JP5949897B2 - バイオ燃料電池及び電子機器 - Google Patents
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Description
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。
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)
[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。
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。
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。
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。
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、HfB2、NbB、CrB2及びB4Cなどの硼化物、TiN及びZrNなどの窒化物、VSi2、NbSi2、MoSi2及びTaSi2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。
ガス拡散層2は、カソード12a,12bに反応に必要な酸素(O2)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。
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。
[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。
[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。
[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。
[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。
(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。
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 (5)
- 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。
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