(57)【要約】【課題】本発明においては、還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類を燃料液として用い、従来の金属触媒を用いた発電装置と比較して高出力かつ経時安定性に優れたバイオ燃料発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】イオン交換膜５を介して設けられた一対の触媒電極３を備え、アノード３ａ側の前記触媒電極３において、燃料液中の物質を触媒によって酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置１において、前記触媒は、少なくとも２つの金属元素の化合物からなり、アノード３ａ側の前記触媒電極３は、担持体としてのカーボン粒子に前記触媒が担持された触媒担持体を有していることを特徴とするバイオ燃料発電装置１。【選択図】  図１
2019079762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜を介して設けられた一対の触媒電極を備え、
アノードに設けられた金属触媒によって、燃料液中の物質を酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置において、
アノードに設けられた金属触媒は、少なくとも２種類の金属元素からなり、
アノードの表面に対して、０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ２の前記金属触媒がカーボン粒子からなる担持体に担持された触媒担持体の状態で設けられていることを特徴とするバイオ燃料発電装置。
【請求項２】
前記触媒担持体には、アイオノマーが式１から算出されるＩ／Ｃ比＝０．１〜０．２の比率で含まれていることを特徴とする請求項１に記載のバイオ燃料発電装置。
［式１］
Ｉ／Ｃ比＝［アイオノマー質量］／「カーボン粒子質量」
【請求項３】
前記燃料液には、全量に対して０．４〜０．６Ｍの濃度でグルコースが含まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバイオ燃料発電装置。
【請求項４】
前記燃料液には、さらに、全量に対して０．４Ｍ以上の濃度で電解質が含まれていることを特徴とする請求項３に記載のバイオ燃料発電装置。
【請求項５】
５５℃〜７５℃に加熱保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のバイオ燃料発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料液中のグルコースなどを金属触媒によって酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、東日本大震災の影響により日本国内においては原子力発電による発電量が劇的に減少し、それを補う形で火力発電への依存度が増大して、化石燃料の枯渇と二酸化炭素の過剰排出が問題視されている。
【０００３】
これに伴って、化石燃料を使用せず、より二酸化炭素の排出量が少なく、安定して電力供給が可能な発電システムへの移行が急務となっている。
【０００４】
この問題を解決する方法の１つとして、燃料がほぼ無尽蔵であり、二酸化炭素の排出がゼロであるバイオ発電が着目されている。
【０００５】
バイオ発電は、植物などから得られるグルコースやアルコール類を燃料とする発電方式である。グルコースやアルコール類などを燃料とするバイオ発電においては、当該燃料を触媒によって酸化させた際に生じる電子を取り出す方式である。当該触媒としては、酵素のようなタンパク質触媒と金属触媒が上げられる。
【０００６】
酵素のようなタンパク質触媒を用いたバイオ発電システムは、非特許文献１に記載されているように、非常に穏やかに反応が生じるために環境負荷が極めて小さい。しかしながら、得られる最大出力密度が０．０２〜０．２ｍＷ／ｃｍ２程度と非常に低出力である。
【０００７】
これに対して、金属触媒を用いたバイオ発電システムは、タンパク質触媒と比較すると、非特許文献２〜５に記載されているように、得られる最大出力密度が０．７〜２．４ｍＷ／ｃｍ２と１０倍程度の出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ｈａｂｒｉｏｕｘ他４名、“Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｄｓｏｒｂｅｄ  ｂｉｌｉｒｕｂｉｎ  ｏｘｉｄａｓｅ  ｏｎ  ＶｕｌｃａｎＸＣ７２Ｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｂｉｏｃａｔｈｏｄｅ  ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｇｌｕｃｏｓｅ／Ｏ２  ｂｉｏｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ”、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ、２０１０、５５、ｐ．７７０１−７７０５
【非特許文献２】Ａ．ｈａｂｒｉｏｕｘ他５名、“Ａｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｌａｔｉｎｕｍ−Ｇｏｌｄ  Ａｌｌｏｙｓ  ｆｏｒ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｂｉｏｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ”、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、２００７、１１１、ｐ．１０３２９−１０３３３
【非特許文献３】ＤｅｂｉｋａＢａｓｕ他１名、“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｏｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｔ−Ａｕ／Ｃ  ｃａｔａｌｙｓｔ  ｆｏｒ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｄｉｒｅｃｔ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ”、ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＨＹＤＲＯＧＥＮ  ＥＮＥＲＧＹ、２０１１、３６、ｐ．１４９２３−１４９２９
