(57)【要約】【課題】糖を酸化する際に生成される有機酸による糖の酸化効率の低下を防止し、発電効率を向上する。【解決手段】糖を含む電解質からなる糖燃料水溶液Ａを収容可能な燃料室２と、該燃料室２内に配置され、糖燃料水溶液Ａに接触させられて糖を酸化させるアノード３と、燃料室２に、アノード３に糖燃料水溶液Ａまたは固体電解質を挟んで隣接配置され、酸素を還元するカソード４と、アノード３における糖の酸化により発生する有機酸を吸着する吸着部材６ｂとを備える糖−空気燃料電池１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】
糖を含む電解質からなる糖燃料水溶液を収容可能な燃料室と、
該燃料室内に配置され、前記糖燃料水溶液に接触させられて糖を酸化させるアノードと、
前記燃料室に、前記アノードに前記糖燃料水溶液または固体電解質を挟んで隣接配置され、酸素を還元するカソードと、
前記アノードにおける前記糖の酸化により発生する有機酸を吸着する吸着部材とを備える糖−空気燃料電池。
【請求項２】
前記燃料室内の前記糖燃料水溶液を前記燃料室外に流動させて循環させる循環流路を備え、
前記吸着部材が、前記循環流路の途中位置に配置されている請求項１に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項３】
前記吸着部材が前記循環流路に着脱可能に取り付けられている請求項２に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項４】
前記吸着部材に流通させる洗浄液を貯留する洗浄液容器と、前記吸着部材を流通した洗浄液を回収する回収容器とを有する請求項２に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項５】
前記吸着部材が、前記燃料室内に配置されている請求項１に記載の糖−空気燃料電池。
【請求項６】
前記吸着部材が、サイズ排除型の樹脂カラムからなる請求項１から請求項５のいずれかに記載の糖−空気燃料電池。
【請求項７】
前記吸着部材が、サイズ排除型の樹脂にイオン排除型の機能を付与した樹脂からなる請求項１から請求項５のいずれかに記載の糖−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、糖燃料水溶液を供給することにより、アノードにおける糖の酸化とカソードにおける酸素の還元とを同時に生じさせることにより発電を行う糖−空気燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９３９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の糖−燃料電池においては、アノード側において糖が酸化される際に生成される有機酸の濃度が高くなると、糖の濃度が相対的に低くなり、酸化反応の速度が低下するという不都合がある。また、糖燃料水溶液内に生成された有機酸が電離すると、溶液を酸性雰囲気へと近づけてしまうことになり、糖の酸化効率が低下することになる。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、糖を酸化する際に生成される有機酸による糖の酸化効率の低下を防止し、発電効率を向上することができる糖−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】
【０００６】
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、糖を含む電解質からなる糖燃料水溶液を収容した燃料室と、該燃料室内に配置され、前記糖燃料水溶液に接触させられて糖を酸化させるアノードと、前記燃料室に、前記アノードに前記糖燃料水溶液または固体電解質を挟んで隣接配置され、空気中の酸素を還元するカソードと、前記アノードにおける前記糖の酸化により発生する有機酸を吸着する吸着部材とを備える糖−空気燃料電池を提供する。
【０００７】
本発明によれば、燃料室内に収容された糖燃料水溶液がアノードに接触させられると、糖が酸化させられて電子を放出する。放出された電子は外部回路に流れて仕事を行い、カソード側に運ばれる。カソードにおいては、大気中の酸素がアノード側から運ばれてきた電子によって還元されて水酸化物イオンが発生する。発生した水酸化物イオンは、糖燃料水溶液または固体電解質を介してアノード側に移動し、アノードにおいては移動してきた水酸化物イオンと糖の酸化で発生した水素イオンとが反応して水が生成される。
【０００８】
