JP7430875B2 - バイオ燃料電池用アノード - Google Patents

Description

本発明は、バイオ燃料電池用アノード、それの製造方法、及びそれを含むバイオ燃料電池に関する。

近年、生体物質が有するエネルギー変換システムを応用するデバイスの開発に興味が持たれている。そのようなデバイスの一つとしてバイオ燃料電池がある。バイオ燃料電池においては、酵素反応が電極において進行し、電気エネルギーが取り出される。具体的には、酵素を利用したバイオ燃料電池では、アノード（負極）では酵素による燃料の酸化反応によって、電子とプロトンを生成する。電子は、酵素反応により、アノードから導電性基材に伝達され、外部回路を経由して、カソード（正極）に輸送される。プロトンは、アノードから電解質等を介して、カソードに伝達される。バイオ燃料電池は、バイオプロセスを利用するため、温和な条件でかつ高い選択性を有する。また、バイオ燃料電池は、糖及びアルコール等の自然環境中に存在する物質を燃料として利用可能である。バイオ燃料電池は、安全で低環境負荷が小さいため、小型電子機器（例えば、携帯型機器及び体内埋め込み型機器）等の次世代電源として期待されている。

特許文献１は、発電していないときよりも発電しているときの水分含有量が大きいアノードを開示している。

ＷＯ２０１８／０６２４１９

しかし、依然、バイオ燃料電池の出力の向上は必ずしも十分とは言えない。従来とは異なる方法で出力向上を達成できることが、汎用性の観点からも好ましい。したがって、本開示の主たる目的はバイオ燃料電池のさらなる出力の向上のための新たな手段を提供することである。

本開示はかかる事情に鑑みて為されたものである。従来技術の延長線上で対応するのではなく、新たな方向で対処することによって上記目的の達成を試みた。その結果、多孔質粒子の物性等に着目し、特定の多孔質粒子と特定の添加剤を用いることで、上記の主目的を達成できることを見出し、本開示に至った。本開示における一実施形態は次のとおりである：

［項１］
多孔質構造体である炭素粒子、及び
分散剤
を含み、
前記炭素粒子のＤ_９０径（体積基準、以下同じ）が１０．００μｍ以下である、バイオ燃料電池用のアノード。
［項２］
前記炭素粒子が一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する、項１に記載のアノード。
［項３］
前記炭素粒子のＤ_５０径が５．００μｍ以下である、項１又は２に記載のアノード。
［項４］
前記炭素粒子のメソ孔容積が０．２５ｍＬ／ｇ以上である、項１～３のいずれか一項に記載のアノード。
［項５］
前記炭素粒子の平均細孔径が７．５ｎｍ以上である、項１～４のいずれか一項に記載のアノード。
［項６］
前記分散剤が顔料誘導体型分散剤を含む、項１～５のいずれか一項に記載のアノード。
［項７］
一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体である炭素粒子、
分散媒、及び、
分散剤
を含み、
前記炭素粒子のＤ_９０径が１０．００μｍ以下である、バイオ燃料電池のアノード用組成物。
［項８］
原料炭素の微細化を行い、Ｄ_９０径が１０．００μｍ以下の炭素粒子を得る工程、
前記炭素粒子、分散剤及び分散媒を含む分散スラリーを導電性基材に塗工する工程、及び
前記炭素粒子に酵素を固定する工程、
を含む、バイオ燃料電池用のアノードの製造方法。
［項９］
前記微細化がメカニカルミリングにより行われる、項８に記載の製造方法。
［項１０］
前記メカニカルミリングを原料炭素、分散剤及び分散媒を含む混合物に対して行う、項８又は９に記載の製造方法。
［項１１］
前記原料炭素及び前記炭素粒子は一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体である、項８～１０のいずれか一項に記載の製造方法。
［項１２］
項１～６のいずれか一項に記載のアノード又は項８～１１のいずれか一項に記載の製造方法により得られるアノード、及び
カソード
を備える、バイオ燃料電池。
［項１３］
酵素型バイオ燃料電池である、項１２に記載のバイオ燃料電池。

本開示によれば、バイオ燃料電池の出力の向上したアノードを提供することができる。

＜バイオ燃料電池用アノード＞
「バイオ燃料電池」とは生体触媒を電極触媒として利用した電池である。バイオ燃料電池の例として、生体触媒として酵素を用いる酵素型バイオ燃料電池（微生物を用いなくてもよい）、及び生体触媒として微生物を用いる微生物型バイオ燃料電池（微生物中の酵素を用いてもよい）が挙げられる。本開示におけるバイオ燃料電池は、酵素型バイオ燃料電池又は微生物型バイオ燃料電池であってよく、好ましくは酵素型バイオ燃料電池である。

一般にアノードは、燃料（基質）から化学エネルギーを取り出し電気エネルギーに変換する反応を触媒するように構成される。一般に電池のアノードにおいて、燃料の酸化反応を触媒する酵素の作用により燃料が酸化され、生じた電子が外部回路を流れる。このためには、生体触媒と、外部回路に連結される導電性基材との間で、円滑に電子を授受できること求められる一方、生体触媒に燃料を効率よく供給できることが求められる。この目的のために、本開示におけるカソードは炭素を含み、その炭素に生体触媒が固定される。

［炭素粒子］
本開示における炭素粒子は多孔質構造体である。炭素粒子はいわゆるメソポーラス材料であることが好ましい。「メソポーラス材料」とはメソ孔を多数有する多孔質材料である。メソ孔同士が連通していることが好ましい。なお、本明細書において、「メソ孔」とは径が２～５０ｎｍ（特に５～４０nm）の細孔を意味する物とする。また、本明細書においてマイクロ孔とは径が２ｎｍ以下の細孔を意味し、マクロ細孔とは径が５０ｎｍ以上の細孔を意味するものとする。本明細書において「細孔」とは当業者が細孔と認識するものであって、例えば径が１５０ｎｍ以下のもの、特に径が１００ｎｍ以下のものをいう。

炭素粒子は一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体であることが好ましい。多孔質の炭素粒子は、炭素が細孔の外郭部分を構成し、スポンジ状の構造をとることが好ましい。細孔は、他の細孔とは独立した単独孔の他、細孔の一部又は全部が隣接する細孔と相互に連通している連続孔を有していてよい。三次元的な網目構造を有することが好ましい。連通孔の存在により、細孔内部の物質の拡散が促進される。炭素粒子の構造は、３次元ＴＥＭ等で観察することにより確認できる。

（Ｄ_９０径）
炭素粒子のＤ_９０径は、１．５０μｍ以上、２．００μｍ以上、３．００μｍ以上、又は４．００μｍ以上であってよく、好ましくは２．００μｍ以上、より好ましくは３．００μｍ以上である。また、本開示における炭素粒子のＤ_９０径は、１０．００μｍ以下、９．００μｍ以下、８．００μｍ以下、７．５０μｍ以下、６．５０μｍ以下、又は６．００μｍ以下であってよく、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは７．５μｍ以下である。

（Ｄ_５０径）
炭素粒子のＤ_５０径は、０．７５μｍ以上、１．００μｍ以上、１．２５μｍ以上、１．５０μｍ以上、１．７５μｍ以上、２．００μｍ以上、又は２．２５μｍ以上であってよく、好ましくは１．５０μｍ以上、より好ましくは２．００μｍ以上である。また、本開示における炭素粒子のＤ_５０径は、８．００μｍ以下、６．００μｍ以下、５．００μｍ以下、４．００μｍ以下、３．００μｍ以下、又は２．５０μｍ以下であってよく、好ましくは７．００μｍ以下、より好ましくは５．００μｍ以下である。なお、本明細書において、Ｄ_５０径、Ｄ_１０径及びＤ_９０径は、レーザー回折散乱法を用いて測定される、体積基準の値である。

