(57)【要約】【課題】長期保管した場合であっても、高い電池性能を維持した糖−空気燃料電池とする。【解決手段】燃料液室１と、該燃料液室１内に間隔をあけて配置された酸化極３及び還元極２と、前記燃料液室１内に収容された還元性を有する糖を含む燃料液６と、前記酸化極３との間で酸化反応をせず、且つ、前記燃料液室１内の酸素量を低減させる酸素低減部７，８とを備え、前記燃料液室１の壁面に、外部から燃料液室１内に酸素を供給する酸素供給部９が設けられ、前記還元極２が、前記酸素供給部９と接触して配置されている糖−空気燃料電池１００を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料液室と、
該燃料液室内に間隔をあけて配置された酸化極及び還元極と、
前記燃料液室内に収容された還元性を有する糖を含む燃料液と、
前記酸化極との間で酸化反応をせず、且つ、前記燃料液室内の酸素量を低減させる酸素低減部とを備え、
前記燃料液室の壁面に、外部から燃料液室内に酸素を供給する酸素供給部が設けられ、
前記還元極が、前記酸素供給部と近接して配置されている糖−空気燃料電池。
【請求項２】
前記酸素低減部が、
脱酸素剤と、
該脱酸素剤を被覆して前記燃料液の通過を阻止し、且つ、酸素の通過を許容する通気防水部材とを備える請求項１に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項３】
前記脱酸素剤が、前記酸化極での酸化反応に寄与しない還元性を有する糖を含む請求項２に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項４】
前記脱酸素剤としての還元性を有する糖が、グルコース、ガラクトース、フルクトース、マンノース、マルトース、ラクトースまたはセロビオースのいずれかを含む請求項３に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項５】
前記酸素供給部が、燃料液室の外への燃料液の流出を阻止する通気防水性材料からなる請求項１に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項６】
前記酸素供給部の外表面を取り外し可能に被覆して、酸素を遮断する被覆部材を備える請求項１または請求項５に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項７】
前記被覆部材が、粘着性を有するシート状部材からなる請求項６に記載の糖−空気燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖−空気燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料としてグルコースを用いた構成の燃料電池には、酵素を固定した電極を触媒とするものや、金属電極を触媒とするものがある。例えば、特許文献１及び特許文献２には、酵素固定化電極とグルコース溶液とを用いた燃料電池が開示されている。また、非特許文献１には、金属触媒によって糖の酸化反応を促進する方式のグルコース−空気燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４９２１５号公報（請求項１、段落[００１５]、[００１６]）
【特許文献２】特開２００７−１８８８１０号公報（請求項１、段落[００１０]、[００１１]）
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】熊本大学  谷口功著  「バイオ電気化学の実際−バイオセンサ・バイオ電池の実用展開−／第１５章  グルコース−空気燃料電池」株式会社シーエムシー出版、２００７年３月、ｐ．２５２−２７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
グルコースなどの還元性を有する糖は、酸化し易く、大気中の酸素と接触する条件下で保管すると、酸素と反応してグルコン酸などの酸化物に変化することが知られている。糖が酸化物に変化すると、燃料としての性能が低下する。しかしながら、従来、グルコースを用いた燃料電池では、酸素によるグルコースの酸化は考慮されていなかった。すなわち、燃料電池非使用時に、燃料液中に含まれるグルコースが酸素と触れた状態で保管されるため、使用する前に電池性能が低下するという不都合があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、長期保管した場合であっても電池性能が低下しない糖−空気燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、燃料液室と、該燃料液室内に間隔をあけて配置された酸化極及び還元極と、前記燃料液室内に収容された還元性を有する糖を含む燃料液と、前記酸化極との間で酸化反応をせず、且つ、前記燃料液室内の酸素量を低減させる酸素低減部とを備え、前記燃料液室の壁面に、外部から燃料液室内に酸素を供給する酸素供給部が設けられ、前記還元極が、前記酸素供給部と近接して配置されている糖−空気燃料電池を提供する。
【０００８】
