JP2017224564A - Bio-fuel power generation device - Google Patents

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Masatoshi Takahashi
昌利 高橋
幹二郎 鳥越
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幹二郎 鳥越
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bio-fuel power generation device high in output and excellent in temporal stability as compared with conventional power generation devices using a metal catalyst, by using, as a fuel liquid, reducing sugar, substances with an aldehyde group, or alcohols.SOLUTION: A bio-fuel power generation device 1 includes a pair of catalyst electrodes 3 provided with an ion exchange membrane 5 interposed therebetween, and generates power by oxidizing substances in a fuel liquid by a catalyst at the catalyst electrode 3 on an anode 3a side. In the bio-fuel power generation device 1, the catalyst comprises a compound of at least two metal elements, and the catalyst electrode 3 on the anode 3a side has a catalyst carrier in which the catalyst is supported on carbon particles as a carrier.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料液中のグルコースなどを金属触媒によって酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置に関する。   The present invention relates to a biofuel power generation apparatus that generates power by oxidizing glucose or the like in a fuel liquid with a metal catalyst.

近年、東日本大震災の影響により日本国内においては原子力発電による発電量が劇的に減少し、それを補う形で火力発電への依存度が増大して、化石燃料の枯渇と二酸化炭素の過剰排出が問題視されている。   In recent years, the amount of power generated by nuclear power generation has dramatically decreased in Japan due to the effects of the Great East Japan Earthquake, and the dependence on thermal power generation has increased to compensate for this, leading to the depletion of fossil fuels and excessive emissions of carbon dioxide. It is regarded as a problem.

これに伴って、化石燃料を使用せず、より二酸化炭素の排出量が少なく、安定して電力供給が可能な発電システムへの移行が急務となっている。   Along with this, there is an urgent need to shift to a power generation system that does not use fossil fuels, emits less carbon dioxide, and can stably supply power.

この問題を解決する方法の1つとして、燃料がほぼ無尽蔵であり、二酸化炭素の排出がゼロであるバイオ発電が着目されている。   As one of the methods for solving this problem, bioelectric power generation, in which fuel is almost inexhaustible and carbon dioxide emission is zero, has attracted attention.

バイオ発電は、植物などから得られるグルコースやアルコール類を燃料とする発電方式である。グルコースやアルコール類などを燃料とするバイオ発電においては、当該燃料を触媒によって酸化させた際に生じる電子を取り出す方式である。当該触媒としては、酵素のようなタンパク質触媒と金属触媒が上げられる。   Bioelectric power generation is a power generation method that uses glucose or alcohols obtained from plants or the like as fuel. In biopower generation using glucose, alcohols, or the like as fuel, this is a method of taking out electrons generated when the fuel is oxidized by a catalyst. Examples of the catalyst include a protein catalyst such as an enzyme and a metal catalyst.

酵素のようなタンパク質触媒を用いたバイオ発電システムは、非特許文献1に記載されているように、非常に穏やかに反応が生じるために環境負荷が極めて小さい。しかしながら、得られる最大出力密度が0.02〜0.2mW/cm程度と非常に低出力である。 As described in Non-Patent Document 1, the bioelectric power generation system using a protein catalyst such as an enzyme has a very low environmental load because the reaction occurs very gently. However, the maximum output density that can be obtained is as low as about 0.02 to 0.2 mW / cm 2 .

これに対して、金属触媒を用いたバイオ発電システムは、タンパク質触媒と比較すると、非特許文献2〜5に記載されているように、得られる最大出力密度が0.7〜2.4mW/cmと10倍程度の出力を得ることができる。 On the other hand, the biopower generation system using a metal catalyst has a maximum output density of 0.7 to 2.4 mW / cm, as described in Non-Patent Documents 2 to 5, as compared with a protein catalyst. An output of about 2 and 10 times can be obtained.

A.Habrioux他4名、“Electrochemical charactarization of adsorbed bilirubin oxidase on VulcanXC72R for the biocathode preparation in a glucose/O2 biofuel cell”、Electrochimica Acta、2010、55、p.7701−7705A. Habrioux and 4 others, “Electrochemical charactarization of adsorbed birubin oxidase on Vulcan XC72R for the biocath preparation in a glucose / O2el / e2 7701-7705 A.Habrioux他5名、“Activity of Platinum−Gold Alloys for Glucose Electrooxidation in Biofuel Cells”、J.Phys.Chem.B、2007、111、p.10329−10333A. Habrioux et al., “Activity of Platinum-Gold Alloys for Glucose Electrooxidation in Biofuel Cells”, J. Am. Phys. Chem. B, 2007, 111, p. 10329-10333 Debika Basu他1名、“Synthesis and charactoerization of Pt−Au/C catalyst for glucose electro−oxidation for the application in direct glucose fuel cell”、INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY、2011、36、p.14923−14929Debika Basu et al., "Synthesis and charactoerization of Pt-Au / C catalyst for glucose electro-oxidation for the application in direct ilGel ER 14923-14929 DebikaBasu他1名、“Synthesis,characterization and application of platinum based bi−metallic catalysts for direct glucose alkaline fuel cell”、Electrochimica Acta、2011、56、p.6106−6113Debika Basu et al., “Synthesis, charactarization and application of platinum based bi-metallic catalytics for direct glucose alkalline fuel cell”, Elect. 6106-6113 DebikaBasu他2名、“Performace comparison of Pt−Au/C and Pt−Bi/C anode catalysts in batch and continuous direct glucose alkaline fuel cell”、Chemical Engineering Journal、2013、228、p.867−870Debika Basu et al., “Performance comparison of Pt-Au / C and Pt-Bi / Canode catalysts in batch and continuous direct glucose alkaline fuel cell, 13”. 867-870

しかしながら、従来の金属触媒を用いたバイオ発電においても未だ実用化へはほど遠く、さらなる出力増大が望まれている。   However, bioelectric power generation using conventional metal catalysts is still far from practical use, and further increase in output is desired.

また、金属触媒を用いた発電装置においては、当該金属触媒の酸化・還元能力の寿命が発電装置自体の寿命を決定づけるため、経時安定性に優れた金属触媒を用いることが重要となる。   Further, in a power generation apparatus using a metal catalyst, it is important to use a metal catalyst having excellent temporal stability because the lifetime of the oxidation / reduction ability of the metal catalyst determines the life of the power generation apparatus itself.

さらに、本発明者等は、従来、バイオ発電の燃料とするためのグルコースの原料とされた植物原料に代わる原料として草食性の動物の排泄物およびキノコの廃培地を用いることを検討し、鋭意研究を重ねて効率的にグルコースを得ることに成功している。   Furthermore, the present inventors have studied diligently using herbivorous animal excrement and mushroom waste medium as a raw material instead of a plant raw material that has been used as a raw material for glucose for use as a fuel for bioelectric power generation. We have succeeded in obtaining glucose efficiently through repeated research.

そこで、本発明においては、還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類を燃料液として用い、従来の金属触媒を用いた発電装置と比較して高出力かつ経時安定性に優れたバイオ燃料発電装置を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, a biofuel power generation device that uses a reducing sugar, a substance having an aldehyde group, or alcohols as a fuel liquid and has high output and excellent temporal stability compared to a power generation device using a conventional metal catalyst. The purpose is to provide.

上記の目的を達成するべく、本発明の第1の態様のバイオ燃料発電装置は、イオン交換膜を介して設けられた一対の触媒電極を備え、アノード側の前記触媒電極において、燃料液中の物質を触媒によって酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置において、前記触媒は、少なくとも2つの金属元素の化合物からなり、アノード側の前記触媒電極は、担持体としてのカーボン粒子に前記触媒が担持された触媒担持体を有していることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the biofuel power generation device according to the first aspect of the present invention includes a pair of catalyst electrodes provided via an ion exchange membrane, and in the catalyst electrode on the anode side, In a biofuel power generation apparatus that generates power by oxidizing a substance with a catalyst, the catalyst is composed of a compound of at least two metal elements, and the catalyst electrode on the anode side is supported by carbon particles as a support. It is characterized by having a catalyst carrier.

本発明の第2の態様のバイオ燃料発電装置は、前記燃料液中の物質が、還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類からなることを特徴とする。   The biofuel power generator according to the second aspect of the present invention is characterized in that the substance in the fuel liquid is composed of a reducing sugar, a substance having an aldehyde group, or an alcohol.

本発明の第3の態様のバイオ燃料発電装置は、前記触媒担持体には、親水性高分子化合物からなる触媒安定化剤が含まれていることを特徴とする。   The biofuel power generation device according to the third aspect of the present invention is characterized in that the catalyst carrier includes a catalyst stabilizer made of a hydrophilic polymer compound.

本発明の第4の態様のバイオ燃料発電装置は、前記触媒が、PtおよびAuからなることを特徴とする。   The biofuel power generator according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that the catalyst is made of Pt and Au.

本発明の第5の態様のバイオ燃料発電装置は、カソード側の前記触媒電極は、触媒としてPtを有し、アノード側の前記触媒電極は、触媒としてPt:Au=1:3〜4(モル比)とされたPtAu合金を有し、アノード側の前記触媒電極においては、触媒担持体中の前記触媒安定化剤が、前記触媒としてのPtおよびAuの合計モル数の1倍以下のモノマー数で含まれていることを特徴とする。   In the biofuel power generation device according to the fifth aspect of the present invention, the catalyst electrode on the cathode side has Pt as a catalyst, and the catalyst electrode on the anode side has Pt: Au = 1: 3 to 4 (moles) as a catalyst. In the catalyst electrode on the anode side, the catalyst stabilizer in the catalyst carrier has a number of monomers that is not more than 1 times the total number of moles of Pt and Au as the catalyst. It is characterized by being included.

本発明の第6の態様のバイオ燃料発電装置は、前記イオン交換膜が、陽イオン交換膜であることを特徴とする。   The biofuel power generator according to the sixth aspect of the present invention is characterized in that the ion exchange membrane is a cation exchange membrane.

本発明の第7の態様のバイオ燃料発電装置は、前記一対の触媒電極の外側には、カーボン材または金属材からなる一対のセパレータを備え、
アノード側の前記触媒電極の外側に設けられた前記セパレータの前記触媒電極が接触する部分には、前記燃料液を流すための流路溝が形成されていることを特徴とする。
The biofuel power generation device according to the seventh aspect of the present invention includes a pair of separators made of a carbon material or a metal material outside the pair of catalyst electrodes,
A channel groove for flowing the fuel liquid is formed in a portion of the separator that is provided outside the catalyst electrode on the anode side and in contact with the catalyst electrode.

本発明の第8の態様のバイオ燃料発電装置は、前記燃料液中の物質が、草食性の動物の排泄物由来のグルコースであることを特徴とする。   The biofuel power generation apparatus according to the eighth aspect of the present invention is characterized in that the substance in the fuel liquid is glucose derived from excrement of herbivorous animals.

本発明の第9の態様のバイオ燃料発電装置は、前記燃料液中の物質がキノコの廃培地由来のグルコースであることを特徴とする。   The biofuel power generation device according to the ninth aspect of the present invention is characterized in that the substance in the fuel liquid is glucose derived from a mushroom waste medium.

本発明のバイオ燃料発電装置によれば、従来の金属触媒を用いた発電装置と比較して、高出力かつ経時安定性に優れた環境に優しい発電装置を提供することを可能とする。   According to the biofuel power generation device of the present invention, it is possible to provide an environmentally friendly power generation device with high output and excellent stability over time as compared with a power generation device using a conventional metal catalyst.