この場合において、糖が酸化されると有機酸が生成されるが、生成された有機酸は、吸着部材に吸着され、糖燃料水溶液中の有機酸の濃度の増加が抑えられる。その結果、糖の酸化効率の低下が防止され、発電効率を向上することができる。
【０００９】
上記発明においては、前記燃料室内の前記糖燃料水溶液を前記燃料室外に流動させて循環させる循環流路を備え、前記吸着部材が、前記循環流路の途中位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、燃料室内における酸化反応により生成された有機酸を含んだ糖燃料水溶液が、循環流路を介して燃料室外に流動させられると、循環流路の途中位置に配置された吸着部材によって糖燃料水溶液内の有機酸が吸着され、有機酸の濃度が低下させられた糖燃料水溶液が循環流路を介して燃料室内に戻される。これにより、糖の酸化効率の低下を防止して、発電効率の向上を図ることができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記吸着部材が前記循環流路に着脱可能に取り付けられていてもよい。
このようにすることで、長時間使用することにより吸着能力が低下した吸着部材を循環流路から取り外して新たな吸着部材に交換することができ、これによって、長時間にわたり高い発電効率を維持することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記吸着部材に、該吸着部材に流通させる洗浄液を貯留する洗浄液容器と、該洗浄液容器から供給され前記吸着部材を流通した洗浄液を回収する回収容器とが接続されていてもよい。
このようにすることで、糖燃料水溶液を循環流路に循環させることにより有機酸を吸着した吸着部材に対して、洗浄液容器に貯留された洗浄液を流通させることにより、吸着した有機酸を押し流して回収容器に回収することができる。これにより、吸着部材の吸着能力を回復することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記吸着部材が、前記燃料室内に配置されていてもよい。
このようにすることで、糖の酸化により生成された有機酸は燃料室内に配置された吸着部材によって吸着されるので、燃料室内の有機酸の濃度の増加を抑制し、発電効率を維持することができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記吸着部材が、サイズ排除型の樹脂からなっていてもよい。
このようにすることで、サイズ排除型の樹脂によって、分子量の大きな糖分子は吸着されずに排出され、分子量の小さい有機酸が選択的に吸着される。これにより、糖燃料水溶液内の有機酸の濃度の増加を簡易に抑制することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記吸着部材が、サイズ排除型の樹脂にイオン排除型の機能を付与した樹脂からなっていてもよい。
このようにすることで、弱酸である有機酸は一部が電離すると電荷を帯びるので、イオン排除型の機能を付与した樹脂の作用により、樹脂穴内部に入り込み吸着力を増加させることができる。その結果、有機酸およびその電離したイオンを効率よく吸着して、糖燃料の酸化を抑制し、発電効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、糖を酸化する際に生成される有機酸による糖の酸化効率の低下を防止し、発電効率を向上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】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る糖−空気燃料電池を示す全体構成図である。
【図２】図１の糖−空気燃料電池に備えられた有機酸除去カラムに充填されているサイズ排除型の樹脂からなる吸着部材による有機酸の除去作用を説明する図である。
【図３】（ａ）図１の糖−空気燃料電池による反応時間と糖燃料水溶液内の糖および有機酸の濃度との関係、（ｂ）従来の糖−空気燃料電池の反応時間と濃度との関係をそれぞれ示す図である。
【図４】図１の糖−空気燃料電池の第１の変形例を示す図である。
【図５】図１の糖−空気燃料電池の第２の変形例を示す図である。
【図６】図１の糖−空気燃料電池の第３の変形例を示す図である。
【図７】図１の糖−空気燃料電池の第４の変形例を示す図である。
