JP2009048848A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電構造、燃料供給孔を改善し、積層セル及び単セルの連結性を高めることにより、簡便に高い出力を得ることができ、かつ燃料補給が容易なバイオ燃料電池を提供する。
【解決手段】負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定されている燃料電池であって、外側面に他の燃料電池と接続するための端子３，４を設けると共に、上面に燃料を供給するための燃料供給孔６、及び燃料保持容器内の空気等を排気するための排気孔７を設ける。そして、一の燃料電池１のプラス端子３を、他の燃料電池１のマイナス端子４に嵌合させることにより、複数の燃料電池１を相互に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化還元酵素を用いた燃料電池に関する。より詳しくは、複数の燃料電池を直列又は並列に接続して使用するための技術に関する。

負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池（以下、酵素電池という。）は、例えばグルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では利用できない燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。

図１１は酵素電池の反応スキームを示す図である。図１１に示すグルコースを燃料とする酵素電池においては、負極でグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、正極で大気中の酸素（Ｏ_２）の還元反応が進行する。そして、負極では、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ^＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、ミディエーター、電極（カーボン）の順に電子が受け渡される。

一方、酵素電池等のバイオ燃料電池は、他の燃料電池に比べて出力が小さいという問題点がある。そこで、近年、高出力のバイオ燃料電池を得るための検討がなされている（例えば、特許文献１及び２参照。）。例えば、特許文献１に記載の酵素電池では、電極を多孔質構造の導電性部材で構成し、その孔内に酵素を固定することにより、実効面積あたりの酵素担持密度を高めて、電流密度の向上を図っている。

また、特許文献２に記載の酵素電池では、１つのセル内に複数の電池部を設けることにより、出力電流又は出力電圧の向上を図っている。図１２は特許文献２に記載の従来の酵素電池の構成を示す断面図である。図１２に示すように、特許文献２に記載の酵素電池１００では、空気を透過可能なスペーサ１０１，１０３の間に、正極集電体１０２、正極１０３、プロトン伝導体１０４、負極１０５、負極集電体１０６、燃料が透過可能なスペーサ１０７、負極集電体１０８、負極１０９、プロトン伝導体１１０、正極１１１、正極集電体１０２がこの順に配置されている。即ち、スペーサ１０７を挟むように、正極１０３、プロトン伝導体１０４及び負極１０５で構成される電池部１１５と、負極１０９、プロトン伝導体１１０及び正極１１１で構成される電池部１１６とが配置されている。そして、負極１０５，１０９には酵素が固定化されており、負極１０５，１０９、負極集電体１０６，１０８及びスペーサ１０７を包み込むように、燃料保持容器１１４が設けられている。

この酵素電池１００では、例えば、燃料保持容器１１４に燃料としてグルコース溶液を充填すると、負極１０５，１０９では、酵素によりグルコースが分解されて電子が取り出されると共に、Ｈ^＋が発生する。一方、正極１０３，１１１では、プロトン伝導体１１０，１０４を通って輸送されたＨ^＋と、負極１０５，１０９で取り出され外部回路を介して送られた電子と、空気中の酸素とが反応して水が生成する。そして、正極集電体１０２，１１２及び負極集電体１０６の間に負荷を接続することにより、２つの電池部１１５，１１６の出力電流を合わせた電流を負荷に流すことができ、従来よりも大きな出力電流及び電圧を得ることができる。
特開２００６−２３４７８８号公報 特開２００７−１８８８１０号公報

前述した特許文献１及び２に記載の技術は、体積あたりの出力密度が小さい酵素電池を効率良く積層してコンパクトにすることで、体積あたりの出力密度を高めたものであり、積層セル（多層セル）ユニットとしては大きな出力が得られる。しかしながら、この特許文献１及び２に記載の酵素電池には、セルの積層数が増えると、集電構造が複雑になると共に、燃料を供給するための手段も複雑になるという問題点がある。

また、このような積層セル又は単セルで構成される酵素電池を使用して、高出力の電子機器を動作するためには、複数の燃料電池を直列又は並列に接続する必要があるが、特許文献１及び２に記載の酵素電池のように、集電構造が複雑である場合、複数の電池を連結するための作業が繁雑になるという問題点がある。一方、単セルで構成される酵素電池についても同様に、従来、複数の酵素電池を容易に接続できる構造のものは開発されておらず、連結性に乏しいという問題点がある。

