JP5207576B2 - Fuel cells, portable power supplies and electronic equipment - Google Patents

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Description

本発明は生体代謝を利用した燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using biological metabolism.

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(HO)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HOを生成する。 A fuel cell basically includes a fuel electrode, an oxidant electrode (air electrode), and an electrolyte, and its operating principle is based on the reverse operation of water electrolysis. That is, the fuel cell generates water (H 2 O) and extracts electricity by generating hydrogen and oxygen, that is, generates power. More specifically, the fuel (hydrogen) supplied to the fuel electrode is oxidized and separated into electrons and protons (H + ), and this H + moves to the air electrode via the electrolyte, H 2 O is generated by reacting with the supplied oxygen.

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。   The fuel cell functions as a highly efficient power generation device that directly converts the energy of the fuel into electric energy, and the energy of fossil energy such as natural gas, oil, coal, etc. is high regardless of where and when it is used It can be taken out as electrical energy at the conversion efficiency.

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。   Conventionally, research and development of fuel cells for large-scale power generation has been actively conducted. For example, fuel cells are installed in space shuttles and can supply crew members' water at the same time as electric power. There is a proven track record.

近年、高分子固体電解質燃料電池等、室温から90℃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やモバイル機器等のポー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。   In recent years, a fuel cell having a relatively low operating temperature range from room temperature to about 90 ° C., such as a polymer solid electrolyte fuel cell, has been developed and attracts attention. For this reason, the application to not only large-scale power generation but also small systems such as a power source for driving automobiles and a portable power source for personal computers and mobile devices is being sought.

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COによる触媒被毒、Pt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。   However, although the polymer electrolyte fuel cell has the advantage of exhibiting a low operating temperature range as described above, many problems to be solved remain. Specifically, when methanol is used as the fuel and the catalyst is poisoned by CO when operated near room temperature, a catalyst using an expensive noble metal such as Pt is necessary, generation of energy loss due to crossover, It is difficult to handle when using hydrogen as a fuel.

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う特長を兼ね備えている。   Accordingly, attention has been paid to the fact that biological metabolism performed in living organisms is a highly efficient energy conversion mechanism, and proposals have been made to apply this to fuel cells. The biological metabolism here includes respiration, photosynthesis and the like performed in microorganisms and cells. Biological metabolism has the characteristics that the power generation efficiency is extremely high and the reaction proceeds under mild conditions of about room temperature.

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TCAと称する。)回路を介して二酸化炭素(CO)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 dinucleotide: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(NADH)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、ATP合成酵素を介して、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、細胞質ゾル及びミトコンドリアで行われている。 For example, in respiration, nutrients such as sugars, fats, and proteins are taken into microorganisms or cells, and these chemical energies are glycolytic and tricarboxylic acid (hereinafter referred to as TCA) circuits having a number of enzymatic reaction steps. In the process of producing carbon dioxide (CO 2 ) via nicotinamide adenine dinucleotide (hereinafter referred to as NAD + ), redox like reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) This is a mechanism that converts water into electric energy, that is, electric energy, and directly converts the electric energy of NADH into electric energy of proton gradient in the electron transfer system and reduces water by generating oxygen. The electrical energy obtained here produces ATP from ADP via ATP synthase, and this ATP is used for reactions necessary for the growth of microorganisms and cells. Such energy conversion occurs in the cytosol and mitochondria.

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 dinucleotide phosphate:以下NADP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(NADPH)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、CO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。 Photosynthesis takes in light energy and reduces nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter referred to as NADP + ) via an electron transfer system to reduce nicotinamide adenine dinucleotide phosphate ( This is a mechanism that oxidizes water to produce oxygen in the process of conversion into electrical energy such as NADPH. This electric energy takes in CO 2 and is used for carbon fixation reaction, and is used for carbohydrate synthesis.

これら生体代謝において重要な位置を占めるNADHの生成反応は、下記式(3)で表される。   The formation reaction of NADH which occupies an important position in the biological metabolism is represented by the following formula (3).

Figure 0005207576
Figure 0005207576

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COになるまで酸化が進行することになる。 Hundreds of types of dehydrogenases have been known so far, and play an important role in highly selectively catalyzing the conversion of various substrates into products. This reaction selectivity of the enzyme is due to the fact that the enzyme is a protein molecule and thus has a unique three-dimensional structure. For this reason, in the living body, dozens of types of dehydrogenase and the like react in order with the taken-in fuel, and oxidation proceeds until it finally becomes CO 2 .

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等を参照)。   As a technique for utilizing the above-described biometabolism for a fuel cell, a microbial cell has been reported in which electric energy generated in a microorganism is taken out of the microorganism through an electron mediator and an electric current is obtained by passing the electrons to an electrode. (For example, see Patent Document 1).

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。
特開2000−133297号公報
However, since microorganisms and cells have many unnecessary functions in addition to the intended reaction such as conversion from chemical energy to electrical energy as described above, the above-described method consumes electrical energy for unwanted reactions. Energy conversion efficiency is not demonstrated.
JP 2000-133297 A

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タ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。   Therefore, a configuration of a fuel cell is proposed in which only a desired reaction is performed by taking out an enzyme or an electron mediator involved in the reaction from microorganisms or cells and reproducing an appropriate environment.

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。   However, the fuel cell having such a configuration has a problem that the reaction rate of the enzyme is slow and the actually obtained current density is extremely small.

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。   Therefore, the present invention has been proposed to solve such a conventional problem, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of realizing a large current density while utilizing biological metabolism. To do.

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(E1)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(E2)とするとき、U(E1)≦U(E2)であることを特徴とする。   In order to achieve the above-described object, a fuel cell according to the present invention is a fuel cell that decomposes fuel by a stepwise reaction with a plurality of enzymes and delivers electrons generated by an oxidation reaction to an electrode. When the enzyme activity of enzyme 1 when the decomposition product 1 is generated by the decomposition reaction by enzyme 1 is U (E1), and the total enzyme activity of enzyme group 2 that decomposes decomposition product 1 is U (E2), U (E1) ≦ U (E2).

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の酵素活性よりも大となるように、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。   In a complex enzyme reaction in which fuel is decomposed stepwise by a plurality of enzymes, an intermediate product that impairs enzyme activity needs to be rapidly decomposed. In the present invention, the enzyme activity of each enzyme is set stepwise so that the enzyme activity of the enzyme group that performs the subsequent decomposition reaction is greater than the enzyme activity of enzyme 1 that performs the previous decomposition reaction. The fuel is quickly decomposed.

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(Co)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(Co)≧U(E)であることを特徴とする。   Further, in the present invention, in the fuel cell in which the enzyme 1 is an oxidase, the decomposition reaction by the enzyme 1 is an oxidation reaction, and electrons are transferred to the coenzyme by the oxidation reaction, in addition to the above requirements, Furthermore, it has a coenzyme oxidase that produces an oxidant of the coenzyme, the enzyme activity of the coenzyme oxidase is U (Co), and among the plurality of enzymes, it produces a reduced form of the coenzyme When the sum of the enzyme activities of the enzyme groups involved is U (E), U (Co) ≧ U (E).

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(Co)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ィエータを介して電極に受け渡される。   In a fuel cell in which electrons are transferred to a coenzyme by an oxidation reaction by enzyme 1, if there is a shortage of coenzyme oxidase that oxidizes the coenzyme reductant, the enzyme reaction of the coenzyme oxidase Becomes rate limiting. In the present invention, the enzyme activity U (Co) of the coenzyme oxidase that oxidizes the coenzyme is equal to or greater than the sum U (E) of the enzyme activities of the enzyme group involved in the oxidation of the fuel (that is, the production of a reduced form of the coenzyme). Therefore, the enzyme reaction of the coenzyme oxidase does not become rate-determining, the reduced form of the coenzyme is rapidly oxidized, and the electrons generated at this time are transferred to the electrode via the electron mediator.

