WO2004012293A1

WO2004012293A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2004012293A1
Application number: PCT/JP2003/009480
Authority: WO
Inventors: Hideki Sakai; Takashi Tomita; Ryosuke Takagi; Yusuke Suzuki; Tsuyonobu Hatazawa
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2004-02-05
Also published as: CN1579033A; AU2003248128A1; US8076035B2; CN102931424A; EP1531512A1; EP1531512A4; KR20050018799A; JP5601346B2; KR101091974B1; US20050053825A1; JP2012151130A

Description

明細燃料電池技術分野

本発明は生体代謝を利用した燃料電池に関する。背景技術

燃料電池は、基本的に燃料極と酸化剤極（空気極）と電解質とを備えるものであり、その動作原理は水の電気分解の逆動作に基づく。すなわち、燃料電池は、水素及び酸素を送り込まれることによって、水（H ₂ 0 ) を生成するとともに電気を取り出す、すなわち発電を行う。より具体的に説明すると、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 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 H ₂ 0を生成する。

燃料電池は、燃料の持つエネルギーを直接電気エネルギーに変換する、高効率な発電装置として機能し、天然ガス、石油、石炭等の化石エネルギーがもつエネルギーを使用場所や使用時によらずに、しかも高い変換効率にて電気エネルギーとして取り出すことができる。

従来から大規模発電用途等としての燃料電池の開発研究が活発に行われており、例えばスペースシャトルに燃料電池が搭載され、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を証明した実績がある。

近年、高分子固体電解質燃料電池等、室温から 9 0 C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ゃモパイル機器等のポ一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。

しかしながら、固体高分子型燃料電池は先に述べたように低温な作動温度域を示すという利点があるものの、解決すべき多くの課題が残されている。具体的には、燃料としてメタノールを用い、且つ室温付近で動作させた場合の C Oによる触媒被毒、 P t等の高価な貴金属を用いた触媒が必要であること、クロスオーバーによるエネルギーロスの発生、燃料に水素を用いる場合の取り扱いが困難であること等である。

そこで、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。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。生体代謝は、発電効率が極めて高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するといぅ特長を兼ね備えている。

例えば呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質等の栄養素を微生物又は細胞内に取り込み、これらの化学エネルギーを、数々の酵素反応ステップを有する解糖系及びトリカルボン酸（tricarboxylic acid:以下 T C Aと称する。）回路を介して二酸化炭素（ C〇 ₂) を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (nicotinamide adenine d inuc 1 eo t i de：以下 NAD +と称する。) を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（N A D H) のような酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらの NA D Hの電気エネルギ一をプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、 A T P合成酵素を介して、 AD Pから A T Pを生成し、この A T P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。

また、光合成は、光エネルギーを取り込み、電子伝達系を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine d inuc 1 eo t i de phospha t e：以下 N A D P +と称する。）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸 (N AD P H) のような電気エネルギーに変換する過程で、水を酸化し酸素を生成する機構である。この電気エネルギーは、 C〇 ₂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。

これら生体代謝において重要な位置を占める N AD Hの生成反応は、下記式（ 3 ) で表される。還元体) + NAD+ 燃料 (酸化体) + NADH + H+…式 (3) tド^ナ- ί (生成物）脱水素酵素（デヒドロゲナーゼ）としては、これまでに数百種類が知られており、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独特の三次元構造を有することに起因する。このため、生体内においては取り込まれた燃料に対して数十種類のデヒドロゲナーゼ等が順序よく反応し、最終的には C〇 ₂になるまで酸化が進行することになる。

上述したような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メデイエ一夕を介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている（例えば、特開 2 0 0 0 — 1 3 3 2 9 7号公報等を参照）。

しかしながら、微生物及び細胞には上述したような化学エネルギ一から電気工ネルギ一への変換といった目的の反応以外にも不要な機能が多く存在するため、上述した方法では望まない反応に電気エネルギーが消費されて充分なエネルギー変換効率が発揮されない。

そこで、微生物や細胞内から反応に関与する酵素や電子メディエー夕を取り出すとともに適切な環境を再現させることで所望の反応のみを行うような燃料電池の構成が提案されている。

しかしながら、このような構成の燃料電池では、酵素の反応速度が遅く、実際に得られる電流密度が極めて小さいという問題を有している。

そこで本発明はこのような従来の問題点を解決するために提案されたものであり、生体代謝を利用しながらも、大きな電流密度を実現することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。発明の開示

上述の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料を複数の酵素による段階的な反応により分解するとともに、酸化反応に伴って生成する電子を電極に受け渡す燃料電池であって、酵素 1 による分解反応により分解物 1が生成する際の酵素 1 の酵素活性を U ( E 1 ) とし、分解物 1 を分解する酵素群 2の酵素活性の総和を U ( E 2 ) とするとき、 U ( E 1 ) ≤ U ( E 2 ) であることを特徴とする。

燃料を複数の酵素によって段階的に分解する複合酵素反応においては、酵素活性を損ねるような中間生成物は速やかに分解する必要がある。本発明においては、後段の分解反応を行う酵素群の酵素活性が前段の分解反応を行う酵素 1 の酵素活性以上となるように、各酵素の酵素活性を段階的に設定しているので、燃料が速やかに分解される。

また、本発明においては、前記酵素 1が酸化酵素であり、前記酵素 1 による分解反応が酸化反応であり、当該酸化反応により補酵素に電子の受け渡しをする燃料電池において、上記要件に加えて、さらに、前記補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素を有し、当該補酵素酸化酵素の酵素活性を U ( C o ) とし、前記複数の酵素のうち、当該補酵素の還元体の生成に関与する酵素群の酵素活性の総和を U ( E ) とするとき、 U ( C o ) ≥ U ( E ) であることを特徴とする。

