KR20110005841A - 연료 전지, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기, 효소 고정화 전극, 바이오센서, 바이오리액터, 에너지 변환 소자 및 효소 반응 이용 장치 - Google Patents

Abstract

1종 또는 복수종의 효소 및 보효소{補酵素; coenzyme}를 미소한 공간에 감금{閉入; confine}하고, 이 공간을 반응장{反應場}으로 해서 효소 반응을 행하는 것에 의해 연료로부터 효율적으로 전자를 취출{取出; take out}해서 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며, 이들 효소 및 보효소의 전극에의 고정화{固定化; immobilization}도 용이하게 행할 수 있는 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 효소 반응에 필요한 효소 및 보효소를 리포솜(12)에 봉입{封入; encapsulate}하고, 이 리포솜(12)을 다공질 카본 등으로 이루어지는 전극(11)의 표면에 고정화해서 효소 고정화 전극을 형성한다. 리포솜(12)에는 필요에 따라 트랜스포터를 짜넣는다. 전극(11)의 표면에는 전자 미디에이터도 고정화한다. 이 효소 고정화 전극을 예를 들면 바이오 연료 전지의 부극으로서 이용한다.

Description

연료 전지, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기, 효소 고정화 전극, 바이오센서, 바이오리액터, 에너지 변환 소자 및 효소 반응 이용 장치{FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCTION OF FUEL CELL, ELECTRONIC DEVICE, ENZYME-IMMOBILIZED ELECTRODE, BIOSENSOR, BIOREACTOR, ENERGY CONVERSION ELEMENT, AND ENZYMATIC REACTION-UTILIZING APPARATUS}

본 발명은, 연료 전지, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기, 효소 고정화{固定化; immobilization} 전극, 바이오센서, 바이오리액터, 에너지 변환 소자 및 효소 반응 이용 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 효소를 이용한 바이오 연료 전지, 바이오센서 및 바이오리액터와 바이오 연료 전지를 전원에 이용한 각종 전자 기기에 적용해서 매우 적합{好適}한 것이다.

연료 전지는, 정극{正極}(산화제극)과 부극{負極}(연료극)이 전해질(프로톤 전도체{傳導體})을 거쳐서 대향한 구조를 가진다. 종래의 연료 전지에서는, 부극에 공급된 연료(수소)가 산화되어 전자와 프로톤(H⁺)으로 분리하고, 전자는 부극에 건네{渡; pass)지며, H⁺는 전해질을 통해서 정극까지 이동한다. 정극에서는, 이 H⁺가, 외부로부터 공급된 산소 및 부극으로부터 외부 회로를 통해서 보내진 전자와 반응해서 H₂O를 생성한다.

이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율인 발전{發電} 장치이며, 천연 가스, 석유, 석탄 등의 화석 에너지가 갖는 화학 에너지를 사용 장소나 사용시에 의하지 않고, 게다가 높은 변환 효율로 전기 에너지로서 취출{取出; take out}할 수가 있다. 이 때문에, 종래부터 대규모 발전 용도 등으로서의 연료 전지의 개발 연구가 활발하게 행해지고 있다. 예를 들면, 스페이스 셔틀{space shuttle}에 연료 전지가 탑재{搭載; mount}되고, 전력과 동시에 승무원용 물을 보급할 수 있는 것이나, 클린{clean}한 발전 장치임을 증명한 실적이 있다.

또, 근래{近年}, 고체 고분자형 연료 전지 등, 실온으로부터 90℃ 정도의 비교적 저온의 작동 온도역{溫度域}을 나타내는 연료 전지가 개발되어, 주목을 모으고 있다. 이 때문에, 대규모 발전용도 뿐만 아니라, 자동차의 구동용 전원, 퍼스널 컴퓨터나 모바일 기기 등의 포터블 전원 등의 소형 시스템에의 응용이 모색되고 있다.

이와 같이, 연료 전지는 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지 폭넓은 용도가 생각되며, 고효율인 발전 장치로서 많은 주목을 모으고 있다. 그렇지만, 연료 전지에서는, 연료로서 통상, 천연 가스, 석유, 석탄 등을 개질기{改質器}에 의해 수소 가스로 변환해서 이용하고 있고, 한정{限} 있는 자원을 소비함과 동시에, 고온으로 가열할 필요가 있거나, 백금(Pt) 등의 고가의 귀금속 촉매를 필요로 하거나 하는 등, 갖가지 문제점이 있다. 또, 수소 가스나 메탄올을 직접 연료로서 이용하는 경우에서도, 그 취급에는 주의를 요한다.

그래서, 생물 내에서 행해지고 있는 생체 대사{代謝}가 고효율인 에너지 변환 기구인 것에 주목{着目}하고, 이것을 연료 전지에 적용하는 제안이 이루어져 있다. 여기서 말하는 생체 대사에는, 미생물 체세포 내에서 행해지는 호흡, 광합성 등이 포함된다. 생체 대사는, 발전 효율이 지극히 높고, 또 실온 정도의 온화{穩}한 조건에서 반응이 진행된다고 하는 특장을 겸비하고 있다.

예를 들면, 호흡은, 당류, 지방, 단백질 등의 영양소를 미생물 또는 세포 내에 취입{取入; take into}하고, 이들 화학 에너지를, 수많은 효소 반응 스텝을 가지는 해당계{解糖系} 및 구연산(TCA) 회로를 거쳐서 이산화 탄소(CO₂)를 생성하는 과정에서 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드(NAD⁺)를 환원해서 환원형 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드(NADH)로 함으로써 산화 환원 에너지, 즉 전기 에너지로 변환하고, 또 전자 전달계{傳達系}에서 이들 NADH의 전기 에너지를 프로톤 구배{勾配; gradient}의 전기 에너지로 직접 변환함과 동시에 산소를 환원하여, 물을 생성하는 기구이다. 여기서 얻어진 전기 에너지는, 아데노신 3인산(ATP) 합성 효소를 거쳐서, 아데노신 2인산(ADP)으로부터 ATP를 생성하고, 이 ATP는 미생물이나 세포가 생육하기 위해서 필요한 반응에 이용된다. 이와 같은 에너지 변환은, 세포질 졸 및 미토콘드리아에서 행해지고 있다.

또, 광합성은, 광{빛} 에너지를 취입하고, 전자 전달계를 거쳐서 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드 인산(NADP⁺)을 환원해서 환원형 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드 인산(NADPH)으로 함으로써 전기 에너지로 변환하는 과정에서, 물을 산화하여 산소를 생성하는 기구이다. 이 전기 에너지는, CO₂를 취입하고 탄소 고정화 반응에 이용되며, 탄수화물의 합성에 이용된다.

상술한 바와 같은 생체 대사를 연료 전지에 이용하는 기술로서는, 미생물 중에서 발생한 전기 에너지를 전자 미디에이터를 거쳐서 미생물 밖으로 취출하고, 이 전자를 전극에 건네줌으로써 전류를 얻는 미생물 전지가 보고되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

그렇지만, 미생물 및 세포에는 화학 에너지로부터 전기 에너지로의 변환이라고 하는 목적의 반응 이외에도 불필요{不要}한 반응이 많이 존재하기 때문에, 상술한 방법에서는 바라지 않는 반응에 화학 에너지가 소비되어 충분한 에너지 변환 효율이 발휘되지 않는다.

그래서, 효소를 이용해서 원하는{所望} 반응만을 행하는 연료 전지(바이오 연료 전지)가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2∼11 참조). 이 바이오 연료 전지는, 연료를 효소에 의해 분해해서 프로톤과 전자로 분리하는 것으로, 연료로서 메탄올이나 에탄올과 같은 알콜류 혹은 글루코오스와 같은 단당류 혹은 전분과 같은 다당류를 이용한 것이 개발되어 있다.

이 바이오 연료 전지에서는, 전극에 대한 효소의 고정화·배열이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 또, 전자를 전달하는 역할을 하는 전자 미디에이터가 효소와 함께 유효하게 존재할 필요성도 있는 것을 알 수 있다. 종래의 효소의 고정화 방법은 여러가지 것이 있지만, 그 중에서도 본 발명자들은, 플러스에 전하를 띤 폴리머와 마이너스에 전하를 띤 폴리머를 효소와 적당한 비율로 혼합해서 다공질 카본 등으로 이루어지는 전극 위에 도포하는 것에 의해, 전극과의 접착성을 보존{保}하면서 고정화막을 안정화시키는 폴리이온 컴플렉스법이나 글루타르알데히드법을 주체로 개발해 왔다.

[선행 기술문헌]

[특허 문헌]

특허 문헌 1: 일본특개{特開}2000-133297호 공보

특허 문헌 2: 일본특개2003-282124호 공보

특허 문헌 3: 일본특개2004-71559호 공보

특허 문헌 4: 일본특개2005-13210호 공보

특허 문헌 5: 일본특개2005-310613호 공보

특허 문헌 6: 일본특개2006-24555호 공보

특허 문헌 7: 일본특개2006-49215호 공보

특허 문헌 8: 일본특개2006-93090호 공보

특허 문헌 9: 일본특개2006-127957호 공보

특허 문헌 10: 일본특개2006-156354호 공보

특허 문헌 11: 일본특개2007-12281호 공보

[비특허 문헌]

비특허 문헌 1: 아키요시 카즈나리, 츠지이 카오루 감수{監修}, 리포솜{liposome} 응용의 신전개 「인구 세포의 개발을 향해서」, 주식회사 엔·티·에스{NTS Inc.}, 2005년 6월 1일 발행

비특허 문헌 2: Biotechnology and Bioengineering, Vol. 81, No.6, pp. 695-704(2003)

그렇지만, 상술한 폴리이온 컴플렉스를 이용하는 고정화 방법은, 효소의 물리화학적 성질, 특히 전하{電荷}에 크게 의존하고 있으며, 외부 용액의 변화, 사용중의 환경 변화 등에 의해 고정화 상태가 끊임없이 변화하는 것이 염려되며, 고정화한 효소 등이 용출{溶出; elute}하기 쉽다. 또, 일반적으로 효소는 열에 대한 내성이 낮지만, 바이오 연료 전지의 실용화를 향해서 효소를 개변해 갈 때에, 효소 그 자체의 물리화학적 성질이 바뀌고, 그 때마다{都度), 고정화 막 제작 방법의 최적화를 도모할 필요가 있어, 번잡하다. 또, 연료로부터 보다 많은 전자를 취출하고 싶을 때에는, 보다 많은 효소가 필요하게 되지만, 이들 효소를 고정화하는 경우, 그 고정화 조건의 최적화에 다대한 노력을 소비{費}하게 된다.

그래서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 1종 또는 복수종의 효소 및 보효소{補酵素; coenzyme}를 미소한 공간에 감금{閉入; confine}하고, 이 공간을 반응장{反應場}으로 해서 효소 반응을 행하는 것에 의해 연료로부터 효율적으로 전자를 취출해서 전기 에너지를 발생시킬 수가 있으며, 이들 효소 및 보효소의 전극에의 고정화도 용이하게 행할 수가 있는 연료 전지 및 그 제조 방법, 이 연료 전지를 이용한 고성능의 전자 기기, 이 연료 전지에 적용해서 매우 적합한 효소 고정화 전극과 고효율의 바이오센서, 바이오리액터, 에너지 변환 소자 및 전극 반응 이용 장치를 제공하는데 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의{銳意} 연구를 행한 결과, 바이오 연료 전지에 있어서, 효소 반응에 필요한 효소 및 보효소를 인공 세포인 리포솜에 봉입{封入; encapsulate}한 경우에는, 같은 양{同量}의 효소 및 보효소를 리포솜에 봉입하지 않고 이용하는 경우에 비해서, 효소 반응을 훨씬 효율적으로 행해서 지극히 높은 촉매 전류를 얻거나, 전극에의 고정화를 용이하게 하거나 할 수가 있는 것을 찾아내고, 실험으로 그 유효성을 확인하며, 또 이 수법의 적용이 가능한 범위에 대해서 여러가지 관점에서 검토를 행하여, 본 발명을 안출{案出}하기에 이르렀다. 또, 이 수법은, 바이오 연료 전지 뿐만 아니라, 효소 및 보효소를 이용하는 각종 소자 또는 장치에 적용해서 매우 적합한 것이다.

효소 반응에 필요한 효소 및 보효소를 리포솜에 봉입하는 것에 의해 효소 반응을 훨씬 효율적으로 행할 수가 있으며, 지극히 높은 촉매 전류를 얻을 수 있다고 하는 본 발명자들이 독자적으로 얻은 지견{知見}은, 종래의 정설을 뒤집는 것이다. 즉, 종래는, 리포솜 내에 봉입된 효소를 생체 촉매로서 파악{捉; assume}했을 때, 리포솜을 구성하는 지질{脂質; lipid} 이중층에 대한 기질{基質; substrate}의 투과 속도가 제한되기 때문에, 반응 속도는 낮다고 생각되고 있었다. 예를 들면, 비특허 문헌 1의 제454페이지 오른쪽란의 2행째부터 6행째에는 「리포솜내 봉입 효소를 생체 촉매로서 사용할 때, 지질막의 높은 투과 선택성을 위해서, 리포솜외 수상{水相; water phase}에 첨가된 친수성{親水性; hydrophilic} 혹은 고분자량의 기질에 대한 리포솜내 봉입 효소의 반응성이 과도하게 제한되는 것이 문제가 된다」고 기재되어 있다. 또, 비특허 문헌 2의 제695페이지 오른쪽란 아래로부터 8행째부터 아래로부터 5행째에는 「일반적으로, 리포솜내에 봉입된 효소의 외부로부터 첨가된 기질에 대한 반응성은 리포솜의 이중층을 횡단하는 기질 투과성에 현저하게 의존한다」고 기재되어 있다.

즉, 상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명은,

정극과 부극이 프로톤 전도체를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소를 이용해서 연료로부터 전자를 취출하도록 구성되고,

적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 연료 전지이다.

제2 발명은,

정극과 부극이 프로톤 전도체를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소를 이용해서 연료로부터 전자를 취출하는 연료 전지를 제조하는 경우에, 적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소를 리포솜에 봉입하는 공정을 가지는 연료 전지의 제조 방법이다.