（Ｄ_１０径）
炭素粒子のＤ_１０径は、０．５０μｍ以上、０．６０μｍ以上、０．７５μｍ以上、又は０．９０μｍ以上であってよく、好ましくは０．６０μｍ以上、より好ましくは０．７５μｍ以上である。また、本開示における炭素粒子のＤ_１０径は、５．００μｍ以下、２．５０μｍ以下、１．２５μｍ以下、又は１．１５μｍ以下であってよく、好ましくは２．５μｍ以下、より好ましくは１．１５μｍ以下である。

Ｄ_９０径、Ｄ_５０径、及びＤ_１０径、が上記範囲にあることで、バイオ燃料電池の性能が向上し得る。これは、アノードにおいて、炭素粒子間に適度の空隙が適度に存在することで、適度な親水性／撥水性が得られやすくなるとともに、酵素と燃料との相互作用、酵素と炭素間との相互作用、酵素の炭素粒子の固定性、炭素粒子の分散性、基材への塗工性等がバランスよく向上することが理由と推定される。

（平均細孔径）
炭素粒子の平均細孔径は、１．５ｎｍ以上、４．５ｎｍ以上、７．５ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以上、１２．５ｎｍ、又は１５．０ｎｍ以上であってよく、好ましくは６．０ｎｍ以上、より好ましくは１１．０ｎｍ以上である。また、炭素粒子の平均細孔径は、７５．０ｎｍ以下、４０．０ｎｍ以下、３０．０ｎｍ以下、２５．０ｎｍ以下、２４．０ｎｍ以下、２２．０ｎｍ以下、又は２０．０ｎｍ以下であってよく、好ましくは３５．０ｎｍ以下、より好ましくは２７．０ｎｍ以下、さらに好ましくは２３．５ｎｍ以下である。平均細孔径は、例えば、窒素を吸着ガスとして用いて得られる全細孔容積及び比表面積から求められる。平均細孔径が上記範囲にあることで、酵素が炭素粒子の細孔内に強固に固定し、酵素反応が進行しやすくなる。

（ピーク細孔径）
縦軸をｌｏｇ微分細孔容積（ｄＶ/ｄ（ｌｏｇＤ））、横軸を細孔径とする、炭素粒子のＢＪＨ法による吸着側窒素吸着等温線において、ピーク細孔径が３．０～１５０．０ｎｍであることが好ましい。ピーク細孔径は、５．０ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以上、１５．０ｎｍ以上、２０．０ｎｍ以上、又は５０．０ｎｍ以上であってよく、好ましくは５．０ｎｍ以上、より好ましくは１５．０ｎｍ以上である。ピーク細孔径が、１２０．０ｎｍ以下、１００．０ｎｍ以下、７０．０ｎｍ以下、５０．０ｎｍ以下、４０．０ｎｍ以下、又は３０．０ｎｍ以下であってよく、好ましくは１００．０ｎｍ以下、より好ましくは５０．０ｎｍ以下である。ピーク細孔径にかかるピークは細孔径２．６ｎｍ～２００ｎｍ（例えば、５．０ｎｍ～１５０ｎｍ、特に１０ｎｍ～１００ｎｍ）における最大ピークであってよい。吸着側窒素吸着等温線は当該範囲において一峰性又は多峰性（二峰性、三峰性等）であってよい。

（全細孔容積）
炭素粒子の全細孔容積（相対圧０．９９）は、０．１５ｍＬ／ｇ以上、０．４０ｍＬ／ｇ以上、０．５０ｍＬ／ｇ以上、０．５５ｍＬ／ｇ以上、又は０．６０ｍＬ／ｇ以上であってよく、好ましくは０．３０ｍＬ／ｇ以上、より好ましくは０．４５ｍＬ／ｇ以上である。また、炭素粒子の全細孔容積は、１．６０ｍＬ／ｇ以下、１．２０ｍＬ／ｇ以下、０．９ｍＬ／ｇ以下、０．８０ｍＬ／ｇ以下、又は０．６５ｍＬ／ｇ以下であってよく、好ましくは１．３０ｍＬ／ｇ以下、より好ましくは１．００ｍＬ／ｇ以下である。全細孔容積の測定手法は、ＪＩＳＺ８８３０、ＪＩＳＺ８８３１等を参考にでき、ガス吸着法等により求められる。

（メソ孔容積）
炭素粒子のメソ孔容積は、０．１５ｍＬ／ｇ以上、０．２５ｍＬ／ｇ以上、０．４０ｍＬ／ｇ以上、０．５０ｍＬ／ｇ以上、０．５５ｍＬ／ｇ以上、又は０．６０ｍＬ／ｇ以上であってよく、好ましくは０．３０ｍＬ／ｇ以上、より好ましくは０．４５ｍＬ／ｇ以上である。また、炭素粒子の全細孔容積は、１．６０ｍＬ／ｇ以下、１．２０ｍＬ／ｇ以下、０．９ｍＬ／ｇ以下、０．８０ｍＬ／ｇ以下、又は０．６５ｍＬ／ｇ以下であってよく、好ましくは１．３０ｍＬ／ｇ以下、より好ましくは１．００ｍＬ／ｇ以下である。メソ孔容積が上記範囲にあることで、酵素を高密度に固定することができ、電池の出力を向上させやすい。メソ孔容積の測定手法は、ＪＩＳ Ｚ ８８３０、ＪＩＳ Ｚ ８８３１等を参考にでき、ＢＪＨ法等により求められる。

（マイクロ孔容積）
炭素粒子のマイクロ孔容積は、０．００１ｍＬ／ｇ以上、又は０．０１ｍＬ／ｇ以上であってよい。また、炭素粒子のマイクロ孔容積は、０．３０ｍＬ／ｇ以下、０．２０ｍＬ／ｇ以下、又は０．１０ｍＬ／ｇ以下であってよく、０．１５ｍＬ／ｇ以下であることが好ましい。マイクロ孔容積の測定手法は、JIS Z 8830、JIS Z 8831等を参考にでき、ＨＫ法、ＭＰ法等により求められる。

（メソ孔割合）
炭素粒子のメソ孔容積/全細孔容積は、０．６以上、０．７以上、０．８以上、０．９以上、０．９３以上、０．９５以上、又は０．９７以上であってよく、好ましくは０．７５以上、より好ましくは０．８５以上である。

（マイクロ孔割合）
炭素粒子のマイクロ孔容積/全細孔容積は、０．３以下、０．２以下、０．１以下、又は０．０５以下であってよく、好ましくは０．１５以下である。

（ＢＥＴ比表面積）
炭素粒子のＢＥＴ比表面積は、３０ｍ^２／ｇ以上、５０ｍ^２／ｇ以上、７０ｍ^２／ｇ以上、９０／ｇ以上、１１０ｍ^２／ｇ以上、又は１２０ｍ^２／ｇ以上であってよく、好ましくは６０ｍ^２／ｇ以上であり、より好ましくは１００ｍ^２／ｇ以上である。また、炭素粒子のＢＥＴ比表面積は、６００ｍ^２／ｇ以下、５００ｍ^２／ｇ以下、３００ｍ^２／ｇ以下、２５０ｍ^２／ｇ以下、２００ｍ^２／ｇ以下、１７０ｍ^２／ｇ以下、１５０ｍ^２／ｇ以下、又は１４０ｍ^２／ｇ以下であってよく、１７５ｍ^２／ｇ以下であることが好ましい。ＢＥＴ比表面積の測定手法は、ＪＩＳＺ８８３０、ＪＩＳＺ８８３１等を参考にでき、ガス吸着法等により求められる。ＢＥＴ比表面積が上記範囲にあることで、電極反応活性が高まり、電池出力を向上し得る。炭素粒子のＢＥＴ比表面積が増大することにより細孔の数が増大し酵素反応場が増大し得るため、性能が向上し得る。