更に、燃料電池は、燃料を補給することで長時間の使用が可能であるが、液体状の燃料は液漏れが発生しやすく、液漏れを防止するために燃料保持容器の密封性を高めると、燃料が補給しにくくなるという問題点もある。

そこで、本発明は、集電構造、燃料供給孔を改善し、積層セル及び単セルの連結性を高めることにより、簡便に高い出力を得ることができ、かつ燃料補給が容易なバイオ燃料電池を提供することを主目的とする。

本発明に係る燃料電池は、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定されている燃料電池であって、他の燃料電池と接続するための端子と、電池内に燃料を供給するための燃料供給孔と、電池内の気体を排気するための排気孔とを有し、前記端子と前記燃料供給孔及び前記排気孔とが、相互に異なる面に配置されている。即ち、本発明の燃料電池では、端子が形成されていない面に、燃料供給孔及び排気孔が設けられている。
この燃料電池には、前記端子として、例えば、凸状のプラス端子と、凹状のマイナス端子とが設けられていてもよく、その場合、一の燃料電池のプラス端子を他の燃料電池のマイナス端子に嵌合させることにより、複数の燃料電池を相互に接続することができる。
また、前記燃料供給孔から供給された燃料を、燃料タンクの所定の位置及び／又は方向に導入するための燃料導入部を有していてもよい。
更に、前記排気孔には、前記燃料の漏出を防ぐための液溜まりが設けられていてもよい。

本発明によれば、必要に応じて複数個の電池を連結して使用することができるため、簡便に高い出力を得ることができ、更に、燃料供給孔及び空気排出孔は端子が形成されていない面に配置されているため、容易に燃料補給することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る燃料電池の使用形態を模式的に示す斜視図であり、図２は図１に示す各燃料電池の接続部を模式的に示す断面図である。本実施形態の燃料電池は、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定されている酵素電池であり、図１及び図２に示すように、その外側面に他の酵素電池１と接続するための端子３，４が設けられ、複数個の燃料電池１が直列に接続可能となっている。また、本実施形態の燃料電池１は、電池セルを収容する容器２の上面が開口しており、その開口部には燃料供給用又は排気用の複数の穴が形成された上蓋５が配置されている。

図３は本実施形態の燃料電池のプラス端子側の面を示す側面図であり、図４はマイナス端子側の面を示す側面図である。また、図５は本実施形態の燃料電池の内部を示す横断面図であり、図６は図５に示すＡ−Ａ線による断面図である。更に、図７は本実施形態の燃料電池の構成を示す図である。

図５〜図７に示すように、本実施形態の燃料電池１は、容器２の内部に、カソード（正極）スペーサ１１ａ、カソード（正極）集電体１４ａ、カソード（正極）１６ａ、プロトン伝導体１７ａ、アノード（負極）１２ａ、アノード（負極）集電体１５ａ、アノード（負極）スペーサ１３ａ、アノード集電体１５ｂ、アノード１２ｂ、プロトン伝導体１７ｂ、カソード１６ｂ、カソード集電体１４ｂ、カソードスペーサ１１ｂ、カソード集電体１４ｃ、カソード１６ｃ、プロトン伝導体１７ｃ、アノード１２ｃ、アノード集電体１５ｃ、アノードスペーサ１３ｂ、アノード集電体１５ｄ、アノード１２ｄ、プロトン伝導体１７ｄ、カソード１６ｄ、カソード集電体１４ｄ、カソードスペーサ１１ｃがこの順に配置されている。

そして、カソード１６ａ、プロトン伝導体１７ａ及びアノード１２ａで構成される第１電池部と、アノード１２ｂ、プロトン伝導体１７ｂ及びカソード１６ｂで構成される第２電池部とが並列に接続されると共に、カソード１６ｃ、プロトン伝導体１７ｃ及びアノード１２ｃで構成される第３電池部と、アノード１２ｄ、プロトン伝導体１７ｄ及びカソード１６ｄで構成される第４電池部とが並列に接続されている。更に、それぞれ並列に接続された第１及び第２電池部と、第３及び第４電池部とが直列に接続されている。即ち、本実施形態の燃料電池１は、図７に示すように、並列に接続された２組の電池部が直列に接続された構成となっている。