제1 및 제2 발명에 있어서, 리포솜은, 인지질{燐脂質} 등으로 이루어지는 지질 이중층에 의해 형성된 폐쇄 소포{閉鎖小胞; closed vesicle}이며, 내부가 수상으로 되어 있다. 이 리포솜에는, 1층의 지질 이중층으로 이루어지는 단층 리포솜(SUV: 작은 1장막{一枚膜; unilamellar} 리포솜, GUV: 거대 1장막 리포솜) 뿐만이 아니라, 작은 리포솜(SUV)이 큰 리포솜(GUV)에 취입되어 내포상자{入子; nest; 크기의 차례대로 포개어 안에 넣을 수 있게 만든 그릇이나 상자}로 된 다중층 리포솜(MUV)도 포함된다. 리포솜은, 예를 들면 직경 100㎚ 정도의 것부터 10㎛에 이르는 큰 것까지 제작할 수가 있으며, 직경은 필요에 따라 선택되지만, 구체예를 들면 2∼7㎛이다. 인지질로서는 기본적으로는 어떠한 것을 이용해도 좋고, 글리세로인지질, 스핀고인지질의 어느 것을 이용해도 좋다. 글리세로인지질로서는, 포스파티딘산, 포스파티딜 콜린(레시틴), 포스파티딜 에탄올아민, 포스파티딜 세린, 포스파티딜 글리세롤, 디포스파티딜 글리세롤(카르디오리핀) 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 스핀고인지질로서는, 스핀고미에린 등을 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 포스파티딜 콜린의 대표예는 디미리스토일 포스파티딜 콜린(DMPC)이다. 리포솜의 형성 및 리포솜 내부에의 효소 및 보효소의 봉입에는 종래 공지의 방법을 이용할 수가 있다.

이 리포솜에는, 효소 반응에 필요한 효소 및 보효소 중에서, 적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소를 봉입하지만, 효소 반응에 필요한 모든 효소 및 보효소를 리포솜에 봉입해도 좋으며, 일부의 효소 또는 보효소를 리포솜에 봉입하지 않고, 이 리포솜을 구성하는 지질 이중층에 짜넣{組入; incorporate}거나, 고정화하거나, 리포솜의 외부에 존재시키도록 해도 좋다. 효소 또는 보효소를 리포솜을 구성하는 지질 이중층에 고정화하는 경우에는, 예를 들면 폴리에틸렌 글리콜사슬{鎖} 등의 앵커를 이용할 수가 있다.

사용하는 연료가, 리포솜을 구성하는 지질 이중층을 통과해서 리포솜 내부에 취입되는 것이 곤란한 경우에는, 이 지질 이중층에 연료 또는 연료의 분해 생성물의 수송을 행하는 트랜스포터(수송 단백질)를 짜넣을 수가 있다. 혹은, 지질의 종류, 조성, 입자 지름 등을 적절히 선택하는 것에 의해서도 연료의 투과성을 향상시키는 것이 가능하다.

이 리포솜은, 매우 적합하게는 부극에 고정화되지만, 반드시 고정화할 필요는 없으며, 프로톤 전도체에 완충액(완충 물질)을 포함하는 전해질을 이용하는 바와 같은 경우에는 그 완충액에 포함시키도록 해도 좋다. 리포솜의 고정에는, 예를 들면 세포의 고정에 이용되는 종래 공지의 각종 고정화 방법을 이용할 수가 있다. 또, 이 경우, 부극에 대한 리포솜의 고정을 안정화하기 위해서, 부극과 리포솜과의 사이에 중간층을 형성해도 좋다. 이 중간층으로서는, 단백질이나 DNA 등의 생체 고분자 뿐만 아니라, 친수{親水}, 소수{疏水; hydrophobicity}의 양쪽의 성질을 갖는 바와 같은 고분자 전해질이나, 미셀{micell}, 역{逆}미셀, 라메라 등의 구조체를 형성할 수가 있는 것이나, 나노미터 구조를 갖고, 하나 또는 복수의 성질을 갖는 화합물로서 생체 친화성이 높은 화합물을 이용할 수가 있다. 단백질로서는, 예를 들면 알부민을 대표로 한, 알콜 디히드로게나아제{dehydrogenase}, 락테이트 디히드로게나아제, 오브알부민, 미오키나아제 등의 산성 단백질 외에, 등전점{等電点; isoelectric point}을 알칼리 측에 갖는 리조티움, 시토크롬 c, 미오글로빈, 트리프시노오겐{trypsinogen} 등을 이용할 수가 있다. 이와 같은 단백질 등으로 이루어지는 중간층을 전극 표면에 물리적으로 흡착시키고, 이 중간층에 리포솜을 고정화하는 것에 의해, 부극에 대해서 리포솜을 안정하게 고정화하는 것이 가능하다.

연료(기질)로서는, 각종의 것을 이용할 수가 있으며, 필요에 따라 선택되지만, 대표적인 것을 들면, 메탄올이나 에탄올 등의 알콜, 단당류, 다당류 등이다. 단당류, 다당류 등을 연료에 이용하는 경우, 전형적으로는, 이들을 인산 완충액이나 트리스 완충액 등의 종래 공지의 완충액에 녹인 연료 용액의 형태로 이용한다.

연료로서의 기질과 효소와의 조합의 예를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

리포솜에 봉입하는 효소는, 전형적으로는, 연료의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소를 포함하며, 또 연료의 산화에 수반해서 환원된 보효소를 산화체로 되돌림{戾; return}과 동시에 전자 미디에이터를 거쳐서 전자를 부극에 건네주는 보효소 산화 효소를 포함한다.

전자 미디에이터로서는 기본적으로는 어떠한 것을 이용해도 좋지만, 매우 적합하게는, 퀴논 골격을 가지는 화합물이 이용되며, 구체적으로는, 예를 들면 2, 3-디메톡시-5-메틸-1, 4-벤조퀴논(Q0)이나, 나프토퀴논 골격을 가지는 화합물, 예를 들면 2-아미노-1, 4-나프토퀴논(ANQ), 2-아미노-3-메틸-1, 4-나프토퀴논(AMNQ), 2-메틸-1, 4-나프토퀴논(VK3), 2-아미노-3-카르복시-1, 4-나프토퀴논(ACNQ), 비타민 K1 등의 각종 나프토퀴논 유도체{誘導體}가 이용된다. 퀴논 골격을 가지는 화합물로서는, 예를 들면 안트라퀴논이나 그 유도체를 이용할 수도 있다. 전자 미디에이터에는, 필요에 따라, 퀴논 골격을 가지는 화합물 이외에, 전자 미디에이터로서 일{serving}하는 1종 또는 2종 이상의 다른 화합물을 포함시켜도 좋다. 이 전자 미디에이터는, 효소 및 보효소가 봉입된 리포솜과 함께 부극에 고정화해도 좋고, 이 리포솜의 내부에 봉입해도 좋으며, 이 리포솜에 고정해도 좋으며, 연료 용액에 포함시키도록 해도 좋다.

예를 들면, 연료로서 알콜을 이용하는 경우에는, 리포솜에 봉입하는 효소는, 알콜의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소와, 이 산화 효소에 의해서 환원되는 보효소를 산화체로 되돌리는 보효소 산화 효소를 포함한다. 이 보효소 산화 효소의 작용에 의해, 보효소가 산화체로 되돌아갈 때에 전자가 생성되며, 보효소 산화 효소로부터 전자 미디에이터를 거쳐서 부극에 전자가 건네진다. 산화 효소로서는 예를 들면 알콜 디히드로게나아제(ADH)(특히, NAD 의존형 알콜 디히드로게나아제)가, 보효소로서는 예를 들면 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드(NAD⁺) 또는 니코틴아미드 아데닌 디누클레오티드 인산(NADP⁺)이, 보효소 산화 효소로서는 예를 들면 디아포라아제{diaphorase}(DI)가 이용된다.

또, 연료로서 글루코오스와 같은 단당류를 이용하는 경우에는, 매우 적합하게는, 리포솜에 봉입하는 효소는, 단당류의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소와, 이 산화 효소에 의해서 환원되는 보효소를 산화체로 되돌리는 보효소 산화 효소를 포함한다. 이 보효소 산화 효소의 작용에 의해, 보효소가 산화체로 되돌아갈 때에 전자가 생성되며, 보효소 산화 효소로부터 전자 미디에이터를 거쳐서 부극에 전자가 건네진다. 산화 효소로서는 예를 들면 글루코오스 디히드로게나아제(GDH)(특히, NAD 의존형 글루코오스 디히드로게나아제)가, 보효소로서는 예를 들면 NAD⁺ 또는 NADP⁺가, 보효소 산화 효소로서는 예를 들면 DI가 이용된다. 리포솜 내부에 글루코오스를 취입하기 위해서, 이 경우, 매우 적합하게는, 리포솜을 구성하는 지질 이중층에 글루코오스 트랜스포터(당수송{糖輸送; saccharide} 담체{擔體; carrier})가 짜넣어진다. 글루코오스 트랜스포터로서는 종래 공지의 각종의 것을 이용할 수가 있으며, 필요에 따라 선택된다. 예를 들면, 리포솜 내외{內外}의 글루코오스 농도차에 의거하는 촉통{促通; facilitated} 확산(촉진{促進; enhanced} 확산) 기구에 의해 글루코오스의 수송을 행하는 경우에는, 촉통 확산을 담당하는 글루코오스 트랜스포터로서, 6종류의 아이소폼{isoform} GLUT1∼GLUT6이나 이들의 변이체{變異體}를 이용할 수가 있다.

연료로서 다당류(광의{廣義}의 다당류이며, 가수분해에 의해서 2분자 이상의 단당을 발생하는 모든 탄수화물을 가리키며, 2당, 3당, 4당 등의 올리고당을 포함한다)를 이용하는 경우에는, 상기의 산화 효소, 보효소 산화 효소 및 보효소에 더하여, 다당류의 가수분해 등의 분해를 촉진하고, 글루코오스 등의 단당류를 생성하는 분해 효소도 이용한다. 이 경우, 예를 들면 상기의 산화 효소, 보효소 산화 효소 및 보효소는 리포솜에 봉입하고, 분해 효소는, 리포솜을 구성하는 지질 이중층에 짜넣거나, 고정화하거나, 리포솜의 외부에 존재시키도록 한다. 이 분해 효소는, 리포솜의 외부에 존재시키는 경우에는, 매우 적합하게는 부극에 고정화되지만, 반드시 고정화할 필요는 없고, 프로톤 전도체에 완충액(완충 물질)을 포함하는 전해질을 이용하는 바와 같은 경우에는 그 완충액에 포함시키도록 해도 좋다. 다당류로서는, 구체적으로는, 예를 들면 전분, 아밀로오스, 아밀로펙틴, 글리코겐, 셀룰로오스, 말토오스, 수크로오스, 락토오스 등을 들 수 있다. 이들은 단당류가 2개 이상 결합한 것이며, 어느 다당류에서도 결합 단위의 단당류로서 글루코오스가 포함되어 있다. 또한, 아밀로오스와 아밀로펙틴은 전분에 포함되는 성분이며, 전분은 아밀로오스와 아밀로펙틴과의 혼합물이다. 다당류의 분해 효소로서 글루코아밀라아제를 이용하고, 단당류를 분해하는 산화 효소로서 글루코오스 디히드로게나아제를 이용한 경우에는, 글루코아밀라제에 의해 글루코오스로까지 분해할 수가 있는 다당류, 예를 들면 전분, 아밀로오스, 아밀로펙틴, 글리코겐, 말토오스의 어느 것인가를 포함하는 것이면, 이것을 연료로서 발전하는 것이 가능해진다. 또한, 글루코아밀라아제는 전분 등의 α-글루칸을 가수분해하고 글루코오스를 생성하는 분해 효소이며, 글루코오스 디히드로게나아제는 β-D-글루코오스를 D-글루코노-δ-락톤으로 산화하는 산화 효소이다.

분해 효소로서 셀룰라아제를 이용하고, 산화 효소로서 글루코오스 디히드로게나아제를 이용한 연료 전지에서는, 셀룰라아제에 의해 글루코오스로까지 분해할 수가 있는 셀룰로오스를 연료로 할 수가 있다. 셀룰라아제는, 보다 자세하게는 셀룰라아제(EC 3.2. 1.4), 엑소셀로비오히드라아제(EC 3.2. 1.91), β-글루코시다아제(EC 3.2. 1.21) 등의 어느 것인가 적어도 1종이다. 또한, 분해 효소로서 글루코아밀라아제와 셀룰라아제를 혼합해서 이용해도 좋고, 이 경우에는, 자연계에서 생산되는 다당류의 대부분{大半}을 분해할 수가 있기 때문에, 이들을 많이 포함하는 것, 예를 들면 음식물 쓰레기{garbage} 등을 연료로 하는 것이 가능해진다.

또, 분해 효소로서 α-글루코시다아제를 이용하고, 산화 효소로서 글루코오스 디히드로게나아제를 이용한 연료 전지에서는, α-글루코시다아제에 의해 글루코오스로 분해되는 말토오스를 연료로 할 수가 있다.

또, 분해 효소로서 수크라아제를 이용하고, 산화 효소로서 글루코오스 디히드로게나아제를 이용한 연료 전지에서는, 수크라아제에 의해 글루코오스와 프럭토스로 분해되는 수크로오스를 연료로 할 수가 있다. 수크라아제는, 보다 자세하게는 α-글루코시다아제(EC 3.2. 1.20), 수크로오스-α-글루코시다아제(EC 3.2. 1.48), β-프럭토푸라노시다아제{fructofuranosidase}(EC 3.2. 1.26) 등의 적어도 어느 것인가 1종이다.

또, 분해 효소로서 β-갈락토시다아제를 이용하고, 산화 효소로서 글루코오스 디히드로게나아제를 이용한 연료 전지에서는, β-갈락토시다아제에 의해 글루코오스와 갈락토오스로 분해되는 락토오스를 연료로 할 수가 있다.

필요에 따라, 이들 연료로 되는 다당류도 부극 위에 고정화해도 좋다.

특히, 전분을 연료로 하는 연료 전지에서는, 전분을 풀화{糊化; gelatinizing; 젤라틴화}해서 겔상의 고형화 연료로 한 것을 이용할 수도 있다. 이 경우, 풀화한 전분을 예를 들면 효소 및 보효소가 봉입된 리포솜이 고정화된 부극에 접촉시키거나, 혹은 부극 위에 이 리포솜 등과 함께 고정화하는 방법을 취할 수가 있다. 이와 같이 하는 것에 의해, 부극 표면의 전분 농도를, 용액 중에 용해한 전분을 이용한 경우보다도 높은 상태로 보존유지{保持}할 수가 있으며, 효소에 의한 분해 반응이 보다 빨라져, 출력이 향상함과 동시에, 연료의 취급이 용액의 경우보다도 용이하여, 연료 공급 시스템을 간소화할 수 있으며, 게다가 연료 전지를 '위 아래를 거꾸로 하지 말라{天地無用; inhibition of turnover}'고 할 필요가 없기 때문에, 모바일 기기에 이용했을 때에 매우 유리하다.

