JP7135516B2 - Enzyme power generation device - Google Patents

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Description

本発明は、酵素発電デバイスに関する。 The present invention relates to an enzyme power generation device.

近年、酵素を電極触媒として利用し、糖類、アルコール及びその他のバイオマス資源を燃料として発電する酵素発電デバイスの研究及び開発がなされている。酵素発電デバイスは一般に、燃料を含む溶液中に浸漬された電極を備え、電極のうちアノードには燃料の酸化を促進する酵素が含まれており、アノードにおける燃料の酸化(例えば、グルコースからグルコノラクトンへの変化)によって取り出されたe(電子)およびH等のプロトンがカソード側に移動し、酸素が還元されて水(HO)が生じる。以上の過程で生じる電子の移動が発電に利用される。
さらに、酵素発電デバイスの原理を用いて、対象物を検知しつつ、同時に発電が起こる自己発電型センサーとしても使用が可能である。
In recent years, research and development have been made on enzymatic power generation devices that use enzymes as electrode catalysts and generate power using sugars, alcohols, and other biomass resources as fuel. An enzymatic power generation device generally includes electrodes immersed in a solution containing a fuel, and the anode of the electrodes contains an enzyme that promotes oxidation of the fuel. Protons such as e (electrons) and H + taken out by the conversion to lactone) move to the cathode side and oxygen is reduced to produce water (H 2 O). The movement of electrons generated in the above process is used for power generation.
Furthermore, it can be used as a self-power generation type sensor that simultaneously detects an object and generates power using the principle of an enzymatic power generation device.

酵素反応を利用した酵素発電デバイスは、電池の構造をシンプルにでき、室温での作動が可能で、環境及び生体への親和性が高いなどの酵素燃料電池の特長が挙げられる、また、自己発電型センサーは電源とセンサーを兼ねていることから、小型・軽量化、低コスト化が可能となることに加え、酵素による高い基質選択性などに由来する高いセンシング精度を得ることができる。 Enzymatic power generation devices that use enzymatic reactions have the advantages of enzyme fuel cells, such as a simple battery structure, room temperature operation, and high affinity for the environment and living organisms. Since the type sensor serves as both a power source and a sensor, it is possible to reduce the size, weight, and cost of the sensor.

上記から、酵素発電デバイスは、ウエアラブルデバイスや使い捨てデバイス等の従来の電池には適さない分野における電源やセンサーデバイスとしての検討がなされている。
例えば、非特許文献1には、グルコースの酸化を促進する酵素を含む電極材料を紙に印刷して作製した電極を備え、外部からグルコースを含む液体が紙に吸収されてアノードに達するとグルコースの酸化が生じて発電が起こる発電デバイスが記載されている。しかし、液体を紙に吸収させて吸い上げる方式は、液を吸い上げるまでに時間を要すほか、十分量の液体を吸い上げられない場合があり、課題が残る。
Based on the above, enzymatic power generation devices are being studied as power sources and sensor devices in fields such as wearable devices and disposable devices that are not suitable for conventional batteries.
For example, in Non-Patent Document 1, an electrode is prepared by printing an electrode material containing an enzyme that promotes the oxidation of glucose on paper. A power generation device is described in which oxidation occurs and power generation occurs. However, the method of absorbing the liquid into the paper and sucking up the liquid takes time, and there are cases where a sufficient amount of the liquid cannot be sucked up.

WO2016/062419号WO2016/062419

I.Shitanda et al, Chem, Comm,2013I. Shitanda et al, Chem, Comm, 2013

本発明の目的は、特許文献1や非特許文献1に記載される発電デバイスは、使い捨てデバイス等としての使用に適しているが、外部から液体を供給する際に、液体を効果的に発電デバイスへ供給することである。(例えば、おむつ用途など) The object of the present invention is to effectively use the liquid in the power generation device when the liquid is supplied from the outside, although the power generation device described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 is suitable for use as a disposable device or the like. It is to supply to (For example, for diapers, etc.)

本発明は、吸水性のセパレーターを挟んで、アノードとカソードとが対向して配置された酵素発電デバイスであって、下記の条件(1)~(3)のすべてを満たす酵素発電デバイスに関する。
(1)前記アノードが酸化酵素を含有する、および/または前記カソードが還元酵素を含有する。
(2)前記セパレーターが前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方より面積が大きい。
(3)アノードまたはカソードの一方が、もう一方に対して面積が大きい。
The present invention relates to an enzymatic power generation device in which an anode and a cathode are arranged facing each other with a water-absorbing separator interposed therebetween, and which satisfies all of the following conditions (1) to (3).
(1) the anode contains an oxidase and/or the cathode contains a reductase;
(2) the separator has a larger area than at least one of the anode or the cathode;
(3) one of the anode or cathode has a larger area than the other;

また、本発明は、アノードまたはカソードの一方が、もう一方に対して面積が2倍以上大きいことを特徴とする前記の酵素発電デバイスに関する。 The present invention also relates to the above enzyme power generating device, wherein the area of one of the anode and the cathode is at least twice as large as that of the other.

また、本発明は、アノードおよびカソードが、 非導電性基材上に導電性の炭素材料(A)とバインダー樹脂(B)とを含む導電層を設けた導電性基材を有し、
かつ、アノードが酸化触媒を有し、カソードが還元触媒を有することを特徴とする前記の酵素発電デバイスに関する。
Further, in the present invention, the anode and the cathode have a conductive substrate provided with a conductive layer containing a conductive carbon material (A) and a binder resin (B) on a non-conductive substrate,
Further, the present invention relates to the above enzyme power generation device, wherein the anode has an oxidation catalyst and the cathode has a reduction catalyst.

本発明は、デバイスへ外部から液体を供給する際に、液体の供給を効果的に行うことで、安定して発電できる酵素発電デバイスを提供することができる。(例えばおむつ用途など) INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide an enzymatic power generation device that can stably generate power by effectively supplying a liquid when externally supplying the liquid to the device. (For example, for diapers, etc.)

図1は、アノードとカソードに回路配線を接合した酵素発電デバイスの構成部材の上面図である。FIG. 1 is a top view of constituent members of an enzymatic power generation device in which circuit wiring is joined to an anode and a cathode. 図2は、アノードとカソードに回路配線を接合した酵素発電デバイスの上面図である。FIG. 2 is a top view of an enzymatic power generation device in which circuit wiring is joined to the anode and cathode. 図3は、アノードとカソードに回路配線を接合した酵素発電デバイスおよび酵素発電デバイスと無線送信回路を接合した側面図である。FIG. 3 is a side view of an enzymatic power generation device in which circuit wiring is connected to an anode and a cathode, and a side view of the enzymatic power generation device and a radio transmission circuit. 図4は、アノードとカソードの導電性基材を回路配線に用いた酵素発電デバイスの構成部材の上面図である。FIG. 4 is a top view of constituent members of an enzymatic power generation device using conductive substrates for anodes and cathodes for circuit wiring. 図5は、アノードとカソードの導電性基材を回路配線に用いた酵素発電デバイスの上面図である。FIG. 5 is a top view of an enzymatic power generation device using conductive substrates for anodes and cathodes for circuit wiring. 図6は、アノードとカソードの導電性基材を回路配線に用いた酵素発電デバイスおよび酵素発電デバイスと無線送信回路を接合した側面図である。FIG. 6 is a side view of an enzymatic power generation device using conductive substrates of anodes and cathodes for circuit wiring, and a side view of joining the enzymatic power generation device and a wireless transmission circuit.

