JP2007012281A - 燃料電池、電子機器、移動体、発電システムおよび酵素反応利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＡＤＨ溶液を用いて効率よく発電可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】 負極１と正極２とをプロトン伝導体３を介して対向させた構造を有する燃料電池において、カーボンなどの電極１１上にジアホラーゼ１２と電子メディエーター１３とを固定化した酵素／電子メディエーター固定化電極を負極１として用い、燃料としてＮＡＤＨ溶液を用いる。ＮＡＤＨ溶液の濃度は２〜１３０ｍＭとし、好ましくは３〜４０ｍＭとする。ＮＡＤＨ溶液の代わりに、ＮＡＤＰＨ溶液あるいはＮＡＤＨとＮＡＤＰＨとを含む溶液を用いてもよい。
【選択図】 図２

Description

この発明は、触媒に酵素を用いる燃料電池、この燃料電池を用いる電子機器、移動体および発電システムならびに燃料電池などの酵素反応利用装置に関する。

燃料電池は、基本的に負極（燃料極）と正極（酸化剤極）とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有する。従来の燃料電池では、負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、電子は負極に渡され、Ｈ⁺ はプロトン伝導体を通って正極まで移動する。正極では、この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してＨ₂ Ｏを生成する。

このように、燃料電池は、燃料の持つ化学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であり、天然ガス、石油、石炭などの化石エネルギーが持つ化学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で電気エネルギーとして取り出すことができる。このため、従来から大規模発電用途などとしての燃料電池の開発研究が活発に行われている。例えば、スペースシャトルに燃料電池が搭載され、電力の発生と同時に乗組員用の水を補給できることや、クリーンな発電装置であることを証明した実績がある。

さらに、近年、固体高分子型燃料電池など、室温から９０℃程度の比較的低温の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やモバイル機器などのポータブル電源などの小型システムへの応用が模索されつつある。

このように、燃料電池は大規模発電から小規模発電まで幅広い用途が考えられ、高効率な発電装置として多くの注目を集めている。しかしながら、燃料電池では、燃料として通常、天然ガス、石油、石炭などを改質器により水素ガスに変換して用いており、限りある資源を消費するとともに、高温に加熱する必要があったり、白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属の触媒を必要としたりするなど、種々の問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。

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、微生物体細胞内で行われる呼吸、光合成などが含まれる。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う特長を兼ね備えている。

例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質などの栄養素を微生物また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およびトリカルボン酸（ＴＣＡ）回路を介して二酸化炭素（ＣＯ₂ ）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（ＮＡＤ⁺ ）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（ＮＡＤＨ）とすることで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ＮＡＤＨの電気エネルギー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、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）合成酵素を介して、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）からＡＴＰを生成し、このＡＴＰ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、細胞質ゾルおよ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（ＮＡＤＰ⁺ ）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（ＮＡＤＰＨ）とすることで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、ＣＯ₂ 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。

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ィエーター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、特許文献１参照。）。

しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギー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、酵素や電子メディエーターを用いて所望の反応のみを行うような燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２、３、４参照。）。この燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、その燃料としては、メタノールやエタノールのようなアルコール類、グルコースのような単糖類のほかに、ＮＡＤＨを用いることが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。ＮＡＤＨは、メタノールやエタノールに比べると大きな電力を得ることができ、有利である。
特開２０００−１３３２９７号公報 特開２００３−２８２１２４号公報 特開２００４−７１５５９号公報 特開２００５−１３２１０号公報

しかしながら、酵素や電子メディエーターを用いた燃料電池において燃料としてＮＡＤＨ溶液を用いる場合、発電効率の観点から最適なＮＡＤＨ溶液の濃度は不明であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、ＮＡＤＨあるいはその関連物質であるＮＡＤＰＨを用いて高効率の発電が可能で、しかも限りある化石燃料を使用しないで済み、資源循環型社会の実現に貢献することができる燃料電池ならびにこの燃料電池を用いる電子機器、移動体および発電システム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、より一般的には、ＮＡＤＨあるいはＮＡＤＰＨを用いて高効率の動作が可能な各種の酵素反応利用装置を提供することである。

