燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器
【課題】正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することができることにより出力特性、寿命、効率などの低下を防止することができ、電流の維持率の向上を図ることができる燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化した後、この酵素を固定化した電極の表面に、フェロセンなどの疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させて電極の表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することによりバイオ燃料電池の正極２を製造する。水と相分離する有機溶媒としてはメチルイソブチルケトンなどを用いる。この溶液に撥水材料を含ませることにより、電極の表面に撥水材料を形成して撥水性とする。撥水材料としてはカーボン粉末などを用いる。
【解決手段】内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化した後、この酵素を固定化した電極の表面に、フェロセンなどの疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させて電極の表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することによりバイオ燃料電池の正極２を製造する。水と相分離する有機溶媒としてはメチルイソブチルケトンなどを用いる。この溶液に撥水材料を含ませることにより、電極の表面に撥水材料を形成して撥水性とする。撥水材料としてはカーボン粉末などを用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器に関する。より詳細には、この発明は、正極（カソード）に酵素および電子メディエーターを固定化する燃料電池およびその製造方法に適用して好適なものである。さらに、この発明は、この燃料電池に用いて好適な酵素固定化電極およびその製造方法ならびにこの燃料電池を用いる電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酵素を用いた燃料電池（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。
【０００３】
このバイオ燃料電池の正極には、酸素を還元する酵素とともに電子メディエーターを固定化するのが一般的であり、電子メディエーターとしては従来よりヘキサシアノ鉄酸カリウム（フェリシアン化カリウム）、オクタシアノタングステン酸カリウムなどが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−７１５５９号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２１０号公報
【特許文献４】特開２００５−３１０６１３号公報
【特許文献５】特開２００６−２４５５５号公報
【特許文献６】特開２００６−４９２１５号公報
【特許文献７】特開２００６−９３０９０号公報
【特許文献８】特開２００６−１２７９５７号公報
【特許文献９】特開２００６−１５６３５４号公報
【特許文献１０】特開２００７−１２２８１号公報
【特許文献１１】特開２００７−３５４３７号公報
【特許文献１２】特開２００７−８７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らが種々の実験を行った結果得られた知見によれば、正極に酵素とともに固定化する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の電子メディエーターは、バイオ燃料電池の使用中に正極から溶出しやすい。このため、バイオ燃料電池の出力、寿命、効率などの低下が生じてしまうという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することにより、電流の維持率の向上を図った燃料電池およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、酵素とともに電子メディエーターが固定化される燃料電池の正極に適用して好適な酵素固定化電極およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、従来技術が有する上記の問題を解消するために、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターとしてフェロセンなどの疎水性の電子メディエーターを用いることを考えた。ところが、疎水性の高い電子メディエーターは水に不溶であるため、酵素などとの混合溶液を調製してカーボンなどからなる電極に塗布することができない。一方、フェロセンは、アセトンやエタノールなどの水と混じる有機溶媒には溶解するが、これらの有機溶媒にフェロセンを溶解した溶液を酵素を固定化した電極に塗布すると、これらの有機溶媒が酵素を失活させてしまう。そこで、本発明者らは鋭意研究を行った結果、酵素をほとんど溶解しない有機溶媒に疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布することなどにより疎水性の電子メディエーターを電極に固定化することが有効であるという結論に至った。この方法によれば、あらかじめ電極の表面に固定化された酵素を失活させずに疎水性の電子メディエーターを電極の表面に固定化することができる。
【０００７】
一方、上述のバイオ燃料電池の正極の電極材料には一般に、酸素の供給のために多孔質カーボンなどの、内部に空隙を有する材料が用いられる。このような内部に空隙を有する材料を用いた正極では、負極に供給される燃料溶液から電解質を通って正極側に移動する水や、負極から電解質を通って供給されるＨ+ が、外部から供給された酸素および負極から外部回路を通って送られた電子と反応することにより生成される水や、緩衝液を含む電解質から浸透圧により出てくる水などが、正極の内部の空隙を満たす結果、正極の内部が水没するおそれがある。このように正極の内部が水没すると、正極に対する酸素の供給が困難となることから、バイオ燃料電池から得られる電流が大幅に減少してしまう。このため、正極に含まれる水分量を管理することが重要であるが、これまでそのための有効な方法は提案されていなかった。本発明者らは、この問題を解消するために鋭意研究を行った結果、正極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合に、その空隙の内面を含むこの電極の表面の少なくとも一部を撥水性とすることにより、この正極に含まれる水分量を最適範囲に維持することができることを見出した。しかも、この場合、酵素の活性を維持しつつ、電極の表面を撥水化することができる。さらに検討を行った結果、この撥水化技術は、負極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合にも有効であるという結論に至った。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法である。
ここで、水と相分離する有機溶媒としては、典型的には、酵素の溶解度が十分に小さい、例えば溶解度が１０ｍｇ／ｍｌ以下、好適には１ｍｇ／ｍｌ以下の有機溶媒が用いられる。また、酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化された電極は、典型的には正極であるが、負極であってもよい。
【０００９】
また、この発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池である。
【００１０】
また、この発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器である。
【００１１】
上記の各発明において、電極の表面を撥水性とするためには、例えば、この電極の表面に撥水材料を形成する。具体的には、例えば、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させたものに疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布したり、染み込ませたり、電極をこの溶液にディップ（浸漬）したりする。撥水材料としては、好適には、微粒子状の撥水材料が用いられ、この微粒子状の撥水材料を水と相分離する有機溶剤に分散させる。この溶液中の撥水材料の割合は極微量であってもよい。
【００１２】
正極または負極の電極に用いる、内部に空隙を有する材料としては、一般的には多孔質の材料が用いられ、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が多く用いられるが、他の材料を用いてもよい。
【００１３】
この燃料電池においては、例えば、正極の一部に燃料溶液が接触するように構成され、あるいは、負極の外周面および正極の側面に燃料溶液が接触するように構成されるが、これに限定されるものではない。後者の場合には、例えば、正極のプロトン伝導体と反対側の面に、空気は透過し、燃料溶液は透過しない材料からなるシートが設けられる。
【００１４】
正極および負極に固定化される酵素は、種々のものであってよく、必要に応じて選ばれる。また、負極に酵素が固定化される場合、好適には、酵素に加えて電子メディエーターが固定化される。
正極に固定化される酵素は、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、マルチ銅酸化酵素を用いることができる。ただし、マルチ銅酸化酵素は、活性中心に４つの銅イオンを有し、酸素を４電子還元する酵素、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総称である。この場合、正極に酵素とともに固定化する疎水性の電子メディエーターとしては、例えば、次のようなものが挙げられる。
【００１５】
・フェロセンＦｅＣｐ2 （Ｃｐ：シクロペンタジエニル環；ｌｏｇＰｏｗ＝３．２８）およびｎ，ｎ´−置換−フェロセンＦｅ（ｎＸ−Ｃｐ）（ｎ´Ｙ−Ｃｐ）（ｎ，ｎ´＝１〜５、Ｘ，Ｙは置換基）のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
・水と相分離する有機溶媒に溶解するアントラキノン系またはナフトキノン系の化合物のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
【００１６】
正極には、必要に応じて、上記の疎水性の電子メディエーターとともに、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の親水性の電子メディエーターを固定化してもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
燃料として多糖類（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）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。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、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、マルトースのいずれか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。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。
【００１９】
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り、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、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも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。
【００２０】
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、六つの電子が生成される。
【００２１】
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分子につき二段階の酸化反応により合計４電子が生成されることになる。
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。
【００２２】
負極に酵素とともに固定化す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が、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）などが用いられる。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。