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ロトン伝導膜と、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、ジアホラーゼと、電子メディエータとを含有する。ここで、上記アルコールデヒドロゲナーゼ、上記ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、上記蟻酸デヒドロゲナーゼ、及び上記ジアホラーゼの酵素活性をそれぞれU(ADH)、U(FalDH)、U(FateDH)、U(DI)とする。   More specifically, the case of using methanol as a fuel will be described in more detail. A fuel cell using methanol as a fuel includes, for example, a fuel electrode, an air electrode, and a proton interposed between the fuel electrode and the air electrode. It has a conductive membrane, an enzyme solution capable of transferring electrons to and from the fuel electrode, and the enzyme solution contains alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, diaphorase, and an electron mediator. Here, the enzyme activities of the alcohol dehydrogenase, the formaldehyde dehydrogenase, the formate dehydrogenase, and the diaphorase are U (ADH), U (FalDH), U (FateDH), and U (DI), respectively.

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(E1)に相当するU(ADH)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(E2)=U(FalDH)+U(FateDH)に対して、U(E1)=U(ADH)≦U(E2)=U(FalDH)+U(FateDH)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ーゼを酵素1とすると、酵素1の酵素活性U(E1)に相当するU(FalDH)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(E2)=U(FateDH)に対して、U(E1)=U(FalDH)≦U(E2)=U(FateDH)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)
First, when alcohol dehydrogenase is enzyme 1, U (ADH) corresponding to enzyme activity U (E1) of enzyme 1 is the sum of enzyme activities of enzyme groups (formaldehyde dehydrogenase and formate dehydrogenase) that decompose degradation products (formaldehyde). For U (E2) = U (FalDH) + U (FateDH), it is necessary that U (E1) = U (ADH) ≦ U (E2) = U (FalDH) + U (FateDH). Next, assuming that formaldehyde dehydrogenase is enzyme 1, U (FalDH) corresponding to enzyme activity U (E1) of enzyme 1 is the sum of enzyme activities U (formic acid dehydrogenase) of enzyme group (formate dehydrogenase) that decomposes decomposition products (formic acid). For E2) = U (FateDH), it is necessary that U (E1) = U (FalDH) ≦ U (E2) = U (FateDH). Taking these into consideration, it is preferable that the fuel cell using methanol as the fuel satisfies the following expression (1).
0 <U (ADH) ≦ U (FalDH) ≦ U (FateDH) (1)

次に、上記燃料電池においては、補酵素酸化酵素がジアホラーゼであり、その酵素活性U(DI)がU(Co)に相当し、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)
Next, in the fuel cell, the coenzyme oxidase is diaphorase, the enzyme activity U (DI) corresponds to U (Co), and alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, and formate dehydrogenase are all coenzymes. Involved in the production of reductants. Therefore, it is necessary to satisfy the relationship of the following formula (2).
U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH) ≦ U (DI) ... Equation (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COまでの酸化反応を触媒する過程で合計3分子のNADHを生成する。また、ジアホラーゼは、生成したNADHから電子メディエータを介して燃料極へ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(O)と外部回路からの電子とから水が生成する。 In the fuel cell configured as described above, alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase and formate dehydrogenase generate a total of three molecules of NADH in the process of catalyzing the oxidation reaction from methanol as fuel to CO 2 . Diaphorase passes two electrons from the generated NADH to the fuel electrode via the electron mediator. H + generated in these processes reaches the air electrode through the enzyme solution and the proton conducting membrane. In the air electrode, water is generated from H + , oxygen (O 2 ), and electrons from the external circuit.

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NADHの生成速度が大となる。   Then, the enzyme solution is prepared so that the enzymatic activity of each enzyme is increased according to the order of oxidizing methanol, that is, the order of alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, and formate dehydrogenase. The generation speed of is increased.

また、ジアホラーゼの酵素活性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の酵素活性の和よりも高くなるように酵素溶液を調製するので、ジアホラーゼが飽和することなくNADHから燃料極への電子の受け渡し速度を向上させられる。   In addition, since the enzyme solution is prepared so that the enzyme activity of diaphorase is higher than the sum of the enzyme activities of alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase and formate dehydrogenase, the transfer rate of electrons from NADH to the fuel electrode can be increased without diaphorase being saturated. Can be improved.

本発明に係る燃料電池は、さらに、補酵素から、さらに電子メディエータに電子の受け渡しをする燃料電池において、上記電子メディエータはビタミンK3であることを特徴とする。   The fuel cell according to the present invention is further characterized in that in the fuel cell in which electrons are transferred from the coenzyme to the electron mediator, the electron mediator is vitamin K3.

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ーゼと、蟻酸デヒドロゲナーゼと、ジアホラーゼと、電子メディエータとを含有し、上記電子メディエータはビタミンK3であることを特徴とする。   For example, in the case of a fuel cell using methanol as a fuel, a fuel electrode, an air electrode, a proton conductive membrane interposed between the fuel electrode and the air electrode, and an enzyme solution capable of passing electrons to and from the fuel electrode The enzyme solution contains alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, diaphorase, and electron mediator, and the electron mediator is vitamin K3. It is characterized by being.

ビタミンK3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(例えばジアホラーゼ)と比較的近いため、ジアホラーゼと電子の受け渡しの相性が良く、電子メディエータとして用いることで電子の受け渡し速度が向上する。   Since vitamin K3 is relatively close to a coenzyme oxidase (eg, diaphorase) that oxidizes coenzymes, vitamin K3 has a good compatibility with diaphorase and electron transfer, and the electron transfer speed is improved by using it as an electron mediator. .

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は、燃料を分解する反応、及び補酵素(例えばNADH)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、電子メディエータとして脱水素酵素(例えばDI)との相性が良いビタミンK3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。   As is clear from the above description, the fuel cell according to the present invention has an enzyme of each enzyme so that the reaction of decomposing the fuel and the reaction of coenzyme (for example, NADH) passing electrons to the fuel electrode are not delayed. The level of activity is regulated. Alternatively, in the fuel cell according to the present invention, vitamin K3 having a good compatibility with a dehydrogenase (for example, DI) is selected as an electron mediator in order to increase the movement speed of electrons. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the reaction rate and provide a fuel cell that realizes a higher current density.

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、図1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、電子メディエータ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。
Hereinafter, a fuel cell to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
The fuel cell of the present invention utilizes biological metabolism, and as shown in FIG. 1, a fuel electrode, an air electrode, a proton conductive membrane that separates the fuel electrode and the air electrode, an enzyme described later, and a complement. An enzyme solution in which an enzyme, an electron mediator and the like are dissolved is a basic constituent element. The enzyme solution is held in the fuel electrode chamber so as to be in contact with the fuel electrode. Then, the fuel is continuously supplied to the enzyme solution in the fuel electrode chamber.

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NAD依存型デヒドロゲナーゼが複数の段階を経て燃料(例えばメタノール)をCOまで酸化する際に、補酵素NADからNADHを生成させる。生成したNADHは、ジアホラーゼにより電子メディエータを介して燃料極へ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。 In this fuel cell, when one or more kinds of NAD + dependent dehydrogenases, which will be described later as complex dehydrogenases, oxidize fuel (for example, methanol) to CO 2 in a plurality of stages in an enzyme solution, a coenzyme is used. Generate NADH from NAD + . The generated NADH passes two electrons to the fuel electrode via the electron mediator by diaphorase. And an electric current generate | occur | produces when an electron reaches | attains an air electrode through an external circuit. Further, H + generated in the above-described process moves to the air electrode through the proton conductive membrane or the enzyme solution without the membrane. In the air electrode, water is generated from the reached H + , the two electrons supplied from the external circuit, and oxygen.

