JP2012054116A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードへの燃料の供給を促進するとともに、反応により生じた生成物を除去して、発電効率を向上することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料液１２を収容する容器１１と、容器１１内に配置されたカソード１４およびアノード１３と、アノード１３に隣接して配置され、アノード１３内に電気浸透流Ｅを生じさせる電気浸透流ポンプ２０とを備え、電気浸透流ポンプ２０が、間隔をあけて対向配置され、電源２７により電圧が印加される一対の電極２１，２２を有する燃料電池１を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばグルコース等を燃料として発電を行う燃料電池に関するものである。

従来、金属触媒によって燃料の酸化反応を促進する方式のグルコース−空気燃料電池が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

谷口 功（熊本大学）、「グルコース−空気燃料電池」、バイオ電気化学の実際−バイオセンサ・バイオ電池の実用展開−、シーエムシー出版、２００７年３月

上記の技術を応用して、本願発明者は、カーボンペーパーに金ナノ粒子をキャスティングで担持したグルコース酸化用アノードと、大気中の酸素を還元するカソードを用い、グルコースのアルカリ溶液を燃料液とした燃料電池を作成し、その出力実験を行った。この場合において、表層の金ナノ粒子量が同等であれば、カーボンペーパーの厚さによらず同等の電池出力が得られるという実験結果が得られた。この事実は、キャスティングによってカーボンペーパーの深層部まで金ナノ粒子が担持できているにも関わらず、深層部の金ナノ粒子は電池出力に寄与できていないことを示唆している。

その原因としては以下の２つの要因が推定される。
（１）燃料としてのグルコースが、アノードの深層部で移動しにくく、更新されにくい。
（２）反応によって生成した生成物としてのグルコノラクトンが反応の起きた位置から除去されにくく、グルコースの反応を阻害している。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アノードへの燃料の供給を促進するとともに、反応により生じた生成物を除去して、発電効率を向上することができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料液を収容する容器と、該容器内に配置されたカソードおよびアノードと、該アノードに隣接して配置され、前記アノード内に電気浸透流を生じさせる電気浸透流発生手段とを備え、前記電気浸透流発生手段が、間隔をあけて対向配置され、電源により電圧が印加される一対の電極を有する燃料電池を採用する。

本発明によれば、容器内の燃料（例えばグルコース）は、アノードにおいて電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノードに放出された電子は、アノードとカソードとを電気的に接続する配線を通って、カソードに送られる。生成された水素イオンは、容器内の燃料液中をカソード近傍に移動する。これにより、カソードにおいて、電解質溶液中を移動してきた水素イオンと、アノードから送られてきた電子と、燃料液中または容器の外部から供給される酸素とが反応して、水が生成される（還元）。上記のように、アノードにおいて酸化が行われるともに、カソードにおいて還元が行われることで、発電を行うことができる。

この場合において、電源により一対の電極に電圧が印加されることで、これら電極に隣接して配置されたアノードの周囲に電気浸透流が発生する。この電気浸透流により、アノードの表面において生じた生成物（例えばグルコノラクトン）を除去するとともに、アノードへの燃料の供給が促進される。これにより、アノードでの酸化反応を安定的に行うことができ、燃料電池の出力を安定させることができる。

上記発明において、前記電気浸透流発生手段が、前記一対の電極の間に配置される多孔質誘電体を有することとしてもよい。
このようにすることで、一対の電極の間に生じる電気浸透流を、これら電極の間に配置される多孔質誘電体の孔内を通過させることにより、その流速を大きくすることができる。これにより、アノードの表面における生成物の除去効果およびアノードへの燃料の供給効果を高めることができ、燃料電池の効率を向上することができる。

上記発明において、前記アノードが、前記一対の電極の間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、一対の電極の間に生じる電気浸透流を、アノードに直接当てることができ、アノードの表面における生成物の除去効果およびアノードへの燃料の供給効果を高めて、燃料電池の効率を向上することができる。

