JP2011204420A - Biofuel cell system - Google Patents

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Daisuke Yamaguchi
大介 山口
Hideyuki Kumita
英之 汲田
Hiroki Sugiyama
太喜 杉山
Ryuhei Matsumoto
隆平 松本
Yuichi Tokita
裕一 戸木田
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Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biofuel cell system, capable of obtaining desired battery performance by preventing of failures or output deterioration of a battery due to supply of inappropriate liquid, by automatic determining the degree of adaptation of liquid supplied by a user as a fuel solution.SOLUTION: The biofuel cell system is provided with an inlet 5 for leading-in a liquid from the outside; a cell electrode 4 as a reacting field of redox reaction of fuel by using oxidoreductase as catalyst; and a control means (a controller 3, a switching valve 6 and a sensor electrode 7) for automatically determining the degree of adaptation of liquid as fuel solution and controlling supplying of the liquid to the cell electrode.

Description

本発明は、バイオ燃料電池システムに関する。より詳しくは、外部から供給される液体の燃料溶液としての適合度を自動判定して、電極への供給を制御する機構を備えるバイオ燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a biofuel cell system. More specifically, the present invention relates to a biofuel cell system including a mechanism for automatically determining the suitability of a liquid supplied from the outside as a fuel solution and controlling the supply to an electrode.

近年、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を固定したバイオ燃料電池が開発されてきている。バイオ燃料電池では、グルコースやエタノールなどの通常の工業触媒では反応が困難な燃料から効率良く電子を取り出して高い容量を得ることができる。このため、バイオ燃料電池では、燃料溶液としてグルコースやエタノールなどを含む飲料などの液体を用いることも可能となる。例えば、特許文献1には、飲料を燃料とする燃料電池部を備えた電力供給装置が開示されている。   In recent years, biofuel cells in which an oxidoreductase is immobilized as a catalyst on at least one of an anode and a cathode have been developed. In a biofuel cell, a high capacity can be obtained by efficiently extracting electrons from a fuel that is difficult to react with normal industrial catalysts such as glucose and ethanol. For this reason, in the biofuel cell, it is also possible to use a liquid such as a beverage containing glucose or ethanol as the fuel solution. For example, Patent Literature 1 discloses a power supply device including a fuel cell unit that uses beverage as fuel.

特開2009−048858号公報JP 2009-048858 A

バイオ燃料電池の燃料溶液として、グルコースやエタノール等を含む市販の飲料などの液体を用いることができれば、燃料電池の課題である燃料調達の問題を解決できると期待される。しかし、グルコースやエタノールなどを含み得る液体には、多種類の飲料や飲料以外の液体もあり、これらの中には当然にバイオ燃料電池の燃料溶液として適するものと適さないものが含まれる。   If a liquid such as a commercially available beverage containing glucose or ethanol can be used as a fuel solution for a biofuel cell, it is expected that the problem of fuel procurement, which is a problem of the fuel cell, can be solved. However, liquids that may contain glucose, ethanol, and the like include many types of beverages and liquids other than beverages, and naturally these include those that are suitable as fuel solutions for biofuel cells and those that are not suitable.

そのため、バイオ燃料電池のユーザが不適当な液体を燃料溶液として使用してしまった場合には、電極上に固定された酸化還元酵素が失活して電池が機能しなくなったり、燃料の酸化還元反応の効率が低くなって期待した電池性能が得られなかったりすることが考えられる。   Therefore, if a biofuel cell user uses an inappropriate liquid as a fuel solution, the redox enzyme immobilized on the electrode is deactivated and the cell does not function, or the fuel redox It is conceivable that the expected battery performance may not be obtained due to low reaction efficiency.

そこで、本発明は、ユーザが供給した液体の燃料溶液としての適合度を自動判定して、不適当な液体の供給による電池の故障や出力低下を防止し、所望の電池性能を得ることが可能なバイオ燃料電池システムを提供することを主な目的とする。   Therefore, the present invention can automatically determine the suitability of a user-supplied liquid as a fuel solution to prevent battery failure and output reduction due to improper liquid supply and obtain desired battery performance. The main purpose is to provide a biofuel cell system.

上記課題解決のため、本発明は、外部から液体が導入される導入口と、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電池電極と、液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、電池電極への液体の供給を制御する制御手段と、を備えるバイオ燃料電池システム及びバイオ燃料電池を提供する。
このバイオ燃料電池システム等において、前記制御手段は、前記導入口から前記電池電極への前記液体の供給路に配設された切換弁と、導入口と切換弁との間に液体と接触可能に配され、酸化還元酵素が固定されたセンサー電極と、を含んでなり、液体と接触したセンサー電極で測定される電流値に基づいて、液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、液体が燃料溶液として適当と判定された場合に切換弁を開放して液体を電池電極に供給し、不適当と判定された場合に切換弁を閉鎖して液体の電池電極への供給を停止するものとすることができる。
外部からの供給された液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、電池電極への液体の供給を制御することで、不適当な液体の供給による故障や出力低下を防止できる。
このバイオ燃料電池システム等において、前記電池電極上及び前記センサー電極上の酸化還元酵素が同一の酵素であることが好ましい。
さらに、前記センサー電極は、前記電池電極を構成する電池電極正極上の酸化還元酵素と同一の酵素を有するセンサー電極正極と、電池電極を構成する電池電極負極上の酸化還元酵素と同一の酵素を有するセンサー電極負極と、からなる対電極とされることが好ましい。
センサー電極上の酸化還元酵素を電池電極上の酵素と同一にすることで、及び/又はセンサー電極を上記対電極とすることで、外部からの供給された液体を燃料溶液とした際の電池性能を正確に判定して、電池電極への液体の供給を制御することができる。
In order to solve the above problems, the present invention provides an inlet for introducing a liquid from the outside, a battery electrode serving as a reaction field for a redox reaction of a fuel using an oxidoreductase as a catalyst, and a suitability as a liquid fuel solution A biofuel cell system and a biofuel cell, comprising: a control unit that automatically determines whether the liquid is supplied to the battery electrode.
In this biofuel cell system or the like, the control means can contact the liquid between the switching valve disposed in the liquid supply path from the inlet to the battery electrode and between the inlet and the switching valve. And a sensor electrode on which the oxidoreductase is immobilized, and based on the current value measured at the sensor electrode in contact with the liquid, the suitability of the liquid as a fuel solution is automatically determined, When it is determined that the fuel solution is appropriate, the switching valve is opened to supply the liquid to the battery electrode, and when it is determined to be inappropriate, the switching valve is closed to stop supplying the liquid to the battery electrode. can do.
By automatically determining the suitability of the liquid supplied from the outside as a fuel solution and controlling the supply of the liquid to the battery electrode, it is possible to prevent a failure or a decrease in output due to an inappropriate supply of liquid.
In this biofuel cell system or the like, it is preferable that the oxidoreductase on the battery electrode and the sensor electrode are the same enzyme.
Further, the sensor electrode comprises a sensor electrode positive electrode having the same enzyme as the oxidoreductase on the battery electrode positive electrode constituting the battery electrode, and an enzyme identical to the oxidoreductase on the battery electrode negative electrode constituting the battery electrode. Preferably, the counter electrode is composed of a sensor electrode negative electrode.
Battery performance when the externally supplied liquid is used as a fuel solution by making the oxidoreductase on the sensor electrode the same as the enzyme on the battery electrode and / or by using the sensor electrode as the counter electrode. Can be accurately determined to control the supply of the liquid to the battery electrode.

本発明により、ユーザが燃料溶液として供給した液体の燃料としての適合度を自動判定して、不適当な液体の供給による電池の故障や出力低下を防止し、所望の電池性能を得ることが可能なバイオ燃料電池システムが提供される。   According to the present invention, it is possible to automatically determine the suitability of a liquid supplied by a user as a fuel solution as a fuel, prevent a battery failure or a decrease in output due to an inappropriate liquid supply, and obtain a desired battery performance. A biofuel cell system is provided.

本発明に係るバイオ燃料電池システムの内部構成を説明する図である。It is a figure explaining the internal structure of the biofuel cell system which concerns on this invention. 本発明に係るバイオ燃料電池システムの機能的構成を説明する図である。It is a figure explaining the functional structure of the biofuel cell system which concerns on this invention.

