JP2010219021A - 燃料電池、電子機器及びバイオセンサー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固定板10a,10bの間に、アノード11a、カソード12a及びプロトン伝導体18bで構成される第1電池部と、アノード11b、カソード12b及びプロトン伝導体18bで構成される第2電池部とを設ける。そして、固定板10a,10bとカソード12a,12bとの間に配置された気液分離透過膜17a,17b、カソード12a,12bの周囲に設けられたカソードスペーサ14a,14b、及びアノード11a,11b間に設けられたアノードスペーサ13により囲まれる空間内に、燃料溶液を充填する。
【選択図】図3
Description
本発明においては、正極にも燃料溶液が接触する浸水系の多層セル構造としているため、酸素供給性は当然ながら、燃料や電解液の供給性能も向上し、更に、外部環境の影響も受けにくくなる。これにより、初期発電性能及び体積出力密度が大幅に向上すると共に、出力が安定する。
この燃料電池では、前記正極として、複数の電極が間隔を空けて分割配置されていてもよい。
その場合、前記正極を構成する電極は、その表面の少なくとも一部が撥水性であることが望ましい。
また、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、を設け、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することもできる。
その場合、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。
また、1又は複数の磁石を設け、前記端子同士を磁力により相互に接続することもできる。
更に、この燃料電池は、例えばコイン型又は筒型電池とすることもできる。
本発明においては、電源として、浸水多層セル構造のバイオ燃料電池を使用しているため、初期発電性能及び体積出力密度が高く、安定した出力が得られる。
本発明においては、正極にも測定対象の試料溶液が接触する浸水系の多層セル構造であるため、初期発電性能及び体積出力密度が大幅に向上する。これにより、検出感度が向上すると共に、出力が安定し、更に小型化しやすくなる。
1.第1の実施の形態 (浸水系多層セル構造のバイオ燃料電池の例)
2.第2の実施の形態 (浸水系単層セル構造のバイオ燃料電池の例)
3.第1及び第2の実施の形態の変形例
4.第3の実施の形態 (浸水系多層セル構造のバイオセンサーの例)
[全体構造]
先ず、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池について説明する。図1は本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。また、図2(a)及び(b)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り、図2(b)は図2(a)に示すA−A線による断面図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池1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バイオ燃料電池であり、容器2内に電池セルが収容されている。
図3は図1に示す各燃料電池1の内部構造を示す断面図である。なお、図3は図2に示すA−A線による断面に相当するものである。図3に示すように、本実施形態の燃料電池1は、その内部に複数の電池部(単セル)が設けられており、各電池部は負極及び正極がいずれも燃料溶液に接触する浸水系多層セル構造となっている。具体的には、固定板10a,10bの間に、アノード(負極)11a、カソード(正極)12a及びプロトン伝導体18bで構成される第1電池部と、アノード11b、カソード12b及びプロトン伝導体18bで構成される第2電池部とが設けられている。
アノード11a,11bは、導電性多孔質材料からなる電極の表面に、酸化還元酵素が固定化されている。そして、アノード11a,11bでは、表面に固定化された酵素により燃料を分解して、電子を取り出すと共に、プロトン(H+)を発生する。このアノード11a,11bを形成する導電性多孔質材料には、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。一方、アノード11a,11bの表面に固定化される酵素としては、例えば燃料がグルコースである場合は、グルコースを分解するグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)を使用することができる。
カソード12a,12bは、導電性多孔質材料からなる電極の表面に、酸化還元酵素及び電子メディエーターが固定化されている。そして、アノード11a,11bからプロトン伝導体18a,18bを通って輸送されたプロトンと、アノード11a,11bから外部回路を通って送られた電子と、例えば空気中の酸素とにより水を生成する。カソード12a,12bを形成する導電性多孔質材料には、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。
図4に示すように、本実施形態の燃料電池1では、前述したカソード12a,12bの周囲に、カソードスペーサ14a,14bが配設されている。これらカソードスペーサ14a,14bは、セル内の空気及び燃料溶液の漏出を防止するシール材であり、例えばシリコーン樹脂やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などの気体及び液体を透過しない高密度なプラスチック材料で形成されている。そして、カソードスペーサ14a,14bの内側は、燃料溶液で満たされる。なお、これらカソードスペーサ14a,14bには、アノードスペーサ13などに固定するための複数の孔が設けられていてもよい。
プロトン伝導体18a,18bは、アノード11a,11bで発生したプロトン(H+)を、カソード12a,12bに輸送するものであり、電子導電性がなくかつプロトン(H+)を輸送することが可能な材料で形成されている。このような特性を持つ材料としては、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などが挙げられる。また、プロトン伝導体18a,18bとして、電解質を使用することもできる。その場合、不織布などをセパレータとして使用し、これに電解質を染み込ませることにより、容易に電池内に組み込むことが可能となる。
アノードスペーサ13は、面方向に複数の貫通孔(図示せず)が形成されており、燃料や電解液が透過可能となっている。また、アノードスペーサ13の両端部は、燃料溶液の漏出を防止するシール材として機能する。そして、本実施形態の燃料電池1においては、アノードスペーサ13が、燃料を保持する燃料タンクとしての役割も担っている。このアノードスペーサ13は、絶縁性であればよく、例えばアクリル樹脂などの硬質なプラスチック材料で形成することができる。