上記発明において、前記アノードが、前記一対の電極の少なくとも一方を兼ねていることとしてもよい。
このようにすることで、アノードと一対の電極の少なくとも一方とを兼用して用いる、すなわち、アノードを用いて電気浸透流を発生させることができ、装置の小型化および製造コストの低減を図ることができる。

上記発明において、前記アノードが、多孔質材料で形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、一対の電極の間に生じる電気浸透流を、多孔質材料で形成されているアノードの孔内を通過させることにより、その流速を大きくすることができる。また、アノードの表面積を大きくすることができる。これにより、アノードの表面における生成物の除去効果およびアノードへの燃料の供給効果を高めることができ、燃料電池の効率を向上することができる。

上記発明において、前記一対の電極が、導体を露出して構成され、前記電源により前記一対の電極に電圧を印加するとともに発電を停止する第１の状態と、前記電源による電圧の印加を停止するとともに発電を行う第２の状態とを順次行う制御回路を有することとしてもよい。
このようにすることで、制御回路により、燃料電池による発電と、電気浸透流発生手段による電気浸透流の発生とを時間的に区分して順次行うことができ、相互の影響を排除して、効率的に発電を行うことができる。

上記発明において、前記電源が、前記アノードと前記カソードに接続されていることとしてもよい。
このようにすることで、電気浸透流を発生させるための電源を、燃料電池が兼ねることができる。すなわち、電気浸透流を発生させるための電力を、燃料電池により発電した電力で賄うことができ、電気浸透流を発生させるための電源を別途設ける必要性を排除することができる。これにより、別電源に依存せずに自己完結型の回路系を構成することができ、装置の小型化および製造コストの低減を図ることができる。

上記発明において、前記一対の電極が、各々絶縁被覆されていることとしてもよい。
このようにすることで、制御回路により燃料電池による発電と、電気浸透流発生手段による電気浸透流の発生とを、相互の影響を排除して同時進行させることができる。

上記発明において、多孔質材料で構成され、前記アノードと前記カソードとの間を区画する隔壁と、前記アノードが配置された領域に燃料液を供給する燃料液供給手段と、前記カソードが配置された領域から燃料液を排出する燃料液排出手段とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、燃料液供給手段により、アノードが配置された領域に燃料液（例えばグルコース）を供給することができる。そして、一対の電極の間に生じる電気浸透流により、アノード表面における酸化反応により発生した生成物（例えばグルコノラクトン）を、隔壁（多孔質材料）の孔を介して、カソードが配置された領域に流出させることができる。そして、燃料排出手段により、カソードが配置された領域に流出された燃料液、すなわち使用済み燃料液を外部に排出することができる。このように、上記構成を有することで、永続して安定的な発電を行うことができる。

上記発明において、前記アノードが、グルコース酸化酵素とメディエータを固定化したカーボンペーパーであり、前記燃料液が、グルコースの水溶液であることとしてもよい。
このようにすることで、メディエータを用いたグルコース燃料電池を構成することができ、グルコースを燃料として安定的に発電を行うことができる。

上記発明において、前記アノードが、金微粒子を担持したカーボンペーパーであり、前記燃料液が、グルコースを溶解したアルカリ水溶液であることとしてもよい。
このようにすることで、アルカリ型グルコース燃料電池を構成することができ、グルコースを燃料として安定的に発電を行うことができる。また、アノード（カーボンペーパー）の深部に担持された金微粒子触媒を有効に活用することができ、発電効率を向上することができる。

上記発明において、前記一対の電極に印加する電圧を変化させる電圧可変手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、状況（例えばアノードに付着した生成物の量）に応じて、電圧可変手段により、一対の電極に印加する電圧を変化させ、一対の電極の間に生じる電気浸透流の流速を調整することができる。

上記発明において、前記燃料電池の出力を検出する検出装置を備え、前記電圧可変手段が、前記燃料電池の出力に連動して電圧を制御することとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の出力をフィードバックして、一対の電極の間に生じる電気浸透流の流速を調整することができる。これにより、安定的な発電を行うことができる。