정극에 효소가 고정화되는 경우, 이 효소는, 전형적으로는 산소를 환원하는 효소를 포함한다. 이 산소를 환원하는 효소로서는, 예를 들면 빌리루빈 옥시다아제, 락카아제, 아스코르빈산 옥시다아제 등을 이용할 수가 있다. 이 경우, 정극에는, 매우 적합하게는, 효소에 더하여 전자 미디에이터도 고정화된다. 전자 미디에이터로서는, 예를 들면, 헥사시아노철산{鐵酸} 칼륨, 옥타시아노텅스텐산 칼륨 등을 이용한다. 전자 미디에이터는, 매우 적합하게는, 충분히 고농도, 예를 들면 평균값으로 0.64×10^-6㏖/㎟ 이상 고정화한다.

프로톤 전도체로서는 갖가지의 것을 이용할 수가 있으며, 필요에 따라 선택되지만, 구체적으로는, 예를 들면 셀로판, 퍼플루오로카본 술폰산(PFS)계의 수지막, 트리플루오로스티렌 유도체의 공중합 막, 인산을 함침{含浸; impregnate}시킨 폴리벤즈 이미다졸막, 방향족 폴리에테르 케톤 술폰산 막, PSSA-PVA(폴리스티렌술폰산 폴리비닐 알콜 공중합체)나, PSSA-EVOH(폴리스티렌술폰산 에틸렌 비닐 알콜 공중합체), 함불소{含弗素; fluorine-containing} 카본 술폰산 기{基}를 가지는 이온 교환 수지(나피온(상품명, 미국 듀퐁사) 등) 등으로 이루어지는 것을 들 수 있다.

프로톤 전도체로서 완충액(완충 물질)을 포함하는 전해질을 이용하는 경우에는, 고출력 동작시에 충분한 완충능{緩衝能}을 얻을 수 있으며, 효소가 본래 갖고 있는 능력을 충분히 발휘할 수가 있도록 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 전해질에 포함되는 완충 물질의 농도를 0.2M 이상 2.5M 이하로 하는 것이 유효하고, 매우 적합하게는 0.2M 이상 2M 이하, 보다 매우 적합하게는 0.4M 이상 2M 이하, 더 매우 적합하게는 0.8M 이상 1.2M 이하로 한다. 완충 물질은, 일반적으로는, pK_a가 6이상 9이하의 것이면, 어떠한 것을 이용해도 좋지만, 구체예를 들면, 인산 2수소 이온(H₂PO₄ ^-), 2-아미노-2-히드록시메틸-1, 3-프로판디올(약칭{略稱} 트리스), 2-(N-모르포리노)에탄술폰산(MES), 카코딜산, 탄산(H₂CO₃), 구연산 수소 이온, N-(2-아세트아미드)이미노2초산(ADA), 피페라진-N, N′-비스(2-에탄술폰산)(PIPES), N-(2-아세트아미드)-2-아미노에탄술폰산(ACES), 3-(N-모르포리노)프로판술폰산(MOPS), N-2-히드록시에틸피페라진-N′-2-에탄술폰산(HEPES), N-2-히드록시에틸피페라진-N′-3-프로판술폰산(HEPPS), N-[트리스(히드록시메틸) 메틸]글리신(약칭 트리신), 글리실글리신, N, N-비스(2-히드록시에틸)글리신(약칭 비신) 등이다. 인산 2수소 이온(H₂PO₄ ^-)을 생성하는 물질은, 예를 들면 인산 2수소 나트륨(NaH₂PO₄)이나 인산 2수소 칼륨(KH₂PO₄) 등이다. 완충 물질로서는 이미다졸고리{環}를 포함하는 화합물도 바람직하다. 이미다졸고리를 포함하는 화합물은, 구체적으로는, 이미다졸, 트리아졸, 피리딘 유도체, 비피리진 유도체, 이미다졸 유도체(히스티딘, 1-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 4-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 이미다졸-2-카르본산 에틸, 이미다졸-2-카르복시알데히드, 이미다졸-4-카르본산, 이미다졸-4, 5-디카르본산, 이미다졸-1-일{yl}-초산, 2-아세틸벤즈이미다졸, 1-아세틸이미다졸, N-아세틸이미다졸, 2-아미노벤즈이미다졸, N-(3-아미노프로필)이미다졸, 5-아미노-2-(트리플루오로메틸)벤즈이미다졸, 4-아자벤즈이미다졸, 4-아자-2-메르캅토벤즈이미다졸, 벤즈이미다졸, 1-벤질이미다졸, 1-부틸이미다졸) 등이다. 필요에 따라, 이들 완충 물질에 더하여, 예를 들면 염산(HCl), 초산(CH₃COOH), 인산(H₃PO₄) 및 황산{硫酸}(H₂SO₄)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 산을 중화제로서 더해도 좋다. 이렇게 함으로써, 효소의 활성을 보다 높게 유지{維持}할 수가 있다. 완충 물질을 포함하는 전해질의 pH는, 매우 적합하게는 7 부근이지만, 일반적으로는 1∼14의 어느 것이더라도 좋다.

정극 및 부극의 전극 재료로서는 각종의 것을 이용할 수가 있지만, 예를 들면 다공질 카본, 카본 펠릿, 카본 펠트, 카본 페이퍼 등의 카본계 재료가 이용된다. 전극의 재료로서는, 다공체 재료로 이루어지는 골격과, 이 골격의 적어도 일부의 표면을 피복하는, 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료를 포함하는 다공체 도전 재료를 이용할 수도 있다. 이 다공체 도전 재료는, 다공체 재료로 이루어지는 골격의 적어도 일부의 표면에, 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료를 코팅하는 것에 의해 얻을 수가 있다. 이 다공체 도전 재료의 골격을 구성하는 다공체 재료는, 다공율이 높아도 골격을 안정하게 유지할 수 있는 것이면, 기본적으로는 어떠한 것이더라도 좋고, 도전성의 유무도 불문한다. 다공체 재료로서는, 매우 적합하게는, 고다공율 및 고도전성을 가지는 재료가 이용된다. 이와 같은 고다공율 및 고도전성을 가지는 다공체 재료로서는, 구체적으로는, 금속 재료(금속 또는 합금)나 골격을 강고{强固}하게 한(무름{脆; brittleness}을 개선한) 카본계 재료 등을 이용할 수가 있다. 다공체 재료로서 금속 재료를 이용하는 경우, 금속 재료는 용액의 pH나 전위{電位} 등의 사용 환경과의 균형{兼合}에 의해 상태 안정성이 다르기 때문에 여러가지 선택사항{選擇肢; choices}이 생각되지만, 예를 들면 니켈, 구리, 은, 금, 니켈-크롬 합금, 스테인리스강 등의 발포 금속 혹은 발포 합금은 입수하기 쉬운 재료의 하나이다. 다공체 재료로서는, 상기의 금속 재료나 카본계 재료 이외에 수지 재료(예를 들면, 스펀지모양의 것)를 이용할 수도 있다. 이 다공체 재료의 다공율 및 구멍지름{孔徑}(구멍의 최소 지름)은, 이 다공체 재료로 이루어지는 골격의 표면에 코팅하는, 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료의 두께와의 균형으로, 다공체 도전 재료에 요구되는 다공율 및 구멍지름에 따라 결정된다. 이 다공체 재료의 구멍지름은 일반적으로는 10㎚∼1㎜, 전형적으로는 10㎚∼600㎛이다. 한편, 골격의 표면을 피복하는 재료는, 도전성을 가지고, 상정되는 작동 전위에 있어서 안정한 것을 이용할 필요가 있다. 여기에서는, 이와 같은 재료로서 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료를 이용한다. 카본계 재료는 일반적으로 전위 창이 넓고, 게다가 화학적으로 안정한 것이 많다. 이 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료는, 구체적으로는, 카본계 재료만으로 이루어지는 것과, 카본계 재료를 주성분으로 하고, 다공체 도전 재료에 요구되는 특성 등에 따라 선택되는 부{副}재료를 미량 포함하는 재료가 있다. 후자의 재료의 구체예를 들면, 카본계 재료에 금속 등의 고도전성 재료를 첨가하는 것에 의해 전기 전도성을 향상시킨 재료나, 카본계 재료에 폴리테트라플루오로에틸렌계 재료 등을 첨가하는 것에 의해 표면 발수성{撥水性; water repellency}을 부여하는 등, 도전성 이외의 기능을 부여한 재료이다. 카본계 재료에도 여러가지 종류가 존재하지만, 어떠한 카본계 재료이더라도 좋고, 카본 단체{單體} 외에, 카본에 다른 원소를 첨가한 것이더라도 좋다. 이 카본계 재료는, 특히 고도전성·고표면적을 가지는 미세 분말 카본 재료가 바람직하다. 이 카본계 재료로서는, 구체적으로는, 예를 들면 KB(켓첸블랙) 등의 고도전성을 부여한 것이나, 카본 나노튜브, 풀러렌 등의 기능성 카본 재료 등을 이용할 수가 있다. 이 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료의 코팅 방법은, 필요에 따라 적당한 결착제{結着劑}를 이용하는 등 해서 다공체 재료로 이루어지는 골격의 표면에 코팅가능하면, 어떠한 코팅 방법을 이용해도 좋다. 이 다공체 도전 재료의 구멍지름은, 그 구멍을 통해서 기질 등을 포함하는 용액이 용이하게 출입{드나듦}가능한 정도의 크기로 선택되며, 일반적으로는 9㎚∼1㎜, 혹은 1㎛∼1㎜, 혹은1∼600㎛이다. 다공체 재료로 이루어지는 골격의 적어도 일부의 표면이 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료에 의해 피복된 상태, 혹은 다공질 재료로 이루어지는 골격의 적어도 일부의 표면을 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료에 의해 코팅한 상태에서는, 구멍이 모두 서로 연통{連通}하고, 혹은 카본계 재료를 주성분으로 하는 재료에 의한 막힘{目詰; plugging}이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이 연료 전지의 전체 구성은 필요에 따라 선택되지만, 예를 들면 코인형 또는 버튼형의 구성으로 하는 경우에는, 매우 적합하게는, 산화제가 투과가능한 구조를 가지는 정극 집전체와 연료가 투과가능한 구조를 가지는 부극 집전체 사이에 형성된 공간의 내부에, 정극, 전해질 및 부극이 수납된 구조로 한다. 이 경우, 전형적으로는, 정극 집전체 및 부극 집전체의 한쪽의 가장자리{緣; edge}가 절연성의 밀봉 부재를 거쳐서 정극 집전체 및 부극 집전체의 다른쪽에 대해서 스웨이징{swaging}됨으로써, 정극, 전해질 및 부극을 수납하는 공간이 형성되지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 가공 방법에 의해 이 공간을 형성해도 좋다. 정극 집전체와 부극 집전체는 절연성의 밀봉 부재에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 이 절연성의 밀봉 부재로서는, 전형적으로는, 실리콘 고무 등의 각종 탄성체로 이루어지는 개스킷이 이용되지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 이들 정극 집전체 및 부극 집전체의 평면 형상은 필요에 따라 선택할 수가 있지만, 예를 들면 원형, 타원형, 사각형, 육각형 등이다. 전형적으로는, 정극 집전체는 1개 또는 복수의 산화제 공급구를 가지고, 부극 집전체는 1개 또는 복수의 연료 공급구를 가지지만, 반드시 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 정극 집전체의 재료로서 산화제가 투과가능한 것을 이용하거나 하는 것에 의해 산화제 공급구를 형성하지 않아도 좋고, 부극 집전체의 재료로서 연료가 투과가능한 것을 이용하거나 하는 것에 의해 연료 공급구를 형성하지 않아도 좋다. 부극 집전체는, 전형적으로는, 연료 보존유지부{保持部; holding portion}를 가진다. 이 연료 보존유지부는 부극 집전체와 일체로 설치해도 좋으며, 부극 집전체에 대해서 떼고 붙임이 자유롭게{着脫自在} 설치해도 좋다. 연료 보존유지부는, 전형적으로는, 밀폐용 뚜껑{蓋}을 가진다. 이 경우, 이 뚜껑을 떼어내고{벗기고} 연료 보존유지부에 연료를 주입{注入}할 수가 있다. 밀폐용 뚜껑을 이용하지 않고, 연료 보존유지부의 측면 등으로부터 연료를 주입하도록 해도 좋다. 연료 보존유지부를 부극 집전체에 대해서 떼고 붙임이 자유롭게 설치하는 경우에는, 예를 들면 연료 보존유지부로서, 미리 연료가 충전{充塡}된 연료 탱크나 연료 카트리지 등을 부착{取付; attach}해도 좋다. 이들 연료 탱크나 연료 카트리지는, 1회용형{使捨形; single-use type}이더라도 좋지만, 자원의 유효 이용을 도모하는 관점에서, 연료를 충전할 수 있는 것이 바람직하다. 또, 사용이 끝난{使用劑} 연료 탱크나 연료 카트리지를 연료가 충전된 연료 탱크나 연료 카트리지와 교환해도 좋다. 또, 예를 들면 연료 보존유지부를 연료의 공급구 및 배출구를 가지는 밀폐 용기모양으로 형성하고, 이 공급구를 거쳐서 외부로부터 연료를 밀폐 용기 내로 연속적으로 공급함으로써 연료 전지의 연속 사용이 가능하다. 혹은, 연료 전지에 연료 보존유지부를 설치하지 않고, 개방계{開放系}의 연료 탱크에 넣어진 연료 위에 연료 전지를 부극 측이 아래로, 정극측이 위로 되도록 해서 띄운 상태로 사용해도 좋다.