【００２３】
一つの例では、負極に電子メディエーターとしての２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、補酵素としての還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化酵素としてのグルコースデヒドロゲナーゼおよび補酵素酸化酵素としてのジアホラーゼを固定化し、好適には、これらを１．０（ｍｏｌ）：０．３３〜１．０（ｍｏｌ）：（１．８〜３．６）×１０6 （Ｕ）：（０．８５〜１．７）×１０7 （Ｕ）の比で固定化する。ただし、Ｕ（ユニット）とは、酵素活性を示す一つの指標であり、ある温度およびｐＨにおいて１分間当たり１μｍｏｌの基質が反応する度合いを示す。
酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極または正極に固定化するための固定化材としては、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。
【００２４】
プロトン伝導体としては、電子伝導性を持たず、プロトンのみ伝導するものである限り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。具体的には、プロトン伝導体としては、例えば次のようなものが挙げられる。
・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）
・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）
【００２５】
また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーター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。
【００２６】
また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極である。
【００２７】
上記の発明による酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極は、正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池の正極に適用して好適なものである。上記の酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、上記の発明による燃料電池の製造方法および燃料電池の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２８】
上述のように構成されたこの発明においては、内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化し、この酵素を固定化した電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させるようにしている。このため、酵素を失活させることなく、電極の表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。この疎水性の電子メディエーターは水に溶けないため、水を含む緩衝液中にはほとんど溶出しない。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することができることにより、電流の維持率の向上を図ることができ、優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。そして、このように優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の第１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２】この発明の第１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の一例およびこの酵素群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３】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の一例を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の他の例を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったリニアスイープボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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
２．第２の実施の形態
【００３２】
〈１．第１の実施の形態〉
図１は第１の実施の形態による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ものとする。図２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の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
【００３３】
図１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極１と正極２とが電子伝導性を持たず、プロトンのみ伝導する電解質層３を介して対向した構造を有する。負極１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２は、負極１から電解質層３を通って輸送されたプロトンと負極１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。
【００３４】
負極１は、内部に空隙を有する材料、例えば多孔質カーボンなどからなる電極１１（図２参照）上に、グルコースの分解に関与する酸化酵素のほか、補酵素、補酵素酸化酵素、電子メディエーターなどが固定化材（図示せず）により固定化されたものである。ここで、グルコースの分解に関与する酸化酵素はグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）である。補酵素は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ものであり、例えばＮＡＤ+ 、ＮＡＤＰ+ などである。補酵素酸化酵素は補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨなど）を酸化するものであり、ジアホラーゼ（ＤＩ）である。電子メディエーターは、ジアホラーゼから補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡すためのものである。
【００３５】
グルコースの分解に関与する酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）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−グルコネートになる。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層３を通って正極２へ輸送される。
【００３８】
電子メディエーターは電極１１との間で電子の受け渡しを行うもので、バイオ燃料電池の出力電圧は、電子メディエーターの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い出力電圧を得るには、負極１側ではよりネガティブな電位の電子メディエーターを選ぶとよい。しかしながら、電子メディエーターの酵素に対する反応親和性、電極１１との電子交換速度、阻害因子（光、酸素など）に対する構造安定性なども考慮しなければならない。このような観点から、負極１に固定化する電子メディエーターは、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）やビタミンＫ３（ＶＫ３）などが好適である。そのほか、例えばキノン骨格を有する化合物、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属錯体も電子メディエーターとして用いることができる。さらに、ベンジルビオローゲンなど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、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物なども電子メディエーターとして用いることができる。
【００３９】
電解質層３は負極１において発生したＨ+ を正極２に輸送するプロトン伝導体であり、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。この電解質層３は、例えばすでに挙げたものの中から適宜選ばれたものを用いることができる。この場合、この電解質層３は緩衝物質（緩衝液）を含む。このように緩衝物質（緩衝液）を含む電解質層３を用いる場合には、高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減が電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝作用を得ることができることが望ましい。このように十分な緩衝作用を得ることができることにより、至適ｐＨからのｐＨのずれを十分に小さく抑えることができ、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ことができる。このためには、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５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。具体例を挙げると、次の通りである。
【００４０】
・リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）
・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（Ｔｒｉｓ））
・２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）
・カコジル酸
・炭酸（Ｈ2 ＣＯ3 ）
・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）
リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）などである。
【００４１】
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。このイミダゾール環を含む化合物の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
イミダゾール誘導体の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
上記の緩衝物質としての、イミダゾール環を有する化合物の濃度は必要に応じて選ばれるが、好適には０．２Ｍ以上３Ｍ以下の濃度とする。
緩衝物質としては、上に挙げたもののほか、２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳ（N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid）、ＢＥＳ（N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid）などを用いてもよい。
【００４２】
上述の緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ3 ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ3 ＰＯ4 ）および硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）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。
【００４３】
緩衝物質のイオン強度（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。