また、本発明のバイオ燃料発電装置を用いることにより、低環境負荷かつ半永久的に継続可能な燃料液の確保から発電までを統合したバイオ燃料発電システムを提供することを可能とする。   In addition, by using the biofuel power generation apparatus of the present invention, it is possible to provide a biofuel power generation system that integrates everything from securing a fuel liquid that can be maintained semipermanently to power generation, with a low environmental load.

発電の原理を示した模式図Schematic diagram showing the principle of power generation 第1実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置の分解斜視図1 is an exploded perspective view of a biofuel power generation device according to the first embodiment of the present invention. 第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置の分解斜視図The disassembled perspective view of the biofuel power generation device of this invention of 2nd Embodiment 触媒電極の製造方法を示す模式図Schematic diagram showing the manufacturing method of the catalyst electrode PtAu触媒のTEM像であり、(a)はPVP濃度0.1倍、(b)はPVP濃度1倍、(c)はPVP濃度10倍、(d)はPVP濃度100倍のサンプルである。It is a TEM image of a PtAu catalyst, (a) is a PVP concentration of 0.1 times, (b) is a PVP concentration of 1 time, (c) is a PVP concentration of 10 times, and (d) is a sample of a PVP concentration of 100 times. PVP濃度と触媒の最大担持量との関係を示すグラフGraph showing the relationship between PVP concentration and maximum supported amount of catalyst PVP濃度と得られた最大出力密度との関係を示すグラフGraph showing the relationship between PVP concentration and maximum power density obtained 実施例1におけるPtAu触媒の最適比率の検討結果を示すグラフThe graph which shows the examination result of the optimal ratio of the PtAu catalyst in Example 1 実施例2における本発明のバイオ燃料発電装置の電流−電圧特性を示すグラフThe graph which shows the current-voltage characteristic of the biofuel power generator of this invention in Example 2 実施例3における最適な燃料液濃度の検討結果を示すグラフThe graph which shows the examination result of the optimal fuel liquid density | concentration in Example 3

以下に、本発明のバイオ燃料発電装置の具体的な実施の形態について図1〜図3を用いて説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the biofuel power generation device of the present invention will be described with reference to FIGS.

まずは、本発明のバイオ燃料発電装置1に採用している発電の原理を図1を用いて簡単に説明する。燃料とする物質には、グルコースを用いて説明を行う。発電のシステムは、図1に示すように、イオン交換膜5よって隔てた状態で金属触媒を有するアノード3aおよびカソード3bが配置されている。そして、アノード3aはグルコースとKOHとを溶解させた燃料液中に浸漬され、カソード3bは酸素ガス雰囲気中に配置されている。このような発電システムにおいては、アノード3aに設けられた金属触媒によってグルコースの酸化反応を促進させて、グルコン酸、2価のHおよび2価の電子を所定のスピードで発生させることができる。そして、イオン交換膜5を介してアノード3a側からカソード3b側へ移動した前記2価のHに酸素ガスを接触させるとともに、前記2価の電子を消費する反応によって、当該アノード3aからカソード3bへと電子を移動させて電流を生じさせて発電を行う。なお、燃料液中には、KOH以外にNaOHを添加することとしてもよい。 First, the principle of power generation employed in the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention will be briefly described with reference to FIG. The substance used as fuel will be described using glucose. In the power generation system, as shown in FIG. 1, an anode 3 a and a cathode 3 b having a metal catalyst are arranged in a state separated by an ion exchange membrane 5. The anode 3a is immersed in a fuel solution in which glucose and KOH are dissolved, and the cathode 3b is disposed in an oxygen gas atmosphere. In such a power generation system, the oxidation reaction of glucose is promoted by the metal catalyst provided on the anode 3a, and gluconic acid, divalent H + and divalent electrons can be generated at a predetermined speed. Then, oxygen gas is brought into contact with the divalent H + moved from the anode 3a side to the cathode 3b side through the ion exchange membrane 5, and the reaction of consuming the divalent electrons results in the reaction from the anode 3a to the cathode 3b. The electricity is generated by moving electrons to the side and generating an electric current. In addition, it is good also as adding NaOH in a fuel liquid other than KOH.

本発明のバイオ燃料発電装置においては、燃料液とする物質として、グルコースなどの還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類を用いる。   In the biofuel power generation apparatus of the present invention, a reducing saccharide such as glucose, a substance having an aldehyde group, or alcohol is used as the substance for the fuel liquid.

還元糖としては、アルドース(グルコース、アロース、アルトロース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、エリトロース、トレオース、グリセルアルデヒド、イノシトール)、ケトース(ヘプツロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、リブロース、キシルロース、エリトルロース、ジヒドロキシアセトン)、二糖(スクロース、ラクトース、ラクツロース、トレハロース、セロビオース、ゲンチオビオース)などが挙げられる。   Reducing sugars include aldose (glucose, allose, altrose, mannose, gulose, idose, galactose, talose, ribose, arabinose, xylose, lyxose, erythrose, threose, glyceraldehyde, inositol), ketose (heptulose, psicose, fructose) Sorbose, tagatose, ribulose, xylulose, erythrulose, dihydroxyacetone), disaccharide (sucrose, lactose, lactulose, trehalose, cellobiose, gentiobiose) and the like.

アルデヒド基を有する物質としては、アクリルアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトアルデヒド=エチレンアセタール、アセトアルデヒド=オキシム、アセトアルデヒド=ジメチルアセタール、アセトアルデヒド=セミカルバゾン、アセトアルデヒド=p−ニトロフェニルヒドラゾン、アセトアルデヒド=フェニルヒドラゾン、o−アニスアルデヒド、p−アニスアルデヒド、1−アミノエタノール、m−アミノベンズアルデヒド、o−アミノベンズアルデヒド、p−アミノベンズアルデヒド、イソバニリン、イソバレルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド酸、イソブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド=オキシム、p−イソプロピルベンズアルデヒド、オクタナール、オピアン酸、グリコールアルデヒド、グリセルアルデヒド、グルタルアルデヒド、クロトンアルデヒド、クロラール、クロロアセトアルデヒド、m−クロロベンズアルデヒド、o−クロロベンズアルデヒド、p−クロロベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、サリチルアルデヒド=オキシム、1,1−ジエトキシエタン、3,3−ジエトキシプロペン、ジクロロアセトアルデヒド、1,1−ジクロロ−2,2−ジエトキシエタン、2,4−ジニトロベンズアルデヒド、2,3−ジヒドロキシベンズアルデヒド、2,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド、2,5−ジヒドロキシベンズアルデヒド、3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド、p−(ジメチルアミノ)ベンズアルデヒド、2,3−ジメトキシベンズアルデヒド、2,4−ジメトキシベンズアルデヒド、2,5−ジメトキシベンズアルデヒド、3,4−ジメトキシベンズアルデヒド
シリンガアルデヒド、シンナムアルデヒド、スクシンアルデヒド、α−チオアセトアルデヒド(三量体)、β−チオアセトアルデヒド(三量体)、α−チオベンズアルデヒド(三量体)、β−チオベンズアルデヒド(三量体)、デカナール、テレフタルアルデヒド、テレフタルアルデヒド酸、2,2,3−トリクロロブチルアルデヒド、1,3,5−トリチアン、トリブロモアセトアルデヒド、m−トルアルデヒド、o−トルアルデヒド、p−トルアルデヒド、1−ナフトアルデヒド、2−ナフトアルデヒド、m−ニトロベンズアルデヒド、o−ニトロベンズアルデヒド、p−ニトロベンズアルデヒド、ニトロホルムアルデヒド=オキシム、ノナナール、バニリン
パラアルデヒド、パラホルムアルデヒド、バレルアルデヒド、ビス(ヒドロキシイミノ)アセトン、ビス(メチルチオ)メタン、ヒドロキシイミノアセトン、1−ヒドロキシ−2−ナフトアルデヒド、2−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド、4−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド、m−ヒドロキシベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、5−ヒドロキシメチル−2−フルアルデヒド、ピバルアルデヒド、ピペロナール、2−ピリジンカルバルデヒド、ピルビンアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、フタルアルデヒド、フタルアルデヒド酸、2−ブチナール、ブチルアルデヒド、ブチルアルデヒド=オキシム、2−フルアルデヒド、プロピオルアルデヒド、プロピオンアルデヒド、2−ブロモアクリルアルデヒド、ヘキサナール、ヘプタナール、ペリラアルデヒド、ベンズアルデヒド、(Z,Z)−ベンズアルデヒドアジン、(E)−ベンズアルデヒド=オキシム、(Z)−ベンズアルデヒド=オキシム、ベンズアルデヒド=ヒドラゾン、ベンズアルデヒド=フェニルヒドラゾン、ベンゾイルアセトアルデヒド、o−ホルミルベンゼンスルホン酸、ホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド=オキシム、ホルムアルデヒド=ジエチルアセタール、ホルムアルデヒド=ジメチルアセタール、マレアルデヒド、マロンアルデヒド、マンデロニトリル、メタクリルアルデヒド、(E)−2−メチル−2−ブテナール、5−メチル−2−フルアルデヒド、ラクトアルデヒド、ラクトアルデヒド二量体、レブリンアルデヒドなどが挙げられる。
Examples of substances having an aldehyde group include acrylic aldehyde, acetaldehyde, acetaldehyde = ethylene acetal, acetaldehyde = oxime, acetaldehyde = dimethyl acetal, acetaldehyde = semicarbazone, acetaldehyde = p-nitrophenylhydrazone, acetaldehyde = phenylhydrazone, o-anisaldehyde, p -Anisaldehyde, 1-aminoethanol, m-aminobenzaldehyde, o-aminobenzaldehyde, p-aminobenzaldehyde, isovanillin, isovaleraldehyde, isophthalaldehyde, isophthalaldehyde acid, isobutyraldehyde, isobutyraldehyde = oxime, p-isopropylbenzaldehyde, Octanal, opian acid, glycol aldehyde, group Seraldehyde, glutaraldehyde, crotonaldehyde, chloral, chloroacetaldehyde, m-chlorobenzaldehyde, o-chlorobenzaldehyde, p-chlorobenzaldehyde, salicylaldehyde, salicylaldehyde = oxime, 1,1-diethoxyethane, 3,3-di Ethoxypropene, dichloroacetaldehyde, 1,1-dichloro-2,2-diethoxyethane, 2,4-dinitrobenzaldehyde, 2,3-dihydroxybenzaldehyde, 2,4-dihydroxybenzaldehyde, 2,5-dihydroxybenzaldehyde, 3, 4-dihydroxybenzaldehyde, p- (dimethylamino) benzaldehyde, 2,3-dimethoxybenzaldehyde, 2,4-dimethoxybenzaldehyde, 2,5-dimethoxy Benzaldehyde, 3,4-dimethoxybenzaldehyde syringaldehyde, cinnamaldehyde, succinaldehyde, α-thioacetaldehyde (trimer), β-thioacetaldehyde (trimer), α-thiobenzaldehyde (trimer), β -Thiobenzaldehyde (trimer), decanal, terephthalaldehyde, terephthalaldehyde acid, 2,2,3-trichlorobutyraldehyde, 1,3,5-trithiane, tribromoacetaldehyde, m-tolualdehyde, o-tolualdehyde, p-tolualdehyde, 1-naphthaldehyde, 2-naphthaldehyde, m-nitrobenzaldehyde, o-nitrobenzaldehyde, p-nitrobenzaldehyde, nitroformaldehyde = oxime, nonanal, vanillin paraaldehyde, para Lumaldehyde, valeraldehyde, bis (hydroxyimino) acetone, bis (methylthio) methane, hydroxyiminoacetone, 1-hydroxy-2-naphthaldehyde, 2-hydroxy-1-naphthaldehyde, 4-hydroxy-1-naphthaldehyde, m-hydroxybenzaldehyde, p-hydroxybenzaldehyde, 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, pivalaldehyde, piperonal, 2-pyridinecarbaldehyde, pyruvaldehyde, phenylacetaldehyde, phthalaldehyde, phthalaldehyde acid, 2-butynal, butyl Aldehyde, butyraldehyde = oxime, 2-furaldehyde, propioaldehyde, propionaldehyde, 2-bromoacrylaldehyde, hexanal, heptaner Perylaldehyde, benzaldehyde, (Z, Z) -benzaldehyde azine, (E) -benzaldehyde = oxime, (Z) -benzaldehyde = oxime, benzaldehyde = hydrazone, benzaldehyde = phenylhydrazone, benzoylacetaldehyde, o-formylbenzenesulfonic acid, Formaldehyde, formaldehyde = oxime, formaldehyde = diethyl acetal, formaldehyde = dimethyl acetal, malealdehyde, malonaldehyde, mandelonitrile, methacrylaldehyde, (E) -2-methyl-2-butenal, 5-methyl-2-furaldehyde, Examples include lactaldehyde, lactaldehyde dimer, and levulin aldehyde.

