(57)【要約】【課題】発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、発電効率を向上することができる燃料電池を提供する。【解決手段】カソード１１およびアノード１２と、カソード１１およびアノード１２を収容する容器１０と、容器１０内に配置され、容器１０内をカソード１１が配置されたカソード領域Ａとアノード１２が配置されたアノード領域Ｂとに区画するアニオン交換膜１３とを備え、カソード領域Ａにおける容器１０の外表面には、容器１０外部からの酸素を透過する通気部１４が形成され、アノード領域Ｂには中性または酸性の糖燃料１７が収容されている燃料電池１を採用する。【選択図】図１
2012124148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードおよびアノードと、
前記カソードおよび前記アノードを収容する容器と、
該容器内に配置され、前記容器内を前記カソードが配置されたカソード領域と前記アノードが配置されたアノード領域とに区画するアニオン交換膜とを備え、
前記カソード領域における前記容器の外表面には、前記容器外部からの酸素を透過する通気部が形成され、
前記アノード領域には中性または酸性の糖燃料が収容されている燃料電池。
【請求項２】
前記カソード領域にはアルカリ性の電解質溶液が収容されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
アルカリ性の電解質溶液を収容するアルカリタンクと、
該アルカリタンクから前記カソード領域にアルカリ性の電解質溶液を供給するアルカリ供給手段とを備える請求項１また２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アニオン交換膜が、互いに対向して配置された第１のアニオン交換膜と第２のアニオン交換膜とから構成され、
前記第１のアニオン交換膜と前記第２のアニオン交換膜との間にアルカリ性の電解質溶液が封入されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード領域の内圧を前記カソード領域の内圧よりも低くする減圧手段を備える請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード領域の電位を前記アノード領域の電位よりも高くする印加手段を備える請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、糖類の溶液を燃料として発電を行う燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池は、糖類の溶液燃料を直接アノードに供給し、アノードでの糖酸化とカソードでの酸素還元を生じさせることで発電を行う燃料電池である。このとき、アノードでの糖酸化反応とカソードでの酸素還元反応に伴って、両電極間では外部回路を通って電子が移動するとともに、カソードからアノードへ陰イオン（アニオン）である水酸化物イオン（ＯＨ−）が移動するようになっている。
【０００３】
上記の燃料電池において、アノードでは、燃料である糖類が酸化されて電子が放出される。放出された電子は、外部回路を通って仕事（発電）を行い、カソードに運ばれる。カソードでは、大気中の酸素（と水）が運ばれてきた電子と結合して（還元）、水酸化物イオンが発生する。発生した水酸化物イオンは、アニオン透過膜を透過し、アノード（燃料）側へ移動する。アノードでは、移動してきた水酸化物イオン（ＯＨ−）と、糖類の酸化で発生した水素イオン（Ｈ＋）とが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。つまり、燃料電池として外部回路に電子を流すために、カソードからアノードにアニオンである水酸化物イオンが移動することで、発電回路が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池では、「アニオン交換膜はＯＨ−が移動するためアルカリ性を有し、」と記載されているように、アニオン交換膜内での水酸化物イオンの移動、すなわち発電に伴う水酸化物イオンの移動が行われないと、アニオン交換膜内はアルカリ性を得ることができない。これは、アニオン交換膜が水酸化物イオンを移動させやすいために、大気中の二酸化炭素を速やかに吸収して炭酸イオン化（ＣＯ３２−）し、水酸化物イオンを失いやすいことに起因する。このため、アニオン交換膜は、大気中では水酸化物イオンをほとんど有さない膜となっており、期待するようなアルカリ性とはなっていない。
【０００６】
