バイオ燃料電池用燃料供給体及びバイオ燃料電池システム
【課題】ユーザビリティーが高く、かつエネルギー容量が大きいバイオ燃料電池用燃料供給体及びバイオ燃料電池システムを提供する。
【解決手段】一部又は全部を生体高分子を主成分とする材料により形成し、この生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化して燃料供給体とする。また、この燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池とにより、バイオ燃料電池システムを構成し、燃料供給体からバイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒を供給すると共に、燃料供給体自体も燃料として使用する。
【解決手段】一部又は全部を生体高分子を主成分とする材料により形成し、この生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化して燃料供給体とする。また、この燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池とにより、バイオ燃料電池システムを構成し、燃料供給体からバイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒を供給すると共に、燃料供給体自体も燃料として使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、バイオ燃料電池に燃料を供給するための燃料供給体及びバイオ燃料電池システムに関する。より詳しくは、酸化還元酵素を用いたバイオ燃料電池システムとその燃料供給体に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応触媒として酸化還元酵素を使用したバイオ燃料電池は、グルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では利用できない燃料から、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注目されている。図１０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１０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、負極（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。
【０００３】
また、正極（カソード）１０２においては、負極（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（Ｏ２）とにより水（Ｈ２Ｏ）を生成する。そして、これら正負極の反応が同時に起こることで、正負極間で電気エネルギーが発生する。
【０００４】
一方、燃料電池は、燃料を追加供給することにより、長期間に亘って連続して発電することが可能であることから、従来、様々なタイプの燃料供給用カートリッジが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１，２に記載の燃料電池用カートリッジは、その内部で、微生物などの生化学的触媒により、酸素含有炭化水素を分解し、生成した水素を燃料電池に供給する構成となっている。また、特許文献３に記載の燃料カートリッジでは、内部に残留している燃料を抜き取ることが可能な構成とすることで、廃棄時の安全性向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２００２−２７０２１０号公報
【特許文献２】特願２００３−１２３８２１号公報
【特許文献３】特願２００５−０１１６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した特許文献１〜３に記載されているような水素やメタノールを燃料とする燃料電池用の燃料カートリッジの場合、使用時の安全性を確保するため、燃料貯留部を強固な筐体で密閉し、必要なときだけ発電部に燃料が供給されるようにする必要がある。このため、これら従来の燃料電池用燃料カートリッジには、ユーザビリティーが著しく低いという問題点がある。
【０００７】
また、従来のカートリッジには、筐体などの発電に寄与しない部分が占める割合が多く、カートリッジ自身のエネルギー容量密度の低下を招くといった問題点もある。更に、従来のカートリッジは、使用済みのカートリッジの廃棄や回収に手間がかかるため、ユーザビリティーが低いという問題点もある。
【０００８】
そこで、本開示は、ユーザビリティーが高く、かつエネルギー容量が大きいバイオ燃料電池用燃料供給体及びバイオ燃料電池システムを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示に係るバイオ燃料電池用燃料供給体は一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されている。
本開示においては、一部又は全部が生体高分子で形成されており、この生体高分子を分解する生体触媒が収容又は固定化されているため、必要なときに、生体触媒によって分解することが可能である。
この燃料供給体は、例えば、燃料が収容される燃料収容部と、前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、を有し、前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成することができる。
その場合、前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とをそれぞれ独立して設けてもよい。
また、前記燃料が固体状である場合、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねることもできる。
一方、前記生体触媒は、不活性な状態で収容又は固定化されていてもよい。
また、前記生体高分子は、例えば、炭水化物である。