酵素 1 による酸化反応により補酵素に電子の受け渡しをする燃料電池においては、補酵素の還元体の生成速度に対してこれを酸化する補酵素酸化酵素が不足すると、当該補酵素酸化酵素の酵素反応が律速となる。本発明では、補酵素の酸化を行う補酵素酸化酵素の酵素活性 U ( C o ) を燃料の酸化（すなわち補酵素の還元体の生成）に関与する酵素群の酵素活性の総和 U ( E ) 以上としているので、前記補酵素酸化酵素の酵素反応が律速となることはなく、補酵素の還元体は速やかに酸化され、このとき生ずる電子が電子メデイエ一タを介して電極に受け渡される。

燃料としてメタノールを使用する場合を例にしてより具体的に説明すると、メタノールを燃料とする燃料電池は、例えば、燃料極と、空気極と、上記燃料極及び上記空気極の間に介在するプ口トン伝導膜と、上記燃料極と電子の受け渡し可能とされた酵素溶液とを有し、上記酵素溶液は、アルコールデヒドロゲナーゼと、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼと、蟻酸デヒドロゲナーゼとジァホラーゼと、電子メデイエ一夕とを含有する。ここで、上記アルコールデヒドロゲナ一ゼ、上記ホルムアルデヒドデヒドロゲナ一ゼ、上記蟻酸デヒドロゲナーゼ、及び上記ジァホラ一ゼの酵素活性をそれぞれ U (AD H)、 U ( F a 1 D H)、 U ( F a t e DH)、 U (D I ) とする。

先ず、アルコールデヒドロゲナ一ゼを酵素 1 とすると、酵素 1 の酵素活性 U (E 1 ) に相当する U (AD H) は、分解物（ホルムアルデヒド）を分解する酵素群（ホルムアルデヒドデヒドロゲナ一ゼ及び蟻酸デヒドロゲナーゼ）の酵素活性の総和 U (E 2 ) = U ( F a 1 D H) + U ( F a t e D H) に対して、 U (E l ) = U (AD H) ≤ U ( E 2 ) =U (F a 1 D H) + U ( F a t e D H) であることが必要である。次に、ホルムアルデヒドデヒド口ゲナ一ゼを酵素 1 とすると、酵素 1 の酵素活性 U ( E 1 ) に相当する U ( F a 1 D H) は、分解物（蟻酸）を分解する酵素群（蟻酸デヒドロゲナ一ゼ）の酵素活性の総和 U ( E 2 ) = U (F a t e D H) に対して、 U (E l ) = U ( F a l D H) ≤ U ( E 2 ) = U ( F a t e D H) であることが必要である。これらを勘案すると、上記メタノールを燃料とする燃料電池は、以下の式（ 1 ) を満足することが好ましい。 0 <U (ADH)≤U (FalDH)≤ U (FaieDH) ·· 式（ 1 )

次に、上記燃料電池においては、補酵素酸化酵素がジァホラ一ゼであり、その酵素活性 U (D I ) が U ( C o ) に相当し、アルコールデヒドロゲナ一ゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、及び蟻酸デヒドロゲナ一ゼは、いずれも補酵素の還元体の生成に関与する。したがって、以下の式（ 2 ) の関係を満足する必要がある。

U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH)≤ U (DI) ……式（2) 以上のように構成された燃料電池では、アルコ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及び蟻酸デヒドロゲナーゼが、燃料であるメタノールから co₂までの酸化反応を触媒する過程で合計 3分子の N A D Hを生成する。また、ジァホラ —ゼは、生成した NAD Hから電子メデイエ一夕を介して燃料極へ 2つの電子を渡す。これらの過程で発生する H +は、酵素溶液及びプロトン伝導膜を介して空気極に到達する。空気極においては、 H+と酸素（〇 ₂) と外部回路からの電子とから水が生成する。

そして、メタノールを酸化する順序、すなわちアルコ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及び蟻酸デヒドロゲナーゼの順序に従って各酵素の酵素活性が大となるように酵素溶液が調製されるので、メタノールの分解が滞ることなくこの結果 NAD Hの生成速度が大となる。

また、ジァホラーゼの酵素活性がアルコールデヒドロゲナ一ゼホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ及び蟻酸デヒドロゲナ一ゼの酵素活性の和以上となるように酵素溶液を調製するので、ジァホラ一ゼが飽和することなく N AD Hから燃料極への電子の受け渡し速度を向上させられる。

本発明に係る燃料電池は、さらに、補酵素から、さらに電子メデイエ一夕に電子の受け渡しをする燃料電池において、上記電子メデイエ一夕はビタミン K 3であることを特徴とする。

例えば、メタノールを燃料とする燃料電池の場合、燃料極と、空気極と、上記燃料極及び上記空気極の間に介在するプロトン伝導膜と、上記燃料極と電子を受け渡し可能とされた酵素溶液とを有し、燃料としてメタノールを用いる燃料電池であって、上記酵素溶液は、アルコールデヒドロゲナーゼと、ホルムアルデヒドデヒドロゲナ一ゼと、蟻酸デヒドロゲナ一ゼと、ジァホラーゼと、電子メディエー夕とを含有し、上記電子メディエータはビタミン K 3であることを特徴とする。

ビタミン K 3 は平衡酸化還元電位が補酵素を酸化する補酵素酸化酵素（例えばジァホラ一ゼ）と比較的近いため、ジァホラーゼと電子の受け渡しの相性が良く、電子メデイエ一夕として用いることで電子の受け渡し速度が向上する。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る燃料電池ば、燃料を分解する反応、及び補酵素（例えば N A D H ) が燃料極へ電子を渡す反応の反応が滞らないように各酵素の酵素活性の大小が調節されている。または、本発明に係る燃料電池は、電子の移動速度を速めるために、電子メデイエ一夕として脱水素酵素 (例えば D I ) との相性が良いビタミン K 3 を選択している。したがって本発明によれば、反応速度の向上が図られ、より大きな電流密度を実現する燃料電池を提供することが可能である。図面の簡単な説明第 1 図は、本発明を適用した燃料電池の反応の概要を説明するための模式図である。