したがって、水酸化物イオンがほとんどないアニオン交換膜の状態では、特許文献１に記載されるような酸素還元や糖酸化の過電圧を下げることができず、発電が期待できない。発電が期待できなければ、水酸化物イオンがアニオン交換膜内を移動しないため、アルカリ化も図れない。このため、特許文献１に記載されるように、糖溶液を水やアルコールに溶解しただけの燃料液では、アニオン交換膜が高いアルカリ性を有することが期待できないため、高い発電効率を得ることができない。
【０００７】
また、発電しない状態において、アニオン交換膜内に水酸化物イオンを捕獲しておくためには、アニオン交換膜を水酸化物イオンがリッチなアルカリ性溶液に浸漬しておくことが必須となる。したがって、特許文献１の実施例では、糖溶液に水酸化カリウムを混合したアルカリ性の燃料液を利用している。特許文献１には、「燃料にアルカリ性を添加することもできる」と記載されているが、実際にはアニオン交換膜のアルカリ性を保ち、発電をスタートさせるために、燃料にアルカリ性を添加することが必須条件となる。しかしながら、糖溶液に水酸化カリウムを混合したアルカリ性糖燃料を利用することは、糖酸化の過電圧を下げ、且つアニオン交換膜の保護（水酸化物イオンの捕獲）を行うには効果的であるが、これは原理的に次のような新たな問題点がある。
【０００８】
（１）水酸化物イオンの伝導度の低下
特許文献１に開示されている燃料電池では、カソードからアノードに水酸化物イオンが移動することで発電が行われるが、アノード側にアルカリ性溶液が蓄えられていると、水酸化物イオンの移動抵抗となってしまい、発電効率が低下する。つまり、水酸化物イオンの濃度で比較すると、アルカリ性溶液を蓄えたアノード側よりカソード側は水酸化物イオンが希薄であり、希薄なカソード側から濃厚なアノード側に移動することは自然原理に逆らったイオン移動となるため、移動抵抗が大きく（物質は濃厚な領域から希薄な領域に拡散するため）、燃料電池の出力低下を招く。
【０００９】
（２）水酸化物イオンによる糖類の異性化
特許文献１に開示されている燃料電池では、アルカリ下では糖類酸化の過電圧が低下して発電（電子移動）が容易になる。ここで、アルカリ性の環境では糖類は不安定な状態になり、例えば燃料電池で利用が期待される単糖類のグルコースは、アルカリ性の中ではフルクトースへの異性化や有機酸への分解が進みやすくなる。グルコースが異性化でフルクトースに変化すると、フルクトースは還元性を有さないため糖酸化による発電が行えなくなる。また、糖が有機酸へ分解されると、更なる酸化による電子移動が困難となり発電が行えなくなる。つまり、糖類の燃料にアルカリ液を混合することは、発電を行わない状態でも燃料を劣化させることになる。
【００１０】
また、発電に伴う大気の酸素還元で得られる水酸化物イオンの移動だけに頼ったアニオン交換膜のアルカリ性維持には限界があり、特に発電を停止すると、前述したようにアニオン交換膜のアルカリ性が失われていく。したがって、アニオン交換膜をアルカリ性に維持するためには、アルカリ性溶液と接触させておくことが必須である。しかし、糖類とアルカリを混合させておくことは、性能上や使用上の制約が大きいという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、発電効率を向上することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、カソードおよびアノードと、前記カソードおよび前記アノードを収容する容器と、該容器内に配置され、前記容器内を前記カソードが配置されたカソード領域と前記アノードが配置されたアノード領域とに区画するアニオン交換膜とを備え、前記カソード領域における前記容器の外表面には、前記容器外部からの酸素を透過する通気部が形成され、前記アノード領域には中性または酸性の糖燃料が収容されている燃料電池を採用する。
【００１３】
本発明に係る燃料電池によれば、アノードが配置されたアノード領域では、糖燃料（例えばグルコース）は、アノードにおいて電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノードに放出された電子は、アノードとカソードとを電気的に接続する配線を通って、カソードに送られる。一方、カソードが配置されたカソード領域では、通気部を介して容器外部から酸素が供給され、カソード表面において、容器外部から供給された酸素と、アノードから送られてきた電子と、カソード領域中の水または通気部を介して容器外部から供給された水（水蒸気）とが反応して、水酸化物イオンが生成される（還元）。
【００１４】
このように生成された水酸化物イオンは、カソード領域とアノード領域とを区画するアニオン交換膜を透過して、アノード領域に到達する。そして、アノード領域では、アノードにおいて生成された水素イオンと、カソード領域から移動してきた水酸化物イオンとが反応して水が生成される。上記のように、アノードにおいて酸化が行われるともに、カソードにおいて還元が行われることで、発電が行われる。
【００１５】