【００４４】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えるために、固定化材を用いて電極１１上に固定化されることが好ましい。さらに、燃料を分解する酵素および補酵素も電極１１上に固定化することで、負極１の酵素反応系の安定化を図ることができる。このような固定化材としては、具体的には、例えば、ポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）、グルタルアルデヒド（ＧＡ）、ポリ−Ｌ−リシンとグルタルアルデヒドとを組み合わせたもの、ポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。ポリイオンコンプレックスは、例えば、ポリ−Ｌ−リシンをはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるものである。
【００４５】
図２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電極１１に渡す電子メディエータがＡＣＮＱである場合が図示されている。
【００４６】
正極２は、内部に空隙を有する材料、例えば多孔質カーボンなどからなる電極上に酸素還元酵素およびこの電極との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターが固定化されたものである。酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）、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。電子メディエーターとしては、少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターが用いられ、必要に応じてさらにヘキサシアノ鉄酸カリウム（より詳細には、ヘキサシアノ鉄酸カリウムの電離により生成されるヘキサシアノ鉄酸イオン）などの少なくとも一種類の親水性の電子メディエーターが用いられる。
【００４７】
この正極２においては、酸素還元酵素の存在下で、電解質層３からのＨ+ と負極１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。
以上のように構成された燃料電池の動作時（使用時）において、負極１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１側で電子とＨ+ とを生成することができ、負極１と正極２との間で電流を発生させることができる。
【００４８】
このバイオ燃料電池においては、正極２に用いられる、内部に空隙を有する電極の表面の少なくとも一部、好適には大半を撥水性とする。ここで、電極の表面とは、電極の外面と電極内部の空隙の内面との全体を含む。具体的には、例えば、この電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成することにより撥水性としている。この撥水材料を電極内部の空隙の内面に形成するためには、この撥水材料は、この空隙の大きさより十分に小さい微粒子（粉末）状とし、空隙の内部の空間の大半がこの撥水材料により占められないようにする必要がある。
【００４９】
撥水材料としては種々のものを用いることができるが、例えばカーボン系の材料、好適にはカーボン粉末を用いることができる。カーボン粉末としては、例えば、天然黒鉛などの黒鉛、活性炭、リチウムイオン電池の添加材などに使用されるカーボンナノファイバー（気相法炭素繊維）、ケッチェンブラックなどを用いることができ、取り分け黒鉛粉末を用いることが好ましい。撥水材料としては撥水性ポリマーを用いることもできる。このような撥水性ポリマーとしては、例えば、ポリビニルブチラールのほか、各種のフッ素系ポリマーなどを用いることができる。フッ素系ポリマーの具体例を挙げると、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニル、パーフルオロアルコキシ樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルスルフォンなどであるが、これらに限定されるものではない。
【００５０】
上述のように電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成するためには、例えば、この撥水材料を水と相分離する有機溶媒に分散させ、さらに少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターを溶解させた溶液をこの電極の表面に塗布し、内部の空隙を通してこの電極に含浸させた後、有機溶媒を除去する。
【００５１】
上記の水と相分離する有機溶媒としては、好適には、メチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタン、ジエチルエーテルなどが用いられる。この有機溶媒としては、一般的には、脂肪族、脂環式または芳香族系の炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、これらのハロゲン化物などの各種の有機溶媒を用いることができる。この有機溶媒としては、より具体的には、例えば、ブタン類、ペンタン類、ヘキサン類、ヘプタン類、オクタン類、ノナン類、デカン類、ドデカン類、シクロヘキサン、シクロペンタン、ベンゼン、キシレン類、ブタノール、ペンタノール、メチルエーテル、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、塩化メチレン、メチルクロロホルム、四塩化炭素、ジクロロジフルオロメタン、パークロロエチレン、塩素原子、臭素原子および（または）ヨウ素原子で１個以上置換されたベンゼン系溶媒やトルエン系溶媒などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、また、これらは単独で用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。
【００５２】
水と相分離する有機溶媒としては、塩化メチレン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、モノクロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン、２−クロロトルエン、３−クロロトルエン、４−クロロトルエン、２−クロロ−ｍ−キシレン、２−クロロ−ｐ−キシレン、４−クロロ−ｏ−キシレン、２，３−ジクロロトルエン、２，４−ジクロロトルエン、２，５−ジクロロトルエン、２，６−ジクロロトルエン、３，４−ジクロロトルエン、モノフルオロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素溶媒、ニトロベンゼン、ベンゼンなどの炭化水素溶媒なども挙げられる。また、水と相分離する有機溶媒としては、例えば、シクロヘキサン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサノン、１−メトキシイソプロパノールアセテート、酢酸エチル、酢酸ブチル、石油エーテル、シリコンオイルなども挙げられる。
【００５３】
水と相分離する有機溶媒としてはさらに、イオン性液体を用いることもできる。このイオン性液体としては、例えば、アニオンとして、フルオロアルキル硫酸アニオン、フルオロシクロアルキル硫酸アニオンおよびフルオロベンジル硫酸アニオンからなる群から選ばれた少なくも１つのアニオンを含有するものが挙げられる。
【００５４】
水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液には、必要に応じて、バインダーなどを含ませる。このバインダーとしては種々のものを用いることができるが、ポリビニルブチラールなどの撥水性が高いバインダーを用いるとより好ましい。この溶液中のバインダーの割合は例えば０．０１〜１０％であるが、これに限定されるものではない。バインダーが例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの撥水性を有するものである場合にはこのバインダー自身を撥水材料として用いることができる。
上記の溶液を用いる場合、正極２に固定化された酵素を失活させないようにすることが重要であるが、有機溶剤としてすでに挙げたものを用いることにより酵素の失活を防止することができる。
【００５５】
このバイオ燃料電池の全体構成の二つの例を図３および図４に示す。
図３に示すバイオ燃料電池においては、電解質層３を介して負極１と正極２とが対向した構造を有し、また、正極２の電解質層３と反対側の面に空気は透過し、燃料溶液１２は透過しない材料からなるシート１３が貼り付けられている。そして、負極１の外面（上面および側面）の全体と負極１、正極２の側面および正極２の外部にはみ出した部分の電解質層３とに燃料溶液１２（燃料溶液１２の収容容器の図示は省略する）が接触している。電解質層３としては例えば不織布が用いられるが、これに限定されるものではない。また、シート１３としては例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンが用いられるが、これに限定されるものではない。このバイオ燃料電池においては、正極２の側面と燃料溶液１２とが接触しているので、電池反応の進行に伴って正極２の内部に生成される水がこの正極２の側面を通って燃料溶液１２中に戻される。このため、燃料溶液１２の濃度をほぼ一定に保つことができる。
【００５６】
図４に示すバイオ燃料電池においては、電解質層３を介して負極１と正極２とが対向した構造を有する。そして、負極１の外面（上面および側面）の全体と負極１および正極２の外部にはみ出した部分の電解質層３に燃料溶液１２（燃料溶液１２の収容容器の図示は省略する）が接触している。電解質層３としては例えばセロハンが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００５７】
電極の表面に電子メディエーターとして疎水性の電子メディエーターを固定化した正極２の評価を行った結果について説明する。
正極２としては、次のようにして作製される酵素／電子メディエーター固定化電極を用いた。まず、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製 ＢＯ０５０）を用意し、このカーボンフェルトを焼成後、２枚重ねて１ｃｍ角に切り抜いた。次に、ポリ−Ｌ−リシン（２ｗｔ％水溶液）８０μｌと、ＢＯＤ溶液８０μｌ（１００ｍｇ／ｍｌ、０．４Ｍイミダゾール／硫酸緩衝液）とを混合後、上記のカーボンフェルトに染み込ませ、乾燥させた。こうして、カーボンフェルトにＢＯＤが固定化される。次に、撥水材料としてカーボン粉末、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂などを含む有機溶媒のメチルイソブチルケトンに、疎水性の電子メディエーターとしてのフェロセンを２００ｍＭ溶解させた溶液を調製する。次に、この溶液中にＢＯＤが固定化されたカーボンフェルトをディップし、このカーボンフェルトの表面にこの溶液を塗布した。この後、乾燥を行ってこの溶液中に含まれる有機溶剤を除去する。こうして、カーボンフェルトの表面に撥水層を形成して撥水性とするとともに、カーボンフェルト内にフェロセンを均一に分散させた。こうして得られる酵素／電子メディエーター固定化電極の厚さは０．３５ｍｍであり、面積は１ｃｍ2 である。
【００５８】
正極２に固定化された酵素、すなわちＢＯＤに対する、上記の黒鉛粉末などを含む溶液の影響を調べるために、この溶液に含まれる有機溶媒であるメチルイソブチルケトンとＢＯＤ溶液（５ｍｇ／ｍｌ ５０ｍＭリン酸緩衝液）とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、メチルイソブチルケトンと水とに相分離することが確認された。この場合、ＢＯＤの活性は維持されていることが確認された。これは、ＢＯＤは水相に存在するので、失活しにくいためである。ここで、メチルイソブチルケトンの水に対する溶解度は１．９１ｇ／１００ｍＬである。
【００５９】
さらに、有機溶媒としてヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタン、ジエチルエーテルを用い、これらの有機溶媒とＢＯＤ溶液とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、これらの有機溶媒と水とに相分離することが確認された。これらの場合も、ＢＯＤの活性は維持されていることが確認された。ここで、ヘプタン、トルエンおよびイソオクタンは水に不溶であり、ヘキサンの水に対する溶解度は１３ｍｇ／Ｌ、ジエチルエーテルの水に対する溶解度は６．９ｇ／１００ｍＬである。
【００６０】
一方、有機溶媒としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、エタノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を用い、これらの有機溶媒とＢＯＤ溶液とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、これらの混合溶液は白濁することが確認された。このことから、ＢＯＤが変性したことが分かる。すなわち、これらの有機溶媒を用いた場合には、ＢＯＤは失活してしまう。ここで、これらのテトラヒドロフラン、アセトン、エタノールおよびＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドはいずれも水と混和するものである。