이 연료 전지는, 소정의 중심축 주위에, 부극, 전해질, 정극 및 산화제가 투과가능한 구조를 가지는 정극 집전체가 순차 설치되어 있으며, 연료가 투과가능한 구조를 가지는 부극 집전체가 부극과 전기적으로 접속되어 설치되어 있는 구조로 해도 좋다. 이 연료 전지에서, 부극은, 단면 형상{斷面形狀}이 원, 타원, 다각형 등의 통모양[筒狀}이더라도 좋으며, 단면 형상이 원, 타원, 다각형 등의 기둥모양{柱狀}이더라도 좋다. 부극이 통모양인 경우, 부극 집전체는, 예를 들면 부극의 내주면 측에 설치해도 좋고, 부극과 전해질과의 사이에 설치해도 좋고, 부극의 적어도 일단면{一端面}에 설치해도 좋고, 또 이들의 2개소 이상에 설치해도 좋다. 또, 부극을 연료를 보존유지할 수 있도록 구성하고, 예를 들면 부극을 다공질 재료에 의해 형성하고, 이 부극에 연료 보존유지부를 겸용시키도록 해도 좋다. 혹은, 소정의 중심축 위에 기둥모양의 연료 보존유지부를 설치해도 좋다. 이 연료 보존유지부는, 예를 들면 부극 집전체가 부극의 내주면 측에 설치되는 경우, 이 부극 집전체에 의해 둘러싸이는 공간 그 자체이더라도 좋으며, 이 공간내에 부극 집전체와는 별도로 설치되는 연료 탱크나 연료 카트리지 등의 용기이더라도 좋고, 이 용기는 떼고 붙임이 자유로워도 고정된 것이라도 좋다. 연료 보존유지부는, 예를 들면 원기둥모양, 타원 기둥모양, 사각형, 육각형 등의 다각 기둥모양 등이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 전해질은, 부극 및 부극 집전체 전체를 싸서 안에 넣{包入; enveloping}도록 봉지모양{袋狀; bag-shaped}의 용기로 형성하도록 해도 좋다. 이렇게 함으로써, 연료 보존유지부에 연료를 가득 넣은 경우, 이 연료를 부극 전체와 접촉시킬 수가 있다. 이 용기 중의 적어도 정극과 부극 사이에 협지{挾; sandwich}된 부분을 전해질에 의해 형성하며, 그 밖의 부분은 이 전해질과 다른 재료에 의해 형성하도록 해도 좋다. 이 용기를 연료의 공급구 및 배출구를 가지는 밀폐 용기로 하며, 이 공급구를 거쳐서 외부로부터 연료를 용기 내에 연속적으로 공급하는 것에 의해 연료 전지의 연속 사용이 가능하다. 부극으로서는, 매우 적합하게는, 내부에 연료를 충분히 축적{蓄; store}할 수 있도록 하기 위해서, 공극율{空隙率; porosity}이 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 공극율이 60% 이상인 것이 바람직하다.

정극 및 부극으로서 펠릿 전극을 이용할 수도 있다. 이 펠릿 전극은, 카본계 재료(특히, 고도전성·고표면적을 가지는 미세 분말 카본 재료가 바람직하다), 구체적으로는, 예를 들면 KB(켓첸블랙) 등의 고도전성을 부여한 것이나, 카본 나노튜브, 풀러렌 등의 기능성 카본 재료 등과, 필요에 따라 바인더, 예를 들면 폴리불화 비닐리덴과, 상술한 효소의 분말(혹은 효소 용액), 보효소의 분말(혹은 보효소 용액), 전자 미디에이터의 분말(혹은 전자 미디에이터 용액), 고정화용 폴리머의 분말(혹은 폴리머 용액) 등을, 마노 유발{瑪瑙乳鉢; agate mortar} 등으로 혼합하고, 적당히 건조시킨 것을 소정의 형상으로 프레스 가공하는 것 등에 의해 형성할 수가 있다. 이 펠릿 전극의 두께(전극 두께)도 필요에 따라 결정되지만, 1예를 들면 50㎛ 정도이다. 예를 들면, 코인형의 연료 전지를 제조하는 경우에는, 상기의 펠릿 전극 형성용 재료를 정제{錠劑} 제조기에 의해 원형의 형상(직경의 1예를 들면 15㎜이지만, 직경은 이것에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 결정된다)으로 프레스 가공하는 것에 의해 펠릿 전극을 형성할 수가 있다. 이 펠릿 전극을 형성하는 경우, 필요한 전극 두께로 하기 위해서는, 예를 들면 펠릿 전극 형성용 재료에 차지하는 카본량이나 프레스압 등을 제어한다. 코인형의 전지 캔에 정극 또는 부극을 삽입하는 경우, 예를 들면 이들 정극 또는 부극과 전지 캔과의 사이에 금속 메시 스페이서를 삽입함으로써 그들의 전기적 접촉을 취하는 것이 바람직하다.

펠릿 전극의 제조 방법으로서는, 상기의 방법 이외에, 예를 들면 카본계 재료와, 필요에 따라 바인더와, 효소 고정화 성분(효소, 보효소, 전자 미디에이터, 폴리머 등)의 혼합 용액(수계{水系; aqueous} 혹은 유기 용매 혼합 용액)을 집전체 등에 적당히 도포하고, 건조시키며, 전체를 프레스 가공한 후, 원하는 전극 사이즈로 잘라나누{切分; cutting}도록 해도 좋다.

이 연료 전지는 대략 전력이 필요한 것 모두에 이용할 수가 있으며, 크기도 불문하지만, 예를 들면 전자 기기, 이동체(자동차, 이륜차, 항공기, 로켓, 우주선 등), 동력 장치, 건설 기계, 공작 기계, 발전 시스템, 코제너레이션(cogeneration) 시스템 등에 이용할 수가 있고, 용도 등에 의해서 출력, 크기, 형상, 연료의 종류 등이 결정된다.

제3 발명은,

1개 또는 복수의 연료 전지를 이용하고,

적어도 1개의 상기 연료 전지가,

정극과 부극이 프로톤 전도체를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소를 이용해서 연료로부터 전자를 취출하도록 구성되고,

적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 것인 전자 기기이다.

이 전자 기기는, 기본적으로는 어떠한 것이더라도 좋고, 휴대형의 것과 거치형{据置型}의 것과의 쌍방을 포함하지만, 구체예를 들면 휴대 전화, 모바일 기기(휴대 정보 단말기(PDA) 등), 로봇, 퍼스널 컴퓨터(데스크탑형, 노트북형의 쌍방을 포함한다), 게임 기기, 카메라 일체형 VTR(비디오 테이프 레코더), 차재{車載; vehicle-mounted} 기기, 가정 전기 제품, 공업 제품 등이다.

제3 발명에서는, 그 성질에 반{反}하지 않는 한, 제1 및 제2 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.

제4 발명은,

적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입된 리포솜이 고정화되어 있는 효소 고정화 전극이다.

제4 발명에서는, 그 성질에 반하지 않는 이한, 제1 및 제2 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.

제5 발명은,

효소 및 보효소를 이용하고,

적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 바이오센서이다.

제6 발명은,

효소 및 보효소를 이용하고,

적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 바이오리액터이다.

제7 발명은,

적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입된 리포솜을 이용한 에너지 변환 소자이다.

여기서, 이 에너지 변환 소자는, 연료 또는 기질이 갖는 화학에너지를 효소 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 소자이며, 상기의 연료 전지, 즉 바이오 연료 전지는 이 에너지 변환 소자의 1종이다.

제8 발명은,

효소 및 보효소를 이용하고,

적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 효소 반응 이용 장치이다.

이 효소 반응 이용 장치에는, 상기의 연료 전지, 즉 바이오 연료 전지외에, 바이오센서(글루코오스 센서 등), 바이오리액터 등이 포함되고, 효소로서는 개개가 목적에 따른 것이 이용된다.

제5∼제8 발명에서는, 상기 이외의 것에 대해서는, 그 성질에 반하지 않는 한, 제1 및 제2 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에서는, 효소 반응에 관여하는 적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 고활성을 보존한 채로 리포솜에 봉입되므로, 이 리포솜 내부의 미소한 공간을 반응장으로 해서 효율적으로 효소 반응이 행해지고, 연료 또는 기질로부터 효율적으로 전자를 취출할 수가 있다. 이 경우, 이 리포솜의 내부에 봉입된 효소 및 보효소의 농도는 지극히 높고, 따라서 효소 및 보효소의 상호 간격은 지극히 작기 때문에, 이들 효소 및 보효소에 의한 촉매 사이클은 지극히 고속으로 진행하고, 효소 반응이 고속으로 진행한다. 그리고, 이 리포솜을 부극 또는 전극에 고정화하는 것에 의해, 이 리포솜의 내부에 봉입된 효소 및 보효소를 이 리포솜을 거쳐서 부극 또는 전극에 용이하게 고정화할 수 있으므로, 연료 또는 기질로부터 취출된 전자를 확실하게 부극 또는 전극에 주고받을{受渡; pass} 수가 있다. 이 경우, 리포솜의 고정은, 효소나 보효소를 폴리이온 콤플렉스 등에 의해 고정화하는 경우에 비해서 간단하게 행할 수가 있다.

본 발명에 의하면, 효소 및 보효소가 봉입된 리포솜 내부의 미소한 공간을 반응장으로 해서 효소 반응을 행할 수 있는 것에 의해 연료 또는 기질로부터 효율적으로 전자를 취출해서 전기 에너지를 발생시킬 수가 있으며, 게다가 이들 효소 및 보효소의 전극에의 고정화도 용이한 고효율의 연료 전지를 실현할 수가 있다. 그리고, 이와 같이 고효율의 연료 전지를 이용하는 것에 의해, 고성능의 전자 기기 등을 실현할 수가 있다. 또, 마찬가지로 고효율의 바이오센서, 바이오리액터, 에너지 변환 소자 및 효소 반응 이용 장치를 실현할 수가 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 도시하는 약선도{略線圖; schematic diagram},
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 효소 고정화 전극에서 이용되는 효소 및 보효소가 봉입된 리포솜을 도시하는 약선도,
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 효소 고정화 전극에서 리포솜에 봉입된 효소군 및 보효소에 의한 전자의 주고받음 반응{受渡反應; passing reaction}을 모식적으로 도시하는 약선도,
도 4는, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한{fluorescence-labeled} 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜의 형광 현미경 상{像}을 도시하는 도면 대용 사진,
도 5는, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜의 형광 현미경 상을 도시하는 도면 대용 사진,
도 6은, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜의 형광 현미경 상을 도시하는 도면 대용 사진,
도 7은, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜을 형광 모니터링 한 결과를 도시하는 약선도,
도 8은, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜을 형광 모니터링 한 결과를 도시하는 약선도,
도 9는, 본 발명의 실시예에서 형광 라벨화한 알콜 디히드로게나아제, 형광 라벨화한 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜을 형광 모니터링 한 결과를 도시하는 약선도,
도 10은, 본 발명의 실시예에서 리포솜의 안정성을 설명하기 위한 약선도,
도 11은, 본 발명의 실시예에서 알콜 디히드로게나아제, 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜을 소정의 용액 중에 분산시킨 경우 및 알콜 디히드로게나아제, 디아포라아제 및 NADH를 단지 소정의 용액 중에 분산시킨 경우에 행한 크로노암페로메트리{chronoamperometry}의 결과를 도시하는 약선도,
도 12는, 본 발명의 실시예에서 알콜 디히드로게나아제, 디아포라아제 및 NADH를 봉입한 리포솜을 완충액 중에 분산시킨 상태를 도시하는 약선도,
도 13은, 본 발명의 실시예에서 알콜 디히드로게나아제, 디아포라아제 및 NADH를 단지 완충액 중에 분산시킨 상태를 도시하는 약선도,
도 14는, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 도시하는 약선도,
도 15는, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극에서 이용되는 효소 및 보효소가 봉입되고, 트랜스포터가 짜넣어진 리포솜을 도시하는 약선도,
도 16은, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극에서 리포솜에 봉입된 효소군 및 보효소에 의한 전자의 주고받음 반응을 모식적으로 도시하는 약선도,
도 17은, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 바이오 연료 전지를 도시하는 약선도,
도 18은, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 부극의 구성의 상세 및 이 부극에 고정화된 리포솜에 봉입된 효소군 및 보효소의 1예 및 이 효소군 및 보효소에 의한 전자의 주고받음 반응을 모식적으로 도시하는 약선도,
도 19는, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 구체적인 구성예를 도시하는 약선도,
도 20은, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지를 도시하는 상면도, 단면도 및 이면도,
도 21은, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지를 도시하는 분해 사시도,
도 22는, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 약선도,
도 23은, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 사용 방법의 제1 예를 설명하기 위한 약선도,
도 24는, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 사용 방법의 제2 예를 설명하기 위한 약선도,
도 25는, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지의 사용 방법의 제3 예를 설명하기 위한 약선도,
도 26은, 본 발명의 제6 실시형태에 의한 바이오 연료 전지 및 그 사용 방법을 도시하는 약선도,
도 27은, 본 발명의 제7 실시형태에 의한 바이오 연료 전지를 도시하는 정면도 및 종단면도,
도 28은, 본 발명의 제7 실시형태에 의한 바이오 연료 전지를 도시하는 분해 사시도,
도 29는, 본 발명의 제8 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에서 부극의 전극 재료에 이용하는 다공체 도전 재료의 구조를 설명하기 위한 약선도 및 단면도,
도 30은, 본 발명의 제8 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에서 부극의 전극 재료에 이용하는 다공체 도전 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 약선도,
도 31은, 본 발명의 제9 실시형태에 의한 바이오리액터를 도시하는 약선도.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 실시형태의 모든 도면에서, 동일 또는 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙인{付}다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 도시한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 이 효소 고정화 전극에서는, 다공질 카본 등으로 이루어지는 전극(11)의 표면에 인지질 등의 지질 이중층으로 이루어지는 리포솜(12)이 물리 흡착 등에 의해 고정화되어 있다. 이 리포솜(12) 내부의 수상에, 목적으로 하는 효소 반응에 관여하는 적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입된다. 도 2에 이 리포솜(12)의 구조의 상세를 도시한다. 도 2에서는, 리포솜(12) 내부의 수상(12a)에, 2종류의 효소(13, 14) 및 1종류의 보효소(15)가 봉입되어 있지만, 봉입되는 효소 및 보효소의 종류는 적당히 선택되며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 효소(13)는 연료의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소, 효소(14)는 이 연료의 산화에 수반해서 환원된 보효소(15)를 산화체로 되돌림과 동시에 전자 미디에이터를 거쳐서 전자를 전극(11)에 건네주는 보효소 산화 효소이다. 이 리포솜(12) 내부의 수상(12a)에는, 이들 효소(13, 14) 및 보효소(15) 이외에, 예를 들면 전자 미디에이터를 봉입해도 좋다. 이 전자 미디에이터는, 리포솜(12)과 함께 전극(11) 위에 고정화해도 좋다.