この場合において、アノード領域に収容されている糖燃料は、酸性または中性であるため、カソード領域において生成された水酸化物イオンのアノード領域への移動抵抗を小さくすることができる。これにより、水酸化物イオンのカソード領域からアノード領域への移動を円滑に行うことができ、燃料電池の出力を向上することができる。
【００１６】
また、糖燃料として利用される単糖類のグルコースは、アルカリ性の中ではフルクトースへの異性化が進みやすくなる。このフルクトースは還元性を有さないため、グルコースが異性化してフルクトースに変化すると、糖酸化による発電が行えなくなる。そこで、アノード領域の糖燃料（グルコース）を酸性または中性とすることで、グルコースのフルクトースへの異性化を防止することができ、糖燃料の劣化を防止することができる。
また、アルカリ性が高濃度であると、異性化に加え糖そのものが有機酸への分解が生じる。この場合は燃料である糖類が有機酸へと変化するため、さらに酸化させて発電を行うことが困難となる。そこで、前記同様に酸性または中性にしておくことで、糖燃料の劣化を防止できる。
【００１７】
上記発明において、前記カソード領域にはアルカリ性の電解質溶液が収容されていることとしてもよい。
このようにすることで、カソード領域における還元反応を促進するとともに、発電開始時における、カソード領域からアニオン交換膜を透過してアノード領域に移動する水酸化物イオンの量を増加させることができ、燃料電池の起動速度を速めることができる。
【００１８】
上記発明において、アルカリ性の電解質溶液を収容するアルカリタンクと、該アルカリタンクから前記カソード領域にアルカリ性の電解質溶液を供給するアルカリ供給手段とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、アルカリ供給手段により、アルカリタンクからカソード領域にアルカリ性の電解質溶液を供給することができ、カソード領域における還元反応を促進するとともに、燃料電池の起動速度を速めることができる。また、アルカリ供給手段を動作させることで、燃料電池の起動時にのみ、カソード領域にアルカリ性の電解質溶液を供給することができる。これにより、燃料電池の停止時において、水酸化物イオンがカソード領域からアニオン交換膜を透過してアノード領域に移動することを防止することができ、アノード領域に収容されている糖燃料の劣化を防止することができる。
【００１９】
上記発明において、前記アノード領域の内圧を前記カソード領域の内圧よりも低くする減圧手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の停止時において、減圧手段によりアノード領域の内圧をカソード領域の内圧よりも低くして、アノード領域の水が、アニオン交換膜を透過してカソード領域に移動することを防止することができる。これにより、浸透圧の作用に伴う水の移動によるカソード領域内のアルカリ溶液の無用な希釈劣化を防止することができる。
【００２０】
上記発明において、前記カソード領域の電位を前記アノード領域の電位よりも高くする印加手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の停止時において、印加手段によりカソード領域の電位をアノード領域の電位よりも高くして、カソード領域の水酸化物イオンが、アニオン交換膜を透過してアノード領域に移動することを防止することができる。これにより、アノード領域に収容されている糖燃料の水酸化物イオンによる劣化を防止することができる。
【００２１】
上記発明において、前記アニオン交換膜が、互いに対向して配置された第１のアニオン交換膜と第２のアニオン交換膜とから構成され、前記第１のアニオン交換膜と前記第２のアニオン交換膜との間にアルカリ性の電解質溶液が封入されていることとしてもよい。
このようにすることで、第１のアニオン交換膜と第２のアニオン交換膜とをアルカリ性に維持することができ、酸素還元や糖酸化の過電圧を下げて、燃料電池の発電効率を向上することができる。また、第１のアニオン交換膜と第２のアニオン交換膜との間にアルカリ性の電解質溶液を封入することで、通気部を介してカソード領域に浸入した二酸化炭素による炭酸化を防止することができ、アルカリ性の電解質溶液の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、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】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。
【図２】図１の第１の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。
【図３】図１の第２の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。
