(57)【要約】【課題】ユーザが容易に調達可能な水や、グルコースやエタノール等を含む市販の飲料などの液体を燃料溶液として供給することで、高い出力が得られるバイオ燃料電池の提供。【解決手段】酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極１と、電極１に供給される液体３が外部から導入される導入口と、が配設され、導入口から電極１までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質２が固体状態で収容されたバイオ燃料電池を提供する。【選択図】図１
2011210477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極と、
電極に供給される液体が外部から導入される導入口と、が配設され、
導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容されたバイオ燃料電池。
【請求項２】
個体状態で収容される物質が、燃料溶液溶質、前記酸化還元酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターから選択される１以上である請求項１記載のバイオ燃料電池。
【請求項３】
個体状態で収容される物質が、前記燃料溶液溶質であり、燃料及び／又は緩衝物質である請求項２記載のバイオ燃料電池。
【請求項４】
前記液体通流部位のいずれかの箇所に、通流する前記液体に対して個体状態で収容される物質を接触可能に保持する収容部が設けられ、
該収容部は、個体状態で収容される物質を外部から補給可能に構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオ燃料電池。
【請求項５】
前記収容部が、前記導入口に交換可能に取り付けられ、個体状態で収容される物質を内部に充填したカートリッジとして構成されている請求項４記載のバイオ燃料電池。
【請求項６】
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極を備えたバイオ燃料電池が搭載され、
電極に供給される液体が外部から導入される導入口が配設され、
導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容された電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオ燃料電池及び電子機器に関する。より詳しくは、電極での酸化還元反応に関与する物質を予め固体状態で収容したバイオ燃料電池等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アノード又はカソードの少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定したバイオ燃料電池が開発されてきている。バイオ燃料電池では、グルコースやエタノールなどの通常の工業触媒では反応が困難な燃料から効率良く電子を取り出して高い容量を得ることができる。このため、バイオ燃料電池では、燃料溶液としてグルコースやエタノール等を含む飲料などの液体を用いることも可能となる。例えば、特許文献１には、飲料を燃料とする燃料電池部を備えた電力供給装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０４８８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バイオ燃料電池の燃料溶液として、グルコースやエタノール等を含む市販の飲料などの液体を用いることができれば、燃料電池の課題である燃料調達の問題を解決できると期待される。しかし、十分な電池性能を得るためには、バイオ燃料電池の燃料溶液は、燃料となり得る物質を含むだけでは不十分な場合がある。すなわち、バイオ燃料電池の燃料溶液には、電極上での酸化還元反応を促進する、あるいは少なくとも阻害しないような組成やｐＨ値を備えることが必要である。しかしながら、このような条件を満足する液体をユーザが自身で調達することは容易ではない。
【０００５】
そこで、本発明は、ユーザが容易に調達可能な水や、グルコースやエタノール等を含む市販の飲料などの液体を燃料溶液として供給することで、高い出力が得られるバイオ燃料電池を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題解決のため、本発明は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極と、電極に供給される液体が外部から導入される導入口と、が配設され、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容されたバイオ燃料電池を提供する。
このバイオ燃料電池では、導入口から液体を導入し、予め固体状態で収容された前記物質を溶解させることによって発電を開始させることができる。
このバイオ燃料電池において、個体状態で収容される前記物質は、燃料溶液溶質、前記酸化還元酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターから選択される１以上とでき、燃料溶液溶質は、燃料及び／又は緩衝物質とできる。
このバイオ燃料電池では、前記液体通流部位のいずれかの箇所に、通流する前記液体に対して個体状態で収容される物質を接触可能に保持する収容部を設け、該収容部を個体状態で収容される物質を外部から補給可能に構成することが好適となる。さらに、前記収容部は、前記導入口に交換可能に取り付けられ、個体状態で収容される物質を内部に充填したカートリッジとして構成することが好適となる。
また、本発明は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極を備えたバイオ燃料電池が搭載され、電極に供給される液体が外部から導入される導入口が配設され、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容された電子機器をも提供する。
【０００７】
