バイオエタノールから100％の電解効率で、電気エネルギーを獲得できる燃料電池を開発京大と阪大

京都大学は2023年6月2日、同大学大学院農学研究科と大阪大学の共同研究グループが、バイオエタノールから100％の電解効率で電気エネルギーを獲得できる、燃料電池を開発したと発表した。

低炭素社会を目指す中で、化石燃料の代替燃料から効率良くかつ高速に電気エネルギーを取り出すための、さまざまな触媒の研究開発が進められている。

一般的な金属／無機触媒は、高温高圧条件が必要であったり、副生成物を生じたりするという課題がある。一方、酸化還元酵素は、常温常圧の条件下で高い活性と反応選択性を示し、環境負荷も少ないため、上記に代わる次世代の触媒材料として注目を集めている。

今回、共同研究グループでは、酢酸菌の酵素に着目。酢酸発酵と呼ばれる呼吸鎖電子伝達系において、アルコール脱水素酵素（ADH）とアルデヒド脱水素酵素（ALDH）が、エタノール→アセトアルデヒド→酢酸という2段階のカスケード反応を行うことが分かっている。また、ADHとALDHは共に「直接電子移動型酵素電極反応」（DET型反応）と呼ばれるシンプルな反応によって、優れたエネルギー変換を示すことができる。しかしこれまで、両酵素の詳しい立体構造が分からなかったため、電極反応効率を上げるための電極界面設計が困難だった。

今回の研究開発では、クライオ電子顕微鏡による観察や単粒子像解析によって、ADH、ALDHのそれぞれについて2.5Å、2.7Åの分解能での構造解析に成功。この構造解析に基づいて、ADHとALDHを同じ電極表面で組み合わせた電気化学カスケード反応系を開発した。

AHDとALDHを組み合わせた(a)電気化学カスケード反応の数理モデル，
(b)バイオ燃料電池の模式図

さらに両酵素の濃度比を制御し、数理モデルによってカスケード効率の最適化を実施。この結果を基にバイオ燃料電池を構築した。同電池は出力密度0.48mW/cm²（従来の10倍以上）、エタノールから酢酸への変換時の電解効率は100±4％の性能を示した。

今回の研究結果は、バイオエタノールを原料とした高効率なエネルギー変換、および物質生産デバイスの構築につながるという。

バイオエタノールから100％の電解効率で、電気エネルギーを獲得できる燃料電池を開発　京大と阪大