【図４】図１の第３の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。
【図５】図１の第４の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１に示すように、容器１０と、容器１０の内部に配置されたカソード１１およびアノード１２と、容器１０の内部に配置され、容器１０内をカソード１１が配置されたカソード領域Ａとアノード１２が配置されたアノード領域Ｂとに区画するアニオン交換膜１３とを備えている。
【００２５】
容器１０は、例えば樹脂等の電気絶縁性を有する材料で構成された密閉容器であり、後述するように、カソード領域Ａにはアルカリ性溶液１６が、アノード領域Ｂには糖燃料液１７が収容されている。
【００２６】
カソード領域Ａには、例えば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等のアルカリ性溶液１６が収容されている。これらのアルカリ水溶液としては、水酸化カリウム水溶液以外では例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、酢酸ナトリウム（ＣＨ３ＣＯＯＮａ）などが挙げられる。
カソード領域Ａにおける容器１０の外表面には、容器１０外部からの酸素を透過する通気部１４が形成されている。この通気部１４は、例えばテフロン（登録商標）等の通気性を有する撥水部材１５で塞がれている。このような構成を有することで、カソード領域Ａに収容されたアルカリ性溶液１６の容器１０からの漏洩を防止しつつ、通気部１４を介して容器１０の外部からカソード領域Ａに酸素が供給されるようになっている。
【００２７】
アノード領域Ｂには、例えばグルコース水溶液等の糖燃料液１７が収容されている。糖燃料液１７は、純水にグルコース等の糖を溶解させた水溶液であり、中性または酸性の水溶液である。
【００２８】
アノード１２は、糖の酸化反応を司る金属触媒粒子と、この金属触媒粒子を担持する担持体とから構成され、金属触媒粒子を触媒としてアノード領域Ｂ中のグルコースを酸化するようになっている。金属触媒粒子としては、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属や、ニッケル、銀、コバルト、銅、鉄、亜鉛などの卑金属も利用できる。卑金属が利用できるのは、アニオン膜はアルカリ性を呈しているため、金属触媒は、反応する界面において水酸化物イオンがリッチなアルカリ性の状態となり、卑金属でも酸化することがないためである。また、金属触媒粒子として、前述した各金属を組み合わせて複合化あるいは合金化した粒子を利用することも可能である。
【００２９】
担持体としては、分極性が高く、導電性を兼ね備えた素材が好ましい。具体的には、カーボン、グラファイト、チタンといった素材が適している。また、担持体を多孔質材料とすることで、アノード１２の表面積を増加させ、反応効率を高めることができる。また、触媒粒子として活用する金属を、基材用の金属として利用することも可能である。
アノード１２には、容器１０の外部まで延びる導線１９が電気的に接続されており、導線１９の他端は外部機器２０に接続されている。
【００３０】
カソード１１は、撥水部材１５に当接して設けられおり、通気部１４および撥水部材１５を介して容器１０の外部から供給された酸素を還元して、水酸化物イオンを生成するようになっている。カソード１１には、導線１８が電気的に接続されており、導線１８の他端は外部機器２０に接続されている。
【００３１】
カソード１１は、アノード１２と同様に、金属触媒粒子と、該金属触媒粒子を担持する担持体とから構成されている。金属触媒粒子として、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属に加え、ニッケル、銀、マンガンなどの卑金属も利用でき、それぞれ単体もしくは混合あるいは合金化して利用することもできる。担持体もカーボン、グラファイト、チタンといった素材や多孔質材料が適しており、触媒粒子として活用する金属を、基材用の金属として利用することも可能である。例えば、既存の空気亜鉛電池の酸素還元用のカソード１１として利用されるマンガンは、ニッケルの網に酸化マンガンの粒子を固めて付着させるだけで構成することができ、本実施形態でも酸素を還元するカソード１１として、同様な構成を利用することができる。
【００３２】
アニオン交換膜１３は、容器１０内を、カソード１１が配置されたカソード領域Ａと、アノード１２が配置されたアノード領域Ｂとに区画するように配置されている。