以下、本発明を実施するための好適な形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、説明は以下の順序で行う。

1.バイオ燃料電池システムの内部構成
(1)全体構成
(2)電池ユニット
(3)コントローラ
2.バイオ燃料電池システムの機能的構成
(1)出力検知部
(2)制御部
(3)表示部
(4)燃料溶液としての適合度の具体例
Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described. In addition, embodiment described below shows an example of typical embodiment of this invention, and, thereby, the range of this invention is not interpreted narrowly. The description will be given in the following order.

1. 1. Internal configuration of biofuel cell system (1) Overall configuration (2) Battery unit (3) Controller Functional configuration of biofuel cell system (1) Output detection unit (2) Control unit (3) Display unit (4) Specific examples of suitability as a fuel solution

1.バイオ燃料電池システムの内部構成
(1)全体構成
図1は、本発明に係るバイオ燃料電池システムの内部構成を説明する図である。図中、符号1で示すバイオ燃料電池システムは、大略、電池部ユニット2とコントローラ3とから構成される。なお、以下では、バイオ燃料電池システムの構成について説明するが、本発明に係るバイオ燃料電池も同様の構成を有するものである。
1. Internal Configuration of Biofuel Cell System (1) Overall Configuration FIG. 1 is a diagram illustrating an internal configuration of a biofuel cell system according to the present invention. In the figure, the biofuel cell system denoted by reference numeral 1 is generally composed of a battery unit 2 and a controller 3. In the following, the configuration of the biofuel cell system will be described, but the biofuel cell according to the present invention has the same configuration.

(2)電池ユニット
電池ユニット2は、酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電池電極4と、外部から液体(燃料溶液)が導入される導入口5と、を有している。バイオ燃料電池システム1に外部から燃料溶液として供給される液体は、導入口5に注入され、図中ブロック矢印で示す供給路を通流して電池電極4に供給され、電池電極4上の酸化還元酵素を触媒とした酸化還元反応に供される。
(2) Battery Unit The battery unit 2 has a battery electrode 4 that serves as a reaction field for the oxidation-reduction reaction of fuel using an oxidoreductase as a catalyst, and an inlet 5 through which a liquid (fuel solution) is introduced from the outside. is doing. A liquid supplied as a fuel solution from the outside to the biofuel cell system 1 is injected into the introduction port 5, flows through a supply path indicated by a block arrow in the figure, and is supplied to the battery electrode 4, and redox on the battery electrode 4. It is subjected to an oxidation-reduction reaction using an enzyme as a catalyst.

[燃料溶液]
導入口5に導入される燃料溶液は、バイオ燃料電池の燃料として使用可能な物質であって、電池電極4上の酸化還元酵素の基質となり得る物質を一以上含む液体であることが好ましい。燃料として使用可能な物質は、例えば、糖、アルコール、アルデヒド、脂質又はタンパク質などが挙げられる。具体的には、グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類、酢酸、蟻酸、ピルビン酸等の有機酸などが挙げられる。この他にも、脂肪類やタンパク質、これらの糖代謝の中間生成物である有機酸などが挙げられる。
[Fuel solution]
The fuel solution introduced into the introduction port 5 is preferably a liquid that can be used as a fuel for a biofuel cell and contains one or more substances that can serve as a substrate for the oxidoreductase on the battery electrode 4. Examples of substances that can be used as fuel include sugars, alcohols, aldehydes, lipids, and proteins. Specific examples include sugars such as glucose, fructose, and sorbose, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, glycerin, and polyvinyl alcohol, aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, and organic acids such as acetic acid, formic acid, and pyruvic acid. It is done. In addition, fats and proteins, organic acids that are intermediate products of these sugar metabolisms, and the like can be mentioned.

[電池電極]
電池電極4は、上述の物質の酸化反応により、電子を取り出す燃料極(負極)と、外部から供給される酸素の還元反応を行なう空気極(正極)とからなる。負極(アノード)及び正極(カソード)の材料は、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されず、例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge、Hfなどの金属、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素材、HfB2、NbB、CrB2、B4Cなどのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2、TaSi2などのケイ化物、及びこれらの合材等を用いることができる。
[Battery electrode]
The battery electrode 4 includes a fuel electrode (negative electrode) that extracts electrons by an oxidation reaction of the above-described substances and an air electrode (positive electrode) that performs a reduction reaction of oxygen supplied from the outside. The material of the negative electrode (anode) and the positive electrode (cathode) is not particularly limited as long as it is a material that can be electrically connected to the outside. For example, Pt, Ag, Au, Ru, Rh, Os, Nb, Mo, In, Ir, Zn, Mn, Fe, Co, Ti, V, Cr, Pd, Re, Ta, W, Zr, Ge, Hf and other metals, alumel, brass, duralumin, bronze, nickel, platinum rhodium, hyperco, permalloy, permendur, German silver, an alloy such as phosphor bronze, conductive polymers such as polyacetylenes, graphite, carbon materials such as carbon black, HfB 2, NbB, borides such as CrB 2, B 4 C, TiN , such as ZrN nitrides, VSi 2, NbSi 2, MoSi 2, silicides such as TaSi 2, and these can be used mixed material, or the like.

[集電体]
アノード及びカソードには、電極と同様の材料で形成され、アノードで放出された電子を外部回路を介してカソードに送り込むためのアノード集電体及びカソード集電体が接続される。
[Current collector]
The anode and the cathode are formed of the same material as the electrode, and are connected to an anode current collector and a cathode current collector for sending electrons emitted from the anode to the cathode via an external circuit.

[プロトン伝導体]
アノード及びカソードは、図示しないプロトン伝導体を介して配設される。プロトン伝導体に用いる材料は、電子伝導性がなく、且つ、Hの輸送が可能な電解質であれば特に限定されず、公知のあらゆる材料を選択して用いることができる。
[Proton conductor]
The anode and the cathode are disposed via a proton conductor (not shown). The material used for the proton conductor is not particularly limited as long as the electrolyte has no electronic conductivity and can transport H + , and any known material can be selected and used.

プロトン伝導体には、例えば、緩衝物質を含む電解質を用いることができる。緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム(NaHPO)やリン酸二水素カリウム(KHPO)などが生成するリン酸二水素イオン(HPO−)、2−アミノ−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール(略称トリス)、2−(N−モルホリノ)エタンスルホン酸(MES)、カコジル酸、炭酸(HCO)、クエン酸水素イオン、N−(2−アセトアミド)イミノ二酢酸(ADA)、ピペラジン−N,N’−ビス(2−エタンスルホン酸)(PIPES)、N−(2−アセトアミド)−2−アミノエタンスルホン酸(ACES)、3−(N−モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−2−エタンスルホン酸(HEPES)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−3−プロパンスルホン酸(HEPPS)、N−[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(略称トリシン)、グリシルグリシン、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)グリシン(略称ビシン)、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体(ヒスチジン、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、イミダゾール−2−カルボン酸エチル、イミダゾール−2−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−4−カルボン酸、イミダゾール−4,5−ジカルボン酸、イミダゾール−1−イル−酢酸、2−アセチルベンズイミダゾール、1−アセチルイミダゾール、N−アセチルイミダゾール、2−アミノベンズイミダゾール、N−(3−アミノプロピル) イミダゾール、5−アミノ−2−(トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、4−アザベンズイミダゾール、4−アザ−2−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、1−ベンジルイミダゾール、1−ブチルイミダゾール)などのイミダゾール環を含む化合物などを挙げることができる。また、固体電解質であるナフィオン類等も用いることができる。 For the proton conductor, for example, an electrolyte containing a buffer substance can be used. Examples of buffer substances include sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), and the like, and dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 —), 2-amino-2. -Hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviation Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), hydrogen citrate ion, N- (2- Acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2-aminoethanesulfonic acid (ACES), 3- (N -Morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N'-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethyl Perazine-N′-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviation tricine), glycylglycine, N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine (abbreviation bicine) Imidazole, triazole, pyridine derivative, bipyridine derivative, imidazole derivative (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole-2-carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde , Imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetylimidazole, 2-aminobenzimidazole N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercaptobenzimidazole, benzimidazole, 1-benzylimidazole And compounds containing an imidazole ring such as 1-butylimidazole). Moreover, Nafion etc. which are solid electrolytes can also be used.