本発明では、以下に述べるように、NAD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、最適な電子メディエー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、図1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図2を用いてさらに詳細に説明する。 In the present invention, as described below, by optimizing the enzyme activity of an enzyme such as NAD + dependent dehydrogenase, selecting an optimal electron mediator, or a combination thereof, The movement speed of electrons is increased, and the current density is improved. Therefore, the reaction for transferring electrons from the enzyme solution to the fuel electrode in the reaction shown in FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG.

酵素溶液には、NAD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NADHを生成するアルコールデヒドロゲナーゼ(alcohol dehydrogenase:以下ADHと称する。)と、ホルムアルデヒドから蟻酸及びNADHを生成するホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ(formaldehyde dehydrogenase:以下FalDHと称する。)と、蟻酸からCO及びNADHを生成する蟻酸デヒドロゲナーゼ(formate dehydrogenase:以下FateDHと称する。)の3種類が溶解されている。また、酵素溶液にはNADHを酸化してNADとHとに分解するNADHデヒドロゲナーゼ、すなわちジアホラーゼ(diaphorase:以下DIと称する。)が溶解されている。また、酵素溶液には、DIを介してNADH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ィエータが溶解されている。また、NAD依存型デヒドロゲナーゼが反応に必要とする補酵素NADも、酵素溶液中に溶解されている。 The enzyme solution includes alcohol dehydrogenase that generates formaldehyde and NADH from methanol as a fuel (alcohol dehydrogenase: hereinafter referred to as ADH) and formaldehyde dehydrogenase that generates formic acid and NADH from formaldehyde as NAD + -dependent dehydrogenases. : Formal acid dehydrogenase (hereinafter referred to as FateDH), which generates CO 2 and NADH from formic acid. In addition, NADH dehydrogenase that oxidizes NADH to decompose it into NAD + and H + , that is, diaphorase (hereinafter referred to as DI) is dissolved in the enzyme solution. In the enzyme solution, an electron mediator that receives two electrons from NADH via DI and passes them to the fuel electrode is dissolved. In addition, coenzyme NAD + required for the reaction of NAD + dependent dehydrogenase is also dissolved in the enzyme solution.

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(E1)に相当するU(ADH)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(E2)=U(FalDH)+U(FateDH)に対して、U(E1)=U(ADH)≦U(E2)=U(FalDH)+U(FateDH)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ーゼを酵素1とすると、酵素1の酵素活性U(E1)に相当するU(FalDH)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(E2)=U(FateDH)に対して、U(E1)=U(FalDH)≦U(E2)=U(FateDH)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)
Here, the enzyme activities of a plurality of enzymes that decompose the fuel contained in the enzyme solution must satisfy the following conditions. First, when alcohol dehydrogenase is enzyme 1, U (ADH) corresponding to enzyme activity U (E1) of enzyme 1 is the sum of enzyme activities of enzyme groups (formaldehyde dehydrogenase and formate dehydrogenase) that decompose degradation products (formaldehyde). For U (E2) = U (FalDH) + U (FateDH), it is necessary that U (E1) = U (ADH) ≦ U (E2) = U (FalDH) + U (FateDH). Next, assuming that formaldehyde dehydrogenase is enzyme 1, U (FalDH) corresponding to enzyme activity U (E1) of enzyme 1 is the sum of enzyme activities U (formic acid dehydrogenase) of enzyme group (formate dehydrogenase) that decomposes decomposition products (formic acid). For E2) = U (FateDH), it is necessary that U (E1) = U (FalDH) ≦ U (E2) = U (FateDH). Taking these into consideration, it is preferable that the fuel cell using methanol as the fuel satisfies the following expression (1).
0 <U (ADH) ≦ U (FalDH) ≦ U (FateDH) (1)

上述した3種類の最適なNAD依存型デヒドロゲナー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COまで迅速に分解し、NADHの生成速度を充分に高くすることができる。 By selecting the three types of optimal NAD + -dependent dehydrogenases described above and increasing the ratio of the enzyme activities according to the order of decomposition of methanol, methanol can be converted to CO 2 without accumulating intermediate products such as formaldehyde and formic acid. Can be rapidly decomposed, and the production rate of NADH can be sufficiently increased.

また、NADHから燃料極への電子の授受に関与するDIの酵素活性を、NADHの生成に関与する3種類のNAD依存型デヒドロゲナーゼの酵素活性の和よりも大とする必要があり、これにより、生成したNADH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、DIの酵素活性をU(DI)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)
In addition, the enzyme activity of DI involved in the transfer of electrons from NADH to the fuel electrode needs to be made larger than the sum of the enzyme activities of the three types of NAD + dependent dehydrogenases involved in the production of NADH. The moving speed of electrons from the generated NADH to the fuel electrode can be increased. This is represented by the following formula (2), where the enzyme activity of DI is U (DI).
U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH) ≦ U (DI) ... Equation (2)

DIの酵素活性がNAD依存型デヒドロゲナーゼの酵素活性の和を下回る場合、DI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。 When the enzyme activity of DI is less than the sum of the enzyme activities of NAD + -dependent dehydrogenase, the enzyme reaction of DI becomes rate-determined, and the electron transfer rate becomes slow, resulting in insufficient current density.

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pHにおいて1分間あたり1μmolの基質が反応する度合いを示す。   In addition, U (unit) said here is one parameter | index which shows enzyme activity, and shows the degree to which 1 micromol substrate reacts per minute at a certain temperature and pH.

燃料電池の電圧は、それぞれの電極に用いる電子メディエータ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ィエータを、空気極側ではよりポジティブな電位の電子メディエータを選ぶと良い。しかし、電子メディエータの、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。   The voltage of the fuel cell is set by controlling the redox potential of the electron mediator used for each electrode. That is, in order to obtain a higher voltage, it is preferable to select an electron mediator having a more negative potential on the fuel electrode side and an electron mediator having a more positive potential on the air electrode side. However, the reaction affinity of the electron mediator with respect to the enzyme, the rate of electron exchange with the electrode, the structural stability with respect to inhibitory factors (light, oxygen, etc.) must also be considered.

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エータとして、ビタミンK3(2-methyl-1,4-naphthoquinone、Vitamin K3:以下VK3と称する)、を選択することが現状では好ましい。VK3は平衡酸化還元電位(pH7.0の溶液中)が−210mV(vsAg/AgCl)であり、活性点としてフラビンモノヌクレオチド(flavin mononucleotide:以下FMNと称する。)を有するDIの平衡酸化還元電位(pH7.0の溶液中)である約−380mV(vsAg/AgCl)と比較して、電位が若干ポジティブである。これにより、DIと電子メディエータ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。   From such a total point of view, it is currently preferable to select vitamin K3 (2-methyl-1,4-naphthoquinone, Vitamin K3: hereinafter referred to as VK3) as the electron mediator acting on the fuel electrode. VK3 has an equilibrium oxidation-reduction potential (in a solution of pH 7.0) of −210 mV (vsAg / AgCl), and an equilibrium oxidation-reduction potential of DI (flavin mononucleotide: hereinafter referred to as FMN) as an active site ( The potential is slightly positive compared to about -380 mV (vsAg / AgCl), which is in a pH 7.0 solution. As a result, the exchange rate of electrons between the DI and the electron mediator becomes moderately high, and a large current density can be obtained. At the same time, a relatively large voltage can be obtained when the battery is configured in combination with the air electrode. it can.

