JP5325540B2 - ポータブル装置 - Google Patents

Description

本発明は、グルコース燃料電池およびポータブル装置に関するものである。

従来、グルコース水溶液内に一対の電極を浸漬させ、超音波振動子によってグルコース水溶液に振動を加えて対流させることで、電極表面のグルコース水溶液をリフレッシュする燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−３４１２２号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池は、グルコース水溶液をリフレッシュするために超音波振動子を使用しているため、該超音波振動子を駆動するための動力源を別途用意しなければならず、全体としての発電効率が低いという不都合がある。特に、ポータブル装置の電源として使用する燃料電池の場合には、超音波振動子を駆動するための動力源の消耗により燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題がある。
また、グルコースは電解質ではないため、発電作用に伴ってグルコースの自然対流を生じさせることは困難である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、特別な動力源を必要とすることなく、電極表面のグルコース水溶液をリフレッシュして発電性能を少なくとも維持し続けることができるグルコース燃料電池およびポータブル装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、燃料となるグルコース水溶液に接触状態に配置されてグルコースを酸化させるグルコース酸化極と、該グルコース酸化極に、グルコース水溶液を介して、またはプロトン透過膜を挟んで対向配置され、空気中の酸素を還元する空気極と、該空気極に接触させられて、前記空気極へ電子を外部回路から伝達する第１の導電性部材と、前記グルコース酸化極に接触させられて、前記外部回路へ電子を該グルコース酸化極から伝達する第２の導電性部材と、前記グルコース水溶液内に、該グルコース水溶液に対して相対移動可能に配置され、該グルコース水溶液とは比重の異なる可動部材とを有するグルコース燃料電池を備えるポータブル装置を提供する。

本発明によれば、グルコース酸化極に接触しているグルコースがグルコース酸化極に電子を放出することによって酸化される一方、空気中の酸素が空気極から電子を受け取ることで還元される。これにより、空気極に接触している第１の導電性部材およびグルコース酸化極に接触している第２の導電性部材を介して外部回路に電流を取り出すことができる。

このような発電が行われると、グルコース酸化極および空気極の表面におけるグルコース水溶液との電子のやりとりによって、電極表面近傍における発電に寄与する未反応のグルコースあるいは水素イオン（プロトン）の濃度が一時的に低下する。
本発明によれば、グルコース水溶液内に、グルコース水溶液とは比重の異なる可動部材が配置されているので、グルコース燃料電池自体に振動を与えたり、姿勢を変更したりすることで、可動部材がグルコース水溶液内において相対的に移動させられることにより、グルコース水溶液が攪拌される。

例えば、本発明のグルコース燃料電池を体内埋め込み式のペースメーカや除細動装置等の動力源として用いる場合、心臓その他の臓器の脈動、あるいは人間や動物の運動又は姿勢の変更によってグルコース燃料電池自体が振動させられる。また、本発明のグルコース燃料電池を身体に携帯して搬送するポータブル装置に適用する場合には、人間や動物の運動又は姿勢の変更によってグルコース燃料電池自体が振動させられる。この振動により、グルコース水溶液内で可動部材が移動するので、グルコース水溶液が攪拌されて、未反応のグルコースや水素イオンが電極近傍に供給される。この結果、電極表面近傍における未反応のグルコースあるいは水素イオンの濃度低下が防止されるので、発電性能低下を防止することができる。すなわち、臓器の脈動や身体の動作を動力源として利用することができ、動力源の経時的な消耗を考慮することなく、発電性能を少なくとも維持し続けることができる。

上記発明においては、前記可動部材が、非導電性の材料からなる粒状部材であってもよい。
このようにすることで、グルコース燃料電池自体の振動あるいは姿勢変化によってグルコース水溶液内で粒状部材からなる可動部材が浮遊するため、簡易にグルコース水溶液を攪拌することができる。

また、上記発明においては、前記可動部材が、前記グルコース水溶液内において回転可能に支持された攪拌部材であってもよい。
このようにすることで、グルコース燃料電池自体の振動あるいは姿勢変化によってグルコース水溶液内で攪拌部材からなる可動部材を回転させて、簡易にグルコース水溶液を攪拌することができる。

また、本発明は、燃料となるグルコース水溶液に接触状態に配置されてグルコースを酸化させるグルコース酸化極と、該グルコース酸化極に、グルコース水溶液を介して、またはプロトン透過膜を挟んで対向配置され、空気中の酸素を還元する空気極と、前記空気極に接触させられて、前記空気極へ電子を外部回路から伝達する第１の導電性部材と、前記グルコース酸化極に接触させられて、前記外部回路への電子を該グルコース酸化極から伝達する第２の導電性部材とを有し、前記グルコース酸化極が、前記第２の導電性部材に対して摺動回転可能に支持されるとともに、回転中心に対して重心が偏心させられているグルコース燃料電池を備えるポータブル装置を提供する。