本発明に係る糖−空気燃料電池によれば、燃料液室内で、燃料液内に浸漬された酸化極において、燃料液に含まれる還元性を有する糖が、電子を放出することによって酸化される。一方、還元極では、該還元極に近接して配置されている酸素供給部により燃料液室内に供給された大気中の酸素が酸化極で生成された電子を受け取って還元される。このとき、酸化極で放出された電子は、燃料液中を移動することができないため、両電極を電気的に接続した電池の外部回路を通す。これによって、電池として発電が行われる。
【０００９】
この場合において、燃料液室内に設けられた酸素低減部が、燃料液室内に存在する酸素量を低減する。燃料液室内の酸素量が低減されると、燃料液に含まれる還元性を有する糖と酸素との酸化反応が抑制されるため、電池性能の低下を防止することができる。一方、還元反応に必要な酸素は、酸素供給部を介して外気から得ることができるとともに、還元極が酸素供給部と近接して配置されることで、外気から燃料液室内へ侵入した酸素が燃料液中へ分散するのを抑制することが可能となる。これによって、電池としての発電性能を維持しながらも、未使用時の燃料の劣化による電池性能の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記酸素低減部が、脱酸素剤と、該脱酸素剤を被覆して前記燃料液の通過を阻止し、且つ、酸素の通過を許容する通気防水部材とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、脱酸素剤を被覆した通気防水部材によって、燃料液と脱酸素剤との間の液体の移動が遮断されるのに対して、燃料室内の酸素は通過させられて脱酸素剤で捕集される。従って、脱酸素剤と酸化極との接触を防止することができるとともに、脱酸素剤が燃料液室内の酸素量を低減させる機能を発揮することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記脱酸素剤が、前記酸化極での酸化反応に寄与しない還元性を有する糖を含むこととしてもよい。
このようにすることで、通気防水部材により脱酸素剤と酸化極との接触を防止することができるので、脱酸素剤として含ませた還元性を有する糖は、酸化極での酸化反応に寄与することなく、燃料液室内の酸素量を低減させることができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記脱酸素剤としての還元性を有する糖が、グルコース、ガラクトース、フルクトース、マンノース、マルトース、ラクトースまたはセロビオースのいずれかを含むこととしてもよい。
【００１３】
また、上記発明においては、前記酸素供給部が、燃料液室の外への燃料液の流出を阻止する通気防水性材料からなることとしてもよい。
このようにすることで、通気防水性材料は、液体を通さず、気体の通過を許容するため、酸素供給部は、燃料液室内の燃料液を外部に漏らすことなく、外気から酸素を供給することが可能となる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記酸素供給部の外表面を取り外し可能に被覆して、酸素を遮断する被覆部材を備えることとしてもよい。
このようにすることで、酸素供給部の外表面に覆われた被覆部材が酸素を遮断することにより、酸素供給部を介して大気中から燃料液室内へ酸素が侵入することを防止することができる。この結果、糖−空気燃料電池の保管中に生じる糖の酸化による電池性能の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記被覆部材が、粘着性を有するシート状部材からなることとしてもよい。
このようにすることで、酸素供給部に対して被覆部材の取付け及び取外しをすることが可能になる。
これにより、長期保管した場合であっても、高い電池性能を維持した糖−空気燃料電池とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料液室内に存在する酸素を低減することで、燃料液の酸化を抑制して、高い電池性能を維持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る糖−空気燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る糖−空気燃料電池を示す断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る糖−空気燃料電池を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る糖−空気燃料電池１００について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る糖−空気燃料電池１００は、図１に示されるように、燃料液室１と、還元極２及び酸化極３と、正極端子４及び負極端子５と、燃料液６と、２つの酸素低減部７，８と、酸素供給部９と、被覆部材１０とを備えている。
【００１９】
燃料液室１は、水密素材からなる筐体である。
還元極２は、酸化マンガンを含む板状の部材で構成されている。
酸化極３は、触媒として金を担持しているカーボンペーパーからなる板状の部材で構成され、還元極２に対して間隔ｄを隔てた上方に配置されている。
