JP6015665B2 - バイオ燃料電池、バイオ燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、酵素固定化電極の製造方法、酵素固定化電極製造用電極、酵素固定化電極製造用電極の製造方法および酵素反応利用装置 - Google Patents

バイオ燃料電池、バイオ燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、酵素固定化電極の製造方法、酵素固定化電極製造用電極、酵素固定化電極製造用電極の製造方法および酵素反応利用装置 Download PDF

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Description

本開示は、バイオ燃料電池、バイオ燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、酵素固定化電極の製造方法、酵素固定化電極製造用電極、酵素固定化電極製造用電極の製造方法および酵素反応利用装置に関する。より詳細には、本開示は、例えば、バイオ燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなど、それらの製造方法、それらに用いて好適な酵素固定化電極およびその製造方法あるいはバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
近年、酵素を用いた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。
従来、バイオ燃料電池の電極としては、一般的に、実効表面積を大きくするために、多孔質電極である炭素繊維電極やカーボンペーパーなどが用いられてきた。しかしながら、これらの電極は、自由な形状を取ることが難しいことや、発電部の構造、すなわち膜電極接合体（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)）を形成するためには圧力を加える必要があり、煩雑であるなどの問題があった。また、このような膜電極接合体では電極の厚さが決まっているため、例えば１００μｍ以下の厚さの電極を形成することは非常に困難であった。
他方で、従来の一般的な燃料電池では、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ナフィオンなどのフッ素系樹脂をバインダーとしてカーボン粉末に混ぜることで膜電極接合体を形成している。
特開２０００−１３３２９７号公報 特開２００３−２８２１２４号公報 特開２００４−７１５５９号公報 特開２００５−１３２１０号公報 特開２００５−３１０６１３号公報 特開２００６−２４５５５号公報 特開２００６−４９２１５号公報 特開２００６−９３０９０号公報 特開２００６−１２７９５７号公報 特開２００６−１５６３５４号公報 特開２００７−１２２８１号公報 特開２００７−３５４３７号公報 特開２００８−２７３８１６号公報
しかしながら、フッ素系樹脂をカーボン粉末に混ぜて電極を形成した場合には、フッ素系樹脂は撥水性であるため、得られる電極も撥水性となってしまう。このため、この電極をバイオ燃料電池に適用する場合には、酵素溶液を用いて酵素を電極に固定化する際に酵素溶液が電極に染み込まないため酵素がほとんど固定化されなかったり、酵素が失活したりしてしまうという問題があった。
そこで、本開示が解決しようとする課題は、酵素を活性を維持しつつ容易に固定化することができる酵素固定化電極およびその製造方法ならびにこの酵素固定化電極の製造に用いて好適な酵素固定化電極製造用電極およびその製造方法を提供することである。
本開示が解決しようとする他の課題は、上記の優れた酵素固定化電極を用いた高性能のバイオ燃料電池およびその製造方法を提供することである。
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、上記の優れたバイオ燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、上記の優れた酵素固定化電極を用いた高性能の酵素反応利用装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本開示は、
正極と、
負極と、
正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
正極および負極のうちの少なくとも一方が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された電極であるバイオ燃料電池である。
また、本開示は、
正極と、
負極と、
正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有するバイオ燃料電池を製造する場合に、
カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成する工程と、
電極に酵素を固定化することにより正極および負極のうちの少なくとも一方を形成する工程、
を有するバイオ燃料電池の製造方法である。
また、本開示は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの燃料電池が、
正極と、
負極と、
正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
正極および負極のうちの少なくとも一方が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された電極であるバイオ燃料電池である電子機器である。
本開示において、カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、バイオカーボンおよび気相法炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むが、これら以外のもの、例えば、活性炭を用いてもよい。カーボンブラックには、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどが含まれるが、これらの中でもケッチェンブラックが好適である。バイオカーボンは、ケイ素（シリコン）の含有率が５重量％以上である植物由来の材料を原料とし、窒素ＢＥＴ法による比表面積の値が１０ｍ2／ｇ以上、ケイ素の含有率が１重量％以下、ＢＪＨ法およびＭＰ法による細孔の容積が０．１ｃｍ3／ｇ以上である多孔質炭素材料である（特許文献１３参照）。バイオカーボンは、具体的には、例えば次のようにして作製する。すなわち、まず、粉砕した籾殻（鹿児島県産、イセヒカリの籾殻）を、窒素気流中において５００℃、５時間加熱することにより炭化させ、炭化物を得た。その後、この炭化物の１０ｇをアルミナ製のるつぼに入れ、窒素気流（１０リットル／分）において５℃／分の昇温速度で１０００℃まで昇温させた。そして、１０００℃で５時間、炭素化して、炭素質物質（多孔質炭素材料前駆体）に変換した後、室温まで冷却した。なお、炭素化および冷却中、窒素ガスを流し続けた。