JP2007188810A - 燃料電池および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空気を透過可能な構造のスペーサー11、正極集電体12、正極13、プロトン伝導体14、負極15、負極集電体16、燃料を透過可能な構造のスペーサー17、負極集電体18、負極19、プロトン伝導体20、正極21、正極集電体22および空気を透過可能な構造のスペーサー23を順次積層して燃料電池を構成する。負極15、19には酵素が固定化される。負極15、負極集電体16、スペーサー17、負極集電体18および負極19を包み込むように袋状に燃料保持容器28を設ける。
【選択図】図1
Description
このように、燃料電池は大規模発電から小規模発電まで幅広い用途が考えられ、高効率な発電装置として多くの注目を集めている。しかしながら、燃料電池では、燃料として通常、天然ガス、石油、石炭などを改質器により水素ガスに変換して用いており、限りある資源を消費するとともに、高温に加熱する必要があったり、白金(Pt)などの高価な貴金属の触媒を必要としたりするなど、いろいろと問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。
例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質などの栄養素を微生物または細胞内に取り込み、これらの化学エネルギーを、数々の酵素反応ステップを有する解糖系およびトリカルボン酸(TCA)回路を介して二酸化炭素(CO2 )を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+ )を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのNADHの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸(ATP)合成酵素を介して、アデノシン二リン酸(ADP)からATPを生成し、このATPは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
上述したような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メディエーターを介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている(例えば、特許文献1参照。)。
そこで、酵素を用いて所望の反応のみを行う燃料電池(バイオ燃料電池)が提案されている(例えば、特許文献2、3、4参照。)。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類を用いたものが開発されている。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、正極および負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化される場合に大幅な高出力化が可能な燃料電池およびこの燃料電池を用いた電子機器を提供することである。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極が順次積層され、
上記負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されている
ことを特徴とするものである。
第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極の全体の形状は問わず、例えば板状または柱状であり、具体的には筒状、直方体状、三角柱状、平板状、コ字状、L字状などやこれらを変形した形状などのいずれであってもよい。筒状の形状の例では、気体が透過可能な構造を有する材料からなる中心軸の外周面を覆うように、少なくとも第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極が順次積層される。
この燃料電池は、およそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体(自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など)、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の負極、第1のプロトン伝導体、正極、第2のプロトン伝導体および第2の負極が順次積層され、
上記第1の負極の少なくとも一部および上記第2の負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されている
ことを特徴とするものである。
この燃料電池は、正極と負極とが第1の発明による燃料電池と逆になっている。
この第2の発明においては、正極と負極とが第1の発明による燃料電池と逆になっていることに伴う相違を除いて、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極が順次積層され、
上記負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されているものである
ことを特徴とするものである。
第3の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の負極、第1のプロトン伝導体、正極、第2のプロトン伝導体および第2の負極が順次積層され、
上記第1の負極の少なくとも一部および上記第2の負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されているものである
ことを特徴とするものである。
第4の発明においては、その性質に反しない限り、第1〜第3の発明に関連して説明したことが成立する。
図1および図2はこの発明の第1の実施形態によるバイオ燃料電池を示し、図1はこのバイオ燃料電池の積層構造を示す断面図、図2はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
さらに、このD−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(PhGDH)との二つの酵素を存在させることにより、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに分解することができる。すなわち、D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、6−フォスフォ−D−グルコネートになる。この6−フォスフォ−D−グルコネートは、酸化酵素PhGDHの作用により、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに酸化される。
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、GDHの場合、補酵素にはNAD+ が用いられる。すなわち、GDHの作用によりβ−D−グルコースがD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されるとNAD+ がNADHに還元され、プロトン(H+ )を発生する。
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して負極15、19の電極に渡され、H+ はそれぞれプロトン伝導体14、20を通って正極13、21へ輸送される。
燃料保持容器28のうちのプロトン伝導体14、20以外の部分は、これらのプロトン伝導体14、20と同一の材料により構成してもよいし、他の材料、例えばナイロンなどにより構成してもよい。
このバイオ燃料電池は、燃料を連続的に供給可能に構成されていることが第1の実施形態によるバイオ燃料電池と異なる。すなわち、図5に示すように、このバイオ燃料電池においては、燃料保持容器28に燃料供給用のチューブ28aおよび排出用のチューブ28bが取り付けられており、チューブ28aを通して外部から燃料を燃料保持容器28に供給することができるようになっている。その他のことは第1の実施形態と同様である。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点に加えて、燃料を連続的に供給可能であるため、バイオ燃料電池を連続使用することが可能であるという利点を得ることができる。
このバイオ燃料電池においては、第1の実施形態によるバイオ燃料電池における第1の電池部26および第2の電池部27の組がn組(ただし、nは2以上の整数)積層されており、各組の間は所定の絶縁層(図示せず)により互いに電気的に分離されている。その他のことは第1の実施形態と同様である。
この第3の実施形態によれば、第1の電池部26および第2の電池部27の組をn組有するので、極めて高出力のバイオ燃料電池を得ることができる。
図6および図7はこのバイオ燃料電池を示し、図6はこのバイオ燃料電池の縦断面図、図7はこのバイオ燃料電池の横断面図である。
図6および図7に示すように、このバイオ燃料電池においては、中心軸29の外周面を覆うように、正極集電体12、正極13、プロトン伝導体14、負極15、負極集電体16、スペーサー17、負極集電体18、負極19、プロトン伝導体20、正極21、正極集電体22およびスペーサー23が順次積層されている。この場合、中心軸29の断面形状はほぼ四角形であるが、これに限定されるものではなく、円形などの他の形状であってもよい。この中心軸29はスペーサー11、23と同様に、酸化剤を含む気体を透過可能な構造を有する。その他のことは第1の実施形態と同様である。
この第4の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