<酵素発電デバイス>
本発明の酵素発電デバイスは、糖類、アルコール及びその他のバイオマス資源を燃料として発電する発電デバイスである。糖やアルコールなどの有機物を燃料として、アノード側で発生したe(電子)およびイオンにより、カソード側の酸素還元反応を利用して発電することができる。また、発電の有無や発電量を検知することにより、対象物(燃料)をセンシングすることが可能となり、電源とセンサーを兼ねるセンサーとして機能することができる。前記機能を有する発電型センサーは酵素発電デバイスの一種に含まれる。
<Enzyme power generation device>
The enzymatic power generation device of the present invention is a power generation device that generates power using sugars, alcohols and other biomass resources as fuel. Using an organic substance such as sugar or alcohol as a fuel, e (electrons) and ions generated on the anode side can be used to generate electricity by utilizing an oxygen reduction reaction on the cathode side. In addition, by detecting the presence or absence of power generation and the amount of power generation, it is possible to sense the object (fuel), and it can function as a sensor that serves as both a power source and a sensor. A power-generating sensor having the above function is included in a type of enzyme power generation device.

酵素発電デバイスの構成としては、燃料の酸化を促進するアノードと、酸素の還元を促進するカソードと、燃料の酸化で発生したe(電子)をカソードに伝達や電池反応で発生した電気を取り出すための集電体と、アノードとカソードを電気的に分離する吸水性のセパレーターからなる。その他、燃料および燃料の酸化で発生したH(プロトン)等をカソードに伝達するイオン伝導体は、外部から供給される液体に含まれてもよく、デバイスに内蔵されてもよい。 The enzymatic power generation device consists of an anode that promotes fuel oxidation, a cathode that promotes oxygen reduction, and e (electrons) generated by fuel oxidation are transferred to the cathode and electricity generated by cell reactions is extracted. and a water-absorbing separator that electrically separates the anode and cathode. In addition, an ionic conductor that transfers the fuel and H + (protons) generated by oxidation of the fuel to the cathode may be contained in the liquid supplied from the outside, or may be built in the device.

本発明の酵素発電デバイスは、アノードまたはカソードの少なくとも一方が大気中に暴露している。また、アノードで燃料の酸化を起点に発電する方式から、アノードまたはアノードとカソードが大気中に暴露していることが好ましい。ここでいう暴露とは、該デバイスをラミネート処理などの封止を行わず、外部から液体を供給することで、該デバイスが容易に濡れることをいう。 In the enzymatic power generation device of the present invention, at least one of the anode and the cathode is exposed to the atmosphere. In addition, it is preferable that the anode or the anode and the cathode are exposed to the atmosphere because of the method of generating power starting from the oxidation of the fuel at the anode. The term "exposure" as used herein means that the device is easily wetted by supplying a liquid from the outside without sealing the device by lamination or the like.

セパレーターの面積は、アノードまたはカソードの少なくとも一方より大きい。また、アノードまたはカソードの一方の面積に対して、もう一方の面積が大きい。このようにすることで、外部から供給された液体が、アノードまたはカソードで一旦とどまった後、セパレーターを伝達して液体をアノードの酸化触媒部に効果的に輸送される。 The area of the separator is greater than at least one of the anode or cathode. Also, the area of one of the anode and the cathode is larger than the area of the other. By doing so, the liquid supplied from the outside temporarily stays at the anode or the cathode, and then is effectively transported to the oxidation catalyst portion of the anode through the separator.

より具体的には、図1または図4に示すような、アノードとカソードおよび吸水性のセパレーターを用意する。図1、図4ではカソードよりもアノードの面積が大きいが、アノードよりもカソードの面積が大きくても良い。 More specifically, an anode, a cathode, and a water-absorbent separator are prepared as shown in FIG. 1 or FIG. Although the area of the anode is larger than that of the cathode in FIGS. 1 and 4, the area of the cathode may be larger than that of the anode.

次いで、図3および図6に示すように、吸水性のセパレーターを介して、酸化触媒と還元触媒が対向するようにアノードとカソードを配置し、酵素発電デバイスを形成する。 Next, as shown in FIGS. 3 and 6, the anode and cathode are arranged with a water-absorbing separator interposed therebetween so that the oxidation catalyst and the reduction catalyst face each other to form an enzymatic power generation device.

無線送信回路への接合は、図3のように、回路配線を使用してもよく、図6のように、導電性基材を回路配線として使用しても良い。これら回路配線や導電性基材と無線送信回路を接合させる。 The connection to the wireless transmission circuit may use circuit wiring as shown in FIG. 3, or may use a conductive substrate as the circuit wiring as shown in FIG. The circuit wiring and the conductive base material are joined to the wireless transmission circuit.

セパレーターの面積は、アノードとカソードを電気的に分離(短絡の防止)することや液体の供給の観点から、アノードおよびカソードのうち、面積が小さい方の面積よりも大きく、小さい方の面積よりも2倍以上であることが好ましく。また、セパレーターの面積は、アノードおよびカソードのうち、面積が大きい方の面積と同じであることがより好ましい。 From the standpoint of electrically separating the anode and cathode (prevention of short circuit) and supplying liquid, the area of the separator is larger than the smaller one of the anode and the cathode, and is larger than the smaller one. It is preferably two times or more. Further, it is more preferable that the area of the separator is the same as that of the anode or the cathode, whichever has the larger area.

アノードおよびカソードのうち、面積が小さい方の面積に対して、もう一方の面積が大きい方の面積は、小さい方の面積よりも1.5倍以上であることが好ましく、より好ましくは2倍以上である。
また、外部から供給された液体がアノードまたはカソードで一旦とどまった後、セパレーターを伝達して液体をアノードの酸化触媒部に効果的に輸送されることから、図2および図5のように、アノードとカソードとを配置した際、面積の大きいほうが5mm以上長いことが好ましく、10mm以上長いことがより好ましい。
なお、アノードおよびカソードが、非導電性基材と導電層など、複数の層を有し、各層の面積が異なる際には、面積の大きい層をアノードおよびカソードの面積とする。
With respect to the area of the smaller one of the anode and the cathode, the area of the larger one of the other is preferably 1.5 times or more, more preferably 2 times or more, that of the smaller one. is.
In addition, after the liquid supplied from the outside temporarily stays at the anode or the cathode, the liquid is effectively transported to the oxidation catalyst part of the anode through the separator. and the cathode, the larger area is preferably longer by 5 mm or more, more preferably by 10 mm or more.
When the anode and the cathode have a plurality of layers such as a non-conductive base material and a conductive layer, and the layers have different areas, the layer with the larger area is the area of the anode and the cathode.