【非特許文献４】ＤｅｂｉｋａＢａｓｕ他１名、“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｌａｔｉｎｕｍ  ｂａｓｅｄ  ｂｉ−ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｆｏｒ  ｄｉｒｅｃｔ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ａｌｋａｌｉｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ”、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ、２０１１、５６、ｐ．６１０６−６１１３
【非特許文献５】ＤｅｂｉｋａＢａｓｕ他２名、“Ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  Ｐｔ−Ａｕ／Ｃ  ａｎｄ  Ｐｔ−Ｂｉ／Ｃ  ａｎｏｄｅ  ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｉｎ  ｂａｔｃｈ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｄｉｒｅｃｔ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ａｌｋａｌｉｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ”、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ、２０１３、２２８、ｐ．８６７−８７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の金属触媒を用いたバイオ発電においても未だ実用化へはほど遠く、さらなる出力増大が望まれている。
【００１０】
本発明者等は、金属触媒を用いた発電装置について鋭意研究を行い、特願２０１６−１２０８４８号にて開示しているように、アノード側の触媒電極に対してカーボン粒子に触媒を担持させた触媒担持体を用いることで開回路電圧０．９９Ｖ、最大出力密度１３ｍＷ／ｃｍ２を実現したバイオ燃料発電装置の発明を完成させている。
【００１１】
そこで、本発明においては、前述のバイオ燃料発電装置について、さらなる出力の増大を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するべく、本発明の第１の態様のバイオ燃料発電装置は、イオン交換膜を介して設けられた一対の触媒電極を備え、アノードに設けられた触媒によって、燃料液中の物質を酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置において、アノードに設けられた触媒は、少なくとも２種類の金属元素からなり、アノードの表面に対して、０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ２の前記触媒がカーボン粒子からなる担持体に担持された触媒担持体の状態で設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様のバイオ燃料発電装置は、第１の態様における前記触媒担持体には、アイオノマーが式１で算出されるＩ／Ｃ比＝０．１〜０．２の比率で含まれていることを特徴とする。
［式１］
Ｉ／Ｃ比＝［アイオノマー質量］／「カーボン粒子質量」
【００１４】
本発明の第３の態様のバイオ燃料発電装置は、第１の態様または第２の態様における前記燃料液には、全量に対して０．４〜０．６Ｍの濃度でグルコースが含まれていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の態様のバイオ燃料発電装置は、第１の態様乃至第３の態様における前記燃料液には、さらに、全量に対して０．４Ｍ以上の濃度で電解質が含まれていることを特徴とする。
【００１６】
第１の態様乃至第４の態様において、本発明の第５の態様のバイオ燃料発電装置は、５５℃〜７５℃に加熱保持されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のバイオ燃料発電装置によれば、従来と比較して高い出力を実現した環境に優しい発電装置を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】発電の原理を示した模式図
【図２】本発明のバイオ燃料発電装置の分解斜視図
【図３】触媒電極の製造方法を示す模式図
【図４】本発明のバイオ燃料発電装置における触媒塗布量と出力との関係を示すグラフ
【図５】本発明のバイオ燃料発電装置におけるアイオノマー量と出力との関係を示すグラフ
【図６】本発明のバイオ燃料発電装置における燃料液中のグルコース濃度の出力特性を評価した結果を表し、（ａ）は電流−出力特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）における各サンプルの最高出力密度値を示すグラフである
【図７】本発明のバイオ燃料発電装置における燃料液中の電解質濃度の出力特性を評価した結果を表し、（ａ）は電流−出力特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）における各サンプルの最高出力密度値を示すグラフである
【図８】本発明のバイオ燃料発電装置における発電温度の出力特性を評価した結果を表し、（ａ）は電流−出力特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）における各サンプルの最高出力密度値を示すグラフである
【図９】本発明のバイオ燃料発電装置の実施例における電流−電圧特性および電流−出力特性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明のバイオ燃料発電装置の具体的な実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００２０】