[アノード酵素類]
電池電極4のアノード上の酸化酵素は、上述の物質の酸化反応を触媒し、電子を取り出すための酵素とされる。
このような酵素として、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート5デヒドロゲナーゼ、グルコネート2デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒドー3リン酸デヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、スクロースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルボースデヒドロゲナーゼ、ピルベートデヒドロゲナーゼ、イソシレートデヒドロゲナーゼ、2−オキソグルタレートデヒドロゲナーゼ、スクシネートデヒドロゲナーゼ、マレートデヒドロゲナーゼ、アシルーCoAデヒドロゲナーゼ、L-3-ヒドロキシアシルーCoAデヒドロゲナーゼ、3−ヒドロキシプロピオネートデヒドロゲナーゼ、3−ヒドロキシブチレートデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。
[Anode enzymes]
The oxidase on the anode of the battery electrode 4 is an enzyme that catalyzes the oxidation reaction of the above-described substances and extracts electrons.
Examples of such enzymes include glucose dehydrogenase, gluconate 5 dehydrogenase, gluconate 2 dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, aldehyde reductase, aldehyde dehydrogenase, lactate dehydrogenase, hydroxy parvate reductase, glycerate dehydrogenase, formate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, galactose dehydrogenase, malic acid Dehydrogenase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, lactate dehydrogenase, sucrose dehydrogenase, fructose dehydrogenase, sorbose dehydrogenase, pyruvate dehydrogenase, isosylate dehydrogenase, 2-oxoglutarate dehydrogenase, succinate dehydrogenase Examples include hydrogenase, malate dehydrogenase, acyl-CoA dehydrogenase, L-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, 3-hydroxypropionate dehydrogenase, and 3-hydroxybutyrate dehydrogenase.

また、アノードには、上記の酸化酵素に加え、酸化型補酵素及び補酵素酸化酵素を固定してもよい。酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(nicotinamideadenine dinucleotide、以下「NAD+」と表記する)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(nicotinamideadenine dinucleotide phosphate、以下「NADP+」と表記する)フラビンアデニンジヌクレオチド(flavin adenine dinucleotide、以下「FAD+」と表記する。)、ピロロキノリンキノン(pyrrollo-quinoline quinone、以下「PQQ2+」と表記する)などが挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアホラーゼが挙げられる。   In addition to the above oxidase, an oxidized coenzyme and a coenzyme oxidase may be fixed to the anode. Examples of the oxidized coenzyme include nicotinamide adenine dinucleotide (nicotinamide adenine dinucleotide, hereinafter referred to as “NAD +”), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter referred to as “NADP +”), and flavin adenine dinucleotide. And nucleotides (flavin adenine dinucleotide, hereinafter referred to as “FAD +”), pyrrolo-quinoline quinone (hereinafter referred to as “PQQ2 +”), and the like. Examples of the coenzyme oxidase include diaphorase.

さらに、アノードには、上記の酸化酵素及び酸化型補酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。発生した電子の電極への受け渡しをスムーズにするためである。電子伝達メディエーターとしては、様々な材料を用いることができるが、キノン骨格を有する化合物あるいはフェロセン骨格を有する化合物を使用することが好ましく、キノン骨格を有する化合物としては特に、ナフトキノン骨格あるいはアントラキノン骨格を有する化合物が好適である。さらに、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物やフェロセン骨格を有する化合物と共に、電子伝達メディエーターとして作用する1種又は2種以上の他の化合物を併用して固定化してもよい。   Furthermore, in addition to the above oxidase and oxidized coenzyme, an electron transfer mediator may be fixed to the anode. This is for smooth delivery of the generated electrons to the electrodes. Although various materials can be used as the electron transfer mediator, it is preferable to use a compound having a quinone skeleton or a compound having a ferrocene skeleton, and the compound having a quinone skeleton particularly has a naphthoquinone skeleton or an anthraquinone skeleton. Compounds are preferred. Furthermore, if necessary, together with a compound having a quinone skeleton or a compound having a ferrocene skeleton, one or more other compounds acting as an electron transfer mediator may be used in combination.

具体例を挙げると、ナフトキノン骨格を有する化合物としては、例えば、2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)、2−アミノ−3−メチル−1,4−ナフトキノン(AMNQ)、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)、2,3−ジアミノ−1,4−ナフトキノン、4−アミノ−1,2−ナフトキノン、2−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン、2−メチル−3−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン、ビタミンK(2-methyl-3-phyty1,4-naphthoquinone)、ビタミンK(2-farnesyl-3-methyl-1,4-naphtoquinone)、ビタミンK(2-methy 1,4-naphthoquinone)、などを用いることができる。また、キノン骨格を有する化合物としては、例えば、anthraquinone-1-sulfonate、anthraquinone-2-sulfonateなどのようなアントラキノン骨格を有する化合物やその誘導体を用いることもできる。またフェロセン骨格を有する化合物としては、例えば、ビニルフェロセン、ジメチルアミノメチルフェロセン、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン、ジメチルフェロセン、フェロセンモノカルボン酸などを用いることができる。さらに、その他の化合物としては、例えば、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、オスミウム(Os)、鉄(Fe)、コバルト(Co)などの金属錯体、ベンジルビオローゲンなどのビオローゲン化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物などを用いることができる。より具体的な一例を挙げると、例えば、cis-[Ru(NH3)4Cl2]1+/0、trans-[Ru(NH3)4Cl2]1+/0、[Co(dien)2]3+/2+、[Mn(CN)6]3-4-、[Mn(CN)6]4-/5-、[Mo2O3S(edta)]2-/3-、[Mo2O2S2(edta)]2-/3-、[Mo2O4(edta)]2-/3-、[Cr(edta)(H2O)]1-/2-、 [Cr(CN)6]3-/4-、methylene blue、pycocyanine、indigo-tetrasulfonate、luciferin、gallocyanine、pyocyanine、methyl apri blue、resorufin、indigo-trisulfonate、6,8,9-trimethyl-isoalloxazine、chloraphine、indigo disulfonate、nile blue、indigocarmine、9-phenyl-isoalloxazine、thioglycolic acid、2-amino-N-methyl phenazinemethosulfate、azure A、indigo-monosulfonate、anthraquinone-1,5-disulfonate、alloxazine、brilliant alizarin blue、crystal violet、patent blue、9-methyl-isoalloxazine、cibachron blue、phenol red、anthraquinone-2,6-disulfonate、neutral blue、bromphenol blue、anthraquinone-2,7-disulfonate、quinoline yellow、riboflavin、Flavin mononucleotide(FMN)、flavin adenine dinucleotide(FAD)、phenosafranin、lipoamide、safranine T、lipoic acid、indulin scarlet、4-aminoacridine、acridine、nicotinamideadenine dinucleotide(NAD)、nicotinamide adenine dinucleotidephosphate(NADP)、neutral red、cysteine、benzyl viologen(2+/1+)、3-aminoacridine、1-aminoacridine、methyl viologen(2+/1+)、2-aminoacridine、2,8-diaminoacridine、5-aminoacridineなどを用いることができる。なお、化学式中、dienはdiethylenetriamineを、edtaはethylenediaminetetraacetate tetraanioneをそれぞれ示す。 Specific examples of the compound having a naphthoquinone skeleton include, for example, 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1,4-naphthoquinone (AMNQ), 2-amino- 3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), 2,3-diamino-1,4-naphthoquinone, 4-amino-1,2-naphthoquinone, 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, 2-methyl-3 - hydroxy-1,4-naphthoquinone, vitamin K 1 (2-methyl-3 -phyty1,4-naphthoquinone), vitamin K 2 (2-farnesyl-3 -methyl-1,4-naphtoquinone), vitamin K 3 (2 -methy 1,4-naphthoquinone), etc. can be used. Further, as the compound having a quinone skeleton, for example, a compound having an anthraquinone skeleton such as anthraquinone-1-sulfonate, anthraquinone-2-sulfonate, or a derivative thereof can be used. Examples of the compound having a ferrocene skeleton include vinyl ferrocene, dimethylaminomethyl ferrocene, 1,1′-bis (diphenylphosphino) ferrocene, dimethyl ferrocene, and ferrocene monocarboxylic acid. Furthermore, as other compounds, for example, ruthenium (Ru), cobalt (Co), manganese (Mn), molybdenum (Mo), chromium (Cr), osmium (Os), iron (Fe), cobalt (Co), etc. Metal complexes, viologen compounds such as benzyl viologen, compounds having a nicotinamide structure, compounds having a riboflavin structure, compounds having a nucleotide-phosphate structure, and the like can be used. More specific examples include, for example, cis- [Ru (NH 3 ) 4 Cl 2 ] 1 + / 0 , trans- [Ru (NH 3 ) 4 Cl 2 ] 1 + / 0 , [Co (dien) 2 ] 3 + / 2 + , [Mn (CN) 6 ] 3-4- , [Mn (CN) 6 ] 4- / 5- , [Mo 2 O 3 S (edta)] 2- / 3- , [ Mo 2 O 2 S 2 (edta)] 2- / 3- , [Mo 2 O 4 (edta)] 2- / 3- , [Cr (edta) (H 2 O)] 1- / 2- , [Cr (CN) 6 ] 3- / 4-, methylene blue, pycocyanine, indigo-tetrasulfonate, luciferin, gallocyanine, pyocyanine, methyl apri blue, resorufin, indigo-trisulfonate, 6,8,9-trimethyl-isoalloxazine, chloraphine, indigo disulfonate , Nile blue, indigocarmine, 9-phenyl-isoalloxazine, thioglycolic acid, 2-amino-N-methyl phenazinemethosulfate, azure A, indigo-monosulfonate, anthraquinone-1,5-disulfonate, alloxazine, brilliant alizarin blue, crystal violet, patent blue , 9-methyl-isoalloxazine, cibachron blue, phenol red, anthraquinone-2,6-disulfonate, neutral blue, bromphenol blue, anthraquinone-2,7-disulfonate, quinoline yellow, riboflavin, Flavin mononucleotide (FMN), fl avin adenine dinucleotide (FAD), phenosafranin, lipoamide, safranine T, lipoic acid, indulin scarlet, 4-aminoacridine, acridine, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP), neutral red, cysteine, benzyl viologen (2 + / 1+), 3-aminoacridine, 1-aminoacridine, methyl viologen (2 + / 1 +), 2-aminoacridine, 2,8-diaminoacridine, 5-aminoacridine and the like can be used. In the chemical formula, dien represents diethylenetriamine and edta represents ethylenediaminetetraacetate tetraanione.