第 2図は、第 1図中、燃料極側の反応を詳細に説明するための模式図である。

第 3図は、エタノールを燃料とした場合の複合酵素反応を示す図である。

第 4図は、グルコースを燃料とした場合の複合酵素反応を示す図である。

第 5図は、実験 1 における NAD Hの経時変化を示す特性図である。

第 6図は、実験 2 における O C Vの経時変化を示す特性図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を適用した燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の燃料電池は、生体代謝を利用したものであり、第 1図に示すように、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極とを隔離するプロトン伝導膜と、後述する酵素、補酵素、電子メデイエ一夕等が溶解されてなる酵素溶液とを基本的な構成要素とする。酵素溶液は燃料極と接触するように燃料極室内に保持されている。そして燃料極室中の酵素溶液に、燃料が連続的に供給される。

この燃料電池では、酵素溶液中で、複合脱水素酵素として後述するような 1種類以上の N A D +依存型デヒドロゲナ一ゼが複数の段階を経て燃料（例えばメタノール）を C 0₂まで酸化する際に、補酵素 NAD +から NAD Hを生成させる。生成した NAD Hは、ジァホラ一ゼにより電子メデイエ一夕を介して燃料極へ 2 つの電子を受け渡す。そして、外部回路を通って空気極に電子が到達することで、電流が発生する。また、上述したような過程で発生する H+は、プロトン伝導膜又は膜のない酵素溶液を介して空気極まで移動する。そして空気極では、到達した H+と、外部回路から供給された 2つの電子と、酸素とから水が生成される。本発明では、以下に述べるように、 NA D +依存型デヒドロゲナーゼ等の酵素の酵素活性を最適化すること、最適な電子メディェ一タを選択することのいずれか一方又はこれらを組み合わせることにより、燃料極への電子の移動速度を速め、電流密度の向上を実現している。そこで、第 1 図に示す反応のうち酵素溶液から燃料極に電子を渡す反応について第 2 図を用いてさらに詳細に説明する。

酵素溶液には、 N AD +依存型デヒドロゲナーゼとして、燃料であるメタノールからホルムアルデヒド及び NA D Hを生成するアレ Π— Jレテヒドロナ——セ (alcohol dehydrogenase :R A D Hと称する。）と、ホルムアルデヒドから蟻酸及び NAD Hを生成するホルムアルデヒドデヒドロゲナ一ゼ（ formaldehyde dehydrogenase：以下 F a l D Hと称する。）と、蟻酸から C〇 ₂ 及び N A D H を生成する蟻酸デヒドロゲナーゼ（ formate dehydrogenase：以下 F a t e D Hと称する。）の 3種類が溶解されている。また、酵素溶液には NAD Hを酸化して NAD +と H +とに分解する NAD Hデヒドロゲナ一ゼ、すなわちジァホラ一ゼ（diaphorase:以下 D I と称する。）が溶解されている。また、酵素溶液には、 D I を介して N AD Hから 2つの電子を受け取るとともに燃料極へ渡す電子メデイエ一夕が溶解されている。また. N A D ⁺依存型デヒドロゲナ一ゼが反応に必要とする捕酵素 N A D +も、酵素溶液中に溶解されている。

ここで、酵素溶液中に含まれる燃料を分解する複数の酵素の酵素活性は、次の条件を満たす必要がある。先ず、アルコールデヒドロゲナーゼを酵素 1 とすると、酵素 1 の酵素活性 U (E 1 ) に相当する U (A DH) は、分解物（ホルムアルデヒド）を分解する酵素群（ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ及び蟻酸デヒドロゲナーゼ）の酵素活性の総和 U ( E 2 ) = U ( F a 1 D H) + U (F t e D H) に対して、 U (E l ) = U (AD H) ≤ U ( E 2 ) = U ( F a 1 D H) + U ( F a t e D H) であることが必要である。次に、ホルムアルデヒドデヒドロゲナ一ゼを酵素 1 とすると、酵素 1 の酵素活性 U (E 1 ) に相当する U ( F a l D H) は、分解物（蟻酸）を分解する酵素群（蟻酸デヒドロゲナーゼ）の酵素活性の総和 U ( E 2 ) = U ( F a t e D H ) に対して、 U (E l ) = U ( F a l D H) ≤ U ( E 2 ) = U ( F a t e D H) であることが必要である。これらを勘案すると、 '上記メタノールを燃料とする燃料電池は、以下の式（ 1 ) を満足することが好ましい。

0 <U(ADH)≤U(FalDH)≤U(FateDH) 式（ 1 )

上述した 3種類の最適な N AD +依存型デヒドロゲナ一ゼを選択するとともにその酵素活性の比をメタノールの分解の順序にしたがって増大させることで、ホルムアルデヒドや蟻酸といった中間生成物を蓄積させることなくメタノールを C 0₂まで迅速に分解し、 NAD Hの生成速度を充分に高くすることができる。

また、 NAD Hから燃料極への電子の授受に関与する D I の酵素活性を、 NAD Hの生成に関与する 3種類の NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼの酵素活性の和以上とする必要があり、これにより、生成した NA D Hから燃料極への電子の移動速度を速められる。このことは、 D I の酵素活性を U (D I ) としたとき、以下の式（ 2 ) で表される。

U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH)≤ U (DI) ……式（ 2 )

D I の酵素活性が N AD+依存型デヒド口ゲナ一ゼの酵素活性の和を下回る場合、 D I の酵素反応が律速となり、電子の移動速度が遅くなるので電流密度が不足する。

