(57)【要約】【課題】簡単な構造で電極面積を大きくして出力向上を図る。【解決手段】光合成機能を持つ生物を使用して発電するバイオセル装置１であり、光を透過可能なセル本体２にイオン交換膜１１を介して光合成機能を持つ生物の電解液を貯留した負極電解液槽１２と正極電解液槽１３とを区画して設け、負極電解液槽１２に負極布電極１４を配置し、正極電解液槽１３に正極布電極１５を配置し、負極布電極１４及び正極布電極１５の両端に導線保持板１６，１７と２０，２１を取り付け、この導線保持板１６，１７と２０，２１をセル本体２に保持し、負極布電極１４の導線保持板１６に負極導線２４を取り付け、正極布電極１５の導線保持板２０に正極導線２５を取り付けている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成機能を持つ生物を使用して発電するバイオセル装置であり、
光を透過可能なセル本体にイオン交換膜を介して前記光合成機能を持つ生物の電解液を貯留した負極電解液槽と正極電解液槽とを区画して設け、
前記負極電解液槽に負極布電極を配置し、前記正極電解液槽に正極布電極を配置し、
前記負極布電極及び前記正極布電極の両端に導線保持板を取り付け、この導線保持板を前記セル本体に保持し、
前記負極布電極の導線保持板に負極導線を取り付け、前記正極布電極の導線保持板に正極導線を取り付けたことを特徴とするバイオセル装置。
【請求項２】
前記負極電解液槽に窒素ガスを噴出して前記電解液を撹拌する攪拌手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオセル装置。
【請求項３】
前記攪拌手段は、前記負極電解液槽に沿って前記セル本体に配置される窒素ガス室と、この窒素ガス室から窒素ガスを噴出する前記セル本体に等間隔で形成された複数の小孔とを有することを特徴とする請求項２に記載のバイオセル装置。
【請求項４】
前記セル本体に、前記負極電解液槽及び前記正極電解液槽を囲む環状シール部材を二重に設け、さらに前記負極電解液槽と前記窒素ガス室とを仕切る位置に仕切りシール部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のバイオセル装置。
【請求項５】
前記生物電解液の電子伝達剤としてＨＮＱ−ＳＯ３Ｋを用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項に記載のバイオセル装置。
【請求項６】
前記負極布電極及び前記正極布電極をプリーツ状としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のバイオセル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光合成機能を持つ生物を使用して発電するバイオセル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光合成機能を持つ生物として、例えば藻類または藍藻が行なっている光合成を利用して、太陽エネルギーを電子伝達剤を介して直接電気エネルギーに変換するものがある。
【０００３】
この光合成生物電池では、図６に示すように溶液１００中に藻１０１と電子伝達剤１０２を共存させる。そして光をあてて藻１０１に光合成を行なわせ、水の分解によって発生した電子を電子伝達剤１０２を用いて直接取り出すことによって太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００４】
この光合成生物電池のバイオセル装置として、図７に示すようなものがある。このバイオセル装置は、光を透過可能なセル本体１１０，１１１をイオン交換膜１１２の両側にシール材１１３，１１４を介して接合し、イオン交換膜１１２によって区画された負極電解液槽１１５と正極電解液槽１１６とを設け、負極電解液槽１１５に電極１１７を配置し、正極電解液槽１１６に正極電極１１８を配置したものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなバイオセル装置では、電極面積が少なく溶存酸素あるいは光合成によって発生した酸素による電子伝達剤の再酸化を防ぐために、負極電解液に窒素ガスを吹き込みながら運転しているが、発電量が多くなくて所定の出力を得ることができなかった。
【０００６】
この発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で電極面積を大きくして出力向上を図ることが可能なバイオセル装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、光合成機能を持つ生物を使用して発電するバイオセル装置であり、
光を透過可能なセル本体にイオン交換膜を介して前記光合成機能を持つ生物の電解液を貯留した負極電解液槽と正極電解液槽とを区画して設け、
