発電阻害物質の除去機構を実装した多段階フロー式酵素燃料電池の開発

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K15368
• 研究機関: 一関工業高等専門学校
• 研究代表者: 本間 俊将 一関工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (20818538)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 燃料電池 / 酵素反応 / エネルギー変換 / 電極修飾

研究実績の概要

糖やアルコールなどのバイオマスから燃焼を経ずに直接電気を得る酵素燃料電池は脱炭素社会の電源として魅力的存在である。複数の代謝酵素を電極触媒とした多段階反応型酵素燃料電池は、糖やアルコールを二酸化炭素と水まで酸化でき、それらの持つ膨大な化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる。昨年度、多段階反応の最終反応となるギ酸デヒドロゲナーゼを用いたギ酸の電気化学的酸化には成功した。本年度はグリセロールを二酸化炭素と水まで酸化する多段階酵素反応の構築を目指した。
グリセロール脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素から成る酵素複合体を調製するため、Gluconobacterを一晩培養し、細胞抽出液を得た。この細胞抽出液中に含まれる酵素量をジクロロフェノールインドフェノールの消色を指標とした比色定量法で測定したところ、アルコール脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素と比較してグリセロール脱水素酵素活性が1/20程度しかないことがわかった。そこで、系をより単純にするため基質をグリセロールからメタノールに変更することとした。シュウ酸デカルボキシラーゼを用意できたため、メタノールに加え、タルトロン酸やメソシュウ酸も多段階反応の基質として使用できる体制となった。残念ながらコロナウイルス感染症対策として学生が遠隔授業対応になった影響で多段階反応型酵素燃料電池の構築には進めていない。早急に発電試験を実施する予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究補助員の助けもあり、多段階反応型酵素燃料電池を構築する体制は整った。しかし、コロナウイルス感染症対策として参画学生が遠隔授業対応になったことや育児休業を取った影響で燃料電池の構築には進めていない。研究の進捗はやや遅れている状態である。

今後の研究の推進方策

メタノールおよびメソシュウ酸をモデル燃料とした酵素燃料電池に的を絞り、生成物である二酸化炭素と水を除去可能なフロー式燃料電池を作製して性能を評価する。昨年度、カソードの性能が電池の出力を決めることを示唆するデータが得られたため、大面積の白金触媒付きカーボンペーパーをカソードに使う予定である。二酸化炭素と水を透過可能な材質としては、ポリジメチルシロキサンの利用を検討している。

次年度使用額が生じた理由

コロナウイルス感染症対策として参画学生が遠隔授業対応になったことや育児休業を取った影響で、想定よりも研究が進まなかった。今年度も変異株の流行などで実験計画に支障がでる可能性がある。まずは予定通り燃料電池の構築および電気化学的評価に必要な物品に予算を充て、支障が生じたら臨機応変に対応する。