JP5949897B2

JP5949897B2 - バイオ燃料電池及び電子機器

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Description

本技術は、酸化還元酵素を用いたバイオ燃料電池及び電子機器に関する。より詳しくは、２以上の発電部が直列又は並列に接続された構成のバイオ燃料電池及びこの電池を備えた電子機器に関する。

近年、アノード又はカソードの少なくとも一方の電極上に、反応触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池（以下、バイオ燃料電池という。）が注目されている。このバイオ燃料電池は、グルコースやエタノールなどのように通常の工業触媒では反応が困難な燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として期待されている。

図１１は酵素を使用したバイオ燃料電池の発電原理を模式的に示す図である。例えば、図１１に示すようなグルコースを燃料とするバイオ燃料電池の場合、アノード１０１では表面に固定化された酵素によりグルコース（Glucose）を分解して、電子（ｅ⁻）を取り出すと共にプロトン（Ｈ^＋）を発生する。また、カソード１０２においては、アノード１０１からプロトン伝導体１０３を介して輸送されたプロトン（Ｈ^＋）と、外部回路を通って送られた電子（ｅ⁻）と、例えば空気中の酸素（Ｏ_２）とにより水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。そして、これらの反応が同時に起こることにより、電極間で電気エネルギーが発生する。

一方、燃料電池には、単セルの電圧が低いという問題があり、バイオ燃料電池においても、出力向上を目的として、複数のセルを並列及び／又は直列に接続した構造が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。また、従来、電気容量を高めるために、空気極（カソード）にも燃料溶液が接触する構成とし、更に、セパレータを介してアノードとカソードとを積層することで、１セルあたりの体積を小さくした浸水系のバイオ燃料電池も提案されている（特許文献３参照）。

特開２００９−１５８４６６号公報特開２０１０−２１９０２１号公報特開２０１１−２５８３９３号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池には、以下に示す問題点がある。図１２は従来のバイオ燃料電池の構成を模式的に示す図である。燃料電池は、燃料を追加供給することで、長期間に亘って連続して発電することが可能であるが、例えば図１２に示すような複数のセルを接続したモジュール形態の燃料電池の場合、セル又は燃料タンク１１０毎に個別に燃料を供給する必要がある。また、燃料タンク１１０の蓋も、それぞれ１つずつ必要である。このため、従来の燃料電池には、燃料供給時の作業が煩雑であるという問題点がある。

また、仮に燃料注入口を１つにした場合でも、電池内部に流路などの燃料分配機構を設けなければならず、装置の複雑化や単位体積あたりの出力低下を招く。更に、バイオ燃料電池では、空気極であるカソード１０２を外気と接触させなければならないため、アノード１０１及びカソード１０２を備える発電体１００を、燃料タンク１１０に接着し、一体化した場合でも、燃料タンク１１０とは別に空気層を設ける必要がある。このため、従来のバイオ燃料電池には、セル体積が大きくなるという問題点もある。

そこで、本開示は、小型かつ高密度で、燃料供給が容易なバイオ燃料電池及び電子機器を提供することを主目的とする。

本開示に係るバイオ燃料電池は、アノード及びカソードを構成し、少なくとも一方の表面に酸化還元酵素が存在する１対の電極と、該電極間に配置され、プロトン透過膜からなるセパレータとを少なくとも備える複数の発電体と、前記発電体のカソード側の面に接触配置され、気体のみが通流可能なガス拡散層と、を有し、第１の発電体と、第２の発電体とが、前記ガス拡散層を介して積層されているものである。
本開示のバイオ燃料電池では、ガス拡散層を介して酸素が供給されるため、発電体のカソードを外気に接触させる必要がない。これにより、セル体積を削減することが可能となる。
このバイオ燃料電池では、各発電体を直列接続してもよく、その場合、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体によって、燃料タンク内の燃料溶液を相互に分離することができる。
また、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体を、燃料タンクから脱着可能としてもよい。
更に、燃料タンクの蓋によって、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体を複数個連結することもできる。
更にまた、前記ガス拡散層は、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、不織布又は多孔質金属材料によって形成することができる。

本開示に係る電子機器は、アノード及びカソードを構成し、少なくとも一方の表面に酸化還元酵素が存在する１対の電極と、該電極間に配置され、プロトン透過膜からなるセパレータとを少なくとも備える複数の発電体と、前記発電体のカソード側の面に接触配置され、気体のみが通流可能なガス拡散層と、を有し、第１の発電体と、第２の発電体とが、前記ガス拡散層を介して積層されているバイオ燃料電池を備えるものである。