（官能基）
炭素粒子はその表面に、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基及び、スルホン基等の官能基を有していてもよい。当該官能基は前駆体由来であってよい。所望の官能基を有することで、親水性／撥水性を調節することが可能である。

［酵素］
（酵素の種類）
アノードで利用される酵素は、燃料の種類に応じて、燃料（基質）を酸化できる酵素を選択することができる。例えば、グルコース脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、グリセロール脱水素酵素、フルクトース脱水素酵素、ガラクトース脱水素酵素、キシロース脱水素酵素、グルコン酸脱水素酵素、ピルビル酸脱水素酵素、乳酸脱水素酵素等を挙げることができる。好ましくは、グルコース脱水素酵素である。補因子又は補酵素要求性についても特に制限はなく、例えば、ピロロキノリンキノン依存性、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド又はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸依存性酵素等の酵素が挙げられる。

酵素の由来は特に制限されない。したがって、天然に存在する生物体から適当なタンパク質の単離精製技術により精製された天然由来のものであってよく、また遺伝子工学的手法により組み換え体として製造されたものあるいは化学的に合成されたものあってもよい。さらには、市販品を利用することもできる。

（メディエーター）
アノードは、酵素の種類に応じてメディエーターを必要としない直接電子移動型の酵素電極として構成してもよいし、メディエーターを介したメディエーター型の酵素電極として構成してもよい。したがって、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介するメディエーター等の酵素の触媒活性の発現に必要な物質を、必要に応じてアノードに固定することができる。メディエーター等の固定は、酵素と混合して固定してもよいし、酵素の固定の前、若しくは後に固定してもよい。

「メディエーター」とは、酵素の触媒反応に応じて酸化還元される低分子の酸化還元物質であり、酵素と導電性基材間の電子移動を媒介する。したがって、メディエーターは、酵素と電子を授受することができる共に、導電性基材とも電子を授受することができる物質である限り限定されない。例えば、メディエーターは、一重結合と二重結合が交互に並んだπ共役系化合物であることが好ましい。具体的には、２，２’－アジノ－ビス（３－エチルベンゾチアゾリン－６－スルホン酸）（以下、「ＡＢＴＳ」と略する）、フェリシアン化カリウム等のフェリシアン化物、５－メチルフェナジニウムメチルスルファート（フェナジンメトスルファート：ＰＭＳ）、５－エチルフェナジニウムメチルスルファート（フェナジンエトスルファート：ＰＥＳ）等のフェナジン系化合物、フェノチアジン系化合物、フェロセンやジメチルフェロセン、フェロセンカルボン酸等のフェロセン系化合物、ナフトキノン、アントラキノン、ハイロドキノン、ピロロキノリンキノン等のキノン系化合物、シトクロム系化合物、ベンジルビオロゲンやメチルビオロゲン等のビオロゲン系化合物、ジクロロフェノールインドフェノール等のインドフェノール系化合物等が挙げられる。

（補酵素）
補因子を要求する酵素については、ホロ形態で炭素粒子に固定することできるし、アポ形態で固定することもできる。アポ形態で固定する場合、酵素が活性型に変換できるように、補因子を炭素粒子に固定するか、別途、補因子を炭素粒子に固定した酵素に供給する手段を設けることができる。また、補酵素を要求する酵素の場合にも、補酵素を炭素粒子に固定するか、別途、補酵素を供給する手段を設けることが好ましい。

（ｐＨ）
アノードにおいては、電極触媒である酵素の大部分がその触媒活性を最大限に発揮し得る中性条件で作動するように構成することが好ましい。酵素は、生体内触媒であるため、電極緩衝液により酵素が機能しやすいｐＨ付近に制御することが好ましい。特に、中性付近では、大多数の酵素が最大活性を発揮し得ることができ、酵素触媒電流の更なる向上を図ることができ、電極性能を向上させることができる。したがって、電極内で用いる緩衝液である電極緩衝液のｐＨを４～８、特には６～８に調製することが好ましい。例えば、炭素粒子を導電性基材に固定する際に炭素粒子を分散させる溶液、酵素を炭素粒子の細孔に固定する際に酵素を溶かす溶液等、アノードの構築及び作動に際して必要となる溶液を、イミダゾール緩衝液やリン酸緩衝液等を用いて、ｐＨ４～８に調製することが好ましく、特にはｐＨ６～８に調製することが好ましい。

［結着剤］
アノードは、結着剤を含んでいてよい。結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等のフッ素系結着剤、ポリシロキサン系結着剤等が挙げられ、撥水性や化学安定性等に優れることから、フッ素系結着剤が好ましい。

［分散剤］
アノードは分散剤を含んでいてよい。ここで、分散剤は炭素粒子を分散媒中に分散させることができる添加剤である。分散剤は、炭素粒子の極性、分散媒等に応じて選択でき、例えば高分子型分散剤、顔料誘導体型分散剤等を用いればよい。

高分子型分散剤とは、高分子量（例えば、分子量５００以上、特に１０００以上）の分散剤である。アニオン型、カチオン型又はノニオン型であってよい。高分子型分散剤としては、例えば、セルロース系ポリマー、ブチラール系ポリマー、ポリビニルピロリドン系、ポリエーテル系、ポリエステル系、ポリウレタン系、スチレンアクリル系ポリマー、高級脂肪酸エステル系等が挙げられる。高分子型分散剤は、親水性基（例えば、アルコキシ基、ヒドロキシ基、カルボキシル基、スルホン酸基、アミド基及びアミノ基等、特にアルコキシ基及びヒドロキシ基）を１個又は複数有していてよい。

顔料誘導体型分散剤とは、有機顔料骨格を有する顔料誘導体型分散剤である。例えば、フタロシアニン誘導体型分散剤、糖含有顔料誘導体型分散剤、ピペリジル誘導体型分散剤、ナフタレン誘導体型分散剤又はペリレン誘導体型分散剤、メチレン基を介して顔料親構造に連結された官能基を有する顔料誘導体型分散剤、ポリマーで化学修飾された顔料誘導体型分散剤、スルホン酸基を有する顔料誘導体型分散剤、スルホンアミド基を有する顔料誘導体型分散剤、エーテル基を有する顔料誘導体型分散剤、あるいはカルボン酸基、カルボン酸エステル基又はカルボキサミド基を有する顔料誘導体型分散剤などが挙げられる。

高分子型分散剤と、顔料型分散剤とを組み合わせて用いてもよい。この場合、分散剤の量は、高分子分散剤１００重量部に対して、顔料誘導体型分散剤が１重量部以上、３重量部以上、１５重量部以上、５０重量部以上、又は１００重量部以上であってよい。分散剤の量は、高分子分散剤１００重量部に対して、顔料誘導体型分散剤が３００重量部以下、１５０重量部以下、１００重量部以下、５０重量部以下、又は３０重量部以下であってよく、好ましくは８０重量部以下である。

分散剤の具体例としては、ルーブリゾール社製ソルスパースシリーズ、ＥＦＫＡ社製ＥＦＫＡシリーズ、味の素社製アジスパーシリーズ、ビッグケミー社製ＤＩＳＰＥＲＢＹＫシリーズ、Ａｓｈｌａｎｄ社製のポリビニルピロリドンシリーズ（例えばＫ１５、Ｋ３０）などが挙げられる。