本発明によれば、グルコース燃料電池自体の振動あるいは姿勢変化によってグルコース水溶液でグルコース酸化極が、第２の導電性部材に対して摺動するように回転させられる。これにより、グルコース酸化極表面におけるグルコース水溶液の入れ替えが行われるため、未反応のグルコースや水素イオンが電極近傍に供給される。この結果、電極表面近傍における未反応のグルコースあるいは水素イオンの濃度低下が防止されるので、発電性能低下を防止することができる。また、グルコース酸化極は、第２の導電性部材に摺動しながら接触しているので、グルコース酸化極への電子の供給は、第２の導電性部材から行うことができる。

また、本発明は、上記いずれかのグルコース燃料電池を備えるポータブル装置を提供する。
本発明によれば、ポータブル装置を身体に装着した状態での移動中の振動や姿勢変更によって、グルコース酸化極表面のグルコース水溶液がリフレッシュされるので、発電性能を少なくとも維持することができ、装着状態で使用し続けることができる。

本発明によれば、特別な動力源を必要とすることなく、電極表面のグルコース水溶液をリフレッシュして発電性能を少なくとも維持し続けることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るグルコース燃料電池１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース燃料電池１は、図１および図２に示されるように、例えば、単一セルからなるグルコース燃料電池１であって、密封された箱状の本体ケース２と、該本体ケース２内に積層状態に収容された、厚さ方向に貫通する貫通穴３ａを有する平板状の絶縁材料からなるガスケット３を挟んで隙間をあけて対向配置させられるグルコース酸化極４（負極）および空気極５（正極）、空気極５に接触させられる第１の導電性部材６、グルコース酸化極４に接触させられる第２の導電性部材７、各導電性部材６，７にそれぞれ接触させられて、本体ケース２の外部に露出する端子８ａ，９ａを有する２枚の集電板８，９および各集電板８，９を本体ケース２に対して絶縁する２枚のガスケット１０，１１とを備えている。

第２の導電性部材７には、グルコース酸化極４に対向する位置に、グルコース水溶液Ａを貯留する凹部７ａが設けられている。グルコース水溶液Ａは、凹部７ａとグルコース酸化極４との間、グルコース酸化極４と空気極５との間の隙間に充填されている。

第１，第２の導電性部材６，７は、例えば、グラファイトのような導電性材料によって構成されている。これにより第１、第２の導電性部材６，７は、グルコース酸化極４および空気極５と集電板８，９との間でそれぞれ電子を伝達する役割を有している。第１の導電性部材６には、集電板９との間に空気層を形成する凹部６ａが設けられ、空気極５を空気層に連絡する複数の貫通穴６ｂが板厚方向に貫通形成されている。
集電板８，９は、微弱な電流を第１、第２の導電性部材６，７から回収して伝達する機能を有するため、導電性の良好な銅板の表面に金メッキを施したものが使用されている。

グルコース酸化極４は、凹部７ａとグルコース酸化極４との間、グルコース酸化極４と空気極５との間の隙間にそれぞれ充填されたグルコース水溶液Ａの間を、水素イオン（プロトン）が移動可能となるように構成されている。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の繊維状の導電性部材に、貴金属の微粒子、ＧＯＤ（グルコース酸化酵素）、ＧＤＨ（グルコースデヒドロゲナーゼ）等の触媒を担持させた部材か、貫通孔又は切欠きを有する白金や金等の金属が採用されうる。

また、空気極５は、凹部６ａに形成された空気層から酸素を取り込むとともに、グルコース水溶液Ａが凹部６ａに漏れ出さないように構成されている。具体的には、シトクロムオキシターゼ、ラッカーゼ、ＢＯＤ（ビリルビン酸化酵素）等の触媒を担持させたカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の繊維状の導電性部材であって、貫通穴６ｂに対向する面に撥水処理等が施されたものや、市販されている空気亜鉛電池で採用されている水酸化マンガン系化合物の粒状の凝集物であって、貫通穴６ｂに対向する部分に撥水処理等が施されたもの等が採用されうる。

また、本実施形態においては、第２の導電性部材７に設けられた凹部７ａとグルコース酸化極４との間、グルコース酸化極４と空気極５との間の隙間に充填されたグルコース水溶液Ａ内に、非導電性の材料、例えば、ガラスからなる１個以上のビーズ１２（可動部材）が収容されている。ガラスビーズ１２は、その比重がグルコース水溶液Ａよりも若干大きい。