これに対して、VK3よりもさらに電位がポジティブである例えば1,4-benzoquinone(+93mV(vsAg/AgCl))を電子メディエータとして用いた場合、溶液中の電子メディエータ分子の拡散の影響が大きくなり、電流密度はVK3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、VK3よりもさらに電位がネガティブであり、且つDIよりも電位が若干ポジティブである例えばanthraquinone-2-sulfonate(−549mV(vsAg/AgCl))を電子メディエー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、VK3の他に適当な酸化還元電位を有する電子メディエータ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、Os、Ru、Fe、Co等の金属錯体、ベンジルビオロー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等を燃料極に作用する電子メディエータとして利用できる。   On the other hand, when, for example, 1,4-benzoquinone (+93 mV (vsAg / AgCl)), which is more positive than VK3, is used as the electron mediator, the influence of diffusion of the electron mediator molecule in the solution is increased. The current density hardly changes compared with VK3, and the expected effect cannot be obtained. Not only that, there arises a problem that the battery voltage becomes smaller. Further, when, for example, anthraquinone-2-sulfonate (−549 mV (vsAg / AgCl)), which has a more negative potential than VK3 and a little more positive than DI, is used as an electron mediator, the current density is reversed. Although it decreases, the battery voltage improves. In this case, the current density as a battery can be improved to some extent by increasing the reaction electrode area by devising the electrode structure and constructing the reaction field three-dimensionally at a high density. Thus, it is also possible to select an electron mediator having an appropriate redox potential in addition to VK3. Other examples include compounds having a quinone skeleton, metal complexes such as Os, Ru, Fe and Co, viologen compounds such as benzyl viologen, compounds having a nicotinamide structure, compounds having a riboflavin structure, compounds having a nucleotide-phosphate structure Can be used as an electron mediator acting on the fuel electrode.

また、空気極に作用する電子メディエータとしては、主にABTS〔2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate)〕)、Os、Ru、Fe、Co等の金属錯体等を用いることができる。   In addition, as an electron mediator that acts on the air electrode, mainly metal complexes such as ABTS [2,2′-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate)]), Os, Ru, Fe, Co, etc. are used. it can.

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ADH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2Hと2電子とを除去し、NADの還元体であるNADHと、Hとを生じる。 In this system, power generation is performed as follows. First, when methanol as a fuel is supplied to the enzyme solution, ADH in the enzyme solution catalyzes the oxidation of methanol to produce formaldehyde. At this time, 2H + and 2 electrons are removed from methanol, and NADH which is a reduced form of NAD + and H + are generated.

次に、FalDHがホルムアルデヒドにHOを付加するとともに2Hと2電子とを除去し、蟻酸を生成する。このとき、NADHとHとを生じる。 Next, FalDH adds H 2 O to formaldehyde and removes 2H + and 2 electrons to produce formic acid. At this time, NADH and H + are generated.

次に、FateDHが蟻酸から2Hと2電子とを除去して、最終生成物であるCOを生成する。このとき、NADHとHとを生じる。最終生成物であるCO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pH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。 Next, FateDH is to remove the 2H + and 2 electrons from formic acid, to produce a CO 2 as the final product. At this time, NADH and H + are generated. The final product, CO 2 , will not significantly change the pH of the enzyme solution if it is removed from the enzyme solution system (usually as a gas). For this reason, the fall of enzyme activity is suppressed.

そして次に、上述した過程で生成したNADHをDIが酸化して、電子メディエータの酸化体に電子を渡して電子メディエータの還元体とする。なお、電子メディエータがVK3である場合には、VK3の酸化体は2電子と2H+ とを受け取り、VK3の還元体となる。次いで電子メディエータの還元体が電子を燃料極に渡し、電子メディエータの酸化体に戻る。DIによってNADHは酸化され、NAD+ とH+ とになり、生成したNAD+ は上述したNAD+ 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NADH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。 Next, DI oxidizes NADH generated in the above-described process, and passes electrons to the oxidized form of the electron mediator to form a reduced form of the electron mediator. When the electron mediator is VK3, the oxidant of VK3 receives two electrons and 2H + and becomes a reductant of VK3. Next, the reductant of the electron mediator passes the electrons to the fuel electrode and returns to the oxidant of the electron mediator. NADH is oxidized by DI to become NAD + and H + , and the generated NAD + is reused in the process of decomposing methanol by the NAD + -dependent dehydrogenase described above. As a result, two electrons are passed from one molecule of NADH to the fuel electrode, and a direct current can be taken out.

以上のように、3種類のNAD依存型デヒドロゲナーゼが1分子のメタノールをCOまで分解する過程で、合計3分子のNADH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NADHが有する化学エネルギーを利用すること、すなわちNADH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。 As described above, a total of three molecules of NADH are produced in the process in which three types of NAD + dependent dehydrogenases decompose one molecule of methanol to CO 2 . In this stage, in the process of extracting each H + from the fuel having H + having different energy states, the chemical energy is converted into the same substance called NADH. By using the chemical energy possessed by NADH, that is, by passing the electrons possessed by NADH to the fuel electrode, a fuel cell with high energy conversion efficiency can be realized.

NADHから燃料極への電子の移動を円滑に行うためには、DIの酵素活性に対して電子メディエータを酵素溶液中に充分に存在させることが好ましい。   In order to smoothly transfer electrons from NADH to the fuel electrode, it is preferable that an electron mediator is sufficiently present in the enzyme solution for the enzyme activity of DI.

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pH7付近にpH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40℃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pH、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。   In addition, in order for the above enzyme to react efficiently and constantly, the enzyme solution is preferably maintained at a pH of, for example, around pH 7 with a buffer solution such as a Tris buffer solution or a phosphate buffer solution. Also, the temperature of the enzyme solution is preferably maintained at, for example, around 40 ° C. by the temperature control system. Furthermore, the ionic strength (hereinafter referred to as “I.S.”) of the enzyme solution has an adverse effect on the enzyme activity if it is too large or too small. The strength is preferably about 0.3, for example. However, the above pH, temperature, and ionic strength have optimum values for each of the enzymes used, and are not limited to the values described above.

さらに、上述した各種の酵素、補酵素及び電子メディエータは、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、電子メディエータ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、例えばグ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ィエータ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。   Further, the various enzymes, coenzymes, and electron mediators described above are used by being dissolved in an enzyme solution, and at least one of them is on an electrode or a general method proposed in the field of biosensors or the like. It may be used by being fixed in the vicinity of the electrode. For example, by using an electrode in which a material having a large surface area such as activated carbon is three-dimensionally arranged as a fuel electrode, the effective reaction electrode area of the electron mediator is expanded and the current density is further improved. Can do. Further, for example, by immobilizing the enzyme on the electrode surface with high density by cross-linking with glutaraldehyde, the transfer of electrons from the enzyme to the electron mediator in the vicinity of the electrode surface becomes more efficient, and the current density can also be improved.

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ADH、FalDH、FateDH及びDIは、ミューテーションによりpH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、ビリルビンオキシダーゼ等の公知の酵素を用いてもよい。   In addition, the enzyme used for this invention is not limited to the enzyme mentioned above, Other enzymes may be used. In addition, the above-described ADH, FalDH, FateDH, and DI may be relatively stable with respect to pH and inhibitory substances by mutation. Furthermore, known enzymes such as laccase and bilirubin oxidase may be used as the enzyme for the air electrode.