前記負極電解液槽に負極布電極を配置し、前記正極電解液槽に正極布電極を配置し、
前記負極布電極及び前記正極布電極の両端に導線保持板を取り付け、この導線保持板を前記セル本体に保持し、
前記負極布電極の導線保持板に負極導線を取り付け、前記正極布電極の導線保持板に正極導線を取り付けたことを特徴とするバイオセル装置である。
【０００９】
この請求項１に記載の発明によれば、負極布電極及び正極布電極の両端に導線保持板を取り付け、この導線保持板をセル本体に保持することで、負極布電極及び正極布電極を平らにし、しかも端部のほつれもなく簡単かつ確実に取り付けることができる。また、簡単な構造で電極面積を大きくすることができ、発電量を多くして出力向上を図ることが可能である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記負極電解液槽に窒素ガスを噴出して前記電解液を撹拌する攪拌手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオセル装置である。
【００１１】
この請求項２に記載の発明によれば、負極電解液槽に窒素ガスを噴出して生物電解液を撹拌することで、溶存酸素あるいは光合成によって発生した酸素による再酸化を防ぐことができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記攪拌手段は、前記負極電解液槽に沿って前記セル本体に配置される窒素ガス室と、この窒素ガス室から窒素ガスを噴出する前記セル本体に等間隔で形成された複数の小孔とを有することを特徴とする請求項２に記載のバイオセル装置である。
【００１３】
この請求項３に記載の発明によれば、窒素ガス室から窒素ガスを均等に噴出することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記セル本体に、前記負極電解液槽及び前記正極電解液槽を囲む環状シール部材を二重に設け、さらに前記負極電解液槽と前記窒素ガス室とを仕切る位置に仕切りシール部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のバイオセル装置である。
【００１５】
この請求項４に記載の発明によれば、負極電解液槽と正極電解液槽とからの液漏れ、さらに窒素ガスの漏れを簡単かつ確実に防止することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、前記生物電解液の電子伝達剤としてＨＮＱ−ＳＯ３Ｋを用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項に記載のバイオセル装置である。
【００１７】
この請求項５に記載の発明によれば、電子伝達剤としてＨＮＱ−ＳＯ３Ｋを用いることで、発電量を多くすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、前記負極布電極及び前記正極布電極をプリーツ状としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のバイオセル装置である。
【００１９】
この請求項６に記載の発明によれば、前記負極布電極及び前記正極布電極をプリーツ状としたことで、負極布電極及び正極布電極がコンパクトで、しかも表面積が拡大し、発電量を多くすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のバイオセル装置の実施の形態を図面に基づいて説明するが、この発明は、この実施の形態に限定されない。
【００２１】
図１はバイオセル装置の正面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３はバイオセル装置の上部の拡大断面図、図４はバイオセル装置の下部の拡大断面図、図５はイオン交換膜、負極布電極及び正極布電極の斜視図である。
【００２２】
この実施の形態のバイオセル装置１は、光合成機能を持つ生物として、例えば藻類または藍藻等を使用して発電し、光を透過可能なセル本体２は、一対の透明アクリル板３，４を一対の枠体５，６を間に挟んでボルト７とナット８により締付固定され、さらに一対の透明アクリル板３，４がベースプレート９にボルト１０によって締付固定されている。
【００２３】
このセル本体２には、枠体５，６の間にイオン交換膜１１を挟み、このイオン交換膜１１によって負極電解液槽１２と正極電解液槽１３とを区画している。
【００２４】
負極電解液槽１２には、負極布電極１４を配置し、正極電解液槽１３には正極布電極１５を配置している。負極布電極１４及び正極布電極１５は、例えばカーボン繊維の布を用いることができる。
【００２５】
この負極布電極１４の上下の両端には、導線保持板１６，１７を取り付け、この導線保持板１６，１７をビス１８，１９により枠体５に取り付ける。また、正極布電極１５の上下の両端には、導線保持板２０，２１を取り付け、この導線保持板２０，２１をビス２２，２３により枠体６に取り付ける。
