JP5636746B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
該電池部は、前記アノードの周囲に設けられた第1溶液部と前記カソードの周囲に設けられた第2溶液部との間に、透水性を有し、かつ、少なくとも燃料成分の透過を抑制する選択透過膜が配置され、
前記第1溶液部と連通する燃料溶液導入口から前記第1溶液部へ燃料溶液が導入され、前記第1溶液部から前記第2溶液部に、前記第1溶液部に貯留される燃料溶液に比して燃料成分濃度が低い燃料溶液が、前記選択透過膜を介して導入されるものである。
ここで、アノード及びカソードの表面とは、電極の外面と電極内部の空隙の内面との全体を含み、以下の記載においても同様とする。
本発明においては、第1溶液部と第2溶液部との間に少なくとも燃料成分の透過を抑制する選択透過膜が配置されているため、燃料成分のカソード側への拡散が抑制される。
この燃料電池は、アノードに接触する溶液を、カソードに接触する溶液よりも燃料成分の濃度が高いものとすることができる。
更に、選択透過膜は、酵素及び/又はメディエーターの透過も抑制するものであってもよい。
更にまた、燃料成分としては、例えば糖類を使用することができる。
更にまた、選択透過膜には、平均細孔サイズが0.5μm以下のものを使用することができる。
更にまた、選択透過膜が、セルロース系膜又は合成高分子系膜により形成されていてもよい。
1.第1の実施の形態
(溶液導入口が共通で電池部内で溶液が分離されるバイオ燃料電池の例)
2.第1の実施の形態の変形例
(選択透過膜がセパレータを兼ねるバイオ燃料電池の例)
3.第2の実施の形態
(アノード側・カソード側それぞれに溶液導入口が設けられたバイオ燃料電池の例)
[電池部の構成]
先ず、本発明の第1の実施形態に係るバイオ燃料電池について説明する。図1は本実施形態のバイオ燃料電池における電池部の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池は、アノード(燃料極)2及びカソード(空気極)3の両方に電解質が接触する浸水系燃料電池である。
アノード2は、燃料極であり、例えば導電性多孔質材料からなる電極の表面に酸化還元酵素が固定化されているものを使用することができる。その際使用する導電性多孔質材料には、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。
カソード3は、空気極であり、直接又は気液分離膜を介して、気相(空気)にも接触している。このカソード3を構成する電極は、特に限定されるものではないが、例えば導電性多孔質材料からなる電極の表面に、酸化還元酵素及び電子メディエーターが固定化されているものを使用することができる。カソード3を形成する導電性多孔質材料も、公知の材料を使用することができるが、特に、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料が好適である。
本実施形態のバイオ燃料電池に使用される選択透過膜6は、透水性を有し、少なくとも燃料溶液10に含まれる燃料成分の透過を抑制するものである。そして、アノード溶液部4に導入された燃料溶液10は、この選択透過膜6を介して、カソード溶液部5に導入される。
燃料溶液10は、糖、アルコール、アルデヒド、脂質及びタンパク質などの燃料成分又はこれら燃料成分のうち少なくとも1種を含有する溶液である。本実施形態のバイオ燃料電池で使用される燃料成分としては、例えば、グルコース、フルクトース、ソルボースなどの糖類、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコールなどのアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、酢酸、蟻酸、ピルビン酸などの有機酸などが挙げられる。
次に、本実施形態のバイオ燃料電池の動作について説明する。本実施形態のバイオ燃料電池では、先ず、燃料溶液導入口9から、燃料溶液10をアノード溶液部4に導入する。その後、選択透過膜6を介して、カソード溶液部5にも燃料溶液が供給されるが、選択透過膜6によって燃料溶液10中の燃料成分の透過が抑制されるため、カソード溶液部5には、燃料成分濃度が低い溶液が導入されることになる。即ち、本実施形態のバイオ燃料電池では、アノード2に接触する燃料溶液の方が、カソード3に接触する燃料溶液よりも、燃料成分の濃度が高くなる。
次に、第1の実施形態の変形例に係るバイオ燃料電池について説明する。図2は本変形例のバイオ燃料電池における電池部の構成を模式的に示す図である。なお、図2においては、図1に示す第1の実施形態の燃料電池の構成要素と同じものには、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