[カソード酵素類]
電池電極4のカソード上の酵素は、外部から供給される酸素の還元反応を触媒する酵素とされる。
このような酵素として、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素であって、例えば、ラッカーゼやビリルビンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、CueO、CotA等が挙げられる。
[Cathode enzymes]
The enzyme on the cathode of the battery electrode 4 is an enzyme that catalyzes the reduction reaction of oxygen supplied from the outside.
Examples of such enzymes include enzymes having oxidase activity using oxygen as a reaction substrate, and examples thereof include laccase, bilirubin oxidase, ascorbate oxidase, CueO, and CotA.

また、カソードには、上記の酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。アノードから送り込まれる電子の受け取りをスムーズにするためである。カソードに固定し得る電子伝達メディエーターは、アノードに用いる電子伝達メディエーターに比べて酸化還元電位が高ければよく、必要に応じて自由に選択することができる。   In addition to the above enzyme, an electron transfer mediator may be fixed to the cathode. This is for smooth reception of electrons sent from the anode. The electron transfer mediator that can be fixed to the cathode only needs to have a higher oxidation-reduction potential than the electron transfer mediator used for the anode, and can be freely selected as necessary.

具体例を挙げると、ABTS(2,2'-azinobis(3-ethylbenzoline-6-sulfonate))、K3[Fe(CN)6]、RuO4 0/1-、[Os(trpy)3]3+/2+、[Rh(CN)6]3-/4-、[Os(trpy)(dpy)(py)]3+/2+、IrCl6 2-/3-、[Ru(CN)6]3-/4-、OsCl6 2-/3-、[Os(py)2(dpy)2]3+/2+、[Os(dpy)3]3+/2+、CuIII/II(H2A3)0/1-、[Os(dpy)(py)4]3+/2+、IrBr6 2-/3-、[Os(trpy)(py)3]3+/2+、[Mo(CN)8]3-/4-、[Fe(dpy)]3+/2+、[Mo(CN)8]3-/4-、CuIII/II(H2G3a)0/1-、[Os(4,4'-Me2-dpy)3]3+/2+、[Os(CN)6]3-/4-、RuO4 1-/2-、[Co(ox)3]3-/4-、[Os(trpy)(dpy)Cl]2+/1+、I3-/I-、[W(CN)8]3-/4-、[Os(2-Me-Im)2(dpy)2]3+/2+、ferrocene carboxylic acid、[Os(Im)2(dpy)2]3+/2+、[Os(4-Me-Im)2(dpy)2]3+/2+、OsBr6 2-/3-、[Fe(CN)6]3-/4-、ferrocene ethanol、[Os(Im)2(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[Co(edta)]1-/2-、[Co(pdta)]1-/2-、[Co(cydta)]1-/2-、[Co(phen)3]3+/2+、[OsCl(1-Me-Im)(dpy)2]3+/2+、[OsCl(Im)(dpy)2]3+/2+、[Co(5-Me-phen)3]3+/2+、[Co(trdta)]1-/2-、[Ru(NH3)5(py)]3+/2+、[Co(dpy)3]2+/3+、[Ru(NH3)5(4-thmpy)]3+/2+、Fe3+/2+, malonate、Fe3+/2+, salycylate、[Ru(NH3)5(4-Me-py)]3+/2+、[Co(trpy)2]3+/2+、[Co(4-Me-phen)3]3+/2+、[Co(5-NH2-phen)3]3+/2+、[Co(4,7-(bhm)2phen)3+/2+、[Co(5,6-Me4-phen)3]3+/2+、trans(N)-[Co(gly)3]0/1-、[OsCl(1-Me-Im)(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[OsCl(Im)(4,4'-Me2-dpy)2]3+/2+、[Fe(edta)]1-/2-、[Co(4,7-Me2-phen)3]3+/2+、[Co(4,7-Me2-phen)3]3+/2+、[Co(3,4,7,8-Me4-phen)3]3+/2+、[Co(NH3)6]3+/2+、[Ru(NH3)6]3+/2+、[Fe(ox)3]3-/4-、promazine (n=1) [ammonium form]、chloramine-T、TMPDA (N,N,N’,N’-tetramethylphenylenediamine)、porphyrexide、syringaldazine、o-tolidine、bacteriochlorophyll a、dopamine、2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone、p-amino-dimethylaniline、o-quinone/1,2-hydroxybenzene (catechol)、p-aminophenoltetrahydroxy-p-benzoquinone、2,5-dichloro-p-benzoquinone、1,4-benzoquinone、diaminodurene、2,5-dihydroxyphenylacetic acid、2,6,2’-trichloroindophenol、indophenol、o-toluidine blue、DCPIP (2,6-dichlorophenolindophenol)、2,6-dibromo-indophenol、phenol blue、3-amino-thiazine、1,2-napthoquinone-4-sulfonate、2,6-dimethyl-p-benzoquinone、2,6-dibromo-2’-methoxy-indophenol、2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone、2,5-dimethyl-p-benzoquinone、1,4-dihydoxy-naphthoic acid、2,6-dimethyl-indophenol、5-isopropyl-2-methyl-p-benzoquinone、1,2-naphthoquinone、1-naphthol-2-sulfonate indophenol、toluylene blue、TTQ (tryptophan tryptophylquinone) model (3-methyl-4-(3’-methylindol-2’-yl)indol-6,7-dione)、ubiquinone (coenzyme Q)、PMS (N-methylphenazinium methosulfate)、TPQ (topa quinone or 6-hydroxydopa quinone)、PQQ (pyrroloquinolinequinone)、thionine、thionine-tetrasulfonate、ascorbic acid、PES (phenazineethosulphate)、cresyl blue、1,4-naphthoquinone、toluidine blue、thiazine blue、gallocyanine、thioindigo disulfonate、methylene blue、vitamin K3 (2-methyl-1,4-naphthoquinone)、などを用いることができる。なお、化学式中、dpyは、2,2’-dipyridineを、phenは1,10-phenanthrolineを、Trisは、tris(hydroxymethyl)aminomethaneを、trpyは2,2’:6’,2’’-terpyridineを、Imは、imidazoleを、pyはpyridineを、thmpyは4-(tris(hydroxymethyl)methyl)pyridineを、bhmはbis(bis(hydroxymethyl)methylを、G3aはtriglycineamideを、A3はtrialanineを、oxはoxalate dianioneを、edtaはethylenediaminetetraacetate tetraanioneを、glyはglycinate anionを、pdtaはpropylenediaminetetraacetate tetraanioneを、trdtaはtrimethylenediaminetetraacetate tetraanioneを、cydtaは、1,2-cyclohexanediaminetetraacetate tetraanioneをそれぞれ示す。 