上記発明において、前記多孔質誘電体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、シリコン窒化物、ホウケイ酸塩、バイコール、プラスチック、石膏のいずれかの多孔質薄膜で形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、薄い多孔質誘電体を形成することができ、電気浸透流を発生させるための電圧を低く抑えることができる。

本発明によれば、アノードへの燃料の供給を促進するとともに、反応により生じた生成物を除去して、発電効率を向上することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 図１の燃料電池の出力と電気浸透流ポンプの電圧のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 図３の燃料電池の出力と電気浸透流ポンプの電圧のタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 図６の燃料電池の出力と電気浸透流ポンプの電圧のタイミングチャートである。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 図８の第１の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。 図８の第２の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、例えばアルカリ型グルコース−空気燃料電池であり、図１に示すように、電解質溶液および糖を収容する容器１１と、容器１１内に配置されたアノード（酸化電極）１３と、容器１１の壁体の一部として形成されたカソード（還元電極）１４と、アノード１３を挟んで配置された電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）２０とを備えている。

容器１１は、例えば樹脂等の電気絶縁性を有する材料で構成された密閉容器であり、その内部に、アルカリ性の電解質溶液にグルコース等の糖を溶解させた燃料液１２を収容するようになっている。

アノード１３は、例えばカーボンペーパー等の多孔質材料に、直径数ｎｍの金等の貴金属の粒子が固定化されて形成されている。アノード１３には、容器１１の外部まで延びる導線１５が電気的に接続されており、導線１５の他端には、外部機器Ａに接続するための接続端子１６が設けられている。アノード１３では、後述するように、グルコースの酸化反応が行われる。なお、アノード１３は、白金や銅等の粒子を固定化して構成することとしてもよい。

カソード１４は、例えば空気亜鉛電池で利用されている空気極と同様の構成を有しており、酸化マンガン触媒と炭素粉体をステンレスの網に固着させて形成されている。カソード１４は、容器１１の壁体の一部として形成されている。具体的には、カソード１４は、内側の面に固定された酸化マンガン触媒を燃料液１２に浸漬し、外側の面を図示しない通気防水シートを介して容器１１外部の酸素に接触するように配置されている。この通気防水シートは、通気性および防水性を有しており、例えばポリテトラフルオロエチレン（４フッ化エチレン）等のフッ化炭素樹脂で形成されている。

カソード１４には、導線１７が電気的に接続されており、導線１７の他端には、外部機器Ａに接続するための接続端子１８が設けられている。カソード１４では、後述するように、酸素の還元反応が行われる。カソード１４は、上記構成を有することで、通気防水シートを介して容器１１の外部から酸素を取り込み、燃料液１２中を移動してきた水素イオンと、アノード１３から送られてきた電子とを反応させて、水を生成するようになっている。

電気浸透流ポンプ２０は、アノード１３を挟むように対向配置された一対の電極２１，２２と、アノード１３と電極２１，２２との間にそれぞれ配置された多孔質誘電体シート（多孔質誘電体）２３，２４と、一対の電極２１，２２にそれぞれ接続された導線２５，２６と、一対の電極２１，２２に電圧を印加する電源２７とを備えている。

一対の電極２１，２２は、それぞれ表面を絶縁被覆された金属線の網で形成されており、電源２７により電圧が印加させることで、これら電極の間に電気浸透流Ｅを発生させるようになっている。

多孔質誘電体シート２３，２４は、例えばWhatman Anodisc 47（登録商標）であり、多数の孔を有するシート状の多孔質誘電体である。この多孔質誘電体シート２３，２４をアノード１３と電極２１，２２との間に設けることで、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅを、多孔質誘電体シート２３，２４の孔内を通過させることにより、その流速を大きくすることができる。

なお、多孔質誘電体シート２３，２４は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、シリコン窒化物、ホウケイ酸塩、バイコール、プラスチック、石膏のいずれかの多孔質薄膜で形成されていることとしてもよい。
上記材料により多孔質誘電体シート２３，２４を構成することで、薄い多孔質誘電体を形成することができ、電気浸透流Ｅを発生させるための電圧を低く抑えることができる。