更に、前記生体高分子がセルロースである場合、前記生体触媒にはセルラーゼを使用することができる。
又は、前記生体高分子が澱粉である場合は、前記生体触媒にはアミラーゼを使用することができる。
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されている場合は、前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容されていてもよい。
【００１０】
本開示に係るバイオ燃料電池システムは、前述した燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、を有し、前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用する。
このシステムでは、前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けることもでき、その場合、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される。
一方、本開示に係る他のバイオ燃料電池システムは、一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、を有し、前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されている。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、生体触媒によって、燃料供給体を代謝分解することが可能であるため、ユーザビリティーが向上すると共に、エネルギー容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の第１の実施形態の燃料供給体の構成を模式的に示す図である。
【図２】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、燃料５の粒子と生体触媒６の粒子とが混在して収容されている状態を模式的に示す図である。
【図３】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、生体触媒６が燃料５に挟み込まれている状態を模式的に示す図である。
【図４】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、燃料５内に生体触媒６が包含されている状態を模式的に示す図である。
【図５】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、吸着剤を使用して生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図６】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、電場により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図７】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、磁場により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図８】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、低極性有機溶媒により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図９】本開示の第４の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて使用するバイオ燃料電池の燃料改質器の構成を示す概念図である。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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
（燃料収容部と生体触媒収容部とが設けられている燃料供給体の例）
２．第２の実施の形態
（生体触媒収容部が独立して設けられていない燃料供給体の例）
３．第３の実施の形態
（生体触媒を備えた燃料供給体を用いたバイオ燃料電池システムの例）
４．第４の実施の形態
（生体触媒が電池に収容又は固定されているバイオ燃料電池システムの例）
【００１４】
＜１．第１の実施の形態＞
［燃料供給体の全体構成］
先ず、本開示の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池用燃料供給体について説明する。図１は本実施形態の燃料供給体の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の燃料供給体１には、燃料５が収容される燃料収容部２と、燃料電池に燃料５を供給するための燃料供給孔３と、生体触媒６が収容される生体触媒収容部４が設けられている。
【００１５】
［燃料収容部２］
燃料収容部２は、生体高分子を主成分とする材料で形成されており、その内部には、燃料５が収容される。ここでいう燃料５とは、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。具体的には、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。
【００１６】
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。また、燃料５の形態は特に限定されるものではなく、液体状、粉体状、固体状など種々の形態のものを使用することができる。
【００１７】
一方、燃料収容部２を構成する生体高分子は、例えば、グルコース、フルクトース、マルトース及びセルロースなどの糖質（炭水化物）、カゼイン、コラーゲン、ケラチン及びフィブロインなどのタンパク質（酵素やペプチド）、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸、ポリ乳酸などの生分解性高分子などが挙げられる。これらの生体高分子の中でも、炭水化物を使用することが好ましく、特に、澱粉やセルロースが好適である。
