(57)【要約】【課題】誤使用が起こりにくい燃料電池を提供する。【解決手段】表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた１又は複数の電池部が、容器１内に収容されているバイオ燃料電池１０において、例えば、容器１の底面を曲面で形成したり、容器１の底部に磁石を取り付けたり、載置部に磁石が取り付けられた載置台を使用することによって、容器１に設けられた燃料溶液注入口２が、少なくとも燃料溶液注入時には決められた方向を向く、即ち、所定の位置にあるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた１又は複数の電池部と、
該電池部を収容する容器と、を有し、
前記容器には前記電池部内に燃料溶液を注入するための燃料溶液注入口が設けられており、少なくとも燃料溶液注入時には前記燃料溶液注入口が一定方向に向く構成の燃料電池。
【請求項２】
前記容器の底部が曲面で構成されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
重心が中心よりも下側に設定されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記容器の底部に磁石が取り付けられており、磁力により位置決めされる請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記容器が載置される載置台を有し、
該載置台の少なくとも前記容器が載置される部分に磁石が取り付けられており、磁力により位置決めされる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料溶液注入口に、少なくとも燃料溶液の漏出を防止する弁が設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【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バイオ燃料電池に関する。より詳しくは、バイオ燃料電池の取扱い性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応触媒として酸化還元酵素を使用したバイオ燃料電池は、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。図５は酵素を使用したバイオ燃料電池の反応スキームを示す図である。例えば、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の場合、負極（アノード）ではグルコース（Glucose）の酸化反応が進行して電子が取り出され、正極（カソード）では大気中の酸素（Ｏ２）の還元反応が進行する。
【０００３】
一方、現在一般に使用されている一次電池や二次電池は、内部の活性物質のみで発電又は充電しているため、燃料を注入するための機構は設けられておらず、その必要もない。これに対して、燃料電池は、外部から燃料を注入することにより発電するデバイスであるため、燃料供給機構が必要で、外界と電池内部が空間的に繋がっている。
【０００４】
また、燃料電池は、燃料溶液を補充することにより、繰り返し発電を行うことが可能であり、従来のバイオ燃料電池においても、筐体に燃料溶液注入口が設けられている（例えば、特許文献１，２参照。）。例えば、特許文献１には金属筐体を使用したボタン電池や筒型の電池が、また、特許文献２にはプラスチック製の筐体を使用したキューブ型の電池が提案されており、いずれも筐体の上面に燃料溶液注入口が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８２５８６号公報
【特許文献２】特開２００９−０４８８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来のバイオ燃料電池は、燃料溶液注入口の位置が判りにくいことがあり、その場合、燃料溶液を誤って注入するなどの誤使用の虞がある。特に、子供や視覚障害者が使用する場合に、誤使用の危険性が高い。
【０００７】
そこで、本発明は、誤使用が起こりにくい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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた１又は複数の電池部と、該電池部を収容する容器と、を有し、前記容器には前記電池部内に燃料溶液を注入するための燃料溶液注入口が設けられており、少なくとも燃料溶液注入時には前記燃料溶液注入口が一定方向に向く構成となっている。
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。
本発明においては、燃料溶液注入口が一方向を向くようにしたため、子供や視覚障害者であっても燃料溶液注入口の位置が認識しやすい。その結果、燃料溶液注入時の誤使用を防止することが可能となる。
この燃料電池では、前記容器の底部が曲面で構成されていてもよい。
その場合、重心は中心よりも下側に設定されていることが望ましい。
また、前記容器の底部に磁石が取り付けられており、磁力により位置決めされる構成としてもよい。
更に、前記容器が載置される載置台を有し、該載置台の少なくとも前記容器が載置される部分に磁石が取り付けられており、磁力により位置決めされる構成とすることもできる。
更にまた、前記燃料溶液注入口に、少なくとも燃料溶液の漏出を防止する弁が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料溶液注入口が一方向を向くようにしたため、子供や視覚障害者であっても燃料溶液注入口の位置が認識しやすくなり、誤使用を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池の外形を模式的に示す側面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図２】燃料溶液３の注入後に燃料溶液注入口２を封止する方法を示す模式図である。