電源２７は、容器１１の外部に配置されており、一対の電極２１，２２に電圧を常時印加する電池である。すなわち、一対の電極２１，２２の間には、電気浸透流Ｅが常時発生している。具体的には、図２に示すように、外部装置ＡのスイッチをＯＮにすると、燃料電池１の出力が所定値で一定となる。この状態においても、電気浸透流ポンプ２０の電源２７を常時ＯＮとして、電気浸透流Ｅを常時発生させる。なお、電源２７は、１次電池、２次電池のいずれでも採用できる。

ここで、必要とされる電気浸透流Ｅの流速について補足説明する。
水を溶媒とした場合の拡散係数Ｄの一般値は、室温でＤ＝（１〜２）×１０^−５ｃｍ^２／秒である。ここで、Ｄ≒２０×１０^−４ｍｍ^２／秒と見なすと、水を溶媒とした場合の拡散速度≒√（４Ｄ）≒√８０≒０．１ｍｍ／秒であると言える。
したがって、拡散よりも速い物質移動を得るためには、０．１ｍｍ／秒より速い流速が必要である。
以上より、ここで電気浸透流Ｅの流速は、０．１ｍｍ／秒以上が好適である。

上記構成を有する燃料電池１の作用について以下に説明する。
容器１１内に燃料液１２を供給すると、アノード１３に固定された金粒子に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が付随する。これにより、金粒子上の水酸基にグルコースのアルデヒド基が吸着し、以下の反応が進行する。
グルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）→グルコノラクトン（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６）＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻−２３０ｋＪ／ｍｏｌ

すなわち、アノード１３では、燃料であるグルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）が酸化され、電子（ｅ⁻）を放出してグルコノラクトン（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６）に変化する。このとき、グルコースの還元作用を有するアルデヒド基が、アノード１３に吸着した水酸基との間で電子移動を生じることで、電子の放出が生じ、グルコースが酸化される。

一方、カソード１４では、以下の反応式に示すように、アノード１３で生成されて導線１５，１６および外部機器Ａを介して流れてきた電子と、通気防水シートを透過してきた酸素（Ｏ_２）と、燃料液１２中を移動してきた水素イオン（Ｈ^＋）とが反応して、水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
これにより、燃料電池１は電池として機能し、接続端子１６，１８に接続された外部機器Ａは、燃料電池１から電気エネルギーを取り出すことができる。

この際、電気浸透流ポンプ２０により、容器１１内には電気浸透流Ｅが発生されている。具体的には、電源２７により一対の電極２１，２２に電圧を印加することで、これら電極の間に電気浸透流Ｅを発生させる。このように発生した電気浸透流Ｅは、アノード１３と電極２１，２２との間に配置された多孔質誘電体シート２３，２４の孔を通過することで流速が増大され、多孔質材料から構成されるアノード１３を通過する。この際、電気浸透流Ｅにより、アノード１３の表面において生じた生成物（グルコノラクトン）を除去するとともに、アノード１３への燃料（グルコース）の供給が促進される。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード１３において酸化が行われるともに、カソード１４において還元が行われることで、発電を行うことができる。この場合において、電源２７により一対の電極２１，２２に電圧が印加されることで、これら電極に隣接して配置されたアノード１３の周囲に電気浸透流Ｅが発生する。この電気浸透流Ｅにより、アノード１３の表面において生じた生成物（グルコノラクトン）を除去するとともに、アノード１３への燃料（グルコース）の供給が促進される。これにより、アノード１３における酸化反応を安定的に行うことができ、燃料電池の出力を安定させることができる。

また、一対の電極２１，２２の間に配置される多孔質誘電体シート２３，２４を有することで、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅを、これら電極の間に配置される多孔質誘電体シート２３，２４の孔内を通過させることにより、その流速を大きくすることができる。これにより、アノード１３の表面における生成物の除去効果およびアノード１３への燃料の供給効果を高めることができ、燃料電池の効率を向上することができる。