本開示によれば、ガス拡散層を介して２つの発電体を積層しているため、出力を低下させずにセル体積を削減することができ、更に、燃料供給も簡略化することができる。

本開示の第１の実施形態のバイオ燃料電池のセル構成を模式的に示す断面図である。図１に示す積層体３の構造例を示す分解斜視図である。Ａは本開示の第１の実施形態の第１変形例のバイオ燃料電池における燃料供給方法を示す斜視図であり、Ｂはその断面図である。本開示の第１の実施形態の第２変形例のバイオ燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。本開示の第１の実施形態の第２変形例のバイオ燃料電池の他の構成を模式的に示す断面図である。本開示の第１の実施形態の第２変形例のバイオ燃料電池の他の構成を模式的に示す断面図である。本開示の第２の実施形態のバイオ燃料電池のセル構成を模式的に示す断面図である。Ａ及びＢは本開示の第２の実施形態の変形例のバイオ燃料電池のセル構成を模式的に示す断面図である。Ａは本開示の実施例のバイオ燃料電池のセル構造を示す模式図であり、Ｂは比較例のバイオ燃料電池のセル構造を示す模式図である。横軸に時間、縦軸に電流値をとって、実施例及び比較例の電池セルの電気化学特性を示すグラフ図である。酵素を使用したバイオ燃料電池の発電原理を模式的に示す図である。従来のバイオ燃料電池の構成を模式的に示す図である。

以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。

１．第１の実施の形態
（ガス拡散層を介して２つの発電体を積層したバイオ燃料電池の例）
２．第１の実施の形態の第１変形例
（積層体が燃料タンクから脱着可能なバイオ燃料電池の例）
３．第１の実施の形態の第２変形例
（セルが円形状のバイオ燃料電池の例）
４．第２の実施の形態
（積層体が複数設けられたバイオ燃料電池の例）
５．第２の実施形態の変形例
（複数の積層体が連結されているバイオ燃料電池の例）

＜１．第１の実施の形態＞
［全体構成］
先ず、本開示の第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のセル構成を模式的に示す断面図であり、図２はその積層体３の構造例を示す分解斜視図である。図１に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池は、２つの発電体１ａ，１ｂがガス拡散層２を介して積層された構成となっている。

［発電体１ａ，１ｂ］
図２に示すように、発電体１ａ，１ｂには、それぞれアノード１１ａ，１１ｂとカソード１２ａ，１２ｂとが設けられており、これらの間には、セパレータ１３ａ，１３ｂが配置されている。なお、アノード１１ａ，１１ｂ若しくはカソード１２ａ，１２ｂ又はその両方の電極表面には、酸化還元酵素が存在している。ここで、電極の表面とは、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。

また、アノード１１ａ，１１ｂとカソード１２ａ，１２ｂには、それぞれ集電体１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂが接触配置されている。そして、これら発電体１ａ，１ｂは、例えば２枚の保護シート１６ａ，１６ｂによって一体化されている。なお、図２ではセパレータ１３ａ，１３ｂに各電極を接触配置しているが、アノード１１ａ，１１ｂとアノード用集電体１４ａ，１４ｂとは位置が逆でもよく、同様に、カソード１２ａ，１２ｂとカソード用集電体１５ａ，１５ｂもその位置を入れ替えることができる。

（アノード１１ａ，１１ｂ）
アノード１１ａ，１１ｂ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。

また、アノード１１ａ，１１ｂの表面に固定化される酵素としては、例えば燃料成分がグルコースである場合は、グルコースを分解するグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を使用することができる。更に、燃料成分にグルコースなどの単糖類を用いる場合には、アノード表面に、ＧＤＨのような単糖類の酸化を促進して分解する酸化酵素と共に、補酵素酸化酵素や電子メディエーターが固定化されていることが望ましい。

補酵素酸化酵素は、酸化酵素によって還元される補酵素（例えば、ＮＡＤ^＋，ＮＡＤＰ^＋など）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ，ＮＡＤＰＨなど）を酸化するものであり、例えば、ジアホラーゼなどが挙げられる。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して電極に電子が渡される。

また、電子メディエーターとしては、キノン骨格を有する化合物を使用することが好ましく、特に、ナフトキノン骨格を有する化合物が好適である。具体的には、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）などを用いることができる。