本発明において、「燃料の酸化還元反応に関与する物質」には、少なくとも燃料と、燃料の電極上での酸化還元反応を触媒する酸化還元酵素とその補酵素、及び電子伝達メディエーター、並びに緩衝物質が含まれる。緩衝物質には、酸化還元反応の反応溶液として溶解されてｐＨ緩衝作用を発揮する電解質が広く包含される。さらに、「燃料の酸化還元反応に関与する物質」には、燃料の分解酵素や界面活性剤、忌避剤、防腐剤などが含まれ得る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ユーザが容易に調達可能な水や、グルコースやエタノール等を含む市販の飲料などの液体を燃料溶液として供給することで、高い出力が得られるバイオ燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るバイオ燃料電池の構成を説明する模式図である。
【図２】第一実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例の構成を説明する模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係るバイオ燃料電池の構成を説明する模式図である。
【図４】第二実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための好適な形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、説明は以下の順序で行う。
１．バイオ燃料電池
（１）電池構成
（２）固形成分
２．本発明に係るバイオ燃料電池の第一実施形態
３．第一実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例
４．本発明に係るバイオ燃料電池の第二実施形態
５．第二実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例
６．電子機器
【００１１】
１．バイオ燃料電池
（１）電池構成
本発明に係るバイオ燃料電池は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極と、電極に供給される液体が外部から導入される導入口と、を有する。
【００１２】
［電極］
電極は、燃料の酸化反応により電子を取り出す燃料極（負極）と、外部から供給される酸素の還元反応を行なう空気極（正極）とからなる。負極（アノード）及び正極（カソード）の材料は、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。
【００１３】
［集電体］
アノード及びカソードには、電極と同様の材料で形成され、アノードで放出された電子を外部回路を介してカソードに送り込むためのアノード集電体及びカソード集電体が接続される。
【００１４】
［導入口］
導入口には、バイオ燃料電池のユーザによって燃料溶液として選択された液体が注入される。導入口に注入された液体は、電極に供給され、電極上での燃料の酸化還元反応のための反応溶液とされる。
【００１５】
［燃料溶液］
燃料溶液とされる液体は、ユーザによって任意に選択され得るものであるが、好適には、バイオ燃料電池の燃料として使用可能な物質であって、電極上での酸化還元反応の基質となり得る物質を一以上含む液体であることが好ましい。燃料としては、例えば、糖、アルコール、アルデヒド、脂質又はタンパク質などが挙げられる。具体的には、グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類、酢酸、蟻酸、ピルビン酸等の有機酸などが挙げられる。この他にも、脂肪類やタンパク質、これらの糖代謝の中間生成物である有機酸などが挙げられる。
【００１６】
（２）固形成分
本発明に係るバイオ燃料電池は、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、燃料の酸化還元反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容されていることを特徴とする。以下、この固体状態で収容される物質を、「固形成分」と称するものとする。
【００１７】
固形成分は、上記の燃料のうち固形化し得る物質のほか、酸化還元反応酵素、補酵素、電子伝達メディエーター、プロトン伝導体として機能する緩衝物質を少なくとも含む。さらに、固形成分には、燃料の分解酵素や界面活性剤、忌避剤、防腐剤などが含まれる。
【００１８】
［燃料］
固形化し得る燃料としては、糖、アルコール、アルデヒド、脂質又はタンパク質などが挙げられる。具体的には、グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類、酢酸、蟻酸、ピルビン酸等の有機酸などが挙げられる。この他にも、脂肪類やタンパク質、これらの糖代謝の中間生成物である有機酸などが挙げられる。これらのうち、アルコールや有機酸などの常温常圧下で液状である燃料は、ゲル化して固形状とすればよい。
【００１９】
［酸化還元酵素］
本発明に係るバイオ燃料電池において、酸化還元酵素は、通常のバイオ燃料電池と同様に電極上に固定することもできるが、固形成分として導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に収容されていてもよい。この点、次に説明する補酵素及び電子伝達メディエーターについても同様である。
【００２０】
アノード上の酸化酵素は、上述の物質の酸化反応を触媒し、電子を取り出すための酵素とされる。
このような酵素として、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒドー3リン酸デヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、スクロースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルボースデヒドロゲナーゼ、ピルベートデヒドロゲナーゼ、イソシレートデヒドロゲナーゼ、２−オキソグルタレートデヒドロゲナーゼ、スクシネートデヒドロゲナーゼ、マレートデヒドロゲナーゼ、アシルーCoAデヒドロゲナーゼ、L-3-ヒドロキシアシルーCoAデヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシプロピオネートデヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシブチレートデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。