【００６１】
次に、上述のようにして、メチルイソブチルケトン中にカーボン粉末として天然黒鉛を１３〜１８％含む溶液を用いてカーボンフェルトの表面を撥水性としたものの撥水性の確認を行った。具体的には、表面を上記の溶液で撥水性としたカーボンフェルトおよび表面を撥水性としていないカーボンフェルトを用意する。そして、これらのカーボンフェルトを室温に放置した場合および温度２５℃、湿度１００％で６時間保った場合にこれらのカーボンフェルトに含まれる水分量を、カール・フィッシャー水分量測定器（（株）ダイアインスツルメント製、ＶＡ−１００型）を用いて測定した。その結果を下記に示す。
【００６２】
撥水性なしのカーボンフェルト
（１）室温放置
１回目 ６３２．５
２回目 ７１８．９
３回目 ６４５．１
平均 ６６５．５
（２）温度２５℃、湿度１００％で６時間放置
１回目 １８４８２．２
２回目 １５４３４．４
３回目 １２５４９．１
平均 １５４８８．６
【００６３】
撥水性としたカーボンフェルト
（１）室温放置
１回目 １４８１．７
２回目 ７５６．６
３回目 ６９８．１
４回目 １３３８．１
平均 １０６８．６
（２）温度２５℃、湿度１００％で６時間放置
１回目 ４９４３．８
２回目 ３５１６．８
３回目 ７２８０．８
平均 ５２４７．１
【００６４】
以上の結果より、メチルイソブチルケトン中に撥水材料として黒鉛粉末を含む溶液で表面を撥水性としたカーボンフェルトに含まれる水分量は、表面を撥水性としていないカーボンフェルトに含まれる水分量に比べて約１／３と少なく、撥水材料で表面を撥水性としたカーボンフェルトは確かに撥水性を有することが分かった。
【００６５】
上述のようにして作製した酵素／電子メディエーター固定化電極からなる正極２の電気化学特性を測定した。使用した測定系を図５に示す。図５に示すように、正極２を作用電極とし、これを透気性のＰＴＦＥメンブレン１４上に載せてプレスし、この正極２に緩衝液１５を接触させた状態で測定を行った。緩衝液１５内に対極１６および参照電極１７を浸漬し、作用極としての正極２、対極１６および参照電極１７に電気化学測定装置（図示せず）を接続した。対極１６としてはＰｔ線、参照電極１７としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気下で行い、測定温度は２５℃とした。緩衝液１５としては、２．０Ｍイミダゾール／硫酸緩衝液（ｐＨ７．０）を用いた。
【００６６】
図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを９００秒間行った。クロノアンペロメトリーにおける印加電圧は０．２５Ｖ vs.Ａｇ｜ＡｇＣｌとした。この測定結果を図６の曲線（１）に示す。また、同様な測定をアルゴン下で行った結果を図６の曲線（２）に示す。さらに、図５に示す測定系を用いてリニアスイープボルタンメトリーも行った。リニアスイープボルタンメトリーでは、０．６〜−０．３０Ｖ vs.Ａｇ｜ＡｇＣｌの電位領域を１ｍＶ／ｓの速度で０．６５Ｖから負側に向けて電位走査した。この結果を図７に示す。
【００６７】
図６の曲線（１）に示すように、大気下では約３ｍＡ／ｃｍ2 の電流値が９００秒間にわたって安定的に観測されている。一方、図６の曲線（２）に示すように、アルゴン下では０．５ｍＡ／ｃｍ2 程度の電流値しか観測されていない。このことから、大気下で観測された電流値は、正極２に固定化されたＢＯＤによる触媒電流であることが分かる。
【００６８】
図８は、正極２に固定化した電子メディエーターがヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮと略記）である場合と疎水性のフェロセン（Ｆｃと略記）である場合とについて図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを９００秒間行った結果を示す。従来より電子メディエーターとして用いられているヘキサシアノ鉄酸カリウムは水に対する溶解度が非常に高い。したがって、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは、固定化の際には高濃度の水溶液として簡単に塗布することができる利点がある反面、電気化学測定中には正極２から緩衝液中に容易に溶出してしまう。このため、図８の曲線（１）に示すように、測定開始の初期には高い電流値が得られるが、その維持率は低くなる。これに対して、フェロセンは水に不溶であるので、測定中に正極２から緩衝液中に溶出することはほとんどない。このため、図８の曲線（２）に示すように、ヘキサシアノ鉄酸カリウムを用いた場合に比べて電流値自体は低いものの、維持率は高く、安定した触媒電流が得られている。
【００６９】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、正極２の電極の表面に、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を接触させた後、有機溶媒を乾燥させている。これにより、固定化された酵素の活性を維持しながら、この表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。このため、バイオ燃料電池の使用中に正極２から電子メディエーターが溶出するのを防止することができるので、出力特性、寿命、効率などの低下を防止することができ、電流の維持率の向上を図ることができる。また、正極２の表面に撥水材料を形成することにより撥水性としているので、正極２に含まれる水分量を最適範囲に維持することができ、それによって高い触媒電流を得ることができ、ひいてはバイオ燃料電池において高い電流値を継続的に得ることができる。
【００７０】
加えて、電解質層３が、イミダゾール環を含む化合物などの緩衝物質を適切な濃度含むことにより、十分な緩衝能を得ることができる。このため、バイオ燃料電池の高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減がプロトンの電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝能を得ることができ、酵素の周囲の電解質のｐＨの至適ｐＨからのずれを十分に小さく抑えることができる。このため、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、酵素、補酵素、電子メディエーターなどによる電極反応を効率よく定常的に行うことができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。
【００７１】
このバイオ燃料電池はおよそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わない。具体的には、この燃料電池は、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る。この場合、用途などによって燃料電池の出力、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。具体例を挙げると、例えば、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ（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。モバイル機器は、携帯情報端末機（ＰＤＡ）などである。
【００７２】
〈２．第２の実施の形態〉
第１の実施の形態においては、正極２の電極に疎水性の電子メディエーターだけを固定化するのに対し、第２の実施の形態においては、正極２の電極に疎水性の電子メディエーターと従来より用いられている親水性の電子メディエーターとの両方を固定化する。その他のことは第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
図９は、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮ）とフェロセン（Ｆｃ）との両方を固定化した場合について図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを１５００秒間行った結果（曲線（３））を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは２００ｍＭのものを４０μＬ塗布して固定化し、フェロセン（Ｆｃ）は２００ｍＭのものを７０ｍＬ塗布して固定化した。図９には、比較のために、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合（曲線（１））およびフェロセンだけを固定化した場合（曲線（２））について図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを１５００秒間行った結果を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは２００ｍＭのものを８０μＬ塗布して固定化した。また、フェロセンは２００ｍＭのものを１４０ｍＬ塗布して固定化した。図９の曲線（４）〜（６）はそれぞれ曲線（１）〜（３）の電流値の標準偏差（ｓｔｄｅｖ）である。図９の曲線（３）に示すように、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮ）とフェロセン（Ｆｃ）との両方を固定化した場合の電流値およびその維持率は、電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とフェロセンだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とのほぼ中間の値を示している。このことから、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムに加えてフェロセンを固定化した場合も、従来のように正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合に比べて電流値およびその維持率の向上を図ることができることが分かる。
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【００７４】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態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。
【符号の説明】
【００７５】
１…負極、２…正極、３…電解質層、１１…電極
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池およびその製造方法ならびに酵素固定化電極およびその製造方法ならびに電子機器に関する。より詳細には、この発明は、正極（カソード）に酵素および電子メディエーターを固定化する燃料電池およびその製造方法に適用して好適なものである。さらに、この発明は、この燃料電池に用いて好適な酵素固定化電極およびその製造方法ならびにこの燃料電池を用いる電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酵素を用いた燃料電池（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。
【０００３】
このバイオ燃料電池の正極には、酸素を還元する酵素とともに電子メディエーターを固定化するのが一般的であり、電子メディエーターとしては従来よりヘキサシアノ鉄酸カリウム（フェリシアン化カリウム）、オクタシアノタングステン酸カリウムなどが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−７１５５９号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２１０号公報
【特許文献４】特開２００５−３１０６１３号公報
【特許文献５】特開２００６−２４５５５号公報
【特許文献６】特開２００６−４９２１５号公報
【特許文献７】特開２００６−９３０９０号公報
【特許文献８】特開２００６−１２７９５７号公報
【特許文献９】特開２００６−１５６３５４号公報
【特許文献１０】特開２００７−１２２８１号公報
【特許文献１１】特開２００７−３５４３７号公報
