JP2013243012A - バイオ燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性基材の表面に一度の塗工ステップにてカーボンスラリーと良好に分散された態様で酵素を塗工することができるバイオ燃料電池用電極の製造方法を提供する。
【解決手段】酵素を水系溶媒に溶かしてなる酵素溶液を塩析させ、塩析にて取り出した酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成し、電極用スラリーを導電性基材の表面に塗工するバイオ燃料電池用電極の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオ燃料電池用電極の製造方法に関するものである。

アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する電解質膜を介して対向配置された構成の燃料電池は、たとえば、固体高分子型燃料電池などとして知られている。

上記する燃料電池においては、アノード側電極に燃料（水素）が供給され、そこで触媒の作用によってプロトン（H⁺）となり、２個の電子（e^-）はカソード側電極に向けて放出される。アノード側電極で生成されたプロトンは電解質膜を介してカソード側電極に達し、触媒の作用によってアノード側電極からの２個の電子（e^-）を受け取るとともに、外部から供給される酸素から生成される酸素イオンとともに水が生成される。発電された電気は、外部回路を通る電子の移動が電流として取り出されるようになっている。すなわち、アノード側ではH₂→2H⁺＋2e^-の反応が、カソード側では2H⁺＋1/2O₂＋2e^-→H₂Oの反応がそれぞれ起こっており、全体反応としてはH₂＋1/2O₂→H₂Oの反応が起こることによって発電がおこなわれる。化学反応を効率よく進めるために電極には上記のように触媒が使用されており、たとえば固体高分子型燃料電池では白金が多用されている。

ところで、昨今、生物内でおこな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技術が研究されている。この生体代謝はエネルギー利用効率が高く、しかも室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特徴を備えている。しかしながら、微生物や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反応が多く存在することから、十分なエネルギー変換効率が発揮され難い。そこで、酵素を触媒として適用することで所望の反応のみをおこなわせる燃料電池（バイオ燃料電池）が開発されている。このバイオ燃料電池は、触媒として機能する酵素によって燃料を分解してプロトンと電子に分離するものであり、こ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、あるいはグルコースのような単糖類、デンプンのような多糖類を用いたものが用いられている。

上記するバイオ燃料電池の電極製造に着目すると、これまでの電極製造方法は一般に、カーボンペーパー等の導電性基材（電極骨格部材）の表面に対して所望に調製されたカーボンスラリーを塗工し、乾燥させて電極中間体を製作した後（第１の工程）、酵素を含む溶液にこの電極中間体を浸漬して酵素を固定化して電極を製作する（第２の工程）という、２つの工程による製造方法が適用されている。この製造方法によれば、カーボンペーパーからなる導電性基材の表面にカーボンを主成分とする被膜（コート層）が形成され、この表面に酵素が固定された構成の電極が形成されることになる。なお、このような従来のバイオ燃料電池用電極の製造方法が特許文献１において実施例として開示されている。

このように、バイオ燃料電池の電極製造において、導電性基材の表面にカーボンスラリーを塗工し、次いで酵素を固定するといった二つの工程を要している最大の理由は、酵素は有機溶媒中で凝集して凝集体を生成し易いため、導電性基材表面に酵素を分散させた状態で万遍なく配設し難いからである。仮に酵素をスラリーと混合して導電性基材表面に塗工した場合（すなわち、一つの塗工工程のみによる電極製造）には、酵素が凝集体を生成してしまい、導電性基材表面の一部に酵素の凝集体が固定された電極が製造される可能性が極めて高い。そして、このように導電性基材表面の一部に酵素の凝集体が固定された電極では、酵素全体が触媒作用を十分に発揮することができず、燃料電池の発電性能の低下に直結することから好ましくない。

上記課題を解消し、一度の塗工工程による電極製造方法によっても、導電性基材の表面に酵素を良好に分散固定することができ、もって、品質に優れたバイオ燃料電池用電極を効率よく製造することのできるバイオ燃料電池用電極の製造方法に関する発案が当該技術分野で切望されている。

特開２０１０−２６２８３０号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、導電性基材の表面に対し、一度の塗工工程にてスラリーと混合された酵素を良好に分散された態様で塗工することのできるバイオ燃料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるバイオ燃料電池用電極の製造方法は、酵素を水系溶媒に溶かしてなる酵素溶液を塩析させ、塩析にて取り出した酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成し、電極用スラリーを導電性基材の表面に塗工するものである。