アルコール類としては、p−アニシルアルコール、1−アミノエタノール、o−アミノベンジルアルコール、p−アミノベンジルアルコール、アリルアルコール、イソブチルアルコール、p−イソプロピルベンジルアルコール、イソペンチルアルコール、1−ウンデカノール、エタノール、1−オクタデカノール、1−オクタノール、2−オクタノール、p−クロロベンジルアルコール、コニフェリルアルコール、サリチルアルコール、
3,3−ジメチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、シンナミルアルコール、1−デカノール、1−テトラデカノール、テトラヒドロフルフリルアルコール、1−ドデカノール、1−トリデカノール、m−トリルメタノール、o−トリルメタノール、p−トリルメタノール、m−ニトロベンジルアルコール、o−ニトロベンジルアルコール、p−ニトロベンジルアルコール、1−ノナノール、バニリルアルコール、m−ヒドロキシベンジルアルコール、p−ヒドロキシベンジルアルコール、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン、ピペロニルアルコール、フェナシルアルコール、1−フェニルエタノール、2−フェニルエタノール、(−)−α−フェンキルアルコール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブチルアルコール、trans−2−ブテン−1−オール、フルフリルアルコール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−プロピン−1−オール、1−ヘキサコサノール、1−ヘキサデカノール、1−ヘキサノール、1−ヘプタデカノール、1−ヘプタノール、ベンジルアルコール、1−ペンタデカノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、t−ペンチルアルコール、メタノール、2−メチル−1−ブタノールなどが挙げられる。
Examples of alcohols include p-anisyl alcohol, 1-aminoethanol, o-aminobenzyl alcohol, p-aminobenzyl alcohol, allyl alcohol, isobutyl alcohol, p-isopropylbenzyl alcohol, isopentyl alcohol, 1-undecanol, ethanol, 1-octadecanol, 1-octanol, 2-octanol, p-chlorobenzyl alcohol, coniferyl alcohol, salicyl alcohol,
3,3-dimethyl-2-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, cinnamyl alcohol, 1-decanol, 1-tetradecanol, tetrahydrofurfuryl alcohol, 1-dodecanol, 1-tridecanol, m-tolyl Methanol, o-tolylmethanol, p-tolylmethanol, m-nitrobenzyl alcohol, o-nitrobenzyl alcohol, p-nitrobenzyl alcohol, 1-nonanol, vanillyl alcohol, m-hydroxybenzyl alcohol, p-hydroxybenzyl alcohol, 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone, piperonyl alcohol, phenacyl alcohol, 1-phenylethanol, 2-phenylethanol, (−)-α-fenkyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol, t -Bu Chill alcohol, trans-2-buten-1-ol, furfuryl alcohol, 1-propanol, 2-propanol, 2-propyn-1-ol, 1-hexacosanol, 1-hexadecanol, 1-hexanol, 1 -Heptadecanol, 1-heptanol, benzyl alcohol, 1-pentadecanol, 1-pentanol, 2-pentanol, t-pentyl alcohol, methanol, 2-methyl-1-butanol and the like.

また、本発明のバイオ燃料発電装置においては、アノード3aおよびカソード3bの金属触媒として、Pt,Au,Pd,Mo,Fe,Co,Ru,Ni,Rh,Cu,Ir,Ag,W,Mnなどの遷移金属あるいはその酸化物から少なくとも1つ選択して用いる。   In the biofuel power generator of the present invention, Pt, Au, Pd, Mo, Fe, Co, Ru, Ni, Rh, Cu, Ir, Ag, W, Mn, etc. are used as metal catalysts for the anode 3a and the cathode 3b. At least one of these transition metals or oxides thereof is used.

特に、アノード3aとして、PtAuからなる金属触媒を用いることで優れた出力を得ることができる。この時、Pt:Au=1:3〜4(モル比)とされていることが好ましい。上記範囲のモル比とされたPtAuからなる金属触媒を用いることにより、経時安定性に優れたバイオ燃料発電装置を提供することができる。これは、Auの比率が上記範囲よりも少ないとPtAuの被毒率が高くなるためであり、当該金属触媒が被毒すると触媒作用が低下して燃料となる物質の酸化促進が行われずにバイオ燃料発電装置としての機能が失われてしまう。また、カソード3bとしては、Ptを用いることが好ましい。   In particular, an excellent output can be obtained by using a metal catalyst made of PtAu as the anode 3a. At this time, it is preferable that Pt: Au = 1: 3 to 4 (molar ratio). By using a metal catalyst made of PtAu having a molar ratio in the above range, a biofuel power generation apparatus with excellent temporal stability can be provided. This is because when the Au ratio is less than the above range, the poisoning rate of PtAu increases, and when the metal catalyst is poisoned, the catalytic action is lowered and the oxidation of the substance as a fuel is not promoted. The function as a fuel generator is lost. Moreover, it is preferable to use Pt as the cathode 3b.

また、本発明の金属触媒は、担持体としてのカーボン粒子に当該金属触媒が担持された触媒担持体として電極基材に固着されていることが重要である。   In addition, it is important that the metal catalyst of the present invention is fixed to an electrode substrate as a catalyst carrier in which the metal catalyst is supported on carbon particles as a carrier.

そして、本発明のバイオ燃料発電装置においては、当該触媒担持体に、親水性高分子化合物からなる触媒安定化剤が含まれている。親水性高分子化合物としては、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、ポリアクリル酸、ポリスルホン酸などから選択して用いることができる。   In the biofuel power generation device of the present invention, the catalyst carrier contains a catalyst stabilizer made of a hydrophilic polymer compound. As the hydrophilic polymer compound, polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, polydiallyldimethylammonium chloride, polyacrylic acid, polysulfonic acid and the like can be used.

特に、触媒安定化剤として、ポリビニルピロリドン(PVP)を用いることが好ましく、触媒担持体中において金属触媒の合計モル数の1倍以下のモノマー数の含有量とされていることで優れた出力を得ることができる。これは、触媒安定化剤の濃度が高くなると、金属触媒粒子の表面を触媒安定化剤が密に覆い、当該金属触媒粒子の疎水性が低下することにより、同じく疎水性表面を有するカーボン粒子への金属触媒粒子の吸着の原動力が失われるためであると考えられる。   In particular, it is preferable to use polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a catalyst stabilizer, and an excellent output can be obtained because the content of the monomer is not more than 1 times the total number of moles of the metal catalyst in the catalyst support. Can be obtained. This is because when the concentration of the catalyst stabilizer increases, the catalyst stabilizer densely covers the surface of the metal catalyst particles, and the hydrophobicity of the metal catalyst particles decreases. This is thought to be because the driving force for the adsorption of metal catalyst particles is lost.

上述の発電の原理を用いた本発明のバイオ燃料発電装置1の第1,第2実施形態について、図2および図3を用いて説明する。   First and second embodiments of the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention using the above-described power generation principle will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

第1実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1は、図2に示すように、イオン交換膜5を介して設けられた一対の触媒電極3を備え、当該触媒電極3の外側には一対の集電板6a,6bが設けられており、その外側には外枠2a,2bが設けられている。そして、触媒電極3のうちアノード3a側に設けられる外枠2aに燃料貯留部Tを設け、燃料液をアノード3aに接触させて燃料液中の物質の酸化を促進させて電子を発生させるとともに、イオン交換膜5を透過したHをカソード3b側においてOと接触させて電子を消費する反応を生じさせることにより発電を行う装置である。 As shown in FIG. 2, the biofuel power generation device 1 of the first embodiment of the present invention includes a pair of catalyst electrodes 3 provided via an ion exchange membrane 5, and a pair of catalyst electrodes 3 outside the catalyst electrodes 3. Current collector plates 6a and 6b are provided, and outer frames 2a and 2b are provided outside the current collector plates 6a and 6b. Then, the fuel storage portion T is provided in the outer frame 2a provided on the anode 3a side of the catalyst electrode 3, and the fuel liquid is brought into contact with the anode 3a to promote the oxidation of the substance in the fuel liquid to generate electrons, This is an apparatus that generates electricity by causing H + that has passed through the ion exchange membrane 5 to come into contact with O 2 on the cathode 3b side to generate a reaction that consumes electrons.

より具体的には、外枠2a,2bは、絶縁材料から形成されていることが重要であり、燃料液を介した漏電が生じることを防止することができる。絶縁材料としては、射出成形の容易さ(寸法安定性)、耐熱性、耐アルカリ性に優れている材料が好ましく、例えば、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、ガラス繊維強化ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、ガラス繊維強化ABS、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどが挙げられる。特に、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどは圧縮強さに優れており、ボルトなどの固定部材で外枠2a,2bを固定する際にボルト固定による圧縮変形が小さいため適している。   More specifically, it is important that the outer frames 2a and 2b are formed of an insulating material, and it is possible to prevent the occurrence of electric leakage through the fuel liquid. As the insulating material, a material excellent in ease of injection molding (dimensional stability), heat resistance and alkali resistance is preferable. For example, glass fiber reinforced polyacetal, modified polyphenylene ether, glass fiber reinforced polypropylene, polystyrene, acrylonitrile butadiene -Styrene (ABS), glass fiber reinforced ABS, acrylonitrile styrene, acrylic and the like. In particular, glass fiber reinforced polyacetal, modified polyphenylene ether, acrylonitrile / styrene, acrylic, etc. are excellent in compressive strength, and when the outer frames 2a and 2b are fixed with fixing members such as bolts, the compression deformation due to bolt fixing is small. Is suitable.

一対の触媒電極3は、カーボンクロスなどの導電性の材料からなり燃料液などを表裏面側に透過可能なメッシュ構造を有する基材上に、少なくとも1つの金属元素からなる金属触媒が固着された形態を有しており、当該金属触媒は担持体としてのカーボン粒子に担持された触媒担持体の状態で当該基材上に固着されている。   The pair of catalyst electrodes 3 is made of a conductive material such as carbon cloth, and a metal catalyst composed of at least one metal element is fixed on a base material having a mesh structure that can transmit fuel liquid and the like to the front and back sides. The metal catalyst is fixed on the base material in a state of a catalyst carrier supported on carbon particles as a carrier.

