上の結果から、凸部を備えた集電体（ｂ）を用いることにより、酵素固定化膜が形成された電極基材と集電体間の接触抵抗が顕著に低減され、グルコースの物質輸送も向上するために高い電流密度を取ることが可能であることが分かった。

本発明に係る酵素電極の一実施形態を示す拡大模式図である。 本発明に係る酵素電極の図１とは異なる実施形態を示す拡大模式図である。 本発明に係る酵素電極の図１および図２とは異なる実施形態を示す拡大模式図である。 本発明に係る燃料電池の一実施形態を示す模式図である。 実施例２、３、４におけるトルク付加を行う装置の概要を示す模式図である。 実施例２におけるトルクと抵抗値の関係を示す図面代用グラフである。 実施例４におけるＬＳＶ測定結果（グルコース０．４Ｍ）を示す図面代用グラフである。 実施例４におけるＬＳＶの−０．３Ｖにおける電流密度のグルコース濃度依存性の比較（集電体（ａ）と集電体（ｂ））を示す図面代用グラフである。 一般的なバイオ燃料電池の反応スキームを示す概念図である。 従来のバイオ燃料電池に用いられる酵素電極の拡大模式図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 酵素電極
１１ 電極基材
１２ 酵素固定化膜
１３ 集電体
１３１ 凸部
Ｓ 空隙
１０ 燃料電池
１０１ 燃料貯蔵部
１０２ プロトン伝導体

Claims (4)

1. 酵素を触媒として酸化還元反応が進行する電極であって、
   電極基材と、
   該電極基材に前記酵素を固定するために前記電極基材の表面に備えられた酵素固定化膜と、
   該固定化膜の厚みより高い凸部が複数備えられた集電体と、
   が少なくとも備えられ、
   前記凸部は前記酵素固定化膜に貫入して前記電極基材と接触した酵素電極。
2. 前記固定化膜と前記集電体との間に空隙が設けられた請求項１記載の酵素電極。
3. 酵素を触媒として酸化還元反応が進行することにより起電する燃料電池であって、
   電極基材と、
   該電極基材に前記酵素を固定するために前記電極基材の表面に備えられた酵素固定化膜と、
   該固定化膜の厚みより高い凸部が複数備えられた集電体と、
   が少なくとも備えられ、
   前記凸部は前記酵素固定化膜に貫入して前記電極基材と接触した燃料電池。
4. 前記固定化膜と前記集電体との間に空隙が設けられた請求項３記載の燃料電池。