本発明のバイオ燃料電池用電極の製造方法は、酵素溶液を塩析（塩存在下で析出）させて取り出すことにより、分散性を有した固体状の酵素を生成し、この酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成するものである。生成された電極用スラリーにおいては、酵素が凝集することなく良好に分散していることから、この電極用スラリーをカーボンフェルト等の導電性基材に塗工することで、導電性基材の表面や内部に酵素を凝集させることなく良好に分散した態様で配設することができる。

したがって、一度の塗工工程でバイオ燃料電池用電極を製造することができるため、スラリーの塗工と酵素の固定を別途おこなっていた二つの工程からなる従来の製造方法に比して工程を短縮することができ、このことによって製造コストを低減できる。さらに、導電性基材の表面全体に酵素が凝集することなく分散固定されていることから、発電性能に優れたバイオ燃料電池用電極を製造することができる。

ここで、「塗工」とは、塗布、散布、ディップ等を含む意味であり、たとえば塗布した後に、自然乾燥もしくは強制乾燥して電極スラリーの溶媒成分が蒸散することまでも含むことができる。

また、酵素溶液を塩析させる際に用いられる塩析作用を備えた塩としては、クエン酸塩や酒石酸塩、硫酸塩などが挙げられ、たとえば、クエン酸アンモニウムや硫酸アンモニウムが適用できる。

また、電極用スラリーを生成する実施の形態として、酵素溶液を硫酸アンモニウムもしくはクエン酸アンモニウムで塩析させ、遠心して酵素沈殿物を生成し、酵素沈殿物を水系溶媒に添加して懸濁液を生成し、懸濁液を濃縮させて固体状の酵素を沈殿物として取り出し、取り出した固体状の酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成する形態を挙げることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のバイオ燃料電池用電極の製造方法によれば、酵素を水系溶媒に溶かしてなる酵素溶液を塩析させ、塩析にて取り出した酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成し、この電極用スラリーを導電性基材に塗工することにより、一度の塗工工程で導電性基材に酵素を良好に分散固定させることができ、製造効率を高めながら、発電性能に優れたバイオ燃料電池用電極を製造することができる。

（ａ）はバイオ燃料電池の構造を側面から示した模式図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ矢視図である。 バイオ燃料電池の出力評価試験結果を示す図である。

以下、バイオ燃料電池用電極の製造方法を説明する。
（バイオ燃料電池の構造）
図１は、バイオ燃料電池の構造を説明した模式図である。同図で示すように、バイオ燃料電池１０は、イオン伝導性を有する電解質膜３と、その両側に、シリコンプレート６で挟持されたアノード側電極７Ａおよびカソード側電極７Ｂ（以上をまとめて電極７）と、これらの電極の外側に位置するチタンメッシュからなる集電体２，２と、さらに集電体２，２の外側に位置するシリコンプレート５で挟持された燃料タンク４，４と、これらの部材の積層体を左右から挟圧する一対の帯電防止アクリル板１，１とから大略構成されており、各積層体の内部に不図示の電解質溶液が満たされた状態となっている。図１ａで示す各構成部材の積層体に対し、最終的に図１ｂで示すボルト穴１ａを介してボルトが一対の帯電防止アクリル板１，１間に挿通され、ナット締め等されることでバイオ燃料電池１０が組み付けられる。

電極７は、グラファイトやカーボンブラック、活性炭、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性炭素質の導電性基材（電極骨格部材）の表面に、カーボンを主成分とする材料がコーティングされ、さらにこの表面に酵素が分散固定されて形成されている。

電極７の導電性基材表面に分散固定される酵素としては、デヒドロゲナーゼやオキシダーゼなどの酸化還元酵素を挙げることができる。この酸化還元酵素の具体例としては、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)やフルクトースデヒドロゲナーゼ(FDH)、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、アルコールオキシダーゼ(AOD)、アルデヒドオキシダーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(GOD)、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ギ酸オキシダーゼ、ジアホラーゼ、マルチ銅オキシダーゼなどを挙げることができる。また、酵素は、これらのうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

また、酵素は、アノード側電極７Ａとカソード側電極７Ｂの双方の導電性基材表面に分散固定されてもよいし、アノード側電極７Ａとカソード側電極７Ｂのいずれか一方にのみ分散固定されてもよい。