まずは、本発明のバイオ燃料発電装置に採用している発電の原理を図１を用いて簡単に説明する。燃料とする物質には、グルコースを用いて説明を行う。発電のシステムは、図１に示すように、金属触媒を設けたアノード３ａおよびカソード３ｂが配置されている。ここで、アノード３ａおよびカソード３ｂは図示を省略したイオン交換膜で隔てられている。アノード３ａはグルコースと電解質としてのＫＯＨとを溶解させた燃料液中に浸漬され、カソード３ｂは酸素ガス雰囲気中に配置されている。このような発電システムにおいては、アノード３ａに設けた金属触媒によってグルコースの酸化反応を促進させて、グルコン酸、２価のＨ＋および２価の電子を所定のスピードで発生させることができる。そして、イオン交換膜５を介してアノード３ａ側からカソード３ｂ側へ移動した前記２価のＨ＋に酸素ガスを接触させるとともに、前記２価の電子を消費する反応によって、当該アノード３ａからカソード３ｂへと電子を移動させて電流を生じさせて発電を行う。なお、燃料液中には、電解質としてＫＯＨ以外にＮａＯＨを添加してもよい。
【００２１】
アノード３ａおよびカソード３ｂの金属触媒は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｒｈ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ａｇ，Ｗ，Ｍｎなどの遷移金属およびその酸化物から少なくとも１種類を選択して用いることが好ましい。
【００２２】
このとき、アノード３ａの金属触媒は、前述の遷移金属から少なくとも２種類の金属元素を選択して構成することで高い出力を実現することができる。
【００２３】
アノード３ａの金属触媒は、ＰｔおよびＡｕから構成することで優れた出力を得ることができる。この時、ＰｔおよびＡｕのモル比は、Ｐｔ：Ａｕ＝１：３〜４（モル比）であることが好ましい。上記範囲のモル比とされたＰｔおよびＡｕからなる金属触媒を用いることにより、経時安定性に優れたバイオ燃料発電装置を提供することができる。このとき、ＰｔとＡｕとは合金であることが好ましい。以降、ＰｔＡｕ合金を単にＰｔＡｕと称する。ＰｔＡｕは、Ａｕの比率が上記範囲よりも少ないとＰｔＡｕの被毒率が高くなる。ＰｔＡｕは、被毒すると触媒作用が低下して燃料となる物質の酸化促進作用を失い、その結果、バイオ燃料発電装置の発電機能が失われてしまう。この時、カソード３ｂは、Ｐｔを用いることが好ましい。
【００２４】
また、アノード３ａは、前述の金属触媒に加えて結着剤としてのアイオノマーおよび担持体としてのカーボン粒子を備え、アノード３ａの表面に対して０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ２の金属触媒が、カーボン粒子に担持された触媒担持体の状態でアイオノマーによって当該アノード３ａの基材に固着されていることが重要である。
【００２５】
アイオノマーは、以下の式１から算出されるＩ／Ｃ比＝０．１〜０．２の比率で触媒担持体中に含まれていることが重要である。これにより、バイオ燃料発電装置１の出力を増大させることができる。なお、アイオノマーは、金属イオンによる凝集力を利用し高分子を凝集体とした合成樹脂のことであり、電極基材と金属触媒を結着させる結着剤としての役割や、電極基材への電子の導電性を向上させる役割を有する。アイオノマーとしては、エチレン系アイオノマー、スチレン系アイオノマー、ウレタン系アイオノマー、フッ素樹脂系アイオノマーおよびフッ素系アイオノマーなどから選択して用いることができる。以降の実施形態および実施例においては、フッ素樹脂系アイオノマーであるナフィオン（登録商標）（主鎖：パーフルオロカーボン、側鎖：スルホン酸基）を用いて説明する。
［式１］
Ｉ／Ｃ比＝［アイオノマー質量］／「カーボン粒子質量」
【００２６】
さらに、触媒担持体には、親水性高分子化合物からなる触媒安定化剤が含まれていることが重要である。親水性高分子化合物としては、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、ポリアクリル酸、ポリスルホン酸などから選択して用いることができる。
【００２７】
特に、触媒安定化剤は、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を用いることが好ましい。ＰＶＰは、触媒担持体中において金属触媒の合計モル数の１倍以下のモノマー数の含有量とすることで優れた出力を得ることができる。これは、触媒安定化剤の濃度が高くなると、金属触媒粒子の表面を触媒安定化剤が密に覆い、当該金属触媒粒子の疎水性が低下することにより、同じく疎水性表面を有するカーボン粒子への金属触媒粒子の吸着の原動力が失われるためであると考えられる。
【００２８】
本発明のバイオ燃料発電装置においては、燃料とする物質として、グルコースなどの還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類を用いる。発電時には、これらの燃料および電解質を溶解させた水溶液を燃料液として用いる。
【００２９】
燃料をグルコースとした場合には、燃料液の全量に対して０．４〜０．６Ｍの濃度でグルコースが含まれていることが好ましい。
【００３０】
還元糖としては、アルドース（グルコース、アロース、アルトロース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、エリトロース、トレオース、グリセルアルデヒド、イノシトール）、ケトース（ヘプツロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、リブロース、キシルロース、エリトルロース、ジヒドロキシアセトン）、二糖（スクロース、ラクトース、ラクツロース、トレハロース、セロビオース、ゲンチオビオース）などが挙げられる。
【００３１】
アルデヒド基を有する物質としては、アクリルアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトアルデヒド＝エチレンアセタール、アセトアルデヒド＝オキシム、アセトアルデヒド＝ジメチルアセタール、アセトアルデヒド＝セミカルバゾン、アセトアルデヒド＝ｐ−ニトロフェニルヒドラゾン、アセトアルデヒド＝フェニルヒドラゾン、ｏ−アニスアルデヒド、ｐ−アニスアルデヒド、１−アミノエタノール、ｍ−アミノベンズアルデヒド、ｏ−アミノベンズアルデヒド、ｐ−アミノベンズアルデヒド、イソバニリン、イソバレルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド酸、イソブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド＝オキシム、ｐ−イソプロピルベンズアルデヒド、オクタナール、オピアン酸、グリコールアルデヒド、グリセルアルデヒド、グルタルアルデヒド、クロトンアルデヒド、クロラール、クロロアセトアルデヒド、ｍ−クロロベンズアルデヒド、ｏ−クロロベンズアルデヒド、ｐ−クロロベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、サリチルアルデヒド＝オキシム、１，１−ジエトキシエタン、３，３−ジエトキシプロペン、ジクロロアセトアルデヒド、１，１−ジクロロ−２，２−ジエトキシエタン、２，４−ジニトロベンズアルデヒド、２，３−ジヒドロキシベンズアルデヒド、２，４−ジヒドロキシベンズアルデヒド、２，５−ジヒドロキシベンズアルデヒド、３，４−ジヒドロキシベンズアルデヒド、ｐ−（ジメチルアミノ）ベンズアルデヒド、２，３−ジメトキシベンズアルデヒド、２，４−ジメトキシベンズアルデヒド、２，５−ジメトキシベンズアルデヒド、３，４−ジメトキシベンズアルデヒド