이 효소 고정화 전극은, 예를 들면 효소(13, 14) 및 보효소(15)가 봉입된 리포솜(12)을 제작한 후, 이 리포솜(12)을 전극(11) 위에 고정화하는 것에 의해 제조할 수가 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들면, 효소(13)를 포함하는 완충 용액, 효소(14)를 포함하는 완충 용액, 보효소(15)를 포함하는 완충 용액 및 리포솜(12)(내부에 효소(13, 14) 및 보효소(15)가 봉입되어 있지 않은 것)을 포함하는 완충 용액을 각각 제작하고, 이들 완충 용액을 혼합한 후, 이 혼합 용액을 겔 여과 컬럼{gel filtration column}을 통과시키거나 하는 것 등에 의해 리포솜(12) 외의 효소(13, 14) 및 보효소(15)를 제거{除去; remove}한다.

도 3에 이 효소 고정화 전극에서의 효소, 보효소 및 전자 미디에이터에 의한 전자의 주고받음 반응의 1예를 모식적으로 도시한다. 이 예에서는, 에틸 알코올(EtOH)의 분해에 관여하는 효소가 알콜 디히드로게나아제(ADH), 에틸 알코올의 분해 프로세스에서의 산화 반응에 수반해서 환원체가 생성되는 보효소가 NAD⁺, 보효소의 환원체인 NADH를 산화하는 보효소 산화 효소가 디아포라아제(DI)이며, 보효소 산화 효소로부터 보효소의 산화에 수반해서 생기는 전자를 전자 미디에이터가 수취해서 전극(11)에 건네준다. 이 경우, 에틸 알코올은, 리포솜(12)을 구성하는 지질 이중층을 투과해서 리포솜(12)의 내부로 들어가며, 알콜 디히드로게나아제에 의한 이 에틸 알코올의 분해에 의해 아세트알데히드가 생성되고, 이 아세트알데히드가 리포솜(12)의 외부로 나온다. 전자 미디에이터는, 리포솜(12)을 구성하는 지질 이중층을 출입해서{드나들어서} 전자 전달을 행한다.

실시예에 대해서 설명한다.

디아포라아제(DI) (EC 1.8. 1.4, 아마노(天野) 엔자임{Amano Enzyme Inc.}제)를 5㎎ 칭량{秤量}하고, 완충 용액(10mM 인산 완충액, pH7) 1mL에 용해시키고, DI 효소 완충 용액(1)로 했다.

알콜 디히드로게나아제(ADH) (NAD 의존형, EC 1.1. 1.1, 아마노 엔자임제)를 5㎎ 칭량하고, 완충 용액(10mM 인산 완충액, pH7) 1mL에 용해시키고, ADH 효소 완충 용액(2)로 했다.

상기의 효소를 용해시키는 완충 용액은 직전까지 냉장되어 있던 것이 바람직하고, 효소 완충 용액도 가능한 한 냉장 보존해 두는 것이 바람직하다.

NADH(시그마알드리치{Sigma-Aldrich Corporation}제, N-8129)를 35㎎ 칭량하고, 완충 용액(10mM 인산 완충액, pH7) 1mL에 용해시키고, NADH 완충 용액(3)으로 했다.

2, 3-디메톡시-5-메틸-1, 4-벤조퀴논(Q0)을 15∼300㎎ 칭량하고, 완충 용액(10mM 인산 완충액, pH7) 1mL에 용해시키고, Q0 완충 용액(4)로 했다.

난황{卵黃} 레시틴(Wako제)을 100㎎ 칭량하고, 완충 용액(10mM 인산 완충액, pH7) 10mL에 용해시켜서 호모지나이저로 균일화하고, 리포솜 완충 용액(5)로 했다.

상기와 같이 해서 제작한 각종 용액을, 하기에 나타내는 양씩 채취해서 혼합하고, 동결 융해를 3번 반복했다.

DI 효소 완충 용액(1): 50μL

ADH 효소 완충 용액(2): 50μL

NADH 완충 용액(3): 50μL

리포솜 완충 용액(5): 50μL

상기의 혼합 용액을 겔 여과 컬럼을 통과시키고, 리포솜 외의 효소 및 NADH를 제거한다. 여기서 얻은 리포솜 용액을 ADH, DI, NADH 봉입 리포솜 용액(6)으로 했다.

도 4, 도 5 및 도 6은, 시아닌 색소 Cy2로 형광 라벨화한 ADH, 시아닌 색소 Cy3으로 형광 라벨화한 DI 및 NADH를 봉입한 리포솜의 형광 현미경 사진이다. 도 4, 도 5 및 도 6에서, Ex(Excitation)는 여기{勵起}광을 나타내고, Ex의 오른쪽에 기재되어 있는 파장을 가지며, DM(Dichroic mirror)는 여기광과 형광을 분리하는 미러를 나타내고, DM의 오른쪽에 기재되어 있는 파장 이상의 광만을 투과하며, BA(Barrier filter)는 형광과 산란광을 분리하는 필터를 나타내고, BA의 오른쪽에 기재되어 있는 파장 이상의 광을 투과한다. 이 형광 현미경에서는, 여기광에 의해 색소를 여기하고, 그것에 의해서 얻어지는 광을 DM 및 BA를 순차 통과시켜 불필요한 광을 제거하며, 색소로부터의 형광만을 검출한다. 도 4는 파장 450∼490㎚의 여기광으로 Cy2를 여기해서 형광을 발생시킨 것으로 ADH의 분포를 도시한다. 도 5는 파장 510∼560㎚의 여기광으로 Cy3를 여기해서 형광을 발생시킨 것으로 DI의 분포를 도시한다. 도 6은 파장 380∼420㎚의 여기광으로 NADH를 여기해서 형광을 발생시킨 것으로 NADH의 분포를 도시한다.

도 4, 도 5 및 도 6으로부터, 리포솜의 직경은 평균 4.6㎛, 표준 편차는 2.0㎛였다. 단, 리포솜의 평균 직경은, 도 4, 도 5 및 도 6중의 30개의 리포솜의 직경을 측정하며, 그들의 평균을 취하는 것에 의해 구했다.

도 7, 도 8 및 도 9는, Cy2로 형광 라벨화한 ADH, Cy3으로 형광 라벨화한 DI 및 NADH를 봉입한 리포솜을 형광 모니터링한 결과를 도시하는 그래프이며, 도 7은 Cy2로 형광 라벨화한 ADH로부터의 형광 강도{强度}, 도 8은 Cy3으로 형광 라벨화한 DI로부터의 형광 강도, 도 9는 NADH로부터의 형광 강도를 도시한다. 도 7, 도 8 및 도 9에서, Em(Emission)는 여기광 Ex에 의해 색소를 여기했을 때에 방출되는 광을 나타내며, Em의 오른쪽에 기재되어 있는 파장을 가지고, Ex의 파장 및 Em의 파장의 오른쪽 괄호내의 수치는 반값폭{半値幅}이다. 도 7, 도 8 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 어느 경우도, 에틸 알코올 농도 100mM까지 형광 강도는 변화하지 않았다. 다시 말해, 적어도 에틸 알코올 농도 100mM까지는 리포솜은 안정하며, 리포솜 내부에 ADH, DI 및 NADH가 확실히 봉입되어 있는 것을 알 수 있었다. 또, 계면 활성제인 0.3% TritonX를 첨가했더니, 형광 강도가 증가했다. 이것은, 0.3% TritonX에 의해 리포솜이 파괴되고, 내부의 ADH, DI 및 NADH가 리포솜 밖으로 방출되고, 형광 강도가 증가한 것을 의미한다. 이 때의 모습{樣子; state}을 NADH를 예로 취해서 도 10에 도시한다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 리포솜의 내부에 NADH가 봉입되어 있던 상태에서는 NADH에 의한 형광 강도는 낮지만, 리포솜이 파괴되고, 내부에 봉입되어 있던 NADH가 리포솜의 외부로 방출되면 NADH에 의한 형광 강도가 증가한다.

이렇게 해서 얻은 ADH, DI 및 NADH 봉입 리포솜 용액(6)과 Q0 완충 용액(4)을 혼합해서 총체적{總體積} 100μL의 측정 용액을 제작하고, 카본 펠트를 작용 전극으로 하고, 참조 전극 Ag｜AgCl에 대해서, 0.3V로 전자 미디에이터의 산화 환원 전위보다 충분히 높은 전위로 설정하며, 용액 교반{攪拌; agitation} 하에서 크로노암페로메트리를 행했다. 크로노암페로메트리 중{中; during}에 측정 용액에, 에틸 알코올이 종농도{終濃度; final concentration} 1, 10, 100mM으로 되도록 첨가한 것을 순차 첨가했다.

ADH, DI 및 NADH 봉입 리포솜을 포함하는 상기 측정 용액에 상술한 바와 같이 해서 에틸 알코올을 첨가했을 때의 크로노암페로메트리의 결과를 도 11의 곡선(a)에 나타낸다. 이 곡선(a)로부터 분명한 바와 같이, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입한 경우에는 에틸 알코올 유래{由來}의 촉매 전류가 관찰되며, 에틸 알코올의 농도가 높아짐에 따라서 촉매 전류는 증가한다. 즉, 인공 세포인 ADH, DI 및 NADH 봉입 리포솜에 의한 전기 화학적 촉매 활성이 관찰되었다. 한편, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입한 경우와 같은 양의 ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입하지 않고, 단지 Q0 완충 용액(4) 중에 분산시킨 경우에 대해서, 상기와 마찬가지로 해서 크로노암페로메트리를 행했다. 그 결과를 도 11의 곡선(b)에 나타낸다. 이 곡선(b)로부터 분명한 바와 같이, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입하지 않고, 단지 Q0 완충 용액(4) 중에 분산시킨 경우에는 에틸 알코올 유래의 촉매 전류는 거의 관측되지 않는다. 예를 들면, 에틸 알코올의 농도가 100mM인 경우에서 비교하면, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입하지 않고, 단지 Q0 완충 용액(4) 중에 분산시킨 경우에 얻어지는 촉매 전류는, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입한 경우에 얻어지는 촉매 전류의 약 30분의 1 정도에 불과하다. 이것으로부터, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입한 경우에는, 봉입하지 않는 경우에 비해서 훨씬 높은 촉매 전류를 얻을 수 있는 것이 분명하다.

이와 같이, ADH, DI 및 NADH를 리포솜에 봉입한 경우에는, 봉입하지 않는 경우에 비해서 훨씬 높은 촉매 전류를 얻을 수 있는 이유에 대해서 설명한다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 리포솜(12) 내에 ADH(가로선{橫線}을 그은 ○로 나타낸다), DI(세로선{縱線}을 그은 ○로 나타낸다) 및 NADH(공백의 ○로 나타낸다)를 봉입한 것이 완충액 S 중에 정방 격자모양으로 배열되어 있는 경우를 생각한다. 한편, 도 13에 도시하는 바와 같이, 도 12에 도시하는 것과 같은{同} 체적의 완충액 S 중에, 도 12에 도시하는 것과 같은 양의 ADH(가로선을 그은 ○로 나타낸다), DI(세로선을 그은 ○로 나타낸다) 및 NADH(공백의 ○로 나타낸다)가 육방 격자모양으로 배열되어 있는 경우를 생각한다. 완충액 S의 체적은 예를 들면 100μL, 리포솜(12) 내부의 체적은 예를 들면 약 0.17μL이다. 단, 리포솜(12)의 지질 이중층을 구성하는 인지질은 완충액 S 중에 5.5×10^-3μ㏖ 존재하며, 리포솜(12) 내부의 체적의 합계는 리포솜 1μ㏖당{當} 환산하면 30μL/μ㏖이다. 도 13에 도시하는 바와 같이 ADH, DI 및 NADH가 완충액 S 중에 단지 분산되어 있는 경우에 있어서의 ADH, DI 및 NADH의 농도에 비해서, 도 12에 도시하는 바와 같이 리포솜(12)내에 ADH, DI 및 NADH가 봉입되어 있는 경우에 있어서의 이들 ADH, DI 및 NADH의 국소적인 농도는 약 600배나 높다. 즉, 리포솜(12)내에 ADH, DI 및 NADH를 봉입하는 것에 의해, 이들 ADH, DI 및 NADH의 농도를 현저히 높게 할 수 있으며, 이들 ADH, DI 및 NADH의 상호의 간격을 지극히 작게 할 수가 있다. 이 때문에, 리포솜(12)내에서는, ADH, DI 및 NADH에 의한 촉매 사이클이 지극히 고속으로 진행하고, 도 11에 도시하는 바와 같은 결과가 얻어진다.

이상과 같이, 이 제1 실시형태에 의하면, 리포솜(12)의 내부에 효소 반응에 필요한 효소 및 보효소를 봉입하고, 이 리포솜(12)을 전극(11) 위에 고정화하고 있다. 이 때문에, 효소 반응을 리포솜(12) 내부의 미소한 공간을 반응장으로 해서 효율적으로 행할 수 있으며, 기질로부터 효율적으로 전자를 취출하고, 전극(11)에 주고받을 수가 있다. 또, 효소 등을 폴리이온 콤플렉스 등에 의해 전극(11) 위에 직접 고정화하는 경우에 비해서 고정화를 간단하게 행할 수가 있다.

도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 도시한다.

도 14에 도시하는 바와 같이, 이 효소 고정화 전극에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로, 전극(11) 위에 리포솜(12)이 물리 흡착 등에 의해 고정화되고, 이 리포솜(12) 내부의 수상에, 목적으로 하는 효소 반응에 관여하는 적어도 1종류의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입되어 있는 것에 더하여, 이 리포솜(12)을 구성하는 지질 이중층에 트랜스포터(16)가 짜넣어져 있다. 도 15에 이 리포솜(12)의 구조의 상세를 도시한다. 트랜스포터(16)는, 효소 반응의 기질이, 리포솜(12)을 구성하는 지질 이중층을 통해서 내부에 취입되기 어려운 경우에 이 기질을 수송하기 위한 것이며, 기질에 따라 적당히 선택된 것이 이용된다. 예를 들면, 기질이 글루코오스인 경우는, 트랜스포터(16)로서 글루코오스 트랜스포터가 이용된다.

이 효소 고정화 전극의 상기 이외의 것은 제1 실시형태와 마찬가지이다.