なお、ここで言う U (ユニット）とは、酵素活性を示す 1つの指標であり、ある温度及び p Hにおいて 1分間あたり 1 m o 1 の基質が反応する度合いを示す。

燃料電池の電圧は、それぞれの電極に用いる電子メデイエ一夕の酸化還元電位を制御することで設定される。つまり、より高い電圧を得るには、燃料極側ではよりネガティブな電位の電子メデイエ一夕を、空気極側ではよりポジティブな電位の電子メデイエ —タを選ぶと良い。しかし、電子メディエー夕の、酵素に対する反応親和性、電極との電子交換速度、阻害因子（光、酸素等）に対する構造安定性等も考慮しなければならない。

このようなトータルな観点から、燃料極に作用する電子メディェ一夕として、ビタミン K 3 (2-methyl-l, 4-naphthoquinone_¾ Vitamin K3:以下 V K 3 と称する）、を選択することが現状では好ましい。 VK 3は平衡酸化還元電位（ P H 7. 0の溶液中）がー 2 1 0 m V ( v s A g /A g C l ) であり、活性点としてフラビンモノヌクレオチド（flavin mononuc 1 eo t i de：以下 FMN と称する。）を有する D I の平衡酸化還元電位（ P H 7. 0の溶液中）である約一 3 8 0 mV ( V s A / A g C 1 ) と比較して、電位が若干ポジティブである。これにより、 D I と電子メデイエ一夕との間の電子の交換速度が適度に速くなり、大きな電流密度を得られるのと同時に、空気極と組み合わせて電池を構成した場合に比較的大きな電圧を得ることができる。

これに対して、 V K 3 よりもさらに電位がポジティブである例えば 1, 4- benzoquinone (+ 9 3 m V ( v s A g / A g C 1 ) )を電子メディエー夕として用いた場合、溶液中の電子メデイエ一夕分子の拡散の影響が大きくなり、電流密度は V K 3 と比べて殆ど変化せず、期待される程の効果は得られない。そればかりか、電池電圧がより小さくなることになるという問題が生じる。また、 V K 3よりもさらに電位がネガティブであり、且つ D I よりも電位が若千ポジティブである例えば anthraquinone-2-sul f onate (- 5 4 9 m V ( v s A g /A g C 1 ) )を電子メデイエ一タとして用いた場合、逆に電流密度が減少するが、電池電圧は向上する。この場合、電極構造を工夫して反応場を 3次元的に高密度に構築することで反応電極面積を増大させれば、電池としての電流密度をある程度まで向上させることができる。このように、 V K 3の他に適当な酸化還元電位を有する電子メデイエ一夕を選択することも可能である。他に、例えばキノン骨格を有する化合物、〇 s 、 R u、 F e 、 C o等の金属錯体、ベンジルビオ口一ゲン等のビオローゲン化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リポフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド一リン酸構造を有する化合物等を燃料極に作用する電子メデイエ一夕として利用できる。

また、空気極に作用する電子メデイエ一夕としては、主に A B

T S [2, 2 - az inob i s (3_e t hy lbenzo t h i azo 1 ine 6 - sul f onat e)〕 )、〇 s 、 R u、 F e、 C o等の金属錯体等を用いることができる。そしてこの系においては、以下のようにして発電が行われる。先ず、酵素溶液に燃料であるメタノールが供給されると、酵素溶液中の A D Hがメタノールの酸化を触媒し、ホルムアルデヒドを生成する。このときメタノールから 2 H +と 2電子とを除去し、 NAD +の還元体である NAD Hと、 H +とを生じる。

次に、 F a 1 D Hがホルムアルデヒドに H ₂〇を付加するとともに 2 H+と 2電子とを除去し、蟻酸を生成する。このとき、 N AD Hと H+とを生じる。

次に、 F a t e D Hが蟻酸から 2 H +と 2電子とを除去して、最終生成物である C 0。を生成する。このとき、 N AD Hと H + とを生じる。最終生成物である C〇 ₂は、酵素溶液系から取り除かれれば（通常ガスとして）、酵素溶液の p Hを大きく変化させることがない。このため、酵素活性の低下が抑制される。

そして次に、上述した過程で生成した NAD Hを D I が酸化して、電子メデイエ一夕の酸化体に電子を渡して電子メデイエ一夕の還元体とする。なお、電子メデイエ一夕が V K 3である場合には、 V K 3の酸化体は 2電子と 2 H +とを受け取り、 VK 3の酸化体となる。次いで電子メデイエ一夕の還元体が電子を燃料極に渡し、電子メデイエ一夕の酸化体に戻る。 D I によって酸化された NAD Hは、 NAD +と H +とになり、生成した NAD +は上述した N A D +依存型デヒドロゲナーゼによるメタノールの分解過程で再度利用される。この結果、 1分子の NAD Hから燃料極へ 2つの電子を渡すことになり、直流電流を取り出すことができる以上のように、 3種類の N AD +依存型デヒドロゲナーゼが 1 分子のメタノールを C O ₂まで分解する過程で、合計 3分子の N ADHが作られる。この段階では、エネルギー状態の異なる H + を有する燃料からそれぞれの H+を引き抜く過程で、それらの化学エネルギーを NADHという同一物質に変換する。この NAD Hが有する化学エネルギーを利用すること、すなわち N A D Hが有する電子を燃料極に渡すことにより、高いエネルギー変換効率の燃料電池を実現することができる。

N AD Hから燃料極への電子の移動を円滑に行うためには、 D I の酵素活性に対して電子メデイエ一夕を酵素溶液中に充分に存在させることが好ましい。

また、上記の酵素が効率よく定常的に反応するために、酵素溶液は、トリス緩衝液、リン酸緩衝液等の緩衝液によって、例えば P H 7付近に p Hが維持されていることが好ましい。また、酵素溶液の温度も、温度制御系によって例えば 4 0 °C付近に維持されていることが好ましい。さらに、酵素溶液のイオン強度（ Ion Strength:以下 I . S . と称する。）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、適度なイオン強度であること、例えば 0. 3程度であることが好ましい。ただし、上記の p H、温度及びイオン強度は、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るものではない。