(アノード)
本発明のアノードは導電性の材料を含むものであれば特に限定されない。導電性の材料としては、炭素材料、金属等が挙げられ、使い捨て性や生体親和性の観点から、炭素材料を用いることが好ましい。炭素材料としては、黒鉛、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、多孔質カーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。炭素材料は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用しても良い。
(anode)
The anode of the present invention is not particularly limited as long as it contains a conductive material. Examples of conductive materials include carbon materials, metals, and the like, and carbon materials are preferably used from the viewpoint of disposability and biocompatibility. Carbon materials include graphite, carbon black (ketjen black, acetylene black, etc.), porous carbon, carbon fibers, carbon nanotubes, graphene, and the like. Only one type of carbon material may be used, or two or more types may be used in combination.

アノードには、導電性の材料同士の接触を維持するためにバインダーを含むことが好ましい。バインダーの種類は特に限定されず、樹脂などが挙げられる。樹脂としては、溶媒に溶解可能な溶解性樹脂や、分散媒に安定に分散している分散性樹脂粒子等が挙げられる。バインダーは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The anode preferably contains a binder to maintain contact between the conductive materials. The type of binder is not particularly limited, and examples thereof include resins. Examples of resins include soluble resins that can be dissolved in a solvent and dispersible resin particles that are stably dispersed in a dispersion medium. Only one binder may be used, or two or more binders may be used in combination.

アノードには、燃料の酸化を促進する触媒を含む。酸化触媒としては特に限定されないが、ウエアラブルデバイスや使い捨てデバイスとして使用する場合、安全性や生体適合性などの観点から、燃料の酸化を促進する酵素を含むことが好ましい。酵素の種類は特に限定されず、酸化の対象となる燃料の種類に応じて選択でき、1種類でも2種類以上であってもよい。 The anode contains a catalyst that promotes oxidation of the fuel. The oxidation catalyst is not particularly limited, but when used as a wearable device or a disposable device, it preferably contains an enzyme that promotes fuel oxidation from the viewpoint of safety and biocompatibility. The type of enzyme is not particularly limited, and can be selected according to the type of fuel to be oxidized, and may be one type or two or more types.

燃料が糖である場合の酵素として具体的には、燃料がグルコースである場合の酵素としてはグルコースオキシダーゼやグルコースでヒドロゲナーゼが、燃料がフルクトースである場合の酵素としてはフルクトースオキシダーゼやフルクトースデヒドロゲナーゼが、燃料がスクロースである場合の酵素としては、インペルターゼやグルコースデヒドロゲナーゼが、燃料がデンプンである場合の酵素としてはアミラーゼやグルコースデヒドロゲナーゼなどの組み合わせが挙げられる。 Specifically, the enzymes when the fuel is sugar include glucose oxidase and glucose hydrogenase when the fuel is glucose, and fructose oxidase and fructose dehydrogenase when the fuel is fructose. Enzymes when is sucrose include impertase and glucose dehydrogenase, and enzymes when the fuel is starch include a combination of amylase and glucose dehydrogenase.

燃料が糖である場合の酵素として具体的には、燃料がグルコースである場合の酵素としてはグルコースオキシダーゼやグルコースでヒドロゲナーゼが、燃料がフルクトースである場合の酵素としてはフルクトースオキシダーゼやフルクトースデヒドロゲナーゼが、燃料がスクロースである場合の酵素としては、インペルターゼやグルコースデヒドロゲナーゼが、燃料がデンプンである場合の酵素としてはアミラーゼやグルコースデヒドロゲナーゼなどの組み合わせが挙げられる。 Specifically, the enzymes when the fuel is sugar include glucose oxidase and glucose hydrogenase when the fuel is glucose, and fructose oxidase and fructose dehydrogenase when the fuel is fructose. Enzymes when is sucrose include impertase and glucose dehydrogenase, and enzymes when the fuel is starch include a combination of amylase and glucose dehydrogenase.

酵素を触媒に用いる場合、酵素を担持するために、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)やカーボンナノチューブ等の比表面積の大きい炭素や、メソポーラスカーボンなど、ミクロ~メソ孔を有する多孔質炭素を用いても良い。
また、酵素の種類等、必要に応じでメディエータを含んでも良く、酵素やメディエータの担持方法については特に限定されない。
When using an enzyme as a catalyst, carbon black (ketjen black, acetylene black, etc.), carbon with a large specific surface area such as carbon nanotubes, and porous carbon with micro-meso pores such as mesoporous carbon are used to support the enzyme. may be used.
In addition, mediators may be included as necessary, such as the type of enzyme, and the method for supporting the enzymes and mediators is not particularly limited.

(カソード)
本発明のカソードは導電性の材料を含むものであれば特に限定されない。導電性の材料としては、炭素材料、金属等が挙げられ、使い捨て性や生体親和性の観点から、炭素材料を用いることが好ましい。炭素材料としては、黒鉛、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、多孔質カーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。炭素材料は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用しても良い。
(cathode)
The cathode of the present invention is not particularly limited as long as it contains a conductive material. Examples of conductive materials include carbon materials, metals, and the like, and carbon materials are preferably used from the viewpoint of disposability and biocompatibility. Carbon materials include graphite, carbon black (ketjen black, acetylene black, etc.), porous carbon, carbon fibers, carbon nanotubes, graphene, and the like. Only one type of carbon material may be used, or two or more types may be used in combination.

カソードには、導電性の材料同士の接触を維持するためにバインダーを含むことが好ましい。バインダーの種類は特に限定されず、樹脂などが挙げられる。樹脂としては、溶媒に溶解可能な溶解性樹脂や、分散媒に安定に分散している分散性樹脂粒子等が挙げられる。バインダーは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The cathode preferably contains a binder to maintain contact between the conductive materials. The type of binder is not particularly limited, and examples thereof include resins. Examples of resins include soluble resins that can be dissolved in a solvent and dispersible resin particles that are stably dispersed in a dispersion medium. Only one binder may be used, or two or more binders may be used in combination.