また、アノード１３を一対の電極２１，２２の間に配置することで、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅを、アノード１３に直接当てることができ、アノード１３の表面における生成物の除去効果およびアノード１３への燃料の供給効果を高めて、燃料電池の効率を向上することができる。

また、アノード１３を多孔質材料で形成することで、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅを、多孔質材料で形成されているアノード１３の孔内を通過させることにより、その流速を大きくすることができる。また、アノード１３の表面積を大きくすることができる。これにより、アノード１３の表面における生成物の除去効果およびアノード１３への燃料の供給効果を高めることができ、燃料電池の効率を向上することができる。

また、一対の電極２１，２２をそれぞれ絶縁被覆することで、図２に示すように、燃料電池１による発電と、電気浸透流ポンプ２０による電気浸透流Ｅの発生とを、相互の影響を排除して同時進行させることができる。

なお、本実施形態に係る燃料電池１において、電池２７を交流電源または正極と負極とを可変な構成とすることで、電気浸透流Ｅの向きを変化させることができ、アノード１３の表面における生成物の除去効率およびアノード１３への燃料の供給効率を向上することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池２について図面を参照して説明する。以降では、前述の実施形態に係る燃料電池と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係る燃料電池２は、図３に示すように、電解質溶液および糖を収容する容器１１と、容器１１内に配置されたアノード（酸化電極）１３と、容器１１の壁体の一部として形成されたカソード（還元電極）１４と、アノード１３を挟んで配置された電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）２０と、アノード１３およびカソード１４に接続された順序制御回路（制御回路）３０とを備えている。

一対の電極２１，２２は、多孔質のカーボンペーパーで形成されており、導体が露出して構成されている。
順序制御回路３０は、アノード１３、カソード１４、一対の電極２１，２２のそれぞれに接続されており、アノード１３とカソード１４からの電力を電源として、一対の電極２１，２２に電圧を印加する電子回路である。

順序制御回路３０は、燃料電池２による発電と、電気浸透流ポンプ２０による電気浸透流Ｅの発生とを交互に行うように各回路を制御する。
具体的には、順序制御回路３０は、図４に示すように、一対の電極２１，２２に電圧を印加するとともにアノード１３およびカソード１４による発電を停止する第１の状態Ｉと、電源２７による電圧の印加を停止するとともにアノード１３およびカソード１４による発電を行う第２の状態IIとを順次行うようになっている。

上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池２によれば、順序制御回路３０により上記のように各回路を制御することで、燃料電池２による発電と、電気浸透流ポンプ２０による電気浸透流Ｅの発生とを時間的に区分して順次行うことができ、相互の影響を排除して、効率的に発電を行うことができる。

また、順序制御回路３０を、アノード１３とカソード１４に接続して一対の電極２１，２２に電圧を印加する電源として用いることで、電気浸透流Ｅを発生させるための電源を、燃料電池２が兼ねることができる。すなわち、電気浸透流Ｅを発生させるための電力を、燃料電池２により発電した電力で賄うことができ、電気浸透流Ｅを発生させるための電源を別途設ける必要性を排除することができる。これにより、別電源に依存せずに自己完結型の回路系を構成することができ、装置の小型化および製造コストの低減を図ることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池３について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池３は、図５に示すように、電解質溶液および糖を収容する容器１１と、容器１１内に配置された複数のアノード（酸化電極）１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、容器１１の壁体の一部として形成されたカソード（還元電極）１４と、電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）２０と、順序制御回路（制御回路）３０とを備えている。

アノード１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、前述の実施形態における一対の電極２１，２２（例えば図３参照）を兼ねており、アノード１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、これらアノードの間にそれぞれ配置された多孔質誘電体シート（多孔質誘電体）２３，２４とで、電気浸透流ポンプ２０を構成している。

順序制御回路３０は、図４に示すタイミングチャートにおいて、第１の状態Ｉにおいては、アノード１３Ａとアノード１３Ｃが電気浸透流Ｅを発生させるための電極として機能し、第２の状態IIにおいては、アノード１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが互いに導通した１つのアノードとして機能するように各回路を制御する。