さらに、上述した各種の酵素、補酵素及び電子メデイエ一夕は、酵素溶液中に溶解されて用いられる他、バイオセンサ等の分野で提案されている一般的な方法でこれらのうち少なくとも一種が電極上又は電極近傍に固定化されて用いられてもかまわない。例えば、燃料極として、活性炭等の表面積の広い材料を 3次元的に高密度に配列させた電極を用いることで、電子メデイエ一夕の有効な反応電極面積を拡大し、電流密度のさらなる向上を図ることができる。また、例えばダルタルアルデヒドによる架橋で酵素を電極表面に高密度に固定化させることで、酵素から電極表面近傍の電子メデイエ一夕への電子の受け渡しがより効率的となり、電流密度を向上させることもできる。

なお、本発明に用いられる酵素は、上述した酵素に限定されず、その他の酵素でも構わない。また、上述した A D H、 F a 1 D H、 F a t e D H及び D I は、ミューテーシヨンにより p Hや阻害物質に対して比較的安定とされていてもよい。さらに、空気極用の酵素としては、ラッカーゼ、ピリルビンォキシダーゼ等の公知の酵素を用いてもよい。

本発明の燃料電池の燃料としては、メタノールの他、エタノール等のアルコール、グルコース等の糖類、脂肪類、タンパク質、糖代謝の中間生成物等の有機酸（グルコース一 6 —リン酸、フルクト一ス— 6 —リン酸、フルクト一ス— 1 , 6 —ビスリ.ン酸、トリオースリン酸イソメラ一ゼ、 1， 3 _ビスホスホダリセリン酸、 3 —ホスホダリセリン酸、 2 —ホスホダリセリン酸、ホスホエノ —ルビルビン酸、ピルビン酸、ァセチルー C o A、クェン酸、 c i s —アコニット酸、イソクェン酸、ォキサ口コ八ク酸、 2 —ォキソダルタル酸、スクシ二ルー C o A、コハク酸、フマル酸、 L 一リンゴ酸、ォキサ口酢酸等）、これらの混合物等を用いてもよい。中でもグルコース、エタノール、糖代謝の中間生成物等は、上述した酵素を単独又は適当な複数種類用いて組み合わせるとともに、特に T C A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、上述した燃料をメタノールとした系と同様に、燃料が C〇 ₂まで酸化される系を実現できる。特にダルコ一スは取り扱いが極めて容易な材料であるため好ましい燃料である。

この場合、用いる酵素は、燃料に応じて最適な酵素を選択して使用することが好ましい。例えば燃料極に用いる酵素としては、グルコースデヒドロゲナ一ゼ、電子伝達系の一連の酵素、 AT P 合成酵素、糖代謝に関与する酵素（例えばへキソキナーゼ、グルコースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナ一ゼ、フルクトースニリン酸アルドラ一ゼ、トリオ一スリン酸イソメラ一ゼ、グリセルアルデヒドリン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホダリセロム夕 —ゼ、ホスホピルピン酸ヒドラ夕一ゼ、ピルビン酸キナーゼ、 L 一乳酸デヒドロゲナーゼ、 D—乳酸デヒドロゲナ一ゼ、ピルビン酸デヒドロゲナ一ゼ、クェン酸シンターゼ、アコ二夕一ゼ、イソクェン酸デヒドロゲナーゼ、 2 —ォキソダルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニル— C o Aシンテタ一ゼ、コハク酸デヒドロゲナ —ゼ、フマラーゼ、マロン酸デヒドロゲナ一ゼ等）等の公知の酵素を挙げることができる。

第 3図は、燃料にエタノールを用いた場合の複合酵素反応を示すものである。エタノールの場合、第 1段階では、アルコールデヒドロゲナーゼ（ A D H ) の作用によりエタノールが酸化されてァセトアルデヒドになり、第 2段階では、アルデヒドデヒドロゲナ一ゼ（ A 1 D H) の作用によりァセトアルデヒドが酸化されて酢酸になる。各段階では、 NAD + (酸化体）が還元されて、 N AD H (還元体）が生成する。電子メディエータを介した電子の受け渡しは、先の第 2 図に示すメタノールの場合と同様である。ここで、 AD H及び A 1 D Hの酵素活性をそれぞれ U (AD H；)、 U (A 1 D H) とすると、 U ( E 1 ) に相当する U (AD H) と U ( E 2 ) に相当する U (A 1 D H) は、 0く U ( AD H) ≤ U (A 1 D H) である。また、これら U ( A D H) と U (A 1 D H) の総和は D I の酵素活性 U (D I ) 以下であり、 U ( A D H) + U (A 1 D H) ≤ U (D I ) である。

第 4図は、燃料にグルコースを用いた場合の複合酵素反応を示すものである。グルコースの場合、第 1段階の酸化反応では、グルコースデヒドロゲナーゼ（ G D H ) の作用により、 β - Ό — グルコースが D—ダルコノ ― <5 —ラクトンに分解される。 D—ダルコノ— δ —ラクトンは、加水分解により D—ダルコネートになり D—ダルコネートは、ダルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ΑΤ Ρ ) をアデノシン二リン酸（AD P ) とリン酸に加水分解することでリン酸化され、 6 —フォスフォ— D—ダルコネ —トになる。この 6 _フォスフォー D—ダルコネートは、第 2段階の酸化反応において、フォスフォグルコネートデヒドロゲナ一ゼ（ P h GD H) の作用により、 2 —ケト— 6 —フォスフォー D 一ダルコネートに酸化される。各酸化反応では、 N AD + (酸化体）が還元されて、 NA D H (還元体）が生成する。電子メディェ一タを介した電子の受け渡しは、先の第 2図に示すメタノールの場合と同様である。ここで、 G D H及び P h G D Hの酵素活性をそれぞれ U ( GD H)、 U ( P h G D H) とすると、 U ( E l ) に相当する U ( G D H) と U ( E 2 ) に相当する U ( P G D H) は、 0 <U ( G D H) ≤ U ( P h G D H) である。また、これら U ( GD H) と U ( P h GD H) の総和は D I の酵素活性 U (D I ) 以下であり、 U ( G D H) + U ( P h G D H) ≤ U ( D I ) である。