カソードは、酸素の還元を促進する触媒を含む。還元触媒としては特に限定されず、有機物であっても無機物であってもよい。有機物としては、ビリルビンオキシダーゼやラッカーゼ等の酸素の還元を促進する酵素が挙げられる。無機物としては、白金などの金属触媒やカーボンアロイなどが挙げられる。ウエアラブルデバイスや使い捨てデバイスとして使用する場合、安全性や生体適合性などの観点から、有機物やカーボンアロイ等が好ましく、コストや出力の安定性などから、カーボンアロイがさらに好ましい。
酵素を触媒として用いる場合、アノード電極と同様の方法を用いることができる。
The cathode contains a catalyst that facilitates the reduction of oxygen. The reduction catalyst is not particularly limited, and may be organic or inorganic. Examples of organic substances include enzymes such as bilirubin oxidase and laccase that promote the reduction of oxygen. Examples of inorganic materials include metal catalysts such as platinum and carbon alloys. When used as a wearable device or a disposable device, from the viewpoint of safety and biocompatibility, organic materials, carbon alloys, and the like are preferable, and carbon alloys are more preferable from the viewpoints of cost and output stability.
When using an enzyme as a catalyst, the same method as for the anode electrode can be used.

(メディエータ)
酵素の種類によって、電極に直接電子を伝達できる直接電子移動型(DET型)酵素と直接電子を伝達できない酵素が存在する。DET型以外の酵素は、燃料の酸化によって生じた電子を酵素から電極(アノード)に伝達するまたは、アノードから受け取った電子を電極(カソード)から酵素に伝達する役割を担うメディエータと併用することが好ましい。メディエータとしては、電極と電子の授受ができる酸化還元物質であれば特に制限はなく、従来公知のものを使用できる。
(Mediator)
Depending on the types of enzymes, there are direct electron transfer (DET) enzymes that can directly transfer electrons to an electrode and enzymes that cannot directly transfer electrons. Enzymes other than the DET type can be used in combination with a mediator responsible for transferring electrons generated by fuel oxidation from the enzyme to the electrode (anode) or transferring electrons received from the anode from the electrode (cathode) to the enzyme. preferable. The mediator is not particularly limited as long as it is a redox substance capable of giving and receiving electrons to and from the electrode, and conventionally known mediators can be used.

(導電性基材)
導電性基材は、アノードで発生した電子をカソードへの伝達や、電池反応で発生した電気を取り出すために用いられ、導電性を有する材料であれば特に限定されない。導電性基材上に前記アノードまたはカソードを設けることが好ましい。導電性基材としては、金属箔は金属メッシュなどの金属材料や、カーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロスなどの炭素材料などを用いることができる。酸化耐性や易廃棄性などの観点から炭素材料を用いることが好ましい。また、フレキシブル性の観点から、紙や樹脂フィルムなどの非導電性基材上に導電性の炭素材料(A)とバインダー樹脂(B)からなる導電層を設けた導電性基材を用いることがさらに好ましい。導電性の炭素材料(A)は黒鉛やカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェンなどを用いることが好ましく、導電性や入手のし易さ等の観点から、黒鉛とカーボンを併用することがより好ましい。バインダー樹脂(B)は、溶媒に溶解可能な溶解性樹脂や分散媒に分散可能な分散性樹脂を用いることができ、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリロニトリル系樹脂、アクリル系樹脂、ブタジエン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリビニルブチラール系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、EVA系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエーテル系樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース系樹脂等が挙げられ、1種単独で用いても良く、2種以上併用しても良い。フレキシブル性や酵素や燃料の浸透性などの観点から、水溶性樹脂と水分散樹脂微粒子とを併用することが好ましい。
(Conductive substrate)
The conductive base material is used for transferring electrons generated at the anode to the cathode and extracting electricity generated in the battery reaction, and is not particularly limited as long as it has conductivity. Preferably, said anode or cathode is provided on a conductive substrate. As the conductive base material, a metal material such as a metal foil or a metal mesh, or a carbon material such as carbon paper, carbon felt or carbon cloth can be used. It is preferable to use a carbon material from the viewpoint of oxidation resistance, ease of disposal, and the like. In addition, from the viewpoint of flexibility, it is possible to use a conductive substrate in which a conductive layer composed of a conductive carbon material (A) and a binder resin (B) is provided on a non-conductive substrate such as paper or resin film. More preferred. Graphite, carbon black, carbon nanotubes, graphene, or the like is preferably used as the conductive carbon material (A), and it is more preferable to use graphite and carbon in combination from the viewpoint of conductivity, availability, and the like. As the binder resin (B), a soluble resin that can be dissolved in a solvent or a dispersible resin that can be dispersed in a dispersion medium can be used. , polyvinyl-based resin, polyvinyl butyral-based resin, polyolefin-based resin, polyester-based resin, polystyrene-based resin, EVA-based resin, polyvinylidene fluoride-based resin, polytetrafluoroethylene-based resin, silicone-based resin, polyether-based resin, carboxymethyl cellulose and the like, and may be used singly or in combination of two or more. From the viewpoint of flexibility, enzyme and fuel permeability, etc., it is preferable to use a water-soluble resin and water-dispersible resin fine particles in combination.

(回路配線)
回路配線とは、酵素発電デバイスにおいてアノードおよびカソードと外部デバイスを電気的に接続し、回路を形成するための導電性部材である。回路配線は、アノードあるいはカソードと別途用意された導電性部材を接続し更に外部デバイスに接続してもよく、アノードあるいはカソードで用いる導電性基材を用いて、外部デバイスと接合しても良い。回路配線と外部デバイスを接続する方法としては特に限定するものではなく、接着剤あるいは粘着剤による接続の他に、スナップボタン、マグネット、クリップ、ファスナー、面ファスナー等を用いた接続が例示できる。
回路配線の材料としては、導電性を有する材料が用いられ、金属箔や銅線などの金属材料やカーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素材料などを用いることができる。また、フレキシブル性や易廃棄性などの観点から、紙や樹脂フィルムなどの非導電性基材上に導電性の炭素材料(A)とバインダー樹脂(B)からなる導電層を設けた導電性基材を回路配線として用いることもできる。
導電性基材を回路配線の用いる場合、導電性基材をそのまま用いてもよく、導電性基材同士を接合して用いてもよい。
(circuit wiring)
The circuit wiring is a conductive member for electrically connecting the anode and cathode to an external device in the enzymatic power generation device to form a circuit. The circuit wiring may be connected to an anode or a cathode and a separately prepared conductive member and further connected to an external device, or may be connected to an external device using a conductive substrate used for the anode or cathode. The method of connecting the circuit wiring and the external device is not particularly limited, and connection using snap buttons, magnets, clips, fasteners, hook-and-loop fasteners, etc., can be exemplified in addition to connection using adhesives or pressure-sensitive adhesives.
As a material for the circuit wiring, a material having conductivity is used, and a metal material such as metal foil or copper wire, or a carbon material such as carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be used. In addition, from the viewpoint of flexibility and ease of disposal, a conductive substrate having a conductive layer composed of a conductive carbon material (A) and a binder resin (B) on a non-conductive substrate such as paper or resin film. The material can also be used as circuit wiring.
When the conductive base material is used for circuit wiring, the conductive base material may be used as it is, or the conductive base materials may be joined together.