［その他添加剤］
本開示の効果を妨げない範囲で、その他酵素反応に必要な物質や、アノードの安定性向上に必要な添加剤等を適宜含んでよい。

［導電性基材］
炭素粒子を固定する基材は外部回路に接続可能な導電性基材である。好ましくは、多孔質基材であり、特に好ましくは導電性繊維の集合体として構成する。例えば、導電性繊維よりなる織布及び不織布等が挙げられる。導電性繊維の材質としては、炭素、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＴｉＯ_２等の導電性酸化物等、当該技術分野で公知の材質の導電性の物質を利用することができる。これらの物質は一種で利用してもよく、また２種以上を混合して利用してもよい。好ましくは、カーボンクロス等の炭素繊維の織布やカーボンフェルト等の炭素繊維の不織布等やグラッシーカーボン等の炭素基材を利用することができる。導電性基材は単層又は２種以上の積層構造をもって構成してもよい。さらにサイズ及び形状等は特に限定されるものではなく、利用目的に応じて適宜調整することができる。

［各成分の量］
導電性基材への炭素微粒子の固定量は、導電性基材の種類及び炭素粒子の形状等により適宜変更することができる。例えば、導電性基材１ｃｍ^２当たり、０．０５～０．５０ｍｇの炭素粒子を固定してもよい。

酵素その他の生体触媒の量は、添加量を変化させて試験することにより、適宜変更することができる。例えば、導電性基材１ｃｍ^２当たり、０．０１ｍｇ～１０ｍｇの酵素その他の生体触媒を固定してもよい。

メディエーターを用いる場合、メディエーターの量は、添加量を変化させて試験することにより、適宜変更することができる。例えば、インクスラリー中、炭素粒子１００重量部に対して、１～２００重量部、又は５～１００重量部であってよい。

結着剤を用いる場合、結着剤の量は、炭素粒子１００重量部に対して５重量部以上、１０重量部以上、１５重量部以上、３０重量部以上、５０重量部以上、又は７５重量部以上であってよい。また、結着剤の量は、炭素粒子１００重量部に対して２５０重量部以下、１５０重量部以下、１００重量部位以下、７５重量部以下、又は５０重量部以下であってよい。これにより、適度な結着性を保ちつつ、電気抵抗を抑えて円滑な電子の移動を実現することができる。

分散剤を用いる場合、分散剤の量は、炭素粒子１００重量部に対して５重量部以上、１０重量部以上、１５重量部以上、２５重量部以上、３５重量部以上、４５重量部以上又は５５重量部以上、であってよい。また、分散剤の量は、炭素粒子１００重量部に対して２００重量部以下、１００重量部以下、７５重量部以下、又は５０重量部以下であってよい。これにより、適度な分散性を保ちつつ、円滑な電子の移動及び良好な酵素反応活性を実現することができる。

＜アノードの製造方法＞
本開示におけるバイオ燃料電池のアノードの製造方法は、原料炭素を微細化して、Ｄ_９０径が１０．００μｍ以下の炭素粒子を得る工程（微細化工程）、前記炭素粒子、分散剤及び分散媒を含むスラリー状混合物を導電性基材に塗工する工程（塗工工程）、及び前記炭素粒子に酵素を固定する工程（酵素固定工程）を含む。

［微細化工程］
微細化工程においては、原料炭素を微細化して、Ｄ_９０径が１０．００μｍ以下の炭素粒子を得る。微細化された炭素粒子は、よりバイオ燃料電池としての性能向上に適した炭素粒子（いわば改質炭素粒子）となる。

（原料炭素）
「原料炭素」とは、所定の粒径に調整されていない前記炭素粒子の原料であって、特に微細化工程前の原料をいう。ここで、原料炭素も上記炭素粒子と同様に一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体であることが好ましい。

（原料炭素の粒径）
原料炭素のＤ_９０径は、１０．００μｍ超、１２．５０μｍ超、１５．００μｍ超、２０．００μｍ超、２５．００μｍ超、又は３０．００μｍ超であってよく、好ましくは、２０．００μｍ超である。原料炭素のＤ_９０径は、７５．００μｍ以下、６０．００μｍ以下、５０．００μｍ以下、４５．００μｍ以下、４０．００μｍ以下、又は３５．００μｍ以下であってよく、好ましくは、５０．００μｍ以下である。
原料炭素のＤ_５０径は、５．００μｍ超、７．５０μｍ超、１０．００μｍ超、１２．５０μｍ超、又は１５．００μｍ超であってよく、好ましくは７．５０μｍ超である。原料炭素のＤ_５０径は、５０．００μｍ以下、３０．００μｍ以下、又は２５．００μｍ以下であってよく、好ましくは２５．００μｍ以下である。
原料炭素のＤ_１０径は、１．００μｍ超、１．５０μｍ超、２．００μｍ超、２．５０μｍ超、３．００μｍ超、又は３．５０μｍ超であってよく、好ましくは、２．００μｍ超である。原料炭素のＤ_１０径は、１５．００μｍ以下、１２．５０μｍ以下、７．５０μｍ以下、又は５．００μｍ以下であってよく、好ましくは７．５０μｍ以下である。

（原料炭素の平均細孔径）
原料炭素の平均細孔径は、１．０ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、又は３．０ｎｍ以上であってよく、好ましくは２．０ｎｍ以上である。また、原料炭素の平均細孔径は、１５．０ｎｍ以下、１０．０ｎｍ以下、又は５．０ｎｍ以下であってよく、好ましくは７．５ｎｍ以下である。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、平均細孔径が変化（増大又は減少）していてもよく、増大していることが好ましい。炭素粒子の平均細孔径は、原料炭素の平均細孔径を１．０とすると、２．５以上、３．０以上、３．５以上、４．０以上、又は４．５以上であってよく、好ましくは２．８以上である。炭素粒子の平均細孔径は、原料炭素の細孔分布における平均細孔径を１．０とすると、８．０以下、７．０以下、６．０以下、５．０以下、又は４．５以下であってよく、好ましくは６．５以下である。

（原料炭素のピーク細孔径）
縦軸をｌｏｇ微分細孔容積（ｄＶ/ｄ（ｌｏｇＤ））、横軸を細孔径とする、原料炭素のＢＪＨ法による吸着側窒素吸着等温線において、ピーク細孔径が、５．０ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以上、１５．０ｎｍ以上、２０．０ｎｍ以上、又は５０．０ｎｍ以上であってよく、好ましくは５．０ｎｍ以上、より好ましくは１５．０ｎｍ以上である。ピーク細孔径が、１２０．０ｎｍ以下、１００．０ｎｍ以下、７０．０ｎｍ以下、５０．０ｎｍ以下、４０．０ｎｍ以下、又は３０．０ｎｍ以下であってよく、好ましくは１００．０ｎｍ以下、より好ましくは５０．０ｎｍ以下である。ピーク細孔径にかかるピークは細孔径２．６ｎｍ～２００ｎｍ（例えば、５．０ｎｍ～１５０ｎｍ、特に１０ｎｍ～１００ｎｍ）における最大ピークであってよい。吸着側窒素吸着等温線は当該範囲においてピークは一峰性又は多峰性（二峰性、三峰性）であってよい。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、細孔分布におけるピーク細孔径が変化（増大又は減少）していてもよく、減少していることが好ましい。炭素粒子のピーク細孔径は、原料炭素の細孔分布におけるピーク細孔径を１．０とすると、０．３以上、０．６以上、０．９以上であってよく、好ましくは０．５以上である。炭素粒子のピーク細孔径は、原料炭素の細孔分布におけるピーク細孔径を１．０とすると、３．０以下、２．５以下、２．０以下、又は１．５以下であってよく、好ましくは２．５以下、より好ましくは１．５以下である。