イオン交換膜5としては、陽イオン交換膜を用いることが重要である。これは、陰イオン交換膜であると、アノード3a側の酸化反応で生成された負電荷を帯びている物質が陰イオン交換膜に付着してイオン交換膜としての作用を妨げるためである。例えば、燃料とする物質がグルコースの場合には、アノード3a側にて負電荷を帯びているグルコン酸が生じるので、陰イオン交換膜を採用すると、当該グルコン酸が陰イオン交換膜に凝着してしまうという問題が生じる。   It is important to use a cation exchange membrane as the ion exchange membrane 5. This is because, in the case of an anion exchange membrane, a negatively charged substance generated by the oxidation reaction on the anode 3a side adheres to the anion exchange membrane and hinders its action as an ion exchange membrane. For example, when the fuel material is glucose, negatively charged gluconic acid is produced on the anode 3a side. Therefore, when an anion exchange membrane is employed, the gluconic acid is adhered to the anion exchange membrane. Problem arises.

一対の集電板6a,6bには、電子を導出または導入するための引き出し部がそれぞれ形成されており、アノード3a側に設けられた集電板6aの引き出し部からは電子が導出され、カソード3b側に設けられた集電板6bの引き出し部からは電子が導入される。   The pair of current collector plates 6a and 6b are formed with lead portions for leading or introducing electrons, respectively, and electrons are led from the lead portion of the current collector plate 6a provided on the anode 3a side, and the cathode Electrons are introduced from the lead-out portion of the current collector plate 6b provided on the 3b side.

また、外枠2aと集電板6aとの間には、燃料液が漏れ出すのを防止するためのパッキンが設けられている。   Further, a packing is provided between the outer frame 2a and the current collector plate 6a to prevent the fuel liquid from leaking out.

カソード3b側に配置される外枠2bには、カソード3bを外気に触れさせるための開口が形成されている。この開口からOを取り入れて、カソード3bにおけるHとOの反応を生じさせる。 The outer frame 2b disposed on the cathode 3b side is formed with an opening for allowing the cathode 3b to come into contact with the outside air. O 2 is taken from this opening to cause a reaction of H + and O 2 at the cathode 3b.

外枠2a,2bには、イオン交換膜5、一対の触媒電極3および一対の集電板6a,6bを間に挟んだ状態で固定するための固定部材が設けられている。   The outer frames 2a and 2b are provided with a fixing member for fixing the ion exchange membrane 5, the pair of catalyst electrodes 3, and the pair of current collector plates 6a and 6b with the sandwiched therebetween.

上記構成の第1実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1においては、外枠2aの燃料貯留部Tに貯留されている燃料液をアノード3aに備えられた金属触媒によって当該燃料液中の物質の酸化を促進して電子を発生させて当該電子を集電板6aの引き出し部から導出するとともに、集電板6bの引き出し部から当該電子を導入し、カソード3bに接触する空気中のOとイオン交換膜5を透して染み出してきたHとを反応させて当該電子を消費することにより、アノード3aとカソード3b間に電子の流れを形成して発電を行う。 In the biofuel power generation device 1 of the first embodiment of the present invention having the above-described configuration, the fuel liquid stored in the fuel storage portion T of the outer frame 2a is converted into the substance in the fuel liquid by the metal catalyst provided in the anode 3a. together to promote the oxidation to generate electrons to derive the electrons from the lead portion of the current collector plate 6a, the introduced the electrons from the lead portion of the current collector plate 6b, O 2 in the air in contact with the cathode 3b And H + that permeates through the ion exchange membrane 5 to react with each other and consume the electrons, thereby generating an electron flow between the anode 3a and the cathode 3b to generate electric power.

第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1は、図3に示すように、イオン交換膜5を介して設けられた一対の触媒電極3を備え、当該触媒電極3のアノード3a側において燃料液中の物質をアノード3aに設けられた触媒によって酸化させて電子を発生させることにより発電を行う装置である。   As shown in FIG. 3, the biofuel power generation device 1 of the second embodiment of the present invention includes a pair of catalyst electrodes 3 provided via an ion exchange membrane 5, and fuel on the anode 3 a side of the catalyst electrode 3. This is an apparatus for generating electricity by oxidizing a substance in the liquid with a catalyst provided on the anode 3a to generate electrons.

より具体的には、外枠2a,2bは、燃料液を介した漏電が生じることを防止するために絶縁材料から形成されていることが重要である。絶縁材料としては、射出成形の容易さ(寸法安定性)、耐熱性、耐アルカリ性に優れている材料が好ましく、例えば、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、ガラス繊維強化ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、ガラス繊維強化ABS、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどが挙げられる。特に、ガラス繊維強化ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、アクリロニトリル・スチレン、アクリルなどは圧縮強さに優れているため、ボルトとナットのように互いの間に挟み込んだ対象を圧縮しながら固定する形態の固定部材を用いた場合においても圧縮変形が生じずに長期間使用することができる。   More specifically, it is important that the outer frames 2a and 2b are made of an insulating material in order to prevent leakage through the fuel liquid. As the insulating material, a material excellent in ease of injection molding (dimensional stability), heat resistance and alkali resistance is preferable. For example, glass fiber reinforced polyacetal, modified polyphenylene ether, glass fiber reinforced polypropylene, polystyrene, acrylonitrile butadiene -Styrene (ABS), glass fiber reinforced ABS, acrylonitrile styrene, acrylic and the like. In particular, glass fiber reinforced polyacetal, modified polyphenylene ether, acrylonitrile / styrene, acrylic, etc. are excellent in compressive strength, so that the fixing member is configured to fix the object sandwiched between them like a bolt and nut while compressing them. Even in the case of using, it can be used for a long time without causing any compression deformation.

一対の触媒電極3は、第1実施形態において説明したように、カーボンクロスなどからなる基材上に、少なくとも1つの金属元素からなる金属触媒が固着された形態を有しており、当該金属触媒は担持体としてのカーボン粒子に担持された触媒担持体の状態で当該基材上に固着されている。   As described in the first embodiment, the pair of catalyst electrodes 3 has a form in which a metal catalyst made of at least one metal element is fixed on a substrate made of carbon cloth or the like. Is fixed on the base material in the state of a catalyst carrier supported on carbon particles as a carrier.

このような一対の触媒電極3の外側には、図3に示すように、イオン交換膜5を間に介して配置されたアノード3aおよびカソード3bを挟むようにカーボン材または金属材からなるセパレータ7a,7bが設けられている。セパレータ7aのアノード3aに面する表面には、燃料液を流すための矩形波状の流路溝4が形成されており、セパレータ7bのカソード3bに面する表面には、酸素ガスを流すための矩形波状のガス流路溝8が形成されている。また、セパレータ7a,7bには、当該流路溝4およびガス流路溝8に対して外部に設けられた燃料貯留部TおよびガスタンクGからそれぞれ燃料液および酸素ガスを流入するための流入口および当該流路溝4およびガス流路溝8を通過した燃料液および酸素ガスを排出するための排出口が形成されている。なお、本実施形態においては、流路溝4の形状について、矩形波状に形成された態様を用いて説明しているが、これに限定するものではなく、例えば、渦巻き状、複数の縦筋状または横筋状などの形状を採用してもよい。また、導入部4aおよび導出部4bについても、それぞれ複数個設ける態様としてもよい。   As shown in FIG. 3, a separator 7a made of a carbon material or a metal material is sandwiched between the anode 3a and the cathode 3b disposed with the ion exchange membrane 5 interposed therebetween, as shown in FIG. , 7b are provided. The surface of the separator 7a facing the anode 3a is formed with a rectangular wave-shaped channel groove 4 for flowing a fuel liquid, and the surface of the separator 7b facing the cathode 3b is a rectangular for flowing oxygen gas. A wave-like gas passage groove 8 is formed. In addition, the separators 7a and 7b are respectively provided with an inlet for injecting fuel liquid and oxygen gas from a fuel reservoir T and a gas tank G provided outside the flow channel groove 4 and the gas flow channel groove 8, respectively. A discharge port for discharging the fuel liquid and oxygen gas that has passed through the flow channel groove 4 and the gas flow channel groove 8 is formed. In the present embodiment, the shape of the flow channel groove 4 is described using an aspect formed in a rectangular wave shape. However, the present invention is not limited to this, and for example, a spiral shape or a plurality of vertical stripe shapes are used. Or you may employ | adopt shapes, such as a horizontal stripe shape. Moreover, it is good also as an aspect which provides multiple each about the introduction part 4a and the derivation | leading-out part 4b.

イオン交換膜5とセパレータ7aとの間には、当該セパレータ7aに形成された流路溝4の外周部を囲う形状とされたシリコンガスケット9aが設けられており、さらに、当該シリコンガスケット9aとセパレータ7aとの間には、シリコンガスケット9aと同型に形成されたテフロンガスケット10aが設けられており、2種類の材質からなるガスケットを併用することによって高い液密性を実現して、流路溝4内を流れる燃料液が当該流路溝4外に液漏れすることを防いでいる。また、当該シリコンガスケット9aおよびテフロンガスケット10aは、流路溝4に対してアノード3aの配置位置を位置決めするための開口部を有しており、イオン交換膜5とセパレータ7aとの間において当該開口部にアノード3aを嵌め込んだ状態で配置される。   Between the ion exchange membrane 5 and the separator 7a, a silicon gasket 9a having a shape surrounding the outer peripheral portion of the flow channel groove 4 formed in the separator 7a is provided. Further, the silicon gasket 9a and the separator 7a are provided. 7 is provided with a Teflon gasket 10a formed in the same shape as the silicon gasket 9a. By using a gasket made of two kinds of materials in combination, a high liquid tightness is realized, and the flow channel 4 This prevents the fuel liquid flowing inside from leaking out of the channel groove 4. The silicon gasket 9a and the Teflon gasket 10a have an opening for positioning the anode 3a with respect to the channel groove 4, and the opening is provided between the ion exchange membrane 5 and the separator 7a. It arrange | positions in the state which inserted the anode 3a in the part.

同様に、イオン交換膜5とセパレータ7bとの間には、当該セパレータ7bに形成されたガス流路溝8の外周部を囲う形状とされたシリコンガスケット9bが設けられており、さらに、当該シリコンガスケット9bとセパレータ7bとの間には、シリコンガスケット9bと同型に形成されたテフロンガスケット10bが設けられており、2種類の材質からなるガスケットを併用することによって高い気密性を実現して、ガス流路溝8内を流れる酸素ガスがガス流路溝8外にガス漏れすることを防いでいる。また、当該シリコンガスケット9bおよびテフロンガスケット10bは、ガス流路溝8に対してカソード3bの配置位置を位置決めするための開口部を有しており、イオン交換膜5とセパレータ7bとの間において当該開口部にカソード3bを嵌め込んだ状態で配置される。   Similarly, a silicon gasket 9b is provided between the ion exchange membrane 5 and the separator 7b so as to surround the outer periphery of the gas flow channel groove 8 formed in the separator 7b. A Teflon gasket 10b formed in the same shape as the silicon gasket 9b is provided between the gasket 9b and the separator 7b. By using a combination of two types of gaskets, high airtightness is realized, Oxygen gas flowing in the flow channel groove 8 is prevented from leaking out of the gas flow channel groove 8. Further, the silicon gasket 9b and the Teflon gasket 10b have an opening for positioning the position of the cathode 3b with respect to the gas flow channel groove 8, and the gap is between the ion exchange membrane 5 and the separator 7b. It arrange | positions in the state which inserted the cathode 3b in the opening part.