(セパレーター)
本発明のセパレーターとしては、アノードとカソードを電気的に分離(短絡の防止)でき、吸水性のものであれば、特に限定されないが、フレキシブル性の観点から、不織布、フェルト、濾紙、和紙等を用いることが好ましい。
(separator)
The separator of the present invention is not particularly limited as long as it can electrically separate the anode and cathode (prevent short circuit) and absorb water, but from the viewpoint of flexibility, nonwoven fabric, felt, filter paper, Japanese paper, etc. It is preferable to use

(燃料)
酵素発電デバイスで使用できる燃料としては、酵素によって酸化が促進される物質であればその種類は特に限定はされない。D-グルコース等の単糖類、デンプン等の多糖類、エタノール等のアルコール、有機酸などの有機物等が挙げられ、1種類のみでも2種類以上であってもよい。燃料はそのままの状態でアノードに含まれる酵素によって酸化可能なものであっても、加水分解等により、酸化可能な状態になるものであってもよい。
(fuel)
The type of fuel that can be used in the enzymatic power generation device is not particularly limited as long as it is a substance whose oxidation is promoted by an enzyme. Examples include monosaccharides such as D-glucose, polysaccharides such as starch, alcohols such as ethanol, and organic substances such as organic acids. The fuel may be oxidizable as it is by the enzymes contained in the anode, or it may be in an oxidizable state by hydrolysis or the like.

ウエアラブルデバイスや使い捨てデバイス等として使用する場合、安全性や生体親和性などの観点から、燃料は糖を含むことが好ましい。糖の種類は特に制限されず、単糖類、二糖類、オリゴ糖類、多糖類、糖アルコール類糖が挙げられる。
燃料は、水、有機溶媒等の溶媒を含んでもよく、溶媒を含んでなくともよい。燃料を含む溶液を用いる場合は、この液体を供給することでデバイスが発電し、溶媒を含まない場合は、デバイス内に燃料を含有させ、燃料を溶解できる液体を供給することでデバイスが発電する。デバイス内に燃料を含有させる場所は特に制限されないが、アノードまたはセパレーターなどの基材に含有させることができる。
(イオン伝導体)
本発明におけるイオン伝導体はアノードとカソードの間でイオンの伝導を行うものである。イオン伝導体はイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。イオン伝導体としては例えば、リン酸緩衝液などの液体に電解質が溶けている電解液や、固体のポリマー電解質などを使用してもよい。また、イオン伝導体は前記セパレーターに予め担持する等、酵素電池に内蔵してもよい。
When used as a wearable device, a disposable device, or the like, the fuel preferably contains sugar from the viewpoint of safety and biocompatibility. The type of sugar is not particularly limited, and includes monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides, polysaccharides, and sugar alcohol sugars.
The fuel may contain a solvent such as water or an organic solvent, or may not contain a solvent. When using a solution containing fuel, the device generates electricity by supplying this liquid, and when it does not contain a solvent, the device generates electricity by containing fuel in the device and supplying a liquid that can dissolve the fuel. . There are no particular restrictions on where the fuel is contained within the device, but it can be contained in a substrate such as an anode or separator.
(ion conductor)
The ionic conductor in the present invention conducts ions between the anode and the cathode. The ionic conductor is not particularly limited as long as it has ionic conductivity. As the ionic conductor, for example, an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a liquid such as a phosphate buffer, or a solid polymer electrolyte may be used. Also, the ion conductor may be incorporated in the enzyme battery, for example, by carrying it on the separator in advance.

<酵素発電デバイスの用途>
本発明の発電デバイスは、使用時に液体を外部から供給されることで発電するデバイスとして種々の用途に用いることができる。さらに、酵素発電デバイスの原理を用いて、対象物を検知するセンサーとしても使用が可能である。
<Application of Enzymatic Power Generation Device>
INDUSTRIAL APPLICABILITY The power generation device of the present invention can be used for various purposes as a device that generates power when liquid is supplied from the outside during use. Furthermore, it can be used as a sensor for detecting an object using the principle of an enzyme power generation device.

センサーの用途としては、例えば、各種有機物を対象とした有機物センサー、血液や汗、尿、便、涙、唾液、呼気などの生体試料中の有機物や体液を対象とした生体センサー、水分を対象にした水分センサー、果物や食品中の糖等を対象にした食品用センサー、IoTセンサー、大気や河川、土壌など環境中の有機物を対象にした環境センサー、動物や昆虫、植物を対象にした動植物センサー等が挙げられ、上記は電源とセンサーを兼ねる自己発電型センサーであっても良いし、電源としては利用しないセンサーとしての利用だけでも良い。生体センサーとしては、例えば、血液中の糖をセンシングする血糖値センサーや、尿中の糖をセンシングする尿糖値センサー、汗中の乳酸値をセンシングする疲労度センサーや熱中症センサー、汗や尿中の水分をセンシングする発汗センサーや排尿センサー等が挙げられる。また、生体向けのウェアラブルセンサーとしての用途として例えば、おむつ内にセンサーを仕込んだ排尿センサーや尿糖値センサー、経皮貼付型の発汗、熱中症センサーなどが挙げられる。 Sensor applications include, for example, organic sensors that target various organic substances, biosensors that target organic substances and body fluids in biological samples such as blood, sweat, urine, feces, tears, saliva, and exhaled breath, and sensors that target moisture. food sensor for fruits and food, IoT sensor, environmental sensor for organic matter in the environment such as air, rivers, and soil, animal and plant sensor for animals, insects, and plants The above may be a self-power generation type sensor that serves as both a power source and a sensor, or may be used only as a sensor without being used as a power source. Examples of biosensors include a blood sugar sensor that senses sugar in blood, a urine sugar sensor that senses sugar in urine, a fatigue sensor that senses lactic acid in sweat, a heat stroke sensor that senses sweat and urine Examples include a perspiration sensor and a urination sensor that sense moisture inside. Examples of applications as wearable sensors for living organisms include urination sensors, urine sugar level sensors, and transdermal perspiration and heatstroke sensors, which are sensors embedded in diapers.