【特許文献１２】特開２００７−８７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らが種々の実験を行った結果得られた知見によれば、正極に酵素とともに固定化する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の電子メディエーターは、バイオ燃料電池の使用中に正極から溶出しやすい。このため、バイオ燃料電池の出力、寿命、効率などの低下が生じてしまうという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することにより、電流の維持率の向上を図った燃料電池およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、酵素とともに電子メディエーターが固定化される燃料電池の正極に適用して好適な酵素固定化電極およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記のような優れた燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、従来技術が有する上記の問題を解消するために、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターとしてフェロセンなどの疎水性の電子メディエーターを用いることを考えた。ところが、疎水性の高い電子メディエーターは水に不溶であるため、酵素などとの混合溶液を調製してカーボンなどからなる電極に塗布することができない。一方、フェロセンは、アセトンやエタノールなどの水と混じる有機溶媒には溶解するが、これらの有機溶媒にフェロセンを溶解した溶液を酵素を固定化した電極に塗布すると、これらの有機溶媒が酵素を失活させてしまう。そこで、本発明者らは鋭意研究を行った結果、酵素をほとんど溶解しない有機溶媒に疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布することなどにより疎水性の電子メディエーターを電極に固定化することが有効であるという結論に至った。この方法によれば、あらかじめ電極の表面に固定化された酵素を失活させずに疎水性の電子メディエーターを電極の表面に固定化することができる。
【０００７】
一方、上述のバイオ燃料電池の正極の電極材料には一般に、酸素の供給のために多孔質カーボンなどの、内部に空隙を有する材料が用いられる。このような内部に空隙を有する材料を用いた正極では、負極に供給される燃料溶液から電解質を通って正極側に移動する水や、負極から電解質を通って供給されるＨ+ が、外部から供給された酸素および負極から外部回路を通って送られた電子と反応することにより生成される水や、緩衝液を含む電解質から浸透圧により出てくる水などが、正極の内部の空隙を満たす結果、正極の内部が水没するおそれがある。このように正極の内部が水没すると、正極に対する酸素の供給が困難となることから、バイオ燃料電池から得られる電流が大幅に減少してしまう。このため、正極に含まれる水分量を管理することが重要であるが、これまでそのための有効な方法は提案されていなかった。本発明者らは、この問題を解消するために鋭意研究を行った結果、正極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合に、その空隙の内面を含むこの電極の表面の少なくとも一部を撥水性とすることにより、この正極に含まれる水分量を最適範囲に維持することができることを見出した。しかも、この場合、酵素の活性を維持しつつ、電極の表面を撥水化することができる。さらに検討を行った結果、この撥水化技術は、負極が酵素が固定化された電極からなり、この電極が多孔質カーボンなどの内部に空隙を有するものである場合にも有効であるという結論に至った。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法である。
ここで、水と相分離する有機溶媒としては、典型的には、酵素の溶解度が十分に小さい、例えば溶解度が１０ｍｇ／ｍｌ以下、好適には１ｍｇ／ｍｌ以下の有機溶媒が用いられる。また、酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化された電極は、典型的には正極であるが、負極であってもよい。
【０００９】
また、この発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池である。
【００１０】
また、この発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器である。
【００１１】
上記の各発明において、電極の表面を撥水性とするためには、例えば、この電極の表面に撥水材料を形成する。具体的には、例えば、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させたものに疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を電極の表面に塗布したり、染み込ませたり、電極をこの溶液にディップ（浸漬）したりする。撥水材料としては、好適には、微粒子状の撥水材料が用いられ、この微粒子状の撥水材料を水と相分離する有機溶剤に分散させる。この溶液中の撥水材料の割合は極微量であってもよい。
【００１２】
正極または負極の電極に用いる、内部に空隙を有する材料としては、一般的には多孔質の材料が用いられ、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が多く用いられるが、他の材料を用いてもよい。
【００１３】
この燃料電池においては、例えば、正極の一部に燃料溶液が接触するように構成され、あるいは、負極の外周面および正極の側面に燃料溶液が接触するように構成されるが、これに限定されるものではない。後者の場合には、例えば、正極のプロトン伝導体と反対側の面に、空気は透過し、燃料溶液は透過しない材料からなるシートが設けられる。
【００１４】
正極および負極に固定化される酵素は、種々のものであってよく、必要に応じて選ばれる。また、負極に酵素が固定化される場合、好適には、酵素に加えて電子メディエーターが固定化される。
正極に固定化される酵素は、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、マルチ銅酸化酵素を用いることができる。ただし、マルチ銅酸化酵素は、活性中心に４つの銅イオンを有し、酸素を４電子還元する酵素、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総称である。この場合、正極に酵素とともに固定化する疎水性の電子メディエーターとしては、例えば、次のようなものが挙げられる。
【００１５】
・フェロセンＦｅＣｐ2 （Ｃｐ：シクロペンタジエニル環；ｌｏｇＰｏｗ＝３．２８）およびｎ，ｎ´−置換−フェロセンＦｅ（ｎＸ−Ｃｐ）（ｎ´Ｙ−Ｃｐ）（ｎ，ｎ´＝１〜５、Ｘ，Ｙは置換基）のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
・水と相分離する有機溶媒に溶解するアントラキノン系またはナフトキノン系の化合物のうち、マルチ銅酸化酵素に対する電子供与体となりうる化合物
【００１６】
正極には、必要に応じて、上記の疎水性の電子メディエーターとともに、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の親水性の電子メディエーターを固定化してもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
燃料として多糖類（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）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。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、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、マルトースのいずれか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。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。
【００１９】
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り、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、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも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。
【００２０】
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、六つの電子が生成される。
【００２１】
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分子につき二段階の酸化反応により合計４電子が生成されることになる。
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。
【００２２】
負極に酵素とともに固定化す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が、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）などが用いられる。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。
【００２３】
一つの例では、負極に電子メディエーターとしての２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、補酵素としての還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化酵素としてのグルコースデヒドロゲナーゼおよび補酵素酸化酵素としてのジアホラーゼを固定化し、好適には、これらを１．０（ｍｏｌ）：０．３３〜１．０（ｍｏｌ）：（１．８〜３．６）×１０6 （Ｕ）：（０．８５〜１．７）×１０7 （Ｕ）の比で固定化する。ただし、Ｕ（ユニット）とは、酵素活性を示す一つの指標であり、ある温度およびｐＨにおいて１分間当たり１μｍｏｌの基質が反応する度合いを示す。
酵素、補酵素、電子メディエーターなどを負極または正極に固定化するための固定化材としては、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。
【００２４】
プロトン伝導体としては、電子伝導性を持たず、プロトンのみ伝導するものである限り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。具体的には、プロトン伝導体としては、例えば次のようなものが挙げられる。
・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）
・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）
【００２５】
また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーター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。
【００２６】
また、この発明は、
内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極である。
【００２７】
上記の発明による酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極は、正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池の正極に適用して好適なものである。上記の酵素固定化電極の製造方法および酵素固定化電極の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、上記の発明による燃料電池の製造方法および燃料電池の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２８】