本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、酵素により燃料を分解し発電する燃料電池において、酵素としてジアホラーゼ、燃料としてＮＡＤＨ溶液を用いた場合、このＮＡＤＨ溶液の濃度を増加させたときの酵素反応の反応速度の変化が予想外の特異的な振る舞いをすることを見出した。具体的には、ＮＡＤＨ濃度を増加させたとき、通常であれば反応速度は単調に増加し、やがて飽和する傾向を示す（ミカエリス−メンテンの式で示される変化）のに対し、実際にはあるＮＡＤＨ濃度で急峻なピークを取り、このピークが立ち下がった後にはほぼ一定の値となることを見出した。発電効率を向上させるためには、ＮＡＤＨ濃度を増加させればよいと考えるのが普通であるが、実際にはそうではなく、ＮＡＤＨ濃度を増加させ過ぎるとかえって反応速度が減少してしまい、発電効率が減少してしまうことが判明した。これは、ＮＡＤＨ濃度が上記のピークに相当するＮＡＤＨ濃度以上になると基質阻害が起こることを意味する。
このように、反応速度、したがって発電効率の向上の観点から、ＮＡＤＨ濃度には最適範囲が存在することが分かり、この最適範囲を実際に見出した。
一方、ジアホラーゼは、ＮＡＤＨのほかＮＡＤＰＨも基質として酸化する酵素である。ＮＡＤＨは図９Ａに示すような構造を有するのに対し、ＮＡＤＰＨの構造は図９Ｂに示すようにＮＡＤＨのアデノシン部位に一つのリン酸基が付いたものであり、ＮＡＤＨの構造と極めて類似している。このため、ＮＡＤＰＨや、ＮＡＤＨとＮＡＤＰＨとの混合物も、ＮＡＤＨと同様に、ジアホラーゼとの反応において基質阻害を起こすと考えられる。

この発明は、以上の研究結果に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、
第１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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。

ジアホラーゼおよび電子メディエーターは、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとともに溶液中に含まれた形で存在してもよいが、負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、好適には、固定化材を用いて負極に固定化される。
また、燃料として、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて一種または二種以上の他の燃料を含むものを用いてもよく、その場合はこの他の燃料を分解する一種または二種以上の他の酵素を負極に含ませるようにする。他の燃料としては例えばグルコースを用いることができ、この場合は他の酵素としてＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼを負極に含ませる。他の燃料としては多糖類を用いることもでき、この場合には他の酵素としてこの多糖類をグルコースに分解する酵素であるグルコアミラーゼおよびＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼを負極に含ませる。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）としては、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２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。

第２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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
ことを特徴とするものである。
ここで、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度は、燃料消費量を抑え、発電効率のより一層の向上を図る観点から、好適には２ｍＭ以上８０ｍＭ以下、より好適には３ｍＭ以上４０ｍＭ以下、さらに好適には５ｍＭ以上２０ｍＭ以下とする。

第１および第２の発明による燃料電池は、およそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。

第３の発明は、
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。

第４の発明は、
燃料電池を用いる電子機器において、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
ことを特徴とするものである。

第３および第４の発明による電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
第３および第４の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。

第５の発明は、
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。

第６の発明は、
燃料電池を用いる移動体において、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
ことを特徴とするものである。

第５および第６の発明による移動体は、基本的にはどのようなものであってもよく、具体例を挙げると、自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船などである。
第５および第６の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。

第７の発明は、
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とするものである。

第８の発明は、
燃料電池を用いる発電システムにおいて、
上記燃料電池は、
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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
ことを特徴とするものである。

第７および第８の発明による発電システムは、基本的にはどのようなものであってもよく、その規模も問わない。
第７および第８の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。

第９の発明は、
還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置である。

第１０の発明は、
還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が、２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
ことを特徴とする酵素反応利用装置である。

第９および第１０の発明において、酵素反応利用装置は、酵素反応を利用する各種の装置を含むが、具体的には、燃料電池やバイオセンサーなどである。
第９および第１０の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。

上述のように構成されたこの発明においては、ＮＡＤＨ溶液あるいはＮＡＤＰＨ溶液あるいはＮＡＤＨとＮＡＤＰＨとの双方を含む溶液の濃度を上記の範囲に設定することにより、この燃料から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。

この発明によれば、触媒として酵素を用い、燃料としてＮＡＤＨ溶液あるいはＮＡＤＰＨ溶液あるいはこれらの双方を含む溶液を用いて高い効率で発電可能な燃料電池を得ることができる。この燃料電池によれば、燃料の消費量を抑えることができるだけでなく、限りある化石燃料を使用しないで済み、資源循環型社会の実現に貢献することができる。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、移動体、発電システムなどを実現することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の第１の実施形態による燃料電池を示す。
図１に示すように、この燃料電池は、負極１と正極２とが、プロトン伝導体３を介して対向した構造を有する。負極１では、燃料として供給されるＮＡＤＨがＮＡＤ⁺ に酸化され、２個の電子とプロトン（Ｈ⁺ ）とが発生する。プロトン伝導体３はプロトンのみ伝導し、負極１で発生したプロトンを正極２に輸送する。正極２では、負極１から正極２に輸送されたプロトンと、負極２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（Ｏ₂ ）とにより水が生成される。