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。なお、実施例および比較例における「部」は「質量部」、%は質量%を表す。
<導電性基材の作製>
イオン交換水500質量部に水溶性樹脂のカルボキシメチルセルロース(CMCダイセル#1240(ダイセル化学工業社製))5質量部をディスパーで撹拌しながら添加して溶解させた。その後、黒鉛(球状化黒鉛 CGB-50(日本黒鉛社製))72質量部とカーボンブラック(ライオナイト EC-200L(ライオン社製))8質量部を添加した。次いで、サンドミルにて分散を行った。次に水分散性樹脂微粒子のアクリルエマルジョン(アクリル樹脂水分散液 W-168(トーヨーケム社製 固形分50質量%))30質量部を添加し、ディスパーで混合し、導電性組成物(1)を得た。
非導電性基材として、定性ろ紙(No.5C ADVANTEC社製)を室温でロールプレスを行った後、導電性組成物(1)を上記非導電性基材上にドクターブレードを用いて塗布した後、加熱乾燥して導電性基材(1)を得た。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the examples below do not limit the scope of the present invention. In the examples and comparative examples, "part" means "mass part" and % means % by mass.
<Preparation of conductive substrate>
To 500 parts by mass of ion-exchanged water, 5 parts by mass of water-soluble resin carboxymethyl cellulose (CMC Daicel #1240 (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.)) was added and dissolved while stirring with a disper. After that, 72 parts by mass of graphite (spheroidized graphite CGB-50 (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd.)) and 8 parts by mass of carbon black (Lionite EC-200L (manufactured by Lion Corporation)) were added. Then, it was dispersed with a sand mill. Next, 30 parts by mass of an acrylic emulsion of water-dispersible resin fine particles (acrylic resin aqueous dispersion W-168 (manufactured by Toyochem Co., Ltd., solid content 50% by mass)) is added and mixed with a disper to form the conductive composition (1). Obtained.
As a non-conductive substrate, a qualitative filter paper (No. 5C manufactured by ADVANTEC) was roll-pressed at room temperature, and then the conductive composition (1) was applied onto the non-conductive substrate using a doctor blade. After that, it was dried by heating to obtain a conductive base material (1).

<カソード用炭素触媒の作製>
グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)と鉄フタロシアニン P-26(山陽色素社製)を、質量比1/0.5(グラフェンナノプレートレット/鉄フタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を
得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、酵素電池用炭素触媒(1)を得た。
<Preparation of carbon catalyst for cathode>
Graphene nanoplatelets xGnP-C-750 (manufactured by XGscience) and iron phthalocyanine P-26 (manufactured by Sanyo Color Co., Ltd.) were weighed so that the mass ratio was 1/0.5 (graphene nanoplatelets/iron phthalocyanine). and dry-blended to obtain a mixture. The mixture was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon catalyst (1) for an enzyme cell.

<カソード用電極組成物の作製>
酵素電池用炭素触媒(1)4.8部、水88.4部、カルボキシメチルセルロース(CMCダイセル#1240(ダイセル化学工業社製))0.8部をミキサーに入れて混合し、更にサンドミルに入れて分散した。その後、アクリルエマルジョン(アクリル樹脂水分散液 W-168(トーヨーケム社製 固形分50質量%))6部を加えミキサーで混合し、酵素電池カソード用電極組成物(1)を得た。
<Preparation of electrode composition for cathode>
4.8 parts of the carbon catalyst for enzyme cells (1), 88.4 parts of water, and 0.8 parts of carboxymethyl cellulose (CMC Daicel #1240 (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.)) were mixed in a mixer and then placed in a sand mill. dispersed. Thereafter, 6 parts of an acrylic emulsion (acrylic resin aqueous dispersion W-168 (manufactured by Toyochem Co., Ltd., solid content: 50% by mass)) was added and mixed with a mixer to obtain an enzyme battery cathode electrode composition (1).

<酵素発電デバイス用アノードの作製>
(製造例1)
(酵素発電デバイス用アノード(1))
作製した導電性基材を縦21cm、横11cmに切り出した後、下部1cm×11cm、両端各21cm×3cm、上部15cm×11cm部分をテープでマスキング処理を行った。マスキング処理を行っていない導電性基材5×5cm(面積25cm)部分に導電性炭素材料としてファーネスブラックVULCAN(登録商標)XC72(CABOT社製)の組成物をドクターブレードにより塗布した後、メディエータとしてテトラチアフルバレンのメタノール溶液と、触媒としてグルコースオキシダーゼ水溶液をそれぞれ滴下し、自然乾燥させて担持を行った。その後、マスキングテープを剥がして、酵素発電デバイス用アノード(1)を得た。
<Preparation of anode for enzyme power generation device>
(Production example 1)
(Anode for enzyme power generation device (1))
After cutting the produced conductive base material into a length of 21 cm and a width of 11 cm, the lower portion of 1 cm×11 cm, both ends of 21 cm×3 cm, and the upper portion of 15 cm×11 cm were masked with tape. After applying a composition of Furnace Black VULCAN (registered trademark) XC72 (manufactured by CABOT Co., Ltd.) as a conductive carbon material to a 5×5 cm 2 (25 cm 2 area) part of the conductive substrate that was not masked, using a doctor blade, A methanol solution of tetrathiafulvalene as a mediator and an aqueous solution of glucose oxidase as a catalyst were added dropwise and air-dried to perform loading. After that, the masking tape was peeled off to obtain an enzyme power generation device anode (1).

(酵素発電デバイス用アノード(2))
作製した導電性基材を縦13cm、横7cmに切り出した後、下部4cm×7cm、両端各13cm×1cm、上部4cm×7cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(2)を得た。
(Anode for enzyme power generation device (2))
After cutting the produced conductive base material into a length of 13 cm and a width of 7 cm, the lower part of 4 cm × 7 cm, both ends of 13 cm × 1 cm, and the upper part of 4 cm × 7 cm were masked with tape. 1) An enzyme power generation device anode (2) was obtained in the same manner as in (Production Example 1).

(酵素発電デバイス用アノード(3))
作製した導電性基材を縦20cm、横5cmに切り出した後、上部15cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(3)を得た。
(Anode for enzyme power generation device (3))
The same method as in Anode for Enzymatic Power Generation Device (1) (Production Example 1) except that the produced conductive substrate was cut into a piece of 20 cm long and 5 cm wide, and then the upper portion of 15 cm×5 cm was masked with tape. Thus, an anode (3) for an enzymatic power generation device was obtained.

(酵素発電デバイス用アノード(4))
作製した導電性基材を縦21cm、横21cmに切り出した後、下部1cm×21cm、両端各21cm×3cm、上部15cm×21cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(4)を得た。
(Anode (4) for enzyme power generation device)
After cutting the prepared conductive substrate into a length of 21 cm and a width of 21 cm, the lower portion of 1 cm × 21 cm, both ends of 21 cm × 3 cm, and the upper portion of 15 cm × 21 cm were masked with tape. 1) An enzyme power generation device anode (4) was obtained in the same manner as in (Production Example 1).