また、カソード上の酵素は、外部から供給される酸素の還元反応を触媒する酵素とされる。
このような酵素として、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素であって、例えば、ラッカーゼやビリルビンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、CueO、CotA等が挙げられる。
【００２１】
［補酵素］
アノードの酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamideadenine dinucleotide、以下「NAD＋」と表記する）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamideadenine dinucleotide phosphate、以下「NADP＋」と表記する）フラビンアデニンジヌクレオチド（flavin adenine dinucleotide、以下「FAD＋」と表記する。）、ピロロキノリンキノン（pyrrollo-quinolinequinone、以下「PQQ2＋」と表記する）などが挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアホラーゼが挙げられる。
【００２２】
［電子伝達メディエーター］
アノード用の電子伝達メディエーターは、様々な材料を用いることができるが、キノン骨格を有する化合物あるいはフェロセン骨格を有する化合物を使用することが好ましく、キノン骨格を有する化合物としては特に、ナフトキノン骨格あるいはアントラキノン骨格を有する化合物が好適である。さらに、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物やフェロセン骨格を有する化合物と共に、電子伝達メディエーターとして作用する１種又は２種以上の他の化合物を併用して固定化してもよい。
【００２３】
具体例を挙げると、ナフトキノン骨格を有する化合物としては、例えば、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、２，３−ジアミノ−１，４−ナフトキノン、４−アミノ−１，２−ナフトキノン、２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン、２−メチル−３−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン、ビタミンＫ１（2-methyl-3-phyty1,4-naphthoquinone）、ビタミンＫ２（2-farnesyl-3-methyl-1,4-naphtoquinone）、ビタミンＫ３（2-methy 1,4-naphthoquinone）、などを用いることができる。また、キノン骨格を有する化合物としては、例えば、anthraquinone-1-sulfonate、anthraquinone-2-sulfonateなどのようなアントラキノン骨格を有する化合物やその誘導体を用いることもできる。またフェロセン骨格を有する化合物としては、例えば、ビニルフェロセン、ジメチルアミノメチルフェロセン、１，１’−ビス（ジフェニルホスフィノ）フェロセン、ジメチルフェロセン、フェロセンモノカルボン酸などを用いることができる。さらに、その他の化合物としては、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属錯体、ベンジルビオローゲンなど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などを用いることができる。より具体的な一例を挙げると、例えば、cis-[Ru(NH3)4Cl2]1+/0、trans-[Ru(NH3)4Cl2]1+/0、[Co(dien)2]3+/2+、[Mn(CN)6]3-4-、[Mn(CN)6]4-/5-、[Mo2O3S(edta)]2-/3-、[Mo2O2S2(edta)]2-/3-、[Mo2O4(edta)]2-/3-、[Cr(edta)(H2O)]1-/2-、 [Cr(CN)6]3-/4-、methylene blue、pycocyanine、indigo-tetrasulfonate、luciferin、gallocyanine、pyocyanine、methyl apri blue、resorufin、indigo-trisulfonate、6,8,9-trimethyl-isoalloxazine、chloraphine、indigo disulfonate、nile blue、indigocarmine、9-phenyl-isoalloxazine、thioglycolic acid、2-amino-N-methyl phenazinemethosulfate、azure A、indigo-monosulfonate、anthraquinone-1,5-disulfonate、alloxazine、brilliant alizarin blue、crystal violet、patent blue、9-methyl-isoalloxazine、cibachron blue、phenol red、anthraquinone-2,6-disulfonate、neutral blue、bromphenol blue、anthraquinone-2,7-disulfonate、quinoline yellow、riboflavin、Flavin mononucleotide（FMN）、flavin adenine dinucleotide（FAD）、phenosafranin、lipoamide、safranine T、lipoic acid、indulin scarlet、4-aminoacridine、acridine、nicotinamideadenine dinucleotide（NAD）、nicotinamide adenine dinucleotidephosphate（NADP）、neutral red、cysteine、benzyl viologen(2+/1+)、3-aminoacridine、1-aminoacridine、methyl viologen(2+/1+)、2-aminoacridine、2,8-diaminoacridine、5-aminoacridineなどを用いることができる。なお、化学式中、dienはdiethylenetriamineを、edtaはethylenediaminetetraacetate tetraanioneをそれぞれ示す。