【図８】図２の吸着部材の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る糖−空気燃料電池１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１は、図１に示されるように、糖燃料水溶液Ａを収容した燃料室２と、該燃料室２内に配置されるアノード３と、該アノード３に対して間隔をあけて配置され燃料室２の一側面を構成するカソード４と、燃料室２に両端が接続され、燃料室２内の糖燃料水溶液Ａを燃料室２外に流動させて循環させる循環流路５と、該循環流路５の途中位置に配置された有機酸除去カラム６とを備えている。アノード３とカソード４とは燃料室２外に配置された外部回路７に接続されるようになっている。
【００１８】
循環流路５にはポンプ８が設けられ、燃料室２内の糖燃料水溶液Ａを吸引して循環流路５内に流動させ、燃料室２に強制的に戻すようになっている。
有機酸除去カラム６は、筒状の本体容器６ａ内にサイズ排除型の樹脂からなる吸着部材６ｂを充填して構成されている。サイズ排除型の樹脂（以下、樹脂６ｂとも言う。）は、糖分子より分子量の小さい分子を選択的に吸着する機能を有している。排除できる分子量としては蟻酸（４６．０２５）〜グルコン酸（１９６．０）の範囲が適している。
【００１９】
サイズ排除型の樹脂６ｂとしては、スチレン系の樹脂や超多孔質静ＰＥＩキトサン樹脂等の多孔質樹脂を挙げることができる。スチレン系の樹脂としては、例えば、昭和電工株式会社製Ｓｈｏｄｅｘ  Ｉｏｎｐａｋ  ＫＣ−８１１を挙げることができる。
これらの樹脂は疎水性を示すため、糖燃料水溶液Ａ中に溶解している糖は吸着し難く、通過させるようになっている。疎水性の高い有機酸は吸着されやすい。
【００２０】
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１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１を用いて発電を行うには、アノード３とカソード４との間に外部回路７を接続することにより、燃料室２内に収容された糖燃料水溶液Ａがアノード３に接触させられて、糖が酸化させられ、電子が放出される。
【００２１】
放出された電子は外部回路７に流れて仕事を行い、カソード４側に運ばれる。カソード４においては、大気中の酸素がアノード３側から運ばれてきた電子によって還元されて水酸化物イオンが発生する。
【００２２】
発生した水酸化物イオンは、糖燃料水溶液Ａを介してアノード３側に移動する。そして、アノード３においては、移動してきた水酸化物イオンと糖の酸化で発生した水素イオンとが反応して水が生成される。この反応が繰り返されることにより、発電が継続される。
【００２３】
この場合において、糖が酸化されると有機酸が生成される。
例えば、糖燃料がグルコースの場合、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、グリコール酸、乳酸、蟻酸および酢酸のような有機酸が生成される。したがって、ポンプ８を停止した状態では、燃料室２内の糖燃料水溶液Ａ内の有機酸の濃度は増加していくことになる。
【００２４】
そこで、ポンプ８を駆動して、燃料室２内の糖燃料水溶液Ａを循環流路５に流動させると、糖燃料水溶液Ａは、循環流路５の途中位置に配置されている有機酸除去カラム６を通過させられる。有機酸除去カラム６は、筒状の本体容器６ａ内に吸着部材６ｂを充填しているので、糖燃料水溶液Ａは吸着部材６ｂを通過させられる。
【００２５】
吸着部材６ｂは、サイズ排除型の樹脂により構成されているので、図２に示されるように、分子量の大きなグルコースＢは吸着されることなくそのまま通過し、グルコースＢより分子量の小さな分子は吸着される。グルコースＢの酸化により発生する有機酸Ｃは、いずれも、グルコースＢの分子より分子量が小さいので、吸着部材６ｂによって吸着されやすく有機酸除去カラム６内に捕獲される。
【００２６】
その結果、有機酸除去カラム６から排出される糖燃料水溶液Ａ内からは多くの有機酸が取り除かれており、有機酸の濃度の低い糖燃料水溶液Ａが燃料室２内に戻される。
すなわち、本実施形態に係る糖−空気燃料電池１によれば、図３（ａ）に示されるように、糖の酸化に伴って有機酸が生成されても、糖燃料水溶液Ａ内における有機酸が取り除かれることで、有機酸によって糖の酸化が阻害されることを防止することができる。
【００２７】
これに対して、有機酸を除去しない従来の燃料電池では、図３（ｂ）に示されるように、使用に伴って糖燃料水溶液Ａ内の有機酸の濃度が増加していき、糖の濃度が十分に高いにも拘わらず、糖のそれ以上の酸化が阻害されてしまうという不都合がある。
すなわち、本実施形態では、有機酸の濃度の低い糖燃料水溶液Ａを用いて発電を行うことにより、有機酸による糖の酸化効率の低下を防止して、高い発電効率で発電を行うことができるという利点がある。