また、キノン骨格を有する化合物としては、ナフトキノン骨格を有する化合物以外に、例えば、アントラキノン−１−スルホン酸、アントラキノン−２−スルホン酸及びアントラキノン−２−カルボン酸などのアントラキノン骨格を有する化合物やその誘導体を用いることもできる。更に、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物と共に、電子メディエーターとして作用する１種又は２種以上の他の化合物を固定化してもよい。

一方、燃料成分に多糖類を用いる場合には、前述した酸化酵素、補酵素酸化酵素、補酵素及び電子メディエーターに加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素が固定化されていることが望ましい。なお、ここでいう「多糖類」は、広義の多糖類であり、加水分解によって２分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖及び四糖などのオリゴ糖を含む。具体的には、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース及びラクトースなどが挙げられる。これらは２以上の単糖類が結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。

また、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。例えば、多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを使用し、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを使用する場合には、燃料成分にはグルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類を使用することができる。

このような多糖類としては、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン及びマルトースなどが挙げられる。ここで、グルコアミラーゼは、デンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼは、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。

なお、アノード１１ａ，１１ｂは、表面に酸化還元酵素が固定化されているものに限定されるものではなく、電極表面に酸化還元酵素が存在しているものであれば、例えば、酸化還元酵素を有し反応触媒として作用する微生物が付着した電極などを使用することも可能である。

（カソード１２ａ，１２ｂ）
カソード１２ａ，１２ｂは、空気極であり、本実施形態のバイオ燃料電池では、ガス拡散層２から空気が導入される。このカソード１２ａ，１２ｂ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１２ａ，１２ｂ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。

このカソード１２ａ，１２ｂに固定化される酸素還元酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ及びアスコルビン酸オキシダーゼなどが挙げられる。また、これらの酵素と共に固定化される電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄（II）酸カリウム、ヘキサシアノ鉄（III）酸カリウム、フェリシアン化カリウム及びオクタシアノタングステン酸カリウムなどが挙げられる。

なお、カソード１２ａ，１２ｂも、表面に酸化還元酵素が固定化されているものに限定されるものではなく、電極表面に酸化還元酵素が存在しているものであれば、例えば、酸化還元酵素を有し反応触媒として作用する微生物が付着した電極などを使用することも可能である。

（セパレータ１３ａ，１３ｂ）
セパレータ１３ａ，１３ｂは、各電極（アノード１１ａ，１１ｂ、カソード１２ａ，１２ｂ）の短絡を防止するものであり、柔軟性を有し、かつ、プロトンを透過する材料（プロトン伝導体）により形成されている。具体的には、不織布、セロハン又はパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜などを使用することができる。

（集電体１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ）
集電体１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの材質は、特に限定されるものではなく、外部と電気的に接続可能で、かつバイオ燃料電池内において電気化学反応を生じない材料であればよい。具体的には、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆなどの金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅などの合金類、ポリアセチレン類などの導電性高分子、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、ＨｆＢ_２、ＮｂＢ、ＣｒＢ_２及びＢ_４Ｃなどの硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮなどの窒化物、ＶＳｉ_２、ＮｂＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２及びＴａＳｉ_２などの珪化物、並びにこれらの複合材料などが挙げられる。

（保護シート１６ａ，１６ｂ）
保護シート１６ａ，１６ｂは、アノード１１ａ，１１ｂとカソード１２ａ，１２ｂとを圧着させると共に、前述した集電体１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとアノード１１ａ，１１ｂ及びカソード１２ａ，１２ｂとを圧着させるものであり、必要に応じて設けられる。また、各保護シート１６ａ，１６ｂには、燃料溶液５がアノード１１ａ，１１ｂに供給されるように、開口や孔などが設けられている。

保護シート１６ａ，１６ｂの材質、厚さ、物性などは、特に限定されるものではなく、ラミネートフィルムや両面テープなどの公知の材料を適宜選択して使用することができる。なお、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）のように各発電体１ａ，１ｂを構成する各部材やこれらとガス拡散層２とが一体化されている場合は、その状態で燃料溶液５に浸漬して発電することが可能であるため、保護シート１６ａ，１６ｂは不要である。