（原料炭素の全細孔容積）
炭素粒子の全細孔容積（相対圧０．９９）は、０．１０ｍＬ／ｇ以上、０．３０ｍＬ／ｇ以上、又は０．５０ｍＬ／ｇ以上であってよく、好ましくは０．３０ｍＬ／ｇ以上である。また、炭素粒子の全細孔容積は、３．００ｍＬ／ｇ以下、２．５０ｍＬ／ｇ以下、２．００ｍＬ／ｇ以下、１．７０ｍＬ／ｇ以下、１．３０ｍＬ／ｇ以下、１．１０ｍＬ／ｇ以下、０．９０ｍＬ／ｇ以下、又は０．７０ｍＬ／ｇ以下であってよく、好ましくは１．２０ｍＬ／ｇ以下、より好ましくは１．００ｍＬ／ｇ以下である。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、全細孔容積が変化（増大又は減少）していてもよい。炭素粒子の全細孔容積は、原料炭素の全細孔容積を１．０とすると、０．５以上、０．７以上、０．８以上、０．９以上、又は１．０以上であってよく、好ましくは０．７５以上である。炭素粒子の全細孔容積は、原料炭素の全細孔容積を１．０とすると、３．０以下、２．５以下、２．０以下、１．５以下、又は１．２以下であってよく、好ましくは２．０以下である。

（原料炭素のメソ孔容積）
原料炭素のメソ孔容積は、０．１０ｍＬ／ｇ以上、０．２０ｍＬ／ｇ以上、０．３０ｍＬ／ｇ以上、又は０．４０ｍＬ／ｇ以上であってよい。また、原料炭素のメソ孔容積は、１．５０ｍＬ／ｇ以下、１．２０ｍＬ／ｇ以下、１．００ｍＬ／ｇ以下、０．８０ｍＬ／ｇ以下、又は０．６０ｍＬ／ｇ以下であってよい。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、メソ孔容積が変化（増大又は減少）していてもよい。炭素粒子のメソ孔容積は、原料炭素のメソ孔容積を１．０とすると、０．５以上、０．７以上、０．８以上、０．９以上、１．０以上、１．１以上であり、好ましくは０．７５以上である。炭素粒子のメソ孔容積は、原料炭素のメソ孔容積を１．０とすると、３．０以下、２．５以下、２．０以下、１．５以下、又は１．２以下であってよく、好ましくは２．０以下である。

（原料炭素のマイクロ孔容積）
原料炭素のマイクロ孔容積は、０．００１ｍＬ／ｇ以上、０．０１ｍＬ／ｇ、又は０．１０ｍＬ／ｇ以上であってよい。また、原料炭素のマイクロ孔容積は、０．６０ｍＬ／ｇ以下、０．５０ｍＬ／ｇ以下、又は０．３０ｍＬ／ｇ以下であってよい。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、マイクロ孔容積が変化（増大又は減少）していてもよく、減少していることが好ましい。炭素粒子のマイクロ孔容積は、原料炭素のマイクロ孔容積を１．０とすると、０．０１以上又は０．０３以上であってよい。炭素粒子のマイクロ孔容積は、原料炭素のマイクロ孔容積を１．０とすると、０．５以下、０．４以下、０．３以下、０．２以下、又は０．１以下であってよく、好ましくは０．２５以下である。

（原料炭素のメソ孔割合）
原料炭素のメソ孔容積/全細孔容積は、０．６以上、０．７以上、又は０．８以上であってよい。原料炭素のメソ孔容積/全細孔容積は、１．０以下、０．９５以下、又は０．９０以下であってよい。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、メソ孔容積/全細孔容積が変化（増大又は減少）していてもよい。炭素粒子のメソ孔容積/全細孔容積は、原料炭素のメソ孔容積/全細孔容積を１．０とすると、０．９以上、１．１以上、１．２以上、又は１．３以上であってよい。炭素粒子のメソ孔容積/全細孔容積は、原料炭素のメソ孔容積/全細孔容積を１．０とすると、２．０以下、１．６以下、又は１．４以下であってよい。

（原料炭素のマイクロ孔割合）
原料炭素のマイクロ孔容積/全細孔容積は、０．６０以下、０．５５以下、０．５０以下、０．４５以下、又は０．４０以下であってよい。原料炭素のマイクロ孔容積/全細孔容積は、０．１０以上、０．１５以上、又は０．２０以上であってよい。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、マイクロ孔容積/全細孔容積が変化（増大又は減少）していてもよく、減少していることが好ましい。炭素粒子のマイクロ孔容積/全細孔容積は、原料炭素のマイクロ孔容積/全細孔容積を１．０とすると、０．０１以上、０．０３以上、又は０．０５以上であってよい。炭素粒子のマイクロ孔容積/全細孔容積は、原料炭素のマイクロ孔容積/全細孔容積を１．０とすると、０．７５以下、０．５０以下、０．３０以下、０．２０以下、０．１０以下、又は０．０５以下であってよく、好ましくは０．２５以下である。

（原料炭素のＢＥＴ比表面積）
原料炭素のＢＥＴ比表面積は、２５０ｍ^２／ｇ以上、３００ｍ^２／ｇ以上、３５０ｍ^２／ｇ以上、４００／ｇ以上、４５０ｍ^２／ｇ以上、５００ｍ^２／ｇ以上、５５０ｍ^２／ｇ以上、又は６００ｍ^２／ｇ以上であってよく、好ましくは２７５ｍ^２／ｇ以上であり、より好ましくは３７５ｍ^２／ｇ以上である。また、原料炭素のＢＥＴ比表面積は、１８００ｍ^２／ｇ以下、１５００ｍ^２／ｇ以下、１２５０ｍ^２／ｇ以下、１０００ｍ^２／ｇ以下、９００ｍ^２／ｇ以下、又は８００ｍ^２／ｇ以下であってよく、好ましくは１０００ｍ^２／ｇ以下である。
原料炭素と比較して、微細化工程後の炭素粒子は、ＢＥＴ比表面積が変化（増大又は減少）していてもよく、減少していることが好ましい。炭素粒子のＢＥＴ比表面積は、原料炭素のＢＥＴ比表面積を１．０とすると、０．１０以上、０．１２以上、０．１５以上、０．１７以上、又は０．２０以上であってよく、好ましくは０．１１以上である。炭素粒子のＢＥＴ比表面積は、原料炭素のＢＥＴ比表面積を１．０とすると、０．７５以下、０．６０以下、０．５０以下、０．４０以下、０．３５以下、０．３０以下、又は０．２５以下であってよく、好ましくは０．４５以下である。

（原料炭素の製造方法）
原料炭素の製造方法は、炭素前駆体と鋳型粒子を混合して混合物を作製する工程と、上記混合物を非酸化性雰囲気で加熱焼成して焼成物を作製する工程と、上記焼成物中の上記鋳型粒子を除去する工程を含むことが好ましい。この製造方法については、開示される特開２０１２－１８８３０９号公報及び特開２０１７－９１９７１号公報等に記載の方法を参照してすることができる。

炭素前駆体は炭素を含有し、加熱により炭素化するものである限り特に限定はされず、有機樹脂であってよい。炭素前駆体の例として、ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系高分子、ポリアクリルアミドやポリアクリロニトリル等のアクリル系、及びポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンやポリビニルピロリドン等のビニル系高分子、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系高分子、ポリアミド系高分子、ポリイミド系高分子、フェノール系高分子、エポキシ系高分子、並びに、石油系ピッチや石炭系ピッチ、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン等の縮合多環炭化水素化合物、インドール、イソインドール、キノリン等の縮合複素環化合物、及びこれらの誘導体等が挙げられる。

鋳型粒子は、金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択される金属化合物の少なくとも一種から成る鋳型粒子であってよい。金属はアルカリ金属又はアルカリ土類金属であってよく、好ましくはアルカリ土類金属（例えばＭｇ）である。原料炭素の市販品の例として、東洋炭素株式会社から入手できるクノーベルシリーズが挙げられる。