Specific examples include ABTS (2,2′-azinobis (3-ethylbenzoline-6-sulfonate)), K 3 [Fe (CN) 6 ], RuO 4 0 / 1- , [Os (trpy) 3 ] 3 + / 2 + , [Rh (CN) 6 ] 3- / 4- , [Os (trpy) (dpy) (py)] 3 + / 2 + , IrCl 6 2- / 3- , [Ru (CN) 6 ] 3- / 4- , OsCl 6 2- / 3- , [Os (py) 2 (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [Os (dpy) 3 ] 3 + / 2 + , Cu III / II ( H 2 A 3 ) 0 / 1- , [Os (dpy) (py) 4 ] 3 + / 2 + , IrBr 6 2- / 3- , [Os (trpy) (py) 3 ] 3 + / 2 + , [Mo (CN) 8 ] 3- / 4- , [Fe (dpy)] 3 + / 2 + , [Mo (CN) 8 ] 3- / 4- , Cu III / II (H 2 G 3 a) 0 / 1- , [Os (4,4'-Me2-dpy) 3 ] 3 + / 2 + , [Os (CN) 6 ] 3- / 4- , RuO 4 1- / 2- , [Co (ox) 3 ] 3- / 4- , [Os (trpy) (dpy) Cl] 2 + / 1 + , I 3- / I-, [W (CN) 8 ] 3- / 4- , [Os (2-Me -Im) 2 (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , ferrocene carboxylic acid, [Os (Im) 2 (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [Os (4-Me-Im) 2 (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , OsBr 6 2- / 3- , [Fe (CN) 6 ] 3- / 4- , ferrocene ethanol, [Os (Im) 2 (4,4'-Me 2 -dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [Co (edta)] 1- / 2- , [Co (pdta)] 1- / 2- , [Co (cydta)] 1- / 2- , [Co (phen) 3 ] 3 + / 2 + , [OsCl (1-Me-Im) (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [OsCl (Im) (dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [C o (5-Me-phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (trdta)] 1- / 2- , [Ru (NH 3 ) 5 (py)] 3 + / 2 + , [Co (dpy) 3 ] 2 + / 3 + , [Ru (NH 3 ) 5 (4-thmpy)] 3 + / 2 + , Fe 3 + / 2 + , malonate, Fe 3 + / 2 + , salycylate, [Ru (NH 3 ) 5 (4-Me-py)] 3 + / 2 + , [Co (trpy) 2 ] 3 + / 2 + , [Co (4-Me-phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (5 -NH 2 -phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (4,7- (bhm) 2 phen) 3 + / 2 + , [Co (5,6-Me4-phen) 3 ] 3 + / 2 + , Trans (N)-[Co (gly) 3 ] 0 / 1- , [OsCl (1-Me-Im) (4,4'-Me2-dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [OsCl (Im ) (4,4'-Me 2 -dpy) 2 ] 3 + / 2 + , [Fe (edta)] 1- / 2- , [Co (4,7-Me 2 -phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (4,7-Me 2 -phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (3,4,7,8-Me4-phen) 3 ] 3 + / 2 + , [Co (NH3) 6 ] 3 + / 2 + , [Ru (NH 3 ) 6 ] 3 + / 2 + , [Fe (ox) 3 ] 3- / 4- , promazine (n = 1) [ammonium form], chloramine-T, TMPDA (N, N, N ', N'-tetramethylphenylenediamine), porphyrexide, syringaldazine, o-tolidine, bacteriochlorophyll a, dopamine, 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone, p-amino-dimethylaniline, o-quinone / 1,2-hydroxybenzene (catechol), p-aminophenoltetrahydroxy-p-benzoquinone, 2,5-dichloro-p-benzoquinone , 1,4-benzoquinone, diaminodurene, 2,5-dihydroxyphenylacetic acid, 2,6,2'-trichloroindophenol, indophenol, o-toluidine blue, DCPIP (2,6-dichlorophenolindophenol), 2,6-dibromo-indophenol, phenol blue, 3-amino-thiazine, 1,2-napthoquinone-4-sulfonate, 2,6-dimethyl-p-benzoquinone, 2,6-dibromo-2'-methoxy-indophenol, 2,3-dimethoxy-5-methyl -1,4-benzoquinone, 2,5-dimethyl-p-benzoquinone, 1,4-dihydoxy-naphthoic acid, 2,6-dimethyl-indophenol, 5-isopropyl-2-methyl-p-benzoquinone, 1,2- naphthoquinone, 1-naphthol-2-sulfonate indophenol, toluylene blue, TTQ (tryptophan tryptophylquinone) model (3-methyl-4- (3'-methylindol-2'-yl) indol-6,7-dione), ubiquinone (coenzyme Q), PMS (N-methylphenazinium methosulfate), TPQ (topa quinone or 6-hydroxydopa quinone), PQQ (pyrroloquinolinequinone), thionine, thionine-tetrasulfonate, ascorbic acid, PES (phenazineethosulphate), cresyl blue, 1,4-naphthoquinone, toluidine blue, thiazine blue, gallocyanine, thioindigo disulfonate, met hylene blue, vitamin K3 (2-methyl-1,4-naphthoquinone), etc. can be used. In the chemical formula, dpy is 2,2'-dipyridine, phen is 1,10-phenanthroline, Tris is tris (hydroxymethyl) aminomethane, trpy is 2,2 ': 6', 2 ''-terpyridine , Im is imidazole, py is pyridine, thmpy is 4- (tris (hydroxymethyl) methyl) pyridine, bhm is bis (bis (hydroxymethyl) methyl, G3a is triglycineamide, A3 is trialanine, ox is oxalate dianione, edta represents ethylenediaminetetraacetate tetraanione, gly represents glycinate anion, pdta represents propylenediaminetetraacetate tetraanione, trdta represents trimethylenediaminetetraacetate tetraanione, and cydta represents 1,2-cyclohexanediaminetetraacetate tetraanione.

酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターの電池電極4への固定化は、従来公知の手法により行うことができ、例えば、架橋剤にグルタルアルデヒドとポリ−L−リシンとを用いた固定化担体を使用する方法、アクリルアミドなどのようなプロトン伝導性のあるポリマーを使用する方法、などを採用できる。   Immobilization of the enzyme, coenzyme, and electron transfer mediator to the battery electrode 4 can be performed by a conventionally known method, for example, using an immobilization carrier using glutaraldehyde and poly-L-lysine as a cross-linking agent. And a method using a polymer having proton conductivity such as acrylamide can be employed.

[切換弁・センサー電極]
電池ユニット2の上記供給路には、導入口5から注入された液体の電池電極4への供給を停止あるいは開始する切換弁6が配設されている。さらに、供給路の導入口5と切換弁6との間には、導入口5から注入されて供給路を通流する液体と接触可能なセンサー電極7が配設されている。
[Switching valve / sensor electrode]
A switching valve 6 for stopping or starting the supply of the liquid injected from the introduction port 5 to the battery electrode 4 is disposed in the supply path of the battery unit 2. Further, a sensor electrode 7 that is in contact with the liquid injected from the inlet 5 and flowing through the supply path is disposed between the inlet 5 of the supply path and the switching valve 6.

切換弁6は、コントローラ3からの信号出力を受け、この信号に応じて弁を開閉し、導入口5から注入された液体の電池電極4への供給を停止あるいは開始する。   The switching valve 6 receives a signal output from the controller 3, opens and closes the valve according to this signal, and stops or starts the supply of the liquid injected from the introduction port 5 to the battery electrode 4.