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−6−リン酸、フルクトース−6−リン酸、フルクトース−1,6−ビスリン酸、トリオースリン酸イソメラーゼ、1,3−ビスホスホグリセリン酸、3−ホスホグリセリン酸、2−ホスホグリセリン酸、ホスホエノールピルビン酸、ピルビン酸、アセチル−CoA、クエン酸、cis−アコニット酸、イソクエン酸、オキサロコハク酸、2−オキソグルタル酸、スクシニル−CoA、コハク酸、フマル酸、L−リンゴ酸、オキサロ酢酸等)、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TCA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COまで酸化される系を実現できる。特にグルコー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。 As fuel for the fuel cell of the present invention, methanol, alcohols such as ethanol, sugars such as glucose, fats, proteins, organic acids such as intermediate products of sugar metabolism (glucose-6-phosphate, fructose-6) -Phosphate, fructose-1,6-bisphosphate, triosephosphate isomerase, 1,3-bisphosphoglycerate, 3-phosphoglycerate, 2-phosphoglycerate, phosphoenolpyruvate, pyruvate, acetyl-CoA, Citric acid, cis-aconitic acid, isocitric acid, oxalosuccinic acid, 2-oxoglutaric acid, succinyl-CoA, succinic acid, fumaric acid, L-malic acid, oxaloacetic acid, etc.), mixtures thereof, and the like may be used. Among them, glucose, ethanol, intermediate products of sugar metabolism, etc. are combined with the above-mentioned enzymes alone or using a plurality of appropriate types, and in particular, by using a plurality of enzymes involved in the TCA circuit, by optimizing environmental conditions, A system in which the fuel is oxidized to CO 2 can be realized in the same manner as the system using methanol as the fuel described above. In particular, glucose is a preferred fuel because it is a material that is extremely easy to handle.

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ーゼ、電子伝達系の一連の酵素、ATP合成酵素、糖代謝に関与する酵素(例えばヘキソキナーゼ、グルコースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、フルクトース二リン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グリセルアルデヒドリン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホグリセロムターゼ、ホスホピルビン酸ヒドラターゼ、ピルビン酸キナーゼ、L−乳酸デヒドロゲナーゼ、D−乳酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、クエン酸シンターゼ、アコニターゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、2−オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニル−CoAシンテターゼ、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼ、マロン酸デヒドロゲナーゼ等)等の公知の酵素を挙げることができる。   In this case, it is preferable to select and use the optimal enzyme according to a fuel. For example, enzymes used in the fuel electrode include glucose dehydrogenase, a series of enzymes in the electron transport system, ATP synthase, enzymes involved in sugar metabolism (for example, hexokinase, glucose phosphate isomerase, phosphofructokinase, fructose diphosphate aldolase, Triose phosphate isomerase, glyceraldehyde phosphate dehydrogenase, phosphoglyceromutase, phosphopyruvate hydratase, pyruvate kinase, L-lactate dehydrogenase, D-lactate dehydrogenase, pyruvate dehydrogenase, citrate synthase, aconitase, isocitrate dehydrogenase, 2- Oxoglutarate dehydrogenase, succinyl-CoA synthetase, succinate dehydrogenase, fumarase, malonate dehydrogenase, etc.) Mention may be made of the enzyme.

図3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(ADH)の作用によりエタノールが酸化されてア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ーゼ(AlDH)の作用によりア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、NADH(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、先の図2に示すメタノールの場合と同様である。ここで、ADH及びAlDHの酵素活性をそれぞれU(ADH)、U(AlDH)とすると、U(E1)に相当するU(ADH)とU(E2)に相当するU(AlDH)は、0<U(ADH)≦U(AlDH)である。また、これらU(ADH)とU(AlDH)の総和はDIの酵素活性U(DI)以下であり、U(ADH)+U(AlDH)≦U(DI)である。 FIG. 3 shows a complex enzyme reaction when ethanol is used as a fuel. In the case of ethanol, in the first stage, ethanol is oxidized to acetaldehyde by the action of alcohol dehydrogenase (ADH), and in the second stage, acetaldehyde is oxidized to acetic acid by the action of aldehyde dehydrogenase (AlDH). In each stage, NAD + (oxidant) is reduced to produce NADH (reductant). The delivery of electrons through the electron mediator is the same as in the case of methanol shown in FIG. Here, when the enzyme activities of ADH and AlDH are U (ADH) and U (AlDH), respectively, U (ADH) corresponding to U (E1) and U (AlDH) corresponding to U (E2) are 0 < U (ADH) ≦ U (AlDH). The sum of U (ADH) and U (AlDH) is equal to or less than the enzyme activity U (DI) of DI, and U (ADH) + U (AlDH) ≦ U (DI).

図4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(GDH)の作用により、β−D−グルコースがD−グルコノ−δ−ラクトンに分解される。D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸に加水分解することでリン酸化され、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、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ーゼ(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。各酸化反応では、NAD(酸化体)が還元されて、NADH(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、先の図2に示すメタノールの場合と同様である。ここで、GDH及びPhGDHの酵素活性をそれぞれU(GDH)、U(PhGDH)とすると、U(E1)に相当するU(GDH)とU(E2)に相当するU(PhGDH)は、0<U(GDH)≦U(PhGDH)である。また、これらU(GDH)とU(PhGDH)の総和はDIの酵素活性U(DI)以下であり、U(GDH)+U(PhGDH)≦U(DI)である。 FIG. 4 shows a complex enzyme reaction when glucose is used as a fuel. In the case of glucose, in the first stage oxidation reaction, β-D-glucose is decomposed into D-glucono-δ-lactone by the action of glucose dehydrogenase (GDH). D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate hydrolyzes adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase. It is phosphorylated by decomposition and becomes 6-phospho-D-gluconate. This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH) in the second stage oxidation reaction. In each oxidation reaction, NAD + (oxidant) is reduced to produce NADH (reductant). The delivery of electrons through the electron mediator is the same as in the case of methanol shown in FIG. Here, when the enzyme activities of GDH and PhGDH are U (GDH) and U (PhGDH), U (GDH) corresponding to U (E1) and U (PhGDH) corresponding to U (E2) are 0 < U (GDH) ≦ U (PhGDH). The sum of U (GDH) and U (PhGDH) is equal to or less than the enzyme activity U (DI) of DI, and U (GDH) + U (PhGDH) ≦ U (DI).

本発明の燃料電池において、燃料極には、グラッシーカーボン等のカーボン、Pt、Au等を使用できる。空気極としては、例えばPt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Nafion117等のフッ素系樹脂等が好適である。   In the fuel cell of the present invention, carbon such as glassy carbon, Pt, Au or the like can be used for the fuel electrode. As the air electrode, for example, a carbon carrying a catalyst such as Pt joined with a fluorine resin or the like can be used. The air electrode may further contain an oxidoreductase such as laccase. As the proton conductive membrane, for example, a fluorine-based resin such as Nafion 117 manufactured by DuPont, USA is suitable.

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COまで分解するとともにNADH及びHを生成する反応、及び生成したNADHを分解する反応を迅速に進めることができる。また、電子メディエータとしてVK3を選択することで、NADH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、これによっ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。 As described above, in the fuel cell of the present invention, by increasing the ratio of the enzyme activity of each enzyme as it is in the later stage, for example, as defined in the above formulas (1) and (2), A reaction that decomposes fuel (for example, methanol) to CO 2 and generates NADH and H + and a reaction that decomposes the generated NADH can be rapidly advanced. Further, by selecting VK3 as the electron mediator, the moving speed of electrons from NADH to the fuel electrode can be increased. By using the above methods alone or in combination, it is possible to achieve a current density that is unprecedented in a fuel cell using biological metabolism. In particular, it is preferable to use two methods in combination, whereby the reaction rate can be further improved and a larger current density can be obtained.