次に、この多孔質炭素材料前駆体を４６体積％のフッ化水素酸水溶液に一晩浸漬することにより酸処理を行った後、水およびエチルアルコールを用いてｐＨ７になるまで洗浄した。そして、最後に乾燥させることにより、多孔質炭素材料、すなわちバイオカーボンが得られる。気相法炭素繊維は、例えば、ＶＧＤＦ（昭和電工株式会社の登録商標）である。活性炭には、例えば、カシ炭、クヌギ炭、スギ炭、ナラ炭、ヒノキ炭などの木炭や、ゴム炭、竹炭、オガ炭、ヤシ殻炭などが含まれる。また、水に不溶な親水性のバインダーは、従来公知の各種のものから必要に応じて選択されるが、好適には、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種類である。カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物は、必要に応じて、カーボン粒子および水に不溶な親水性のバインダー以外に一種類または二種類以上の他の成分を含んでもよい。典型的には、この混合物におけるカーボン粒子の質量（重量）に対する、水に不溶な親水性のバインダーの質量（重量）の比は０．０１以上１以下であるが、これに限定されるものではない。
カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成するためには、典型的には、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含むペーストを調製し、このペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させる。このペーストを調製する際の溶媒としては、例えば、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、テルピネオール、２−プロパノールなどの有機溶媒を用いることができる。溶媒としては、そのほか、印刷で用いるインクに使われている各種の溶媒、例えば、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、メチルエチルケトンなどの有機溶媒を用いることができる。また、酵素や電子メディエーターを同時にインクに分散させる場合は、これらの有機溶媒に水や緩衝溶液を例えば、有機溶媒：水＝１００：１〜１：１０の割合で混合して使用することも可能である。ペーストを塗布する基板は、基本的にはどのようなものであってもよく、従来公知の材料からなる基板の中から適宜選ばれる。この基板と一体になった電極を用いることにより、電極の機械的強度の向上を図ることができる。必要に応じて、基板上に電極を形成した後、この電極から基板を剥離してもよい。
このバイオ燃料電池においては、正極と負極との間にセパレータが設けられる場合、製造工程の簡略化あるいは正極または負極の機械的強度の向上の観点より、さらに正極と負極との間のプロトン移動をよりよく行うために、好適には、正極および負極のうちの少なくとも一方がセパレータと一体に形成される。正極および負極をセパレータと一体に形成する場合には、セパレータの一方の面に正極および負極の一方を形成し、他方の面に正極および負極の他方を形成する。同様に、このバイオ燃料電池の製造方法においては、正極と負極との間にセパレータが設けられる場合、好適には、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含むペーストをセパレータ上に塗布した後、このペーストを固化させることにより正極および負極のうちの少なくとも一方をセパレータと一体に形成する。この場合、このセパレータが上記の基板に対応する。セパレータとしては、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。
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。
燃料として多糖類を用いる場合には、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。ここで、多糖類とは、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。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。このような多糖類は、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、マルトースなどである。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。
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る。このため、バイオ燃料電池の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あるため燃料供給システムを簡素化することができ、しかもバイオ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。
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、合計６電子が生成される。
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分子当たり二段階の酸化反応により合計４電子が生成される。
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。
これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
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。このナフトキノン誘導体は、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）などである。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。
一方、正極に酵素を固定化する場合、この酵素は、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、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を用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、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を用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ2以上固定化する。
プロトン伝導体としては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が、具体的には、例えば、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）や、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）などからなるものが挙げられる。