センサー電極7上には酸化還元酵素が固定されている。供給路を通流する液体にセンサー電極7が接触すると、液体に含まれる物質の酸化還元反応により電子が取り出され、センサー電極7に電流が生じる。センサー電極7に生じた電流は、コントローラ3に出力される。センサー電極7上の酸化還元酵素は、電池電極4で説明した酵素の中から任意に選択することができるが、好適には電池電極4上の酵素と同一とされる。   An oxidoreductase is immobilized on the sensor electrode 7. When the sensor electrode 7 comes into contact with the liquid flowing through the supply path, electrons are taken out by the oxidation-reduction reaction of the substance contained in the liquid, and an electric current is generated in the sensor electrode 7. The current generated in the sensor electrode 7 is output to the controller 3. The oxidoreductase on the sensor electrode 7 can be arbitrarily selected from the enzymes described for the battery electrode 4, but is preferably the same as the enzyme on the battery electrode 4.

(3)コントローラ
コントローラ3には、CPU(Central Processing Unit)3A、CPU3Aが各部を制御するためのプログラムが記憶されているメモリ3Bが設けられている。CPU3Aには、必要に応じてインターネットに代表されるネットワークを介してデータを通信する通信部、プログラムなどの各種データを格納する半導体メモリなどよりなる記憶部、リムーバブルメモリなどの記録媒体に対してデータを読み書きするドライブなどが接続される(図示省略)。バイオ燃料電池システム1を制御するプログラムは、リムーバブルメモリに格納された状態でバイオ燃料電池システム1に供給され、ドライブによって読み出されて、記憶部に内蔵されるハードディスクドライブにインストールされる。記憶部にインストールされたプログラムは、CPU3Aの指令によって、記憶部からメモリ3Bにロードされて実行される。
(3) Controller The controller 3 is provided with a CPU (Central Processing Unit) 3A and a memory 3B in which a program for the CPU 3A to control each unit is stored. The CPU 3A includes a communication unit that communicates data via a network typified by the Internet as necessary, a storage unit such as a semiconductor memory that stores various data such as programs, and data for a recording medium such as a removable memory. Is connected (not shown). A program for controlling the biofuel cell system 1 is supplied to the biofuel cell system 1 in a state stored in a removable memory, read by the drive, and installed in a hard disk drive built in the storage unit. The program installed in the storage unit is loaded from the storage unit to the memory 3B and executed by a command from the CPU 3A.

コントローラ3は、センサー電極7からの電流の出力を受け、切換弁6に信号を出力してその開閉を制御する。コントローラ3、切換弁6及びセンサー電極7は、外部から導入口5に供給された液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、電池電極4への供給を制御するための制御手段として機能する。   The controller 3 receives the output of the current from the sensor electrode 7 and outputs a signal to the switching valve 6 to control its opening and closing. The controller 3, the switching valve 6 and the sensor electrode 7 function as control means for automatically determining the suitability of the liquid supplied from the outside to the inlet 5 as a fuel solution and controlling the supply to the battery electrode 4. .

2.バイオ燃料電池システムの機能的構成
図2を参照して、コントローラ3、切換弁6及びセンサー電極7によるシステムの制御態様を具体的に説明する。図2は、バイオ燃料電池システム1の機能的構成を説明する図である。コントローラ3は、出力検出部31と制御部32とを有している。
2. Functional Configuration of Biofuel Cell System With reference to FIG. 2, the control mode of the system by the controller 3, the switching valve 6 and the sensor electrode 7 will be specifically described. FIG. 2 is a diagram illustrating a functional configuration of the biofuel cell system 1. The controller 3 includes an output detection unit 31 and a control unit 32.

(1)出力検知部
出力検知部31は、導入口5から注入されて供給路を通流する液体に接触したセンサー電極7からの電力の出力を受ける。そして、入力された電流の電流値を計測し、計測された電流値を制御部32に出力する。
(1) Output detection part The output detection part 31 receives the output of the electric power from the sensor electrode 7 which contacted the liquid inject | poured from the inlet 5 and flowing through a supply path. Then, the current value of the input current is measured, and the measured current value is output to the control unit 32.

(2)制御部
制御部32は、出力検出部31から出力される電流値に基づいて、導入口5から供給された液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、判定結果に応じて切換弁6に信号を出力し、弁の開閉を制御する。具体的には、制御部32は、液体が燃料溶液として適当と判定された場合に切換弁6を開放して液体を電池電極4に供給する。一方、不適当と判定された場合には、制御部32は、切換弁6を閉鎖して液体の電池電極4への供給を停止する。より具体的には、制御部32は、出力検出部31から出力される電流値が所定の閾値以上である場合、液体が燃料溶液として適当と判定し、切換弁6を開放して液体を電池電極4に供給する。一方、出力検出部31から出力される電流値が所定の閾値未満である場合には、制御部32は、不適当と判定し、切換弁6を閉鎖して液体の電池電極4への供給を停止する。
(2) Control unit The control unit 32 automatically determines the suitability of the liquid supplied from the inlet 5 as a fuel solution based on the current value output from the output detection unit 31, and switches according to the determination result. A signal is output to the valve 6 to control the opening and closing of the valve. Specifically, the control unit 32 opens the switching valve 6 and supplies the liquid to the battery electrode 4 when it is determined that the liquid is appropriate as the fuel solution. On the other hand, if it is determined as inappropriate, the control unit 32 closes the switching valve 6 and stops the supply of the liquid to the battery electrode 4. More specifically, when the current value output from the output detection unit 31 is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit 32 determines that the liquid is appropriate as the fuel solution, and opens the switching valve 6 so that the liquid is discharged from the battery. Supply to the electrode 4. On the other hand, when the current value output from the output detection unit 31 is less than the predetermined threshold value, the control unit 32 determines that the current value is inappropriate and closes the switching valve 6 to supply liquid to the battery electrode 4. Stop.

上述したように、導入口5に導入される燃料溶液は、糖やアルコールなどの燃料として使用可能な物質であって、電池電極4上の酸化還元酵素の基質となり得る物質を一以上含む液体であることが好ましい。しかしながら、ユーザが必ずしも適当な液体を燃料溶液として使用しない場合があり、不適当な液体が用いられた場合には、期待した電池性能が得られないばかりか、電池故障の原因ともなる。   As described above, the fuel solution introduced into the introduction port 5 is a substance that can be used as a fuel such as sugar or alcohol, and is a liquid that contains one or more substances that can serve as a substrate for the oxidoreductase on the battery electrode 4. Preferably there is. However, there are cases where the user does not always use an appropriate liquid as the fuel solution. If an inappropriate liquid is used, not only the expected battery performance is obtained but also a battery failure is caused.

ある液体の燃料溶液としての適合度は、液体中に含まれる物質の「基質適合度」や、液体及び液体中に含まれる物質の「活性阻害度」に依存する。
ここで、「基質適合度」とは、液体中に含まれる物質が、電池電極4上の酸化還元酵素の基質となり得るものであるか、あるいはその物質を基質とした該酵素による酸化還元反応の反応効率がどの程度であるか、によって規定され得る。基質適合度が高い場合、電池電極4上での当該物質の酸化還元反応が高効率で進行し、高い電池出力が得られる。
また、「活性阻害度」とは、液体あるいは液体中に含まれる物質が、電池電極4上の酸化還元酵素の活性を阻害するものであるか、あるいはその液体あるいは物質の存在下での酵素の酸化還元反応の反応効率がどの程度であるか、によって規定され得る。活性阻害度が高い場合、電池電極4上の酵素の活性が阻害され、酸化還元反応の効率が低下して電池出力が低下したり、酵素が失活して電池が不能となる。
The suitability of a liquid as a fuel solution depends on the “substrate suitability” of the substance contained in the liquid and the “activity inhibition degree” of the substance contained in the liquid and the liquid.
Here, “substrate suitability” means that a substance contained in a liquid can serve as a substrate of an oxidoreductase on the battery electrode 4 or a redox reaction of the enzyme using the substance as a substrate. It can be defined by how much the reaction efficiency is. When the substrate compatibility is high, the oxidation-reduction reaction of the substance on the battery electrode 4 proceeds with high efficiency, and a high battery output is obtained.
In addition, “activity inhibition degree” means that the liquid or a substance contained in the liquid inhibits the activity of the oxidoreductase on the battery electrode 4 or the enzyme in the presence of the liquid or the substance. It can be defined by how much the reaction efficiency of the oxidation-reduction reaction is. When the degree of activity inhibition is high, the activity of the enzyme on the battery electrode 4 is inhibited, the efficiency of the oxidation-reduction reaction is lowered, the battery output is reduced, or the enzyme is deactivated, and the battery is disabled.