［ガス拡散層２］
ガス拡散層２は、カソード１２ａ，１２ｂに反応に必要な酸素（Ｏ_２）を供給するものであり、液体は透過せず気体のみが通流可能となっている。その材質は、特に限定されるものではなく、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、不織布又は多孔質金属材料などを使用することができる。また、ガス拡散層２を構成する多孔質金属材料としては、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ，Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｒなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。更に、ガス拡散層２には、必要に応じて撥水処理を施すことができる。

［燃料タンク４］
燃料タンク４は、燃料溶液５を貯留するものであり、例えばポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ＡＳ樹脂（Acrylonitrile Styrene Copolymer）、ＡＢＳ樹脂（Acrylonitrile Butadiene Styrene Copolymer）、塩化ビニル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート及びポリカーボネートなどの各種プラスチック材料、天然ゴムや合成ゴムなどの弾性体、アルミナ、シリカ及びセラミックスなどの絶縁性金属酸化物などにより構成することができる。その構造は、特に限定されるものではなく、燃料溶液５を注入可能な開口が設けられていればよい。

［燃料溶液５］
本実施形態のバイオ燃料電池に供給される「燃料溶液５」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。また、その燃料成分としては、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。その他、脂肪類やタンパク質、これらの糖代謝の中間生成物である有機酸などを燃料成分として使用することも可能である。

このように、本実施形態のバイオ燃料電池では、カソード１２ａ，１２ｂへの酸素（Ｏ_２）の供給を、積層体３内に設けたガス拡散層２を介して行うため、カソード１２ａ，１２ｂが気相（外気）に直接接する必要がない。このため、セル内に空気層を設ける必要がなくなり、セル体積の削減が可能となる。また、積層体３は、燃料溶液に浸漬するだけでよく、燃料タンクと一体化する必要がないため、製造工程を簡素化することもできる。

更に、発電体１ａ，１ｂを直列接続した場合、短絡防止のため、発電体毎に燃料溶液５を分離する必要があるが、本実施形態のバイオ燃料電池では、積層体３によって燃料タンク４内の燃料溶液５を相互に分離することができる。これにより、電池を構成する部品数を削減することができるため、出力を低下させずに、セル体積を小さくすることが可能であり、更に製造コストの削減も見込める。

本実施形態の燃料電池１は、例えば自動車、二輪車、航空機、ロケット及び宇宙船などの移動体、電子機器、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどのように、電力を必要とする全てのものに用いることができる。そして、本実施形態の燃料電池１は、用途に応じて、その大きさ、形状、燃料の種類などを適宜選択し、設定することができる。

電子機器の場合は、その種類は特に限定されず、携帯型のもの及び据え置き型のもののいずれにも適用可能である。電子機器の具体例としては、携帯電話、モバイル機器、ロボット、コンピューター、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）、音楽プレーヤー、玩具、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品、工業製品などが挙げられる。そして、本実施形態の燃料電池１は、前述した各種電子機器の電源として、好適に用いられる。

＜２．第１の実施の形態の第１変形例＞
［全体構成］
次に、本開示の第１の実施形態の第１変形例に係るバイオ燃料電池について説明する。本変形例のバイオ燃料電池では、積層体３が、燃料タンク４から脱着可能となっている。図３Ａは本開示の第１の実施形態の第１変形例のバイオ燃料電池における燃料供給方法を示す斜視図であり、図３Ｂはその断面図である。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本変形例のバイオ燃料電池に燃料溶液５又は燃料成分を注入する際は、積層体３を燃料タンク４から取り出すか、又は積層体３を持ち上げて燃料タンク４との間に隙間を作る。これにより、一度の操作で、２つの発電体１ａ，１ｂの燃料溶液５の充填又は燃料成分の補充を行うことができる。そして、燃料溶液５又は燃料成分の注入完了後、積層体３を燃料タンク４に装着することにより、例えば発電体１ａ，１ｂが直列接続している場合でも、燃料溶液５が積層体３により相互に分離されるため、電極間の短絡が防止される。

なお、発電体１ａ，１ｂを直列接続する場合は、積層体３の燃料タンク４と接する面に、撥水処理が施されていることが望ましい。これにより、短絡防止効果をより高めることができる。また、燃料タンク４の底面に、積層体３の端部が嵌合するパッキン（図示せず）などを設けてもよく、この方法でも、短絡防止効果を高めることが可能である。

本変形例のバイオ燃料電池では、積層体３が、燃料タンク４から脱着可能となっているため、燃料溶液５の充填及び燃料成分の補充が容易であり、また装置構成も簡素化することができる。なお、本変形例のバイオ燃料電池における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。