シリンガアルデヒド、シンナムアルデヒド、スクシンアルデヒド、α−チオアセトアルデヒド（三量体）、β−チオアセトアルデヒド（三量体）、α−チオベンズアルデヒド（三量体）、β−チオベンズアルデヒド（三量体）、デカナール、テレフタルアルデヒド、テレフタルアルデヒド酸、２，２，３−トリクロロブチルアルデヒド、１，３，５−トリチアン、トリブロモアセトアルデヒド、ｍ−トルアルデヒド、ｏ−トルアルデヒド、ｐ−トルアルデヒド、１−ナフトアルデヒド、２−ナフトアルデヒド、ｍ−ニトロベンズアルデヒド、ｏ−ニトロベンズアルデヒド、ｐ−ニトロベンズアルデヒド、ニトロホルムアルデヒド＝オキシム、ノナナール、バニリン
パラアルデヒド、パラホルムアルデヒド、バレルアルデヒド、ビス（ヒドロキシイミノ）アセトン、ビス（メチルチオ）メタン、ヒドロキシイミノアセトン、１−ヒドロキシ−２−ナフトアルデヒド、２−ヒドロキシ−１−ナフトアルデヒド、４−ヒドロキシ−１−ナフトアルデヒド、ｍ−ヒドロキシベンズアルデヒド、ｐ−ヒドロキシベンズアルデヒド、５−ヒドロキシメチル−２−フルアルデヒド、ピバルアルデヒド、ピペロナール、２−ピリジンカルバルデヒド、ピルビンアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、フタルアルデヒド、フタルアルデヒド酸、２−ブチナール、ブチルアルデヒド、ブチルアルデヒド＝オキシム、２−フルアルデヒド、プロピオルアルデヒド、プロピオンアルデヒド、２−ブロモアクリルアルデヒド、ヘキサナール、ヘプタナール、ペリラアルデヒド、ベンズアルデヒド、（Ｚ，Ｚ）−ベンズアルデヒドアジン、（Ｅ）−ベンズアルデヒド＝オキシム、（Ｚ）−ベンズアルデヒド＝オキシム、ベンズアルデヒド＝ヒドラゾン、ベンズアルデヒド＝フェニルヒドラゾン、ベンゾイルアセトアルデヒド、ｏ−ホルミルベンゼンスルホン酸、ホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド＝オキシム、ホルムアルデヒド＝ジエチルアセタール、ホルムアルデヒド＝ジメチルアセタール、マレアルデヒド、マロンアルデヒド、マンデロニトリル、メタクリルアルデヒド、（Ｅ）−２−メチル−２−ブテナール、５−メチル−２−フルアルデヒド、ラクトアルデヒド、ラクトアルデヒド二量体、レブリンアルデヒドなどが挙げられる。
【００３２】
アルコール類としては、ｐ−アニシルアルコール、１−アミノエタノール、ｏ−アミノベンジルアルコール、ｐ−アミノベンジルアルコール、アリルアルコール、イソブチルアルコール、ｐ−イソプロピルベンジルアルコール、イソペンチルアルコール、１−ウンデカノール、エタノール、１−オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、ｐ−クロロベンジルアルコール、コニフェリルアルコール、サリチルアルコール、
３，３−ジメチル−２−ブタノール、２，２−ジメチル−１−プロパノール、シンナミルアルコール、１−デカノール、１−テトラデカノール、テトラヒドロフルフリルアルコール、１−ドデカノール、１−トリデカノール、ｍ−トリルメタノール、ｏ−トリルメタノール、ｐ−トリルメタノール、ｍ−ニトロベンジルアルコール、ｏ−ニトロベンジルアルコール、ｐ−ニトロベンジルアルコール、１−ノナノール、バニリルアルコール、ｍ−ヒドロキシベンジルアルコール、ｐ−ヒドロキシベンジルアルコール、４−ヒドロキシ−４−メチル−２−ペンタノン、ピペロニルアルコール、フェナシルアルコール、１−フェニルエタノール、２−フェニルエタノール、(−)−α−フェンキルアルコール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブチルアルコール、ｔｒａｎｓ−２−ブテン−１−オール、フルフリルアルコール、１−プロパノール、２−プロパノール、２−プロピン−１−オール、１−ヘキサコサノール、１−ヘキサデカノール、１−ヘキサノール、１−ヘプタデカノール、１−ヘプタノール、ベンジルアルコール、１−ペンタデカノール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、ｔ−ペンチルアルコール、メタノール、２−メチル−１−ブタノールなどが挙げられる。
【００３３】
電解質としては、ＫＯＨやＮａＯＨを用いることができる。電解質をＫＯＨとした場合には、燃料液の全量に対して０．４Ｍ以上の濃度で含まれていることが好ましい。より好ましくは、燃料液の全量に対して０．４〜２．４Ｍの濃度でＫＯＨを含有させることである。
【００３４】
本発明のバイオ燃料発電装置１の具体的な実施形態について、図２を用いて説明する。本発明のバイオ燃料発電装置１の実施形態は、図２に示すように、外枠２ａ，２ｂ、一対の触媒電極３（アノード３ａ，カソード３ｂ）、イオン交換膜５、集電板６ａ，６ｂ、セパレータ７ａ，７ｂ、シリコンガスケット９ａ，９ｂおよびテフロンガスケット１０ａ，１０ｂを備える（テフロンガスケットの「テフロン」は登録商標である。以降、この説明は省略する。）。そして、バイオ燃料発電装置１は、燃料液をアノード３ａに設けられた金属触媒に接触させることで燃料液中の物質の酸化を促進させて電子を発生させるとともに、イオン交換膜５を透過してアノード３ａからカソード３ｂに移動したＨ＋をＯ２と接触させて化学反応を生じさせて電子を消費することで、電子の流れを形成して発電を行う装置である。
【００３５】
