JP2006302817A

JP2006302817A - 水を原料とする光合成式燃料電池

Info

Publication number: JP2006302817A
Application number: JP2005126367A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Midorikawa; 克夫翠川
Original assignee: CY TEKKU KK
Current assignee: CY TEKKU KK
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】
従来の外部から供給される水素ガスを要することなく、通常に得られる水をもって、水を原料として電気を得る新規な燃料電池を提供する。
【解決手段】
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、陽極において外部回路からの電子と内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用によりＮＡＤＰＨから電子を分離させ、電子を燃料極に供給する燃料電池。
【選択図】図１

Description

この発明は、水を原料とし、この水よりイオンを得て電流を生起する燃料電池に関し、更に詳しくは、水中に配されたＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）含有体の光合成作用を利用して発電をなす燃料電池に関する。

（従来の技術）
燃料電池は通常、電解質と該電解質を挟んで対峙する２つの陰及び陽電極から構成され、これらの電極に外部から水素と酸素（実際には空気）を送り、電気化学的反応により直流電気を得るものである。更に言えば、陰極（燃料極）に送り込まれた水素は電極の触媒作用により電子が奪われ、その水素イオンが電解質へと流れ、陽極側へ流れる。電子は導線を介して外部へ取り出され、かつ陽極へと流れる。陽極（空気極）には空気が送り込まれ、その酸素分が前記の陰極から送られてきた電子と結合してイオン化し、前記の水素イオンと結合して水分子となり、水となって外部に排出される。
この方式の燃料電池（水素−酵素方式）は、排出されるものは水（更には熱）のみであり、無公害ないわばクリーンな発電方式であり、更には発電効率が高いものであるが、燃料極側に供給される水素の改質あるいは精製に多大な費用を要するとともに透過性の燃料極の製作が困難であり、また陽極においては空気の送込み装置が必要であるばかりでなく、該陽極部には水が生じ、その水の排出を円滑になす空気極の多孔構造が複雑かつ高価なものとなる。更には、熱の除去手段も必要となり、製造費用の増大化につながる。

本発明は上記した従来の水素−酸素方式の燃料電池とは全く異なった方法で発電され、従来の別途用意された水素ガスを要することなく、通常に得られる水をもって、水を原料として電気を得る新規な燃料電池を提供することを目的とするものである。
本発明はこの発電方法を得る基本的な技術思想を包含するものである。
本発明はまた、具体的な燃料電池の構造を提供することも目的とする。
本発明はこのため、光合成より得られる化学反応の知見に基づきこの目的を達成しようとするものである。

本発明の第１は水から電子を取り出す方法に係り、請求項１のとおり、
植物体内の助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）を水に溶出し、水との反応により得られるＮＡＤＰＨを白金を主体とする電極の触媒作用によりＮＡＤＰＨ陽イオンと電子とに分離させる、
ことを特徴とする。
ここに、酵素ＮＡＤＰは植物体のクロロフィル内に含有され、光合成作用に関与する助酵素であり、また、ＮＡＤＰＨはＮＡＤＰの還元型を示す。
本方法は、以下の発明及び実施の態様の基本的技術思想をなすものである。
本基本的技術思想の電子の取り出し方法は、水を原料とする燃料電池における燃料極への電子の供給方法に適用される。
すなわち、植物体内の助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）を燃料電池内の水に溶出し、水との反応により得られるＮＡＤＰＨを白金を主体とする電極の触媒作用によりＮＡＤＰＨ陽イオンと電子とに分離させ、電子を電極に供給することを特徴とする。
（作用）
ＮＡＤＰの含有体を水中に浸す。該含有体からＮＡＤＰが水中に溶出する。
光の照射にともない、ＮＡＰＤは明光合成反応を開始して水と反応し、水の水素を奪ってＮＡＤＰＨとなる。ＮＡＤＰＨはＮＡＤＰの還元体として電子が付加されたもの、あるいは水素が付加された態様を採る。
ＮＡＤＰＨは電極の表面で白金の触媒作用により電子を放出し、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンになる。電子は電極に供給される。