プロトン伝導体として緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、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のが望ましい。このために、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６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が、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ2ＰＯ4 -）、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（Ｈ2ＣＯ3）、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）などである。リン酸二水素イオン（Ｈ2ＰＯ4 -）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2ＰＯ4）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）などである。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。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、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）などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）および硫酸（Ｈ2ＳＯ4）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。
このバイオ燃料電池は、およそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、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、船舶など）、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、用途などによって出力、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が、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、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。
また、本開示は、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極に酵素が固定化された酵素固定化電極である。
また、本開示は、
カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成する工程と、
電極に酵素を固定化する工程、
とを有する酵素固定化電極の製造方法である。
この酵素固定化電極をバイオ燃料電池に使用する場合には、必要に応じて、この酵素固定化電極はセパレータ上に一体に形成される。同様に、この酵素固定化電極の製造方法においては、必要に応じて、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含むペーストをセパレータ上に塗布した後、このペーストを固化させることにより、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極をセパレータと一体に形成する。
また、本開示は、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる酵素固定化電極製造用電極である。
また、本開示は、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含むペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させることにより酵素固定化電極製造用電極を製造する酵素固定化電極製造用電極の製造方法である。
上記の酵素固定化電極製造用電極に酵素を固定化することにより、酵素固定化電極を得ることができる。
また、本開示は、カーボン粒子と水に不溶な親水性バインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された酵素固定化電極を有する酵素反応利用装置である。
この酵素反応利用装置は、例えば、バイオ燃料電池、バイオセンサーまたはバイオリアクターである。
上記の酵素固定化電極、酵素固定化電極の製造方法、酵素固定化電極製造用電極、酵素固定化電極製造用電極の製造方法および酵素反応利用装置においては、その性質に反しない限り、上記のバイオ燃料電池およびバイオ燃料電池の製造方法に関連して説明したことが成立する。
上述のように、本開示においては、酵素を固定化する電極が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなることにより、酵素を電極に固定化する際に酵素溶液が電極に染み込みやすく、また、酵素の失活を防止することができる。
本開示によれば、酵素を活性を維持しつつ、しかも容易に固定化することができる酵素固定化電極を得ることができる。そして、この酵素固定化電極をバイオ燃料電池の正極および負極のうちの少なくとも一方に用いることにより、優れたバイオ燃料電池を実現することができる。そして、この優れたバイオ燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。また、この酵素固定化電極を酵素反応利用装置に用いることにより、優れた酵素反応利用装置を実現することができる。
図１Ａ及び図１Ｂは、第１の実施の形態による酵素固定化電極製造用電極を示す略線図である。 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、第１の実施の形態による酵素固定化電極製造用電極の製造方法を説明するための断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、実施例１〜８による酵素固定化電極製造用電極の製造方法を説明するための断面図である。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ及び図４Ｅは、実施例３、５、７および比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極に対する酵素溶液の接触角を示す略線図である。 図５は、実施例１の酵素固定化電極製造用電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。 図６は、図５に示す結果から得られたピーク電流密度を電位掃引速度の１／２乗に対してプロットした略線図である。 