外枠２ａ，２ｂは、絶縁材料からなることが好ましい。これにより、燃料液を介した漏電の発生を防止することができる。絶縁材料としては、射出成形の容易さ（寸法安定性）、耐熱性、耐アルカリ性に優れている材料を選択することが好ましい。具体的には、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、ガラス繊維強化ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ガラス繊維強化ＡＢＳ、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどが挙げられる。特に、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどは圧縮強さに優れているため、ボルトとナットのように互いの間に挟み込んだ対象を圧縮しながら固定する形態の固定部材を用いた場合においても圧縮変形が生じずに長期間使用することができる。
【００３６】
一対の触媒電極３（アノード３ａ、カソード３ｂ）の基材は、導電性を有し、さらに燃料液を表面側から裏面側に透過可能なメッシュ構造を有しているカーボンクロスなどを用いることが好ましい。そして、触媒電極３は、前記基材上に、金属触媒が担持体としてのカーボン粒子に担持された触媒担持体の状態で固着されている。
【００３７】
前述したように、アノード３ａは、カーボンクロスからなる基材に対して、担持体としてのカーボン粒子、金属触媒、アイオノマーおよび触媒安定化剤を含む触媒担持体が固着した構成とされている。そして、この触媒担持体は、以下の（１）〜（５）の構成の全てを満たすことが好ましい。
（１）金属触媒としてＰｔ：Ａｕ＝１：３〜４（モル比）とされた合金からなるＰｔＡｕ触媒を用いる
（２）金属触媒が基材面上に０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ２の量で存在する
（３）触媒安定化剤としてポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を用いる
（４）ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）が金属触媒の合計モル数の１倍以下のモノマー数で含まれる
（５）アイオノマーが以下の式１から算出されるＩ／Ｃ比＝０．１〜０．２の比率で含まれる
［式１］
Ｉ／Ｃ比＝［アイオノマー質量］／「カーボン粒子質量」
【００３８】
このような一対の触媒電極３（アノード３ａ、カソード３ｂ）は、図２に示すように、イオン交換膜５を間に介して配置されている。イオン交換膜５としては、陽イオン交換膜を用いることが重要である。アノード３ａの酸化反応においては負電荷を帯びた物質が生成されるため、陰イオン交換膜は、当該負電荷を帯びた物質を引き寄せて保持してしまうためイオン交換膜としての役目を果たさない。具体例を挙げて説明すると、グルコースを燃料とした場合、アノード３ａにおいて負電荷を帯びたグルコン酸が生じる。本来、グルコン酸はイオン交換膜５を介してカソード３ｂへ移動するはずであるが、イオン交換膜５として陰イオン交換膜を採用すると、当該グルコン酸が陰イオン交換膜に凝着し、グルコン酸の移動を妨げてしまう。したがって、イオン交換膜５としては、陽イオン交換膜を用いることが重要である。
【００３９】
そして、アノード３ａおよびカソード３ｂの外側には、カーボン材または金属材からなるセパレータ７ａ，７ｂが設けられている。セパレータ７ａのアノード３ａ側の表面には、燃料液を流すための矩形波状の流路溝４が形成されており、セパレータ７ｂのカソード３ｂ側の表面には、酸素ガスを流すための矩形波状のガス流路溝８が形成されている。また、セパレータ７ａ，７ｂには、当該流路溝４およびガス流路溝８に対して外部に設けられた燃料貯留部ＴおよびガスタンクＧからそれぞれ燃料液および酸素ガスを流入するための導入部４ａ，８ａおよび当該流路溝４およびガス流路溝８を通過した燃料液および酸素ガスを排出するための排出部４ｂおよびガス導出部１４が形成されている。なお、本実施形態においては、流路溝４の形状について、矩形波状に形成された態様を用いて説明しているが、これに限定するものではなく、例えば、渦巻き状、複数の縦筋状または横筋状などの形状を採用してもよい。また、導入部４ａおよび排出部４ｂについても、それぞれ複数個設ける態様としてもよい。
【００４０】
イオン交換膜５とセパレータ７ａとの間であってアノード３ａの外側には、当該セパレータ７ａに形成された流路溝４の外周部を囲う形状とされたシリコンガスケット９ａが設けられている。さらに、当該シリコンガスケット９ａとセパレータ７ａとの間には、シリコンガスケット９ａと同型に形成されたテフロンガスケット１０ａが設けられている。２種類の材質からなるガスケットを併用することによって高い液密性を実現することができる。シリコンガスケット９ａおよびテフロンガスケット１０ａは、流路溝４内を流れる燃料液が当該流路溝４外に液漏れすることを防いでいる。また、当該シリコンガスケット９ａおよびテフロンガスケット１０ａは、流路溝４に対してアノード３ａの配置位置を位置決めするための開口部を有しており、イオン交換膜５とセパレータ７ａとの間において当該開口部にアノード３ａを嵌め込んだ状態で配置される。
【００４１】
同様に、イオン交換膜５とセパレータ７ｂとの間には、当該セパレータ７ｂに形成されたガス流路溝８の外周部を囲う形状とされたシリコンガスケット９ｂが設けられている。当該シリコンガスケット９ｂとセパレータ７ｂとの間には、シリコンガスケット９ｂと同型に形成されたテフロンガスケット１０ｂが設けられている。２種類の材質からなるガスケットを併用することによって高い気密性を実現している。シリコンガスケット９ｂおよびテフロンガスケット１０ｂは、ガス流路溝８内を流れる酸素ガスがガス流路溝８外にガス漏れすることを防いでいる。また、当該シリコンガスケット９ｂおよびテフロンガスケット１０ｂは、ガス流路溝８に対してカソード３ｂの配置位置を位置決めするための開口部を有しており、イオン交換膜５とセパレータ７ｂとの間において当該開口部にカソード３ｂを嵌め込んだ状態で配置される。
【００４２】
セパレータ７ａの外側には、アノード３ａにおいて発生した電子を集めるための集電板６ａが設けられている。そして、セパレータ７ｂの外側には、前記集電板６ａにおいて回収した電子をカソード３ｂに対して供給するための集電板６ｂが配置されている。集電板６ａ，６ｂは、電気伝導性に優れた素材からなることが好ましく、本実施形態においては、金メッキを施した銅板を用いている。集電板６ａ，６ｂには、電子を導出または導入するための引き出し部がそれぞれ形成されている。アノード３ａ側に設けられた集電板６ａの引き出し部からは電子が導出され、カソード３ｂ側に設けられた集電板６ｂの引き出し部からは電子が導入される。