セパレータ7aの外側には、図3に示すように、アノード3aにおいて発生した電子を集めるための集電板6aが設けられており、セパレータ7bの外側には、前記集電板6aにおいて回収した電子をカソード3bに対して供給するための集電板6bが配置されている。当該集電板6a,6bは、電気伝導性に優れた素材であれば特に限定するものではないが、本実施形態においては、金メッキを施した銅板を用いている。   As shown in FIG. 3, a current collecting plate 6a for collecting electrons generated in the anode 3a is provided outside the separator 7a, and electrons collected by the current collecting plate 6a are provided outside the separator 7b. A current collecting plate 6b is disposed for supplying the cathode 3b to the cathode 3b. The current collector plates 6a and 6b are not particularly limited as long as they are materials excellent in electrical conductivity, but in this embodiment, copper plates subjected to gold plating are used.

集電板6a,6bの外側には、図3に示すように、固定部材を挿通させるための貫通孔が厚さ方向に複数個形成された一対の外枠2a,2bが設けられている。このような一対の外枠2a,2b間においては、外枠2a側から、集電板6a、セパレータ7a、テフロンガスケット10a、シリコンガスケット9aの開口部に嵌め込まれたアノード3a、イオン交換膜5、シリコンガスケット9bの開口部に嵌め込まれたカソード3b、シリコンガスケット9b、テフロンガスケット10b、セパレータ7b、集電板6bの順で配置し、一対の外枠2a,2bにそれぞれ形成された複数の貫通孔に対してそれぞれボルトなどの固定部材を挿通して固定することにより、各部材を狭持して保持するように形成されている。   As shown in FIG. 3, a pair of outer frames 2 a and 2 b in which a plurality of through holes for inserting the fixing members are formed in the thickness direction are provided outside the current collecting plates 6 a and 6 b. Between the pair of outer frames 2a and 2b, from the outer frame 2a side, the current collector plate 6a, the separator 7a, the Teflon gasket 10a, the anode 3a fitted in the opening of the silicon gasket 9a, the ion exchange membrane 5, A plurality of through-holes formed in the pair of outer frames 2a and 2b are arranged in the order of the cathode 3b fitted in the opening of the silicon gasket 9b, the silicon gasket 9b, the Teflon gasket 10b, the separator 7b, and the current collector plate 6b. Each member is sandwiched and held by inserting and fixing a fixing member such as a bolt.

外枠2a、集電板6a,6b、セパレータ7a,7b、シリコンガスケット9a,9bおよびテフロンガスケット10a,10bには、図3に示すように、燃料貯留部Tからセパレータ7aの流路溝4に燃料液を流入する導入部4aに対して、当該燃料液を導入するための燃料導入部11が形成されている。燃料導入部11は、外枠2aおよび集電板6aに形成された貫通孔11aを備え、当該貫通孔に対して燃料貯留部Tから引き出された燃料液輸送用のチューブなどを挿入し固定部11bによって固定する構成とされている。なお、当該チューブは、絶縁性の素材からなることが好ましい。   As shown in FIG. 3, the outer frame 2a, current collector plates 6a and 6b, separators 7a and 7b, silicon gaskets 9a and 9b, and Teflon gaskets 10a and 10b are connected to the flow channel groove 4 of the separator 7a from the fuel reservoir T. A fuel introduction part 11 for introducing the fuel liquid is formed with respect to the introduction part 4a into which the fuel liquid flows. The fuel introduction portion 11 includes a through hole 11a formed in the outer frame 2a and the current collector plate 6a, and a fixing portion by inserting a fuel liquid transport tube drawn from the fuel storage portion T into the through hole. It is set as the structure fixed by 11b. The tube is preferably made of an insulating material.

また、外枠2a、集電板6a,6b、セパレータ7a,7b、シリコンガスケット9a,9bおよびテフロンガスケット10a,10bには、ガスタンクGからセパレータ7bのガス流路溝8に酸素ガスを流入する導入部8aに対して、当該酸素ガスを導入するためのガス導入部12が形成されている。ガス導入部12は、外枠2a、集電板6a、セパレータ7a,7b、シリコンガスケット9a,9bおよびテフロンガスケット10a,10bに形成された貫通孔12aを備え、当該貫通孔12aに対してガスタンクGから引き出されたガス輸送用のチューブなどを挿入し固定部12bによって固定する構成とされている。なお、当該チューブは、絶縁性の素材からなることが好ましい。   In addition, oxygen gas flows from the gas tank G into the gas flow channel groove 8 of the separator 7b into the outer frame 2a, current collector plates 6a and 6b, separators 7a and 7b, silicon gaskets 9a and 9b, and Teflon gaskets 10a and 10b. A gas introduction part 12 for introducing the oxygen gas is formed in the part 8a. The gas introduction part 12 includes a through hole 12a formed in the outer frame 2a, the current collector plate 6a, the separators 7a and 7b, the silicon gaskets 9a and 9b, and the Teflon gaskets 10a and 10b. A gas transportation tube or the like drawn out from is inserted and fixed by the fixing portion 12b. The tube is preferably made of an insulating material.

シリコンガスケット9a,9b、テフロンガスケット10a,10b、セパレータ7a,7b、集電板6a,6bおよび外枠2bには、図3に示すように、セパレータ7aの流路溝4の排出部4bから流出した使用済みの燃料液およびセパレータ7bのガス流路溝8の流出口から流出した使用済みの酸素ガスをそれぞれ外部へ導出するための燃料導出部13およびガス導出部14が形成されている。燃料導出部13およびガス導出部14は、シリコンガスケット9a,9b、テフロンガスケット10a,10b、セパレータ7b、集電板6bおよび外枠2bに形成された貫通孔13a,14aをそれぞれ備えており、当該貫通孔13a,14aに流れ込んだ使用済みの燃料液および酸素ガスを外枠2bから外部へ導出する構成とされている。   As shown in FIG. 3, the silicon gaskets 9a and 9b, the Teflon gaskets 10a and 10b, the separators 7a and 7b, the current collector plates 6a and 6b, and the outer frame 2b flow out from the discharge part 4b of the flow channel 4 of the separator 7a. A fuel lead-out part 13 and a gas lead-out part 14 are respectively formed to lead out the used fuel liquid and the used oxygen gas flowing out from the outlet of the gas flow channel groove 8 of the separator 7b. The fuel lead-out part 13 and the gas lead-out part 14 include silicon gaskets 9a and 9b, Teflon gaskets 10a and 10b, a separator 7b, a current collector plate 6b, and through holes 13a and 14a formed in the outer frame 2b, respectively. The used fuel liquid and oxygen gas flowing into the through holes 13a and 14a are led out from the outer frame 2b to the outside.

なお、図3に示した第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1は、最も基本的な構成を用いて説明したものであり、実用的には、集電板6a,6b間において、セパレータ7a,7b、シリコンガスケット9a,9b、テフロンガスケット10a,10b、アノード3a、カソード3bおよびイオン交換膜5とからなる1セットを複数個スタックした構成として用いるものである。スタックする個数は、必要な発電量に応じて適宜調整することができる。   In addition, the biofuel power generation device 1 of the present invention of the second embodiment shown in FIG. 3 has been described using the most basic configuration, and practically, between the current collector plates 6a and 6b, A plurality of sets each including a separator 7a, 7b, silicon gaskets 9a, 9b, Teflon gaskets 10a, 10b, an anode 3a, a cathode 3b, and an ion exchange membrane 5 are stacked. The number of stacks can be appropriately adjusted according to the required power generation amount.

また、第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1においては、図3に示すように、外枠2aと集電板6aおよび集電板6bと外枠2bとの間に、液密性を向上させるためのシリコンガスケットをそれぞれ設ける構成としてもよい。   Moreover, in the biofuel power generation device 1 of the present invention of the second embodiment, as shown in FIG. 3, liquid tightness is provided between the outer frame 2a and the current collector plate 6a and between the current collector plate 6b and the outer frame 2b. It is good also as a structure which each provides the silicon gasket for improving.

上記構成の第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1においては、図3に示すように、燃料としてのグルコースとKOHとを含む燃料液が貯留されている燃料貯留部Tから燃料輸送用のチューブを介して燃料導入部11からアノード3aが隣接しているセパレータ7aに形成された流路溝4内に燃料液を導入するとともに、酸素ガスが充填されたガスタンクGからガス輸送用のチューブを介してガス導入部12からカソード3bが隣接しているセパレータ7bに形成されたガス流路溝8内に酸素ガスを導入する。アノード3aに接触した燃料液中のグルコースが酸化されて発生した電子が集電板6aを通してバイオ燃料発電装置1に接続された図示を省略した機器へと導出される。さらに、当該バイオ燃料発電装置1に接続された機器を介して集電板6bに対して導入された電子がカソード3b側へ流れることにより発電を行うものである。   In the biofuel power generation device 1 of the second embodiment of the present invention having the above-described configuration, as shown in FIG. 3, the fuel is transported from the fuel reservoir T in which the fuel liquid containing glucose and KOH as fuel is stored. The fuel liquid is introduced into the flow channel 4 formed in the separator 7a adjacent to the anode 3a from the fuel introduction portion 11 through the tube, and the tube for gas transportation from the gas tank G filled with oxygen gas. Then, oxygen gas is introduced from the gas introduction part 12 into the gas flow path groove 8 formed in the separator 7b adjacent to the cathode 3b. Electrons generated as a result of oxidation of glucose in the fuel liquid in contact with the anode 3a are led to a device (not shown) connected to the biofuel power generator 1 through the current collector plate 6a. Furthermore, power is generated by electrons introduced to the current collector plate 6b through the device connected to the biofuel power generator 1 flowing toward the cathode 3b.

このような、第1および第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1によれば、従来のバイオ燃料発電装置と比較してグルコースの酸化促進作用に優れており、高い出力を実現することを可能とする。   According to the biofuel power generation device 1 of the first and second embodiments of the present invention as described above, the glucose oxidation promotion action is superior to that of the conventional biofuel power generation device, and a high output is realized. Is possible.

特に、本発明のバイオ燃料発電装置1においては、アノード3aにおいて、PtAu触媒を担持させた触媒担持体を有しており、当該PtAu触媒がPt:Au=1:3〜4(モル比)とされた合金からなり、触媒担持体中の触媒安定化剤の含有量が、金属触媒の合計モル数の1倍以下のモノマー数とされていることによって、燃料となる物質の高い酸化促進効果を得ることができるので、より高い出力を得ることを可能とする。   In particular, in the biofuel power generation device 1 of the present invention, the anode 3a has a catalyst carrier on which a PtAu catalyst is supported, and the PtAu catalyst has Pt: Au = 1: 3 to 4 (molar ratio). The content of the catalyst stabilizer in the catalyst carrier is set to the number of monomers less than 1 times the total number of moles of the metal catalyst. Therefore, higher output can be obtained.