【００２６】
負極布電極１２の導線保持板１６には、負極導線２４を取り付け、正極布電極１３の導線保持板２０には、正極導線２５を取り付けている。
【００２７】
導線保持板１６，１７、負極導線２４及び正極導線２５は、白金を用いているが、耐腐食の導電性部材であればよく、例えば耐腐食を増すために導電性部材にメッキを施したり、導電性部材として導電性樹脂を用いることができる。
【００２８】
このように、負極布電極１２の両端に導線保持板１６，１７を取り付け、正極布電極１３の両端に導線保持板２０，２１を取り付け、接続枠５，６を介してセル本体２に保持することで、負極布電極１２及び正極布電極１３を平らにし、しかも端部のほつれもなく簡単かつ確実に取り付けることができる。また、簡単な構造で電極面積を大きくすることができ、発電量を多くして出力向上を図ることが可能である。
【００２９】
この負極布電極１２及び正極布電極１３は、図５（ａ）に示すように、平面状に形成しているが、図５（ｂ）に示すように、プリーツ状としてもよい。プリーツ状としては、例えば蛇腹状、あるいは波状等でもよく、表面積を増すことができる形状であればよい。負極布電極１２及び正極布電極１３をプリーツ状とすることで、負極布電極１２及び正極布電極１２がコンパクトで、しかも表面積がより拡大し、発電量を多くすることができる。
【００３０】
セル本体２の枠体５には、負極電解液槽１２の下部に負極電解液を供給する供給通路３０が形成され、上部に負極電解液を排出する排出通路３１が形成され、負極電解液を負極電解液槽１２に循環させるようになっている。
【００３１】
また、枠体６には、正極電解液槽１３の下部に正極電解液を供給する供給通路３２が形成され、上部に正極電解液を排出する排出通路３３が形成され、正極電解液を正極電解液槽１３に循環させるようになっている。
【００３２】
また、このセル本体２には、負極電解液槽１２に窒素ガスを噴出して生物電解液を撹拌する攪拌手段４０が備えられ、この攪拌手段４０は、枠体５に形成された窒素ガス供給通路４１と、この窒素ガス供給通路４１と連通して負極電解液槽１２の下部に沿って枠体５に形成された窒素ガス室４２と、この窒素ガス室４２から窒素ガスを噴出する枠体５に等間隔で形成された複数の小孔４３、負極電解液槽１２の上部に枠体５に形成された窒素ガス排出通路４４とを有する。
【００３３】
セル本体２の上方から窒素ガスが窒素ガス供給通路４１を通って下方の窒素ガス室４２に供給され、この窒素ガス室４２から窒素ガスが複数の小孔４３によって均等に負極電解液槽１２の下部に噴出することができる。この窒素ガスの噴出によって負極電解液槽１２に生じる窒素ガスの泡は、負極電解液中を上方に浮き上がって窒素ガス排出通路４４から排出される。
【００３４】
このように、負極電解液槽１２に窒素ガスを噴出して生物電解液の負極電解液を撹拌することで、溶存酸素あるいは光合成によって発生した酸素による再酸化を防ぐことができる。
【００３５】
また、この実施の形態のセル本体２には、透明アクリル板３と枠体５との間には、環状シール部材５０，５１が二重に設けられ、また透明アクリル板４と枠体６との間には、環状シール部材５２，５３が二重に設けられ、さらに枠体５と枠体６との間には環状シール部材５４，５５が二重に設けられている。環状シール部材５０、環状シール部材５２、環状シール部材５４には、負極電解液槽１２と窒素ガス室４２とを仕切る仕切りシール部材５６，５７，５８が連結して設けられている。
【００３６】
このように、負極電解液槽１２及び正極電解液槽１３を囲む環状シール部材５０，５２，５４を二重に設け、さらに負極電解液槽１２と窒素ガス室４２とを仕切る位置に仕切りシール部材５６，５７，５８を設けることで、負極電解液槽１２と正極電解液槽１３とからの液漏れ、さらに窒素ガスの漏れを簡単かつ確実に防止することができる。
［実施例］
図１及び図２のバイオセル装置を試作し、光合成機能を持つ生物としてシネココッカスを用いて、その発電特性を調べた。また、出力向上を目的として、電子伝達剤を変えて３種類の実験を行った。
１．実験方法
シネココッカスを偏平培養管にて培養し、遠心分離機にて５０００ｒｐｍ×３０分の条件で沈降させ、上澄み液を捨て、藻を分離した。
【００３７】
分離した藻を燐酸バッファー液に分散させ、大型セル１台あたりＯ．８Ｌ量とした。このときのクロロフィル濃度を測定し、濃縮後濃度とした。今回は３０ｍｇ／Ｌのクロロフィル濃度を目標として調整した。
２．バイオセル装置の仕様
電極面積：２５ｃｍ×３２ｃｍ＝８００ｃｍ２
電極材質：カーボン繊維平織り（日本カーボン製ＧＦ−２０）
極間膜：イオン交換膜（旭硝子製セレミオンＣＭＶ）
電極導線：白金線φ０．５（田中貴金属製）
セル本体：透明アクリル板（新居精機製）
表１にバイオセル装置の大きさを比較して示す。
表１