【００４３】
集電板６ａ，６ｂの外側には、固定部材を挿通させるための貫通孔が厚さ方向に複数個形成された一対の外枠２ａ，２ｂが設けられている。このような一対の外枠２ａ，２ｂ間においては、外枠２ａ側から、集電板６ａ、セパレータ７ａ、テフロンガスケット１０ａ、シリコンガスケット９ａの開口部に嵌め込まれたアノード３ａ、イオン交換膜５、シリコンガスケット９ｂの開口部に嵌め込まれたカソード３ｂ、シリコンガスケット９ｂ、テフロンガスケット１０ｂ、セパレータ７ｂ、集電板６ｂの順で各部材が配置される。そして、一対の外枠２ａ，２ｂにそれぞれ形成された複数の貫通孔に対してボルトなどの固定部材を挿通し、他方からナットを係合させることにより、外枠２ａ，２ｂ間に各部材を挟持し、各部材を固定保持する。
【００４４】
外枠２ａ、集電板６ａ，６ｂ、セパレータ７ａ，７ｂ、シリコンガスケット９ａ，９ｂおよびテフロンガスケット１０ａ，１０ｂには、図２に示すように、燃料貯留部Ｔからセパレータ７ａの流路溝４に燃料液を流入する導入部４ａに対して、当該燃料液を導入するための燃料導入部１１が形成されている。燃料導入部１１は、外枠２ａおよび集電板６ａに形成された貫通孔１１ａを備え、当該貫通孔に対して燃料貯留部Ｔから引き出された燃料液輸送用のチューブなどを挿入し固定部１１ｂによって固定する構成とされている。なお、当該チューブは、絶縁性の素材からなることが好ましい。
【００４５】
また、外枠２ａ、集電板６ａ，６ｂ、セパレータ７ａ，７ｂ、シリコンガスケット９ａ，９ｂおよびテフロンガスケット１０ａ，１０ｂには、ガスタンクＧからセパレータ７ｂのガス流路溝８に酸素ガスを流入する導入部８ａに対して、当該酸素ガスを導入するためのガス導入部１２が形成されている。ガス導入部１２は、外枠２ａ、集電板６ａ、セパレータ７ａ，７ｂ、シリコンガスケット９ａ，９ｂおよびテフロンガスケット１０ａ，１０ｂに形成された貫通孔１２ａを備え、当該貫通孔１２ａに対してガスタンクＧから引き出されたガス輸送用のチューブなどを挿入し固定部１２ｂによって固定する構成とされている。なお、当該チューブは、絶縁性の素材からなることが好ましい。
【００４６】
シリコンガスケット９ａ，９ｂ、テフロンガスケット１０ａ，１０ｂ、セパレータ７ａ，７ｂ、集電板６ａ，６ｂおよび外枠２ｂには、図２に示すように、セパレータ７ａの流路溝４の排出部４ｂから流出した使用済みの燃料液およびセパレータ７ｂのガス流路溝８の流出口から流出した使用済みの酸素ガスをそれぞれ外部へ導出するための燃料導出部１３およびガス導出部１４が形成されている。燃料導出部１３およびガス導出部１４は、シリコンガスケット９ａ，９ｂ、テフロンガスケット１０ａ，１０ｂ、セパレータ７ｂ、集電板６ｂおよび外枠２ｂに形成された貫通孔１３ａ，１４ａをそれぞれ備えており、当該貫通孔１３ａ，１４ａに流れ込んだ使用済みの燃料液および酸素ガスを外枠２ｂから外部へ導出する構成とされている。
【００４７】
なお、本発明のバイオ燃料発電装置１は、最も基本的な構成を用いて説明したものであり、実用的には、集電板６ａ，６ｂ間において、セパレータ７ａ，７ｂ、シリコンガスケット９ａ，９ｂ、テフロンガスケット１０ａ，１０ｂ、アノード３ａ、カソード３ｂおよびイオン交換膜５とからなる１セットを複数個連ねた（スタックした）構成として用いる。連ねる（スタックする）個数は、必要な発電量に応じて適宜調整することができる。
【００４８】
また、本発明のバイオ燃料発電装置１においては、図２に示すように、外枠２ａと集電板６ａおよび集電板６ｂと外枠２ｂとの間に、液密性を向上させるためのシリコンガスケットをそれぞれ設ける構成としてもよい。
【００４９】
上述の実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置１においては、図２に示すように、燃料としてのグルコースと電解質としてのＫＯＨとを含む燃料液が貯留されている燃料貯留部Ｔから燃料輸送用のチューブを介して燃料導入部１１からアノード３ａが隣接しているセパレータ７ａに形成された流路溝４内に燃料液を導入されている。さらに、酸素ガスが充填されたガスタンクＧからガス輸送用のチューブを介してガス導入部１２からカソード３ｂが隣接しているセパレータ７ｂに形成されたガス流路溝８内に酸素ガスを導入する。アノード３ａに接触した燃料液中のグルコースが酸化されて発生した電子が集電板６ａを通してバイオ燃料発電装置１に接続された図示を省略した機器へと導出される。さらに、当該バイオ燃料発電装置１に接続された機器を介して集電板６ｂに対して導入された電子がカソード３ｂ側へ流れることにより発電を行う。
【００５０】
発電を行うに際し、バイオ燃料発電装置１は以下の（６）〜（８）を満たしていることが好ましい。（６）〜（８）を全て満たしていることにより、効率のよい発電を実現し高い出力を得ることができる。
（６）燃料液の全量に対して０．４〜０．６Ｍの濃度でグルコースが含まれている
（７）燃料液の全量に対して０．４〜２．４Ｍの濃度で電解質としてのＫＯＨが含まれている
（８）バイオ燃料発電装置１が５５℃〜７５℃に加熱保持されている
【００５１】
このような、上述した実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置１によれば、従来のバイオ燃料発電装置と比較して、さらに高い出力を実現することを可能とする。
【００５２】
ここで、アノード３ａの詳しい製造方法について図３を用いて説明する。アノード３ａの製造方法は、図３に示すように、紙面上において左側から右側の工程へと順に進められる。具体的には、まずは、触媒安定化剤としてのＰＶＰ水溶液中にＨＡｕＣｌ４を添加してＰＶＰ構造中に塩化Ａｕイオンを結合させて錯体を形成する。次いで、Ｈ２ＰｔＣｌ６を水溶液中に添加してＰＶＰ構造中に塩化Ｐｔイオンを結合させて錯体を形成する。当該水溶液中に対して、還元剤としてのＮａＢＨ４を短時間で多量に添加することにより、ＰｔＡｕの合金ナノ粒子を形成する。そして、担持体としてのカーボン粒子を当該水溶液中に投入し、ＰｔＡｕの合金ナノ粒子を疎水的な力で吸着させて触媒担持体を形成させた後、ろ過および乾燥を行って触媒担持体を得る。得られた触媒担持体を、結着剤としてのアイオノマー（ナフィオン（登録商標））を添加したエタノール水溶液中に分散させて、カーボンクロスに塗布することによって触媒電極３のアノード３ａを得ることができる。
【００５３】
なお、還元剤としては、ＮａＢＨ４の他にも、ヒドラジン、クエン酸、アスコルビン酸、エタノールなどを用いることができる。
【００５４】