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。   In addition, since the fuel cell of the present invention generates power using biological metabolism, which is a highly efficient energy conversion mechanism, it has excellent stability at room temperature, can be reduced in size and weight, and can handle fuel. It also has the advantage of being extremely easy.

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や微生物等を培養し、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。   Furthermore, since the enzyme that contributes to the battery reaction is obtained by culturing cells, microorganisms, etc. that produce the target enzyme, and extracting and purifying by a conventional method, it is possible to reduce the cost of the fuel cell. Become.

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。   In addition, this invention is not limited to the above-mentioned description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.

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、電子メディエータ、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μlオーダー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。   Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results. In the following comparative examples and examples, enzymes, coenzymes, electron mediators, fuels, etc. are added to the solution as needed, but each is first dissolved in the solution, and the amount added is controlled to a very small order of several μl. The experiment was conducted so that the decrease in the substance concentration before the dropping and the change in the solution temperature were negligible.

<実験1>
先ず、NADH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。
<Experiment 1>
First, the optimal enzyme activity ratio of NAD + dependent dehydrogenase was examined by examining the production rate of NADH.

実施例1
3mlの0.1Mトリス塩酸緩衝液(pH7.0、I.S.=0.3)にNADを5mM、メタノールを1M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ADHを25ユニット、FalDHを50ユニット、FateDHを75ユニット添加した。これらNAD依存型デヒドロゲナー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1cmである。測定波長はNADHに特徴的な340nmを選び、その吸光度変化から生成したNADH濃度を決定した。なお、酵素溶液の温度は、40±1℃の範囲に収まるように制御した。
Example 1
5 ml of NAD + and 1M of methanol were added to 3 ml of 0.1 M Tris-HCl buffer (pH 7.0, IS = 0.3), and this solution was stirred and purged with argon gas. Furthermore, 25 units of ADH, 50 units of FalDH, and 75 units of FateDH were added. From the time when these NAD + -dependent dehydrogenases were added to the solution, the absorbance was measured over time using an ultraviolet-visible spectrophotometer. The optical path length is 1 cm. The measurement wavelength was 340 nm, which is characteristic of NADH, and the concentration of NADH generated from the change in absorbance was determined. The temperature of the enzyme solution was controlled so as to be within the range of 40 ± 1 ° C.

実施例2
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット、FalDHを100ユニット、FateDHを200ユニット添加したこと以外は、実施例1と同様にしてNADH濃度を測定した。
Example 2
The NADH concentration was measured in the same manner as in Example 1 except that 25 units of ADH, 100 units of FalDH, and 200 units of FateDH were added as NAD + dependent dehydrogenase.

比較例1
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット添加し、FalDH及びFateDH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。
Comparative Example 1
The NADH concentration was measured in the same manner as in Example 1 except that 25 units of ADH was added as NAD + -dependent dehydrogenase, and FalDH and FateDH were not added.

比較例2
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット、FalDHを50ユニット添加し、FateDH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。
Comparative Example 2
The NADH concentration was measured in the same manner as in Example 1 except that 25 units of ADH and 50 units of FalDH were added as NAD + dependent dehydrogenase, and FateDH was not added.

比較例3
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット添加し、FalDH及びFateDHを添加せずに測定を開始し、測定開始後7.8時間後にFalDHを50ユニット添加し、さらに測定開始後9.0時間後にFateDHを75ユニット添加したこと以外は、実施例1と同様にしてNADH濃度を測定した。
Comparative Example 3
As an NAD + dependent dehydrogenase, 25 units of ADH were added, measurement was started without adding FalDH and FateDH, 50 units of FalDH were added 7.8 hours after the start of measurement, and 9.0 hours after the start of measurement. The NADH concentration was measured in the same manner as in Example 1 except that 75 units of FateDH were added later.

比較例4
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット、FalDHを20ユニット、FateDHを15ユニット添加したこと以外は、実施例1と同様にしてNADH濃度を測定した。
Comparative Example 4
The NADH concentration was measured in the same manner as in Example 1 except that 25 units of ADH, 20 units of FalDH, and 15 units of FateDH were added as NAD + dependent dehydrogenase.

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NADH濃度の変化を、図5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NAD依存型デヒドロゲナー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。 FIG. 5 shows the change in NADH concentration with respect to the measurement time of Example 1, Example 2, and Comparative Examples 1 to 4 measured as described above. In addition, Table 1 below shows the amount of NAD + dependent dehydrogenase used in Example 1, Example 2, and Comparative Examples 1 to 4. In Table 1, (+) of Comparative Example 3 indicates that the enzyme was added during the measurement, not the enzyme from the beginning of the measurement.

Figure 0005207576
Figure 0005207576

図5から、実施例1は、時間の経過に伴ってNADHが順調に増加しており、NAD依存型デヒドロゲナーゼを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NADHの生成速度が著しく高いことがわかる。 From FIG. 5, in Example 1, NADH increases steadily with the passage of time, and compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2 containing only one type or two types of NAD + dependent dehydrogenase. It can be seen that the production rate is extremely high.

また、ADH、FalDH、FateDHの順に増大する酵素活性の比を、実施例1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NADHの生成速度の向上が観察された。   Further, in Example 2 in which the ratio of enzyme activity increasing in the order of ADH, FalDH, and FateDH was further increased as compared with Example 1, an improvement in the production rate of NADH was observed as compared with Example 1.

これに対して、NAD依存型デヒドロゲナーゼとしてADHのみが添加された比較例1では、NADHの生成は測定7時間後にほぼ頭打ちとなった。また、NAD依存型デヒドロゲナーゼとしてADH及びFalDHが添加された比較例2では、比較例1に比べてNADH生成速度は向上しているものの、やはりNADHの生成は頭打ちとなった。この原因は、メタノールがCO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pH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、図5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NADH濃度の顕著な増加は観察されなかった。 In contrast, in Comparative Example 1 in which only ADH was added as the NAD + -dependent dehydrogenase, the production of NADH almost reached its peak after 7 hours of measurement. Further, in Comparative Example 2 in which ADH and FalDH were added as NAD + -dependent dehydrogenases, the NADH production rate was improved as compared with Comparative Example 1, but the production of NADH reached a peak. This is thought to be because methanol was not decomposed to CO 2 but accumulated in the enzyme solution as formaldehyde or formic acid, which caused a change in pH and the like to reduce the enzyme activity. Although not shown in FIG. 5, in Comparative Example 1, no significant increase in NADH concentration was observed even after 7.8 hours from the start of measurement.

また、比較例3では、FalDHの添加までは比較例1と同じく低いNADH生成速度であったが、FalDH及びFateDHの添加によって、それぞれの時点でNADH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アルデヒドが蓄積していたが、FalDH及びFateDHの添加によって蟻酸、さらにCOへと分解が進行したためと考えられる。 In Comparative Example 3, the NADH production rate was as low as that in Comparative Example 1 until the addition of FalDH, but the NADH production rate rapidly increased at each time point due to the addition of FalDH and FateDH. This is probably because formaldehyde was accumulated for a while after the start of measurement, but decomposition progressed to formic acid and further CO 2 by the addition of FalDH and FateDH.