バイオ燃料電池システム1においては、ある液体の燃料溶液としての適合度は、液体に接触したセンサー電極7から出力される電流の電流値に基づいて一義的に判定され得る。
すなわち、導入口5から燃料溶液としての適合度が高い液体が供給された場合、これに接触したセンサー電極7上において酸化還元反応が高効率で進行し、大きな電流値が出力される。一方、燃料溶液として供給された液体の適合度が低い場合、これに接触したセンサー電極7上において酵素活性が阻害あるいは失活され、小さな電流値しか出力されない。
In the biofuel cell system 1, the suitability of a certain liquid as a fuel solution can be uniquely determined based on the current value of the current output from the sensor electrode 7 in contact with the liquid.
That is, when a liquid having a high degree of compatibility as a fuel solution is supplied from the introduction port 5, the oxidation-reduction reaction proceeds with high efficiency on the sensor electrode 7 in contact therewith, and a large current value is output. On the other hand, when the compatibility of the liquid supplied as the fuel solution is low, the enzyme activity is inhibited or deactivated on the sensor electrode 7 in contact therewith, and only a small current value is output.

制御部32は、センサー電極7から出力され、出力検出部31において計測される電流値が所定の閾値以上である場合には、導入口5から供給された液体の燃料溶液としての適合度が高いと判定する。そして、切換弁6を開放して液体を電池電極4に供給する。一方、出力検出部31から出力される電流値が所定の閾値未満である場合、制御部32は、導入口5から供給された液体の燃料溶液としての適合度が低いと判断し、切換弁6を閉鎖して液体の電池電極4への供給を停止する。   When the current value output from the sensor electrode 7 and measured by the output detection unit 31 is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit 32 has a high degree of suitability as the liquid fuel solution supplied from the inlet 5. Is determined. Then, the switching valve 6 is opened to supply liquid to the battery electrode 4. On the other hand, when the current value output from the output detection unit 31 is less than the predetermined threshold, the control unit 32 determines that the suitability of the liquid supplied from the inlet 5 as a fuel solution is low, and the switching valve 6 Is closed to stop the supply of liquid to the battery electrode 4.

これにより、バイオ燃料電池システム1では、外部からの供給された液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、燃料溶液として適当と判定された液体のみを電池電極4に供給して所望の電池性能を得ることができる。また、不適当な液体が電池電極4に供給されることによる故障や出力低下を未然に防止することができる。   As a result, the biofuel cell system 1 automatically determines the suitability of the liquid supplied from the outside as the fuel solution, and supplies only the liquid determined to be suitable as the fuel solution to the battery electrode 4 to provide the desired battery. Performance can be obtained. Further, it is possible to prevent a failure or a decrease in output due to an inappropriate liquid being supplied to the battery electrode 4.

また、センサー電極7上の酸化還元酵素を、電池電極4上の酵素と同一とすることで、外部からの供給された液体を燃料溶液とした際の電池性能を正確に判定して、電池電極への液体の供給を制御することができる。   Further, by making the oxidoreductase on the sensor electrode 7 the same as the enzyme on the battery electrode 4, the battery performance when the liquid supplied from the outside is used as a fuel solution can be accurately determined. The supply of liquid to can be controlled.

さらに、センサー電極7は、電池電極4正極上の酸化還元酵素と同一の酵素を有するセンサー電極7正極と、電池電極4負極上の酸化還元酵素と同一の酵素が固定されたセンサー電極7負極と、からなる対電極としてもよい。センサー電極7を、このような対電極として構成し、対電極に集電体及び回路を接続することで、電池電極4と同様の構成を有する小型のバイオ燃料電池とする。そして、この対電極で生じた電流をコントローラ3に出力し、燃料溶液の適合度の判定に供する。これにより、外部からの供給された液体を燃料溶液とした際の電池性能を一層正確に判定して、電池電極への液体の供給を制御することができる。この場合、対電極で得られた電力を切換弁6に供給し、切換弁6の開閉のための電源として利用することもできる。   Further, the sensor electrode 7 includes a sensor electrode 7 positive electrode having the same enzyme as the oxidoreductase on the battery electrode 4 positive electrode, and a sensor electrode 7 negative electrode to which the same enzyme as the oxidoreductase on the battery electrode 4 negative electrode is fixed. It is good also as a counter electrode which consists of. The sensor electrode 7 is configured as such a counter electrode, and a current collector and a circuit are connected to the counter electrode, whereby a small biofuel cell having the same configuration as the battery electrode 4 is obtained. Then, the current generated at the counter electrode is output to the controller 3 for use in determining the suitability of the fuel solution. Thereby, the battery performance when the liquid supplied from the outside is used as the fuel solution can be determined more accurately, and the supply of the liquid to the battery electrode can be controlled. In this case, the electric power obtained by the counter electrode can be supplied to the switching valve 6 and used as a power source for opening and closing the switching valve 6.

(3)表示部
センサー電極7上の酸化還元酵素を電池電極4上の酸化還元酵素と同一にした場合、及び/又はセンサー電極7を対電極とした場合には、供給された液体を燃料溶液として得られる電池性能を、センサー電極7から出力される電流の電流値に基づいて予測することができる。この場合、バイオ燃料電池システム1に、表示部(図1及び図2中、符号8参照)を設け、予測される電池性能をユーザに提示するようにしてもよい。
(3) Display unit When the oxidoreductase on the sensor electrode 7 is the same as the oxidoreductase on the battery electrode 4 and / or when the sensor electrode 7 is a counter electrode, the supplied liquid is the fuel solution. Can be predicted based on the current value of the current output from the sensor electrode 7. In this case, the biofuel cell system 1 may be provided with a display unit (see reference numeral 8 in FIGS. 1 and 2) to present the predicted battery performance to the user.

具体的には、導入口5から注入されて供給路を通流する液体に接触したセンサー電極7から出力される電流を、コントローラ3の出力検知部31に入力する。そして、出力検知部31において、入力された電流の電流値を計測して制御部32に出力する。制御部32は、出力検出部31から出力される電流値に基づいて、供給された液体を燃料溶液とした場合の予測される電池性能(電流値、電圧値、出力持続時間等)を表示部8に出力し、ユーザに提示する。これにより、ユーザが適当な液体を選択して燃料溶液として用い、所望の電池性能を得ることが可能となり、不適当な燃料溶液の使用による故障や出力低下を防止できる。   Specifically, the current output from the sensor electrode 7 in contact with the liquid injected from the inlet 5 and flowing through the supply path is input to the output detection unit 31 of the controller 3. Then, the output detection unit 31 measures the current value of the input current and outputs it to the control unit 32. Based on the current value output from the output detection unit 31, the control unit 32 displays the predicted battery performance (current value, voltage value, output duration, etc.) when the supplied liquid is a fuel solution. 8 to present to the user. As a result, the user can select an appropriate liquid and use it as a fuel solution to obtain a desired cell performance, thereby preventing a failure or a decrease in output due to the use of an inappropriate fuel solution.

(4)燃料溶液としての適合度の具体例
以下には、燃料溶液としての適合度について具体例を挙げて説明する。
(4) Specific examples of suitability as a fuel solution Hereinafter, the suitability as a fuel solution will be described with a specific example.

バイオ燃料電池は、グルコースやエタノールなどの人体にとって安全性の高い物質を燃料に用いることができる。バイオ燃料電池では、理論的には、糖、アルコール、アルデヒド、脂質又はタンパク質等を含む飲食可能なものや、生ゴミなどの廃棄物等を燃料として用いて発電を行うことが可能である。しかし、実際には、飲食物や廃棄物等は、そのままでは酸化還元反応による電子取り出しが不可能であったり、酵素活性の阻害を引き起こす物質や、溶液のpHや塩濃度を変化させてしまうような不純物を含む場合がある。   A biofuel cell can use, as a fuel, a substance that is highly safe for the human body, such as glucose and ethanol. Theoretically, a biofuel cell can generate electricity using a food or drink that contains sugar, alcohol, aldehyde, lipid, protein, or the like, or waste such as garbage. However, in reality, food and drink, waste, etc. cannot be taken out by redox reaction as they are, or substances that cause inhibition of enzyme activity, solution pH and salt concentration may be changed. In some cases.