図７は、実施例８の酵素固定化電極製造用電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。 図８は、実施例８の酵素固定化電極製造用電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。 図９は、各種のバインダーの水に対する溶解性および親水性の評価を行った結果を示す図面代用写真である。 図１０は、実施例９の酵素固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。 図１１は、第３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。 図１２は、第３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および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素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。 図１３は、第３の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。 図１４は、正極および負極に実施例５、７および比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極を用いたバイオ燃料電池を動作させてから１時間経過後の相対出力の測定結果を示す略線図である。
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（酵素固定化電極製造用電極およびその製造方法）
２．第２の実施の形態（酵素固定化電極およびその製造方法）
３．第３の実施の形態（バイオ燃料電池）
〈１．第１の実施の形態〉
［酵素固定化電極製造用電極］
図１Ａは第１の実施の形態による酵素固定化電極製造用電極１０を示す。
図１Ａに示すように、この酵素固定化電極製造用電極１０は、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる。この混合物は、典型的には、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを少なくとも主成分として含み、好適には、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとからなる。この混合物におけるカーボン粒子の質量に対する、水に不溶な親水性バインダーの質量の比は例えば０．０１以上１以下である。
カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック（ケッチェンブラックなど）、バイオカーボン、気相法炭素繊維などである。また、水に不溶な親水性バインダーは、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などである。
酵素固定化電極製造用電極１０は単体で用いてもよいが、図１Ｂに示すように、酵素固定化電極製造用電極１０を基板１１上に形成したものを用いてもよい。この場合には、酵素固定化電極製造用電極１０が基板１１により支持されるため、酵素固定化電極製造用電極１０の機械的強度の向上を図ることができる。
［酵素固定化電極製造用電極の製造方法］
この酵素固定化電極製造用電極１０は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを混合する。この混合物におけるカーボン粒子の質量に対する、水に不溶な親水性バインダーの質量の比は例えば０．０１以上１以下とする。
次に、この混合物に溶媒を添加し、攪拌することによりペーストを調製する。溶媒としては、例えば、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、テルピネオール、２−プロパノール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、メチルエチルケトンなどの有機溶媒の中から適宜選んだものを用いる。混合物と溶媒との比は必要に応じて選ばれる。
次に、図２Ａに示すように、基板１１を準備する。次に、図２Ｂに示すように、上述のようにして調製されたペースト１２を基板１１の一主面上に所定の厚さに塗布または印刷する。基板１１としては、好適には、不織布を用いることができる。不織布の材料としては、例えばポリオレフィン、ポリエステル、セルロース、ポリアクリルアミドなどの各種の有機高分子化合物を用いることができるが、これに限定されるものではない。ペースト１２の塗布または印刷の方法に特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法などを用いることができる。また、印刷方法としては、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
次に、こうしてペースト１２を塗布した基板１１を加熱し、あるいは室温に保持することによりペースト１２中の溶媒を乾燥させて除去し、固化させる。こうして、図２Ｃに示すように、基板１１上にカーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとからなる酵素固定化電極製造用電極１０が得られる。この後、必要に応じて、この酵素固定化電極製造用電極１０が形成された基板１１の両面をオゾン処理などによりクリーニングする。
なお、基板１１の材料によっては、基板１１にペースト１２が浸透することもある。この場合には、図２Ｃにおいて一点鎖線で示すように、酵素固定化電極製造用電極１０はその下部が基板１１中に埋設された状態で形成される。
〈実施例１〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラック、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック１ｇとエチルセルロース０．４ｇとを混合し、この混合物にテルピネオール７．５ｇを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
図３Ａに示すように、基板１１として不織布１４を用いる。そして、図３Ｂに示すように、この不織布１４上にペースト１２をコーターにより厚さ５０μｍ塗布した後、ホットプレート上で７５℃で２時間加熱し、テルピネオールを乾燥除去した。
こうして、ケッチェンブラックとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０が不織布１４上に形成された。このとき、酵素固定化電極製造用電極１０はその下部が不織布１４中に埋設された状態で形成された。
この後、酵素固定化電極製造用電極１０が形成された不織布１４の両面、すなわち酵素固定化電極製造用電極１０の上面と不織布１４の裏面とに２０分間オゾン処理を施し、クリーニングを行った。