＜３．第１の実施の形態の第２変形例＞
［全体構成］
次に、本開示の第１の実施形態の第２変形例に係るバイオ燃料電池について説明する。図４〜６は本開示の第１の実施形態の第２変形例のバイオ燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。前述した第１の実施形態及びその第１変形例のバイオ燃料電池では、シート状又は板状の積層体をそのままの状態で燃料タンクに装着しているが、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように、積層体２３を巻いた状態で燃料タンク２４に装着することもできる。

また、図５に示すように、積層体２３を丸めた状態で燃料タンク２４に装着することもでき、これにより、２直列のバイオ燃料電池を作製することができる。更に、図６に示すように、燃料タンク２４内に、複数の積層体２３ａ〜２３ｅを同心円状に配置すると、多直列のバイオ燃料電池を作製することができる。

そして、前述した図４〜６に示す構成とすることで、筒型やボタン型のバイオ電池を実現することができる。また、本変形例のバイオ燃料電池も、積層体２３，２３ａ〜２３ｅを燃料タンク２４から脱着可能とすることで、燃料溶液５の充填又は燃料成分の補充を、容易に行うことができる。なお、本変形例のバイオ燃料電池における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態又はその第１変形例と同様である。

＜４．第２の実施の形態＞
［全体構成］
次に、本開示の第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７は本実施形態のバイオ燃料電池のセル構成を模式的に示す断面図である。図７に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池では、２つの発電体１ａ，１ｂとガス拡散層２とで構成される積層体３が、燃料タンク４内に複数個配置されている。

本実施形態のバイオ燃料電池では、ガス拡散層２から発電体１ａ，１ｂのカソード１２ａ，１２ｂに、反応に必要な酸素（Ｏ_２）が供給されるため、１つの燃料タンク４内に３以上の発電体を配置することが可能である。その結果、従来のバイオ燃料電池に比べて、セル体積を削減し、体積容量を増加させることができる。

また、図７に示すように、本実施形態のバイオ燃料電池においても、積層体３により燃料タンク４内の燃料溶液５を相互に分離することができるため、各発電体１ａ，１ｂを直列接続することが可能である。一方、各発電体１ａ，１ｂを並列接続する場合、又は、発電体１ａ，１ｂ毎に個別に出力させる場合は、燃料溶液５を分離する必要がないため、積層体３と燃料タンク４の壁面や底面との間に隙間を設けてもよい。これにより、燃料溶液５の充填や燃料成分の補充が容易になる。

一方、図７には示していないが、燃料タンク４内には、積層体３と共に、発電体１ａ又は発電体１ｂのカソード１２ａ，１２ｂ側の面にガス拡散層２を接触配置したもの、即ち発電体が１つだけのものが設けられていてもよい。なお、本実施形態のバイオ燃料電池における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。

＜５．第２の実施の形態の変形例＞
［全体構成］
次に、本開示の第２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８Ａ及び図８Ｂは本変形例のバイオ燃料電池のセル構成を模式的に示す断面図である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本変形例のバイオ燃料電池では、燃料タンク４の蓋６によって、複数の積層体３が連結されている。

図８Ａに示すように、このバイオ燃料電池は、蓋６と共に全ての積層体３を持ち上げることができるため、複数の積層体３を備える場合でも、一度の操作で全ての発電体に対する燃料溶液５の充填及び燃料成分の補充を行うことができる。また、積層体３が蓋６に固定されているため、燃料タンク４に装着する際に、個別に位置合わせをする必要がない。このため、複数の積層体３を備えていても、作業負担が少なく、燃料溶液５の補充や交換が容易である。

ここで、蓋６によって連結する積層体３の数は、特に限定されるものではなく、電池の大きさや用途に応じて適宜設定することができる。また、蓋６の数も１つである必要はなく、複数個に分割して設けることもできる。更に、本変形例のバイオ燃料電池においても、積層体３の燃料タンク４と接する面に撥水処理を施したり、燃料タンク４の底面に積層体３の端部が嵌合するパッキン（図示せず）などを設けたりしてもよい。これにより、発電体１ａ，１ｂを直列接続した場合の短絡防止効果を、より高めることができる。