負極１は、例えばカーボンなどからなる電極と、ＮＡＤＨの分解に関与する酸化酵素であるジアホラーゼと、電子メディエーターとを含む。この電子メディエーターは電極との間で電子の受け渡しを行うもので、燃料電池の電圧はこの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が、電子メディエーター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に作用する電子メディエーターとしては、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）や２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）やビタミンＫ３などが好ましい。そのほかに、例えばキノン骨格を有する化合物、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属錯体、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、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。

上記のジアホラーゼおよび電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、トリス緩衝液、リン酸緩衝液などの緩衝液により、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。また、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。

上記のジアホラーゼおよび電子メディエーターは、緩衝液に溶解した状態で用いてもよいが、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、固定化材を用いて負極１上に固定化されることが好ましい。図２に、例えばカーボンなどからなる電極１１上に、電子メディエーター１２とジアホラーゼ１３とを、固定化材（図示せず）により固定化した状態を示す。このような固定化材としては、例えば、グルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものやポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものを用いてもよいし、これらを単独で用いてもよいし、さらには他のポリマーを用いてもよい。グルタルアルデヒドとポリ−Ｌ−リシンとを組み合わせた固定化材を用いることにより、それぞれが持つ酵素固定化能力を大きく改善することが可能となり、固定化材全体として優れた酵素固定化能力を得ることができる。この場合、グルタルアルデヒドとポリ−Ｌ−リシンとの組成比は、固定化する酵素とこの酵素の基質とに応じて最適な値が異なるが、一般的には任意の組成比で構わない。具体例を挙げると、グルタルアルデヒド水溶液（０．１２５％）とポリ−Ｌ−リシン水溶液（１％）とを用い、それらの比を１：１、１：２、２：１などとする。

正極２は、例えば、触媒が担持された炭素粉末あるいは炭素に保持されない触媒粒子により構成される。この触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子や、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が用いられる。この正極２は、例えば、プロトン伝導体３の側から順に触媒あるいは触媒を含む炭素粉末よりなる触媒層と多孔質の炭素材料よりなるガス拡散層とが積層された構造に形成される。この正極２は、触媒としての酸素還元酵素を含むように構成してもよい。この酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼを用いることができる。この場合は、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と組み合わせて用いられる。この電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸イオンなどを用いることができる。固定化材としては各種のものを用いることができるが、好適には、上記のポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）などを用いる。

プロトン伝導体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膜であり、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。このプロトン伝導体３としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）などからなるものが挙げられる。これらの中でも、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からなるものが好ましく、具体的には、ナフィオン（商品名、米国デュポン社）が用いられる。

図３および図４はこの燃料電池の具体的な構成例を示し、図４はこの燃料電池の各構成要素を分解して示したものである。
図３および図４に示すように、この燃料電池は、例えば多孔質カーボンなどに酵素（ジアホラーゼ）と電子メディエーターとを固定化材により固定化した酵素／電子メディエータ固定化電極からなる負極１と、例えば多孔質カーボンなどに酵素（例えば、ビリルビンオキシダーゼ）と電子メディエーターとを固定化材により固定化した酵素／電子メディエータ固定化電極からなる正極２とが、プロトン伝導体３を介して対向した構成を有している。

プロトン伝導体３の上下にはそれぞれ例えばＴｉからなる集電体４、５が設置されており、集電を容易に行うことができるようになっている。符号６、７は固定板を示す。これらの固定板６、７はねじ８により相互に締結され、それらの間に、負極１、正極２、プロトン伝導体３および集電体４、５の全体が挟み込まれている。固定板６の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の穴６ａが設けられている。符号６ｂはねじ８が入る穴を示す。固定板７の一方の面（外側の面）には空気または酸素の取り込み用の円形の穴７ａが設けられている。符号７ｂはねじ８が入る穴を示す。固定板６の他方の面の周辺部にはスペーサー９が設けられており、固定板６、７をねじ８により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。スペーサー９としては、シリコン板などが用いられる。