（微細化）
原料炭素の微細化は、乾式で行われても、液状媒体と組み合わせて湿式で行われてもよい。湿式で行うことにより、得られる炭素粒子の粒径を上述の範囲に調整しやすい。

本開示における原料炭素の微細化はメカニカルミリングにより行われることが好ましい。「メカニカルミリング」とは、機械的エネルギーを付与しながら試料を粉砕する方法であり、その結晶構造、化学構造、物性、形態等を変化させ得る。原料炭素をメカニカルミリングすることにより、原料炭素の粒子同士が激しく接触する。これにより、例えば乳鉢粉砕法及びホモジナイザー処理等に比べ、より微細化することができる。メカニカルミリングとしては、例えば、ビーズミル（いわゆるボールミルを含む）、コロイドミル、ディスクミル、振動ミル、ローラーミル及びターボミル等を挙げることができ、中でもビーズミルが好ましい。装置の種類にあわせて、粉砕時間及び粉砕強度は、所望の粒径、細孔特性等を得るために適宜決定することができる。

ビーズミルは、容器の中にビーズと試料を入れ、ビーズをアジテータに衝突させて運動させることにより、試料を粉砕する方法である。ビーズミル装置の例としては、ディスクタイプ、ピンタイプ及びシングルローラータイプ等が挙げられる。

メカニカルミリングは原料炭素単体に対して行ってもよいし、原料炭素及び分散媒を含む混合物に対して行ってもよい。当該混合物はさらに分散剤を含んでいてよい。

分散媒の例としては、水、エタノール、イソプロパノール等のアルコール、アセトン、Ｎ－メチルピロリドン等の水混和性溶媒、酢酸エチル、ヘキサン及びペンタン等の有機溶媒、及びこれらの組み合わせが挙げられる。

混合物中、原料炭素の量は、０．１～５０重量％であってよく、例えば０．５～２５重量％であり、好ましくは１～１０重量％である。混合物中、分散媒の量は２０～９９重量％であってよく、例えば５０～９８重量％であり、好ましくは６０～９５重量％である。混合物中、分散剤の量は、０．１～１０重量％であってよく、例えば０．３～５重量％であり、好ましくは０．１～３％である。各原料が上記範囲にあることで、分散性が向上するとともに、塗工性も向上し得、電池性能が向上し得る。

［塗工工程］
導電性基材への炭素粒子への固定は、炭素粒子及び分散媒を含む組成物を導電性基材に塗工することにより行われればよい。当該組成物は通常分散スラリー（分散インク、分散インクスラリー）である。分散スラリーは、超音波処理等により懸濁させて調製してもよい。また、必要に応じて、結着剤を用いてもよい。塗布の方法としては、スクリーンプリント法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレーによる噴霧法等を利用することができる。また、電着法を利用することもでき、例えば、炭素粒子を適当な溶媒に分散させた分散液中に導電性基材と対向電極とを浸漬し、当該導電性基材と対向電極との間に電流を流して導電性基材に炭素粒子を固定することもでき、必要に応じて結着剤を分散スラリーに混合させて用いてもよい。導電性基材への塗工後、分散媒は必要により、乾燥される。

スラリーの粘度は、塗工性の観点から、５～１０，０００ｍＰａ・ｓであってよく、好ましくは１０～５，０００であってよい。

［酵素固定工程］

酵素は、炭素粒子に固定される。好ましくは、酵素は炭素粒子の細孔内に固定する。固定の方法は、当該技術分野で公知の方法を用いて行うことができる。例えば、物理的吸着、共有結合、イオン結合、抗体等の生物化学的特異的結合による担体結合法、２以上の官能基をもつ試薬による架橋法、ゲル内に封入する包括法等によって固定することができる。また、これらを組み合わせてもよく、各々の酵素に最適化な酵素固定法を適宜選択することが望ましい。酵素の固定は炭素粒子を導電性基材に固定した後に行ってもよいし、炭素粒子を導電性基材に固定する前に、炭素粒子に酵素を固定してもよい。

＜バイオ燃料電池＞
本開示におけるバイオ燃料電地は、上述のアノードを含んで作製される。アノードの作製工程は、上述した通りである。バイオ燃料電池セルは、例えば、燃料タンク、アノード、電解質層、カソードの順で積層することにより作製される。バイオ燃料電池セルをバイオ燃料電池として構成してもよく、かかるバイオ燃料電池用セルを複数個直列に電気的に接続して集積させるセルスタックを形成してもよい。セルスタックの形状は、平面状にセルを配列した平面形状であってもよいし、セルを積み重ねる積層形状であってもよい。これにより、バイオ燃料電池の出力を高めることができる。なお、バイオ燃料電池は、原理上はカソードとアノードの反応を隔てる膜が必要ないので、電池デザインの自由度が高い。

本開示のバイオ燃料電池の発電機構を説明すると、燃料がアノードに供給されると、アノード上の酵素の触媒作用によって燃料が酸化される。酵素の酸化に伴って生じる電子を導電性基材に伝達する。酵素から導電性基材への電子の伝達は、メディエーターを介して行ってもよい。

続いて、電子はアノードから外部回路を通ってカソードに伝達され、電流が発生する。一方、酵素による燃料の酸化反応に伴い電子と共に生じたプロトンは電解質層を通ってカソードに移行する。カソード上で、プロトンは大気から取り込んだ酸素と外部回路を通して移動してきた電子との反応により水を生成する。

［バイオ燃料電池用カソード］
一般にバイオ燃料電池におけるカソードは、外部（空気）から酸素が供給され、その酸素が電子を受け取り、プロトンと反応して水を生ずる。したがって、カソードでは、生体触媒と、外部回路に連結される導電性基材との間で、円滑に電子を授受できること求められる一方、酵素に酸素を効率よく供給できることが求められる。カソードは、カソード上に空気を送り込む必要のあるアクティブ型としてもよいし、空気を送り込む必要のないパッシブ型（ガス拡散型）の電極としてもよい。

カソードは酵素を含むことができる。カソードで利用される酵素は、バイオ燃料電池のカソード側で利用されるものであり、酸素の還元反応を触媒する酵素である限りは、当該技術分野で公知の酵素を利用することができる。例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等の酸化還元酵素の利用が好ましい。酵素は、一種類のみを単独で、若しくは複数種類の酵素を組み合わせて利用することができる。補酵素及び補因子要求性の有無についても特に制限はない。特に好ましくは、ビリルビンオキシダーゼである。

酵素の由来は特に制限されない。したがって、天然に存在する生物体から適当なタンパク質の単離精製技術により精製された天然由来のものであってよく、また遺伝子工学的手法により組み換え体として製造されたものあるいは化学的に合成されたものあってもよい。例えば、天野エンザイムから入手できるMyrothecium verrucaria由来のビリルビンオキシダーゼ（MvBOD）等を利用することができる。

導電性基材上への酵素の固定は、アノードと同様に行うことができる。メディエーター等の酵素の触媒活性、及び電極との電子の授受に必要な物質を固定することもできる。また、これらの物質を別途供給する手段を設けてもよく、燃料等に混合するように構成してもよい。また、補因子を要求する酵素については、ホロ形態で導電性基材に固定することできるし、アポ形態で固定することもできる。アポ形態で固定する場合、酵素が活性型に変換できるように、補因子を導電性基材に固定するか、別途、補因子を導電性基材に供給する手段を設けることができる。また、補酵素を要求する酵素の場合にも、補酵素を炭素粒子に固定するか、別途、補酵素を供給する手段を設けてもよい。