なお、本変形例のバイオ燃料電池における上記以外の構成及び効果は、前述した第２の実施形態と同様である。

以下、本開示の実施例により、本開示の効果について具体的に説明する。図９Ａは本開示の実施例のバイオ燃料電池のセル構造を示す模式図であり、図９Ｂは比較例のバイオ燃料電池のセル構造を示す模式図である。本実施例においては、図９Ａに示す浸水セル構造のバイオ燃料電池と、図９Ｂに示す従来のタンクセル構造のバイオ燃料電池について、電気化学特性を測定し、比較した。

その際、アノード１１には、酵素（ＧＤＨ）、補酵素（ＮＡＤＨ）及びメディエーター（例えばＡＮＱ）が固定された炭素繊維電極（２ｃｍ×２ｃｍ）を使用した。また、カソード１２には、酵素（ＢＯＤ）及びメディエーター（Ｆｅ（ＣＮ））を固定が固定された炭素繊維電極（２ｃｍ×２ｃｍ）を使用した。更に、集電体（図示せず）には、２ｃｍ×２ｃｍのチタンメッシュを使用し、セパレータ１３には、ＰＴＦＥからなる不織布を、２．５ｃｍ×２．５ｃｍの大きさにカットして使用した。

一方、ガス拡散層２には、東レ社製のカーボンペーパーを使用し、保護シート（図示せず）には、フジプラ社製のラミネートフィルムを使用した。なお、燃料溶液５には、０．４Ｍグルコース（ブドウ糖）・２Ｍイミダゾール溶液（ｐＨ７．０）を使用した。

そして、実施例及び比較例バイオ燃料電池を、動作電力０．５Ｖで動作させた。図１０は横軸に時間、縦軸に電流値をとって、実施例及び比較例の電池セルの電気化学特性を示すグラフ図である。図１０に示すように、浸水セル構造のバイオ燃料電池は、従来のタンクセル構造のバイオ燃料電池と、同等の電気化学特性を示した。

なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
（１）
アノード及びカソードを構成し、少なくとも一方の表面に酸化還元酵素が存在する１対の電極と、該電極間に配置され、プロトン透過膜からなるセパレータとを少なくとも備える複数の発電体と、
前記発電体のカソード側の面に接触配置され、気体のみが通流可能なガス拡散層と、を有し、
第１の発電体と、第２の発電体とが、前記ガス拡散層を介して積層されているバイオ燃料電池。
（２）
各発電体が直列接続されており、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体によって、燃料タンク内の燃料溶液が相互に分離されている（１）に記載のバイオ燃料電池。
（３）
前記発電体と前記ガス拡散層との積層体は、燃料タンクから脱着可能となっている（１）又は（２）に記載のバイオ燃料電池。
（４）
燃料タンクの蓋によって、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体が複数個連結されている（１）〜（３）のいずれかに記載のバイオ燃料電池。
（５）
前記ガス拡散層は、カーボンペーパー、カーボンクロス、不織布又は多孔質金属材料で形成されている（１）〜（４）のいずれかに記載のバイオ燃料電池。
（６）
（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池を備えた電子機器。

１ａ、１ｂ、１００発電体
２ガス拡散層
３、２３積層体
４、２４、１１０燃料タンク
５、１１１燃料溶液
６蓋
１１、１１ａ、１１ｂ、１０１アノード
１２、１２ａ、１２ｂ、１０２カソード
１３、１３ａ、１３ｂセパレータ
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ集電体
１６ａ、１６ｂ保護シート
１０３プロトン伝導体

Claims

アノード及びカソードを構成し、少なくとも一方の表面に酸化還元酵素が存在する１対の電極と、該電極間に配置され、プロトン透過膜からなるセパレータとを少なくとも備える複数の発電体と、
前記発電体のカソード側の面に接触配置され、気体のみが通流可能なガス拡散層と、を有し、
第１の発電体と、第２の発電体とが、前記ガス拡散層を介して積層され、
前記ガス拡散層は、カーボンペーパー、カーボンクロス、不織布又は多孔質金属材料で形成されているバイオ燃料電池。
各発電体が直列接続されており、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体によって、燃料タンク内の燃料溶液が相互に分離されている請求項１に記載のバイオ燃料電池。
前記発電体と前記ガス拡散層との積層体は、燃料タンクから脱着可能となっている請求項１又は２に記載のバイオ燃料電池。
燃料タンクの蓋によって、前記発電体と前記ガス拡散層との積層体が複数個連結されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオ燃料電池。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオ燃料電池を備えた電子機器。