ここで、アニオン交換膜とは、膜内に陰イオン交換基を有し、陰イオンを移動・伝達させることができる高分子の膜である。陰イオン交換基を有する素材としては、アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基があり、これらのいずれかを基材として構成する高分子化合物で構成されている。このような構成を有することで、アニオン交換膜１３は、カソード領域Ａ内で生成された水酸化物イオン、あるいはカソード領域に蓄えたアルカリ性溶液内の水酸化物イオンを、アノード領域Ｂへ透過させるようになっている。
【００３３】
ここで、カソード領域Ａおよびアノード領域Ｂで行われる化学反応について以下に説明する。
一般的に、燃料であるグルコースから、どれだけの電子を奪える（＝酸化できる）かによって、グルコース燃料電池の放電容量が大きく異なる。その反応式は、最小放電容量となる２個の電子を奪う反応から、最大放電容量となる２４個の電子を奪う反応にまで至り、これらの間の６個、１２個、１８個の電子を奪う反応も想定される。その中で、最小の２個の電子を奪う反応をケース１、最大の２４個の電子を奪う反応をケース２として以下にそれぞれ説明する。
【００３４】
ケース１は、グルコースから２電子酸化を行い、グルコノラクトンが生じる反応である。
ケース２は、グルコースから２４電子酸化を行い、二酸化炭素が生じる反応である。これは食物であるグルコースを酸素と共に体内で完全分解し、二酸化炭素を排出する動物の呼吸系と同じ反応である。
【００３５】
＜ケース１：２個の電子を奪う（酸化）場合＞
（１）燃料電池全体としての反応
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋１／２Ｏ２⇒Ｃ６Ｈ１０Ｏ６＋Ｈ２Ｏ
（２）アノード１２（−極）での反応
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２ＯＨ−⇒Ｃ６Ｈ１０Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（３）カソード１１（＋極）での反応
１／２Ｏ２＋（Ｈ２Ｏ）＋２ｅ−⇒２ＯＨ−
【００３６】
＜ケース２：２４個の電子を奪う（酸化）場合＞
（１）燃料電池全体としての反応
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｏ２⇒６ＣＯ２＋６Ｈ２Ｏ
（２）アノード１２（−極）での反応
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２４ＯＨ−⇒６ＣＯ２＋１８Ｈ２Ｏ＋２４ｅ−
（３）カソード１１（＋極）での反応
６Ｏ２＋（１２Ｈ２Ｏ）＋２４ｅ−⇒２４ＯＨ−
【００３７】
アニオン移動型の燃料電池において、ケース１およびケース２の反応を得るには、ケース１、ケース２ともカソード１１の理論反応電位は、水素の標準電極電位（＝±０Ｖ）に対して約＋０．４Ｖとなる。同様に、ケース１のアノード１２反応電位が−０．７９Ｖ、ケース２のアノード１２反応電位が−０．８４Ｖとなる。このため、燃料電池としての起電力は、両電極の電位差となるため、ケース１が１．１９Ｖ（＝０．４＋０．７９）、ケース２が１．２４Ｖ（＝０．４＋０．８４）となる。このように、いずれのケースも水の理論電気分解電位１．５Ｖより小さくなるため、水を溶液とした燃料を利用して電力を得ることが可能となる。
【００３８】
ここで、触媒に酵素を利用する場合は、それぞれの酵素は限定した反応しか行わない（いわゆる反応選択性が高い。）。例えばグルコースオキシターゼでは、グルコースの酸化反応は行っても、他の糖類の酸化反応は全く行わない。反応する糖と酵素の型が決まっているためである。
これに対して、本実施形態において主に利用する金属粒子触媒を坦持した電極では、糖との型があるわけではないため、反応の選択性が低い。すなわち、グルコースを酸化できる電極は、他の糖類を酸化することも可能である。具体的には、還元性を有する糖類であれば、全て酸化反応を行うことができる。
【００３９】
ここで、単糖類は全て還元性があり、二糖類も還元性がある糖は活用できる。
具体的な単糖類としては、トリオース（三炭糖）、テトロース（四炭糖）、ペントース（五炭糖）、ヘキソース（六炭糖）、ヘプトース（七炭糖）に分類され、トリオースはグリセルアルデヒド、ジヒドロキシアセトンが、テトロースはエリトロース、トレオース、エリトルロースが、ペントースはリボース、リキソース、キシロース、アラビノース、アピオースが、ヘキソースはアロース、タロース、グロース、グルコース、アルトロース、マンノース、ガラクトース、イドース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースが、ヘプトースはセドヘプツロース、コリオースが挙げられる。
【００４０】
同様に、二糖類としては、マルトース，ラクトース，セロビオースが挙げられる。