［バイオ燃料電池用電解質層］
本開示におけるバイオ燃料電池用セルの電解質層は、プロトン等を透過できるイオン伝導性を有すると共に、プロトン等のイオン以外のアノード構成成分、カソード構成成分、及び電子を透過させないという性質を有する限り、その素材及び形状等に制限はない。例えば、固体電解質膜を利用して隔膜として構成することができる。固体電解質膜としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、及びホスフィン基等の強酸基、カルボキシル基等の弱酸基、及び極性基を有する有機高分子等のイオン交換機能を有する固体膜等が例示されるが、これらに限定するものではない。具体的にはセルロース膜、及びテトラフルオロエチレンとパーフルオロ〔２－（フルオロスルフォニルエトキシ）プロピルビニルエーテル〕：tetrafluoroethyleneとperfluoro[2-(fluorosulfonylethoxy)propylvinyl ether]の共重合体であるナフィオン（登録商標）等のパーフルオロカーボンスルホン酸（PFS）系の樹脂膜を利用することができる。

［燃料タンク］
燃料タンクには、燃料が充填されている。燃料としては、アノードの触媒酵素によって進められる酸化還元反応により電子を放出可能な物質であれば特に制限はない。したがって、燃料は、酵素の基質と成り得る物質であり、当該酵素の種類に応じて適宜選択することができる。好ましくは、バイオマス燃料である。「バイオマス」とは生物由来の資源を意味し、これら自体でもよいが、これらを加工したものが好ましい。

例えば、糖類としては、単糖類、二糖類、多糖類等を使用することができる。単糖類としては、炭素数４のエリトロース、トレオース、炭素数５のアラビノース、キシロース、リボース、炭素数６のグルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース等が挙げられる。二糖類としては、マルトース、ラクトース、スクロース等を、また、多糖類としては、デンプン、グリコーゲン、セルロース等を例示できる。糖類以外にも、ピルビン酸、オキサロ酢酸、クエン酸、リンゴ酸、フマル酸、コハク酸、グルタル酸、グルコン酸、フタル酸、乳酸、マロン酸、酢酸、プロピオン酸等の有機酸、アルコール類、脂肪類、ペプチド、タンパク質等のポリアミノ酸類、アミン類等を用いることができる。

燃料は、適当な溶媒に溶解させた形態で供給する、若しくはゲルに燃料を封入させる等、バイオ燃料電池の構造に応じてその供給形態は適宜選択される。溶媒は、水性媒体であり、蒸留水の他、イミダゾール緩衝液やリン酸緩衝液等の適当な緩衝液であってもよい。ゲルとしては、アガロース、アガロペクチン、アラビアゴム、カラーギナン、コラーゲン、ゼラチン等の天然高分子、ポリアクリルアミド系重合体、ポリビニルアルコール系重合体、ポリビニルピロリドン系重合体、ポリビニルエーテル系重合体等の合成高分子等を好適に利用することができる。燃料には、必要に応じて、メディエーターを含んで構成することができる。メディエーターについては上述した。

以下に、本開示の実施形態を実施例により詳細に説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜酵素の調製方法＞
アノード電極における酵素として、グルコース脱水素酵素（ＧＤＨ) (東洋紡社製ＧＬＤ－３２１（ＧＤＨ（ＰＱＱ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ））を用いた。

カソード電極における酵素として、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）（天野エンザイム社製、BO''Amano''3[BO-3]）を用いた。
＜多孔質炭素インクスラリーの作製＞
原料炭素を粉砕して、得られた炭素粒子を媒体に分散させることで、多孔質炭素インクスラリーを得た。炭素粒子の粉砕は、乾式粉砕及び／又は湿式粉砕で行った。
［実施例１］
原料炭素としてＭｇＯ多孔質炭素「３５ｎｍ設計メソ孔クノーベル」（東洋炭素（株）製）５．０重量％、及び、分散剤としてメチルセルロースポリマー０．５重量％（炭素粒子に対して１０重量％）に対して、Ｎ－メチル－２－ピロリドンを加えて１００重量％として混合物を得た。得られた混合物に対して粒径がＤ_１０：０．９１μｍ、Ｄ_５０：２．１９μｍ、Ｄ_９０：５．４８μｍに到達するまでビーズミル装置を用いて湿式粉砕を行い、多孔質炭素を微細化させた分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。ここで、Ｄ_１０、Ｄ_５０及びＤ_９０は体積基準であり、レーザー回折／散乱式粒子分布測定装置（日機装社製マイクロトラックBlueraytrac）を用いて湿式法（分散媒：Ｎ－メチル－２－ピロリドン）により測定した。細孔特性については、ＪＩＳ Ｚ ８８３０及びＪＩＳ Ｚ ８８３１に準拠して行った。

細孔特性の測定条件は次のとおりである：
窒素吸着法
前処理方法：１２０℃で８時間、真空脱気を行った。
測定方法：定容法を用いて、窒素による吸着脱離等温線を測定した。
吸着温度：７７Ｋ
飽和蒸気圧：実測
吸着質断面積：０．１６２ｎｍ^２
吸着質：窒素
平衡待ち時間：５００ｓｅｃ※
※吸着平衡状態（吸脱着の際の圧力変化が所定の値以下になる状態）に達してからの待ち時間
平均細孔径：試料の全ての細孔を一つの円筒形細孔と仮定し算出
２．６－２００ｎｍにおけるピーク細孔径：ＢＪＨ法による吸着側窒素吸着等温線における最大ピーク
全細孔容積：ＢＥＴ法により吸着等温線の相対圧（Ｐ／Ｐｏ）０．９９の吸着量から算出
細孔容積：ＢＪＨ法（メソ孔）、ＭＰ法（マイクロ孔）により算出
比表面積：ＢＥＴ法により算出
測定装置：ＢＥＬＳＯＲＰ－ｍｉｎｉII（マイクロトラック・ベル製）
前処理装置：ＢＥＬＰＲＥＰ－ｖａｃII（マイクロトラック・ベル製）

次に、得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し実施例１の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［実施例２］
分散剤の量を炭素粒子に対して２０重量％としたこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し実施例２の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［実施例３］
分散剤の量を炭素粒子に対して３０重量％としたこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し実施例３の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［実施例４］
分散剤の量を炭素粒子に対して４０重量％としたこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤とＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し実施例４の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［実施例５］
分散剤の量を炭素粒子に対して２０重量％としたこと、及び、原料炭素を事前に乾式粉砕したこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し実施例５の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例１］
分散剤を用いないこと、及び、湿式粉砕を行わないこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例１の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例２］
分散剤の量を炭素粒子に対して２０重量％としたこと、及び、湿式粉砕を行わないこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例２の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例３］
分散剤を用いないこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例３の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例４］
分散剤を用いないこと、原料炭素を事前に乾式粉砕したこと、湿式粉砕をしなかったこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例４の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例５］
分散剤の量を炭素粒子に対して２０重量％としたこと、原料炭素を事前に乾式粉砕したこと、湿式粉砕をしなかったこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例５の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

［比較例６］
分散剤を用いないこと、原料炭素を事前に乾式粉砕したこと以外は、実施例１と同様の手順で分散スラリーを得た。得られた分散スラリーに含まれる炭素粒子の粒径及び細孔特性を表１に示す。
得られた分散スラリー２００．０ｇに結着剤としてＫＦポリマーＬ＃９１３０（クレハ製、固形分１３％）１９．２ｇ、Ｎ－メチル－２－ピロリドン３０．８ｇを添加し、撹拌混合し比較例６の多孔質炭素分散インクスラリーを得た。

