(57)【要約】【課題】飲用の燃料溶液が汚染されず、かつ、燃料溶液の回収が容易なバイオ燃料電池を提供する。【解決手段】本発明のバイオ燃料電池１は電池部１０に吸収体部３０が取り付けられ、電池部１０の燃料溶液５０は吸収体部３０に吸収され、保持される。発電に使用した後の燃料溶液５０が燃料供給部１３から逆流せず、燃料溶液５０の汚染がおきないので、市販飲料等の燃料溶液５０を、飲用と発電用の両方に用いることができる。また、吸収体部３０を電池部１０から取り除くだけで、燃料溶液５０の回収や廃棄が行える。【選択図】図１
2011238541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酵素が存在する電極を備える電池部と、
前記電池部内に燃料溶液を供給する燃料供給部と、
前記電池部に接触配置され、前記電池部内の前記燃料溶液を吸収する吸収体部と、を有し、
前記吸収体部は、前記電池部を挟んで前記燃料供給部とは反対側に位置する燃料電池。
【請求項２】
前記吸収体部は、前記電池部から着脱可能にされた請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記吸収体部は、前記電池部に個別に着脱可能な複数の吸収体を有し、
前記複数の吸収体のうち、１以上の吸収体が前記電池部内部の前記燃料溶液を吸収する請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化還元酵素を用いた燃料電池に関する。より詳しくは、燃料電池の電池部に燃料を供給するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池としてはメタノール等を燃料とするメタノール燃料電池が知られている。しかし、メタノール燃料電池は燃料漏れ防止用部材が必要なため、携帯性や利便性が悪く、価格も高くなるという問題があった。
【０００３】
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は、例えばグルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では利用できない燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。
【０００４】
図５はバイオ燃料電池の反応スキームを示す図である。図５に示すように、グルコースを燃料とするバイオ燃料電池においては、アノードでグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、カソードで大気中の酸素（Ｏ２）の還元反応が進行する。そして、アノードでは、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、電子メディエーター、電極（カーボン）の順に電子が受け渡される。
【０００５】
このように、バイオ燃料電池はグルコース等を燃料とすることができるため、市販の飲料等も燃料に用いることが可能であり、飲料を使用可能な装置も提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−４８８５８号公報
【特許文献２】特開２００９−１４０６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。バイオ燃料電池の燃料用飲料（燃料溶液）を、飲用にも同時に使用する場合などには、バイオ燃料電池側から燃料溶液が飲用部側へ流入し、飲用の燃料溶液が汚染されることがある。
【０００８】
また、メタノールを直接燃料として使用するダイレクトメタノール型の燃料電池では、メタノールが二酸化炭素と水に分解されるために、燃料であるメタノールがなくなれば、随時追加する構造になっている。これに対し、バイオ燃料電池は、糖類を二酸化炭素まで完全に分解せず、その分解物が燃料溶液に残る場合がある。従って、発電に使用された後の燃料用飲料を回収する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、バイオ燃料電池側の燃料溶液が飲用部に混入せず、かつ、バイオ燃料電池から燃料溶液の回収が容易なバイオ燃料電池を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、表面に酵素が存在する電極を備える電池部と、前記電池部内に燃料溶液を供給する燃料供給部と、前記電池部に接触配置され、前記電池部内の前記燃料溶液を吸収する吸収体部とを有し、前記吸収体部を、前記電池部を挟んで前記燃料供給部とは反対側に位置させる。
ここで電極の表面とは、電極の外面と電極内部の空隙の内面との全体を含み、以下の記載においても同様とする。