このように構成された本実施形態に係るグルコース燃料電池１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース燃料電池１は、人間や動物がその身体に付随させて使用される体内埋め込み式の機器や身体に携帯して搬送する機器等のポータブル装置に用いられる。ここでは、例えば、身体に携帯して搬送する機器等のポータブル装置に適用した場合について説明する。

本実施形態に係るグルコース燃料電池１によれば、グルコース酸化極４に接触するグルコース水溶液Ａ内のグルコースから電子が放出されることによってグルコースが酸化されてグルコノラクトンになり、放出された電子がグルコース酸化極４に流れる。このとき、グルコース水溶液Ａ内に、水素イオン（プロトン）が発生する。その一方で、空気極５と接触する酸素に水素イオンと空気極５からの電子が供給されることにより酸素が還元されて水になる。グルコース水溶液Ａからグルコース酸化極４に流れた電子が、外部回路（図示略）を介して空気極５から供給されることにより外部回路に電流が流れるように発電される。

この場合において、本実施形態のグルコース燃料電池１を備えたポータブル装置が、人間や動物が運動することによって振動を受け、あるいは、人間や動物が姿勢を変えることによって姿勢変更された場合に、グルコース燃料電池１自体も振動あるいは姿勢変更させられる。したがって、このような場合には、グルコース水溶液Ａ内においてガラスビーズ１２が浮遊する。

ガラスビーズ１２はグルコース水溶液Ａとは比重が異なるので、振動あるいは姿勢変更によって作用する慣性力が相違し、グルコース水溶液Ａ内においてグルコース水溶液Ａに対して相対的に移動させられる。その結果、グルコース水溶液Ａが攪拌されて対流が発生するので、グルコース酸化極４および空気極５の表面において、酸化還元反応させられたグルコース水溶液Ａが未反応のグルコース水溶液Ａに置き換えられる。

すなわち、本実施形態に係るグルコース燃料電池１によれば、人間または動物の身体の動作によってグルコース水溶液Ａを攪拌するので、人間または動物が動いている限り、あるいは臓器が脈動している限り、グルコース酸化極４および空気極５の表面における酸化還元反応の効率低下を防止できるという利点がある。また、特別な動力源が不要であり、発電効率を向上することができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、可動部材としてガラスビーズ１２を用いた例を説明したが、これに代えて、非導電性でグルコース水溶液Ａとは比重の異なる任意の材質のものを採用してもよい。なお、比重が極端に異なる場合には、可動部材がグルコース水溶液Ａの上側または下側に張り付いてしまうので、微細な振動でも移動できるように、グルコース水溶液Ａ中に浮遊する程度に比重が近いものを採用することが好ましい。

また、第２の導電性部材７に設けられた凹部７ａおよび、グルコース酸化極４と空気極５との間の隙間に充填されたグルコース水溶液Ａのいずれにもガラスビーズ１２を混入させることとしたが、これに代えて、いずれか一方に混入させることにしてもよい。

また、可動部材としてガラスビーズ１２を採用したが、これに限定されるものではなく、図３〜図５に示されるように、凹部７ａ内または極４，５間の隙間に、ピン１３によって回転自在に支持された振り子状の攪拌部材１４を配置することにしてもよい。この場合においても、攪拌部材１４は、グルコース水溶液Ａとは比重が異なるように設定されている。これによっても、人間または動物の身体の動作によって攪拌部材１４を回転させ、グルコース水溶液Ａを攪拌することができる。

また、本実施形態においては、第２の導電性部材７に対してグルコース酸化極４を固定することとしたが、これに代えて、図６および図７に示されるように、グルコース酸化極４を第２の導電性部材７に対してピン１５によって、その軸線回りに回転自在に支持させることにしてもよい。この場合、グルコース酸化極４は第２の導電性部材７の表面に摺動可能に接触させられていることが好ましい。このようにすることで、グルコース酸化極４に取り込まれた電子を摺動面４ａおよび／またはピン１５を介して第２の導電性部材７に伝達させることができる。

そして、この場合には、グルコース酸化極４の重心は回転中心に対して偏心させられていることが好ましい。例えば、軸線に対して半径方向に離れた位置のグルコース酸化極４に錘１６を固定することで、グルコース酸化極４の重心を偏心させる。あるいは、グルコース酸化極４の形状自体が回転中心に対して非対称となるように、グルコース酸化極４が形成されている。これにより、人間または動物の身体の動作によって発生する振動が、グルコース酸化極４の回転運動に変換されるので、グルコース酸化極４の周囲のグルコース水溶液Ａを攪拌することができる。