＜電極及び電池セルの作製＞
バイオ燃料電池のアノード電極の作製では、炭素繊維（日本カーボンＧＦ－２０－Ｐ２１Ｅ，２．０ｃｍ^２）を実施例１～５及び比較例１～６の多孔質炭素含有インクスラリー（１，２－ナフトキノンを７．０ｍｇ／ｇとなるように添加）に浸して引き揚げて、乾熱乾燥（６０℃、２４ｈ）で溶媒を除去した。
カソード側電極の作製では、炭素繊維（日本カーボンＧＦ－２０－Ｐ２１Ｅ、４．０ｃｍ^２）をＭｇＯ多孔質炭素インクスラリー（ＡＢＴＳを１２．５ｍｇ／ｇとなるように添加）に浸して引き揚げて、乾熱乾燥（６０℃、２４ｈ）で溶媒を除去した。
バイオ燃料電池の組み立てでは、アノードに酵素溶液（０．１２５ｍＬ：ＧＤＨ０．５ｍｇ，１Ｍリン酸カリウム緩衝液ｐＨ７．０，１Ｍグルコース）、カソードに酵素溶液（０．２４ｍＬ：ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）２５ｍｇ，１．２Ｍリン酸カリウムｐＨ７．０）を含浸させ、両極間にセルロース膜を挟み込んで電池セルを組み立て、最後に、アノードに１Ｍグルコースを０．１ｍＬ滴下した。

［表１］

＜バイオ燃料電池の電気化学測定＞
得られた電池セルについて電子負荷装置（菊水電子工業株式会社製、直流電子負荷装置PLZ70UA）を用いて、０．１ｍＡステップ／１０ｓｅｃホールドで電流値を上昇させて、１回目の放電試験を行った。電圧が０．１Ｖまで降下したところで放電を終了した。その後、電池セルを約５分間放置してセル電圧を回復させた後、２回目の放電試験を行った。最大電力及び０．１Ｖ時電流値を表２に示す。
［表２］

表２の結果より、アノードが分散剤を含み、かつ、特定範囲の粒径を有する場合、最大電力及び０．１Ｖ時の電流値が有意に優れることがわかった。

本開示におけるアノードは、バイオ燃料電池のアノードとして利用できる。そのアノードを含むバイオ燃料電池は、バイオ燃料電池が要求されるあらゆる分野、例えば、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。そのアノードを含むバイオ燃料電池は、特に卓上電卓等の携帯型機器や心臓ペースメーカー等の体内埋め込み式機器等の小型電子機器の電源等への応用が可能である。

Claims (18)

1. 多孔質構造体である炭素粒子、及び
   分散剤
   を含み、
   前記炭素粒子のＤ_９０径が２．００μｍ以上かつ１０．００μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のＤ _５０ 径が１．５０μｍ以上かつ７．００μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のＤ _１０ 径が０．６０μｍ以上かつ２．５０μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のメソ孔容積０．３０ｍＬ／ｇ以上かつ１．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子の平均細孔径が６．０ｎｍ以上かつ３５．０ｎｍ以下である、バイオ燃料電池用のアノード。
2. 前記炭素粒子が一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する、請求項１に記載のアノード。
3. 前記炭素粒子のＤ_５０径が５．００μｍ以下である、請求項１又は２に記載のアノード。
4. 前記炭素粒子のメソ孔容積が０．２５ｍＬ／ｇ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のアノード。
5. 前記炭素粒子の平均細孔径が７．５ｎｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載のアノード。
6. 前記炭素粒子のＤ _９０ 径が３．００μｍ以上かつ７．５０μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のＤ _５０ 径が２．００μｍ以上かつ５．００μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のＤ _１０ 径が０．７５μｍ以上かつ１．１５μｍ以下であり、
   前記炭素粒子のメソ孔容積が０．４５ｍＬ／ｇ以上かつ１．００ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子の平均細孔径が１１．０ｎｍ以上かつ２７．０ｎｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載のアノード。
7. 前記炭素粒子の２．６～２００ｎｍにおけるピーク細孔径が５．０ｎｍ以上かつ１００．０ｎｍ以下であり、
   前記炭素粒子の全細孔容積が０．３０ｍＬ／ｇ以上かつ１．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のマイクロ孔容積が０．００１ｍＬ／ｇ以上かつ０．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のＢＥＴ比表面積が６０ｍ ^２ ／ｇ以上かつ１７５ｍ ^２ ／ｇ以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載のアノード。
8. 前記炭素粒子の２．６～２００ｎｍにおけるピーク細孔径が５．０ｎｍ以上かつ１００．０ｎｍ以下であり、
   前記炭素粒子の全細孔容積が０．３０ｍＬ／ｇ以上かつ１．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のマイクロ孔容積が０．００１ｍＬ／ｇ以上かつ０．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のＢＥＴ比表面積が６０ｍ ^２ ／ｇ以上かつ１７５ｍ ^２ ／ｇ以下である、請求項６に記載のアノード。
9. 前記炭素粒子の２．６～２００ｎｍにおけるピーク細孔径が１５．０ｎｍ以上かつ５０．０ｎｍ以下であり、
   前記炭素粒子の全細孔容積が０．４５ｍＬ／ｇ以上かつ１．００ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のマイクロ孔容積が０．０１ｍＬ／ｇ以上かつ０．２０ｍＬ／ｇ以下であり、
   前記炭素粒子のＢＥＴ比表面積が１００ｍ ^２ ／ｇ以上かつ１５０ｍ ^２ ／ｇ以下である、請求項１～８のいずれか一項に記載のアノード。
10. 前記炭素粒子の２．６～２００ｎｍにおけるピーク細孔径が１５．０ｎｍ以上かつ５０．０ｎｍ以下であり、
    前記炭素粒子の全細孔容積が０．４５ｍＬ／ｇ以上かつ１．００ｍＬ／ｇ以下であり、
    前記炭素粒子のマイクロ孔容積が０．０１ｍＬ／ｇ以上かつ０．２０ｍＬ／ｇ以下であり、
    前記炭素粒子のＢＥＴ比表面積が１００ｍ ^２ ／ｇ以上かつ１５０ｍ ^２ ／ｇ以下である、請求項６に記載のアノード。
11. 前記分散剤が高分子型分散剤を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のアノード。
12. 一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体である炭素粒子、
    分散媒、及び、
    分散剤
    を含み、
    前記炭素粒子のＤ_９０径が２．００μｍ以上かつ１０．００μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のＤ _５０ 径が１．５０μｍ以上かつ７．００μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のＤ _１０ 径が０．６０μｍ以上かつ２．５０μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のメソ孔容積０．３０ｍＬ／ｇ以上かつ１．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
    前記炭素粒子の平均細孔径が６．０ｎｍ以上かつ３５．０ｎｍ以下である、バイオ燃料電池のアノード用組成物。
13. 原料炭素の微細化を行い、炭素粒子を得る工程、
    前記炭素粒子、分散剤及び分散媒を含む分散スラリーを導電性基材に塗工する工程、及び
    前記炭素粒子に酵素を固定する工程、
    を含み、
    前記炭素粒子のＤ _９０ 径が２．００μｍ以上かつ１０．００μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のＤ _５０ 径が１．５０μｍ以上かつ７．００μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のＤ _１０ 径が０．６０μｍ以上かつ２．５０μｍ以下であり、
    前記炭素粒子のメソ孔容積０．３０ｍＬ／ｇ以上かつ１．３０ｍＬ／ｇ以下であり、
    前記炭素粒子の平均細孔径が６．０ｎｍ以上かつ３５．０ｎｍ以下である、バイオ燃料電池用のアノードの製造方法。
14. 前記微細化がメカニカルミリングにより行われる、請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記メカニカルミリングを原料炭素、分散剤及び分散媒を含む混合物に対して行う、請求項１４に記載の製造方法。
16. 前記原料炭素及び前記炭素粒子は一部又は全部が相互に連通されている複数の細孔を有する多孔質構造体である、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の製造方法。
17. 請求項１～１１のいずれか一項に記載のアノード、及び
    カソード
    を備える、バイオ燃料電池。
18. 酵素型バイオ燃料電池である、請求項１７に記載のバイオ燃料電池。