このバイオ燃料電池においては、第4の実施形態によるバイオ燃料電池における第1の電池部26および第2の電池部27の組が中心軸29の周りにn組(ただし、nは2以上の整数)繰り返し設けられており、各組の間は所定の絶縁層(図示せず)により互いに電気的に分離されている。その他のことは第1および第4の実施形態と同様である。
この第5の実施形態によれば、第3の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この第6の実施形態によるバイオ燃料電池は、負極15、19の電極材に図8に示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第1の実施形態による燃料電池と同様な構成を有する。
図8Aはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図8Bはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図8AおよびBに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格41と、この骨格41の表面を被覆するカーボン系材料42とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料42に囲まれた多数の孔43が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔43同士は互いに連通している。カーボン系材料42の形態は問わず、繊維状(針状)、粒状などのいずれであってもよい。
この多孔体導電材料の多孔率は一般的には80%以上、より一般的には90%以上であり、孔43の径は、一般的には例えば9nm〜1mm、より一般的には9nm〜600μm、さらに一般的には1〜600μm、典型的には30〜400μm、より典型的には80〜230μmである。
図9Aに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金(例えば、発泡ニッケル)からなる骨格41を用意する。
次に、図9Bに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格41の表面にカーボン系材料42をコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格41の表面に噴射することによりカーボン系材料42をコーティングする。このカーボン系材料42のコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格41の多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料42に囲まれた多数の孔23同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。
上記以外のことは第1の実施形態と同様である。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極15、19にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。
このバイオ燃料電池においては、負極15、19に燃料としてデンプンが供給されるとこのデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってNAD+ が還元されてNADHが生成され、このNADHがジアホラーゼにより酸化されて2個の電子とNAD+ とH+ とに分離する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で2個の電子と2個のH+ とが生成される。2段階の酸化反応では合計4個の電子と4個のH+ とが生成される。こうして発生する電子は負極15、19の電極に渡され、H+ はプロトン伝導体14、20を通って正極13、21まで移動する。正極13、21では、このH+ が、外部から供給された酸素および負極15、19から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
上記以外のことは第1の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第7の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
Claims (19)
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極が順次積層され、
上記負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されている
ことを特徴とする燃料電池。 - 上記負極の少なくとも一部と接触した状態で上記燃料を保持するための容器を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記容器は燃料の供給口および排出口を有する密閉容器であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記第1のプロトン伝導体および上記第2のプロトン伝導体が上記容器の一部を構成していることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。
- 少なくとも上記第1の正極、上記第1のプロトン伝導体、第1の負極、燃料が透過可能な構造を有するスペーサー、第2の負極、上記第2のプロトン伝導体および上記第2の正極が順次積層された構造を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記第1の正極と接続された第1の集電体、上記第1の負極と接続された第2の集電体、上記第2の負極と接続された第3の集電体および上記第2の正極と接続された第4の集電体をさらに有することを特徴とする請求項5記載の燃料電池。
- 上記第1の正極、上記第1のプロトン伝導体、上記負極、上記第2のプロトン伝導体および上記第2の正極が板状または柱状の形状を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 少なくとも、気体が透過可能な構造を有する第1のスペーサー、上記第1の正極、上記第1のプロトン伝導体、上記負極、上記第2のプロトン伝導体、上記第2の正極および気体が透過可能な構造を有する第2のスペーサーが順次積層されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 気体が透過可能な構造を有する材料からなる中心軸の外周面を覆うように、少なくとも上記第1の正極、上記第1のプロトン伝導体、上記負極、上記第2のプロトン伝導体および上記第2の正極が順次積層されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記第1の正極、上記負極および上記第2の正極の少なくとも一つに上記酵素に加えて電子メディエーターが固定化されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記負極に酵素が固定化され、上記酵素が、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエータを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含むことを特徴とする請求項11記載の燃料電池。
- 上記補酵素の酸化体がNAD+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼであることを特徴とする請求項12記載の燃料電池。
- 上記酸化酵素がNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項11記載の燃料電池。
- 上記負極に酵素が固定化され、上記酵素が、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素および生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素がNAD+ 依存型グルコースデヒドロゲナーゼであることを特徴とする請求項15記載の燃料電池。
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の負極、第1のプロトン伝導体、正極、第2のプロトン伝導体および第2の負極が順次積層され、
上記第1の負極の少なくとも一部および上記第2の負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されている
ことを特徴とする燃料電池。 - 一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の正極、第1のプロトン伝導体、負極、第2のプロトン伝導体および第2の正極が順次積層され、
上記負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されているものである
ことを特徴とする電子機器。 - 一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記正極および上記負極の少なくとも一方に触媒として酵素が固定化されている燃料電池において、
少なくとも第1の負極、第1のプロトン伝導体、正極、第2のプロトン伝導体および第2の負極が順次積層され、
上記第1の負極の少なくとも一部および上記第2の負極の少なくとも一部と接触した状態で燃料が保持されるように構成されているものである
ことを特徴とする電子機器。
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