本実施形態に係る燃料電池３によれば、前述の実施形態の一対の電極２１，２２（例えば図３参照）をアノード１３Ａ〜１３Ｃが兼ねることで、アノード１３Ａ〜１３Ｃを用いて電気浸透流Ｅを発生させることができ、装置の小型化および製造コストの低減を図ることができる。
なお、本実施形態において、一対の電極の両方をアノード１３Ａ〜１３Ｃが兼ねることとして説明したが、一対の電極の少なくとも一方をアノード１３Ａ〜１３Ｃが兼ねることとしてもよい。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池４について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池４は、図６に示すように、電解質溶液および糖を収容する容器１１と、容器１１内に配置されたアノード（酸化電極）１３と、容器１１の壁体の一部として形成されたカソード（還元電極）１４と、アノード１３を挟んで配置された電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）２０と、アノード１３およびカソード１４に接続された順序制御回路（制御回路）３１とを備えている。

順序制御回路３１は、アノード１３、カソード１４、一対の電極２１，２２のそれぞれに接続されており、アノード１３とカソード１４からの電力を電源として、一対の電極２１，２２に電圧を印加する電子回路である。
順序制御回路３１は、燃料電池２による発電と、電気浸透流ポンプ２０による電気浸透流Ｅの発生とを交互に行うように各回路を制御する。

また、順序制御回路３１は、一対の電極２１，２２に印加する電圧を変化させる電圧可変手段としての機能を有している。
さらに、順序制御回路３１は、燃料電池４（アノード１３とカソード１４）の出力値（電力値）を検出する電池出力検出装置としての機能を有しており、検出した出力値に連動して一対の電極２１，２２に印加する電圧を変化させるようになっている。

具体的には、順序制御回路３１は、図７に示すように、一対の電極２１，２２に電圧を印加するとともに発電を停止する第１の状態Ｉと、一対の電極２１，２２への電圧の印加を停止するとともに発電を行う第２の状態IIとを順次行うようになっている。この際、一対の電極２１，２２に印加する電圧は、燃料電池４（アノード１３とカソード１４）の電池出力に対応付けられて設定された電圧設定値とされる。

上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池４によれば、燃料電池４（アノード１３とカソード１４）の出力をフィードバックして、一対の電極２１，２２に印加する電圧を変化させ、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅの流速を調整することができる。これにより、状況（例えばアノード１３に付着した生成物の量）に応じて電気浸透流Ｅの流速を調整して、安定的な発電を行うことができる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池５について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池５は、図８に示すように、電解質溶液および糖を収容する容器１１と、容器１１内に配置されたアノード（酸化電極）１３と、容器１１の壁体の一部として形成されたカソード（還元電極）１４と、アノード１３の一方の面に隣接して配置された電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）２０とを備えている。

電気浸透流ポンプ２０は、アノード１３の一方の面側に配置された一対の電極２１，２２と、電極２１，２２との間に配置された多孔質誘電体シート（多孔質誘電体）２３と、一対の電極２１，２２にそれぞれ接続された導線２５，２６と、一対の電極２１，２２に電圧を印加する電源２７とを備えている。

一対の電極２１，２２は、それぞれ表面を絶縁被覆された金属線の網で形成されており、電源２７により電圧を印加させることで、これら電極の間に電気浸透流Ｅ１を発生させるとともに、電気浸透流Ｅ１により派生した流れである派生流Ｅ２を発生させるようになっている。派生流Ｅ２は、多孔質材料であるアノード１３の孔内を通る流れである。

上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池５によれば、前述の実施形態と同様に、電気浸透流Ｅ１および派生流Ｅ２により、アノード１３の表面における生成物の除去およびアノード１３への燃料の供給を行って、燃料電池の効率を向上することができる。また、電気浸透流ポンプ２０をアノード１３の一方の面にのみ隣接配置する構成としたので、装置の小型化を図ることができる。さらに、アノード１３を一対の電極２１，２２で挟み込む構成では困難であった、アノード１３の洗浄や交換を容易に行うことができる。