この燃料電池においては、図３に示すように、集電体４、５の間に負荷１０を接続し、固定板６の穴６ａに燃料としてＮＡＤＨ溶液を入れ、固定板７の穴７ａから空気または酸素を取り込んで発電を行う。この場合、負極１では、ＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ⁺ とＨ⁺ とに分離し、この電子は負極１に渡され、Ｈ⁺ はプロトン伝導体３を通って正極２まで移動する。正極２では、このＨ⁺ が、外部から供給された酸素および負極１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ₂ Ｏを生成する。

次に、負極１として用いる酵素／電子メディエーター固定化電極の単極での電気化学測定を行った結果について説明する。
使用した電気化学測定系を図５に示す。図５に示すように、容器５１内に溶液５２を入れ、この溶液５２内に作用極５３、対極５４および参照極５５を浸漬し、作用極５３に電気化学測定装置５６を接続した。作用極５３としては、グラッシーカーボンディスク電極（３ｍｍφ、０．０７１ｃｍ² ）上にジアホラーゼとＡＮＱとをグルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）とを組み合わせた固定化材を用いて固定化したものを用いた。対極５４としてはＰｔ線、参照極５５としてはＡｇ｜ＡｇＣｌを用いた。測定は大気圧下で行い、測定温度は２５℃とした。溶液５２の量は１．０ｍｌとし、測定前にバブラ５７により溶液５２中にＡｒガスを送り込んでバブリングを十分に行い、脱酸素を行った。

酵素／電子メディエーター固定化電極は次のようにして作製した。
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ ＰＯ₄ ）緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝８．０）を用いた。
ジアホラーゼ（ＤＩと略）（ＥＣ１．６．９９．−、アマノエンザイム、ＤＨ−３）を４．７６ｍｇ秤量し、緩衝溶液１．０ｍｌに溶解させ、ＤＩ酵素緩衝溶液（（１））とした。酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。ポリ−Ｌ−リシン臭化水素酸塩（ＰＬＬと略）（アルドリッチ、Ｐ−１３９９）を適量秤量し、２．０ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＰＬＬ水溶液（（２））とした。ＡＮＱを１０．４ｍｇ秤量し、アセトン溶液１．０ｍｌに溶解させ、ＡＮＱアセトン溶液（（３））とした。グルタルアルデヒド（ＧＡと略）（関東化学、１７０２６−０２）を適量秤量し、０．１２５ｗｔ％となるようにイオン交換水に溶解させ、ＧＡ水溶液（（４））とした。

上記のようにして作製した各種の溶液を下の表１の上から下の順に、それぞれマイクロシリンジなどでグラッシーカーボンディスク電極（３ｍｍφ、０．０７１ｃｍ² ）上に塗布、混合、室温乾燥を行い、互いに酵素量が異なる二種類の酵素／電子メディエーター固定化電極（サンプル１、２）を作製した。

一方、ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ、Ｎ−８１２９）を７０９ｍｇ秤量し、緩衝溶液１．０ｍｌに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（（５））とした。
そして、溶液５２として上記の緩衝溶液を用い、上記の酵素／電子メディエーター固定化電極を作用極５３とし、電極回転数５００ｒｐｍの条件下、ＮＡＤＨ緩衝溶液（（５））を溶液５２に徐々に添加することでＮＡＤＨ濃度を０〜１６７ｍＭと変化させてサイクリックボルタンメトリーを行った。スキャン速度は１０ｍＶｓ^-1で行った。そのサイクリックボルタンメトリーから、電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位である０．４Ｖにおける電流値を定常電流値Ｉとしてプロットしたものを図６に示す。酵素量は５Ｕ（サンプル１）と１０Ｕ（サンプル２）との２水準とした。なお、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。

図６より、上記の酵素／電子メディエーター固定化電極の定常電流値は、ＮＡＤＨ濃度（［ＮＡＤＨ］）が１０ｍＭ付近でピークを取ることが分かる。また、ＮＡＤＨ濃度が１０ｍＭより高濃度側では、定常電流値は徐々に減少することが分かる。これは、ＮＡＤＨ同士がジアホラーゼの活性サイトを奪い合う基質阻害によるものであると考えられる。図６において、ピークが立ち下がったところのＮＡＤＨ濃度、具体的には約１３０ｍＭを超えた濃度範囲では、得られる定常電流値は低く、燃料を徒に消費するだけで無駄であるので、ＮＡＤＨ濃度は１３０ｍＭ以下にするのが好ましい。一方、上記のピークの立ち上がりは急峻であるため、ＮＡＤＨ濃度が２ｍＭ以上であれば、十分に高い定常電流値を得ることができる。ある程度以上の定常電流値を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、ＮＡＤＨ濃度を好適には２〜８０ｍＭ、より好適には３〜４０ｍＭ、さらに好適には５〜２０ｍＭとする。