以下に、アノード3aの詳しい製造方法について図4を用いて説明する。本願のバイオ燃料発電装置1における触媒電極3のアノード3aの製造方法は、図4に示すように、紙面上において左側から右側の工程へと順に進められる。具体的には、まずは、触媒安定化剤としてのPVP水溶液中にHAuClを添加してPVP構造中に塩化Auイオンを結合させて錯体を形成する。次いで、HPtClを水溶液中に添加してPVP構造中に塩化Ptイオンを結合させて錯体を形成する。当該水溶液中に対して、還元剤としてのNaBHを短時間で多量に添加することにより、PtAuの合金ナノ粒子を形成する。そして、担持体としてのカーボン粒子を当該水溶液中に投入し、PtAuの合金ナノ粒子を疎水的な力で吸着させて触媒担持体を形成させた後、ろ過および乾燥を行って触媒担持体を得る。得られた触媒担持体を結着剤としてのアイオノマーを添加したエタノール水溶液中に分散させて、カーボンクロスに塗布することによって触媒電極3のアノード3aを得ることができる。 Below, the detailed manufacturing method of the anode 3a is demonstrated using FIG. The manufacturing method of the anode 3a of the catalyst electrode 3 in the biofuel power generation apparatus 1 of the present application proceeds in order from the left side to the right side on the paper as shown in FIG. Specifically, first, HAuCl 4 is added to an aqueous PVP solution as a catalyst stabilizer, and Au chloride ions are bonded to the PVP structure to form a complex. Next, H 2 PtCl 6 is added to the aqueous solution to bind Pt chloride ions in the PVP structure to form a complex. PtAu alloy nanoparticles are formed by adding a large amount of NaBH 4 as a reducing agent in a short time to the aqueous solution. Then, carbon particles as a support are put into the aqueous solution, and PtAu alloy nanoparticles are adsorbed by a hydrophobic force to form a catalyst support, followed by filtration and drying to obtain a catalyst support. . The anode 3a of the catalyst electrode 3 can be obtained by dispersing the obtained catalyst carrier in an aqueous ethanol solution to which an ionomer as a binder has been added and applying it to a carbon cloth.

なお、還元剤としては、NaBHの他にも、ヒドラジン、クエン酸、アスコルビン酸、エタノールなどを用いることができる。 As the reducing agent, hydrazine, citric acid, ascorbic acid, ethanol and the like can be used in addition to NaBH 4 .

以降の実施例においてアノード3aに用いた触媒担持体は下記の方法によって調製した。なお、Pt:Au=1:4(モル比)とし、PVP濃度をPtおよびAuのモル濃度に対して、1倍として説明する。具体的には、まず、下記の各溶液A〜Cを調製した。次に、上記の溶液A6.0mL、溶液B1.5mL、溶液C3.0mLおよび水136.5mLを混合し、30分間室温にて磁気撹拌を行った。ここで、溶液Dの調製を行った。溶液(A+B+C+水)を激しく撹拌しながら、調製直後の溶液D3.0mLを添加し、さらに30分間撹拌を続けた。撹拌を止めた後、溶液(A+B+C+水+D)に炭素粉末29.0mgを添加した懸濁液をさらに12時間室温で磁気撹拌した。最後に、当該懸濁液を減圧濾過し、多量の水で洗浄した後、120℃で2時間乾燥させて触媒担持体を得た。
<溶液A>
4mMテトラクロロ金(III)酸水溶液
テトラクロロ金(III)酸四水和物(HAuCl・4HO)16.5mgを水10mLに溶解した。
<溶液B>
4mMヘキサクロロ白金(IV)酸水溶液
ヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物(HPtCl・6HO)20.7mgを水10mLに溶解した。
<溶液C>
10mMポリ(N−ビニル−2−ピロリドン)(PVP)水溶液
ポリ(N−ビニル−2−ピロリドン)11.1mgを水10mLに溶解した。
<溶液D>
100mM水素化ホウ素ナトリウム水溶液
水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)37.8mgを水10mLに溶解した。
In the following examples, the catalyst carrier used for the anode 3a was prepared by the following method. In the description, it is assumed that Pt: Au = 1: 4 (molar ratio) and the PVP concentration is one time the molar concentration of Pt and Au. Specifically, first, the following solutions A to C were prepared. Next, 6.0 mL of the above solution A, 1.5 mL of solution B, 3.0 mL of solution C, and 136.5 mL of water were mixed, and magnetic stirring was performed for 30 minutes at room temperature. Here, Solution D was prepared. While vigorously stirring the solution (A + B + C + water), 3.0 mL of the solution D immediately after preparation was added, and stirring was further continued for 30 minutes. After stopping the stirring, a suspension obtained by adding 29.0 mg of carbon powder to the solution (A + B + C + water + D) was further magnetically stirred at room temperature for 12 hours. Finally, the suspension was filtered under reduced pressure, washed with a large amount of water, and dried at 120 ° C. for 2 hours to obtain a catalyst carrier.
<Solution A>
16.5 mg of 4 mM tetrachloroauric (III) acid aqueous solution tetrachloroauric (III) acid tetrahydrate (HAuCl 4 .4H 2 O) was dissolved in 10 mL of water.
<Solution B>
The 4mM hexachloroplatinic (IV) acid aqueous solution of hexachloroplatinic (IV) acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) 20.7mg dissolved in water 10 mL.
<Solution C>
10.1 mg of 10 mM poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) (PVP) aqueous solution poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) was dissolved in 10 mL of water.
<Solution D>
37.8 mg of 100 mM sodium borohydride aqueous solution sodium borohydride (NaBH 4 ) was dissolved in 10 mL of water.

<触媒担持体の検討>
ここで、アノード3aに用いる触媒担持体について、PVP濃度と触媒の担持量との関係を検討した。本検討においては、Pt:Au=1:4(モル比)とし、触媒担持体の調製時におけるPVP濃度をPtおよびAuのモル濃度に対して、0.1,1,10,100倍として検討を行った。触媒担持体は、上記の方法によって調製した。なお、各触媒担持体サンプルの調製段階において、得られた触媒担持体についてTEM観察を行った結果を図5(a)〜(d)に示す。図5(a)〜(d)においては、黒色部がPtAu触媒粒子を示す。また、図5(a)〜(d)に示す各TEM像から画像解析を行って得られた粒子径の解析結果を表1に示す。
<Examination of catalyst carrier>
Here, regarding the catalyst carrier used for the anode 3a, the relationship between the PVP concentration and the amount of the catalyst supported was examined. In this study, Pt: Au = 1: 4 (molar ratio), and the PVP concentration at the time of preparation of the catalyst support was examined as 0.1, 1, 10, 100 times the molar concentration of Pt and Au. Went. The catalyst support was prepared by the above method. In addition, the result of having performed TEM observation about the obtained catalyst support body in the preparation stage of each catalyst support body sample is shown to Fig.5 (a)-(d). In FIGS. 5A to 5D, the black portions indicate PtAu catalyst particles. Table 1 shows the analysis results of the particle diameters obtained by performing image analysis from the respective TEM images shown in FIGS.

なお、粒子径の解析は下記の方法により行った。まず、図4に示した方法で調製した各コロイド溶液5μLを透過型電子顕微鏡(TEM)観察用グリッドへ乗せ、真空乾燥を行った後、透過型電子顕微鏡(H−7650;日立ハイテクノロジーズ製)を用いてPtAuナノ粒子の観察を行った。得られた画像はNIHが開発した画像解析ソフトImageJを用い、画像の二階調化、閾値・明るさ・コントラストを調製した後、粒子解析機能によって粒子径の解析を行った。得られた粒子径のデータは、統計解析を行うことにより、平均値と標準偏差(σ)および3σを求め、ヒストグラムによって分析を行った。また、最大粒子径は、粒子径標準偏差σを3倍した数である3σに平均粒子径を足した値である。   The particle size was analyzed by the following method. First, 5 μL of each colloid solution prepared by the method shown in FIG. 4 was placed on a transmission electron microscope (TEM) observation grid, vacuum-dried, and then a transmission electron microscope (H-7650; manufactured by Hitachi High Technologies). Was used to observe PtAu nanoparticles. The obtained image was subjected to particle size analysis by a particle analysis function after image gradation software, image J, and threshold / brightness / contrast were prepared using image analysis software ImageJ developed by NIH. The obtained particle diameter data was subjected to statistical analysis to obtain an average value, a standard deviation (σ), and 3σ, and analyzed by a histogram. The maximum particle diameter is a value obtained by adding the average particle diameter to 3σ which is a number obtained by multiplying the particle diameter standard deviation σ by three.

また、得られた各触媒担持体サンプルについて、10℃/minの速度にて600℃まで昇温し30〜60分間保持する条件にて熱重量測定を行い、触媒の担持量およびPVP含有量の測定を行った。得られた結果を図6に示す。   In addition, for each of the obtained catalyst support samples, thermogravimetric measurement was performed under the condition that the temperature was raised to 600 ° C. at a rate of 10 ° C./min and held for 30 to 60 minutes. Measurements were made. The obtained result is shown in FIG.

調製したPtAu触媒は、図4(a)〜(d)に示すように、0.1倍のサンプルの粒子径が最も大きいことが分かる。また、0.1倍のサンプルのPtAu触媒粒子の粒子径はバラつきが大きいことが分かる。1倍〜100倍のサンプルの粒子径は、図4(b)〜(d)に示すように、ほぼ同じ大きさを有していることが分かる。   As shown in FIGS. 4A to 4D, it can be seen that the prepared PtAu catalyst has the largest particle size of a 0.1-fold sample. Moreover, it turns out that the particle diameter of the PtAu catalyst particle of a 0.1 time sample has a large variation. As shown in FIGS. 4B to 4D, it can be seen that the particle diameters of the samples of 1 to 100 times have almost the same size.

各PVP濃度におけるPtAu触媒の粒子径の解析結果は、表1に示すように、0.1倍のサンプルは平均粒径4.05nmと大きい粒子径を有しており、さらに、標準偏差の値から粒子径のバラつきが大きいことが分かる。そして、1倍〜100倍のサンプルにおいては、平均粒子径もほぼ同等の値を示していた。   As shown in Table 1, the analysis result of the particle diameter of the PtAu catalyst at each PVP concentration shows that the 0.1-fold sample has a large average particle diameter of 4.05 nm, and the standard deviation value. As can be seen from FIG. And in the sample of 1 time-100 times, the average particle diameter also showed the substantially equivalent value.

得られた各PVP濃度の触媒担持体サンプルにおけるPtAu触媒の担持量は、図6に示すように、PVP濃度が低いサンプルほど多く担持していた。これは、PVPの濃度が高くなるに従って、PtAu触媒粒子の表面を触媒安定化剤が密に覆い、当該PtAu触媒粒子の疎水性が低下することにより、同じく疎水的表面を持つカーボン粒子へのPtAu触媒粒子の吸着の原動力が失われたためであると考えられる。   As shown in FIG. 6, the amount of the PtAu catalyst supported in the obtained catalyst support sample of each PVP concentration was supported more as the sample with a lower PVP concentration. This is because, as the concentration of PVP increases, the surface of the PtAu catalyst particles is densely covered with the catalyst stabilizer, and the hydrophobicity of the PtAu catalyst particles decreases, so that the PtAu to the carbon particles having the same hydrophobic surface is also obtained. This is thought to be because the driving force for adsorption of the catalyst particles was lost.

また、上記検討において得られた各PVP濃度の触媒担持体サンプルの出力について検討した。上記各触媒担持体サンプルを50vol%濃度のエタノール水溶液に10mg/mLとなるように分散させてアイオノマーとして2wt%濃度のNafion(登録商標)を加えて触媒インクとした後、3×3cmのカーボンクロスに塗布してアノード3aを得た。得られた各アノード3aを第2実施形態に記載の本発明のバイオ燃料発電装置にセットし、0.2Mのグルコースおよび1MのKOHを溶解させた燃料液を用いて電流−電圧特性の測定を行い各触媒担持体サンプルの出力を検討した。得られた結果を図7に示す。   Moreover, the output of the catalyst carrier sample of each PVP concentration obtained in the above examination was examined. Each of the above catalyst support samples was dispersed in an aqueous ethanol solution having a concentration of 50 vol% to a concentration of 10 mg / mL, and 2 wt% Nafion (registered trademark) was added as an ionomer to form a catalyst ink, and then a 3 × 3 cm carbon cloth. To obtain an anode 3a. Each obtained anode 3a is set in the biofuel power generation device of the present invention described in the second embodiment, and current-voltage characteristics are measured using a fuel solution in which 0.2 M glucose and 1 M KOH are dissolved. The output of each catalyst carrier sample was examined. The obtained results are shown in FIG.