また、デンプン、グリコーゲン、セルロースのような多糖類や多糖類よりは分子量が小さなオリゴ糖は、単糖類がグルコシド結合した糖であるため、加水分解することで還元性を有する単糖類を生じることができる。このため、多糖類やオリゴ糖は、加水分解することで、単糖類化して燃料として利用が可能となる。
同様に、二糖類のスクロース（ショ糖）も単糖類のグルコースとフルクトースの結合した糖であり、多糖類やオリゴ糖と同様に加水分解することで、燃料として利用することが可能である。
【００４１】
また、本実施形態に係る燃料電池１では、アノード１２とカソード１１の間に介在するアニオン交換膜１３が電解質となるため、燃料となるグルコースへの電解質の混合は不要である。つまり、糖燃料１７としては、イオン性を排除した純水にグルコースを溶解しただけのグルコース水溶液で問題がない。
【００４２】
また、水以外に、中性領域を維持する緩衝液を混合しても良い。グルコースを燃料として発電を行うと、２電子酸化であればグルコノラクトンが発生し、グルコノラクトンは直ちに水と反応してグルコン酸へと変化する。つまり、酸性物質がアノード１２の周辺に発生することになる。アノード１２の周辺の酸性濃度が高まると、グルコースの酸化反応の過電圧が大きくなり、発電能力の低下が発生する。このため、反応生成物で生じた酸性物質を少しでも除く、あるいは緩和するために、中性領域を維持するような緩衝液を混合しておくことは、長時間の発電を維持する上で有効である。
【００４３】
中性域を維持する緩衝液としては、例えば下記のような１２種類の水溶液が挙げられる。それぞれｘ、ｙあるいはｚで表記する２〜３種の試薬材料を混合してｐＨ７近傍とすることで、中性域での高い緩衝能を有するものである。
（１）ｘ：リン酸水素２ナトリウム，ｙ：リン酸２水素ナトリウム
（２）ｘ：３，３−ジメチルグルタル酸，ｙ：水酸化ナトリウム
（３）ｘ：３，４−ジメチルグルタル酸，ｙ：水酸化ナトリウム，ｚ：塩化ナトリウム
（４）ｘ：カコジル酸ナトリウム，ｙ：塩酸
（５）ｘ：マレイン酸，ｙ：水酸化ナトリウム，ｚ：Ｔｒｉｓ
（６）ｘ：リン酸２水素カリウム，ｙ：水酸化ナトリウム
（７）ｘ：ピロリン酸ナトリウム，ｙ：塩酸
（８）ｘ：Ｔｒｉｓ，ｙ：塩酸
（９）ｘ：Ｂｉｃｉｎｅ，ｙ：水酸化ナトリウム
（１０）ｘ：クエン酸，ｙ：リン酸水素２ナトリウム
（１１）ｘ：ピペラジン２塩酸，ｙ：グリシルグリシン，ｚ：水酸化ナトリウム
（１２）ｘ：貯蔵液（クエン酸，リン酸２水素カリウム，ホウ酸，ジエチルバルビツール酸の混合液），ｙ；水酸化ナトリウム
【００４４】
また、上記に例示した緩衝液が好適であるが、これら以外にも、酸性域あるいは中性域での緩衝能が高い緩衝液も、混合量の割合に応じて中性域で利用することはできるため、これらも利用することは可能である。
【００４５】
また、酸性溶液の場合は、燃料である糖の異性化を防止できたり、微生物発生による腐敗から防止することができるため、長期間にわたって保存あるいは利用することができる。
これらの酸性溶液としては、例えば、塩酸溶液、炭酸溶液、硫酸溶液のような水溶液があげられる。
【００４６】
上記構成を有する燃料電池１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード領域Ｂでは、糖燃料液１７（グルコース）は、アノード１２において電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノード１２に放出された電子は、アノード１２とカソード１１とを電気的に接続する導線１８，１９（および外部機器２０）を通って、カソード１１に送られる。一方、カソード領域Ａでは、通気部１４および撥水部材１５を介して容器１０の外部から酸素が供給される。これにより、カソード１１表面において、容器１０の外部から供給された酸素と、アノード１２から送られてきた電子と、カソード領域Ａ中の水または通気部１４を介して容器１０外部から供給された水（水蒸気）とが反応して、水酸化物イオンが生成される（還元）。
【００４７】
このように生成された水酸化物イオンは、カソード領域Ａとアノード領域Ｂとを区画するアニオン交換膜１３を透過して、アノード領域Ｂに到達する。そして、アノード領域Ｂでは、アノード１２において生成された水素イオンと、カソード領域Ａから移動してきた水酸化物イオンとが反応して水が生成される。上記のように、アノード１２において酸化が行われるともに、カソード１１において還元が行われることで、発電が行われる。
【００４８】
この場合において、アノード領域Ｂに収容されている糖燃料液１７は、酸性または中性であるため、カソード領域Ａにおいて生成された水酸化物イオンのアノード領域Ｂへの移動抵抗を小さくすることができる。これにより、水酸化物イオンのカソード領域Ａからアノード領域Ｂへの移動を円滑に行うことができ、燃料電池１の出力を向上することができる。
【００４９】