また、比較例4は、3種類のNAD依存型デヒドロゲナーゼを含有するものの、ADH、FalDH、FateDH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、NADH生成速度は頭打ちとなった。この比較例4では、ADHの酵素活性に比べてFalDH及びFateDH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。 Comparative Example 4 contains three types of NAD + -dependent dehydrogenases, but the enzyme activity ratios of ADH, FalDH, and FateDH were sequentially decreased as opposed to Example 1, and the NADH production rate peaked out. It became. In Comparative Example 4, the enzymatic activities of FalDH and FateDH are deficient compared to the enzymatic activity of ADH, and the decomposition of formaldehyde and formic acid, which are intermediate products, is stagnant, so that Comparative Examples 1 and 2 are the same. It is thought that this phenomenon was caused.

以上の実験1の結果から、メタノールをCO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NAD依存型デヒドロゲナーゼとしてADH、FalDH、FateDH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。 From the results of the above experiment 1, it is necessary to quickly decompose an intermediate product that reduces the enzyme activity when decomposing methanol into CO 2 , and for this purpose, NAD + -dependent dehydrogenase is ADH, FalDH, FateDH. It has been found that these three enzymes must be present so that the ratio of these enzyme activities increases in this order.

<実験2>
次に、3極セルを用いてオープンサーキット(OCV)測定を行い、NAD依存型デヒドロゲナーゼ及びDI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ーカーボン(直径3mm)、対極としてPt線、参照電極としてAg/AgClを用いたものである。また3極セルは、40±1℃の範囲内に収まるように温度制御される。
<Experiment 2>
Next, open circuit (OCV) measurement was performed using a triode cell, and the optimal enzyme activity ratio of NAD + dependent dehydrogenase and DI was examined. The triode cell uses glassy carbon (diameter 3 mm) as a working electrode, Pt wire as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode. The temperature of the triode cell is controlled so as to be within the range of 40 ± 1 ° C.

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VK3を添加して調製した酵素溶液に、DIを200ユニット添加したときのOCVを測定した。
Example 3
In Example 3, OCV when 200 units of DI was added to the enzyme solution prepared by adding VK3 to the enzyme solution of Example 1 in Experiment 1 was measured.

そして、以下のようにしてOCV測定を行った。具体的には、1mlのトリス塩酸緩衝液(pH7.0)(I.S.=0.3)にVK3(酸化体)を5mM、NADを5mM、メタノールを1M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VK3の濃度(5mM)は、DIの酵素活性に対して充分量である。次にADHを25ユニット、FalDHを50ユニット、FateDHを75ユニット添加し、OCV測定を行った。OCVが安定した時点でさらにDIを200ユニット添加し、この時点を測定開始時刻としてOCVを経時的に測定した。 And OCV measurement was performed as follows. Specifically, 5 mM of VK3 (oxidized substance), 5 mM of NAD + and 1 M of methanol are added to 1 ml of Tris-HCl buffer (pH 7.0) (IS = 0.3), and this solution is stirred. And purging with argon gas. Here, the concentration of VK3 (5 mM) is sufficient for the enzyme activity of DI. Next, 25 units of ADH, 50 units of FalDH, and 75 units of FateDH were added, and OCV measurement was performed. When OCV was stabilized, 200 units of DI were further added, and OCV was measured over time with this point as the measurement start time.

実施例4
DIを400ユニット添加したこと以外は、実施例3と同様にしてOCVを測定した。
Example 4
OCV was measured in the same manner as in Example 3 except that 400 units of DI were added.

比較例5
NAD依存型デヒドロゲナーゼとしてADHを25ユニット添加し、FalDH及びFateDHを添加しなかったこと以外は、実施例3と同様にしてOCVを測定した。
Comparative Example 5
OCV was measured in the same manner as in Example 3 except that 25 units of ADH was added as a NAD + -dependent dehydrogenase, and FalDH and FateDH were not added.

比較例6
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット、FalDHを50ユニット添加し、FateDHを添加しなかったこと以外は、実施例3と同様にしてOCVを測定した。
Comparative Example 6
As an NAD + dependent dehydrogenase, OCV was measured in the same manner as in Example 3 except that 25 units of ADH and 50 units of FalDH were added and FateDH was not added.

比較例7
NAD依存型デヒドロゲナーゼとして、ADHを25ユニット添加し、FalDH及びFateDHを添加せずに測定を開始し、OCV測定開始後28.1分後にFalDHを50ユニット添加し、さらに測定開始後37.3分後にFateDHを75ユニット添加したこと以外は、実施例3と同様にしてOCVを測定した。
Comparative Example 7
As an NAD + -dependent dehydrogenase, 25 units of ADH were added, measurement was started without adding FalDH and FateDH, 50 units of FalDH was added 28.1 minutes after the start of OCV measurement, and 37.3 after the start of measurement. OCV was measured in the same manner as in Example 3 except that 75 units of FateDH were added after a minute.

比較例8
DIを100ユニット添加したこと以外は、実施例3と同様にしてOCVを測定した。
Comparative Example 8
The OCV was measured in the same manner as in Example 3 except that 100 units of DI was added.

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OCVの変化を、図6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DI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。 FIG. 6 shows changes in OCV of Example 3, Example 4, and Comparative Examples 5 to 8 measured as described above. Table 2 below shows the amounts of NAD + dependent dehydrogenase and DI added (enzyme activity) used in Example 3, Example 4, and Comparative Examples 5 to 8. In Table 2, (+) of Comparative Example 7 indicates that the enzyme was added during the measurement, not the enzyme from the beginning of the measurement.

Figure 0005207576
Figure 0005207576

図6から明らかなように、いずれの例においてもOCV測定開始後から酵素反応が進行してVK3の還元体が生成し、OCV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OCV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NADHに対してDIが充分量存在し、後述する比較例5〜比較例8に比べてOCVの減少速度が大であった。また、DIの酵素活性をさらに増大させた実施例4では、NADHからVK3への電子の受け渡しが加速し、OCVの減少速度が増大し、VK3の平衡酸化還元電位である−0.21V(vsAg/AgCl)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DIは、生成されるNADH量に対して充分であったといえる。 As is clear from FIG. 6, in any of the examples, the enzymatic reaction proceeded after the OCV measurement was started to produce a reduced form of VK3, and a decrease in OCV was observed. However, the results showed that the rate of decrease in OCV differs depending on the amount of enzyme activity added. For example, in Example 3, a sufficient amount of DI was present relative to NADH produced by NAD + dependent dehydrogenase, and the rate of decrease in OCV was greater than Comparative Examples 5 to 8 described below. In Example 4 in which the enzyme activity of DI was further increased, the transfer of electrons from NADH to VK3 was accelerated, the rate of decrease in OCV was increased, and −0.21 V (vsAg) which is the equilibrium redox potential of VK3. / AgCl) was quickly reached. From these things, it can be said that DI of Example 3 and Example 4 was sufficient with respect to the amount of NADH produced | generated.

これに対して、NADHの生成速度に比べてDIの酵素活性を不足させた比較例8では、測定開始初期のOCVの減少速度は充分であったが、時間の経過とともにOCVの減少速度が低下した。この理由は、DIの酵素反応が律速となり、NADH量が増加したためと考えられる。   In contrast, in Comparative Example 8 in which the enzyme activity of DI was deficient compared to the NADH production rate, the OCV decrease rate at the beginning of the measurement was sufficient, but the OCV decrease rate decreased with time. did. The reason for this is considered that the enzyme reaction of DI became rate-limiting and the amount of NADH increased.