(酵素発電デバイス用アノード(5))
作製した導電性基材を縦6cm、横11cmに切り出した後、上部1cm×11cm、両端各6cm×3cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(5)を得た。
(Anode (5) for enzyme power generation device)
After cutting the produced conductive base material into a length of 6 cm and a width of 11 cm, the upper part of 1 cm × 11 cm and both ends of 6 cm × 3 cm were masked with tape. An enzyme power generating device anode (5) was obtained in the same manner as in 1).

(酵素発電デバイス用アノード(6))
作製した導電性基材を縦11cm、横5cmに切り出した後、下部3cm×5cm、上部3cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(6)を得た。
(Anode (6) for enzyme power generation device)
After cutting the produced conductive substrate into a piece of 11 cm long and 5 cm wide, the lower part of 3 cm × 5 cm and the upper part of 3 cm × 5 cm were masked with tape, except that the enzyme power generation device anode (1) (Production Example 1 ) to obtain an enzyme power generating device anode (6).

(酵素発電デバイス用アノード(7))
作製した導電性基材を縦6cm、横5cmに切り出した後、上部1cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用アノード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用アノード(7)を得た。
(Anode (7) for enzyme power generation device)
The same method as in Anode for Enzymatic Power Generation Device (1) (Production Example 1) except that after cutting the produced conductive substrate into a piece of 6 cm long and 5 cm wide, the upper portion of 1 cm×5 cm was masked with tape. Thus, an anode (7) for an enzymatic power generation device was obtained.

<酵素発電デバイス用カソードの作製>
(酵素発電デバイス用カソード(1))
(製造例2)
作製した導電性基材を縦20cm、横5cmに切り出した後、上部15cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った。マスキング処理を行っていない導電性基材5×5cm(面積25cm)部分に作製した酵素電池カソード用電極組成物(1)を、ドクターブレードにより塗布した後、加熱乾燥して酵素発電デバイス用カソード(1)を得た。
<Preparation of cathode for enzyme power generation device>
(Cathode for enzyme power generation device (1))
(Production example 2)
After cutting the produced conductive substrate into a piece of 20 cm long and 5 cm wide, the upper portion of 15 cm×5 cm was masked with a tape. The electrode composition (1) for an enzyme battery cathode prepared on a 5×5 cm 2 (area 25 cm 2 ) portion of a conductive substrate not subjected to masking treatment is applied with a doctor blade, and then dried by heating to obtain an enzyme power generation device. A cathode (1) was obtained.

(酵素発電デバイス用カソード(2))
作製した導電性基材を縦9cm、横5cmに切り出した後、上部4cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用カソード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用カソード(2)を得た。
(Cathode for enzyme power generation device (2))
The same method as in Cathode for Enzymatic Power Generation Device (1) (Production Example 1) except that the produced conductive substrate was cut into a size of 9 cm long and 5 cm wide, and then the upper portion of 4 cm×5 cm was masked with tape. Thus, a cathode (2) for an enzymatic power generation device was obtained.

(酵素発電デバイス用カソード(3))
作製した導電性基材を縦21cm、横11cmに切り出した後、下部1cm×11cm、両端各21cm×3cm、上部15cm×11cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用カソード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用カソード(3)を得た。
(Cathode for enzyme power generation device (3))
After cutting the produced conductive substrate into a length of 21 cm and a width of 11 cm, the lower portion of 1 cm × 11 cm, both ends of 21 cm × 3 cm, and the upper portion of 15 cm × 11 cm were masked with tape. 1) A cathode (3) for an enzymatic power generation device was obtained in the same manner as in (Production Example 1).

(酵素発電デバイス用カソード(4))
作製した導電性基材を縦6cm、横5cmに切り出した後、上部1cm×5cm部分をテープでマスキング処理を行った以外は、酵素発電デバイス用カソード(1)(製造例1)と同様の方法により、酵素発電デバイス用カソード(4)を得た。
(Cathode for enzyme power generation device (4))
The same method as in Cathode for Enzymatic Power Generation Device (1) (Production Example 1) except that the produced conductive substrate was cut into a size of 6 cm long and 5 cm wide, and then the upper portion of 1 cm×5 cm was masked with tape. A cathode (4) for an enzymatic power generation device was thus obtained.

<吸水性セパレーターの作製>
表1に示す通り、定性ろ紙(No.5C ADVANTEC社製)を切り出して吸水性セパレーターを作製した。
<Preparation of water absorbing separator>
As shown in Table 1, a qualitative filter paper (No. 5C manufactured by ADVANTEC) was cut out to prepare a water absorbent separator.

(実施例1)
<酵素発電デバイスの作製>
上記作製した酵素発電用アノード、吸水性セパレーター、カソードの順に、アノードとカソードの触媒部分が対向するように張り合わせて、表1に示す酵素発電デバイスを作製した。
(Example 1)
<Fabrication of enzyme power generation device>
The enzyme power generation device shown in Table 1 was produced by laminating the enzyme power generation anode, the water absorbing separator, and the cathode prepared above in this order so that the catalyst portions of the anode and cathode faced each other.

(実施例2~4、比較例1~2)
実施例1と同様の方法で、表1に示す酵素発電デバイスを作製した。
(Examples 2-4, Comparative Examples 1-2)
Enzymatic power generation devices shown in Table 1 were produced in the same manner as in Example 1.

(実施例5)
導電性基材を縦3cm、横1cmに切出し、回路配線を作製した。酵素発電用アノード(5)と酵素発電用カソード(4)の上部左端1cm×1cmの導電層箇所と回路配線の導電層箇所1cm×1cmを導電ペーストで接合した。
回路配線を形成したアノードとカソードを実施例1と同様に張り合わせて、表1に示す酵素発電デバイスを作製した。
(Example 5)
The conductive base material was cut into a length of 3 cm and a width of 1 cm to prepare circuit wiring. A conductive layer portion of 1 cm×1 cm at the upper left end of the anode (5) for enzymatic power generation and the cathode (4) for enzymatic power generation and the conductive layer portion of 1 cm×1 cm of the circuit wiring were joined with a conductive paste.
An enzyme power generation device shown in Table 1 was produced by laminating the anode and cathode on which circuit wiring was formed in the same manner as in Example 1.

(実施例5、比較例3)
実施例5と同様の方法で、表1に示す酵素発電デバイスを作製した。
(Example 5, Comparative Example 3)
An enzymatic power generation device shown in Table 1 was produced in the same manner as in Example 5.