気液分離透過膜17a,17bは、液体は透過せずに気体のみを透過する膜であり、燃料溶液の漏出を防止しつつ、空気(酸素)が透過可能となっている。気液分離透過膜17a,17bとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidine difluoride:PVDF)やPTFEからなる膜、又はPVDFやPTFEを表面に塗布して多孔質膜化したものなどを使用することができる。なお、気液分離透過膜17a,17bはこれらに限定されるものではなく、公知のものを適宜選択して使用することができる。
固定板10a,10bは、両側から挟み込むことで、各部材の位置を固定するものであり、表面をアルマイト加工したアルミニウム板などの硬質な材料で形成されている。また、その面方向には複数の貫通孔(図示せず)が形成されており、空気(酸素)が透過可能となっている。
更に、本実施形態の燃料電池1は、他の燃料電池1と相互に接続可能となっている。その接続方法としては、例えば、図2(b)に示すように、容器2の内側面に1又は複数の磁石8を配設し、その磁力により燃料電池1同士を引き寄せ、端子3と端子4とを接触させる方法がある。その際、磁石8の向きは、プラス端子3とマイナス端子4とが引き寄せられるように配置されていればよい。なお、図2では、端子3,4のみが接触し、容器2間には隙間が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、端子3,4と共に容器2自体も接触していてもよい。
本実施形態の燃料電池1では、容器2の上面に、グルコース及びエタノールなどの液体燃料を電池部に補給するための燃料供給孔6と、容器2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など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溶液が容器外に漏出することを防止するため、排気孔7には液だまりを設けることが望ましい。
[全体構造]
次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池について説明する。図6は本実施形態の燃料電池を模式的に示す斜視図であり、図7はその内部構造を示す断面図である。図6に示すように、本実施形態の燃料電池21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バイオ燃料電池であり、容器22内に1つの電池部からなる電池セルが収容されている。また、この燃料電池21においても、前述した第1の実施形態と同様に、容器22の上部が開口しており、その開口部には燃料供給用又は排気用の複数の穴(燃料供給孔26,排気孔27)を備えた上蓋25が載設されている。更に、容器22の外側面には端子が設けられており、複数の燃料電池21が直列又は並列に接続可能となっている。
図7に示すように、本実施形態の燃料電池21は、固定板20a,20bの間に、アノード(負極)11、カソード(正極)12及びプロトン伝導体18で構成される電池部が設けられている。具体的には、固定板20a,20bの間に気液分離透過膜17a、カソード12、カソード集電体16、プロトン導電体18、アノード11、アノード集電体15、アノードスペーサ19、気液分離透過膜17bがこの順に配置されている。
次に、前述した第1及び第2の実施形態の変形例に係る燃料電池について説明する。図8は本変形例に係る燃料電池の形態を示す斜視図である。また、図9は図8に示す燃料電池の正面図、図10は背面図、図11は右側面図、図12は左側面図、図13は上面図、図14は底面図である。更に、図15は図9に示すA−A線による断面図、図16はB−B線による断面図、図17はC−C線による断面図である。
[全体構造]
次に、本発明の第3の実施形態に係るバイオセンサーについて説明する。本実施形態のバイオセンサーは、燃料溶液の代わりに、検出対象物を含む試料溶液を充填する以外は、前述した第1の実施形態の燃料電池と同様である。即ち、本実施形態のバイオセンサーは、アノードとカソードとがプロトン伝導体を介して対向対置された複数のセルを有し、アノード又はカソード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、アノード及びカソードのいずれにも試料溶液が接触する構成となっている。
2、22 容器
3、4、23 端子
5、25 上蓋
6、26 燃料供給孔
7、27 排気孔
8 磁石
10a、10b、20a、20b 固定板
11、11a、11b アノード
12、12a、12b カソード
13、19 アノードスペーサ
14、14a、14b カソードスペーサ
15、15a、15b アノード集電体
16、16a、16b カソード集電体
17a、17b 気液分離透過膜
18a、18b プロトン伝導体
Claims (9)
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向対置された複数のセルを有し、
前記正極又は負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おり、
前記正極及び負極のいずれにも燃料溶液が接触する構成の燃料電池。 - 前記正極として、複数の電極が間隔を空けて分割配置されている請求項1に記載の燃料電池。
- 前記正極を構成する電極は、その表面の少なくとも一部が撥水性である請求項2に記載の燃料電池。
- 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請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 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請求項4に記載の燃料電池。
- 内部に1又は複数の磁石を備え、前記端子同士を磁力により接続する請求項4又は5に記載の燃料電池。
- コイン型又は筒型電池である請求項1に記載の燃料電池。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池が搭載された電子機器。
- 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向対置された複数のセルを有し、
前記正極又は負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おり、
前記正極及び負極のいずれにも試料溶液が接触する構成のバイオセンサー。
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