例えば、電池電極にグルコース分解酵素が固相化されたバイオ燃料電池では、糖類、特に砂糖の濃度が高い組成を有する飲料などを燃料溶液とすると、出力及び電池寿命がともに向上する。このため、これらの飲料は、燃料溶液としての適合度の高い液体とされる。また、日本酒やワインも組成中に砂糖を含むため、ある程度の適合度を有する。一方、砂糖以外の甘味料や、ぶどう糖以外の果糖などの糖類のみを組成とする飲料は、燃料溶液としての適合度の低い液体とされる。   For example, in a biofuel cell in which a glucose-degrading enzyme is solid-phased on a battery electrode, both the output and the battery life are improved if a saccharide, particularly a beverage having a high sugar concentration composition is used as the fuel solution. For this reason, these drinks are liquids with high suitability as fuel solutions. In addition, sake and wine also contain sugar in the composition and therefore have a certain degree of suitability. On the other hand, a beverage composed solely of a sweetener other than sugar and a saccharide such as fructose other than glucose is regarded as a liquid having a low suitability as a fuel solution.

また、電極にフルクトース分解酵素が固相化されたバイオ燃料電池では、果糖濃度が高い組成を有する果汁系飲料で高出力及び長寿命となる。このため、これらの飲料は、燃料溶液としての適合度の高い液体とされる。また、ワインも組成中に果糖を含むため、ある程度の適合度を有する。一方、日本酒などの米からつくるアルコール飲料は組成中に砂糖が多く、果糖が少ないため、燃料溶液としての適合度の低い液体とされる。   In addition, in a biofuel cell in which fructose-degrading enzyme is solid-phased on an electrode, a fruit juice beverage having a composition with a high fructose concentration has high output and long life. For this reason, these drinks are liquids with high suitability as fuel solutions. Moreover, since wine also contains fructose in its composition, it has a certain degree of fitness. On the other hand, alcoholic beverages made from rice, such as sake, have a high sugar content and a low fructose content.

また、例えば以下の物質を含む液体は、活性阻害度が高く、燃料溶液としての適合度の低い液体とされる。ヨード酢酸、マロン酸、各種界面活性剤、各種酸化剤、重金属(銀、水銀)、パラクロロメルクリ安息香酸、塩化水銀、オルトフェナントロリン、アセチルーCoA。
さらに、例えば、酢酸やクエン酸、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などが高濃度で含まれている酸性溶液、あるいは高濃度の水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム水溶液のような強塩基性溶液、あるいはナトリウムやカリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、亜鉛、銅などの無機物イオン、リン酸イオンや硫酸イオンなどの多価の陰イオンを含む塩が高濃度で含まれている液体を用いた場合、燃料溶液のpHや塩濃度が変化し、酵素活性を低下させてしまう可能性がある。その理由として、酵素の活性はpHに依存し、至適pHを外れると急激に活性が落ちること、多量の塩類が含まれる溶液中ではタンパク質の溶解度が減少し、沈殿が生じること(塩析)が挙げられる。
Further, for example, a liquid containing the following substances is a liquid having a high activity inhibition degree and a low suitability as a fuel solution. Iodoacetic acid, malonic acid, various surfactants, various oxidizing agents, heavy metals (silver, mercury), parachloromercuribenzoic acid, mercury chloride, orthophenanthroline, acetyl-CoA.
Furthermore, for example, acidic solutions containing high concentrations of acetic acid, citric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, etc., or strongly basic solutions such as high concentration sodium hydroxide, sodium hypochlorite aqueous solution Or when using a liquid containing a high concentration of salts containing inorganic ions such as sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, zinc, copper, and polyvalent anions such as phosphate ions and sulfate ions, There is a possibility that the pH and salt concentration of the fuel solution will change, leading to a decrease in enzyme activity. The reason for this is that the enzyme activity depends on the pH, and when it goes out of the optimum pH, the activity drops rapidly. In a solution containing a large amount of salts, the solubility of the protein decreases and precipitation occurs (salting out). Is mentioned.

現在、グルコースなどの糖類やエタノールなどのアルコール類を分解する酵素を用いたバイオ燃料電池が実用化段階にある。また、脂肪を分解する酵素を用いて、例えばオリーブオイルのようなオイルを燃料としたバイオ燃料電池や、タンパク質分解酵素やアミノ酸分解酵素を用いて、アミノ酸飲料やプロテイン飲料を燃料としたバイオ燃料電池も開発が進められている。   Currently, biofuel cells using enzymes that decompose sugars such as glucose and alcohols such as ethanol are in the practical stage. In addition, biofuel cells that use fat-degrading enzymes, such as olive oil as fuel, and biofuel cells that use amino acid beverages or protein beverages as fuels using proteolytic enzymes or amino acid-degrading enzymes Is also being developed.

本発明に係るバイオ燃料電池システム等によれば、外部からの供給された液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、適当な液体のみを電池電極に供給することができる。このため、本発明は、糖類やアルコール類、脂肪、タンパク質等を燃料とした種々のバイオ燃料電池に適用して、不適当な液体の供給による故障や出力低下を未然に防止して、所望の電池性能を得るために役立てられ得る。   According to the biofuel cell system and the like according to the present invention, it is possible to automatically determine the suitability of an externally supplied liquid as a fuel solution and supply only an appropriate liquid to the battery electrode. For this reason, the present invention is applied to various biofuel cells using saccharides, alcohols, fats, proteins, and the like as fuels to prevent failure and output reduction due to improper liquid supply. Can be used to obtain battery performance.

Claims (5)

外部から液体が導入される導入口と、
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電池電極と、
液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、電池電極への液体の供給を制御する制御手段と、を備えるバイオ燃料電池システム。
An inlet through which liquid is introduced from the outside;
A battery electrode serving as a reaction field for the oxidation-reduction reaction of the fuel catalyzed by oxidoreductase,
A biofuel cell system comprising: control means for automatically determining the suitability of the liquid as a fuel solution and controlling the supply of the liquid to the cell electrode.
前記制御手段は、前記導入口から前記電池電極への前記液体の供給路に配設された切換弁と、導入口と切換弁との間に液体と接触可能に配され、酸化還元酵素が固定されたセンサー電極と、を含んでなり、
液体と接触したセンサー電極で測定される電流値に基づいて、液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、液体が燃料溶液として適当と判定された場合に切換弁を開放して液体を電池電極に供給し、不適当と判定された場合に切換弁を閉鎖して液体の電池電極への供給を停止する請求項1記載のバイオ燃料電池システム。
The control means is disposed between a switching valve disposed in the liquid supply path from the inlet to the battery electrode, and between the inlet and the switching valve so as to be in contact with the liquid, and the oxidoreductase is fixed. A sensor electrode,
Based on the current value measured by the sensor electrode in contact with the liquid, the suitability of the liquid as a fuel solution is automatically determined, and when it is determined that the liquid is suitable as the fuel solution, the switching valve is opened to remove the liquid from the battery. 2. The biofuel cell system according to claim 1, wherein the biofuel cell system is supplied to the electrode, and the supply of the liquid to the battery electrode is stopped by closing the switching valve when it is determined to be inappropriate.
前記電池電極上及び前記センサー電極上の酸化還元酵素が同一の酵素である請求項2記載のバイオ燃料電池システム。   The biofuel cell system according to claim 2, wherein the oxidoreductase on the battery electrode and the sensor electrode are the same enzyme. 前記センサー電極が、前記電池電極を構成する電池電極正極上の酸化還元酵素と同一の酵素を有するセンサー電極正極と、電池電極を構成する電池電極負極上の酸化還元酵素と同一の酵素を有するセンサー電極負極と、からなる対電極とされた請求項3記載のバイオ燃料電池システム。   The sensor electrode has a sensor electrode positive electrode having the same enzyme as the redox enzyme on the battery electrode positive electrode constituting the battery electrode, and a sensor having the same enzyme as the redox enzyme on the battery electrode negative electrode constituting the battery electrode The biofuel cell system according to claim 3, which is a counter electrode comprising an electrode negative electrode. 外部から液体が導入される導入口と、
酸化還元酵素を触媒とした燃料の酸化還元反応の反応場となる電池電極と、
液体の燃料溶液としての適合度を自動判定し、電池電極への液体の供給を制御する制御手段と、を備えるバイオ燃料電池。
An inlet through which liquid is introduced from the outside;
A battery electrode serving as a reaction field for the oxidation-reduction reaction of the fuel catalyzed by oxidoreductase,
A biofuel cell comprising: control means for automatically determining the suitability of the liquid as a fuel solution and controlling the supply of the liquid to the cell electrode.
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