また、前記吸収体部を、前記電池部から着脱可能にしてもよい。更に、前記吸収体部として、前記電池部に個別に着脱可能な複数の吸収体を有するものを用い、前記複数の吸収体のうち、１以上の吸収体が前記電池部内部の前記燃料溶液を吸収するように配置してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池部の燃料溶液が吸収体部に吸収され、燃料供給部から逆流しないので、燃料溶液が汚染されない。発電に使用された後の燃料溶液は吸収体に吸収されるため、その回収、廃棄が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池の使用例を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るバイオ燃料電池を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るバイオ燃料電池の吸収体を交換した後の状態を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図５】バイオ燃料電池の反応スキームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。
１．第１の実施形態
（吸収体部が一つであるバイオ燃料電池の例）
２．第２の実施の形態
（吸収体部が複数であるバイオ燃料電池の例）
【００１４】
＜１．第１の実施の形態＞
［全体構造］
本発明第１の実施の形態に係るバイオ燃料電池１について説明する。図１は本実施形態のバイオ燃料電池１を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池１は、電池部１０と、吸収体部３０と、燃料供給部１３とを備える。燃料供給部１３は電池部１０に設けられ、燃料溶液５０は燃料供給部１３を介して電池部１０に注入される。
【００１５】
吸収体部３０は電池部１０を挟んで燃料供給部１３とは反対側の位置で、電池部１０に取り付けられている。従って、吸収体部３０と燃料供給部１３とは離間している。
【００１６】
［電池部１０］
電池部１０は、例えば、アノードとカソードとが、プロトン伝導体を介して対向配置された構成とすることができる。その際、アノードとしては、導電性多孔質材料からなる電極の表面に酸化還元酵素が固定されたものなどを使用することができ、カソードとしては、導電性多孔質材料からなる電極の表面に、酸化還元酵素及び電子メディエーターが固定化されているものなどを使用することができる。ここで、電極の表面とは、電極の外面と、多孔質構造内部の内面との全体を含み、以下の記載においても同様とする。
【００１７】
この構成の場合、アノードでは、表面に固定化された酵素により燃料を分解して、電子を取り出すと共にプロトン（H＋）を発生する。カソードにおいては、アノードからプロトン導電体を介して輸送されたプロトンと、アノードから外部回路を通って送られた電子と、例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
【００１８】
アノードを形成する導電性多孔質材料には、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。更に、アノードの表面に固定化させる酵素としては、例えば燃料がグルコースである場合は、グルコースを分解するグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を使用することができる。
【００１９】
更にまた、燃料にグルコースなどの単糖類を用いる場合には、アノード表面に、ＧＤＨのような単糖類の酸化を促進して分解する酸化酵素と共に、補酵素酸化酵素や電子メディエーターが固定化されていることが望ましい。補酵素酸化酵素は、酸化酵素によって還元される補酵素（例えば、ＮＡＤ＋，ＮＡＤＰ＋など）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ，ＮＡＤＰＨなど）を酸化するものであり、例えば、ジアホラーゼなどが挙げられる。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して電極に電子が渡される。
【００２０】
電子メディエーターとしては、キノン骨格を有する化合物を使用することが好ましく、特に、ナフトキノン骨格を有する化合物が好適である。具体的には、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−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）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、ナフトキノン骨格を有する化合物以外に、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。更に、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物と共に、電子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固定化してもよい。
【００２１】
燃料に多糖類を用いる場合には、上述した酸化酵素、補酵素酸化酵素、補酵素及び電子メディエーターに加えて、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が固定化されていることが望ましい。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。
【００２２】