【図３】誤飲を防止する他の方法を示す概念図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のバイオ燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】酵素を使用した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】
【００１１】
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の実施の形態
（底面が曲面で形成されているバイオ燃料電池の例）
２．第２の実施の形態
（底面に磁石が取り付けられたバイオ燃料電池の例）
【００１２】
＜１．第１の実施の形態＞
［全体構成］
先ず、本発明の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池について説明する。図１（ａ）は本実施形態のバイオ燃料電池の外形を模式的に示す側面図であり、図１（ｂ）は平面図である。本実施形態のバイオ燃料電池１０では、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた１又は複数の電池部が容器１に収容されている。また、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、容器１は、底面が曲面で形成されており、例えば上面に電池部内に燃料溶液３を注入するための燃料溶液注入口２が設けられている。
【００１３】
［電池部］
電池部は、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化されている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。
【００１４】
この構成の場合、アノードにおいては、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。一方、カソードにおいては、アノードからプロトン伝導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。
【００１５】
また、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れる酵素としては、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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酸素還元酵素としては、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。
【００２１】
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。
【００２２】
なお、電池部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。
【００２３】
［容器１，燃料溶液注入口２］
容器１は、底面が曲面で、電池部を収容可能な容積を有していればよく、その材質などは、特に限定されるものではないが、燃料電池の筐体という観点からは、漏水せず、かつ丈夫な材料で形成されていることが望ましい。そのような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。
【００２４】
また、本実施形態のバイオ燃料電池１０は、容器１の底面を曲面で形成することにより、燃料溶液注入口２が一定方向に向くようにしている。その際、バイオ燃料電池１０の重心が、中心よりも下側になるように、電池部などを配置することが望ましい。これにより、安定性が向上し、外力を加えない限り燃料溶液注入口２は一定方向（図２の場合は上側）を向き、また、外力を加えた場合でも、負荷がなくなれば元の位置に戻る（図２の場合は燃料溶液注入口２が上側を向く）。
【００２５】
一方、燃料溶液注入口２は、図１（ｂ）に示すような平面視で円形状の容器の場合は、上面に設けられている方が望ましいが、例えば、平面視で多角形状の容器などの場合は、側面に設けることもできる。また、燃料溶液注入口２には、注入した燃料溶液３の逆流を防止する逆止弁が設けられていることが望ましい。これにより、容器を横転させた場合でも、燃料溶液３が漏出することはなく、より安全な燃料電池を実現できる。
【００２６】
更に、燃料溶液注入口２には、前述した逆流防止弁に限らず、種々の機能をもたせることができる。図２（ａ）及び（ｂ）は、燃料溶液３の注入後に燃料溶液注入口２を封止する方法を示す模式図である。また、図３は誤飲を防止する他の方法を示す概念図である。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、燃料溶液注入口２を、燃料溶液３を一度注入すると、その後は注入も排出もできないような構造にしてもよい。
【００２７】
例えば、図２（ａ）に示す構造の場合、燃料溶液３を注入することにより封止弁４が燃料溶液注入口２を塞ぎ、更にその状態で固定される。また、図２（ｂ）に示す構造では、燃料溶液注入口２に蓋５が設けられており、この蓋５を閉めると、燃料溶液注入口２が壊れ、開かなくなるようになっている。このような構造を採用すると、バイオ燃料電池１０を繰り返し使用することはできなくなるが、燃料溶液３の誤注入に加えて、幼児による燃料溶液や発電済みの溶液の誤飲を防止することができる。
【００２８】