【００２４】
また、カソード用の電子伝達メディエーターは、アノードに用いる電子伝達メディエーターに比べて酸化還元電位が高ければよく、必要に応じて自由に選択することができる。
【００２５】
具体例を挙げると、ＡＢＴＳ(2,2'-azinobis(3-ethylbenzoline-6-sulfonate))、K3[Fe(CN)6]、RuO40/1-、[Os(trpy)3]3+/2+、[Rh(CN)6]3-/4-、[Os(trpy)(dpy)(py)]3+/2+、IrCl62-/3-、[Ru(CN)6]3-/4-、OsCl62-/3-、[Os(py)2(dpy)2]3+/2+、[Os(dpy)3]3+/2+、CuIII/II(H2A3)0/1-、[Os(dpy)(py)4]3+/2+、IrBr62-/3-、[Os(trpy)(py)3]3+/2+、[Mo(CN)8]3-/4-、[Fe(dpy)]3+/2+、[Mo(CN)8]3-/4-、CuIII/II(H2G3a)0/1-、[Os(4,4'-Me2-dpy)3]3+/2+、[Os(CN)6]3-/4-、RuO41-/2-、[Co(ox)3]3-/4-、[Os(trpy)(dpy)Cl]2+/1+、I3-/I-、[W(CN)8]3-/4-、[Os(2-Me-Im)2(dpy)2]3+/2+、ferrocene carboxylic acid、[Os(Im)2(dpy)2]3+/2+、[Os(4-Me-Im)2(dpy)2]3+/2+、OsBr62-/3-、[Fe(CN)6]3-/4-、ferrocene ethanol、[Os(Im)2(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[Co(edta)]1-/2-、[Co(pdta)]1-/2-、[Co(cydta)]1-/2-、[Co(phen)3]3+/2+、[OsCl(1-Me-Im)(dpy)2]3+/2+、[OsCl(Im)(dpy)2]3+/2+、[Co(5-Me-phen)3]3+/2+、[Co(trdta)]1-/2-、[Ru(NH3)5(py)]3+/2+、[Co(dpy)3]2+/3+、[Ru(NH3)5(4-thmpy)]3+/2+、Fe3+/2+, malonate、Fe3+/2+, salycylate、[Ru(NH3)5(4-Me-py)]3+/2+、[Co(trpy)2]3+/2+、[Co(4-Me-phen)3]3+/2+、[Co(5-NH2-phen)3]3+/2+、[Co(4,7-(bhm)2phen)3+/2+、[Co(5,6-Me4-phen)3]3+/2+、trans(N)-[Co(gly)3]0/1-、[OsCl(1-Me-Im)(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[OsCl(Im)(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[Fe(edta)]1-/2-、[Co(4,7-Me2-phen)3]3+/2+、[Co(4,7-Me2-phen)3]3+/2+、[Co(3,4,7,8-Me4-phen)3]3+/2+、[Co(NH3)6]3+/2+、[Ru(NH3)6]3+/2+、[Fe(ox)3]3-/4-、promazine (n=1) [ammonium form]、chloramine-T、TMPDA (N,N,N’,N’-tetramethylphenylenediamine)、porphyrexide、syringaldazine、o-tolidine、bacteriochlorophyll a、dopamine、2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone、p-amino-dimethylaniline、o-quinone/1,2-hydroxybenzene (catechol)、p-aminophenoltetrahydroxy-p-benzoquinone、2,5-dichloro-p-benzoquinone、1,4-benzoquinone、diaminodurene、2,5-dihydroxyphenylacetic acid、2,6,2’-trichloroindophenol、indophenol、o-toluidine blue、DCPIP (2,6-dichlorophenolindophenol)、2,6-dibromo-indophenol、phenol blue、3-amino-thiazine、1,2-napthoquinone-4-sulfonate、2,6-dimethyl-p-benzoquinone、2,6-dibromo-2’-methoxy-indophenol、2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone、2,5-dimethyl-p-benzoquinone、1,4-dihydoxy-naphthoic acid、2,6-dimethyl-indophenol、5-isopropyl-2-methyl-p-benzoquinone、1,2-naphthoquinone、1-naphthol-2-sulfonate indophenol、toluylene blue、TTQ (tryptophan tryptophylquinone) model (3-methyl-4-(3’-methylindol-2’-yl)indol-6,7-dione)、ubiquinone (coenzyme Q)、PMS (N-methylphenazinium methosulfate)、TPQ (topa quinone or 6-hydroxydopa quinone)、PQQ (pyrroloquinolinequinone)、thionine、thionine-tetrasulfonate、ascorbic acid、PES (phenazineethosulphate)、cresyl blue、1,4-naphthoquinone、toluidine blue、thiazine blue、gallocyanine、thioindigo disulfonate、methylene blue、vitamin K3  (2-methyl-1,4-naphthoquinone)、などを用いることができる。