正極端子４及び負極端子５は、酸化極３で放出された電子を還元極２へ移動させる機能を有するため、導電性材料として、グラファイト（黒鉛）、ステンレス、チタン等の腐食しにくい金属材料で構成されている。正極端子４及び負極端子５は、燃料液室１の一側面下端部に壁面を貫通して配置され、一端が外部に露出し、他端が燃料液室１内部で、それぞれ還元極２及び酸化極３と固着されている。正極端子４及び負極端子５の外部に露出した一端は、外部回路に接続される（図示略）。
【００２０】
燃料液６は、還元性を有する糖であるグルコースを含む溶液で構成され、燃料液室１内に該燃料液室１と同容量が収容されている。すなわち、電極２，３が燃料液６内に常時浸漬されている。グルコースを含む溶液は、発電に必要な適当な濃度で調製されている。
【００２１】
酸素低減部７，８は、脱酸素剤７ａ，８ａと、該脱酸素剤を被覆する通気防水部材７ｂ，８ｂとで構成されている。脱酸素剤７ａ，８ａには、例えば、還元性を有する糖であるグルコースが用いられる。脱酸素剤７ａ，８ａの使用量は、燃料液室１内に供給される酸素量（ｍｏｌ）と、発電に利用される酸素量（ｍｏｌ）との差分の酸素量（ｍｏｌ）を低減できる量とする。通気防水部材７ｂ，８ｂは、燃料液６の通過を阻止し、且つ、酸素の通過を許容する材料として、多孔質のＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）、ポリエチレン不織布等、通気性と防水性を兼ね備えた素材からなるシートが用いられる。酸素低減部７，８は、燃料液室１内の電極２，３から離れた対角の壁面位置に、それぞれ固定して配置されている。
【００２２】
酸素供給部９は、開口部とシートとにより構成されている。シートは、液体の通過を阻止し、且つ、最大出力で発電するために必要な量の気体の通過を許容する通気防水性材料からなる。通気防水性材料としては、例えば、多孔質のＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）、ポリエチレン不織布等、通気性と防水性を兼ね備えた素材が用いられる。酸素供給部９は、燃料液室１の壁面を貫通する開口部を液密に密封するようにして設けられている。酸素供給部９の燃料室１内側には、還元極２が酸素供給部９を覆うように、近接して配置されている。酸素供給部９の外表面は、電池非使用時には、被覆部材１０で被覆されている。該被覆部材１０は、電池使用時には、取り外される。
被覆部材１０には、片面にアクリル樹脂系粘着剤を塗布したＰＥＴ、アセテート、ポリイミド等のテープを使用する。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る糖−空気燃料電池１００の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る糖−空気燃料電池１００によれば、燃料液６が酸化極３に接触すると、燃料液６中に含まれるグルコースから電子が放出される。すなわち、グルコースが酸化されて、グルコノラクトンになり、放出された電子が酸化極３に流れる。このとき、燃料液６中に水素イオンが発生する。一方、還元極２では、酸素供給部９を介して外気から供給される酸素に、燃料液６中の水素イオンと還元極２からの電子が供給されることによって、酸素が還元されて水になる。燃料液６から酸化極３に流れた電子が外部回路（図示略）を介して還元極２から供給されることによって、外部回路に電流が流れるように発電される。
【００２４】
燃料液室１内に配置される酸素低減部７，８は、糖−空気燃料電池１００の使用状態に関わらず、燃料液室１内に存在する酸素量を低減させる。酸素低減部７，８は、燃料液室１内に対角に配置される。
【００２５】
酸素低減部７，８は、通気防水部材７ｂ，８ｂで被覆されているため、脱酸素剤７ａ，８ａが燃料液６中に漏れだすことはない。これによって、脱酸素剤が、グルコース等のように燃料液６の溶液に溶解する物質であったとしても、脱酸素剤が発電に寄与することはない。一方、通気防水部材７ｂ，８ｂは、酸素の通過を許容するため、燃料液室１内に存在する酸素は酸素低減部７，８内に侵入して、脱酸素剤で捕集される。なお、脱酸素剤７ａ，８ａがグルコースである場合には、万が一、通気防水部材９ｂ，１０ｂが破損した場合でも、電池の発電性能を阻害することはない。
【００２６】
酸素供給部９は、通気防水性材料からなるため、燃料液室１の外部への燃料液６の流出を阻止することができる。一方、酸素の通過を許容するため、発電に必要な酸素を還元極２に供給することもできる。また、酸素供給部９に近接して還元極２が配置されることによって、外部から供給される酸素が還元極２における還元反応に優先的に利用されるため、燃料液６中への酸素の分散を抑制することができる。
【００２７】
酸素供給部９が被覆部材１０で覆われた状態においては、燃料液室１外部から内部への酸素の移動が遮断される。従って、燃料液室１内部に存在する酸素量の増加を防止することができると同時に、還元極２にも酸素が供給されないため、電池の発電を休止させておくことが可能となる。一方、電池使用時は、被覆部材１０を取り外すことで、発電に必要な酸素を外気から供給することができる。被覆部材１０は、粘着性を有するシール状部材であるため、脱着自在とすることができる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、酸素低減部７，８によって、燃料液室１内に存在する酸素量を低減させる一方、酸素供給部９を介して、外気から発電に必要な酸素を供給することで、グルコースの劣化に伴う電池性能の低下を抑制するとともに、高い電池性能を維持することができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る糖−空気燃料電池２００を図２に示す。基本的な構成は、第１実施形態と同様であり、酸素供給部１９の構成のみが異なる。