また、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。例えば、多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを使用し、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを使用する場合には、燃料にはグルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類を使用することができる。このような多糖類としては、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン及びマルトースなどが挙げられる。ここで、グルコアミラーゼは、デンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼは、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。
【００２３】
一方、カソードを形成する導電性多孔質材料にも、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。このカソードに固定化される酵素としては、酸素還元酵素、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ及びアスコルビン酸オキシダーゼなどが挙げられる。また、これらの酵素と共に固定化される電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、フェリシアン化カリウム及びオクタシアノタングステン酸カリウムなどが挙げられる。
【００２４】
更に、プロトン伝導体は、電子導電性がなく、かつプロトン（Ｈ＋）を輸送することが可能な材料であればよく、例えば、セロハン、ゼラチン及び含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂などが挙げられる。また、プロトン伝導体として、電解質を使用することもできる。
【００２５】
電池部１０は、アノードとカソードの両方が燃料溶液５０に浸漬する浸水系であってもよいし、アノードのみが燃料溶液５０に接触し、カソードが大気に曝される大気曝露系でもよい。
【００２６】
なお、電池部１０に設けられる各電極は、表面に酸化還元酵素が固定化されているものに限定されるものではなく、電極表面に酸化還元酵素が存在しているものであればよい。具体的には、表面に酸化還元酵素を有する微生物が付着し、アノード及びカソードにおいて前述した作用が行われるような電極を使用することもできる。
【００２７】
[吸収体部３０]
吸収体部３０は燃料溶液５０を吸収可能なものであれば特に限定されないが、例えば、多孔質体と吸水性ポリマーのいずれか一方又は両方からなる吸収材料を用いることができる。多孔質体としてセルロース系スポンジが挙げられる。吸水性ポリマーは例えば、ポリアクリル酸ソーダ、（アクリル酸−ビニルアルコール）共重合体、ポリアクリル酸ソーダ架橋体、（デンプン−アクリル酸）グラフト重合体、（イソブチレン−無水マレイン酸）共重合体及びそのケン化物、ポリアクリル酸カリウム、並びにポリアクリル酸セシウム等が挙げられる。本実施形態において吸収性ポリマーは、自重の２０倍以上の水又は生理食塩水を吸収し保持し得る性能を有するような超吸収性高分子化合物、いわゆるＳ．Ａ．Ｐ．（Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｐｌｙｍｅｒ）であることが好ましい。また吸収体として紙も使用できる。吸水紙又はクレープ紙で形成されるのが、良好な吸水性を確保できるので好ましい。他にエアフェルトと一般に呼ばれる粉砕木材パルプも使用できる。
【００２８】
吸収体部３０は多孔質体や吸水性ポリマー等の吸収性材料のみで構成してもよいが、それら吸収性材料を覆う筐体を設けてもよい。吸収体部３０は電池部１０に直接接触させてもよいが、吸収体部３０と電池部１０との間に選択透過膜等を配置し、燃料溶液５０中の所定成分（糖等の燃料）を電池部１０に残し、その他の成分（水や分解物等）のみを吸収体部３０に吸収させてもよい。また、吸収体部３０を、セロハン膜などの微小細孔膜によって隔壁し、電池部１０に取り付けることで、持続的かつ微小に燃料溶液５０を吸収させることができる。
【００２９】
吸収体部３０は電池部１０に固定してもよいが、吸収体部３０を電池部１０から着脱可能とすることが望ましい。この場合、吸収能力が落ちた吸収体部３０を新たな吸収体部３０と交換することが可能であり、バイオ燃料電池１を繰り返し使用することができる。
【００３０】
[動作]
次に、本実施形態のバイオ燃料電池１の動作について、飲用のボトルから燃料溶液５０を供給する場合を例にして説明する。図２は、本実施形態のバイオ燃料電池１の使用例を模式的に示す図である。図２に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池１では、例えば、ボトル等の容器で構成された燃料貯蔵部５に、燃料溶液５０を収容しておく。
【００３１】
燃料溶液５０は燃料となる「糖類」を含有する水溶液であればよい。燃料と水以外に、香料、着色料、保存料、分散剤等の添加剤を添加してもよく、専用に調整されたものに限らず、市販の飲料なども使用することができる。より具体的には、清涼飲料水、砂糖水、アルコール飲料等であって、ヒトが摂取可能なものである。
【００３２】
燃料溶液５０を飲もうとする者は、燃料貯蔵部５から直接飲んでもよいし、ストロー等の飲用供給管５２の一端を、燃料貯蔵部５内の燃料溶液５０に浸漬させ、他端を吸引することで、飲むこともできる。