なお、化学式中、dpyは、2,2’-dipyridineを、phenは1,10-phenanthrolineを、Trisは、tris(hydroxymethyl)aminomethaneを、trpyは2,2’:6’,2’’-terpyridineを、Imは、imidazoleを、pyはpyridineを、thmpyは4-(tris(hydroxymethyl)methyl)pyridineを、bhmはbis(bis(hydroxymethyl)methylを、G3aはtriglycineamideを、A3はtrialanineを、oxはoxalate dianioneを、edtaはethylenediaminetetraacetate tetraanioneを、glyはglycinate anionを、pdtaはpropylenediaminetetraacetate tetraanioneを、trdtaはtrimethylenediaminetetraacetate tetraanioneを、cydtaは、1,2-cyclohexanediaminetetraacetate tetraanioneをそれぞれ示す。
【００２６】
［緩衝物質］
緩衝物質は、電極上での燃料の酸化還元反応の反応溶液として溶解されてｐＨ緩衝作用を発揮する電解質が広く包含される。
【００２７】
緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）などが生成するリン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などのイミダゾール環を含む化合物などを挙げることができる。
【００２８】
［分解酵素］
燃料の分解酵素は、例えば、燃料に多糖類を用いる場合、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素を用いる。
具体的には、グルコアミラーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼなどが挙げられる。なお、ここでいう「多糖類」は、広義の多糖類であり、加水分解によって２分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖及び四糖などのオリゴ糖を含む。具体的には、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース及びラクトースなどが挙げられる。これらは２以上の単糖類が結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。
【００２９】
また、例えば、燃料にアルコールを用いる場合、アルコールをアルデヒドに酸化するアルコールデヒドロゲナーゼや、アルデヒドを酸に酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼなどを用いる。
【００３０】
さらに、例えば、燃料に脂質を用いる場合、脂質を構成するエステル結合の加水分解などの分解を促進し、脂肪酸を遊離する分解酵素を用いる。具体的には、リパーゼ、ホスホリパーゼなどが挙げられる。例えば、燃料にタンパク質を用いる場合、タンパク質を構成するペプチド結合の加水分解などの分解を促進し、タンパク質を分解する分解酵素を用いる。具体的には、セリンプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼなどが挙げられる。
【００３１】
［界面活性剤］
界面活性剤は、石鹸（脂肪酸ナトリウム）やモノアルキル硫酸塩、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、モノアルキルリン酸塩等の陰イオン系界面活性剤（アニオン性界面活性剤）；アルキルトリメチルアンモニウム塩やジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等の陽イオン系界面活性剤（カチオン性界面活性剤）；アルキルジメチルアミンオキシドやアルキルカルボキシベタイン等の両性界面活性剤（双性界面活性剤）；ポリオキシエチレンアルキルエーテルや脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、アルキルモノグリセリルエーテル等の非イオン性界面活性剤（ノニオン性界面活性剤）などが用いられる。
【００３２】
［忌避剤］
忌避剤は、例えばピレスロイド類、パラジクロロベンゼン類、ナフタレン類、N,N-ジエチル-m-トルアミド（ＤＥＥＴ）などの化合物や、植物精油あるいはその成分などを用いる。ここで「植物精油」とは、植物から抽出される、揮発性の芳香物質（香気成分）を含む有機化合物であって、少なくとも昆虫類を含む、人以外の生物に対し、忌避作用を発揮し得るものをいう。「植物精油の成分」とは、植物精油に含有され、上記忌避作用を発揮する物質をいう。この成分は、天然植物精油に含有された状態の物質に加えて、精油から単離・精製された状態の物質、あるいは化学的に合成された物質（類似構造を有し、同様の作用を示す物質を含む）であってもよい。また、「生物忌避作用」とは、少なくとも昆虫類に対する忌避作用を意味し、細菌や真菌類に対する増殖抑制作用をも含み得るものとする。
【００３３】
植物精油は、具体的には、オレンジフラワー油、ゼラニウム油、タイムホワイト油、タイムレッド油、ナツメグ油、パチョウリ油、パルマローザ油、ビターオレンジ油、レモングラス油、キンモクセイ油、ゴマ油、シナモンリーフ油、シナモンバーグ、カシア、セロリー種子油、トルーバルサム、ペルーバルサム、オークモス、サンダルウッド油、スペアミント油、ローレル油、ガーリック油、ココナッツ油、ジル油（イノンド油）、バーチ油、ペニーロイヤル油、ニーム油、ベチバー油、エレミ油。バンレイシ科植物（Xylopia aethiopica）の種子抽出物、アオガンピ（Wiskstroemia retusa A. Gray）抽出物、ショウガ科植物（Aframomum melegueta）の種子抽出物などを挙げることができる。植物精油は、ゲル化して固形状とすればよい。