図７は、電極回転数０ｒｐｍの条件（電極が静止した条件）下、ＮＡＤＨ緩衝溶液（（５））を溶液５２に徐々に添加させることでＮＡＤＨ濃度を０〜１６７ｍＭと変化させてサイクリックボルタンメトリーを行った結果を、電極回転数５００ｒｐｍの条件下で測定した上記の結果（図６）と併せて図示したものである。電極回転数以外の条件は両者で全て同一である。図７より、電極回転数０ｒｐｍでは、電極回転数５００ｒｐｍに比べてピーク位置は約３０ｍＭ程高濃度側にシフトしているが、ピーク形状を有する点は同じであることが分かる。この場合、ＮＡＤＨ濃度は１３０ｍＭ以下にするのが好ましく、７ｍＭ以上にするのが好ましい。ある程度以上の定常電流値を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、ＮＡＤＨ濃度を好適には７〜９０ｍＭ、より好適には１０〜８０ｍＭ、さらに好適には２０〜６０ｍＭとする。

上記の図６に示した結果は酵素／電子メディエーター固定化電極を用いた場合のものであるが、酵素および電子メディエーターを溶解した形で含む溶液系を用いた場合も同様な結果が得られる。これについて説明する。
１００ｍＭリン酸二水素ナトリウム緩衝溶液（Ｉ．Ｓ．＝０．３、ｐＨ＝８．０）を溶媒とし、ジアホラーゼを８７ｎｇ／ｍｌ、ＡＮＱを２．２ｍＭ含む溶液を調製した。この溶液中には、ＡＮＱが十分な濃度（Ｋ_M,ANQ の約１０倍）存在している。測定前にバブラによりこの溶液中にＡｒガスを送り込んでバブリングを１５分間行い、十分に脱酸素を行った。そして、この溶液に、上記と同様なＮＡＤＨ緩衝溶液（（５））を上記の溶液に徐々に添加することでＮＡＤＨ濃度を０〜５００ｍＭの範囲内で変化させてジアホラーゼによるＮＡＤＨの酸化反応の反応速度をＡＮＱの吸光度変化から求めた。測定は大気圧下で行い、測定温度は２５℃とした。また、吸光度の測定波長は５２０ｎｍとした。図８Ａはこうして測定されたジアホラーゼによるＮＡＤＨの酸化反応の反応速度（ｖ₀ ）−ＮＡＤＨ濃度（［ＮＡＤＨ］₀ ）曲線を示し、図８Ｂは図８Ａの低濃度部（０〜３５ｍＭ）を拡大したものである。図８ＡおよびＢより、この溶液の系においては、ＮＡＤＨ濃度が２５ｍＭ付近でピークを取り、より高濃度側では反応速度は徐々に減少することが分かる。このことから、溶液の系においても、ジアホラーゼに対し、ＮＡＤＨの基質阻害が起こることが確認された。この場合、ある程度以上の反応速度を得ながら同時に燃料の消費量を抑えるためには、ＮＡＤＨ濃度を好適には２〜３００ｍＭ、より好適には５〜２００ｍＭ、さらに好適には１０〜１００ｍＭとする。

以上のように、この第１の実施形態によれば、ＮＡＤＨ溶液の濃度の最適化により、燃料電池の効率の大幅な向上を図ることができ、燃料の消費量も抑えることができる。
この燃料電池は、携帯電話などの各種の電子機器やその他の各種の装置あるいは機器などの電源に用いて好適なものである。

次に、この発明の第２の実施形態による燃料電池について説明する。
この燃料電池においては、燃料として、ＮＡＤＨに加えてグルコースも用いる。また、このグルコースを用いることに伴い、負極１にこのグルコースの分解酵素であるＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも含ませる。このＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも負極１に固定化するのが好ましい。
この燃料電池においては、負極１側にグルコースを含むＮＡＤＨ溶液が供給されると、このグルコースがＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってＮＡＤ⁺ が還元されてＮＡＤＨが生成され、このＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ⁺ とＨ⁺ とに分離する。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２個の電子と２個のＨ⁺ とが生成される。２段階の酸化反応では合計４個の電子と４個のＨ⁺ とが生成される。こうして発生する電子は負極１に渡され、Ｈ⁺ はプロトン伝導体３を通って正極２まで移動する。正極２では、このＨ⁺ が、外部から供給された酸素および負極１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ₂ Ｏを生成する。
この燃料電池の上記以外のことは第１の実施形態による燃料電池と同様である。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、ＮＡＤＨに加えてグルコースも燃料に用いていることにより、ＮＡＤＨだけを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。