〈実施例２〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびバイオカーボン、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとバイオカーボン１ｇとエチルセルロース０．４ｇとを混合し、この混合物にテルピネオール７．５ｇを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとバイオカーボンとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例３〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとエチルセルロース０．４ｇとを混合し、この混合物にテルピネオール７．５ｇを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例４〉
次のようにして、カーボン粒子としてＶＧＣＦ（登録商標）、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ＶＧＣＦ１ｇとエチルセルロース０．４ｇとを混合し、この混合物にテルピネオール７．５ｇを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にＶＧＣＦとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例５〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとエチルセルロース０．６ｇとを混合し、この混合物にメチルイソブチルケトン８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
このペースト１２をコーターにより不織布１４に厚さ５０μｍ塗布した後、室温でメチルイソブチルケトンを乾燥除去した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例６〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとエチルセルロース０．６ｇとを混合し、この混合物に２−プロパノール８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
このペースト１２をコーターにより不織布１４に厚さ５０μｍ塗布した後、室温で２−プロパノールを乾燥除去した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例７〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、水に不溶な親水性のバインダーとしてポリビニルブチラールを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとポリビニルブチラール（重合度１０００）０．２ｇとを混合し、この混合物にメチルイソブチルケトン８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
このペースト１２をコーターにより不織布１４に厚さ５０μｍ塗布した後、室温でメチルイソブチルケトンを乾燥除去した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとポリビニルブチラールとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈実施例８〉
次のようにして、カーボン粒子としてバイオカーボン、水に不溶な親水性のバインダーとしてエチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
バイオカーボン１ｇとエチルセルロース０．４ｇとを混合し、この混合物にテルピネオール８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペースト１２を調製した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にバイオカーボンとエチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極１０を形成した。
〈比較例１〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースを用いて酵素固定化電極製造用電極を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとカルボキシメチルセルロース０．２ｇとを混合し、この混合物に水８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペーストを調製した。
このペーストをコーターにより不織布１４に厚さ５０μｍ塗布した後、室温で水を乾燥除去した。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとカルボキシメチルセルロースとからなる酵素固定化電極製造用電極を形成した。
〈比較例２〉
次のようにして、カーボン粒子としてケッチェンブラックおよびＶＧＣＦ（登録商標）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いて酵素固定化電極製造用電極を形成した。
ケッチェンブラック０．５ｇとＶＧＣＦ０．５ｇとポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）０．１ｇとを混合し、この混合物にＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）８ｍｌを添加した後、１０分間の攪拌を２回行い、ペーストを調製した。
このペーストをコーターにより不織布１４に厚さ５０μｍ塗布した後、１２０℃で焼成を行った。
その後、実施例１と同様の処理を行って不織布１４上にケッチェンブラックとＶＧＣＦとポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とからなる酵素固定化電極製造用電極を形成した。
〈酵素溶液の接触角の測定結果〉
実施例３、５、７の酵素固定化電極製造用電極１０および比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極に対する酵素溶液の接触角の測定を行った結果を、それぞれ図４Ａ〜図４Ｅに示す。図４Ａに示す実施例３の酵素固定化電極製造用電極１０に対する接触角θは１０°、図４Ｂに示す実施例５の酵素固定化電極製造用電極１０に対する接触角θは２９°、図４Ｃに示す実施例７の酵素固定化電極製造用電極１０に対する接触角θは１９°と小さい。この結果、酵素溶液は、実施例３、５、７の酵素固定化電極製造用電極１０に対して容易に染み込んだ。これに対し、図４Ｄに示す比較例１の酵素固定化電極製造用電極に対する接触角θは２４°と酵素溶液は容易に染み込んだが、数分後に炭素粒子の剥離が確認され、比較例１の酵素固定化電極製造用電極は電極として機能しないことが確認された。また、図４Ｅに示す比較例２の酵素固定化電極製造用電極に対する接触角θは１２２°と大きかった。この結果、酵素溶液は、比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極には染み込まず、電極表面上で乾燥した。