【００３４】
これらの植物精油に含まれ、生物忌避作用を示す成分としては、テルペン類、特にエレモール、β−オイデスモール、ベチセリネノール等のセスキテルペン類が知られている。また、上記のバンレイシ科植物（Xylopia aethiopica）の種子抽出物から単離されたケイ皮酸アミド誘導体及びその合成類縁体や、アオガンピ（Wiskstroemia retusa A. Gray）抽出物から単離されたフラトキシン及びフラトキシン誘導体、ショウガ科植物（Aframomum melegueta）の種子抽出物から単離されたケトン類及びその合成類縁体が知られている。
【００３５】
［防腐剤］
防腐剤は、燃料の劣化や腐敗を防止する従来公知の化合物であって、例えば食品や化粧品等の防腐に使用されている安息香酸やパラヒドロキシ安息香酸エステル類、パラオキシ安息香酸エステル類、ホウ酸、塩化ベンザルコニウム、ソルビン酸カリウム、クロロブタノールなどを用いる。この他、防腐剤としては、イソプロピルメチルフェノール、塩酸クロルヘキシジン、クロルヘキシジン、グルコン酸クロルヘキシジン、サリチル酸、サリチル酸ナトリウム・CAE（ココイルアルギニンエチルPCA）、シンクピリチオン、ソルビン酸、ソルビン酸カリウム、デヒドロ酢酸、デヒドロ酢酸ナトリウム、レゾルシンなどが挙げられる。
【００３６】
これらの固形成分は、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に固形状態で予め収容され、外部から導入口に注入された液体と接触することによって溶解し、溶解液（燃料溶液）となって電極に供給される。
【００３７】
２．本発明に係るバイオ燃料電池の第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態に係るバイオ燃料電池の構成を示す模式図である。本発明に係るバイオ燃料電池において、固形成分が収容される箇所は、導入口及び電極を含む液体の通流部位であって、外部から導入口に注入された液体と接触することにより固形成分が溶解可能な箇所であれば特に限定されない。本実施形態では、固形成分を電極上に固着させて収容した場合を例に説明する。図には、バイオ燃料電池の電極周辺の構成のみを模式的に示す。
【００３８】
図１（Ａ）中、符号ａはバイオ燃料電池、符号１は電極、符号２は電極１上に固着されて収容された固形成分を示す。
【００３９】
ユーザによって燃料溶液として選択され、不図示の導入口から注入された液体３は、電極１へ供給される前に、電極１上に固着されて収容された固形成分２に接触する（図（Ｂ）参照）。液体３は、固形成分２に接触するとこれを溶解し、溶解液４（燃料溶液）となって電極１に供給される（図（Ｃ）参照）。
【００４０】
電極１上に、通常のバイオ燃料電池と同様に、酸化還元酵素と必要に応じて補酵素及び電子伝達メディエーターが固定されている場合、例えば、固形成分２として燃料を予め収容しておく。これにより、ユーザが燃料を含まない水などの液体３を用いた場合にも、水により燃料を溶解して、燃料を含む燃料溶液を電極１に供給し、発電を開始させることができる。
【００４１】
また、例えば、固形成分２として緩衝物質を予め収容しておく。これにより、ユーザが燃料を含むが、緩衝物質を含まない飲料などの液体３を用いた場合にも、飲料により緩衝物質を溶解して、燃料及び緩衝物質を含む燃料溶液を電極１に供給し、発電を開始できる。この場合には、緩衝物質のｐＨ緩衝作用によって反応溶液のｐＨを燃料の酸化還元反応に適した値に維持できるため、高い出力を得ることが可能となる。
【００４２】
さらに、電極１上に酸化還元酵素が固定されていない場合には、固形成分２として酸化還元酵素と必要に応じて燃料や緩衝物質を予め収容しておく。これにより、電極１に酸化還元酵素を固定していない場合であっても、ユーザが導入口から注入した水や飲料によって酸化還元酵素が溶解されて、電極１上での発電が開始されるようにできる。なお、同様にして、固形成分２として、補酵素や電子伝達メディエーターなどを収容しておいてもよい。
【００４３】
固形成分２として界面活性剤や防腐剤を予め収容しておくことも、高い出力を得るために有効である。燃料溶液として、例えば多糖類含む液体のような粘性の高い液体が用いられる場合や、電極に濡れ性の低い材料が用いられる場合、電極への燃料溶液の浸透が困難となる。界面活性剤を収容しておくことで、溶解液４の界面張力を低下させて濡れ性を向上させることができ、電極への燃料溶液の浸透を促進して出力を高めることが可能となる。
【００４４】
また、防腐剤を収容した場合には、ユーザが水や飲料などの通常、防腐剤を含まないような液体３を用いた際に、溶解液４において燃料の劣化や腐敗を防止する効果が得られる。そして、その結果、電池性能を高めることができる。
【００４５】
さらに、固形成分２として忌避剤を予め収容した場合には、ユーザが水や飲料などの通常、忌避剤を含まないような液体３を用いた際に、溶解液４に昆虫類やバクテリア、カビなどに対する防除効果を付与することができる。これにより、溶解液４の液漏れが生じたとしても、漏れ出た燃料溶液に昆虫類が群がったり、バクテリアやカビが発生したりするのを防止できる。このとき、忌避剤として植物精油あるいはその成分を収容しておけば、人体に対する安全性を確保しつつ、昆虫類等に対する防除効果を得ることができる。
【００４６】
固形成分２として収容される燃料、緩衝物質、酵素類及び電子伝達メディエーター等は、導入口及び電極を含む液体の通流部位に固形状態でそのまま収容されていてよい。あるいは、固形成分２は、液体と接触することにより溶解可能なカプセルやフィルム等により内包されて収容されていてもよい。カプセルやフィルム等により固形成分２を内包しておくことで、温度や湿度による燃料や緩衝物質の劣化や酵素類の変性等を防止することができる。また、例えば、上述した忌避剤の一つであるナフタレン類のような昇華性を有する物質の消失を防止することもできる。