たとえばアノード側電極７Ａが酵素を有する（酵素電極）の場合、電極に用いた酵素の反応の基質となる物質が燃料としてアノード側電極に供給される。燃料の具体例としては、メタノールやエタノールなどのアルコール類、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、ギ酸や酢酸などのカルボン酸類、グルコース、フルクトースなどの糖類などが挙げられる。燃料は電極に固定された酵素に応じて適宜選択することができ、たとえば水溶液の状態で燃料タンク４から電極７側へ供給される。一方、カソード極では大気中から酸素を取り込み、水が生成される。

（電極の製造方法）
次に、電極７の製造方法を概説する。まず、酵素を水系溶媒に溶かして酵素溶液を調製し、この酵素溶液に硫酸アンモニウム（硫安）等を添加して塩析し、適宜遠心分離して酵素沈殿物を生成する。

この酵素沈殿物を硫安入りバッファで懸濁して懸濁液を生成し、懸濁液を濃縮することで固体状の酵素を析出させる。

ここで、酵素の塩析は、塩析作用のあるクエン酸塩や酒石酸塩、硫酸塩などの存在下で酵素の析出が図られるものであり、たとえば、クエン酸アンモニウムや硫酸アンモニウムが酵素溶液に添加されることによっておこなわれる。なお、塩濃度は10mM以上で2M以下の範囲が好ましく、100mM以上で1M以下の範囲が望ましい。

析出された固体状の酵素を別途調製されたスラリーに混合して電極用スラリーを生成する。
得られた電極用スラリーを導電性基材に塗工することにより、電極７が製造される。

この電極の製造方法では、有機溶媒内で凝縮することなく、良好な分散性を有する固体状の酵素を予め生成し、この固体状の酵素を別途調製されたスラリーに混合して電極用スラリーを生成し、この電極用スラリーを導電性基材に塗工することから、一度の塗工工程にて工程短縮効果、品質ばらつき低減効果を奏する、発電性能に優れたバイオ燃料電池用電極を製造することが可能となる。

[発電性能評価試験とその結果]
本発明者等は、以下の方法で実施例1、2と比較例の各バイオ燃料電池を製作し、それぞれのバイオ燃料電池の出力値を測定する実験をおこなった。

（実施例1のバイオ燃料電池）
固体状のBilirubin Oxidase “Amano”3（天野エンザイム社製）（以下、BO-3とする）を使用する。

（アノード側電極の製作方法）
カーボンブラック50mg、10%ポリビニルリジン222μLとN-メチルピロリドン3mLを混合し、十分に分散させてスラリーを生成した（以上、ステップ1）。

1cm²のカーボンフェルトの表面に、生成されたスラリーを塗布し、十分に乾燥させることでアノード側電極を製作した（以上、ステップ2）。

（固体状のBO-3の調製）
BO-3を10mM、リン酸カリウム溶液（以下、KPBとし、pH8.5である）に溶かし、400mg/mLのBO-3の酵素溶液（以下、BO-3液とする）を調製し、0.1mLのBO-3液を70%の硫酸アンモニウムで塩析させた。遠心して得たBO-3沈殿が十分に溶解される量である0.3M硫酸アンモニウム入り10mM Tris-HCl溶液（pH8）を添加し、懸濁した。次いで、懸濁液を濃縮して沈殿物を得、得られた沈殿物を固体状BO-3とした（以上、ステップ3）。

（カソード側電極の製作方法）
カーボンブラック300mg、テフロン（登録商標）200mg、2-プロパノール5.1mLを混合し、十分に分散させてスラリーを調製した（以上、ステップ4）。

ステップ３と同様の方法で調製された固体状のBO-3に2-プロパノールを添加し、十分に混合しながら固体状のBO-3を洗浄した。次いで、遠心して固体状のBO-3を回収した後、調整されている上記スラリーを添加し、十分に混合したものを固体状BO-3入りスラリーとした（以上、ステップ5）。

1cm²のカーボンフェルトの表面に、ステップ３で生成されたスラリーを塗布し、十分に乾燥させることでカソード側電極を製作した（以上、ステップ6）。

製作されたアノード側電極とカソード側電極を使用し、図１で模擬する構造を呈したバイオ燃料電池を製作した（以上、ステップ7）。

（実施例2のバイオ燃料電池）
固体状のCotA(Bacillus subtilis由来マルチ銅オキシターゼ)を使用する。
実施例1のステップ1,2は実施例2においても同様である。

実施例2では、ステップ3として、実施例1の「固体状のBO-3の調製」に代わって以下で説明する「固体状のCotAの調製」をおこなう。

（固体状のCotAの調製）
（CotAの発現方法と培養方法）
Bacillus subtilis由来野生型CotA発現遺伝子(PDB:1UVW)をPCRでクローニングした後、Escherichiacoli BL21(DE3)に形質転換し、得られた組換え体をアンピシリン入りTB培地で1日培養した。この培養液を遠心し、菌体の沈殿物を得た。