〈サイクリックボルタンメトリー評価の結果〉
実施例１の酵素固定化電極製造用電極１０を用いて電極性能の評価を行った。そのために、ヘキサシアノ鉄酸イオンを用い、サイクリックボルタンメトリー評価を行った。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、エチルセルロースをバインダーにした実施例１の酵素固定化電極製造用電極１０は非常に良い電気化学応答を示した。図６は、電位掃引速度Ｖの１／２乗（Ｖ1/2）を横軸に取り、縦軸にサイクリックボルタモグラムのピーク電流値をプロットしたものである。図６には、比較のために、市販されている平滑なグラッシーカーボン（ＧＣ）電極を用いた場合の同様なデータをプロットした。図６より、実施例１の酵素固定化電極製造用電極１０では、一般的に電気化学評価で用いられるグラッシーカーボン電極とほぼ同じピーク電流が得られ、Ｖ1/2に比例していることから、電気化学的に可逆的な応答を示していることが分かる。
図７は、バイオカーボンとエチルセルロースとからなる実施例８の酵素固定化電極製造用電極１０を用い、１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に電子メディエーターとしてキノン誘導体であるＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を溶解した燃料溶液を用いてサイクリックボルタンメトリー測定を行った結果を示す。図７より、電位掃引を１０サイクル行っても電気化学的特性が維持されることが分かる。また、図８は、燃料溶液の交換を行った場合のサイクリックボルタンメトリー測定結果を示すが、燃料溶液の交換を行っても電気化学的特性が維持されることが分かる。これらの結果は、カーボン粒子としてバイオカーボンを用いる場合にバインダーとしてエチルセルロースを用いることの優位性を示すものである。すなわち、バイオカーボンは低分子量の分子の吸着能を有するが、バイオカーボンは炭素繊維電極に塗布する必要があった。これは、粉末であるバイオカーボンから効率よく集電するため、あるいは、バイオカーボンが溶液中に分散していくのを抑制するためである。これに対し、図７および図８の実験結果より、バイオカーボンのバインダーとしてエチルセルロースを用いることにより、炭素繊維電極を用いることなく、バイオカーボンの低分子量の分子の吸着能を保持したまま、酵素固定化電極製造用電極１０を形成することが可能となることが分かる。これによって、炭素繊維電極が不要となるため、酵素固定化電極製造用電極１０を薄く形成することも可能であり、バイオカーボンが溶液中に分散していく問題も解消することができる。
〈水に不溶な親水性のバインダーの規定方法〉
ここで、酵素固定化電極製造用電極１０の製造に用いる水に不溶な親水性のバインダーの規定方法について説明する。
室温において、バインダー粉末（界面活性剤などを含まない）に水を加え、１０分間の撹拌、１分間の脱泡を順次行った後、一旦放置しさらに１０分間の撹拌、１分間の脱泡を順次行った後、１０分前後放置する。この操作を行った後、バインダー粉末を加えた水の様子を観察し、水への溶解性および親水性を判断する。図９に、５種類のバインダーを用いて実験を行った結果を示す。図９より、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は水に不溶でかつ疎水的であり、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）は水に可溶である。図示はしないが、ポリアクリル酸も、カルボキシメチルセルロースと同様に水に可溶である。水に可溶なバインダーはカーボン粉末を電極形状に維持できないために、バインダーとして適していない。これに対し、エチルセルロースおよびポリビニルブチラールは、いずれも水に不溶で親水的であり、水中に浮遊し、あるいは沈降する。これらのバインダーの構造式は以下の通りである。
・エチルセルロース
・ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）
・ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）
・ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）
・カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）
以上のように、この第１の実施の形態によれば、酵素固定化電極製造用電極１０がカーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとからなることにより、酵素溶液が染み込みやすく、従って酵素を容易に固定化することができ、しかも酵素の活性を維持することができる。
〈２．第２の実施の形態〉
［酵素固定化電極］
第２の実施の形態による酵素固定化電極は、第１の実施の形態による酵素固定化電極製造用電極１０に、一種類または二種類以上の酵素が固定化されたものである。これらの酵素は、酵素固定化電極の用途に応じて適宜選択される。
［酵素固定化電極の製造方法］
この酵素固定化電極は、第１の実施の形態による酵素固定化電極製造用電極１０に酵素溶液を塗布あるいは滴下したり、酵素固定化電極製造用電極１０を酵素溶液に浸漬したりすることにより製造することができる。この際、基板１４として撥水的なセパレータ、例えばシリコン系撥水剤により撥水性とされた不織布を用いる場合には、このセパレータの表面の所定の領域にカーボン塗料を塗布することにより、このカーボン塗料が塗布された場所にのみ選択的に酵素溶液を塗布することができる。また、この酵素固定化電極をバイオ燃料電池の正極または負極に用いることにより、燃料が発電部以外に広がらないようにすることができ、それによって燃料の損失や燃料の添加あるいは注入の際に筐体などが汚れるのを防止することができる。
〈実施例９〉
ケッチェンブラックとＶＧＣＦとエチルセルロースとからなる実施例５の酵素固定化電極製造用電極１０に、１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に酸素還元酵素であるビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を溶解した酵素溶液を滴下することにより、ビリルビンオキシダーゼを固定化し、バイオ燃料電池の正極を形成した。
この正極を用いてサイクリックボルタンメトリー測定を行った結果を図１０に示す。図１０に示すように、良好な結果が得られている。
この第２の実施の形態によれば、酵素を活性を維持したまま、しかも容易に固定化することができる酵素固定化電極を得ることができる。
〈３．第３の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
次に、第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態においては、バイオ燃料電池の正極および負極として、第２の実施の形態による酵素固定化電極を用いる。