各触媒担持体サンプルを用いた場合の最大出力密度は、図7に示すように、PVP濃度が0.1倍のサンプルにおいて6.53mW/cm、1倍のサンプルにおいて6.47mW/cm、10倍のサンプルにおいて2.91mW/cm、100倍のサンプルにおいて0.02mW/cmであった。これは、PVP濃度が高い触媒担持体サンプルほど、PtAu触媒の担持量が少なくなるため、最大出力密度もこれに伴って低下したと考えられる。しかしながら、0.1倍のサンプルにおいてはこの関係は成り立たず、PVP濃度1倍のサンプルと0.1倍のサンプルとは殆ど同じ最大出力密度を示した。これは、0.1倍のサンプルは、PtAu触媒の担持量は多いものの、PtAu触媒の粒子径が大きいために、結果的に触媒担持体の表面に露出しているPtAu触媒の面積が1倍のサンプルと同程度となっているためであると考えられる。 Maximum power density in the case of using each catalyst carrier samples, as shown in FIG. 7, PVP concentration 6.53mW / cm 2 at 0.1 times the sample 1 fold in sample 6.47mW / cm 2 was at 10 times the sample at 2.91mW / cm 2, 100 times the sample at 0.02 mW / cm 2. It is considered that this is because the catalyst carrier sample with a higher PVP concentration has a smaller amount of PtAu catalyst supported, and the maximum output density is also reduced accordingly. However, this relationship did not hold in the 0.1-fold sample, and the sample with 1-fold PVP concentration and the sample with 0.1-fold showed almost the same maximum power density. This is because the 0.1-fold sample has a large amount of PtAu catalyst, but the particle size of the PtAu catalyst is large, resulting in a 1-fold increase in the area of the PtAu catalyst exposed on the surface of the catalyst support. This is considered to be the same level as the sample.

以上の検討結果から、アノード3aに用いる触媒担持体としては、PtAu触媒のPtおよびAuの合計モル数の1倍以下のモノマー数のPVPを含むことにより、優れた出力を得られることが明らかとなった。   From the above examination results, it is clear that an excellent output can be obtained by including PVP of the number of monomers less than 1 times the total number of moles of Pt and Au as the catalyst support used for the anode 3a. became.

上記の実施形態のバイオ燃料発電装置1によれば、アノード3aがPtAu合金(ここでは、Pt:Au=1:4(モル比))からなる触媒を備えた触媒担持体を有しており、カソード3bがPtからなる触媒を備えていることにより、効率よく燃料液としてのグルコースの酸化反応を促進して、優れた出力が得られることができた。   According to the biofuel power generation apparatus 1 of the above embodiment, the anode 3a has a catalyst carrier including a catalyst made of a PtAu alloy (here, Pt: Au = 1: 4 (molar ratio)), By providing the cathode 3b with a catalyst made of Pt, it was possible to efficiently promote the oxidation reaction of glucose as a fuel liquid and obtain an excellent output.

この時、アノード3aの触媒担持体中のPVP濃度が、PtAu触媒のPtおよびAuの合計モル数の1倍以下のモノマー数とされていることにより、高い出力を得ることができた。   At this time, a high output could be obtained because the PVP concentration in the catalyst support of the anode 3a was set to the number of monomers less than 1 times the total number of moles of Pt and Au of the PtAu catalyst.

以下に、本発明のバイオ燃料発電装置1の実施例1〜4について説明する。   Below, Examples 1-4 of the biofuel power generator 1 of the present invention will be described.

<実施例1>
実施例1においては、出力密度と触媒安定性の観点からPtAu触媒におけるPtとAuとの最適な比率について検討を行った。具体的には、モル比にてPt+Au=100%となるようにAuの比率を、0,20,50,80または100%としたPtAu触媒をカーボンクロスに塗布し、第2実施形態のバイオ燃料発電装置1を用いて電流−電圧特性を測定した。この時、燃料液として0.2Mグルコースと1MKOHの混合液を用いた。また、各PtAu触媒をグラッシーカーボン電極(φ4mm)に塗布し、−1V(VvsAg/AgCl)で30sec保持後、0.2V(VvsAg/AgCl)にステップアップさせ3600sec保持した条件下において、50mMグルコースと100mMKOHとの混合液からなる燃料液を用いたクロノアンペロメトリ測定法を行い、電流値の経時変化を測定した。得られた測定結果を線形近似し、得られた切片と傾きの値を用いて比率の異なる各PtAu触媒の被毒率を算出した。得られた出力密度の結果を図8、触媒安定性を示す結果を表2に示す。
<Example 1>
In Example 1, the optimum ratio of Pt and Au in the PtAu catalyst was examined from the viewpoint of power density and catalyst stability. Specifically, a PtAu catalyst with a Au ratio of 0, 20, 50, 80 or 100% is applied to carbon cloth so that the molar ratio is Pt + Au = 100%, and the biofuel of the second embodiment Current-voltage characteristics were measured using the power generator 1. At this time, a mixed liquid of 0.2 M glucose and 1 M KOH was used as a fuel liquid. In addition, each PtAu catalyst was applied to a glassy carbon electrode (φ4 mm), held at -1 V (VvsAg / AgCl) for 30 sec, stepped up to 0.2 V (VvsAg / AgCl), and maintained at 3600 sec. A chronoamperometry measurement method using a fuel solution composed of a mixture with 100 mM KOH was performed, and the change with time of the current value was measured. The obtained measurement results were linearly approximated, and the poisoning rate of each PtAu catalyst having a different ratio was calculated using the obtained intercept and slope values. The obtained power density results are shown in FIG. 8, and the results showing the catalyst stability are shown in Table 2.

まず、出力密度については、図8に示すように、Auの比率が0%とされたPt触媒が最も大きな出力密度を示した。次いで、比率に依存せずPtAu合金からなるPtAu触媒が大きな値を示し、Auの比率が100%とされたAu触媒が最も小さい出力密度を示す結果となった。   First, as for the power density, as shown in FIG. 8, the Pt catalyst with the Au ratio of 0% showed the highest power density. Next, the PtAu catalyst made of a PtAu alloy showed a large value regardless of the ratio, and the Au catalyst with the Au ratio of 100% showed the lowest output density.

触媒安定性については、表2に示すように、Auを多く含んだPtAu触媒の方が安定性が高い傾向にあった。   Regarding the catalyst stability, as shown in Table 2, the PtAu catalyst containing a large amount of Au tended to be more stable.

これらの結果から、出力はPtのみからなる触媒がもっとも優れているが、Auの含有率が高いPtAu合金からなる触媒ほど被毒率が低く触媒の経時安定性に優れているため、Auの比率が80%とされたPtAu合金からなる触媒が出力密度および経時安定性の観点から最も優れていることが明らかとなった。   From these results, the catalyst composed of only Pt has the best output, but the catalyst made of PtAu alloy having a higher Au content has lower poisoning rate and better stability over time. It was revealed that a catalyst made of a PtAu alloy with 80% being the most excellent from the viewpoint of power density and stability over time.

<実施例2>
実施例2においては、第2実施形態の本発明のバイオ燃料発電装置1の構成を備えたバイオ燃料電池を作製し、当該バイオ燃料電池の電池特性について検討を行った。具体的には、アノード3aは、Pt:Au=1:4の重量比とされたPtAu触媒を有し、PtおよびAuの合計モル数の1倍のモノマー数のPVP濃度において調製された触媒担持体を備える。当該触媒担持体においては、カーボン粒子として20wt%のケッチェンブラック(登録商標)(EC600JD;ライオン社製)を用いた。カソード3bは、Pt触媒がカーボン粒子に担持された触媒担持体(ElectroChem社製)を備える。燃料液としては、0.2Mのグルコースに1MのKOHを添加した水溶液を用いた。当該バイオ燃料電池は室温にて作動させた。上記の構成を備えるバイオ燃料電池から得られた電流−電圧特性の試験結果を図9に示す。なお、図9において、横軸は電流密度、縦軸は電圧および出力密度であり、プロットX1は電圧、プロットX2は出力密度を示す。
<Example 2>
In Example 2, a biofuel cell having the configuration of the biofuel power generation device 1 of the present invention of the second embodiment was produced, and the cell characteristics of the biofuel cell were examined. Specifically, the anode 3a has a PtAu catalyst having a weight ratio of Pt: Au = 1: 4, and a catalyst support prepared at a PVP concentration of the number of monomers that is one time the total number of moles of Pt and Au. Prepare the body. In the catalyst carrier, 20 wt% Ketjen Black (registered trademark) (EC600JD; manufactured by Lion Corporation) was used as carbon particles. The cathode 3b includes a catalyst carrier (manufactured by ElectroChem) in which a Pt catalyst is supported on carbon particles. As the fuel liquid, an aqueous solution in which 1 M KOH was added to 0.2 M glucose was used. The biofuel cell was operated at room temperature. FIG. 9 shows a test result of current-voltage characteristics obtained from a biofuel cell having the above configuration. In FIG. 9, the horizontal axis represents current density, the vertical axis represents voltage and output density, plot X1 represents voltage, and plot X2 represents output density.

本発明のバイオ燃料発電装置1の構成を備えたバイオ燃料電池においては、図9に示すように、開回路時の電圧は0.99V、最大電流密度は85.5mA/cmを得た。また、電流密度が39mA/cmの時に出力密度が最大となり最大出力密度13mW/cmを得た。この時、電圧は0.33Vであった。従来の金属触媒を用いたグルコース燃料電池においては、最大出力密度が0.7〜2.4mW/cmであったのに比べて、本発明のバイオ燃料発電装置1の機構を備えたバイオ燃料電池においては、最大出力密度最大出力密度13mW/cmであり高い発電性能を有していることが明らかとなった。 In the biofuel cell having the configuration of the biofuel power generator 1 of the present invention, as shown in FIG. 9, the voltage at the time of open circuit was 0.99 V, and the maximum current density was 85.5 mA / cm 2 . Further, when the current density was 39 mA / cm 2 , the output density was maximized, and a maximum output density of 13 mW / cm 2 was obtained. At this time, the voltage was 0.33V. In the conventional glucose fuel cell using the metal catalyst, the maximum output density is 0.7 to 2.4 mW / cm 2 , compared with the biofuel provided with the mechanism of the biofuel power generation device 1 of the present invention. The battery has a maximum power density and a maximum power density of 13 mW / cm 2 , and has been found to have high power generation performance.

<実施例3>
実施例3においては、本発明のバイオ燃料発電装置1に最適な燃料液の濃度について検討を行った。具体的には、0.1,0.2および0.4Mのグルコース液について、それぞれKOHを0〜1.6Mまで添加した際の出力密度の測定を行った。当該検討においては、第1実施形態のバイオ燃料発電装置1を用いて行った。得られた各濃度条件と出力密度との関係を図9に示す。
<Example 3>
In Example 3, the optimum concentration of the fuel liquid for the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention was examined. Specifically, for the 0.1, 0.2 and 0.4 M glucose solutions, the output density was measured when KOH was added from 0 to 1.6 M, respectively. In the examination, the biofuel power generation apparatus 1 of the first embodiment was used. FIG. 9 shows the relationship between the obtained density conditions and the output density.