また、上記においては、グルコース酸化極４と空気極５との間に隙間をあけて、そこにグルコース水溶液Ａを充填した構造のグルコース燃料電池１を説明したが、これに代えて、グルコース酸化極４と空気極５との間に、水素イオンの透過可能なプロトン透過膜１７を挟んだ構造のグルコース燃料電池１にも本発明を適用することができる。この場合には、図８に示されるように、ガスケット３に代えて、貫通穴３ａの開いていないシート状のプロトン透過膜１７を挟むことにすればよい。プロトン透過膜１７を介在させることで、発電出力が高くなった場合においてもクロスオーバ現象の発生を抑制することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、単一セルからなるグルコース燃料電池１を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、第１の導電性部材６，グルコース酸化極４、ガスケット３（または、プロトン透過膜１７）、空気極５および第２の導電性部材７からなるセルユニットを複数直列に重ねて、その両側を集電板８，９およびガスケット１０，１１によって挟むことにより複数セルからなるグルコース燃料電池１を構成してもよい。
また、本体ケース２が非導電性の材質によって構成される場合には、両端のガスケット１０，１１は省略することにしてもよい。

また、グルコース燃料電池１を体内埋め込み式の心臓治療装置に適用した場合には、グルコース燃料電池１は、人間や動物の運動により振動を受けること、人間や動物の姿勢の変更により姿勢を変更させられることのほか、臓器の脈動等によっても振動を受ける。このような場合にも、グルコース水溶液Ａ内において、可動部材が移動することによって、グルコース水溶液Ａが攪拌されて、対流を生じさせることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るグルコース燃料電池を示す縦断面図である。 図１のグルコース燃料電池を示す分解斜視図である。 図１のグルコース燃料電池の第１の変形例を示す縦断面図である。 図３のグルコース燃料電池における可動部材を示す正面図である。 図１のグルコース燃料電池の第２の変形例を示す縦断面図である。 図１のグルコース燃料電池の第３の変形例を示す縦断面図である。 図６のグルコース燃料電池を示す分解斜視図である。 図１のグルコース燃料電池の第４の変形例を示す分解斜視図である。

符号の説明

Ａ グルコース水溶液
１ グルコース燃料電池
４ グルコース酸化極
５ 空気極
６ 第１の導電性部材
７ 第２の導電性部材
８ 集電板（第２の導電性部材）
９ 集電板（第１の導電性部材）
１２ ガラスビーズ（可動部材）
１４ 攪拌部材（可動部材）
１７ プロトン透過膜

Claims (5)

1. 燃料となるグルコース水溶液に接触状態に配置されてグルコースを酸化させるグルコース酸化極と、
   該グルコース酸化極に、グルコース水溶液を介して、またはプロトン透過膜を挟んで対向配置され、空気中の酸素を還元する空気極と、
   該空気極に接触させられて、前記空気極へ電子を外部回路から伝達する第１の導電性部材と、
   前記グルコース酸化極に接触させられて、前記外部回路へ電子を該グルコース酸化極から伝達する第２の導電性部材と、
   前記グルコース水溶液内に、該グルコース水溶液に対して相対移動可能に配置され、該グルコース水溶液とは比重の異なる可動部材とを有するグルコース燃料電池を備えるポータブル装置。
2. 前記可動部材が、非導電性の材料からなる粒状部材である請求項１に記載のポータブル装置。
3. 前記可動部材が、前記グルコース水溶液内において回転可能に支持された攪拌部材である請求項１に記載のポータブル装置。
4. 燃料となるグルコース水溶液に接触状態に配置されてグルコースを酸化させるグルコース酸化極と、
   該グルコース酸化極に、グルコース水溶液を介して、またはプロトン透過膜を挟んで対向配置され、空気中の酸素を還元する空気極と、
   前記空気極に接触させられて、前記空気極へ電子を外部回路から伝達する第１の導電性部材と、
   前記グルコース酸化極に接触させられて、前記外部回路への電子を該グルコース酸化極から伝達する第２の導電性部材とを有し、
   前記グルコース酸化極が、前記第２の導電性部材に対して摺動回転可能に支持されるとともに、回転中心に対して重心が偏心させられているグルコース燃料電池を備えるポータブル装置。
5. 体内埋め込み式の機器に適用される、請求項１から請求項４のいずれかに記載のグルコース燃料電池を備えるポータブル装置。

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