도 16에 이 효소 고정화 전극에서의 효소, 보효소 및 전자 미디에이터에 의한 전자의 주고받음 반응의 1예를 모식적으로 도시한다. 이 예에서는, 리포솜(12)에 짜넣어진 트랜스포터(16)가 글루코오스 트랜스포터, 글루코오스의 분해에 관여하는 효소가 글루코오스 디히드로게나아제(GDH), 글루코오스의 분해 프로세스에서의 산화 반응에 수반해서 환원체가 생성되는 보효소가 NAD⁺, 보효소의 환원체인 NADH를 산화하는 보효소 산화 효소가 디아포라아제(DI)이며, 보효소 산화 효소로부터 보효소의 산화에 수반해서 생기는 전자를 전자 미디에이터가 수취해서 전극(11)에 건네준다.

이 제2 실시형태에 의하면, 제1 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다.

다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 대해서 설명한다. 이 제3 실시형태에서는, 바이오 연료 전지의 부극으로서, 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 이용한다.

도 17은 이 바이오 연료 전지를 모식적으로 도시한다. 이 바이오 연료 전지에서는, 연료로서 글루코오스를 이용하는 것으로 한다. 도 18은, 이 바이오 연료 전지의 부극의 구성의 상세 및 이 부극에 고정화된 리포솜(12)에 봉입된 효소군 및 보효소의 1예 및 이 효소군 및 보효소에 의한 전자의 주고받음 반응을 모식적으로 도시한다.

도 17 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 이 바이오 연료 전지는, 부극(21)과 정극(22)이 전해질 층(23)을 거쳐서 대향한 구조를 가진다. 부극(21)은, 연료로서 공급된 글루코오스를 효소에 의해 분해하고 전자를 취출함과 동시에 프로톤(H⁺)을 발생한다. 정극(22)은, 부극(21)으로부터 전해질 층(23)을 통해서 수송된 프로톤과 부극(21)으로부터 외부 회로를 통해서 보내진 전자와 예를 들면 공기중의 산소에 의해 물을 생성한다.

부극(21)은, 예를 들면 다공질 카본 등으로 이루어지는 전극(11)(도 18 참조) 위에, 글루코오스의 분해에 관여하는 효소와, 글루코오스의 분해 프로세스에서의 산화 반응에 수반해서 환원체가 생성되는 보효소(예를 들면, NAD⁺)와, 보효소의 환원체(예를 들면, NADH)를 산화하는 보효소 산화 효소(예를 들면, 디아포라아제(DI))가 봉입된 리포솜(12)이 고정화되며, 필요에 따라 이것에 더하여, 보효소 산화 효소로부터 보효소의 산화에 수반해서 생기는 전자를 수취해서 전극(11)에 건네주는 전자 미디에이터(예를 들면, ACNQ)가, 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극과 마찬가지로 고정화되어 구성되어 있다. 리포솜(12)을 구성하는 지질 이중층에는 트랜스포터(16)로서 글루코오스 트랜스포터가 짜넣어져 있지만, 도 18에서는 도시가 생략되어 있다.

글루코오스의 분해에 관여하는 효소로서는, 예를 들면 글루코오스 디히드로게나아제(GDH), 매우 적합하게는 NAD 의존형 글루코오스 디히드로게나아제를 이용할 수가 있다. 이 산화 효소를 존재시키는 것에 의해, 예를 들면 β-D-글루코오스를 D-글루코노-δ-락톤으로 산화할 수가 있다.

또, 이 D-글루코노-δ-락톤은, 글루코노키나아제와 포스포글루코네이트 디히드로게나아제(PhGDH)와의 2개의 효소를 존재시키는 것에 의해, 2-케토-6-포스포-D-글루코네이트로 분해할 수가 있다. 즉, D-글루코노-δ-락톤은, 가수분해에 의해 D-글루코네이트로 되고, D-글루코네이트는, 글루코노키나아제의 존재하에서, 아데노신 3인산(ATP)을 아데노신 2인산(ADP)과 인산으로 가수분해함으로써 인산화되어, 6-포스포-D-글루코네이트로 된다. 이 6-포스포-D-글루코네이트는, 산화 효소 PhGDH의 작용에 의해, 2-케토-6-포스포-D-글루코네이트로 산화된다.

또, 글루코오스는 상기 분해 프로세스 외에, 당대사{糖代謝}를 이용해서 CO₂까지 분해할 수도 있다. 이 당대사를 이용한 분해 프로세스는, 해당계에 의한 글루코오스의 분해 및 피르빈산의 생성과 TCA 회로로 크게 구별{大別}되지만, 이들은 널리 알려진 반응계{反應系}이다.

단당류의 분해 프로세스에서의 산화 반응은, 보효소의 환원 반응을 수반해서 행해진다. 이 보효소는 작용하는 효소에 의해서 거의 정해져 있으며, GDH의 경우, 보효소에는 NAD⁺가 이용된다. 즉, GDH의 작용에 의해 β-D-글루코오스가 D-글루코노-δ-락톤으로 산화되면, NAD⁺가 NADH로 환원되며, H⁺를 발생한다.

생성된 NADH는, 디아포라아제(DI)의 존재하에서 즉시 NAD⁺로 산화되고, 2개의 전자와 H⁺를 발생한다. 따라서, 글루코오스 1분자에 대해 1단계의 산화 반응으로 2개의 전자와 2개의 H⁺가 생성되게 된다. 2단계의 산화 반응에서는, 합계 4개의 전자와 4개의 H⁺가 생성된다.

상기 프로세스로 생성된 전자는 디아포라아제로부터 전자 미디에이터를 거쳐서 전극(11)에 건네지며, H⁺는 전해질 층(23)을 통해서 정극(22)에 수송된다.

상기의 효소 및 보효소가 봉입된 리포솜(12) 및 전자 미디에이터는, 전극 반응이 효율좋게 정상적으로 행해지도록 하기 위해서, 전해질 층(23)에 포함되는 인산 완충액이나 트리스 완충액 등의 완충액에 의해서, 효소에게 있어서 최적인 pH, 예를 들면 pH7 부근으로 유지되고 있는 것이 바람직하다. 인산 완충액으로서는, 예를 들면 NaH₂PO₄나 KH₂PO₄가 이용된다. 또, 이온 강도(I.S.)는, 너무 지나치게 커도 지나치게 작아도 효소 활성에 악영향을 주지만, 전기화학 응답성도 고려하면, 적당한 이온 강도, 예를 들면 0.3 정도인 것이 바람직하다. 단, pH 및 이온 강도는, 이용하는 효소 각각에 최적값이 존재하며, 상술한 값에 한정되지 않는다.

도 18에는, 1예로서 글루코오스의 분해에 관여하는 효소가 글루코오스 디히드로게나아제(GDH), 글루코오스의 분해 프로세스에서의 산화 반응에 수반해서 환원체가 생성되는 보효소가 NAD⁺, 보효소의 환원체인 NADH를 산화하는 보효소 산화 효소가 디아포라아제(DI), 보효소 산화 효소로부터 보효소의 산화에 수반해서 생기는 전자를 수취해서 전극(11)에 건네주는 전자 미디에이터가 ACNQ인 경우가 도시되어 있다.

정극(22)은, 다공질 카본 전극 등에, 예를 들면 빌리루빈 옥시다아제, 락카아제, 아스코르빈산 옥시다아제 등의 산소를 분해하는 효소를 고정화한 것이다. 이 정극(22) 외측의 부분(전해질 층(23)과 반대측의 부분)은 통상, 다공질 카본으로 이루어지는 가스 확산층에 의해 형성되지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 정극(22)에는, 매우 적합하게는, 효소에 더하여, 이 정극(22)과의 사이에서 전자의 주고받음을 행하는 전자 미디에이터도 고정화된다.

이 정극(22)에서는, 상기의 산소를 분해하는 효소의 존재하에서, 전해질 층(23)으로부터의 H⁺와 부극(21)으로부터의 전자에 의해 공기중의 산소를 환원하고 물을 생성한다.

전해질 층(23)은 부극(21)에서 발생한 H⁺를 정극(22)으로 수송하기 위한 것으로, 전자 전도성을 갖지 않고, H⁺를 수송하는 것이 가능한 재료에 의해 구성되어 있다. 전해질 층(23)으로서는, 구체적으로는, 예를 들면 셀로판 등의 이미 든 것이 이용된다.

이상과 같이 구성된 바이오 연료 전지에서, 부극(21) 측으로 글루코오스가 공급되면, 이 글루코오스가 산화 효소를 포함하는 분해 효소에 의해 분해된다. 이 단당류의 분해 프로세스에서 산화 효소가 관여함으로써, 부극(21) 측에서 전자와 H⁺를 생성할 수 있으며, 부극(21)과 정극(22) 사이에서 전류를 발생시킬 수가 있다.

다음에, 바이오 연료 전지의 구체적인 구조예에 대해서 설명한다.

도 19의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 이 바이오 연료 전지는, 부극(21)과 정극(22)이 전해질 층(23)을 거쳐서 대향한 구성을 가지고 있다. 이 경우, 정극(22) 아래 및 부극(21) 아래에 각각 Ti 집전체(41, 42)가 놓이고, 집전을 용이하게 행할 수 있도록 되어 있다. 부호 (43), (44)는 고정판을 나타낸다. 이들 고정판(43, 44)은 나사(45)에 의해 상호 체결{締結}되며, 그들 사이에, 정극(22), 부극(21), 전해질 층(23) 및 Ti 집전체(41, 42) 전체가 끼워넣어져{挾入} 있다. 고정판(43)의 한쪽 면(외측의 면)에는 공기 취입{空氣取入; air intake}용의 원형 오목부{凹部}(43a)가 설치되고, 이 오목부(43a)의 바닥면{底面; bottom}에 다른쪽 면까지 관통한 다수의 구멍{穴}(43b)이 설치되어 있다. 이들 구멍(43b)은 정극(22)에의 공기의 공급로로 된다. 한편, 고정판(44)의 한쪽 면(외측의 면)에는 연료 장전용의 원형 오목부(44a)가 설치되고, 이 오목부(44a)의 바닥면에 다른쪽 면까지 관통한 다수의 구멍(44b)이 설치되어 있다. 이들 구멍(44b)은 부극(21)에의 연료의 공급로로 된다. 이 고정판(44)의 다른쪽 면의 주변부에는 스페이서(46)가 설치되어 있고, 고정판(43, 44)을 나사(45)에 의해 상호 체결했을 때에 그들의 간격이 소정의 간격으로 되도록 되어 있다.

도 19의 (b)에 도시하는 바와 같이, Ti 집전체(41, 42) 사이에 부하(47)를 접속하고, 고정판(44)의 오목부(44a)에 연료로서 예를 들면 인산 완충액에 글루코오스를 녹인 글루코오스 용액을 넣어 발전을 행한다.

이 제3 실시형태에 의하면, 효소 반응에 필요한 효소군 및 보효소가 봉입되고, 또한 트랜스포터(16)로서 글루코오스 트랜스포터가 짜넣어진 리포솜(12)을 전극(11) 위에 고정화한 효소 고정화 전극을 부극(21)으로서 이용하고 있는 것에 의해, 효소 반응을 리포솜(12) 내부의 미소한 공간을 반응장으로 해서 효율적으로 행할 수가 있으며, 연료인 글루코오스로부터 효율적으로 전자를 취출하고, 전극(11)에 주고 받을 수 있음과 동시에, 효소 등을 폴리이온 콤플렉스 등에 의해 전극(11) 위에 직접 고정화하는 경우에 비해서 고정화를 간단하게 행할 수가 있다. 이와 같이 부극(21)으로서 이용되는 효소 고정화 전극이 고효율인 것에 의해, 고효율의 바이오 연료 전지를 실현할 수가 있다. 또, 바이오 연료 전지의 고출력화를 위해서는 연료인 글루코오스로부터 2전자보다도 많은 전자를 취출할 필요가 있으며, 이를 위해서는 3종류 이상의 효소가 적절한 위치에 고정화된 효소 고정화 전극을 부극(21)에 이용할 필요가 있지만, 리포솜(12)의 내부에 3종류 이상의 효소를 봉입하는 것에 의해 이와 같은 요구도 만족{滿}시킬 수가 있다. 또, 서로 다른 3종류 이상의 효소가 봉입된 다종류의 리포솜을 혼재시키는 것에 의해 다종류의 연료에의 대응이 용이하게 된다. 또, 부극 리포솜과 정극 리포솜을 배열시킨 마이크로 바이오 연료 전지의 실현도 가능하다.

다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에 대해서 설명한다.

이 바이오 연료 전지에서는, 연료로서, 다당류인 전분을 이용한다. 또, 전분을 연료에 이용하는 것에 수반하여, 부극(21)에 전분을 글루코오스 로 분해하는 분해 효소인 글루코아밀라아제도 고정화한다. 구체적으로는, 예를 들면 글루코아밀라아제를 전극(11)에 직접 고정화하거나, 리포솜(12)에 예를 들면 폴리에틸렌 글리콜사슬 등을 앵커로 해서 고정화하거나 한다.

이 바이오 연료 전지에서는, 부극(21) 측에 연료로서 전분이 공급되면, 이 전분이 글루코아밀라아제에 의해 글루코오스로 가수분해되고, 또 이 글루코오스가 글루코오스 트랜스포터에 의해 리포솜(12)의 내부로 취입되어 글루코오스 디히드로게나아제에 의해 분해되며, 이 분해 프로세스에서의 산화 반응에 수반해서 NAD⁺가 환원되어 NADH가 생성되며, 이 NADH가 디아포라아제에 의해 산화되어 2개의 전자와 NAD⁺와 H⁺로 분리된다. 따라서, 글루코오스 1분자에 대해 1단계의 산화 반응으로 2개의 전자와 2개의 H⁺가 생성된다. 2단계의 산화 반응에서는 합계 4개의 전자와 4개의 H⁺가 생성된다. 이렇게 해서 발생하는 전자는 부극(21)의 전극(11)에 건네지고, H⁺는 전해질 층(23)을 통해서 정극(22)까지 이동한다. 정극(22)에서는, 이 H⁺가, 외부로부터 공급된 산소 및 부극(21)으로부터 외부 회로를 통해서 보내진 전자와 반응해서 H₂O를 생성한다.

상기 이외의 것은 제3 실시형태에 의한 바이오 연료 전지와 마찬가지이다.

이 제4 실시형태에 의하면, 제3 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수 있는 것 외에, 전분을 연료에 이용하고 있는 것에 의해, 글루코오스를 연료에 이용하는 경우에 비해서 발전량을 증가시킬 수 있다고 하는 이점을 얻을 수가 있다.

다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에 대해서 설명한다.