【００２８】
なお、本実施形態に係る糖−空気燃料電池１によれば、図４に示されるように、有機酸除去カラム６の前後に、循環流路５を開閉可能なバルブ９，１０を配置するとともに、有機酸除去カラム６を循環流路５に着脱可能に取り付けておくことにしてもよい。
この場合、バルブ９，１０を開放し、ポンプ８を作動させて循環流路５に糖燃料水溶液Ａを流通させ、糖燃料水溶液Ａ中に含まれている有機酸を除去しつつ発電する動作を行うことにより、サイズ排除型の樹脂６ｂに十分な有機酸が吸着されたときには、ポンプ８を停止してバルブ９，１０を閉止し、有機酸除去カラム６を新たなものに交換する。これにより、有機酸除去カラム６による有機酸の吸着能力を回復させて、効率的な発電を継続することができる。
【００２９】
また、図５に示されるように、糖燃料水溶液Ａを下部から流入させて上部から流出させる有機酸除去カラム６の上部にバルブ１１を介して洗浄液容器１２を接続し、有機酸除去カラム６の下部にバルブ１３を介して有機酸除去カラム６からの廃液を回収する回収容器１４を接続してもよい。
【００３０】
洗浄液容器１２内には、洗浄液として例えば硫酸のような強酸を収容しておくことが好ましい。サイズ排除型の樹脂６ｂに十分な有機酸が吸着されたときには、ポンプ８を停止してバルブ９，１０を閉止し、これに代えてバルブ１１，１３を開放することにより、上部の洗浄液容器１２から洗浄液を有機酸除去カラム６内に供給し、樹脂６ｂに吸着されていた有機酸を樹脂６ｂから剥離させて下部の回収容器１４に排出することができる。これにより、有機酸除去カラム６による有機酸の除去能力を回復させて、長期間にわたり効率的な発電を継続することができるという利点がある。
【００３１】
また、サイズ排除型の樹脂６ｂを収容した有機酸除去カラム６を燃料室２の外部に配置することに代えて、図６に示されるように、サイズ排除型の樹脂６ｂ自体を燃料室２内に配置することにしてもよい。これによっても、樹脂６ｂ内に流通する糖燃料水溶液Ａから有機酸が除去され、発電効率の低下を防止することができる。
【００３２】
この場合に、燃料室２内に配置したサイズ排除型の樹脂６ｂを糖燃料水溶液Ａ内において移動させるモータ等の駆動手段（図示略）を備えることにしてもよい。これにより、糖燃料水溶液Ａを樹脂６ｂ内に強制的に流通させて、有機酸の除去効率を向上することができる。
【００３３】
また、糖燃料水溶液Ａを介して間隔をあけてアノード３とカソード４とを配置したが、これに代えて、図７に示されるように、アノード３とカソード４とをアニオン透過膜１５のような固体電解質膜を挟んで配置することにしてもよい。有機酸の発生により糖燃料水溶液Ａが酸性側に移行するとアニオン透過膜１５も性質が変化するので、有機酸除去カラム６を設置して、糖燃料水溶液の酸性化を抑制し、発電効率の低下を防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、有機酸の吸着部材６ｂとして、サイズ排除型の樹脂６ｂを採用したが、これに代えて、図８に示されるように、サイズ排除型の樹脂６ｂの表面を負の電荷Ｄを有する官能基により修飾することで、イオン排除型の機能を付加してもよい。官能基としては、例えば、スルホ基が挙げられる。このようにすることで、電離した有機酸Ｃ’を始めとする正の弱酸を吸着し易く、負電荷を持つ弱酸については、図８に示されるように、負の電荷Ｄとの間に発生する電気的な反発力によって、吸着状態に保持し易くすることができる。
【００３５】
サイズ排除型の樹脂６ｂにイオン排除型の機能を付加した吸着部材６ｂを使用して一定時間発電を行った後の糖燃料水溶液Ａを使用して吸着部材６ｂへの吸着量を測定した。糖燃料水溶液Ａとしては０．４Ｍのグルコース燃料水溶液を使用して発電を行った後に、発電を停止してポンプ８により糖燃料水溶液Ａを有機酸除去カラム６に２０分流通させた。吸着終了後に有機酸除去カラム６に吸着された有機酸を分析した結果、グルコン酸、乳酸、蟻酸を吸着していることがわかった。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ  糖燃料水溶液
Ｃ  有機酸
１  糖−空気燃料電池
２  燃料室
３  アノード
４  カソード
５  循環流路
６ｂ  樹脂（吸着部材）
１２  洗浄液容器
１４  回収容器
１５  アニオン透過膜（固体電解質）
【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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