図１１はこの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。図１２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および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
図１１および図１２に示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構造を有する。負極２１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２２は、負極２１から電解質層２３を通って輸送されたプロトンと負極２１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。
負極２１としては、第２の実施の形態による酵素固定化電極が用いられる。この酵素固定化電極には、グルコースの分解に関与する酵素、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および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が固定化されている。酵素固定化電極製造用電極１０には、必要に応じて、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酵素固定化電極製造用電極１０に渡す電子メディエーターも固定化される。
グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素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−グルコネートになり、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。
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。
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酵素固定化電極製造用電極１０に渡され、Ｈ+は電解質層２３を通って正極２２へ輸送される。
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層２３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ2ＰＯ4やＫＨ2ＰＯ4が用いられる。さらに、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。
図１２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酵素固定化電極製造用電極１０に渡す電子メディエーターがＡＣＮＱである場合が図示されている。
正極２２としては、第２の実施の形態による酵素固定化電極が用いられる。この酵素固定化電極には、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酸素還元酵素が固定化される。正極２２には、好適には、酸素還元酵素に加えて、この正極２２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
この正極２２においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層２３からのＨ+と負極２１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。
電解質層２３は負極２１において発生したＨ+を正極２２に輸送するためのもので、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。電解質層２３としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。
以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極２１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２１側で電子とＨ+とを生成することができ、負極２１と正極２２との間で電流を発生させることができる。
次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２２の下および負極２１の下にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２２、負極２１、電解質層２３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極２１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
図１３Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
〈実施例１０〉
負極２１として、実施例５、７の酵素固定化電極製造用電極１０および比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極にグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、ジアホラーゼ（ＤＩ）およびＮＡＤＨを固定化したものを用いた。正極２２として、実施例５、７の酵素固定化電極製造用電極１０および比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極にビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を固定化したものを用いた。これらの正極２２および負極２１を用いたバイオ燃料電池の出力を測定した。燃料溶液としてはグルコース溶液を用いた。図１４は、バイオ燃料電池を動作させてから１時間経過後の、実施例５の酵素固定化電極製造用電極１０を用いたバイオ燃料電池に対する相対出力を示す。図１４より、正極２２および負極２１に実施例５、７の酵素固定化電極製造用電極１０を用いたバイオ燃料電池は、正極２２および負極２１に比較例１、２の酵素固定化電極製造用電極を用いたバイオ燃料電池に比べて高い出力が得られていることが分かる。
この第３の実施の形態によれば、各種の電子機器の電源などに用いて好適な高出力のバイオ燃料電池を得ることができる。
以上、実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例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。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
［１］正極と、負極と、正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、正極および負極のうちの少なくとも一方が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された電極であるバイオ燃料電池。