Figure 0007135516000001
Figure 0007135516000001

<無線通信回路の作製>
上記作製した酵素発電デバイスに、昇圧コンバーター(LTC3108 ストロベリーリナックス(登録商標)社製)、無線機(送信モジュール IM315TX、受信モジュール IM315RX インタープラン社製)を、酵素発電デバイスから昇圧コンバーターへ接続し、昇圧コンバーターから無線機の送信モジュールに接続、更に送信モジュールから発信された無線信号を無線機の無線モジュールで受信する無線通信回路を作製した。酵素発電デバイスから昇圧コンバーターへの接続は、触媒を塗布および担持していない導電性基材部を張り合わせた。
<Fabrication of wireless communication circuit>
A booster converter (LTC3108 manufactured by Strawberry Linux (registered trademark)) and a wireless device (transmission module IM315TX, receiver module IM315RX manufactured by Interplan) were connected to the enzyme power generation device prepared above to the booster converter. A wireless communication circuit was fabricated in which a converter is connected to a transmitter module of a wireless device, and a wireless signal transmitted from the transmitter module is received by the wireless module of the wireless device. The connection from the enzymatic power generation device to the booster converter was made by laminating a conductive base material that was not coated with or supported with a catalyst.

<発電および無線送信の評価>
介護用おむつ(ライブラリー4回分吸収用チャーム社製)の上に、上記作製した酵素発電デバイスを置いた。(アノードまたはカソードの面積が大きい方が下側(おむつ側)になるように置いた。)次いで、0.1MのD-グルコースを含む0.1Mリン酸緩衝液150mlの液体を下記の通りに供給して無線送信の有無を確認した。
評価結果を表2に示す。
(液体の供給方法)
(1):発電デバイスの触媒部の中心に液体を供給した。
(2):発電デバイスの触媒部端から横1cm外れたところに液体を供給した。
(評価結果)
〇:無線送信できた。
×:無線送信できなかった。
<Evaluation of power generation and wireless transmission>
The enzymatic power generation device prepared above was placed on nursing care diapers (manufactured by Library 4 Absorbent Charm Co., Ltd.). (The larger anode or cathode area was placed on the lower side (diaper side).) Then, 150 ml of 0.1 M phosphate buffer containing 0.1 M D-glucose was added as follows. The presence or absence of wireless transmission was confirmed by supplying the data.
Table 2 shows the evaluation results.
(Liquid supply method)
(1): A liquid was supplied to the center of the catalyst portion of the power generation device.
(2): The liquid was supplied to a position 1 cm laterally away from the end of the catalyst portion of the power generation device.
(Evaluation results)
O: Wireless transmission was successful.
×: Could not be wirelessly transmitted.

Figure 0007135516000002
Figure 0007135516000002

表2に示すように、本発明の酵素発電デバイスは、外部からデバイスの触媒付近に液体を供給した場合、安定して発電できることが確認された。
比較例1および比較例3ではデバイス付近に液体を供給しても、液体がデバイスの外側に広がり、液体がおむつに流れ込んだため、デバイス触媒部に必要分の液体を供給することができなかったため、発電することができなかったと考えられる。また、比較例2では、吸水性のセパレーターがアノードとカソードよりも小さいため、デバイス内部(触媒部)に効果的に液体を供給できず発電できなかった、または、アノードとカソードで短絡したため、電気を取り出すことができなかったと考えられる。
また、触媒部端から外れたところに液体を供給した場合、本発明の実施例1~5は安定して発電することが確認された。それ以外では、供給する液体が直接おむつに流れ、触媒部に液体を供給することができず、発電することができなかったと考えられる。
As shown in Table 2, it was confirmed that the enzymatic power generation device of the present invention can stably generate power when liquid is supplied from the outside to the vicinity of the catalyst of the device.
In Comparative Examples 1 and 3, even if the liquid was supplied near the device, the liquid spread outside the device and flowed into the diaper. , could not generate electricity. In Comparative Example 2, since the water-absorbing separator was smaller than the anode and the cathode, the liquid could not be effectively supplied to the inside of the device (catalyst portion) and power could not be generated, or a short circuit occurred between the anode and the cathode. presumably could not be extracted.
Further, it was confirmed that Examples 1 to 5 of the present invention stably generated power when the liquid was supplied to a portion away from the end of the catalyst portion. Otherwise, it is considered that the supplied liquid flowed directly to the diaper, and the liquid could not be supplied to the catalyst portion, and power could not be generated.

本発明では、液体をD-グルコースを溶解したりん酸緩衝液を燃料に用いたが、D-グルコースや電解質を吸水性のセパレーター等に含ませることで、水分発電や水分センサーとして使用することができる。 In the present invention, a phosphate buffer solution in which D-glucose is dissolved is used as a fuel, but by including D-glucose and an electrolyte in a water-absorbing separator or the like, it can be used as a moisture power generator or a moisture sensor. can.

以上から、本発明の酵素発電デバイスは、電源不要で且つ、廃棄も容易で生体に安全な材料で構成され、発電した電力で送信機が動作することで、センシング情報をワイヤレス、例えば、受信機や携帯端末などに送信できることが可能になることから、おむつセンサーなどに好適である。 As described above, the enzymatic power generation device of the present invention does not require a power source, is easily disposed of, and is composed of materials that are safe for living organisms. It is suitable for a diaper sensor, etc., because it becomes possible to transmit to a portable terminal or the like.

1 アノード
11 酸化触媒
2 カソード
21 還元触媒
3 吸水性のセパレーター
4 導電性基材
5 回路配線
6 無線送信回路











Reference Signs List 1 anode 11 oxidation catalyst 2 cathode 21 reduction catalyst 3 water absorbing separator 4 conductive substrate 5 circuit wiring 6 radio transmission circuit











Claims (2)

吸水性のセパレーターを挟んで、アノードとカソードとが対向して配置された酵素発電デバイスであって、下記の条件(1)~(3)のすべてを満たし、
(1)前記アノードが酸化酵素を含有する、および/または前記カソードが還元酵素を含有する。
(2)前記セパレーターが前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方より面積が大きい。
(3)アノードまたはカソードの一方が、もう一方に対して面積が大きい。
さらに、
アノードおよびカソードが、 非導電性基材上に導電性の炭素材料(A)とバインダー樹脂(B)とを含む導電層を設けた導電性基材を有し、
かつ、アノードが酸化触媒を有し、カソードが還元触媒を有することを特徴とする酵素発電デバイス。
An enzymatic power generation device in which an anode and a cathode are arranged facing each other with a water-absorbing separator interposed therebetween, and satisfies all of the following conditions (1) to (3),
(1) the anode contains an oxidase and/or the cathode contains a reductase;
(2) the separator has a larger area than at least one of the anode or the cathode;
(3) one of the anode or cathode has a larger area than the other;
moreover,
The anode and cathode have a conductive substrate provided with a conductive layer containing a conductive carbon material (A) and a binder resin (B) on a non-conductive substrate,
An enzymatic power generation device, wherein the anode has an oxidation catalyst and the cathode has a reduction catalyst .
アノードまたはカソードの一方が、もう一方に対して面積が2倍以上大きいことを特徴とする請求項1に記載の酵素発電デバイス。 2. The enzymatic power generation device according to claim 1, wherein one of the anode and the cathode has an area twice or more that of the other.
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