なお、幼児などによる誤飲防止には、前述した方法以外にも、例えば、図３に示すように、電池部内に、燃料溶液３と反応して、発電に影響がなくかつ不快なにおいや味を発生する物質６を入れておいたり、容器１自体に不快な味がする物質を塗布したりすることも有効である。
【００２９】
本実施形態のバイオ燃料電池１０においては、燃料溶液注入口２の形状は、特に限定されるものではないが、例えば燃料溶液が充填されたタンクなどを連結して燃料溶液を注入する場合は、その排出口が嵌合するような形状とすることが好ましい。これにより、誤使用を防止する効果を更に向上させることができる。具体的には、燃料溶液注入口の形状を、リンゴ、ぶどう、みかん及びバナナなどの果物の形状とし、燃料タンクの排出口をこれに嵌合する形状とすることにより、鍵と鍵穴の関係となるため、誤注入の危険性を大幅に低減することができる。特に、前述した果物の形状を採用した場合は、子供がより認識しやすくなるため、誤使用のリスク低減という観点において有用である。
【００３０】
［燃料溶液３］
燃料溶液３は、糖、アルコール、アルデヒド、脂質及びタンパク質などの燃料成分又はこれら燃料成分のうち少なくとも１種を含有する溶液である。本実施形態のバイオ燃料電池１で使用される燃料成分としては、例えば、グルコース、フルクトース、ソルボースなどの糖類、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などのアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、酢酸、蟻酸、ピルビン酸などの有機酸などが挙げられる。その他、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を燃料成分として使用することも可能である。
【００３１】
このように、本実施形態のバイオ燃料電池１０では、燃料溶液注入口２が一定方向を向く構成としているため、子供や視覚障害者でも、燃料溶液注入口２の位置を容易に認識することができる。これにより、燃料溶液３を誤った箇所に注入するリスクが低減する。また、バイオ燃料電池１０の燃料溶液３は、飲用も可能な危険性が低い溶液であるため、電池をこのような構成にすることで、子供や視覚障害者でも、安全にかつ確実に、燃料溶液３を注入することが可能となる。
【００３２】
更に、燃料溶液注入口２を果物などの子供にも理解できる形状にしたり、燃料溶液タンクが嵌合する形状としたりすることにより、誤注入の危険性をより低減することができる。更にまた、燃料溶液注入口２だけでなく、例えば、＋端子及び−端子の形状を、相互に嵌合する形状とすることより、誤って接続する事故を防止することが可能となる。
【００３３】
＜２．第２の実施の形態＞
［全体構成］
次に、本発明の第２の実施形態に係るバイオ燃料電池について説明する。図４は本実施形態のバイオ燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、図１に示す第１の実施形態の燃料電池１０の構成要素と同じものには、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池２０は、容器１の底部に磁石２１が取り付けられており、磁力によって燃料溶液注入口２が一定方向を向く構成となっている。この場合、金属材料で形成されている台や机などに置いて使用する場合は単体で使用可能であるが、例えばプラスチックや木材などのように磁力が作用しない材料で形成された台や机などに置いて使用する場合は、載置台２２を併用する必要がある。
【００３５】
［載置台２２］
載置台２２は、燃料溶液３を注入する際に、バイオ燃料電池２０を載置するものであり、その載置面が金属材料で形成されているか、又は、載置部に磁石が取り付けられている。これにより、バイオ燃料電池２０の底部に設けられた磁石２１の磁力が作用し、燃料溶液注入口２が一定方向を向くようになる。その結果、子供や視覚障害者でも、容易にかつ確実に、バイオ燃料電池２０に燃料溶液３を注入することが可能となる。
【００３６】
更に、載置台２２の載置部を凹状とし、バイオ燃料電池２０の下部が載置台２２に嵌合する構成とすることにより、燃料溶液注入口２の位置がより認識しやすくなる。これは、容器１が平面視で多角形状であり、燃料溶液注入口２が容器１の側面に設けられている場合に特に有効である。
【００３７】
このように、本実施形態のバイオ燃料電池２０では、磁力を利用しているため、どのような形状の容器であっても、燃料溶液注入口２の向きを、一定方向に保持することができる。これにより、燃料溶液注入口２の位置が認識しやすくなるため、燃料溶液３を誤った箇所に注入するリスクを低減することができる。
【００３８】
なお、図４には、底面が曲面で形成されている容器１を使用した場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、底面が平面で形成されているものや、底部が円錐状又は角錐状など種々の形状のものに適用することが可能である。
【００３９】
また、本実施形態のバイオ燃料電池２０では、容器１の底部だけでなく、内側面にも磁石を取り付け、その磁力により電池同士を引き寄せて、＋端子と−端子とを接続する構成としてもよい。これにより、＋極及び−極の認識が困難な幼児でも、複数の電池を直列に接続することが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１  容器
２  燃料溶液注入口
３  燃料溶液
４  封止弁
５  蓋
６  物質
１０、２０  バイオ燃料電池
２１  磁石
２２  載置台
【図１】
2011238501.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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