［２］バインダーは、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む［１］に記載のバイオ燃料電池。
［３］カーボン粒子は、カーボンブラック、バイオカーボン、気相法炭素繊維および活性炭からなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む［１］または［２］に記載のバイオ燃料電池。
［４］混合物におけるカーボン粒子の質量に対するバインダーの質量の比は０．０１以上１以下である［１］乃至［３］のいずれかに記載のバイオ燃料電池。
［５］正極および負極のうちの少なくとも一方が、正極と負極との間に設けられるセパレータと一体に形成されている［１］乃至［４］のいずれかに記載のバイオ燃料電池。
［６］正極と、負極と、正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有するバイオ燃料電池を製造する場合に、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成する工程と、電極に酵素を固定化することにより正極および負極のうちの少なくとも一方を形成する工程とを有するバイオ燃料電池の製造方法。
［７］カーボン粒子とバインダーとを含むペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させることにより正極および負極のうちの少なくとも一方を形成する［６］に記載のバイオ燃料電池の製造方法。
［８］カーボン粒子とバインダーとを含むペーストをセパレータ上に塗布した後、このペーストを固化させることにより正極および負極のうちの少なくとも一方をセパレータと一体に形成する［６］または［７］に記載のバイオ燃料電池の製造方法。
１０ 酵素固定化電極製造用電極
１１ 基板
１２ ペースト
１４ 不織布
２１ 負極
２２ 正極
２３ 電解質層
４１、４２ Ｔｉ集電体
４３、４４ 固定板

Claims (17)

  1. 正極と、
    負極と、
    正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
    正極および負極のうちの少なくとも一方が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された電極であるバイオ燃料電池。
  2. バインダーは、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む、
    請求項１に記載のバイオ燃料電池。
  3. カーボン粒子は、カーボンブラック、バイオカーボン、気相法炭素繊維および活性炭からなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む、
    請求項１または請求項２に記載のバイオ燃料電池。
  4. 混合物におけるカーボン粒子の質量に対するバインダーの質量の比は０．０１以上１以下である、
    請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバイオ燃料電池。
  5. 正極および負極のうちの少なくとも一方が、正極と負極との間に設けられるセパレータと一体に形成されている、
    請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバイオ燃料電池。
  6. 正極と、
    負極と、
    正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有するバイオ燃料電池を製造する場合に、
    カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成する工程と、
    電極に酵素を固定化することにより正極および負極のうちの少なくとも一方を形成する工程、
    とを有するバイオ燃料電池の製造方法。
  7. カーボン粒子とバインダーとを含むペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させることにより正極および負極のうちの少なくとも一方を形成する、
    請求項６に記載のバイオ燃料電池の製造方法。
  8. カーボン粒子とバインダーとを含むペーストをセパレータ上に塗布した後、このペーストを固化させることにより正極および負極のうちの少なくとも一方をセパレータと一体に形成する、
    請求項６または請求項７に記載のバイオ燃料電池の製造方法。
  9. 一つまたは複数の燃料電池を用い、
    少なくとも一つの燃料電池が、
    正極と、
    負極と、
    正極と負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
    正極および負極のうちの少なくとも一方が、カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなり、酵素が固定化された電極であるバイオ燃料電池である電子機器。
  10. カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極に酵素が固定化されており、セパレータ上にこのセパレータと一体に形成されている酵素固定化電極。
  11. カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極を形成する工程と、
    電極に酵素を固定化する工程、
    とを有する酵素固定化電極の製造方法。
  12. カーボン粒子とバインダーとを含むペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させることにより電極を形成する、
    請求項１１に記載の酵素固定化電極の製造方法。
  13. カーボン粒子とバインダーとを含むペーストをセパレータ上に塗布した後、このペーストを固化させることにより電極を上記セパレータと一体に形成する、
    請求項１１に記載の酵素固定化電極の製造方法。
  14. カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる酵素固定化電極製造用電極。
  15. カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含むペーストを基板上に塗布した後、このペーストを固化させることにより酵素固定化電極製造用電極を製造する酵素固定化電極製造用電極の製造方法。
  16. カーボン粒子と水に不溶な親水性のバインダーとを含む混合物からなる電極に酵素が固定化されており、セパレータ上にこのセパレータと一体に形成されている酵素固定化電極を有する酵素反応利用装置。
  17. 上記酵素反応利用装置はバイオ燃料電池である、
    請求項１６に記載の酵素反応利用装置。
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