【００４７】
本実施形態では、固形成分２を電極１上に固着させて収容した場合を例に説明したが、液体２が浸透可能な多孔質材料により電極１が形成されている場合には、固形成分２は電極１内に存在していてもよいものとする。
【００４８】
３．第一実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例
図２は、第一実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例の構成を示す模式図である。図は、バイオ燃料電池の電極周辺の構成のみを模式的に示す。
【００４９】
図２（Ａ）中、符号ｂはバイオ燃料電池、符号１は電極、符号２は電極１上に固着されて収容された固形成分を示す。固形成分２は、電極１上に固着されている。図中、符号５は、導入口から注入された液体３と、電極１上に収容された固形成分２との接触を阻止する、取り外し可能なセパレータを示す。
【００５０】
本変形例では、ユーザによって燃料溶液として選択され、不図示の導入口から注入された液体３は、セパレータ５によって固形成分２への接触を阻止される（図（Ｂ）参照）。バイオ燃料電池ｂでは、導入口への液体３の注入後、ユーザがセパレータ５を取り除くことにより、電極１上に固着されて収容された固形成分２に液体が接触し、固形成分２が溶解されて、溶解液４（燃料溶液）が電極１に供給される（図（Ｃ）参照）。
【００５１】
セパレータ５は、ユーザが任意のタイミングで取り除くことができるように構成される。あるいは、セパレータ５は、ユーザが任意のタイミングでこれを破断して、セパレータ５による液体３と固形成分２との接触阻止を解除できるように構成される。これにより、バイオ燃料電池ｂでは、導入口からの液体３の注入後、ユーザが所望のタイミングで発電を開始することが可能とされている。
【００５２】
４．本発明に係るバイオ燃料電池の第二実施形態
図３は、本発明の第二実施形態に係るバイオ燃料電池の構成を示す模式図である。本発明に係るバイオ燃料電池において、固形成分が収容される箇所は、導入口及び電極を含む液体の通流部位であって、外部から導入口に注入された液体と接触することにより固形成分が溶解可能な箇所であれば特に限定されない。本実施形態では、導入口と電極との間に設けた収容部に固形成分を収容した場合を例に説明する。図には、バイオ燃料電池の収容部と電極の構成を模式的に示す。
【００５３】
図３（Ａ）中、符号ｃはバイオ燃料電池、符号１は電極、符号２は固形成分、符号６は固形成分２を収容する収容部を示す。収容部６は、不図示の導入口と電極１との間において、通流する液体に対して収容された固形成分２を接触可能に保持する。
【００５４】
ユーザによって燃料溶液として選択され、導入口から注入された液体３は、電極１へ供給される前に、収容部６に収容された固形成分２に接触する（図（Ｂ）参照）。液体３は、固形成分２に接触するとこれを溶解し、溶解液４（燃料溶液）となって電極１に供給される（図（Ｃ）参照）。
【００５５】
収容部６は、固形成分２を外部から補給可能に構成されていることが望ましい（図（Ｄ）矢印参照）。これにより、ユーザが固形成分２を補充して、バイオ燃料電池ｃを繰り返し使用することが可能となる。
【００５６】
電極１上に、通常のバイオ燃料電池と同様に、酸化還元酵素と必要に応じて補酵素及び電子伝達メディエーターが固定されている場合、例えば、固形成分２として燃料を予め収容しておく。これにより、ユーザが燃料を含まない水などの液体３を用いた場合にも、水により燃料を溶解して、燃料を含む燃料溶液を電極１に供給し、発電を開始させることができる。
【００５７】
また、例えば、固形成分２として緩衝物質を予め収容しておく。これにより、ユーザが燃料を含むが、緩衝物質を含まない飲料などの液体３を用いた場合にも、飲料により緩衝物質を溶解して、燃料及び緩衝物質を含む燃料溶液を電極１に供給し、高出力の発電を開始させることができる。
【００５８】
さらに、電極１上に酸化還元酵素が固定されていない場合には、固形成分２として酸化還元酵素と必要に応じて燃料や緩衝物質を予め収容しておく。これにより、電極１に酸化還元酵素を固定していない場合であっても、ユーザが導入口から注入した水や飲料によって酸化還元酵素が溶解されて、電極１上での発電が開始されるようにできる。なお、同様にして、固形成分２として、補酵素や電子伝達メディエーターを収容しておいてもよい。
【００５９】
５．第二実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例
図４は、第二実施形態に係るバイオ燃料電池の変形例の構成を示す模式図である。本発明に係るバイオ燃料電池において、収容部が設けられる箇所は、導入口及び電極を含む液体の通流部位であって、固形成分を外部から導入口に注入された液体と接触可能に保持できる箇所であれば特に限定されない。本変形例では、導入口に交換可能に取り付けられ、固形成分を内部に充填したカートリッジとして収容部を構成した場合を例に説明する。図には、バイオ燃料電池の導入口と収容部の構成を模式的に示す。
【００６０】
図４（Ａ）中、符号ｄはバイオ燃料電池、符号７は導入口、符号２は固形成分、符号６は固形成分２を収容する収容部を示す。収容部６は、導入口７に交換可能に取り付けられ、固形成分２を内部に充填したカートリッジとして構成されている。
【００６１】
ユーザによって燃料溶液として選択され、導入口から導入される液体３は、導入口７に取り付けられた収容部６に注入され、内部に収容された固形成分２に接触する（図（Ｂ）参照）。収容部６は、上部から注入され、内部の固形成分２に接触した液体３が、重力に従って下部から流出するように形成されている。固形成分２に接触した液体３はこれを溶解し、溶解液４（燃料溶液）となって収容部６から流出し、不図示の電極１へと供給される（図（Ｃ）中矢印参照）。
【００６２】
内部の固形成分２が溶出された使用済みの収容部６は、ユーザが新しいカートリッジに交換することができる。これにより、ユーザは、バイオ燃料電池ｄを繰り返し使用することができる。
【００６３】
６．電子機器
以上に説明した本発明に係るバイオ燃料電池を電子機器に搭載する場合、導入口は、バイオ燃料電池側の内部構成ではなく、外部構成として電子機器側に設けてよい。すなわち、外部から電極に供給される液体の導入口を電子機器側に配設し、この導入口から注入された液体が電子機器内をバイオ燃料電池まで通流され、電池内の電極に導入されるように構成してもよい。この場合、固形成分は、電子機器側の導入口からバイオ燃料電池内の電極までのいずれかの箇所に収容できる。