도 20의 (a), (b) 및 (c)와 도 21은 이 바이오 연료 전지를 도시하며, 도 20의 (a), (b) 및 (c)는 이 바이오 연료 전지의 상면도, 단면도 및 이면도, 도 21은 이 바이오 연료 전지의 각 구성요소를 분해해서 도시하는 분해 사시도이다.

도 20의 (a), (b) 및 (c)와 도 21에 도시하는 바와 같이, 이 바이오 연료 전지에서는, 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52) 사이에 형성된 공간의 내부에, 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)이, 그 상하를 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52)에 의해 협지되어 수납되어 있다. 이들 정극 집전체(51), 부극 집전체(52), 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)의 이웃{隣; 옆}끼리의 것은 서로 밀착되어 있다. 이 경우, 이들 정극 집전체(51), 부극 집전체(52), 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)은 원형의 평면 형상을 가지고, 이 바이오 연료 전지 전체도 원형의 평면 형상을 가진다.

정극 집전체(51)는, 정극(22)에서 발생한 전류를 모으기 위한 것이며, 이 정극 집전체(51)로부터 외부로 전류가 취출된다. 또, 부극 집전체(52)는, 부극(21)에서 발생한 전류를 모으기 위한 것이다. 이들 정극 집전체(51) 및 부극 집전체(52)는, 일반적으로는, 금속이나 합금 등에 의해 형성되지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 정극 집전체(51)는 편평하고 거의 원통형의 형상을 가진다. 부극 집전체(52)도 편평하고 거의 원통형의 형상을 가진다. 그리고, 정극 집전체(51)의 외주부(51a)의 가장자리가, 예를 들면 실리콘 고무 등의 절연성 재료로 이루어지는 링모양의 개스킷(56a) 및 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 링모양의 소수성{疏水性; hydrophobic} 수지(56b)를 거쳐서 부극 집전체(52)의 외주부(52a)에 대해서 스웨이징되는 것에 의해, 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 수납하는 공간이 형성되어 있다. 소수성 수지(56b)는 정극(22), 정극 집전체(51) 및 개스킷(56a)에 의해 둘러싸인 공간에, 이들 정극(22), 정극 집전체(51) 및 개스킷(56a)에 밀착한 상태로 설치되어 있다. 이 소수성 수지(56b)에 의해, 연료의 정극(22) 측으로의 과잉 스며들어감{染入; penetration}을 효과적으로 억제할 수가 있다. 전해질 층(23)의 단부{端部}는 정극(22) 및 부극(21)의 외측으로 연재{延在; extend}하고 있으며, 개스킷(56a)과 소수성 수지(56b) 사이에 협지되어 있다. 정극 집전체(51)은, 그 바닥면의 전면{全面}에 복수의 산화제 공급구(51b)를 가지고, 이들 산화제 공급구(51b)의 내부에 정극(22)이 노출되어 있다. 도 20의 (c) 및 도 21에는 13개의 원형 산화제 공급구(51b)가 도시되어 있지만, 이것은 1예에 불과하며, 산화제 공급구(51b)의 갯수, 형상, 크기 및 배치 모두 적당히 선택할 수가 있다. 부극 집전체(52)도, 그의 상면의 전면에 복수의 연료 공급구(52b)를 가지고, 이들 연료 공급구(52b)의 내부에 부극(21)이 노출되어 있다. 도 21에는 9개의 원형 연료 공급구(52b)가 도시되어 있지만, 이것은 1예에 불과하며, 연료 공급구(52b)의 갯수, 형상, 크기 및 배치 모두 적당히 선택할 수가 있다.

부극 집전체(52)는 부극(21)과 반대측 면에 원통 형상의 연료 탱크(57)를 가진다. 이 연료 탱크(57)는 부극 집전체(52)와 일체로 형성되어 있다. 이 연료 탱크(57) 중에, 사용할 연료(도시하지 않음), 예를 들면 글루코오스 용액이나 이것에 또 전해질을 더한 것 등이 넣어진다. 이 연료 탱크(57)에는 원통 형상의 뚜껑(58)이 떼어냄가능{取外可能; removably}하게 부착되어 있다. 이 뚜껑(58)은, 예를 들면 연료 탱크(57)에 끼워넣어{嵌入; fit}지거나, 혹은 나사고정{螺子止; screwing}되도록 되어 있다. 이 뚜껑(58)의 중앙부에는 원형의 연료 공급구(58a)가 형성되어 있다. 이 연료 공급구(58a)는, 예를 들면 도시 생략한 밀봉 씰{seal}을 붙이{貼付; sticking}거나 하는 것 등에 의해 밀봉된다.

이 바이오 연료 전지의 상기 이외의 구성은, 그 성질에 반하지 않는 한, 제3 실시형태와 마찬가지이다.

다음에, 이 바이오 연료 전지의 제조 방법의 1예에 대해서 설명한다. 이 제조 방법을 도 22의 (a)∼(d)에 도시한다.

도 22의 (a)에 도시하는 바와 같이, 우선, 일단이 개방된 원통 형상의 정극 집전체(51)를 준비한다. 이 정극 집전체(51)의 바닥면의 전면에는 복수의 산화제 공급구(51b)가 형성되어 있다. 이 정극 집전체(51)의 내부의 바닥면의 외주부 위에 링모양의 소수성 수지(56b)를 싣{載; place}고, 이 바닥면의 중앙부 위에, 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 순차 중첩{重; stack}시킨다.

한편, 도 22의 (b)에 도시하는 바와 같이, 일단이 개방된 원통 형상의 부극 집전체(52) 위에 원통 형상의 연료 탱크(57)를 일체로 형성한 것을 준비한다. 이 부극 집전체(52)에는 전면에 복수의 연료 공급구(52b)가 형성되어 있다. 이 부극 집전체(52)의 외주면의 가장자리에 U자 모양의 단면 형상의 개스킷(56a)을 부착한다. 그리고, 이 부극 집전체(52)를 그의 개방부 측을 아래로 해서 부극(21) 위에 덮어씌우고, 정극 집전체(51)와 이 부극 집전체(52) 사이에, 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 협지한다.

다음에, 도 22의 (c)에 도시하는 바와 같이, 이렇게 해서 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52) 사이에 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 협지한 것을, 스웨이징기{機}의 대{台; tabel}(61) 위에 싣고, 압압{押壓; pressing} 부재(62)에 의해 부극 집전체(52)를 압압해서 정극 집전체(51), 정극(22), 전해질 층(23), 부극(21) 및 부극 집전체(52)의 이웃 끼리를 서로 밀착시키며, 이 상태에서 스웨이징도구{具; tool}(63)를 하강시켜서 정극 집전체(51)의 외주부(51a)의 가장자리를 개스킷(56a) 및 소수성 수지(56b)를 거쳐서 부극 집전체(52)의 외주부(52a)에 대해서 스웨이징한다. 이 스웨이징을 행할 때에는, 개스킷(56a)이 서서히 찌부러져서{潰; crashed} 정극 집전체(51)와 개스킷(56a) 사이 및 부극 집전체(52)와 개스킷(56a) 사이에 틈새{隙間}가 생기지 않도록 한다. 또, 이 때, 소수성 수지(56b)도 서서히 압축되어 정극(22), 정극 집전체(51) 및 개스킷(56a)과 밀착하도록 한다. 이렇게 함으로써, 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52)가 개스킷(56a)에 의해 서로 전기적으로 절연 된 상태에서 그들의 내부에, 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 수납하는 공간이 형성된다. 이 후, 스웨이징도구(63)를 상승시킨다.

이렇게 해서, 도 22의 (d)에 도시하는 바와 같이, 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52) 사이에 형성된 공간의 내부에 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)이 수납된 바이오 연료 전지가 제조된다.

다음에, 연료 탱크(57)에 뚜껑(58)을 부착하고, 이 뚜껑(58)의 연료 공급구(58a)로부터 연료 및 전해질을 주입한 후, 이 연료 공급구(58a)를 밀봉 씰을 붙이거나 하는 것에 의해 닫는다. 단, 연료 및 전해질은, 도 22의 (b)에 도시하는 공정에서 연료 탱크(57)에 주입해도 좋다.

이 바이오 연료 전지에서는, 연료 탱크(57)에 넣는 연료로서 예를 들면 글루코오스 용액을 이용하는 경우, 부극(21)은, 공급된 글루코오스를 효소에 의해 분해해서 전자를 취출함과 동시에, H⁺를 발생한다. 정극(22)은, 부극(21)으로부터 각각 전해질 층(23)을 통해서 수송된 H⁺와 부극(21)으로부터 외부 회로를 통해서 보내진 전자와 예를 들면 공기중의 산소에 의해 물을 생성한다. 그리고, 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52) 사이에 출력 전압이 얻어진다.

도 23에 도시하는 바와 같이, 이 바이오 연료 전지의 정극 집전체(51) 및 부극 집전체(52)에 각각 메시 전극(71, 72)을 형성해도 좋다. 이 경우, 메시 전극(71)의 구멍을 통해서 외부의 공기가 정극 집전체(51)의 산화제 공급구(51b)로 들어가고, 메시 전극(72)의 구멍을 통해서 연료가 뚜껑(58)의 연료 공급구(58a)로부터 연료 탱크(57)로 들어간다.

도 24는 2개의 바이오 연료 전지를 직렬 접속한 경우를 도시한다. 이 경우, 한쪽의 바이오 연료 전지(도면중, 위의 바이오 연료 전지)의 정극 집전체(51)와 다른쪽의 바이오 연료 전지(도면중, 아래의 바이오 연료 전지)의 뚜껑(58) 사이에 메시 전극(73)을 협지한다. 이 경우, 메시 전극(73)의 구멍을 통해서 외부의 공기가 정극 집전체(51)의 산화제 공급구(51b)로 들어가도록 되어 있다. 연료의 공급은 연료 공급 시스템을 이용해서 행하는 것도 가능하다.

도 25는 2개의 바이오 연료 전지를 병렬 접속한 경우를 도시한다. 이 경우, 한쪽의 바이오 연료 전지(도면중, 위의 바이오 연료 전지)의 연료 탱크(57)와 다른쪽의 바이오 연료 전지(도면중, 아래의 바이오 연료 전지)의 연료 탱크(57)를 그들의 뚜껑(58)의 연료 공급구(58a)끼리가 일치하도록 서로 접촉시키고, 이들의 연료 탱크(57)의 측면으로부터 전극(74)을 인출{引出}한다. 또, 상기 한쪽의 바이오 연료 전지의 정극 집전체(51)와 상기 다른쪽의 바이오 연료 전지의 정극 집전체(51)에 각각 메시 전극(75, 76)을 형성한다. 이들 메시 전극(75, 76)은 서로 접속한다. 메시 전극(75, 76)의 구멍을 통해서 외부의 공기가 정극 집전체(51)의 산화제 공급구(51b)로 들어간다.

이 제5 실시형태에 의하면, 연료 탱크(57)를 제외하면 코인형 또는 버튼형의 바이오 연료 전지에서, 제3 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다. 또, 이 바이오 연료 전지에서는, 정극 집전체(51)와 부극 집전체(52) 사이에 정극(22), 전해질 층(23) 및 부극(21)을 협지하고, 정극 집전체(51)의 외주부(51a)의 가장자리를 개스킷(56a)을 거쳐서 부극 집전체(52)의 외주부(52a)에 대해서 스웨이징하는 것에 의해, 각 구성요소 끼리를 균일하게 밀착시킬 수 있으므로, 출력의 편차{variation}를 방지할 수 있음과 동시에, 각 구성요소 사이의 계면으로부터 연료나 전해질 등의 전지 용액이 누액{漏液}하는 것을 방지할 수가 있다. 또, 이 바이오 연료 전지는 제조 공정이 간단하다. 또, 이 바이오 연료 전지는 소형화가 용이하다. 또, 이 바이오 연료 전지는, 연료로서 글루코오스 용액이나 전분을 이용하고, 사용하는 전해질의 pH를 7 부근(중성)으로 선택하는 것에 의해, 만에 하나{만일}, 연료나 전해질이 외부로 새더라도, 안전하다.

또, 현재 실용화되어 있는 공기 전지에서는 연료 및 전해질을 제조시에 첨가할 필요가 있으며, 제조 후에 첨가하는 것은 곤란한데 대해, 이 바이오 연료 전지에서는, 제조 후에 연료 및 전해질을 첨가하는 것이 가능하므로, 이 바이오 연료 전지는 현재 실용화되어 있는 공기 전지에 비해 제조가 용이하다.

다음에, 본 발명의 제6 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에 대해서 설명한다.

도 26에 도시하는 바와 같이, 이 제6 실시형태에서는, 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지로부터, 부극 집전체(52)에 일체로 설치된 연료 탱크(57)를 없애고{取除; remove}, 또 정극 집전체(51) 및 부극 집전체(52)에 각각 메시 전극(71, 72)을 형성한 것을 이용하며, 개방계의 연료 탱크(57)에 넣어진 연료(57a) 위에 이 바이오 연료 전지를 부극(21) 측이 아래로, 정극(22)측이 위로 되도록 해서 띄운 상태에서 사용한다.

이 제6 실시형태의 상기 이외의 것은, 그 성질에 반하지 않는 한, 제3 및 제5 실시형태와 마찬가지이다.

이 제6 실시형태에 의하면, 제3 및 제5 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다.

다음에, 본 발명의 제7 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에 대해서 설명한다. 제5 실시형태에 의한 바이오 연료 전지가 코인형 또는 버튼형인데 대해, 이 바이오 연료 전지는 원통형이다.

도 27의 (a) 및 (b) 및 도 28은 이 바이오 연료 전지를 도시하고, 도 27의 (a)는 이 바이오 연료 전지의 정면도, 도 27의 (b)는 이 바이오 연료 전지의 종단면도, 도 28은 이 바이오 연료 전지의 각 구성요소를 분해해서 도시하는 분해 사시도이다.