また、比較例5〜比較例7では、DIの酵素活性は充分であるが、NAD依存型デヒドロゲナーゼの酵素活性が不足し、NADH生成速度が律速となり、OCVの減少速度が小さくなったと考えられる。なお、図6中には示していないが、比較例5では、測定開始後28.1分以降もOCVの顕著な低下は観察されなかった。 In Comparative Examples 5 to 7, the enzyme activity of DI was sufficient, but the enzyme activity of NAD + dependent dehydrogenase was insufficient, the NADH production rate became rate-limiting, and the decrease rate of OCV was considered to be small. . Although not shown in FIG. 6, in Comparative Example 5, no significant decrease in OCV was observed after 28.1 minutes after the start of measurement.

以上の実験2の結果から、NADHを生成するNAD依存型デヒドロゲナーゼの酵素活性の和よりも、NADHを酸化するDIの酵素活性が大きくなければならないことが判明した。 From the results of Experiment 2 above, it was found that the enzyme activity of DI that oxidizes NADH must be greater than the sum of the enzyme activities of NAD + dependent dehydrogenase that produces NADH.

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ーカーボンを用いて動作させた例を示したが、Pt及びAuを用いた場合にも同様に動作することが確認された。   In the above-described Experiment 2, an example was shown in which glassy carbon was used as the working electrode, that is, the fuel electrode, but it was confirmed that the same operation was performed when Pt and Au were used.

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Pt触媒、プロトン伝導膜としてNafion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。   Further, in the above-described experiment 2, an example using a triode cell was shown, but the same result as in the experiment 2 was obtained when a fuel cell using a Pt catalyst as an air electrode and a Nafion membrane as a proton conducting membrane was operated. It was confirmed that

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。It is a schematic diagram for demonstrating the outline | summary of reaction of the fuel cell to which this invention is applied. 図1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。In FIG. 1, it is a schematic diagram for demonstrating in detail the reaction by the side of a fuel electrode. 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。It is a figure which shows the complex enzyme reaction at the time of making ethanol into a fuel. 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。It is a figure which shows the complex enzyme reaction at the time of making glucose into a fuel. 実験1におけるNADHの経時変化を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a change with time of NADH in Experiment 1. 実験2におけるOCVの経時変化を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a change with time of OCV in Experiment 2.

Claims (9)

燃料を段階的に分解すると同時に補酵素の還元体を生成する複数の酵素を順にE1、E2、E3とし、それらの酵素活性をU(E1)、U(E2)、U(E3)とすると、0<U(E1)≦U(E2)≦U(E3)であり、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(U(E1)+U(E2)+U(E3))をU(E)とすると、当該補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素の酵素活性U(Co)が、U(Co)≧U(E)であり、前記補酵素から、さらに電子メディエータに電子の受け渡しをする燃料電池。A plurality of enzymes that decompose the fuel in stages and simultaneously generate a reduced form of the coenzyme are denoted as E1, E2, and E3, and their enzyme activities are U (E1), U (E2), and U (E3). 0 <U (E1) ≦ U (E2) ≦ U (E3), and the sum of the enzyme activities of the enzyme group involved in the production of the reduced form of the coenzyme (U (E1) + U (E2) + U (E3) ) Is U (E), the enzyme activity U (Co) of the coenzyme oxidase that produces an oxidant of the coenzyme is U (Co) ≧ U (E), and further from the coenzyme, an electron A fuel cell that delivers electrons to the mediator. 前記補酵素の酸化体がNAD+ 、還元体がNADHである請求項1記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidant of the coenzyme is NAD + and the reductant is NADH. 前記補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素が、ジアホラーゼである請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the coenzyme oxidase that produces an oxidant of the coenzyme is diaphorase. 前記電子メディエータはキノン骨格を有する化合物である請求項1記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the electron mediator is a compound having a quinone skeleton. 前記燃料がメタノールであり、前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請求項1記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel is methanol, and the plurality of enzymes that decompose the fuel in stages are alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, and formate dehydrogenase. 前記燃料がメタノールであり、前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り、前記補酵素の酸化を行う脱水素酵素がジアホラーゼであり、The fuel is methanol, the plurality of enzymes that decompose the fuel stepwise are alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, and formate dehydrogenase, and the dehydrogenase that oxidizes the coenzyme is diaphorase,
前記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、蟻酸デヒドロゲナーゼ、及びジアホラーゼの酵素活性をそれぞれU(ADH)、U(FalDH)、U(FateDH)、U(DI)としたとき、以下の式(1)及び式(2)の関係を満足する請求項1記載の燃料電池。When the enzyme activities of the alcohol dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, and diaphorase are U (ADH), U (FalDH), U (FateDH), and U (DI), respectively, the following formulas (1) and (2) The fuel cell according to claim 1, which satisfies the following relationship:
0<U(ADH)≦U(FalDH)≦U(FateDH) ・・・式(1)0 <U (ADH) ≦ U (FalDH) ≦ U (FateDH) (1)
U(ADH)+U(FalDH)+U(FateDH)≦U(DI) ・・・式(2)U (ADH) + U (FalDH) + U (FateDH) ≦ U (DI) (2)
前記複数の酵素は電極上又は電極近傍に固定化されている請求項1記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the plurality of enzymes are immobilized on or in the vicinity of the electrode. 燃料電池を用い、Using fuel cells,
前記燃料電池が、The fuel cell is
燃料を段階的に分解すると同時に補酵素の還元体を生成する複数の酵素を順にE1、E2、E3とし、それらの酵素活性をU(E1)、U(E2)、U(E3)とすると、0<U(E1)≦U(E2)≦U(E3)であり、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(U(E1)+U(E2)+U(E3))をU(E)とすると、当該補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素の酵素活性U(Co)が、U(Co)≧U(E)であり、前記補酵素から、さらに電子メディエータに電子の受け渡しをするものであるポータブル電源。A plurality of enzymes that decompose the fuel in stages and simultaneously generate a reduced form of the coenzyme are denoted as E1, E2, and E3, and their enzyme activities are U (E1), U (E2), and U (E3). 0 <U (E1) ≦ U (E2) ≦ U (E3), and the sum of the enzyme activities of the enzyme group involved in the production of the reduced form of the coenzyme (U (E1) + U (E2) + U (E3) ) Is U (E), the enzyme activity U (Co) of the coenzyme oxidase that produces an oxidant of the coenzyme is U (Co) ≧ U (E), and further from the coenzyme, an electron A portable power supply that delivers electrons to the mediator.
燃料電池を用い、Using fuel cells,
前記燃料電池が、The fuel cell is
燃料を段階的に分解すると同時に補酵素の還元体を生成する複数の酵素を順にE1、E2、E3とし、それらの酵素活性をU(E1)、U(E2)、U(E3)とすると、0<U(E1)≦U(E2)≦U(E3)であり、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(U(E1)+U(E2)+U(E3))をU(E)とすると、当該補酵素の酸化体を生成する補酵素酸化酵素の酵素活性U(Co)が、U(Co)≧U(E)であり、前記補酵素から、さらに電子メディエータに電子の受け渡しをするものである電子機器。A plurality of enzymes that decompose the fuel in stages and simultaneously generate a reduced form of the coenzyme are denoted as E1, E2, and E3, and their enzyme activities are U (E1), U (E2), and U (E3). 0 <U (E1) ≦ U (E2) ≦ U (E3), and the sum of the enzyme activities of the enzyme group involved in the production of the reduced form of the coenzyme (U (E1) + U (E2) + U (E3) ) Is U (E), the enzyme activity U (Co) of the coenzyme oxidase that produces an oxidant of the coenzyme is U (Co) ≧ U (E), and further from the coenzyme, an electron An electronic device that delivers electrons to a mediator.
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