上記、エタノールおよびグルコース一分子当たり、 N A D H 2 分子を取り出すことが可能であるが、さらに燃料のエネルギー密度を向上させる必要がある。そのためにグルコースを C O ₂まで分解する方法としては、糖代謝を利用する必要がある。ェタノ一ルについては、ァセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ A a 1 D H) によりァセチル C o — Aとしたのち、 T C A回路に渡す必要がある。

その他、グルコースを燃料とする場合には、糖代謝を応用することも可能である。糖代謝を利用した複合酵素反応は、解糖系によるグルコースの分解及びピルビン酸の生成、及びクェン酸サイクルに大別されるが、解糖系及びクェン酸サイクルは、広く知られる反応系であるので、ここではその説明は省略する。

本発明の燃料電池において、燃料極には、グラッシ一カーボン等のカーボン、 P t、 A u等を使用できる。空気極としては、例えば P t 等の触媒を担持したカーボンをフッ素系樹脂等で接合したもの等を利用できる。また、空気極には、さらにラッカーゼ等の酸化還元酵素を含有させてもよい。プロトン伝導膜としては例えば、米国デュポン社製、商品名 Naf ionll7等のフッ素系樹脂等が好適である。

以上説明したように、本発明の燃料電池では、各酵素の酵素活性の比を後段階となるにしたがって増大させ、例えば上述の式 ( 1 ) 及び式（ 2 ) のように規定することで、燃料（例えばメタノール）を C〇 ₂まで分解するとともに N AD H及び H +を生成する反応、及び生成した NAD Hを分解する反応を迅速に進めることができる。また、電子メデイエ一タとして VK 3を選択することで、 NAD Hから燃料極への電子の移動速度を速めることができる。以上の手法を単独で、又は併用することで、生体代謝を利用した燃料電池において、これまでにない大きな電流密度を実現することが可能となる。特に 2つの方法を併用することが好ましく、これによつてさらなる反応速度の向上が図られ、より大きな電流密度が得られる。

また、本発明の燃料電池は、高効率なエネルギー変換機構である生体代謝を利用して発電を行うので、室温での安定動作性に優れ、小型化及び軽量化が可能であり、燃料の取り扱いも極めて容易である等の利点も兼ね備える。

さらに、電池反応に寄与する酵素は、目的の酵素を産生する細胞ゃ微生物等を培養し、常法により抽出、精製すること等により得られるため、燃料電池の低コスト化を図ることも可能となる。

なお、本発明は上述の記載に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施例

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。下記の比較例及び実施例では、溶液中に酵素、補酵素、電子メデイエ一夕、燃料等を随時添加していくが、それぞれを先ず溶液に溶解させ、添加量を数 1 オーダ一と非常に少なく制御し、滴下以前の物質濃度減少、および溶液温度変化が無視できるように実験を行った。

<実験 1 >

先ず、 N AD Hの生成速度を調べることで、 NAD +依存型デヒドロゲナーゼの最適な酵素活性の比について検討した。

実施例 1

3 m 1 の 0. 1 Mトリス塩酸緩衝液（ p H 7. 0、 I . S . = 0. 3 ) に NAD +を 5 mM、メタノールを 1 M添加し、この溶液を撹拌するとともにアルゴンガスでパージを行った。さらに A D Hを 2 5ユニット、 F a 1 D Hを 5 0ユニット、 F a t e D H を 7 5ユニット添加した。これら N A D +依存型デヒドロゲナ一ゼを溶液に添加した時点から、紫外可視分光光度計を用いて吸光度を経時的に測定した。光路長は 1 c mである。測定波長は N A D Hに特徴的な 3 4 0 n mを選び、その吸光度変化から生成した NAD H濃度を決定した。なお、酵素溶液の温度は、 4 0 ± 1 °C の範囲に収まるように制御した。

実施例 2

N AD +依存型デヒドロゲナーゼとして、八01^を 2 5ュニット、 F a l D Hを 1 0 0ユニット、 F a t e D Hを 2 0 0ュニット添加したこと以外は、実施例 1 と同様にして NAD H濃度を測定した。

比較例 1

NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして、八011を 2 5ュニット添加し、 F a 1 D H及び F a t e D Hを添加しなかったこと以外は、実施例 1 と同様にして NADH濃度を測定した。

比較例 2

NAD +依存型デヒドロゲナーゼとして、 A D Hを 2 5ュニット、 F a 1 DHを 5 0ユニット添加し、 F a t e D Hを添加しなかったこと以外は、実施例 1 と同様にして NAD H濃度を測定した。

比較例 3

NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして、 AD Hを 2 5ュニット添加し、 F a 1 D H及び F a t e D Hを添加せずに測定を開始し、測定開始後 7. 8時間後に F a 1 D Hを 5 0ュニット添加し、 3009480

22 さらに測定開始後 9. 0時間後に F a t e D Hを 7 5ユニット添加したこと以外は、実施例 1 と同様にして NAD H濃度を測定した。

比較例 4

NAD +依存型デヒドロゲナーゼとして、 AD Hを 2 5ュニット、 F a 1 D Hを 2 0ユニット、 F a t e D Hを 1 5ユニット添加したこと以外は、実施例 1 と同様にして NAD H濃度を測定した。