また、本実施形態の燃料電池１におけるカソード集電体１４ａ〜１４ｄ及びアノード集電体１５ａ〜１５ｄは、容器２の側面に設けられた各端子に接続されている。また、容器２の側面には、他の燃料電池１と接続するためのプラス端子３及びマイナス端子４も設けられている。そして、例えば、プラス端子３を凸状にすると共に、マイナス端子４を凹状とすれば、プラス端子３を他の燃料電池１のマイナス端子４に嵌合することで、燃料電池１同士を容易に連結することができる。また、図２に示す形状以外にも、例えば、プラス端子３を雄ねじ形状に、マイナス端子４を雌ねじ形状にすることもできる。その場合、プラス端子３をマイナス端子４に螺入すればよい。接続端子をこのような形状とすることにより、複数の燃料電池１を、容易にかつ確実に接続することができる。

一方、本実施形態の燃料電池１におけるアノード１２ａ〜１２ｄ及びカソード１６ａ〜１６ｄには、例えば、多孔質カーボン等からなる電極の表面に酸化還元酵素等が固定されたものを使用することができる。また、カソードスペーサ１１ａ〜１１ｃには、空気や酸素等の気体を外部から取り入れることが可能な絶縁材料により構成され、例えば、外部からの空気がカソード１６ａ〜１６ｄの表面に供給されやすいように、貫通孔や全体にわたって連通した空隙が形成されたプラスチック等を使用することができる。

本実施形態の燃料電池１のアノードスペーサ１３ａ，１３ｂは、グルコース溶液等の燃料が透過可能な絶縁材料で形成されており、燃料を保持する燃料タンクとしての機能も兼ねている。また、プロトン伝導体１７ａ〜１７ｄは、それぞれアノード１２ａ〜１２ｄで発生したＨ^＋をカソード１６ａ〜１６ｄに輸送するものであり、例えば、セロハン、ゼラチン及び含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂等のように、電子導電性がなくかつＨ^＋を輸送することが可能な材料で形成されている。更に、プロトン伝導体１７ａ〜１７ｄは燃料保持容器としての機能も備えており、プロトン導電体１７ａ，１７ｂにより、燃料タンクであるアノードスペーサ１３ａの周囲が覆われると共に、プロトン導電体１７ｃ，１７ｄにより、アノードスペーサ１３ｂの周囲が覆われ、更に、プロトン導電体１７ａ〜１７ｄの端部が密閉されている。即ち、本実施形態の燃料電池１では、プロトン伝導体１７ａ〜１７ｄでアノードスペーサ１３ａ，１３ｂの周囲を覆うことにより、燃料の液漏れを防止している。

また、図５及び図６に示すように、燃料保持容器の上方には、グルコース及びエタノール等の液体燃料を電池部に補給するための燃料供給孔６と、燃料保持容器内部の空気を外部に放出して容器内の圧力上昇を防止するための排気孔７が設けられている。この燃料供給孔６及び排気孔７の大きさは、燃料保持容器の密閉性を確保するため、できるだけ小さい方が好ましい。その場合、例えば、燃料の注入はシリンジ等を使用すれば容易に行うことができる。また、タンク内の気体と共に燃料が容器外に漏出することを防止するため、排気孔７には液だまり７ａを設けることが望ましい。

以下、本実施形態の燃料電池１における燃料供給方法について、説明する。図８〜図１０は本実施形態の燃料電池における燃料供給方法の例を示す概念図である。本実施形態の燃料電池１においては、図８に示すように、燃料タンク（アノードスペーサ１３ａ，１３ｂ）の上方から燃料を導入することもできるが、燃料供給孔６から供給された燃料を、燃料タンク（アノードスペーサ１３ａ，１３ｂ）の所定の位置及び／又は所定の方向に導入するための燃料導入部を備えていてもよい。この燃料導入部の具体例としては、例えば、図９に示すように、燃料タンク（アノードスペーサ１３ａ，１３ｂ）内に管を配置し、電極の下方から燃料を導入する構成が挙げられる。これにより、燃料タンクの内部に存在する空気を効率的に外部に排出することができるため、より多くの燃料をタンク内部まで注入することができると共に、反応により発生した気体（ＣＯ_２等）を燃料タンクの上方に押し上げて、排気する効果も期待できる。