酸素供給部１９は、通気防水性材料１９ａと、燃料液室１壁面に設けられた複数の貫通孔１９ｂとで構成されている。通気防水性材料１９ａは、例えば、多孔質のＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）、ポリエチレン不織布等、通気性と防水性を兼ね備えた素材からなるシートが使用され、複数の貫通孔１９ｂを全て覆うように、燃料液室１内壁面に接着して配置されている。複数の貫通孔１９ｂは、例えば、円形形状をしている。酸素供給部１９の外表面は、電池非使用時には、被覆部材１０で被覆されている。該被覆部材１０は、電池使用時には、取り外される。
【００３０】
本実施形態によれば、貫通孔を設けることによって、酸素供給部１９の開口面積を必要最小限に留めることができる。これにより、燃料液６にとって有益でない溶存酸素の増加を抑制することができ、結果として脱酸素剤に与える負荷を軽減することができる。また、酸素供給部１９の一部を燃料液室１の筐体で覆うことができるので、酸素供給部１９を外力から保護することができる。
【００３１】
第１実施形態及び第２実施形態に係る糖−空気燃料電池１００，２００は、図３に示されるように、電池非使用時において、酸素を遮断する包装部材１１で包装されていても良い。この場合、包装部材１１は、例えば、表裏両面を挟んでチャックすることで包装内部を外気から遮断するような密封手段１１ａを備えることが好ましい。また、糖−空気燃料電池１００，２００を包装する際、脱酸素部材１１ｂを同封することが好ましい。脱酸素部材１１ｂは、市販されている脱酸素機能を有する部材であれば良く、例えば、電池の収納に影響しない位置に貼り付けられる。
上記条件で電池を密封した場合、包装内部の酸素は、同封された脱酸素部材１１ｂと反応するため、残存酸素量は減少する。また、使用中の電池を、そのまま脱酸素部材１１ｂとともに、包装部材１１で包装して密封した状態とすると、包装内部が脱酸素環境下となるため、電池の発電を休止させることができるとともに、燃料液６中の糖の酸化を抑制することができる。
【００３２】
なお、第１実施形態及び第２実施形態において、還元極２及び酸化極３は、それぞれ酸化マンガン及び金を担持しているカーボンペーパーを採用したが、これに限定されず、糖−空気燃料電池１００，２００で一般的に用いられる他の金属電極であっても良い。
また、燃料液６はグルコースを採用したが、これに限定されず、他の還元性を有する糖であるガラクトース、フルクトース、マンノース、マルトース、ラクトースまたはセロビオース等であっても良い。
また、上記実施形態では、燃料液室１内全体に燃料液６を充填することとしたが、これに代えて、一部に気体が封入されていても良い。燃料液６の収容量が燃料液室１の容量より少なく、燃料液室1内に気体領域が生じた場合は、該気体領域を窒素ガスや、アルゴンなどの化学的に不活性なガスを封入しておくことが好ましい。
【００３３】
また、酸素低減部７，８は燃料液室１内の２箇所に固定して配置されることとしたが、固定する位置はこれに限定されず、例えば、還元極２と酸化極３との間に配置されていても良い。
また、酸素低減部７，８は、必ずしも固定されている必要はなく、燃料液６中を浮遊していても良い。この場合においても、酸素低減部７，８は、通気防水部材７ｂ，８ｂで被覆されているため、燃料液６中を浮遊して酸化極３と物理的に接触したとしても、脱酸素剤としてのグルコースが発電に寄与することはない。
また、脱酸素剤７ａ，８ａは、グルコースを採用したが、これに限定されず、ガラクトース、フルクトース、マンノース、マルトース、ラクトースまたはセロビオースなどの他の還元性を有する糖や、市販されている、還元鉄、酸化第一鉄、炭化鉄、水酸化鉄などを主成分とする鉄粉系脱酸素剤、Ｌ−アスコルビン酸ナトリウム等を主成分とする有機系脱酸素剤であっても良い。鉄粉系脱酸素剤や有機系脱酸素剤など、酸化極３における酸化反応に寄与しない材料を用いる場合、脱酸素剤は通気防水部材７ｂ，８ｂで被覆されなくても良い。
【００３４】
なお、第２実施形態において、貫通孔１９ｂは円形形状としたが、これに限定されず、矩形等の別の形状であっても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料液室
２  還元極
３  酸化極
４  正極端子
５  負極端子
６  燃料液
７，８  酸素低減部
７ａ，８ａ  脱酸素剤
７ｂ，８ｂ  通気防水部材
９、１９  酸素供給部
１０  被覆部材
１１  包装部材
１１ａ  密封手段
１１ｂ  脱酸素部材
１９ａ  通気防水性材料
１９ｂ  貫通孔
１００，２００  糖−空気燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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