本発明の第２は、第１発明の技術思想を更に具体的に燃料電池に適用したものであって、請求項２に記載のとおり、
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給する、
ことを特徴とする。
上記構成において、「内部質」は電解質を含み、以下の実施形態においては陽イオン透過合成樹脂膜を採るが、この発明の機能を奏する限りにおいて素材に限定されない。
（作用）
水中に浸されたＮＡＤＰの含有体からＮＡＤＰが水中に溶出する。
光の照射にともない、ＮＡＰＤは水と反応し、水の水素を奪ってＮＡＤＰＨとなる。
ＮＡＤＰＨは燃料極の表面で白金の触媒作用により電子を放出し、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンになる。電子は燃料極に供給される。

本発明の第３は、更に燃料電池に係り、請求項３に記載のとおり、
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給するとともに、
前記ＮＡＤＰＨ陽イオンを陽イオン透過膜を介して陽極に送る、
ことを特徴とする燃料電池。
本第３発明は第２発明の燃料電池に、前記ＮＡＤＰＨ陽イオンを陽イオン透過膜を介して陽極に送る要件を付加したものである。
（作用）
水中に浸されたＮＡＤＰの含有体からＮＡＤＰが水中に溶出する。
光の照射にともない、ＮＡＰＤは水と反応し、水の水素を奪ってＮＡＤＰＨとなる。
ＮＡＤＰＨは燃料極の表面で白金の触媒作用により電子を放出し、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンになる。電子は燃料極に供給される。
ＮＡＤＰＨ＋は陽イオン交換部を通って陽極に達する。

本発明の第４は、更に燃料電池に係り、請求項４に記載のとおり、
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給するとともに、
前記ＮＡＤＰＨ陽イオンを陽イオン透過膜を介して陽極に送る、陽極において前記ＮＡＤＰ陽イオンと電子とからＮＡＤＰＨを得る、
ことを特徴とする燃料電池。
本第４発明は第３発明の燃料電池に、陽極において前記ＮＡＤＰ陽イオンと電子とからＮＡＤＰＨを得る要件を付加したものである。
（作用）
水中に浸されたＮＡＤＰの含有体からＮＡＤＰが水中に溶出する。
光の照射にともない、ＮＡＰＤは水と反応し、水の水素を奪ってＮＡＤＰＨとなる。
ＮＡＤＰＨは陰極の表面で白金の触媒作用により電子を放出し、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンになる。電子は燃料極に供給される。ＮＡＤＰＨ＋は陽イオン交換部を通って陽極に達する。
陽極ではＮＡＤＰＨ＋イオンと外部回路の負荷で仕事をした電子とが合わさってＮＡＤＰＨになる。

本発明の第５は、燃料電池のセルの構造に係り、請求項５のとおり、
光合成作用をなす植物体を細片化して、ＮＡＤＰ含有体を多孔質膜の袋体に詰め、該袋体の一側を陽イオン透過膜に固着し、該袋体の他側を白金を主体とする陰電極に対接させるとともに、前記陽イオン透過膜を挟んで白金を主体とする陽電極を配してなる、
ことを特徴とする。
本構成よりなるセルは、
1)該セルを水中に沈めて発電する態様、
2)該セル内に水を充填して発電する態様、
をもって使用される。

本発明の燃料電池によれば、従来の方式での水素ガスを要することなく、通常に得られる水並びに植物体をもって、水を原料として電気を得ることができ、安価な資源を利用できる。
また、本発明では、従来の方式での陽極側での水の生成もなく、その排出機構が不要である。加えて、従来の方式の陽極での空気を送る装置（圧縮機）が不必要である。
また、電極は従来方式での電極のようにガス透過性を有する多孔体とする必要がなく、通常の金属体を使用することができる。
更に、本発明の燃料電池によれば酸素が副成され、該酸素の利用を図ることができる。

本発明の水を原料とする光合成式燃料電池の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２に本燃料電池の基本構成を示す。
図に示すように、本燃料電池Ｍは、陰極１と陽極２とを相対峙させ、該陰極１及び陽極２と水密に当接する側壁部３及び底板部４とから容器５を構成し、該容器５内に満たされた水６中に光合成発生部７とイオン交換部８とが配されるとともに、該陰極１と陽極２とは導線１０をもってかつ負荷１１を介して結線されてなる。