また、図１０に示すように、燃料タンク（アノードスペーサ１３ａ，１３ｂ）内に毛細管構造を形成し、毛細管現象を利用して燃料を導入してもよい。これにより、圧力や流れを加えなくても、燃料タンク（アノードスペーサ１３ａ，１３ｂ）の外にある燃料を、内部に注入することができる。

上述したように、本実施形態の燃料電池１は、容器２の外側面に他の燃料電池と接続するためのプラス端子３及びマイナス端子４を設けているため、複数の電池を容易に接続することができる。このため、１個の電池では出力が足らない場合は、電池同士を連結するだけで、簡便に高い出力を得ることができる。

また、本実施形態の燃料電池１では、燃料供給孔６及び空気排出孔７を、端子３，４が設けられている面とは異なる面に設けているため、電池同士の連結性を向上させることができると共に、電池同士を連結した後でも、電池セル内に燃料を効率的に注入することができる。これにより、短時間での燃料供給が可能となり、初期出力が向上する。

なお、本実施形態においては、並列に接続された２組の電池部を直列に接続した積層セルを例に説明しているが、容器に収容される電池セルの構成は特に限定されるものではなく、本発明は上述した種々の構成の積層セル、又は単セルにも適用することができる。更に、電池セルの積層数が増加又は燃料タンクの容量が増大等のように、内部構造が変化した構成の燃料電池においても、本実施形態と同様の集電構造及び燃料供給孔を適用することが可能であり、その場合でも、上述した効果を得ることができる。

また、複数の電池を接続する方法も、直列に限定されるものではなく、複数の電池を並列に接続することも可能である。その場合は、プラス端子及びマイナス端子を配置する面を変更すればよい。即ち、本発明の燃料電池における端子の数及び位置は、接続形態に応じて適宜設定することができる。

同様に、燃料供給孔及び排気孔も、端子と異なる面に配置されていれば、その数及び位置は、電池の用途、接続形態及び電池セルに応じて、適宜設定することができる。例えば、上面及び下面にプラス端子及びマイナス端子を配置し、上下方向に積み上げるように複数の電池を接続することも可能である。その場合、燃料供給孔及び排気孔は、いずれかの側面に配置すればよい。

本発明の実施形態の燃料電池の使用形態を模式的に示す斜視図である。 図１に示す各燃料電池の接続部を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池のプラス端子側の面を示す側面図である。 本発明の実施形態の燃料電池のマイナス端子側の面を示す側面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の内部を示す横断面図である。 図５に示すＡ−Ａ線による断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の構成を示す図である。 本発明の実施形態の燃料電池における燃料供給方法の例を示す概念図である。 本発明の実施形態の燃料電池における燃料供給方法の例を示す概念図である。 本発明の実施形態の燃料電池における燃料供給方法の例を示す概念図である。 酵素電池の反応スキームを示す図である。 特許文献２に記載の従来の酵素電池の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 容器
３ プラス端子
４ マイナス端子
５ 上蓋
６ 燃料供給孔
７ 排気孔
１１ａ〜１１ｃ カソードスペーサ
１２ａ〜１２ｄ，１０５，１０９ アノード（負極）
１３ａ，１３ｂ アノードスペーサ（燃料タンク）
１４ａ〜１４ｄ，１０２，１１２ カソード集電体
１５ａ〜１５ｄ，１０６ アノード集電体
１６ａ〜１６ｄ，１０３，１１１ カソード（正極）
１７ａ〜１７ｄ，１０４，１１０ プロトン伝導体
１００ 酵素電池
１０１，１０７，１１３ スペーサ

Claims (4)

1. 負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定されている燃料電池であって、
   他の燃料電池と接続するための端子と、
   電池内に燃料を供給するための燃料供給孔と、
   電池内の気体を排気するための排気孔と、を有し、
   前記端子と前記燃料供給孔及び前記排気孔とが、相互に異なる面に配置されている燃料電池。
2. 前記端子として、凸状のプラス端子と、凹状のマイナス端子とが設けられており、一の燃料電池のプラス端子を他の燃料電池のマイナス端子に嵌合させることにより、複数の燃料電池が接続されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料供給孔から供給された燃料を、燃料タンクの所定の位置及び／又は方向に導入するための燃料導入部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記排気孔には、前記燃料の漏出を防ぐための液溜まりが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。