以上のように測定した実施例 1 、実施例 2、及び比較例 1〜比較例 4の測定時間に対する NAD H濃度の変化を、第 5図に示すまた、実施例 1、実施例 2、及び比較例 1〜比較例 4に用いた N AD +依存型デヒドロゲナ一ゼの添加量を下記の表 1 に示す。なお、表 1 中、比較例 3の（+ ) は、測定の最初から酵素を添加したのではなく、測定途中に酵素を添加したことを表す。

第 5図から、実施例 1は、時間の経過に伴って NAD Hが順調に増加しており、 N A D +依存型デヒドロゲナ一ゼを 1種類又は 2種類しか含まない比較例 1及び比較例 2 に比べて N A D Hの生成速度が著しく高いことがわかる。

また、 AD H、 F a l D H、 F a t e D Hの順に増大する酵素活性の比を、実施例に比べてさらに増大させた実施例 2では、実施例 1よりもさらに NAD Hの生成速度の向上が観察された。これに対して、 NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして AD H のみが添加された比較例 1では、 N A D Hの生成は測定 7時間'後にほぼ頭打ちとなった。また、 N A D +依存型デヒドロゲナ一ゼとして A D H及び F a 1 D Hが添加された比較例 2では、比較例 1 に比べて N AD H生成速度は向上しているものの、やはり N A D Hの生成は頭打ちとなった。この原因は、メタノールが C〇 ₂ まで分解されずにホルムアルデヒド又は蟻酸として酵素溶液に蓄積し、これらが p Hの変化等を招いて酵素活性を低下させたためと考えられる。なお、第 5図中には示していないが、比較例 1 では、測定開始後 7. 8時間以降も NAD H濃度の顕著な増加は観察されなかった。

また、比較例 3では、 F a 1 D Hの添加までは比較例 1 と同じく低い NAD H生成速度であつたが、 F a 1 D H及び F a t e D Hの添加によって、それぞれの時点で NAD Hの生成速度が急激に上昇した。この理由は、測定開始後しばらくはホルムァルデヒドが蓄積していたが、 F a 1 D H及び F a t e D Hの添加によつて蟻酸、さらに C O ₂へと分解が進行したためと考えられる。

また、比較例 4は、 3種類の N AD +依存型デヒドロゲナ一ゼを含有するものの、 AD H、 F a 1 D H、 F a t e D Hの酵素活性比を実施例 1 とは逆に順次減少させたものであり、 N A D H生成速度は頭打ちとなった。この比較例 4では、 AD Hの酵素活性に比べて F a 1 D H及び F a t e D Hの酵素活性が不足しており、中間生成物であるホルムアルデヒド及び蟻酸の分解が停滞することによって、比較例 1及び比較例 2 と同様の現象が引き起こされたと考えられる。以上の実験 1 の結果から、メタノールを C〇 ₂に分解するに際して酵素活性を低下させるような中間生成物は速やかに分解する必要があり、このためには N A D +依存型デヒドロゲナーゼとして AD H、 F a l D H、 F a t e D Hの 3種類の酵素を、これらの酵素活性の比がこの順に増大させるよう存在させなければならないことが判明した。

く実験 2 >

次に、 3極セルを用いてオープンサーキット（〇 C V) 測定を行い、 NAD+依存型デヒドロゲナーゼ及び D I の最適な酵素活性の比を検討した。 3極セルは、作用極としてグラッシ一力一ポン（直径 3 mm)、対極として P t線、参照電極として A g /A g C l を用いたものである。また 3極セルは、 4 0 ± 1 °Cの範囲内に収まるように温度制御される。

実施例 3

実施例 3では、実験 1 における実施例 1 の酵素溶液に V K 3 を添加して調製した酵素溶液に、 D I を 2 0 0ュニット添加したときの 0 C Vを測定した。

そして、以下のようにして〇 C V測定を行った。具体的には、 l m l のトリス塩酸緩衝液（ p H 7. 0 ) ( I . S . = 0. 3 ) に VK 3 (酸化体）を 5 mM、 NAD +を 5 mM、メタノールを 1 M添加し、この溶液を撹拌するとともにアルゴンガスでパージを行った。なお、ここでの VK 3の濃度（ 5 mM) は、 D I の酵素活性に対して充分量である。次に AD Hを 2 5ユニット、 F a 1 D Hを 5 0ユニット、 F a t e D Hを 7 5ユニット添加し、 O C V測定を行った。〇 C Vが安定した時点でさらに D I を 2 0 0 ュニット添加し、この時点を測定開始時刻として O C Vを経時的に測定した。

実施例 4

D I を 4 0 0ュニット添加したこと以外は、実施例 3 と同様にして 0 C Vを測定した。

比較例 5

NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして AD Hを 2 5ュニット添加し、 F a 1 D H及ぴ F a t e D Hを添加しなかったこと以外は、実施例 3 と同様にして〇 C Vを測定した。

比較例 6

NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして、八011を 2 5ュニット、 F a 1 D Hを 5 0ユニット添加し、 F a t e D Hを添加しなかったこと以外は、実施例 3 と同様にして O C Vを測定した。

比較例 7

NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼとして、 AD Hを 2 5ュニット添加し、 F a 1 D H及び F a t e D Hを添加せずに測定を開始し、 0 C V測定開始後 2 8. 1分後に F a 1 D Hを 5 0ユニット添加し、さらに測定開始後 3 7. 3分後に F a t e D Hを 7 5ュニット添加したこと以外は、実施例 3 と同様にして O C Vを測定した。