以下、各構成要素につき詳述する。
陰極１
陰極１は、カソードとも称され、白金を主体とする素材よりなる。該白金は触媒作用を発揮する。なお、白金と同等の触媒作用を奏する素材の使用を妨げるものではない。
陽極２
陽極２は、アノードとも称され、陰極１と同一機能を奏するべく、陰極１と同一素材、すなわち白金を主体とする素材よりなる。白金と同等の作用を奏する素材の使用を妨げない。

容器５
容器５は、前記した電極１，２を含め、側壁部３、底板４をもって水密を保持して構成される。側壁部３、底板４の素材はそれ自体が水密性を保持するものであれば、材質、素材は問わない。形状を保持すべく一定の硬度を有する。また、電極１，２以外は透明体をもって構成されることも可能である。容器５の上部には適宜に蓋５ａ（破線表示）が着脱可能に設置され、該蓋５ａと容器５の上面との上部空間には気体（酸素）が貯まる。５ｂ（破線表示）はこの気体を外部に排出する通気管である。

光合成発生部７
光合成発生部７は、多孔体の板状体又は網目状の容器１３内に光合成体すなわち植物体１４が収容される。該容器１３は軟質あるいは硬質を問わず、その孔径は収容される植物体１４が通過しないものとされる。
しかして、この光合成発生部７は陰極１に接近して配される。
（光合成体／植物体１４）
光合成体１４は、植物の葉や茎を刻んだものすなわち刻み植物片が好適なものとして使用されるが、この態様に限らず、すりつぶしたものも使用される。
該刻み植物片にはＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）が含まれている。該ＮＡＤＰは葉緑植物体における所与の酵素であって、本燃料電池における電子を取込む触媒の機能を荷う。このＮＡＤＰに対し、水を介して光を照射することにより明反応がなされるが、本燃料電池の反応において光の照射は必須ではない。

イオン交換部８
イオン交換部８は、陽イオンの通過を許す素材より形成される。このようなものの一例として合成樹脂素材よりなる陽イオン交換膜が選ばれる。具体的にはフッ素系イオン交換樹脂膜（パーフルオロスルホン酸膜）が使用される。その他、ポリスチレンスルホン酸膜、ポリビニールスルホン酸膜も使用されうる。これらはスルホン酸基を官能基とする。更にまた、アクリル酸、メアクリル酸を官能基とする陽イオン交換樹脂膜も使用される。

導線１０・負荷１１
陰極１と陽極２とは導線１０で結合され、途中に発光体、発熱体等の適宜の負荷１１が介装される。導線１０と負荷１１とにより外部回路を構成する。

本燃料電池Ｍは、叙上の構成の単一体（セル）をもって使用されるが、これらのセルを複数連結する態様を採ることもできる。
また、光合成発生部７の容器１３はカートリッジ式としてその内容物１４とともに適宜取り換え可能とすることが推奨される。

（本燃料電池Ｍの作用）
叙上のように構成された本燃料電池Ｍは以下の作用（主として化学反応作用）をなす（図３参照）。
(1) 先ず容器５につきその全体、あるいは光合成発生部７に特定して光が照射される。光は太陽光、照明光を問わない。これにより光合成発生部７内の植物体１４のクロロフィルは活性化される。クロロフィルの活性化に伴い、水は酸素と水素とに分解され、酸素はそのまま外部に放出される。
(2) 光合成発生部７内の植物体１４の光合成反応に関与するクロロフィル中のＮＡＤＰが水中に溶出する。
ＮＡＰＤは水と反応し、水の水素を奪ってＮＡＤＰＨ（ＮＡＤＰの還元型）となる。すなわち、ＮＡＤＰＨは水素（Ｈ）が付加されたものである。
(3) ＮＡＤＰＨは白金体を主体とする陰極１に触れ、該陰極１の触媒作用により電子を放出し、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンになる。ＮＡＤＰＨ⁺ イオンは容器５内に拡散し、陰極１側の水域で次第に濃度を増す。しかる後、ＮＡＤＰＨ⁺ イオンは陽イオン交換部８を通って陽極２側に流れる。
(4) 一方、陰極１で放出された電子は外部回路１０を通り、負荷１１で仕事をして陽極２に達する。
(5) 陽極２側では陽イオン交換部８を通過したＮＡＤＰＨ⁺ イオンと外部回路１０からの電子が合し、ＮＡＤＰＨとなる。
(6) 反応の終了した不活性のＮＡＤＰＨは、イオン交換部８を逆浸透し陰極１側へ戻り、再び陰極１で仕事をする。