アノード３ａに用いる触媒担持体の具体的な調製方法について説明する。なお、ＰｔＡｕ触媒は、Ｐｔ：Ａｕ＝１：４（モル比）とし、基材面上に２．０ｍｇ／ｃｍ２の量で存在可能な添加量とする。ＰＶＰは、ＰｔおよびＡｕのモル濃度に対して１倍とする。アイオノマー（ナフィオン（登録商標））は、上記の式１から算出されるＩ／Ｃ比＝０．２とした。まず、下記の各溶液Ａ〜Ｃを調製した。次に、上記の溶液Ａ６．０ｍＬ、溶液Ｂ１．５ｍＬ、溶液Ｃ３．０ｍＬおよび水１３６．５ｍＬを混合し、３０分間室温にて磁気撹拌を行った。ここで、溶液Ｄの調製を行った。溶液（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋水）を激しく撹拌しながら、調製直後の溶液Ｄ３．０ｍＬを添加し、さらに３０分間撹拌を続けた。撹拌を止めた後、溶液（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋水＋Ｄ）に炭素粉末（一次粒子径３４ｎｍ、一次粒子数１１０×１０１５個／ｇ、ライオン社製）２９．０ｍｇを添加した懸濁液をさらに１２時間室温で磁気撹拌した。最後に、当該懸濁液を減圧濾過し、多量の水で洗浄した後、１２０℃で２時間乾燥させて触媒担持体を得た。
＜溶液Ａ＞
４ｍＭテトラクロロ金（ＩＩＩ）酸水溶液
テトラクロロ金（ＩＩＩ）酸四水和物（ＨＡｕＣｌ４・４Ｈ２Ｏ）１６．５ｍｇを水１０ｍＬに溶解した。
＜溶液Ｂ＞
４ｍＭヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸水溶液
ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸六水和物（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ）２０．７ｍｇを水１０ｍＬに溶解した。
＜溶液Ｃ＞
１０ｍＭポリ（Ｎ−ビニル−２−ピロリドン）（ＰＶＰ）水溶液
ポリ（Ｎ−ビニル−２−ピロリドン）１１．１ｍｇを水１０ｍＬに溶解した。
＜溶液Ｄ＞
１００ｍＭ水素化ホウ素ナトリウム水溶液
水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）３７．８ｍｇを水１０ｍＬに溶解した。
【００５５】
＜触媒塗布量の検討＞
触媒塗布量が出力へ及ぼす影響について検討を行った。触媒塗布量は、カーボンクロスに対して、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０、５．０ｍｇ／ｃｍ２となるように調整したアノード３ａ（ＰｔＡｕ４／ＫＢ６００、塗布面積９ｃｍ２）を用いた。発電時は、アノード３ａ側に０．２Ｍ濃度のグルコース水溶液に１．０Ｍ濃度のＫＯＨを１０ｍＬ／ｍｉｎ混合した燃料液を用い、カソード３ｂ側に水蒸気を２Ｌ／ｍｉｎ循環させて行った。得られた結果を図４に示す。
【００５６】
図４に示すように、触媒塗布量が０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ２までは塗布量の増加に伴い出力密度値が上昇した。塗布量が３．０〜５．０ｍｇ／ｃｍ２においては、出力密度値が低下した。これは、触媒塗布量の増加に伴いカーボンクロスに含浸できなかった触媒が積層して、燃料液に接触する面積の低下や、積層した触媒の剥離などが原因であると考えられる。
【００５７】
＜触媒担持体の検討＞
アノード３ａに用いる触媒担持体について、アイオノマー量について検討した。アイオノマー量は、上記の式１から算出されるＩ／Ｃ比＝０．１、０．２、０．４、０．８、１．６について検討した。また、本検討においては、Ｐｔ：Ａｕ＝１：４（モル比）、触媒担持体の調製時におけるＰＶＰ濃度をＰｔおよびＡｕのモル濃度に対して１倍、触媒担持体の塗布面積９ｃｍ２および触媒塗布量を２．０ｍｇ／ｃｍ２としたアノード３ａを用いた。なお、触媒担持体は、上記の方法によって調製した。発電時は、アノード３ａ側に０．２Ｍ濃度のグルコース水溶液に１．０Ｍ濃度のＫＯＨを１０ｍＬ／ｍｉｎ混合した燃料液を用い、カソード３ｂ側に水蒸気を２Ｌ／ｍｉｎ循環させて行った。得られた結果を図５に示す。
【００５８】
図５に示すように、Ｉ／Ｃ比＝０．２において最も高い出力密度値を示した。これ以外のＩ／Ｃ比においては、出力密度値が低下した。これは、アイオノマー量が増加するに従って、触媒粒子の表面がアイオノマーに被覆されて燃料であるグルコースとの接触面積が減少したためであると考えられる。この結果から、Ｉ／Ｃ比＝０．１〜０．２が好ましいことが明らかとなった。
【００５９】
＜燃料濃度の検討＞
燃料液のグルコース濃度について検討した。グルコース濃度は、燃料液の全量に対して０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、２．０Ｍとした。それぞれに１．０Ｍ濃度のＫＯＨを混合した燃料液を調製し、常温下で発電させた際の電流−出力特性を評価した。発電時は、アノード３ａ側において前記燃料液を１０ｃｃ／ｍｉｎで循環させ、カソード３ｂ側において水蒸気を２Ｌ／ｍｉｎ循環させた。得られた結果を図６（ａ）および（ｂ）に示す。
【００６０】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、グルコース濃度が０．４Ｍおよび０．６Ｍのときに最も高い出力値を示し、最高出力密度値も最大であった。グルコース濃度０．８Ｍ以上においては、最大出力密度が低くなることが明らかとなった。これは、グルコース濃度の上昇に伴って燃料液の粘度が高くなり流動性が低下して、触媒表面におけるグルコースの吸脱着の進行が鈍くなったためであると考えられる。この結果から、燃料液中のグルコース濃度は、燃料液の全量に対して０．４〜０．６Ｍの濃度が好ましいことが明らかとなった。
【００６１】
＜電解質濃度の検討＞
燃料液の電解質の濃度について検討した。電解質としてはＫＯＨを用いた。ＫＯＨ濃度は、燃料液の全量に対して０．４、０．８、１．６、２．４、３．２、４．０、８．０Ｍとした。グルコース濃度を燃料液の全量に対して０．４Ｍとした燃料液に対して、それぞれ各ＫＯＨを添加した燃料液を調製し、常温下において発電させた際の電流−出力特性を評価した。発電時は、アノード３ａ側において前記燃料液を１０ｃｃ／ｍｉｎで循環させ、カソード３ｂ側において水蒸気を２Ｌ／ｍｉｎ循環させた。得られた結果を図７（ａ）および（ｂ）に示す。
【００６２】