比較例 8

D I を 1 0 0ュニット添加したこと以外は、実施例 3 と同様にして〇 C Vを測定した。 - 以上のように測定した実施例 3、実施例 4、及び比較例 5〜比較例 8の O C Vの変化を、第 6図に示す。また、実施例 3、実施例 4、及び比較例 5〜比較例 8 に用いた NAD +依存型デヒドロゲナーゼ及び D I の添加量（酵素活性）を下記の表 2に示す。なお、表 2中、比較例 7 の（+ ) は、測定の最初から酵素を添加したのではなく、測定途中に酵素を添加したことを表す。

表 2

第 6図から明らかなように、いずれの例においても〇 C V測定開始後から酵素反応が進行して VK 3の還元体が生成し、 O C V の減少が観察された。しかしながら、添加した酵素活性の大小によって 0 C Vの減少速度が異なるという結果が得られた。例えば実施例 3では、 NAD +依存型デヒドロゲナーゼによって生成する NAD Hに対して D I が充分量存在し、後述する比較例 5〜比較例 8 に比べて O C Vの減少速度が大であった。また、 D I の酵素活性をさらに増大させた実施例 4では、 N A D Hから V K 3への電子の受け渡しが加速し、〇 C Vの減少速度が増大し、 V K 3 の平衡酸化還元電位である— 0. 2 I V ( V s A g / A g C 1 ) 付近に迅速に到達した。これらのことから、実施例 3及び実施例 4の D I は、生成される NAD H量に対して充分であったといえる。

これに対して、 N A D Hの生成速度に比べて D I の酵素活性を不足させた比較例 8では、測定開始初期の〇 C Vの減少速度は充分であつたが、時間の経過とともに〇 C Vの減少速度が低下したこの理由は、 D I の酵素反応が律速となり、 NAD H量が増加したためと考えられる。

また、比較例 5〜比較例 7では、 D I の酵素活性は充分であるが、 N A D +依存型デヒドロゲナーゼの酵素活性が不足し、 N A D H生成速度が律速となり、〇 C Vの減少速度が小さくなつたと考えられる。なお、第 6図中には示していないが、比較例 5では、測定開始後 2 8. 1分以降も 0 C Vの顕著な低下は観察されなかつた。

以上の実験 2 の結果から、 NA D Hを生成する NAD +依存型デヒドロゲナ一ゼの酵素活性の和が、 N A D Hを酸化する D I の酵素活性以上でなければならないことが判明した。

なお、上述の実験 2では、作用電極、すなわち燃料極としてグラッシ一力一ボンを用いて動作させた例を示したが、 P t及び A uを用いた場合にも同様に動作することが確認された。

また、上述の実験 2では 3極セルを用いた例を示したが、空気極として P t触媒、プロトン伝導膜として N a f i o n膜を用いた燃料電池を動作させた場合にも、実験 2 と同様な結果が得られることを確認した。

Claims

請求の範囲

1. 燃料を複数の酵素による段階的な反応により分解するとともに、酸化反応に伴って生成する電子を電極に受け渡す燃料電池であって、

酵素 1 による分解反応により分解物 1 が生成する際の酵素 1 の酵素活性を U (E 1 ) とし、分解物 1 を分解する酵素群 2の酵素活性の総和を U ( E 2 ) とするとき、 U ( E 1 ) ≤ U ( E 2 ) であることを特徴とする燃料電池。

2. 前記酵素 1 は酸化酵素であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

3. 前記酵素 1 による分解反応が酸化反応であり、当該酸化反応により補酵素に電子の受け渡しをすることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

4. さらに、前記補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素を有し、

当該補酵素酸化酵素の酵素活性を U ( C o ) とし、前記複数の酵素のうち、当該補酵素の還元体の生成に関与する酵素群の酵素活性の総和を U ( E ) とするとき、 U ( C o ) ≥ U (E ) であることを特徴とする請求の範囲第 3項記載の燃料電池。

5. 前記補酵素の酸化体が N AD +、還元体が NADHであることを特徴とする請求の範囲第 3項記載の燃料電池。

6. 前記補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素が、ジァホラーゼであることを特徴とする請求の範囲第 4項記載の燃料電池。

7. 前記補酵素から、さらに電子メデイエ一夕に電子の受け渡しをすることを特徴とする請求の範囲第 3項記載の燃料電池。

8 . 前記電子メデイエ一夕はビタミン K 3であることを特徴とする請求の範囲第 7項記載の燃料電池。

9 . 前記燃料が、アルコール、糖類、脂肪類、タンパク質、有機酸類から選ばれる少なくとも 1種であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

1 0 . 前記燃料が、メタノール、エタノール、グルコースから選ばれる少なくとも 1種であることを特徴とする請求の範囲第 8項記載の燃料電池。 ' 1 1 . 上記燃料がメタノールであり、上記燃料を段階的に分解する複数の酵素が、アルコ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、及び蟻酸デヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

1 2 . 上記燃料がエタノールであり、上記燃料を段階的に分解する複数の酵素が、アルコールデヒドロゲナーゼ、及びアルデヒドデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

1 3 . 上記燃料がグルコースであり、上記燃料を段階的に分解する複数の酵素が、グルコースデヒドロゲナーゼ、ダルコノキナ —ゼ、及びフォスフォグルコネートデヒドロゲナ一ゼであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池。

1 4 . 上記燃料がメタノールであり、上記燃料を段階的に分解する複数の酵素がアルコールデヒドロゲナ一ゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、及び蟻酸デヒドロゲナーゼであり、上記補酵素の酸化を行う補酵素酸化酵素がジァホラーゼであり、

上記アルコールデヒドロゲナ一ゼ、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、及びジァホラ一ゼの酵素活性をそれぞれ U (AD H)、 U ( F a 1 D H), U ( F a t e D H)、 U (D I ) としたとき、以下の式（ 1 ) 及び式（ 2 ) の関係を満足することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の燃料電池。

0く U (ADH)≤U (FalDH)≤U (FateDH) · · · 式（ 1 )

U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH)≤ U (DI) · · ' 式（ 2 )