また、糖燃料液１７として利用される単糖類のグルコースは、アルカリ性の中ではフルクトースへの異性化が進みやすくなる。このフルクトースは還元性を有さないため、グルコースが異性化してフルクトースに変化すると、糖酸化による発電が行えなくなる。そこで、アノード領域Ｂの糖燃料液１７（グルコース）を酸性または中性とすることで、グルコースのフルクトースへの異性化を防止することができ、糖燃料液１７の劣化を防止することができる。
【００５０】
また、カソード領域Ａに、例えば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等のアルカリ性溶液１６を収容することで、カソード領域Ａにおける還元反応を促進するとともに、発電開始時における、カソード領域Ａからアニオン交換膜１３を透過してアノード領域Ｂに移動する水酸化物イオンの量を増加させることができ、燃料電池１の起動速度を速めることができる。
【００５１】
［第１の変形例］
次に、本実施形態に係る燃料電池１の第１の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池２は、図２に示すように、前述の燃料電池１の構成（図１参照）に加え、アルカリ性水溶液１６を収容するアルカリタンク２１と、アルカリタンク２１とカソード領域Ａとを接続する配管（アルカリ供給手段）２２と、配管２２の途中位置に設けられたバルブ２３とを備えている。
【００５２】
上記構成を有する燃料電池２によれば、バルブ２３を開くことで配管２２により、アルカリタンク２１からカソード領域Ａにアルカリ性水溶液１６を供給することができる。これにより、カソード領域Ａにおける還元反応を促進するとともに、燃料電池２の起動速度を速めることができる。
【００５３】
また、バルブ２３を動作させることで、燃料電池２の起動時にのみ、カソード領域Ａにアルカリ性水溶液１６を供給することができる。これにより、燃料電池２の停止時において、水酸化物イオンがカソード領域Ａからアニオン交換膜１３を透過してアノード領域Ｂに移動することを防止することができ、アノード領域Ｂに収容されている糖燃料液１７の、水酸化物イオンによる劣化を防止することができる。
【００５４】
なお、本変形例に係る燃料電池２において、カソード１１は、配管２２から供給されるアルカリ性水溶液１６をカソード１１全体に行き届かせるために、多孔質材料で構成することが好適である。
【００５５】
［第２の変形例］
次に、本実施形態に係る燃料電池１の第２の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池３は、図３に示すように、前述の燃料電池１の構成（図１参照）に加え、アノード領域Ｂに連通するシリンジ２５と、シリンジ２５内に配置されたピストン（減圧手段）２６とを備えている。
【００５６】
上記構成を有する燃料電池３によれば、シリンジ２５内のピストン２６を動作させることで、シリンジ２５内およびアノード領域Ｂ内の糖燃料液１７を減圧することができる。
これにより、燃料電池３の停止時において、ピストン２６によりアノード領域Ｂの内圧をカソード領域Ａの内圧よりも低くして、アノード領域Ａの水が、アニオン交換膜１３を透過してカソード領域Ｂに移動することを防止することができる。これにより、浸透圧の作用に伴う水の移動によるカソード容器内のアルカリ溶液の無用な希釈劣化を防止することができる。
【００５７】
［第３の変形例］
次に、本実施形態に係る燃料電池１の第３の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池４は、図４に示すように、前述の燃料電池１の構成（図１参照）に加え、カソード領域Ａとアノード領域Ｂとの間の電位差を生じさせる印加装置（印加手段）３０を備えている。
【００５８】
印加装置３０は、カソード領域Ａに配置された電極３１と、アノード領域Ｂに配置された電極３２と、これら電極に電圧を印加する電源３５と、電極３１と電源３５の正極とを接続する導線３３と、電極３２と電源３５の負極とを接続する導線３４と、導線３４に設けられたスイッチ３６とを備えている。
【００５９】
上記構成を有する燃料電池４によれば、スイッチ３６を閉じて電極３１と電極３２との間に電位差を設けることができる。具体的には、電極３１が配置されたカソード領域Ａの電位を、電極３２が配置されたアノード領域Ｂの電位よりも高くすることができる。本実施例では、具体的には０．８Ｖ〜１．３Ｖ程度の電位差を印加を行っている。
【００６０】
これにより、燃料電池４の停止時において、印加装置３０によりカソード領域Ａの電位をアノード領域Ｂの電位よりも高くして、カソード領域Ａの水酸化物イオンが、アニオン交換膜１３を透過してアノード領域Ｂに移動することを防止することができる。これにより、アノード領域Ｂに収容されている糖燃料液１７の、水酸化物イオンによる劣化を防止することができる。
【００６１】
［第４の変形例］