第1実施形態のバイオ燃料発電装置1の構成を備えたバイオ燃料電池においては、図10に示すように、0.1Mおよび0.2M濃度のグルコース液を燃料液として用いた場合においてより高い出力密度が得られた。また、KOHについては、全ての濃度のグルコース液を用いた場合において、0〜0.4Mまでは濃度が増加するのにしたがって出力密度が上昇し、0.6M以上の濃度においては濃度依存性は認められなかった。この結果から、0.2M以下のグルコース濃度かつ0.6M以上のKOH濃度とされた燃料液を用いることによって優れた発電性能が得られることが明らかとなった。   In the biofuel cell having the configuration of the biofuel power generation device 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 10, higher output is obtained when 0.1M and 0.2M concentration glucose solutions are used as the fuel solution. Density was obtained. As for KOH, when glucose solutions of all concentrations are used, the output density increases as the concentration increases from 0 to 0.4 M, and the concentration dependency is 0.6 M or more. I was not able to admit. From this result, it was revealed that excellent power generation performance can be obtained by using a fuel liquid having a glucose concentration of 0.2 M or less and a KOH concentration of 0.6 M or more.

以上の実施例1〜3の検討結果より、本発明のバイオ燃料発電装置1においては、Pt:Au=1:3〜4(モル比)とされたPtAu触媒を用いて、PtおよびAuの合計モル数の1倍以下のモノマー数で触媒安定化剤としてのPVPが含まれた触媒担持体を有するアノード3aを備えることにより、従来のバイオ燃料発電装置と比較して、優れた発電性能が得られることが明らかとなった。   From the above examination results of Examples 1 to 3, the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention uses a PtAu catalyst with Pt: Au = 1: 3 to 4 (molar ratio), and the total of Pt and Au. By providing the anode 3a having a catalyst carrier containing PVP as a catalyst stabilizer with the number of monomers less than 1 times the number of moles, superior power generation performance can be obtained as compared with conventional biofuel power generation devices. It became clear that

さらに、本発明のバイオ燃料発電装置1を用いた発電を行う際には、0.2M以下のグルコース濃度かつ0.6M以上のKOH濃度とされた燃料液を用いることにより、高い出力密度を得ることができることが明らかとなった。   Furthermore, when performing power generation using the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention, a high output density is obtained by using a fuel liquid having a glucose concentration of 0.2 M or less and a KOH concentration of 0.6 M or more. It became clear that it was possible.

<バイオ燃料発電システム>
以下に、本発明のバイオ燃料発電装置1の応用的な態様として、本発明のバイオ燃料発電装置1を用いた低環境負荷かつ安定的なバイオ燃料発電システムについて説明する。
<Biofuel power generation system>
Hereinafter, as an applied aspect of the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention, a low environmental load and stable biofuel power generation system using the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention will be described.

本発明者等は、特開2015−116183号に開示しているように、草食性の動物の排泄物からグルコースを製造することに成功している。簡単に説明すると、草食性の動物の排泄物には当該動物の消化作用によってある程度、細かく分解されたセルロースが存在しており、当該排泄物中のセルロースをさらに粉砕した後、セルロース分解酵素によってセルロースを分解することによってグルコースを得るものである。この草食性の動物の排泄物は、この地球上に常に莫大量が存在し、そもそも廃棄物であるので極めて安価で入手することが可能である。また、間伐材などを出発原料としたバイオ燃料と比較して、気候の変動などに左右されず、極めて安定的に出発原料を得ることができる。   As disclosed in JP-A-2015-116183, the present inventors have succeeded in producing glucose from herbivorous animal excrement. Briefly, herbivorous animal excrement contains cellulose that is finely decomposed to some extent by the digestive action of the animal, and after further pulverizing the cellulose in the excrement, Glucose is obtained by decomposing glucose. The herbivorous animal excrement is always present in large quantities on the earth, and since it is waste in the first place, it can be obtained at a very low cost. In addition, compared to biofuels that use thinned wood as a starting material, the starting material can be obtained very stably without being affected by climate change.

この他にも、ブナシメジ、エリンギ、エノキダケなどのキノコの菌床栽培時に発生する使用済みの廃培地からグルコースを製造することが考えられる。簡単に説明すると、キノコを栽培した後に発生する廃菌床を粉砕した後、セルロース分解酵素によって当該廃菌床に含まれるセルロースを分解することによってグルコース得るものである。ここで、キノコの廃培地とは、基材と栄養材とから構成される菌床に菌糸を植えて30〜120日でキノコを収穫した後、廃棄された菌床のことである。菌床の基材にはおがくず(針葉樹、広葉樹など)、トウモロコシの芯を粉砕したコーンコブまたは豆殻などが用いられており、栄養剤には米ぬか、小麦ぬか(フスマ)またはトウモロコシなどが用いられている。乾燥させた廃培地には、基材に起因するセルロース、ヘミセルロース、リグニンおよび灰分、菌に起因するタンパク質、脂質および炭水化物などが含まれており、構成成分の殆どがセルロースなどの糖類からなる。このため、安定的に得ることができるキノコの廃培地は、継続的にグルコースを製造するための出発原料として最適である。   In addition to this, it is conceivable to produce glucose from a used waste medium generated during fungus bed cultivation of mushrooms such as beech shimeji, eringi and enoki mushroom. Briefly, glucose is obtained by pulverizing the waste microbial bed generated after cultivating mushrooms and then decomposing cellulose contained in the waste microbial bed with a cellulose-degrading enzyme. Here, the mushroom waste medium is a fungus bed discarded after a mycelium is planted on a fungus bed composed of a base material and a nutrient material, and mushrooms are harvested in 30 to 120 days. Sawdust (conifers, hardwoods, etc.), corn cob or bean hulls with crushed corn cores are used as the base material of the fungus bed, and rice bran, wheat bran (corn bran) or corn is used as nutrients Yes. The dried waste medium contains cellulose, hemicellulose, lignin and ash resulting from the base material, proteins, lipids, and carbohydrates resulting from the fungus, and most of the components are composed of sugars such as cellulose. For this reason, the mushroom waste medium which can be obtained stably is optimal as a starting material for continuously producing glucose.

本発明のバイオ燃料発電装置1を応用したバイオ燃料発電システムにおいては、燃料液として前述の草食性の動物の排泄物から製造されたグルコースまたはキノコの廃培地から製造されたグルコースを用いることを特徴とする。このバイオ燃料発電システムにおいては、安定的に安価な燃料液の供給を可能とし、低環境負荷かつ半永久的に継続可能な発電システムを提供することを可能とする。   In the biofuel power generation system to which the biofuel power generation apparatus 1 of the present invention is applied, glucose produced from the above-mentioned herbivorous animal excrement or glucose produced from a mushroom waste medium is used as the fuel liquid. And In this biofuel power generation system, it is possible to stably supply an inexpensive fuel liquid, and to provide a power generation system that can be sustained semipermanently with a low environmental load.

本発明のバイオ燃料発電装置1は、上記の第1,第2実施形態および実施例1〜4に限定するものではなく、発明の特徴を損なわない範囲において、種々の変更を行うことができる。   The biofuel power generation apparatus 1 of the present invention is not limited to the first and second embodiments and Examples 1 to 4, and various changes can be made without departing from the characteristics of the invention.

1 バイオ燃料発電装置
2a,2b 外枠
3 触媒電極
3a アノード
3b カソード
4 流路溝
4a 導入部
4b 排出部
5 イオン交換膜
6a,6b 集電板
7a,7b セパレータ
8 ガス流路溝
8a 導入部
9a,9b シリコンガスケット
10a,10b テフロンガスケット
11 燃料導入部
11a 貫通孔
11b 固定部
12 ガス導入部
12a 貫通孔
12b 固定部
13 燃料導出部
13a 貫通孔
14 ガス導出部
14a 貫通孔
T 燃料貯留部
G ガスタンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biofuel power generator 2a, 2b Outer frame 3 Catalytic electrode 3a Anode 3b Cathode 4 Channel groove 4a Introduction part 4b Discharge part 5 Ion exchange membrane 6a, 6b Current collecting plate 7a, 7b Separator 8 Gas channel groove 8a Introduction part 9a , 9b Silicon gasket 10a, 10b Teflon gasket 11 Fuel introduction part 11a Through hole 11b Fixing part 12 Gas introduction part 12a Through hole 12b Fixing part 13 Fuel outlet 13a Through hole 14 Gas outlet 14a Through hole T Fuel storage part G Gas tank

Claims (9)

イオン交換膜を介して設けられた一対の触媒電極を備え、
アノード側の前記触媒電極において、燃料液中の物質を触媒によって酸化させることにより発電を行うバイオ燃料発電装置において、
前記触媒は、少なくとも2つの金属元素の化合物からなり、
アノード側の前記触媒電極は、担持体としてのカーボン粒子に前記触媒が担持された触媒担持体を有していることを特徴とするバイオ燃料発電装置。
A pair of catalyst electrodes provided via an ion exchange membrane,
In the catalyst electrode on the anode side, in the biofuel power generation apparatus that generates power by oxidizing the substance in the fuel liquid with the catalyst,
The catalyst comprises a compound of at least two metal elements,
The biofuel power generator according to claim 1, wherein the catalyst electrode on the anode side has a catalyst carrier in which the catalyst is supported on carbon particles as a carrier.
前記燃料液中の物質が、還元糖、アルデヒド基を有する物質またはアルコール類からなることを特徴とする請求項1に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generation apparatus according to claim 1, wherein the substance in the fuel liquid is composed of a reducing sugar, a substance having an aldehyde group, or an alcohol. 前記触媒担持体には、親水性高分子化合物からなる触媒安定化剤が含まれていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generator according to claim 1 or 2, wherein the catalyst carrier includes a catalyst stabilizer made of a hydrophilic polymer compound. 前記触媒が、PtおよびAuからなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst is made of Pt and Au. カソード側の前記触媒電極は、触媒としてPtを有し、
アノード側の前記触媒電極は、触媒としてPt:Au=1:3〜4(モル比)とされたPtAu合金を有し、
アノード側の前記触媒電極においては、触媒担持体中の前記触媒安定化剤が、前記触媒としてのPtおよびAuの合計モル数の1倍以下のモノマー数で含まれていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のバイオ燃料発電装置。
The catalyst electrode on the cathode side has Pt as a catalyst,
The catalyst electrode on the anode side has a PtAu alloy having Pt: Au = 1: 3 to 4 (molar ratio) as a catalyst,
In the catalyst electrode on the anode side, the catalyst stabilizer in the catalyst carrier is contained in a monomer number that is not more than 1 times the total number of moles of Pt and Au as the catalyst. Item 5. The biofuel power generation device according to item 3 or 4.
前記イオン交換膜が、陽イオン交換膜であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the ion exchange membrane is a cation exchange membrane. 前記一対の触媒電極の外側には、カーボン材または金属材からなる一対のセパレータを備え、
アノード側の前記触媒電極の外側に設けられた前記セパレータの前記触媒電極が接触する部分には、前記燃料液を流すための流路溝が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のバイオ燃料発電装置。
Outside the pair of catalyst electrodes, a pair of separators made of carbon material or metal material is provided,
The flow path groove for flowing the said fuel liquid is formed in the part which the said catalyst electrode of the said separator provided in the outer side of the said catalyst electrode of the anode side contacts. Item 7. The biofuel power generation device according to any one of items 6.
前記燃料液中の物質が、草食性の動物の排泄物由来のグルコースであることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generator according to any one of claims 1 to 7, wherein the substance in the fuel liquid is glucose derived from herbivorous animal excrement. 前記燃料液中の物質が、キノコの廃培地由来のグルコースであることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のバイオ燃料発電装置。   The biofuel power generation apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the substance in the fuel liquid is glucose derived from a mushroom waste medium.
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