（固体状CotAの取得方法）
（菌体破砕）
菌体を10mM KPB(pH8.5)で懸濁した後、マルチビーズショッカで破砕し、破砕液を遠心し、分離した上清を4℃で一晩静置し、粗酵素液を得た。

（核酸分解処理）
粗酵素液に対し、破砕に用いた菌体1g（質重量）当たり10μLのLysonaseを添加し、室温で20分間緩やかに攪拌後、遠心して上清を得た。

（硫安分画）
上記する上清に対し、50%〜70%の硫安分画をおこない、遠心して得られた沈殿物をこれが十分に溶解される量である10mM KPB(pH8.5)で溶解して溶解液を得た。

（熱処理）
上記する溶解液を70℃で10分間熱処理した後、遠心して上清を得た。

（透析）
上記する熱処理後の上清を透析チューブに移し、4℃で一晩透析をおこなった。なお、透析バッファの組成は以下のとおりである。
組成：Tris-HCl(pH8.0) 終濃度10mM
硫酸アンモニウム 終濃度300mM
1M DTT 終濃度0.1mM
透析チューブの中身を遠心して上清を得、この上清を透析後の上清とした。

（固体状CotAの調製）
分隔膜を用いて透析後の上清を濃縮し、濃縮液を4℃で一晩以上静置して析出させ、遠心して分離した析出物を固体状CotAとした。

（洗浄）
上記する固体状CotAを10mM Tris-HCl(pH8)で3回洗浄し、電極製作に用いた。

実施例2のカソード側電極の製作方法に関し、上記ステップ4は同じであり、実施例2のステップ5においては、固体状CotAを2-プロパノールで洗浄した後、ステップ4で調製したスラリーを添加し、十分に混合したものを固体状CotA入りスラリーとした。
実施例2において、ステップ6、7は実施例1と同様である。

（比較例のバイオ燃料電池）
実施例1のステップ5以外は実施例1と同様の方法でバイオ燃料電池を製作した。

比較例におけるステップ5では、カソード側電極の固体状BO-3入りスラリーの生成において、BO-3を10mM KPB(pH8.5)に溶解し、400mg/mLのBO-3液に調製した。このBO-3液0.1mLに2-プロパノールを0.3mL添加して洗浄した。次いで、遠心して得られた沈殿物に調整されているスラリー（ステップ4で調製されているスラリー）を添加し、十分に混合したものを固体状BO-3入りスラリーとした。

（バイオ燃料電池の発電性能評価）
実施例1,2および比較例の各バイオ燃料電池に対し、アノード用燃料として2Mのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用い、カソード側電極は50mMのフェリシアン化カリウム溶液を加えた後に測定に用いた。なお、フェリシアン化カリウム溶液は事前に0.1Mリン酸ナトリウム溶液（pH7）に溶かしたものを使用した。

出力測定は、電池両極間に直列に接続した外部負荷装置としてELECTRONIC Load PLZ164WA（菊水電子工業株式会社製）とWAVY FOR PLZ-4Wソフトウェア（菊水電子工業株式会社製）を用いて測定した。なお、測定は室温条件下（約25℃）にて実施した。測定結果を図２に示す。

同図で示すように、比較例の出力は0.3mW/cm²、実施例1の出力は1.3mW/cm²、実施例2の出力は1.1mW/cm²であり、比較例に対して実施例1は4.3倍程度、実施例2は3.7倍程度も出力性能が向上する結果が得られている。これは、実施例1、2においては、カソード側電極に酵素が良好に分散固定されているためであると推察される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…帯電防止アクリル板、２…集電体（チタンメッシュ）、３…電解質膜、４…燃料タンク、５，６…シリコンプレート、７…電極、７Ａ…アノード側電極、７Ｂ…カソード側電極、１０…バイオ燃料電池

Claims (2)

1. 酵素を水系溶媒に溶かしてなる酵素溶液を塩析させ、塩析にて取り出した酵素をスラリーと混合して電極用スラリーを生成し、電極用スラリーを導電性基材の表面に塗工するバイオ燃料電池用電極の製造方法。
2. 酵素溶液を硫酸アンモニウムもしくはクエン酸アンモニウムで塩析させる請求項１に記載のバイオ燃料電池用電極の製造方法。

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