［第１の変形例］
本実施形態に係る燃料電池５の第１の変形例として、図９に示すように、アノード１３の両面に電気浸透流ポンプ２０を配置し、２つの電気浸透流ポンプ２０によりアノード１３を挟み込む構成としてもよい。

上記構成を有する本変形例の燃料電池６において、２つの電源２７により一対の電極２１，２２に電圧をそれぞれ印加することで、これら電極の間にそれぞれ電気浸透流Ｅ１，Ｅ３を発生させるとともに、電気浸透流Ｅ１，Ｅ３により派生してアノード１３を貫通する流れである派生流Ｅ２を発生させることができる。

このように、本変形例に係る燃料電池６によれば、アノード１３の両面において、電気浸透流Ｅ１，Ｅ３により派生した派生流Ｅ２を発生させることができ、アノード１３の表面における生成物の除去効果およびアノード１３への燃料の供給効果を高めて、燃料電池の効率を向上することができる。

［第２の変形例］
本実施形態に係る燃料電池５の第２の変形例として、図１０に示すように、電気浸透流ポンプ２０の両面に２つのアノード１３Ａ，１３Ｂを配置し、これらアノード１３Ａ，１３Ｂにより電気浸透流ポンプ２０を挟み込む構成としてもよい。

上記構成を有する本変形例の燃料電池７において、電源２７により一対の電極２１，２２に電圧を印加することで、これら電極の間にそれぞれ電気浸透流Ｅ１を発生させるとともに、電気浸透流Ｅ１により派生してアノード１３Ａ，１３Ｂをそれぞれ貫通する流れである派生流Ｅ４，Ｅ５を発生させることができる。

このように、本変形例に係る燃料電池７によれば、アノード１３Ａ，１３Ｂの両面において、電気浸透流Ｅ１および派生流Ｅ４，Ｅ５を発生させることができ、アノード１３Ａ，１３Ｂの表面における生成物の除去効果およびアノード１３Ａ，１３Ｂへの燃料の供給効果を高めて、燃料電池の効率を向上することができる。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池８について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池８は、図１１に示すように、電気浸透流ポンプ２０が容器１１の内部を区画する構成とされている。すなわち、電気浸透流ポンプ２０は、アノード１３とカソード１４との間を区画する隔壁として機能している。なお、アノード１３および電気浸透流ポンプ２０は、ともに多孔質材料で形成されている。

区画された容器１１内のうち、カソード１４が配置されていない側の領域１１Ａには、燃料液を貯留する注液用タンク３５が、配管３６により接続されている。配管３６には、バルブ（図示略）およびポンプ（燃料液供給手段）３９が設けられており、容器１１内の領域１１Ａに注液用タンク３５から燃料液１２が供給されるようになっている。

区画された容器１１内のうち、カソード１４が配置されている側の領域１１Ｂには、使用済み燃料液を貯留する排液用タンク３７が、配管３８により接続されている。配管３８には、バルブ（図示略）およびポンプ（燃料液排出手段）４０が設けられており、容器１１内の領域１１Ｂから排液用タンク３７に使用済み燃料液１２を排出するようになっている。

上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池８によれば、カソード１４が配置されていない領域１１Ａに燃料液１２を供給することができる。そして、一対の電極２１，２２の間に生じる電気浸透流Ｅにより、アノード１３表面における酸化反応により発生した生成物を、アノード１３および電気浸透流ポンプ２０（ともに多孔質材料）の孔を介して、カソード１４が配置された領域１１Ｂに流出させることができる。そして、ポンプ４０により、カソード１４が配置された領域１１Ｂに流出された燃料液１２、すなわち使用済み燃料液１２を外部に排出することができる。このように、上記構成を有することで、永続して安定的な発電を行うことができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