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３．電解液
電解液として燐酸バッファー液を用い、１台あたり２Ｌを作った。負極液として０．８Ｌ、正極液として０．８Ｌを使った。
【００３８】
負極液には燐酸バッファー液にシネココッカス３０ｍｇ／ＬとｌｍＭ／Ｌの電子伝達剤を添加した。
【００３９】
正極液には燐酸バッファー液にＯ．１２Ｍ／ＬのＫ３〔Ｆｅ（ＣＮ）６］を加えて調整した。
４．電子伝達剤
キノン類の中で酸化還元電位のそれより低いもの２種を選んでテストに供した。それぞれの１ｍＭ／Ｌ溶液のＥＣ，ＰＨ，ＯＲＰの測定値を表２に示す。
表２
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５．光源
シネココッカスを入れた負極側から４０Ｗａｔｔ蛍光燈２本×２組を３０ｃｍの距離から照射した。測定中は常時照射しつづけた。
６．負極液の撹拌
シネココッカスを入れた負極液のみに窒素ガスをバブリングし、負極液の撹拌を行った。
７．測定
大型セル２台を直列に結線し、その出力電圧を測定し、自動記録した。
【００４０】
大型セル１台での開放電圧は、およそ０．７５Ｖ、２台を直列につなぐと１．５Ｖの開放電圧を示した。
【００４１】
負極液と正極液をセル本体に入れた後、電子伝達剤を負極液に添加すると電圧は急上昇した。その後、窒素ガス撹拌を続けると電圧は徐々に上昇した。電圧が上昇し続けて、ピーク電圧に達したところで負荷をかけ、その電圧降下を測定した。
【００４２】
負荷としては抵抗を用い、１５ｋΩ、４ｋΩ、２ｋΩ、ｌｋΩを接続し、それぞれの下限値を読み取り、もとの電圧値との差を電圧降下とした。
【００４３】
結果を表３に示した。
表３
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実験に供した３種類の電子伝達剤の中では、ＨＮＱ−ＳＯ３Ｋ（１，４−Ｎａｐｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ−２−ｓｕｌｆｏｎｉｃ　ａｃｉｄ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｓａｌｔ）が一番優れている。負荷抵抗を掛けた時の電圧降下が一番少ない。
【００４４】
藻の濃度を上げて、７０ｍｇ／Ｌのクロロフィル濃度にして試験をすると、電圧降下は一番少なく、良い特性を示した。したがって、バイオセル装置の性能向上策としてほ、藻濃度を上げ、電子伝達剤としてＨＮＱ一ＳＯ３Ｋを使うのが良いる。
【００４５】
【発明の効果】
前記したように、請求項１に記載の発明では、負極布電極及び正極布電極の両端に導線保持板を取り付け、この導線保持板をセル本体に保持することで、負極布電極及び正極布電極を平らにし、しかも端部のほつれもなく簡単かつ確実に取り付けることができる。また、簡単な構造で電極面積を大きくすることができ、発電量を多くして出力向上を図ることが可能である。
【００４６】
請求項２に記載の発明では、負極電解液槽に窒素ガスを噴出して生物電解液を撹拌することで、溶存酸素あるいは光合成によって発生した酸素による再酸化を防ぐことができる。
【００４７】
請求項３に記載の発明では、窒素ガス室から窒素ガスを均等に噴出することができる。
【００４８】
請求項４に記載の発明では、負極電解液槽と正極電解液槽とからの液漏れ、さらに窒素ガスの漏れを簡単かつ確実に防止することができる。
【００４９】
請求項５に記載の発明では、電子伝達剤としてＨＮＱ−ＳＯ３Ｋを用いることで、発電量を多くすることができる。
【００５０】
請求項６に記載の発明では、負極布電極及び正極布電極をプリーツ状としたことで、負極布電極及び正極布電極がコンパクトで、しかも表面積が拡大し、発電量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオセル装置の正面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】バイオセル装置の上部の拡大断面図である。
【図４】バイオセル装置の下部の拡大断面図である。
【図５】イオン交換膜、負極布電極及び正極布電極の斜視図である。
【図６】光合成生物電池のアノード溶液における反応を示す図である。
【図７】従来のバイオセル装置を示す図である。
【符号の説明】
１　バイオセル装置
２　セル本体
１１　イオン交換膜
１２　負極電解液槽
１３　正極電解液槽
１４　負極布電極
１５　正極布電極
１６，１７，２０，２１　導線保持板
２４　負極導線
２５　正極導線
【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】
2004031112.tif 000011
【図７】
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