（本燃料電池Ｍの効果）
本燃料電池Ｍは叙上の作用を奏し、以下の効果を有する。
1)従来の方式での水素ガスを要せず、通常に得られる水並びに植物体をもって、水を原料として電気を得ることができ、安価な資源を利用できる。
2)本燃料電池では水の生成もなく、その排出機構が不要である。
3)電極は従来方式での電極のようにガス透過性を要することなく、通常の金属体を使用することができる。
4)本燃料電池によれば酸素が副成され、該酸素の利用を図ることができる。

他の実施形態
図４に本発明の燃料電池の他の実施形態を示す。
本実施形態では簡便に使用できるセル型式の燃料電池セルＨを採る。先の実施形態と同等の部材は同一の符号にＡが附されてなる。すなわち、１Ａは陰極、２Ａは陽極、５Ａは容器である。７Ａは光合成発生部、８Ａはイオン交換部である。
光合成発生部７Ａは薄い透過性の繊維膜よりなる袋体１３内に植物体１４が封入されてなり、該袋体１３はイオン交換部８Ａの主体となるイオン交換膜部と外周を接着剤１６を介して固着される。また、袋体１３の陰極１Ａとの対接部は接着剤１７を介して固着される。イオン交換部８Ａと陽極とは間隔を存するが、当接されてもよい。
なお、植物体１４は粉砕片あるいはすりつぶし状態になされることが好ましい。
使用において、本態様のセルＨ内に水が充填され、発電をなす。あるいは、本セルＨを水中に沈めることにより発電をなす。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術思想の範囲内で種々設計変更が可能である。

本発明の光合成を利用する燃料電池の基本構成を示す縦断面図（図２の１−１線断面図）。図１の２−２線断面図。本発明の光合成を利用する燃料電池の作用を示す図。セルの一例を示す縦断面図。

符号の説明

Ｍ…燃料電池、Ｈ…セル、１…陰極、２…陽極、５…容器、６…水、７…光合成発生部、８…イオン交換部、１０…導線、１１…負荷、１４…植物体（ＮＡＤＰ含有体）

Claims

植物体内の助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）を水に溶出し、水との反応により得られるＮＡＤＰＨを白金を主体とする電極の触媒作用によりＮＡＤＰＨ陽イオンと電子とに分離させる、
ことを特徴とする水から電子を取り出す方法。
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給する、
ことを特徴とする燃料電池。
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給するとともに、
前記ＮＡＤＰＨ陽イオンを陽イオン透過膜を介して陽極に送る、
ことを特徴とする燃料電池。
燃料極において電子を供給して外部回路に送り、該電子を失った陽イオンを内部質を介して陽極に送り、該陽極において前記外部回路からの電子と前記内部質からの陽イオンとを合して発電作用をなす燃料電池において、
燃料電池内に水を充填し、該水中に配した助酵素ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の含有体と水の反応により水素を付加したＮＡＤＰＨを得、燃料極の白金を主体とする電極の触媒作用により該ＮＡＤＰＨから電子を分離させ、該電子を燃料極に供給するとともに、前記ＮＡＤＰＨ陽イオンを陽イオン透過膜を介して陽極に送り、
陽極において前記ＮＡＤＰ陽イオンと電子とからＮＡＤＰＨを得る、
ことを特徴とする燃料電池。
光合成作用をなす植物体を細片化してＮＡＤＰ含有体を多孔質膜の袋体に詰め、該袋体の一側を陽イオン透過膜に固着し、該袋体の他側を白金を主体とする陰電極に対接させるとともに、前記陽イオン透過膜を挟んで白金を主体とする陽電極を配してなる、
ことを特徴とする燃料電池のセルの構造。