【００３３】
この燃料溶液５０をバイオ燃料電池１にも使用する場合は、燃料貯蔵部５からバイオ燃料電池１に燃料溶液５０を供給する。その供給方法は特に限定されないが、例えば、燃料供給用のチューブ（燃料供給管５３）の一端を燃料貯蔵部５内の燃料溶液５０に浸漬し、他端を燃料貯蔵部５外部に引き出して、バイオ燃料電池１の燃料供給部１３に取り付ける。
【００３４】
燃料供給部１３から電池部１０に燃料溶液５０が供給されると、電池部１０で発電が起こる。電池部１０を音楽プレイヤー、電灯等の出力装置等に接続すれば、その電力で出力装置を動かすことができる。
【００３５】
吸収体部３０は、多孔質体又は吸水性ポリマーの少なくとも一部が露出し、その露出した部分が電池部１０に接触しており、電池部１０の燃料溶液５０は吸収体部３０に吸収される。燃料供給部１３は電池部１０を介して吸収体部３０に接続されているので、吸収体部３０の吸引力により、燃料供給部１３から新たな燃料溶液５０が電池部１０に引き込まれる。
【００３６】
吸収体部３０は燃料供給部１３から離間して電池部１０に取り付けられているから、燃料溶液５０の吸収と、新たな燃料溶液５０の引き込みにより、電池部１０の内部に燃料溶液５０の流れが生じる。発電の際に生じるラクトン類等の分解物や水は、燃料溶液５０と一緒に押し流され、新たな燃料溶液５０が補充されるから、発電効率が落ちない。
【００３７】
このように、発電に利用された後の燃料溶液５０は吸収体部３０に保持されるから、電池部１０や燃料貯蔵部５へ逆流せず、燃料貯蔵部５の燃料溶液５０が汚染されない。従って、燃料溶液５０を飲用と発電用の両方に使用する場合であっても、燃料貯蔵部５の燃料溶液５０は風味等が変わらず、飲用として使用することができる。
【００３８】
本発明のバイオ燃料電池１は、燃料供給管５３等を燃料供給部１３に取り付けるだけで、電池部１０への燃料溶液５０の供給が可能であるから、様々な市販の飲料ボトルから燃料溶液５０を供給し、発電を行うことができる。
【００３９】
＜２．第２の実施の形態＞
［全体構造］
次に、本発明の第２の実施形態に係るバイオ燃料電池２について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は本実施形態のバイオ燃料電池２を模式的に示す斜視図と断面図である。この実施形態では、吸収体部３０が複数の吸収体３５を備える。なお、電池部１０は、上記第１の実施形態と同様の構成のものを用いることができるので、ここでは説明を省略する。
【００４０】
吸収体３５には、多孔質体、吸水性ポリマー等、第１の実施形態の吸収体部３０と同様の吸収材料を用いることができる。吸収体３５の配置は特に限定されないが、電池部１０と隣接して並べて配置することができる。
【００４１】
第２の実施形態においては、各吸収体３５が電池部１０に個別に着脱可能にすることが望ましい。この場合、複数の吸収体３５のうち、１以上の吸収体３５に燃料溶液５０を吸収させ、他の１以上の吸収体３５に燃料溶液５０が吸収されないようにし、交換用に残すようにすることができる。
【００４２】
交換用の吸収体３５を残す方法としては、例えば、各吸収体３５を、吸収材料が筐体に収容されたカートリッジ形状とし、所望の吸収体３５だけが燃料溶液５０を吸収するようにしてもよい。また、電池部１０に燃料溶液５０を排出する排出口を設け、所望の吸収体３５を排出口と対面させ、他の吸収体３５を排出口から離間させることで、交換用の吸収体３５に燃料溶液５０を吸収させずに残すことができる。
【００４３】
[動作]
この実施形態においては、予め決められた場所の吸収体３５に燃料溶液５０が吸収される。吸収体３５の吸収能力には限界があり、吸収能力が落ちると燃料溶液５０の引き込み量が低下し、発電量が落ちる。従って、吸収体３５を適宜交換する必要がある。
【００４４】
吸収体３５の交換方法は特に限定されないが、例えば、新たな吸収体３５を、交換対象の吸収体３５に向かって押して、交換対象の吸収体３５を押出してもよい。また、交換対象の吸収体３５を摘んで取り出し、空いた場所に新たな吸収体３５を配置することもできる。吸収体３５を指等で押したり摘んだりする場合は、吸収体３５をカートリッジ形状とすれば、手を汚すことなく効率的に吸収体３５の交換を行える。
【００４５】
吸収体３５の交換のタイミングは特に限定されず、出力装置の動作が鈍くなった時点で自発的に交換してもよいし、予め動作時間を決めておき、決められた動作時間毎に吸収体３５を交換してもよい。
【００４６】
この実施形態においても、第１の実施形態においても、吸収体部３０、３５を電池部１０から取り外すだけで、燃料溶液５０を回収又は廃棄することができる。取り外した吸収体部３０、３５はそのまま廃棄してもよいが、洗浄し、再利用することもできる。
【００４７】
このように、吸収体３５を複数設けることにより、吸収体３５の交換が容易であり、また、吸収済みのカートリッジを除去することで軽くなるため携帯時に有効である。
【符号の説明】
【００４８】
１、２  燃料電池
１０  電池部
１３  燃料供給部
３０  吸収体部
３５  吸収体
【図１】
2011238541.tif 000003
【図２】
2011238541.tif 000004
【図３】
2011238541.tif 000005
【図４】
2011238541.tif 000006
【図５】
2011238541.tif 000007