도 27의 (a) 및 (b)와 도 28에 도시하는 바와 같이, 이 바이오 연료 전지에서는, 원기둥모양의 연료 보존유지부(77)의 외주에, 각각 원통형의 부극 집전체(52), 부극(21), 전해질 층(23), 정극(22) 및 정극 집전체(51)가 순차 설치되어 있다. 이 경우, 연료 보존유지부(77)는, 원통형의 부극 집전체(52)에 의해 둘러싸인 공간으로 이루어진다. 이 연료 보존유지부(77)의 일단은 외부로 돌출되어 있으며, 이 일단에는 뚜껑(78)이 부착되어 있다. 도시는 생략하지만, 연료 보존유지부(77)의 외주의 부극 집전체(52)에는 그 면의 전체에 복수의 연료 공급구(52b)가 형성되어 있다. 또, 전해질 층(23)은 부극(21) 및 부극 집전체(52)를 싸{包; enveloping}는 봉지모양으로 되어 있다. 전해질 층(23)과 연료 보존유지부(77)의 일단의 부극 집전체(52)와의 사이의 부분은 예를 들면 씰 부재(도시하지 않음) 등에 의해 씰되어 있으며, 이 부분으로부터 연료가 외부로 새지 않도록 되어 있다.

이 바이오 연료 전지에서는, 연료 보존유지부(77)에 연료 및 전해질을 넣는다. 이들 연료 및 전해질은 부극 집전체(52)의 연료 공급구(52b)를 통해서 부극(21)에 도달하며, 이 부극(21)의 공극부에 침투{浸透; permeating}하는 것에 의해, 이 부극(21)의 내부에 축적되도록 되어 있다. 부극(21)의 내부에 축적할 수 있는 연료의 양을 많게 하기 위해서는, 부극(21)의 공극률은 예를 들면 60% 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

이 바이오 연료 전지에서는, 내구성 향상을 위해서, 정극 집전체(51)의 외주면에 기액{氣液} 분리층을 설치해도 좋다. 이 기액 분리층의 재료로서는, 예를 들면 방수성 투습성 소재(폴리테트라플루오로에틸렌을 연신{延伸}가공한 필름과 폴리우레탄 폴리머를 복합화한 소재)(예를 들면, WL 고어 & 어소시에이트사{W.L.Gore & Associates,Inc.}제의 고어텍스{GORE-TEX}(상품명))를 이용한다. 이 바이오 연료 전지의 각 구성요소 끼리를 균일하게 밀착시키기 위해서, 매우 적합하게는, 이 기액 분리층의 외측 또는 내측에, 외부로부터 공기가 투과가능한 그물코{網目; network} 구조를 가지는 신축성 고무(밴드모양이라도 시트모양이라도 가능)를 휘감아{卷付; wrap around} 이 바이오 연료 전지의 구성요소 전체를 단단히 조인{締付; tighten}다.

이 제7 실시형태의 상기 이외의 것은, 그 성질에 반하지 않는 한, 제3 및 제5 실시형태와 마찬가지이다.

이 제7 실시형태에 의하면, 제3 및 제5 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다.

다음에, 본 발명의 제8 실시형태에 의한 바이오 연료 전지에 대해서 설명한다.

이 제8 실시형태에 의한 바이오 연료 전지는, 부극(21)의 전극재에 도 29의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같은 다공체 도전 재료를 이용하는 것을 제외하고, 제3 실시형태에 의한 바이오 연료 전지와 마찬가지 구성을 가진다.

도 29의 (a)는 이 다공체 도전 재료의 구조를 모식적으로 도시하고, 도 29의 (b)는 이 다공체 도전 재료의 골격부의 단면도이다. 도 29의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 이 다공체 도전 재료는, 3차원 그물코모양 구조의 다공체 재료로 이루어지는 골격(79a)과, 이 골격(79a)의 표면을 피복하는 카본계 재료(79b)로 이루어지고, 이 카본계 재료(79b)의 표면에, 제3 실시형태와 마찬가지 리포솜(12)이 고정화되어 있다. 이 다공체 도전 재료는, 카본계 재료(79b)로 둘러싸인 다수의 구멍(80)이 그물코에 상당하는 3차원 그물코모양 구조를 가진다. 이 경우, 이들 구멍(80)끼리는 서로 연통되어 있다. 카본계 재료(79b)의 형태는 불문하며, 섬유모양(바늘모양{針狀}), 입자모양{粒狀} 등의 어느 것이더라도 좋다.

다공체 재료로 이루어지는 골격(79a)으로서는, 발포 금속 혹은 발포 합금, 예를 들면 발포 니켈이 이용된다. 이 골격(79a)의 다공율은 일반적으로는 85% 이상, 혹은 90% 이상이며, 그 구멍지름은, 일반적으로는 예를 들면 10㎚∼1㎜, 혹은 10㎚∼600㎛, 혹은 1∼600㎛, 전형적으로는 50∼300㎛, 보다 전형적으로는 100∼250㎛이다. 카본계 재료(79b)로서는, 예를 들면 켓첸블랙 등의 고도전성의 것이 바람직하지만, 카본 나노튜브나 풀러렌 등의 기능성 카본 재료를 이용해도 좋다.

이 다공체 도전 재료의 다공율은 일반적으로는 80% 이상, 혹은 90% 이상이며, 구멍(80)의 지름은, 일반적으로는 예를 들면 9㎚∼1㎜, 혹은 9㎚∼600㎛, 혹은 1∼600㎛, 전형적으로는 30∼400㎛, 보다 전형적으로는 80∼230㎛이다.

다음에, 이 다공체 도전 재료의 제조 방법에 대해서 설명한다.

도 30의 (a)에 도시하는 바와 같이, 우선, 발포 금속 혹은 발포 합금(예를 들면, 발포 니켈)으로 이루어지는 골격(79a)을 준비한다.

다음에, 도 30의 (b)에 도시하는 바와 같이, 이 발포 금속 혹은 발포 합금으로 이루어지는 골격(79a)의 표면에 카본계 재료(79b)를 코팅한다. 이 코팅 방법으로서는 종래 공지의 방법을 이용할 수가 있다. 1예를 들면, 카본 분말이나 적당한 결착제 등을 포함하는 에멀젼{emulsion}을 스프레이에 의해 골격(79a)의 표면에 분사{噴射}하는 것에 의해 카본계 재료(79b)를 코팅한다. 이 카본계 재료(79b)의 코팅 두께는, 발포 금속 혹은 발포 합금으로 이루어지는 골격(79a)의 다공율 및 구멍지름과의 균형으로, 다공체 도전 재료에 요구되는 다공율 및 구멍 지름에 따라 결정된다. 이 코팅시에는, 카본계 재료(79b)로 둘러싸인 다수의 구멍(80)끼리가 서로 연통하도록 한다.

이렇게 해서, 목적으로 하는 다공체 도전 재료가 제조된다. 이 후, 이 다공체 도전 재료의 카본계 재료(79b)의 표면에 리포솜(12)을 고정화한다.

상기 이외의 것은 제3 실시형태와 마찬가지이다.

이 제8 실시형태에 의하면, 제3 실시형태와 마찬가지 이점에 더하여 다음과 같은 이점을 얻을 수가 있다. 즉, 발포 금속 혹은 발포 합금으로 이루어지는 골격(79a)의 표면을 카본계 재료(79b)에 의해 피복한 다공체 도전 재료는, 구멍(80)의 지름이 충분히 크고, 엉성한{粗; coarse} 3차원 그물코모양 구조를 가지면서, 고강도이며 게다가 높은 도전성을 가지고, 필요 충분한 표면적을 얻을 수도 있다. 이 때문에, 이 다공체 도전 재료를 전극재에 이용하고, 이것에 효소, 보효소 및 전자 미디에이터를 고정화함으로써 얻어지는 효소/보효소/전자 미디에이터 고정화 전극으로 이루어지는 부극(21)은, 그 위에서의 효소 대사 반응을 고효율로 행하게 할 수 있으며, 혹은 전극 근방에서 일어나고 있는 효소 반응 현상을 효율좋게 전기 신호로서 포착{捉; catch}하는 것이 가능하고, 게다가 사용 환경에 의하지 않고 안정하며, 고성능의 바이오 연료 전지를 실현하는 것이 가능하다.

다음에, 본 발명의 제9 실시형태에 의한 바이오리액터에 대해서 설명한다. 이 바이오리액터는, 제1 또는 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극을 이용한 것이다. 도 31은 이 바이오리액터를 도시한다.

도 31에 도시하는 바와 같이, 이 바이오리액터에서는, 반응조{反應槽}(81) 내에 반응 용액(82)이 넣어져 있으며, 그 중에 워킹 전극(83), 참조 전극(84) 및 대향 전극(85)이 침지되어 있다. 워킹 전극(83)으로서는, 제1 또는 제2 실시형태에 의한 효소 고정화 전극이 이용된다. 참조 전극(84)과 대향 전극(85) 사이에는 정전압{定電壓} 발생 장치(86)가 접속되어 있고, 참조 전극(84)이 일정 전압으로 보존유지되도록 되어 있다. 워킹 전극(83)은, 정전압 발생 장치(86)의 참조 전극(84)이 접속된 단자에 접속되어 있다.

이 바이오리액터에서는, 기질(예를 들면, 알콜, 글루코오스 등)을 워킹 전극(83)에 들여보내고{送入}, 효소 반응을 일으키게 해서 원하는 생성물을 생성한다.

이 제9 실시형태에 의하면, 효소 반응에 필요한 효소군 및 보효소가 봉입된 리포솜(12)을 전극(11) 위에 고정화한 효소 고정화 전극을 이용하고 있는 것에 의해, 효소 반응을 리포솜(12) 내부의 미소한 공간을 반응장으로 해서 효율적으로 행할 수 있으며, 원하는 생성물을 효율적으로 얻을 수 있음과 동시에, 효소 등을 폴리이온 콤플렉스 등에 의해 전극(11) 위에 직접 고정화하는 경우에 비해 고정화를 간단하게 행할 수가 있다. 이와 같이 전극으로서 이용되는 효소 고정화 전극이 고효율인 것에 의해, 고효율의 바이오리액터를 실현할 수가 있다. 또, 3종류 이상의 효소를 이용할 필요가 있는 경우, 리포솜(12)의 내부에 3종류 이상의 효소를 봉입하는 것에 의해, 이와 같은 요구도 만족시킬 수가 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 의거하는 각종 변형이 가능하다.

예를 들면, 상술한 실시형태에서 든 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등은 어디까지나 예에 불과하며, 필요에 따라 이들과 다른 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등을 이용해도 좋다. 또, 필요에 따라, 제4∼제8 실시형태의 어느 것인가 2개 이상을 조합해도 좋다.

11…전극, 12…리포솜, 13, 14…효소, 15…보효소, 16…트랜스포터, 21…부극, 22…정극, 23…전해질 층, 41, 42…Ti 집전체, 43, 44…고정판, 47….부하.

Claims (23)

1. 정극{正極}과 부극{負極}이 프로톤 전도체{傳導體}를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소{補酵素; coenzyme}를 이용해서 연료로부터 전자를 취출{取出; take out}하도록 구성되고,
   적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입{封入; encapsulate}되어 있는 연료 전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 리포솜이 상기 부극에 고정화{固定化; immobilization}되어 있는 연료 전지.
3. 제2에 있어서,
   상기 부극에 전자 미디에이터가 고정화되어 있는 연료 전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 효소가, 연료의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소를 포함하는 연료 전지.
5. 제4항에 있어서,
   상기 효소가, 상기 연료의 산화에 수반해서 환원된 상기 보효소를 산화체로 되돌림{戾; return}과 동시에 상기 전자 미디에이터를 거쳐서 전자를 상기 부극에 건네주는{渡; pass) 보효소 산화 효소를 포함하는 연료 전지.
6. 제5항에 있어서,
   상기 보효소의 산화체가 NAD⁺이며, 상기 보효소 산화 효소가 디아포라아제{diaphorase}인 연료 전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 산화 효소가 NAD 의존형 알콜 디히드로게나아제{dehydrogenase}인 연료 전지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 프로톤 전도체가 완충 물질로서 이미다졸고리{環}를 포함하는 화합물을 포함하는 전해질로 이루어지는 연료 전지.
9. 제8항에 있어서,
   상기 이미다졸고리를 포함하는 화합물에 염산, 초산, 인산 및 황산{硫酸}으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 산{酸}이 첨가되어 있는 연료 전지.
10. 제3항에 있어서,
    상기 효소가, 단당류의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소를 포함하는 연료 전지.
11. 제10항에 있어서,
    상기 효소가, 상기 단당류의 산화에 수반해서 환원된 상기 보효소를 산화체로 되돌림과 동시에 상기 전자 미디에이터를 거쳐서 전자를 상기 부극에 건네주는 보효소 산화 효소를 포함하는 연료 전지.
12. 제11항에 있어서,
    상기 보효소의 산화체가 NAD⁺이며, 상기 보효소 산화 효소가 디아포라아제인 연료 전지.
13. 제12항에 있어서,
    상기 산화 효소가 NAD 의존형 글루코오스 디히드로게나아제인 연료 전지.
14. 제13항에 있어서,
    상기 리포솜을 구성하는 지질{脂質; lipid} 이중층에 글루코오스 트랜스포터가 짜넣{組入; incorporate}어져 있는 연료 전지.
15. 제3항에 있어서,
    상기 효소가, 상기 리포솜을 구성하는 지질 이중층에 짜넣어지거나 고정화되고, 또는 상기 리포솜의 외부에 존재하는, 다당류의 분해를 촉진하고 단당류를 생성하는 분해 효소 및, 생성한 단당류의 산화를 촉진하고 분해하는 산화 효소를 포함하는 연료 전지.
16. 제15항에 있어서,
    상기 분해 효소가 글루코아밀라아제, 상기 산화 효소가 NAD 의존형 글루코오스 디히드로게나아제인 연료 전지.
17. 정극과 부극이 프로톤 전도체를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소를 이용해서 연료로부터 전자를 취출하는 연료 전지를 제조하는 경우에, 적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소를 리포솜에 봉입하는 공정을 가지는 연료 전지의 제조 방법.
18. 1개 또는 복수의 연료 전지를 이용하고,
    적어도 1개의 상기 연료 전지가,
    정극과 부극이 프로톤 전도체를 거쳐서 대향한 구조를 가지고, 효소 및 보효소를 이용해서 연료로부터 전자를 취출하도록 구성되고,
    적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 것인 전자 기기.
19. 적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입된 리포솜이 고정화되어 있는 효소 고정화 전극.
20. 효소 및 보효소를 이용하고,
    적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 바이오센서.
21. 효소 및 보효소를 이용하고,
    적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 바이오리액터.
22. 적어도 1종의 효소 및 적어도 1종의 보효소가 봉입된 리포솜을 이용한 에너지 변환 소자.
23. 효소 및 보효소를 이용하고,
    적어도 1종의 상기 효소 및 적어도 1종의 상기 보효소가 리포솜에 봉입되어 있는 효소 반응 이용 장치.

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