図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＫＯＨ濃度が０．４〜２．４ＭまではＫＯＨ濃度の増加に伴って大きく最大出力密度値が上昇した。ＫＯＨ濃度が２．４〜４．０Ｍの範囲においては、ＫＯＨ濃度の増加に伴って最大出力密度値の上昇が認められるものの、大きな変化は確認されなかった。一方、ＫＯＨ濃度８．０Ｍにおいては、最大出力密度値が低下することが分かった。これは、ＫＯＨ濃度４．０〜８．０Ｍの範囲内において、燃料液中のアルカリが過多となり、グルコースの異性化やカラメル化が促進されて、変性したグルコースが酸化反応を阻害して出力が低下したと考えられる。この結果から、燃料液中のＫＯＨ濃度は、燃料液の全量に対して０．４Ｍ以上が好ましく、特に、ＫＯＨ濃度０．４〜２．４Ｍの範囲内の濃度が好ましいことが明らかとなった。
【００６３】
＜発電温度の検討＞
本発明のバイオ燃料発電装置１における最適な発電温度について検討した。発電温度は、常温、４５、５５、６５、７５℃とした。バイオ燃料発電装置１を各発電温度に加熱して発電させた際の電流−出力特性を評価した。発電時は、アノード３ａ側において全量に対して０．４Ｍのグルコースおよび２．４ＭのＫＯＨを含む燃料液を１０ｃｃ／ｍｉｎで循環させ、カソード３ｂ側において水蒸気を２Ｌ／ｍｉｎ循環させた。得られた結果を図８（ａ）および（ｂ）に示す。
【００６４】
図８（ａ）および（ｂ）に示すように、常温〜５５℃までは、発電温度の上昇に伴って最高出力密度値も大きく上昇した。発電温度５５℃以上においては、最高出力密度がほぼ一定であった。この結果から、発電温度は、５５〜７５℃の範囲内が最適であることが明らかとなった。
【００６５】
＜実施例＞
以下に、本発明のバイオ燃料発電装置１の最適な構成の実施例について説明する。本実施例においては、図２に示す態様のバイオ燃料発電装置１を用いた。条件は以下に示す。本実施例における電流−電圧特性および電流−出力特性を図９に示す。
【００６６】
（条件）
アノード３ａ：ＰｔＡｕ触媒（Ｐｔ：Ａｕ＝１：４）
カソード３ｂ：Ｐｔ触媒
基材面積：９ｃｍ２
触媒塗布量：アノード３ａ基材面積に対して２．０ｍｇ／ｃｍ２
ＰＶＰ濃度：ＰｔおよびＡｕの合計モル数の１倍
アイオノマー量：Ｉ／Ｃ比＝０．２（式１から算出）
グルコース濃度（アノード３ａ）：燃料液全量に対して０．４Ｍ
ＫＯＨ濃度：燃料液全量（アノード３ａ）に対して２．４Ｍ
燃料液流量（アノード３ａ）：１０ｃｃ／ｍｉｎ
水蒸気流量（カソード３ｂ）：２Ｌ／ｍｉｎ
発電温度：５５℃
【００６７】
図９に示すように、上記条件のバイオ燃料発電装置１においては、開回路電圧０．９Ｖ、最高出力密度値７１．４ｍＷ／ｃｍ２であった。本実施例の最高出力密度値は、本発明者等が特願２０１６−１２０８４８号の実施例２において開示する１３ｍＷ／ｃｍ２を大きく上回り、従来の態様のバイオ燃料発電装置と比較して約５倍の出力であった。この結果から、本発明のバイオ燃料発電装置１の態様とすることにより、従来のバイオ燃料発電装置と比較してより高い出力を得られることが明らかとなった。
【００６８】
＜バイオ燃料発電システム＞
以下に、本発明のバイオ燃料発電装置１の応用的な態様として、本発明のバイオ燃料発電装置１を用いた低環境負荷かつ安定的なバイオ燃料発電システムについて説明する。
【００６９】
本発明者等は、特開２０１５−１１６１８３号に開示しているように、草食性の動物の排泄物からグルコースを製造することに成功している。簡単に説明すると、草食性の動物の排泄物には当該動物の消化作用によってある程度、細かく分解されたセルロースが存在しており、当該排泄物中のセルロースをさらに粉砕した後、セルロース分解酵素によってセルロースを分解することによってグルコースを得るものである。この草食性の動物の排泄物は、この地球上に常に莫大量が存在し、そもそも廃棄物であるので極めて安価で入手することが可能である。また、間伐材などを出発原料としたバイオ燃料と比較して、気候の変動などに左右されず、極めて安定的に出発原料を得ることができる。
【００７０】
この他にも、ブナシメジ、エリンギ、エノキダケなどのキノコの菌床栽培時に発生する使用済みの廃培地からグルコースを製造することが考えられる。簡単に説明すると、キノコを栽培した後に発生する廃菌床を粉砕した後、セルロース分解酵素によって当該廃菌床に含まれるセルロースを分解することによってグルコース得るものである。ここで、キノコの廃培地とは、基材と栄養材とから構成される菌床に菌糸を植えて３０〜１２０日でキノコを収穫した後、廃棄された菌床のことである。菌床の基材にはおがくず（針葉樹、広葉樹など）、トウモロコシの芯を粉砕したコーンコブまたは豆殻などが用いられており、栄養剤には米ぬか、小麦ぬか（フスマ）またはトウモロコシなどが用いられている。乾燥させた廃培地には、基材に起因するセルロース、ヘミセルロース、リグニンおよび灰分、菌に起因するタンパク質、脂質および炭水化物などが含まれており、構成成分の殆どがセルロースなどの糖類からなる。このため、安定的に得ることができるキノコの廃培地は、継続的にグルコースを製造するための出発原料として最適である。
【００７１】
本発明のバイオ燃料発電装置１を応用したバイオ燃料発電システムにおいては、燃料液として前述の草食性の動物の排泄物から製造されたグルコースまたはキノコの廃培地から製造されたグルコースを用いることを特徴とする。このバイオ燃料発電システムにおいては、安定的に安価な燃料液の供給を可能とし、低環境負荷かつ半永久的に継続可能な発電システムを提供することを可能とする。
【００７２】
本発明のバイオ燃料発電装置１は、上記の実施形態および実施例に限定するものではなく、発明の特徴を損なわない範囲において、種々の変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  バイオ燃料発電装置
２ａ，２ｂ  外枠
３  触媒電極
３ａ  アノード
３ｂ  カソード
４  流路溝
４ａ  導入部
４ｂ  排出部
５  イオン交換膜
６ａ，６ｂ  集電板
７ａ，７ｂ  セパレータ
８  ガス流路溝
８ａ  導入部
９ａ，９ｂ  シリコンガスケット
１０ａ，１０ｂ  テフロンガスケット
１１  燃料導入部
１１ａ  貫通孔
１１ｂ  固定部
１２  ガス導入部
１２ａ  貫通孔
１２ｂ  固定部
１３  燃料導出部
１３ａ  貫通孔
１４  ガス導出部
１４ａ  貫通孔
Ｔ  燃料貯留部
Ｇ  ガスタンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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