上述のように構成されたこの発明においては、内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化し、この酵素を固定化した電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させるようにしている。このため、酵素を失活させることなく、電極の表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。この疎水性の電子メディエーターは水に溶けないため、水を含む緩衝液中にはほとんど溶出しない。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、正極に酵素とともに固定化する電子メディエーターの溶出を防止することができることにより、電流の維持率の向上を図ることができ、優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。そして、このように優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の第１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２】この発明の第１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の一例およびこの酵素群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３】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の一例を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の全体構成の他の例を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの測定に用いられた測定系を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったリニアスイープボルタンメトリーの結果を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の評価のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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
２．第２の実施の形態
【００３２】
〈１．第１の実施の形態〉
図１は第１の実施の形態による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ものとする。図２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の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
【００３３】
図１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極１と正極２とが電子伝導性を持たず、プロトンのみ伝導する電解質層３を介して対向した構造を有する。負極１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２は、負極１から電解質層３を通って輸送されたプロトンと負極１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。
【００３４】
負極１は、内部に空隙を有する材料、例えば多孔質カーボンなどからなる電極１１（図２参照）上に、グルコースの分解に関与する酸化酵素のほか、補酵素、補酵素酸化酵素、電子メディエーターなどが固定化材（図示せず）により固定化されたものである。ここで、グルコースの分解に関与する酸化酵素はグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）である。補酵素は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ものであり、例えばＮＡＤ+ 、ＮＡＤＰ+ などである。補酵素酸化酵素は補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨなど）を酸化するものであり、ジアホラーゼ（ＤＩ）である。電子メディエーターは、ジアホラーゼから補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡すためのものである。
【００３５】
グルコースの分解に関与する酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）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−グルコネートになる。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層３を通って正極２へ輸送される。
【００３８】
電子メディエーターは電極１１との間で電子の受け渡しを行うもので、バイオ燃料電池の出力電圧は、電子メディエーターの酸化還元電位に依存する。つまり、より高い出力電圧を得るには、負極１側ではよりネガティブな電位の電子メディエーターを選ぶとよい。しかしながら、電子メディエーターの酵素に対する反応親和性、電極１１との電子交換速度、阻害因子（光、酸素など）に対する構造安定性なども考慮しなければならない。このような観点から、負極１に固定化する電子メディエーターは、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）やビタミンＫ３（ＶＫ３）などが好適である。そのほか、例えばキノン骨格を有する化合物、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属錯体も電子メディエーターとして用いることができる。さらに、ベンジルビオローゲンなど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、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物なども電子メディエーターとして用いることができる。
【００３９】
電解質層３は負極１において発生したＨ+ を正極２に輸送するプロトン伝導体であり、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。この電解質層３は、例えばすでに挙げたものの中から適宜選ばれたものを用いることができる。この場合、この電解質層３は緩衝物質（緩衝液）を含む。このように緩衝物質（緩衝液）を含む電解質層３を用いる場合には、高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減が電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝作用を得ることができることが望ましい。このように十分な緩衝作用を得ることができることにより、至適ｐＨからのｐＨのずれを十分に小さく抑えることができ、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ことができる。このためには、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５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。具体例を挙げると、次の通りである。
【００４０】
・リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）
・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（Ｔｒｉｓ））
・２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）
・カコジル酸
・炭酸（Ｈ2 ＣＯ3 ）
・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）
リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）などである。
【００４１】
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。このイミダゾール環を含む化合物の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
イミダゾール誘導体の具体例を挙げると、次の通りである。
・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
上記の緩衝物質としての、イミダゾール環を有する化合物の濃度は必要に応じて選ばれるが、好適には０．２Ｍ以上３Ｍ以下の濃度とする。
緩衝物質としては、上に挙げたもののほか、２−アミノエタノール、トリエタノールアミン、ＴＥＳ（N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid）、ＢＥＳ（N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid）などを用いてもよい。
【００４２】
上述の緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ3 ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ3 ＰＯ4 ）および硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）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。
【００４３】
緩衝物質のイオン強度（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。
【００４４】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えるために、固定化材を用いて電極１１上に固定化されることが好ましい。さらに、燃料を分解する酵素および補酵素も電極１１上に固定化することで、負極１の酵素反応系の安定化を図ることができる。このような固定化材としては、具体的には、例えば、ポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）、グルタルアルデヒド（ＧＡ）、ポリ−Ｌ−リシンとグルタルアルデヒドとを組み合わせたもの、ポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。ポリイオンコンプレックスは、例えば、ポリ−Ｌ−リシンをはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるものである。
【００４５】
図２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電極１１に渡す電子メディエータがＡＣＮＱである場合が図示されている。
【００４６】
正極２は、内部に空隙を有する材料、例えば多孔質カーボンなどからなる電極上に酸素還元酵素およびこの電極との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターが固定化されたものである。酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）、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。電子メディエーターとしては、少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターが用いられ、必要に応じてさらにヘキサシアノ鉄酸カリウム（より詳細には、ヘキサシアノ鉄酸カリウムの電離により生成されるヘキサシアノ鉄酸イオン）などの少なくとも一種類の親水性の電子メディエーターが用いられる。
【００４７】
この正極２においては、酸素還元酵素の存在下で、電解質層３からのＨ+ と負極１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。
以上のように構成された燃料電池の動作時（使用時）において、負極１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１側で電子とＨ+ とを生成することができ、負極１と正極２との間で電流を発生させることができる。
【００４８】
このバイオ燃料電池においては、正極２に用いられる、内部に空隙を有する電極の表面の少なくとも一部、好適には大半を撥水性とする。ここで、電極の表面とは、電極の外面と電極内部の空隙の内面との全体を含む。具体的には、例えば、この電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成することにより撥水性としている。この撥水材料を電極内部の空隙の内面に形成するためには、この撥水材料は、この空隙の大きさより十分に小さい微粒子（粉末）状とし、空隙の内部の空間の大半がこの撥水材料により占められないようにする必要がある。
【００４９】
撥水材料としては種々のものを用いることができるが、例えばカーボン系の材料、好適にはカーボン粉末を用いることができる。カーボン粉末としては、例えば、天然黒鉛などの黒鉛、活性炭、リチウムイオン電池の添加材などに使用されるカーボンナノファイバー（気相法炭素繊維）、ケッチェンブラックなどを用いることができ、取り分け黒鉛粉末を用いることが好ましい。撥水材料としては撥水性ポリマーを用いることもできる。このような撥水性ポリマーとしては、例えば、ポリビニルブチラールのほか、各種のフッ素系ポリマーなどを用いることができる。フッ素系ポリマーの具体例を挙げると、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニル、パーフルオロアルコキシ樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルスルフォンなどであるが、これらに限定されるものではない。