次に、この発明の第３の実施形態による燃料電池について説明する。
この燃料電池においては、燃料として、ＮＡＤＨに加えて多糖類であるデンプンも用いる。また、デンプンを用いることに伴い、負極１にデンプンの分解酵素であるグルコアミラーゼとこのグルコアミラーゼによりデンプンが分解されることにより得られるグルコースの分解酵素であるＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼとを含ませる。これらのグルコアミラーゼおよびＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼも負極１に固定化するのが好ましい。

この燃料電池においては、負極１側にデンプンを含むＮＡＤＨ溶液が供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってＮＡＤ⁺ が還元されてＮＡＤＨが生成され、このＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ⁺ とＨ⁺ とに分離する。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２個の電子と２個のＨ⁺ とが生成される。２段階の酸化反応では合計４個の電子と４個のＨ⁺ とが生成される。こうして発生する電子は負極１に渡され、Ｈ⁺ はプロトン伝導体３を通って正極２まで移動する。正極２では、このＨ⁺ が、外部から供給された酸素および負極１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ₂ Ｏを生成する。
この燃料電池の上記以外のことは第１の実施形態による燃料電池と同様である。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、ＮＡＤＨに加えてデンプンも燃料に用いていることにより、ＮＡＤＨだけを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。

以上、この発明の実施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。

この発明の第１の実施形態による燃料電池を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池において負極に用いる酵素／電子メディエーター固定化電極の単極での電気化学測定に用いた測定系を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池の定常電流値のＮＡＤＨ濃度依存性を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による燃料電池の定常電流値のＮＡＤＨ濃度依存性を示す略線図である。 ジアホラーゼと電子メディエーターとが溶解したＮＡＤＨ溶液を用いた場合におけるジアホラーゼによるＮＡＤＨの酸化反応の反応速度のＮＡＤＨ濃度依存性を示す略線図である。 ＮＡＤＨおよびＮＡＤＰＨの構造を示す略線図である。

符号の説明

１…負極、２…正極、３…プロトン伝導体、４、５…集電体、６、７…固定板、１０…負荷、１１…電極、１２…電子メディエーター、１３…ジアホラーゼ

Claims (15)

1. 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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 上記負極に上記ジアホラーゼおよび上記電子メディエーターが固定化されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 上記燃料に上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて一種または二種以上の他の燃料とその燃料を分解する一種または二種以上の他の酵素とが含まれていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 上記他の燃料にグルコースが含まれ、上記他の酵素にＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼが含まれていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 上記他の燃料に多糖類が含まれ、上記他の酵素に多糖類をグルコースに分解する酵素およびＮＡＤ⁺ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼが含まれていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
6. 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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 燃料電池を用いる電子機器において、
   上記燃料電池は、
   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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
   ことを特徴とする電子機器。
8. 燃料電池を用いる電子機器において、
   上記燃料電池は、
   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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
   ことを特徴とする電子機器。
9. 燃料電池を用いる移動体において、
   上記燃料電池は、
   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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド容器の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
   上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
   ことを特徴とする移動体。
10. 燃料電池を用いる移動体において、
    上記燃料電池は、
    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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
    ことを特徴とする移動体。
11. 燃料電池を用いる発電システムにおいて、
    上記燃料電池は、
    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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液を用いる燃料電池であって、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
    ことを特徴とする発電システム。
12. 燃料電池を用いる発電システムにおいて、
    上記燃料電池は、
    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、上記負極に少なくともジアホラーゼおよび電子メディエーターが含まれ、燃料として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液を用いる燃料電池であって、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
    ことを特徴とする発電システム。
13. 還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度に対する上記ジアホラーゼによる酵素反応の反応速度の変化を示す曲線がピーク形状を有し、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度が、２ｍＭ以上、上記ピークが立ち下がったところの上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド溶液の濃度以下である
    ことを特徴とする酵素反応利用装置。
14. 上記酵素反応利用装置はバイオセンサーであることを特徴とする請求項１３記載の酵素反応利用装置。
15. 還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液とジアホラーゼと電子メディエーターとを少なくとも含み、
    上記還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含む溶液の濃度が、２ｍＭ以上１３０ｍＭ以下である
    ことを特徴とする酵素反応利用装置。
    

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