次に、本実施形態に係る燃料電池１の第４の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池５は、図５に示すように、前述の燃料電池１の構成（図１参照）において、アニオン交換膜１３に代えて、互いに対向して配置された第１のアニオン交換膜１３ａと第２のアニオン交換膜１３ｂとを有している。
【００６２】
第１のアニオン交換膜１３ａと第２のアニオン交換膜１３ｂとの間には、リング状の弾性部材３８が容器１０の外周に沿って設けられている。リング状の弾性部材３８により密閉された第１のアニオン交換膜１３ａと第２のアニオン交換膜１３ｂとの間には、領域Ｃが形成されている。この領域Ｃには、例えば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等のアルカリ性溶液３９が封入されている。
【００６３】
上記構成を有する燃料電池５によれば、第１のアニオン交換膜１３ａおよび第２のアニオン交換膜１３ｂに、これら交換膜の間に封入されたアルカリ性溶液３９を浸潤させ、第１のアニオン交換膜１３ａと第２のアニオン交換膜１３ｂとをアルカリ性に維持することができる。これにより、酸素還元や糖酸化の過電圧を下げることができ、燃料電池５の発電効率を向上することができる。また、第１のアニオン交換膜１３ａと第２のアニオン交換膜１３ｂとの間にアルカリ性水溶液１６を封入することで、通気部１４および撥水部材１５を介してカソード領域Ａに浸入した二酸化炭素による炭酸化を防止することができ、アルカリ性溶液３９の劣化を防止することができる。
【００６４】
また、本発明の一実施形態および各変形例において、カソード領域Ａ内のアルカリ水溶液１６に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を、アノード領域Ｂには糖燃料内として還元性を有する糖と塩酸を用いることもできる。この場合、カソード領域Ａ側のアルカリ性溶液からは水酸化イオンがアノード領域Ｂ側へ移動し、アノード領域Ｂ側の酸性の糖溶液からは、塩化イオンがカソード側へ移動する。
【００６５】
これにより、カソード領域Ａ側ではＮａＯＨがＮａＣｌへ変化し、アノード領域Ｂ側ではＨＣｌの水素イオンが水酸化イオンにより中和されて水（Ｈ２Ｏ)へと変わる。このため、初期はアルカリと酸であった水溶液は、ＮａＣｌ水溶液と水へと変化するため、廃棄の際の溶液の安全性が高めることができる。
さらに、アノード界面で生じる中和反応熱によって糖酸化反応か活性が高まる効果もある。
【００６６】
また、本発明の一実施形態および各変形例において、カソード領域Ａ内のアルカリ水溶液１６に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を、アノード領域Ｂには糖燃料内として還元性を有する糖と有機酸を用いることもできる。この有機酸としては、特にカルボン酸やアミノ酸が想定される。この中でも特にグルコースを燃料とする場合は、グルコースより拡散速度が速く、反応の拡散律速が低下しづらい炭素数が７以下の単鎖脂肪酸が好ましい。
【００６７】
具体的な酸としては、カルボン酸では、酢酸、リンゴ酸、コハク酸、クエン酸、ギ酸、プロピオン酸、酪酸（ブチル酸）、吉草酸（バレリアン酸）、カプロン酸、エナント酸、乳酸、酒石酸、マレイン酸、フマル酸、マロン酸、アコニット酸、グルタル酸、アジピン酸、アスコルビン酸などがあげられ、アミノ酸ではグリシン、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、チロシン、バリンなどが挙げられる。
【００６８】
これらの酸を用いる場合、例えば酢酸では酢酸ナトリウム、コハク酸ではコハク酸２ナトリウムなど、反応が進むことで安全性の高いナトリウム塩へと変化するため、廃棄の際の溶液の安全性が高めることができる。
【００６９】
以上、本発明の一実施形態および各変形例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７０】
Ａ  カソード領域
Ｂ  アノード領域
１，２，３，４，５  燃料電池
１０  容器
１１  カソード
１２  アノード
１３  アニオン交換膜
１３ａ  第１のアニオン交換膜
１３ｂ  第２のアニオン交換膜
１４  通気部
１５  撥水部材
１６  アルカリ性溶液
１７  糖燃料液
１８，１９  導線
２０  外部機器
２１  アルカリタンク
２２  配管（アルカリ供給手段）
２３  バルブ
２５  シリンジ
２６  ピストン（加圧手段）
３０  印加装置
３１，３２  電極
３５  電源
３８  弾性部材
３９  アルカリ性溶液
【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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