【００５０】
上述のように電極の表面の少なくとも一部に撥水材料を形成するためには、例えば、この撥水材料を水と相分離する有機溶媒に分散させ、さらに少なくとも一種類の疎水性の電子メディエーターを溶解させた溶液をこの電極の表面に塗布し、内部の空隙を通してこの電極に含浸させた後、有機溶媒を除去する。
【００５１】
上記の水と相分離する有機溶媒としては、好適には、メチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタン、ジエチルエーテルなどが用いられる。この有機溶媒としては、一般的には、脂肪族、脂環式または芳香族系の炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、これらのハロゲン化物などの各種の有機溶媒を用いることができる。この有機溶媒としては、より具体的には、例えば、ブタン類、ペンタン類、ヘキサン類、ヘプタン類、オクタン類、ノナン類、デカン類、ドデカン類、シクロヘキサン、シクロペンタン、ベンゼン、キシレン類、ブタノール、ペンタノール、メチルエーテル、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、塩化メチレン、メチルクロロホルム、四塩化炭素、ジクロロジフルオロメタン、パークロロエチレン、塩素原子、臭素原子および（または）ヨウ素原子で１個以上置換されたベンゼン系溶媒やトルエン系溶媒などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、また、これらは単独で用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。
【００５２】
水と相分離する有機溶媒としては、塩化メチレン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、モノクロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン、２−クロロトルエン、３−クロロトルエン、４−クロロトルエン、２−クロロ−ｍ−キシレン、２−クロロ−ｐ−キシレン、４−クロロ−ｏ−キシレン、２，３−ジクロロトルエン、２，４−ジクロロトルエン、２，５−ジクロロトルエン、２，６−ジクロロトルエン、３，４−ジクロロトルエン、モノフルオロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素溶媒、ニトロベンゼン、ベンゼンなどの炭化水素溶媒なども挙げられる。また、水と相分離する有機溶媒としては、例えば、シクロヘキサン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサノン、１−メトキシイソプロパノールアセテート、酢酸エチル、酢酸ブチル、石油エーテル、シリコンオイルなども挙げられる。
【００５３】
水と相分離する有機溶媒としてはさらに、イオン性液体を用いることもできる。このイオン性液体としては、例えば、アニオンとして、フルオロアルキル硫酸アニオン、フルオロシクロアルキル硫酸アニオンおよびフルオロベンジル硫酸アニオンからなる群から選ばれた少なくも１つのアニオンを含有するものが挙げられる。
【００５４】
水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液には、必要に応じて、バインダーなどを含ませる。このバインダーとしては種々のものを用いることができるが、ポリビニルブチラールなどの撥水性が高いバインダーを用いるとより好ましい。この溶液中のバインダーの割合は例えば０．０１〜１０％であるが、これに限定されるものではない。バインダーが例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの撥水性を有するものである場合にはこのバインダー自身を撥水材料として用いることができる。
上記の溶液を用いる場合、正極２に固定化された酵素を失活させないようにすることが重要であるが、有機溶剤としてすでに挙げたものを用いることにより酵素の失活を防止することができる。
【００５５】
このバイオ燃料電池の全体構成の二つの例を図３および図４に示す。
図３に示すバイオ燃料電池においては、電解質層３を介して負極１と正極２とが対向した構造を有し、また、正極２の電解質層３と反対側の面に空気は透過し、燃料溶液１２は透過しない材料からなるシート１３が貼り付けられている。そして、負極１の外面（上面および側面）の全体と負極１、正極２の側面および正極２の外部にはみ出した部分の電解質層３とに燃料溶液１２（燃料溶液１２の収容容器の図示は省略する）が接触している。電解質層３としては例えば不織布が用いられるが、これに限定されるものではない。また、シート１３としては例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンが用いられるが、これに限定されるものではない。このバイオ燃料電池においては、正極２の側面と燃料溶液１２とが接触しているので、電池反応の進行に伴って正極２の内部に生成される水がこの正極２の側面を通って燃料溶液１２中に戻される。このため、燃料溶液１２の濃度をほぼ一定に保つことができる。
【００５６】
図４に示すバイオ燃料電池においては、電解質層３を介して負極１と正極２とが対向した構造を有する。そして、負極１の外面（上面および側面）の全体と負極１および正極２の外部にはみ出した部分の電解質層３に燃料溶液１２（燃料溶液１２の収容容器の図示は省略する）が接触している。電解質層３としては例えばセロハンが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００５７】
電極の表面に電子メディエーターとして疎水性の電子メディエーターを固定化した正極２の評価を行った結果について説明する。
正極２としては、次のようにして作製される酵素／電子メディエーター固定化電極を用いた。まず、多孔質カーボンとして市販のカーボンフェルト（ＴＯＲＡＹ製 ＢＯ０５０）を用意し、このカーボンフェルトを焼成後、２枚重ねて１ｃｍ角に切り抜いた。次に、ポリ−Ｌ−リシン（２ｗｔ％水溶液）８０μｌと、ＢＯＤ溶液８０μｌ（１００ｍｇ／ｍｌ、０．４Ｍイミダゾール／硫酸緩衝液）とを混合後、上記のカーボンフェルトに染み込ませ、乾燥させた。こうして、カーボンフェルトにＢＯＤが固定化される。次に、撥水材料としてカーボン粉末、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂などを含む有機溶媒のメチルイソブチルケトンに、疎水性の電子メディエーターとしてのフェロセンを２００ｍＭ溶解させた溶液を調製する。次に、この溶液中にＢＯＤが固定化されたカーボンフェルトをディップし、このカーボンフェルトの表面にこの溶液を塗布した。この後、乾燥を行ってこの溶液中に含まれる有機溶剤を除去する。こうして、カーボンフェルトの表面に撥水層を形成して撥水性とするとともに、カーボンフェルト内にフェロセンを均一に分散させた。こうして得られる酵素／電子メディエーター固定化電極の厚さは０．３５ｍｍであり、面積は１ｃｍ2 である。
【００５８】
正極２に固定化された酵素、すなわちＢＯＤに対する、上記の黒鉛粉末などを含む溶液の影響を調べるために、この溶液に含まれる有機溶媒であるメチルイソブチルケトンとＢＯＤ溶液（５ｍｇ／ｍｌ ５０ｍＭリン酸緩衝液）とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、メチルイソブチルケトンと水とに相分離することが確認された。この場合、ＢＯＤの活性は維持されていることが確認された。これは、ＢＯＤは水相に存在するので、失活しにくいためである。ここで、メチルイソブチルケトンの水に対する溶解度は１．９１ｇ／１００ｍＬである。
【００５９】
さらに、有機溶媒としてヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタン、ジエチルエーテルを用い、これらの有機溶媒とＢＯＤ溶液とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、これらの有機溶媒と水とに相分離することが確認された。これらの場合も、ＢＯＤの活性は維持されていることが確認された。ここで、ヘプタン、トルエンおよびイソオクタンは水に不溶であり、ヘキサンの水に対する溶解度は１３ｍｇ／Ｌ、ジエチルエーテルの水に対する溶解度は６．９ｇ／１００ｍＬである。
【００６０】
一方、有機溶媒としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、エタノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を用い、これらの有機溶媒とＢＯＤ溶液とＡＢＴＳ溶液とを混合したところ、これらの混合溶液は白濁することが確認された。このことから、ＢＯＤが変性したことが分かる。すなわち、これらの有機溶媒を用いた場合には、ＢＯＤは失活してしまう。ここで、これらのテトラヒドロフラン、アセトン、エタノールおよびＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドはいずれも水と混和するものである。
【００６１】
次に、上述のようにして、メチルイソブチルケトン中にカーボン粉末として天然黒鉛を１３〜１８％含む溶液を用いてカーボンフェルトの表面を撥水性としたものの撥水性の確認を行った。具体的には、表面を上記の溶液で撥水性としたカーボンフェルトおよび表面を撥水性としていないカーボンフェルトを用意する。そして、これらのカーボンフェルトを室温に放置した場合および温度２５℃、湿度１００％で６時間保った場合にこれらのカーボンフェルトに含まれる水分量を、カール・フィッシャー水分量測定器（（株）ダイアインスツルメント製、ＶＡ−１００型）を用いて測定した。その結果を下記に示す。
【００６２】
撥水性なしのカーボンフェルト
（１）室温放置
１回目 ６３２．５
２回目 ７１８．９
３回目 ６４５．１
平均 ６６５．５
（２）温度２５℃、湿度１００％で６時間放置
１回目 １８４８２．２
２回目 １５４３４．４
３回目 １２５４９．１
平均 １５４８８．６
【００６３】
撥水性としたカーボンフェルト
（１）室温放置
１回目 １４８１．７
２回目 ７５６．６
３回目 ６９８．１
４回目 １３３８．１
平均 １０６８．６
（２）温度２５℃、湿度１００％で６時間放置
１回目 ４９４３．８
２回目 ３５１６．８
３回目 ７２８０．８
平均 ５２４７．１
【００６４】
以上の結果より、メチルイソブチルケトン中に撥水材料として黒鉛粉末を含む溶液で表面を撥水性としたカーボンフェルトに含まれる水分量は、表面を撥水性としていないカーボンフェルトに含まれる水分量に比べて約１／３と少なく、撥水材料で表面を撥水性としたカーボンフェルトは確かに撥水性を有することが分かった。
【００６５】
上述のようにして作製した酵素／電子メディエーター固定化電極からなる正極２の電気化学特性を測定した。使用した測定系を図５に示す。図５に示すように、正極２を作用電極とし、これを透気性のＰＴＦＥメンブレン１４上に載せてプレスし、この正極２に緩衝液１５を接触させた状態で測定を行った。緩衝液１５内に対極１６および参照電極１７を浸漬し、作用極としての正極２、対極１６および参照電極１７に電気化学測定装置（図示せず）を接続した。対極１６としてはＰｔ線、参照電極１７としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気下で行い、測定温度は２５℃とした。緩衝液１５としては、２．０Ｍイミダゾール／硫酸緩衝液（ｐＨ７．０）を用いた。
【００６６】
図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを９００秒間行った。クロノアンペロメトリーにおける印加電圧は０．２５Ｖ vs.Ａｇ｜ＡｇＣｌとした。この測定結果を図６の曲線（１）に示す。また、同様な測定をアルゴン下で行った結果を図６の曲線（２）に示す。さらに、図５に示す測定系を用いてリニアスイープボルタンメトリーも行った。リニアスイープボルタンメトリーでは、０．６〜−０．３０Ｖ vs.Ａｇ｜ＡｇＣｌの電位領域を１ｍＶ／ｓの速度で０．６５Ｖから負側に向けて電位走査した。この結果を図７に示す。
【００６７】
図６の曲線（１）に示すように、大気下では約３ｍＡ／ｃｍ2 の電流値が９００秒間にわたって安定的に観測されている。一方、図６の曲線（２）に示すように、アルゴン下では０．５ｍＡ／ｃｍ2 程度の電流値しか観測されていない。このことから、大気下で観測された電流値は、正極２に固定化されたＢＯＤによる触媒電流であることが分かる。
【００６８】