【００６４】
本発明に係る電子機器は、バイオ燃料電池を電源とした各種機器であって、例えば、ロボット、コンピューター、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）、音楽プレーヤー、携帯電話及び玩具などの機器とできる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
現在、グルコースなどの糖類やエタノールなどのアルコール類を分解する酵素を用いたバイオ燃料電池が実用化段階にある。また、脂肪を分解する酵素を用いて、例えばオリーブオイルのようなオイルを燃料としたバイオ燃料電池や、タンパク質分解酵素やアミノ酸分解酵素を用いて、アミノ酸飲料やプロテイン飲料を燃料としたバイオ燃料電池も開発が進められている。
【００６６】
本発明に係るバイオ燃料電池等によれば、発電に必要な燃料や緩衝物質、酸化還元酵素、補酵素及び電子伝達メディエーター等の物質を予め電池内に固体状態で入れておくことで、これらの物質を欠く水や市販の飲料などの液体を燃料溶液として発電することができる。このため、このため、本発明は、糖類やアルコール類、脂肪、タンパク質等を燃料とした種々のバイオ燃料電池に適用して、ユーザが容易に燃料溶液を調達して、高い電池性能を得るために役立てられ得る。
【図１】
2011210477.tif 000003
【図２】
2011210477.tif 000004
【図３】
2011210477.tif 000005
【図４】
2011210477.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月27日(2011.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極と、
電極に供給される液体が外部から導入される導入口と、が配設され、
導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容されたバイオ燃料電池。
【請求項２】
固体状態で収容される物質が、燃料溶液溶質、前記酸化還元酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターから選択される１以上である請求項１記載のバイオ燃料電池。
【請求項３】
固体状態で収容される物質が、前記燃料溶液溶質であり、燃料及び／又は緩衝物質である請求項２記載のバイオ燃料電池。
【請求項４】
前記液体通流部位のいずれかの箇所に、通流する前記液体に対して固体状態で収容される物質を接触可能に保持する収容部が設けられ、
該収容部は、固体状態で収容される物質を外部から補給可能に構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオ燃料電池。
【請求項５】
前記収容部が、前記導入口に交換可能に取り付けられ、固体状態で収容される物質を内部に充填したカートリッジとして構成されている請求項４記載のバイオ燃料電池。
【請求項６】
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極を備えたバイオ燃料電池が搭載され、
電極に供給される液体が外部から導入される導入口が配設され、
導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容された電子機器。
【請求項７】
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で内部に充填されたバイオ燃料電池用カートリッジ。
【請求項８】
内部に液体を導入可能であり、導入された液体を固体状態の前記物質に接触させた後に外部へ排出可能に構成された請求項７記載のバイオ燃料電池用カートリッジ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題解決のため、本発明は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極と、電極に供給される液体が外部から導入される導入口と、が配設され、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容されたバイオ燃料電池を提供する。
このバイオ燃料電池では、導入口から液体を導入し、予め固体状態で収容された前記物質を溶解させることによって発電を開始させることができる。
このバイオ燃料電池において、固体状態で収容される前記物質は、燃料溶液溶質、前記酸化還元酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターから選択される１以上とでき、燃料溶液溶質は、燃料及び／又は緩衝物質とできる。
このバイオ燃料電池では、前記液体通流部位のいずれかの箇所に、通流する前記液体に対して固体状態で収容される物質を接触可能に保持する収容部を設け、該収容部を固体状態で収容される物質を外部から補給可能に構成することが好適となる。さらに、前記収容部は、前記導入口に交換可能に取り付けられ、固体状態で収容される物質を内部に充填したカートリッジとして構成することが好適となる。
また、本発明は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電極を備えたバイオ燃料電池が搭載され、電極に供給される液体が外部から導入される導入口が配設され、導入口から電極までの液体通流部位のいずれかの箇所に、前記反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で収容された電子機器をも提供する。
さらに、本発明は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応に関与する物質の少なくも一部が固体状態で内部に充填されたバイオ燃料電池用カートリッジを提供する。このバイオ燃料電池用カートリッジは、内部に液体を導入可能であり、導入された液体を固体状態の前記物質に接触させた後に外部へ排出可能に構成されることが好ましい。