[電池部の構成]
次に、本発明の第2の実施形態に係るバイオ燃料電池について説明する。図3は本実施形態のバイオ燃料電池における電池部の構成を模式的に示す図である。なお、図3においては、図1に示す第1の実施形態の燃料電池の構成要素と同じものには、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
カソード溶液部5に導入される溶液20は、特に限定されるものではないが、例えば、リン酸二水素塩やイミダゾール化合物などの電解質を含む水溶液(電解液)、塩化カリウム水溶液及びイオン液体などを使用することができる。そして、この溶液20は、主にプロトン伝導体として機能する。
次に、本実施形態のバイオ燃料電池の動作について説明する。本実施形態のバイオ燃料電池では、先ず、燃料溶液導入口9から燃料溶液10をアノード溶液部4に導入し、溶液導入口19から例えば電解液などの溶液20をカソード溶液部5に導入する。このとき、アノード溶液部4に貯留された燃料溶液10に含まれる燃料成分が、カソード溶液部5の溶液20にも移行してくるが、選択透過膜6により燃料成分の透過が抑制されるため、カソード3の周辺はアノード2の周辺よりも燃料成分濃度が低く保たれる。
以下、本発明の実施例により、本発明の効果について具体的に説明する。先ず、本発明の第1実施例として、図1に示す第1の実施形態のバイオ燃料電池において、アノード溶液部4とカソード溶液部5との間に選択透過膜としてセロハン26を配置し、グルコース濃度を0〜1Mの範囲で変化させた燃料溶液10を使用して、0.25Vで5分間発電させたときの電流値を測定した。また、比較例として、アノード溶液部4とカソード溶液部5との間に不織布106を配置して同様の測定を行った。
次に、本発明の第2実施例として、選択透過膜としてセロハン26を使用した場合、燃料成分であるグルコースが、アノード溶液部4からカソード溶液部5にどの程度移動するかについて調べた。図6は本実施例で使用したセルの概要を示す図である。なお、本実施例においては、気液分離膜21にはPTFEを使用した。
次に、本発明の第3実施例として、図4(a)及び(b)に示すバイオ燃料電池の電池特性を評価した。その際、燃料溶液には、2.0Mイミダゾール/H2SO4−0.4Mグルコース溶液又は2.0Mイミダゾール/H2SO4−0.8Mグルコース溶液とし、図4(a)に示す実施例のバイオ燃料電池では、カソード溶液部5にグルコースを添加していない2.0Mイミダゾール/H2SO4溶液を充填した。そして、これら実施例及び比較例のバイオ燃料電池について、20mAの定電流試験を行った。
2 アノード
3 カソード
4 アノード溶液部
5 カソード溶液部
6 選択透過膜
7、8 集電体
9 燃料溶液導入口
10 燃料溶液
13、21 気液分離膜
19 溶液導入口
20 溶液
22 シリンジ
26 セロハン
106 不織布
Claims (7)
- アノード及び/又はカソードの表面に酸化還元酵素が存在し、かつカソードが液相及び気相の両方に接触する構成の1又は複数の電池部を有し、
該電池部は、前記アノードの周囲に設けられた第1溶液部と前記カソードの周囲に設けられた第2溶液部との間に、透水性を有し、かつ、少なくとも燃料成分の透過を抑制する選択透過膜が配置され、
前記第1溶液部と連通する燃料溶液導入口から前記第1溶液部へ燃料溶液が導入され、前記第1溶液部から前記第2溶液部に、前記第1溶液部に貯留される燃料溶液に比して燃料成分濃度が低い燃料溶液が、前記選択透過膜を介して導入される燃料電池。 - 前記アノードに接触する溶液は、前記カソードに接触する溶液よりも燃料成分の濃度が高い請求項1に記載の燃料電池。
- 前記選択透過膜は、更に、酵素及び/又はメディエーターの透過も抑制する請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記燃料成分が糖類である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記選択透過膜は、平均細孔サイズが0.5μm以下である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記選択透過膜がセルロース系膜又は合成高分子系膜である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記カソードは、気液分離膜を介して気相に接触している請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池。
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