また、各実施形態において、本発明をアルカリ型グルコース−空気燃料電池に適用した例を説明したが、本発明を酵素系電池や微生物電池に適用することとしてもよい。
また、燃料としてグルコースを一例に挙げて説明したが、これ以外にも、単糖類、二糖類、多糖類などの糖類を使用することができる。これらの内で、単糖類としては、構成炭素数４のエリトロース、トレオース、エリトルロース、構成炭素数５のリボース、アラビノース、キシロース、リキソース、リブロース、キシルロース、構成炭素数６のグルコース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、ソルボース、アロース、アルトロース、グロース、イドース、タロース、プシコース、タガトース、イノシトールなどが例示できる。また、二糖類としては、マルトース、ラクトース、セロビオース、サッカロースなどを使用することができる。多糖類としては、デンプン、グリコーゲン、イヌリン、セルロース、ペクチンなどを例示できる。上記例示の燃料は、単独あるいは二種類以上組み合わせて使用することができる。

また、各実施形態において、カソード１４は、容器１１の壁体の一部として形成されているとして説明したが、酸素を取り込めればよい。すなわち、カソード１４は、容器１１の壁体の少なくとも一部を通気性および防水性を有する材料で構成すれば、容器１１の壁体に当接させてもよいし、容器１１の内部に配置することとしてもよい。

Ａ 外部装置
Ｅ，Ｅ１，Ｅ３ 電気浸透流
Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５ 派生流
１，２，３，４，５，６，７，８ 燃料電池
１１ 容器
１２ 燃料液
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ アノード
１４ カソード
２０ 電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）
２１，２２ 電極
２３，２４ 多孔質誘電体シート（多孔質誘電体）
２７ 電源
３０ 順序制御回路（制御回路）
３１ 順序制御回路（制御回路，電圧可変手段，検出装置）
３９ ポンプ（燃料液供給手段）
４０ ポンプ（燃料液排出手段）

Claims (14)

1. 燃料液を収容する容器と、
   該容器内に配置されたカソードおよびアノードと、
   該アノードに隣接して配置され、前記アノード内に電気浸透流を生じさせる電気浸透流発生手段とを備え、
   前記電気浸透流発生手段が、
   間隔をあけて対向配置され、電源により電圧が印加される一対の電極を有する燃料電池。
2. 前記電気浸透流発生手段が、
   前記一対の電極の間に配置される多孔質誘電体を有する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記アノードが、前記一対の電極の間に配置されている請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記アノードが、前記一対の電極の少なくとも一方を兼ねている請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記アノードが、多孔質材料で形成されている請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記一対の電極が、導体を露出して構成され、
   前記電源により前記一対の電極に電圧を印加するとともに発電を停止する第１の状態と、前記電源による電圧の印加を停止するとともに発電を行う第２の状態とを順次行う制御回路を有する請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記電源が、前記アノードと前記カソードに接続されている請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記一対の電極が、各々絶縁被覆されている請求項１に記載の燃料電池。
9. 多孔質材料で構成され、前記アノードと前記カソードとの間を区画する隔壁と、
   前記アノードが配置された領域に燃料液を供給する燃料液供給手段と、
   前記カソードが配置された領域から燃料液を排出する燃料液排出手段とを備える請求項１に記載の燃料電池。
10. 前記アノードが、グルコース酸化酵素とメディエータを固定化したカーボンペーパーであり、
    前記燃料液が、グルコースの水溶液である請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記アノードが、金微粒子を担持したカーボンペーパーであり、
    前記燃料液が、グルコースを溶解したアルカリ水溶液である請求項１に記載の燃料電池。
12. 前記一対の電極に印加する電圧を変化させる電圧可変手段を備える請求項１に記載の燃料電池。
13. 前記燃料電池の出力を検出する検出装置を備え、
    前記電圧可変手段が、前記燃料電池の出力に連動して電圧を制御する請求項１２に記載の燃料電池。
14. 前記多孔質誘電体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、シリコン窒化物、ホウケイ酸塩、バイコール、プラスチック、石膏のいずれかの多孔質薄膜で形成されている請求項２に記載の燃料電池。

Images