図８は、正極２に固定化した電子メディエーターがヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮと略記）である場合と疎水性のフェロセン（Ｆｃと略記）である場合とについて図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを９００秒間行った結果を示す。従来より電子メディエーターとして用いられているヘキサシアノ鉄酸カリウムは水に対する溶解度が非常に高い。したがって、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは、固定化の際には高濃度の水溶液として簡単に塗布することができる利点がある反面、電気化学測定中には正極２から緩衝液中に容易に溶出してしまう。このため、図８の曲線（１）に示すように、測定開始の初期には高い電流値が得られるが、その維持率は低くなる。これに対して、フェロセンは水に不溶であるので、測定中に正極２から緩衝液中に溶出することはほとんどない。このため、図８の曲線（２）に示すように、ヘキサシアノ鉄酸カリウムを用いた場合に比べて電流値自体は低いものの、維持率は高く、安定した触媒電流が得られている。
【００６９】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、正極２の電極の表面に、水と相分離する有機溶媒に撥水材料を分散させ、疎水性の電子メディエーターを溶解した溶液を接触させた後、有機溶媒を乾燥させている。これにより、固定化された酵素の活性を維持しながら、この表面に疎水性の電子メディエーターを固定化することができる。このため、バイオ燃料電池の使用中に正極２から電子メディエーターが溶出するのを防止することができるので、出力特性、寿命、効率などの低下を防止することができ、電流の維持率の向上を図ることができる。また、正極２の表面に撥水材料を形成することにより撥水性としているので、正極２に含まれる水分量を最適範囲に維持することができ、それによって高い触媒電流を得ることができ、ひいてはバイオ燃料電池において高い電流値を継続的に得ることができる。
【００７０】
加えて、電解質層３が、イミダゾール環を含む化合物などの緩衝物質を適切な濃度含むことにより、十分な緩衝能を得ることができる。このため、バイオ燃料電池の高出力動作時において、プロトンを介する酵素反応により、プロトンの増減がプロトンの電極内部または酵素の固定化膜内で起きても、十分な緩衝能を得ることができ、酵素の周囲の電解質のｐＨの至適ｐＨからのずれを十分に小さく抑えることができる。このため、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、酵素、補酵素、電子メディエーターなどによる電極反応を効率よく定常的に行うことができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。
【００７１】
このバイオ燃料電池はおよそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わない。具体的には、この燃料電池は、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る。この場合、用途などによって燃料電池の出力、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。具体例を挙げると、例えば、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ（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。モバイル機器は、携帯情報端末機（ＰＤＡ）などである。
【００７２】
〈２．第２の実施の形態〉
第１の実施の形態においては、正極２の電極に疎水性の電子メディエーターだけを固定化するのに対し、第２の実施の形態においては、正極２の電極に疎水性の電子メディエーターと従来より用いられている親水性の電子メディエーターとの両方を固定化する。その他のことは第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
図９は、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮ）とフェロセン（Ｆｃ）との両方を固定化した場合について図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを１５００秒間行った結果（曲線（３））を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは２００ｍＭのものを４０μＬ塗布して固定化し、フェロセン（Ｆｃ）は２００ｍＭのものを７０ｍＬ塗布して固定化した。図９には、比較のために、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合（曲線（１））およびフェロセンだけを固定化した場合（曲線（２））について図５に示す測定系を用いてクロノアンペロメトリーを１５００秒間行った結果を示す。ただし、ヘキサシアノ鉄酸カリウムは２００ｍＭのものを８０μＬ塗布して固定化した。また、フェロセンは２００ｍＭのものを１４０ｍＬ塗布して固定化した。図９の曲線（４）〜（６）はそれぞれ曲線（１）〜（３）の電流値の標準偏差（ｓｔｄｅｖ）である。図９の曲線（３）に示すように、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウム（ＦｅＣＮ）とフェロセン（Ｆｃ）との両方を固定化した場合の電流値およびその維持率は、電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とフェロセンだけを固定化した場合の電流値およびその維持率とのほぼ中間の値を示している。このことから、正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムに加えてフェロセンを固定化した場合も、従来のように正極２の電極にヘキサシアノ鉄酸カリウムだけを固定化した場合に比べて電流値およびその維持率の向上を図ることができることが分かる。
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【００７４】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態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。
【符号の説明】
【００７５】
１…負極、２…正極、３…電解質層、１１…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法。
【請求項２】
上記有機溶媒は上記酵素の溶解度が１０ｍｇ／ｍｌ以下である請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項２記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
上記電極が多孔質の材料からなる請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
上記酵素および上記疎水性の電子メディエーターが固定化された上記電極は正極である請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、上記有機溶媒がメチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタンまたはジエチルエーテルである請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池。
【請求項１０】
上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記電極が多孔質の材料からなる請求項９記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項９記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項１２記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、上記有機溶媒がメチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタンまたはジエチルエーテルである請求項９記載の燃料電池。
【請求項１５】
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器。
【請求項１６】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーター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。
【請求項１７】
上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項１６記載の酵素固定化電極の製造方法。
【請求項１８】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極。
【請求項１９】
上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項１８記載の酵素固定化電極。
【請求項１】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーターを固定化する工程とを有する燃料電池の製造方法。
【請求項２】
上記有機溶媒は上記酵素の溶解度が１０ｍｇ／ｍｌ以下である請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項２記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
上記電極が多孔質の材料からなる請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
上記酵素および上記疎水性の電子メディエーターが固定化された上記電極は正極である請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、上記有機溶媒がメチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタンまたはジエチルエーテルである請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる燃料電池。
【請求項１０】
上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記電極が多孔質の材料からなる請求項９記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記酵素が酸素還元酵素を含む請求項９記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酸素還元酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項１２記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記撥水材料がカーボン粉末、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂、上記有機溶媒がメチルイソブチルケトン、ヘプタン、ヘキサン、トルエン、イソオクタンまたはジエチルエーテルである請求項９記載の燃料電池。
【請求項１５】
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、
上記正極が、内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなるものである電子機器。
【請求項１６】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素を固定化する工程と、
上記酵素を固定化した上記電極の表面に、疎水性の電子メディエーターを水と相分離する有機溶媒に溶解した溶液を接触させることにより、上記電極の表面に上記疎水性の電子メディエーター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。
【請求項１７】
上記溶液はさらに撥水材料を含む請求項１６記載の酵素固定化電極の製造方法。
【請求項１８】
内部に空隙を有する電極の表面に酵素および疎水性の電子メディエーターが固定化されたものからなる酵素固定化電極。
【請求項１９】
上記電極の表面にさらに撥水材料が形成されている請求項１８記載の酵素固定化電極。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２６７４５９（Ｐ２０１０−２６７４５９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１７１０７（Ｐ２００９−１１７１０７）
【出願日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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