【００１８】
なお、燃料収容部２を構成する生体高分子は、燃料５に含まれるものと同じにしてもよく、また、燃料５とは異なる生体高分子を使用してもよい。更に、複数種の生体高分子を混合して使用することもできる。
【００１９】
また、燃料収容部２を、セルロースなどの吸湿性が高い材料で形成した場合、液状の燃料５が燃料収容部２から漏れたり、外部が加湿条件のときに水分が侵入して固体状又は粉体状の燃料５が劣化したりする虞がある。このため、燃料収容部２は、水バリア性を有していることが望ましい。燃料収容部２に水バリア性を付与する方法は、特に限定されるものではないが、例えばセルロースの場合は、質量密度を高めて水分が透過する孔を減らし、更に、燃料収容部２の表面（或いは内面及び外面）に疎水性コーティングを施せばよい。
【００２０】
その際、疎水性のタンパク質膜でコーティングすることにより、燃料収容部２の全てを生分解性の材料で形成することができる。このように、燃料収容部２の水バリア性を高めることにより、虫や菌の混入による燃料５の劣化を防止することもできる。
【００２１】
［燃料導入出孔３］
燃料導入出孔３は、燃料５などを出し入れするためのものであり、燃料収容部２に収容されている燃料５をバイオ燃料電池に供給したり、燃料収容部２に燃料５を再充填したり、バイオ燃料電池内の廃液を回収したりするときなどに使用される。また、この燃料導入出孔３は、開閉機構（図示せず）によって、任意に開閉可能となっている。
【００２２】
その開閉機構の構成は、特に限定されるものではないが、例えば燃料収容部２の一部に切れ目を設け、その部分を押圧することで、燃料導入出孔３を開く構成や、紙やプラスチック材料などにより燃料導入出孔３をシールする構成などが考えられる。そして、本実施形態の燃料供給体１では、燃料導入出孔３は、通常は閉じられており、燃料５などの出し入れを行うときにだけ開放される。これにより、水分、菌及び虫などの侵入を防ぎ、燃料５の劣化を防止することができる。
【００２３】
更に、燃料導入出孔３は、バイオ燃料電池に設けられた燃料導入口と連結可能な構造とすることもできる。なお、燃料導入出孔３の数や位置は、特に限定されるものではなく、バイオ燃料電池の構成に応じて適宜設定することができる。
【００２４】
［生体触媒収容部４］
生体触媒収容部４は、生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容されるものであり、前述した燃料収容部２と同様に、糖質（炭水化物）、タンパク質、核酸、生分解性高分子などの生体高分子を主成分とする材料で形成されている。この生体触媒収容部４を構成する生体高分子には、炭水化物を使用することが好ましく、特に、澱粉やセルロースが好適である。
【００２５】
なお、生体触媒収容部４は、燃料収容部２と同じ材料で形成してもよいが、異なる生体高分子を含む材料で形成することもできる。また、生体触媒収容部４も、燃料５に含まれる生体高分子と同じものを使用しても、燃料５とは異なる生体高分子を使用してもよい。更に、複数種の生体高分子を混合して使用することもできる。更に、生体触媒収容部４も、水バリア性を有していることが望ましく、これにより虫や菌の混入による生体触媒６の劣化を防止することもできる。
【００２６】
一方、生体触媒収容部４に収容される生体触媒６は、少なくとも燃料収容部２及び生体触媒収容部４を分解可能なものを含んでいればよく、例えばセルラーゼ、アミラーゼ、グリコシダーゼ、プロテアーゼなどの酵素や微生物を使用することができる。特に、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子がセルロースである場合はセルラーゼが好適であり、澱粉の場合はアミラーゼが好適である。
【００２７】
また、生体触媒収容部４には、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子に加えて、燃料５に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容されていてもよい。これにより、バイオ燃料電池における負極での生体触媒反応が早くなったり、回復したりするため、電池性能を向上させることができる。
【００２８】
更に、生体触媒収容部４に生体触媒取出孔７を設け、この生体触媒取出孔７を介して、生体触媒６や燃料５に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒を、バイオ燃料電池や燃料改質器内に導入することもできる。これにより、電池性能や燃料改質性能を向上させたり、回復させたりすることができる。その場合、生体触媒取出孔７も、前述した燃料供給孔３と同様に生体触媒６の劣化などを防止するため、シールなどの開閉機構（図示せず）によって、任意に開閉可能となっていることが望ましい。
【００２９】
ここで、生体触媒６は、活性がある状態で収容されていてもよいが、乾燥などの方法で不活性化した状態で収容されていることが望ましい。これにより、生体触媒６を長期間、安定に存在させることができる。一方、生体触媒６を活性な状態で収容する場合は、代謝反応が起こらないように、生体触媒収容部４の生体触媒６が接触する面に、生体触媒６で分解されない層を形成しておく必要がある。
【００３０】
更にまた、生体触媒収容部４は、耐熱構造及び／又は断熱構造になっていることが望ましい。これにより、外部からの熱による生体触媒の劣化を防止することができる。なお、図１に示す燃料供給体１では、分離壁８により生体触媒６と燃料５とが接触しない構成となっているが、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば燃料収容部２の内部、例えば中心部に、生体触媒収容部４を設けることもできる。
【００３１】
［燃料供給体１の外面］
本実施形態の燃料供給体１は、その外面に、虫や菌を寄せ付けない抗菌コートや害虫忌避剤コートが施されていることが望ましい。また、光反射層などを設けて遮光性を付与したり、断熱層を設けて耐熱性を付与したりすることもできる。更に、表面に印刷する場合は、大豆由来のインクを使用することで、生体触媒６により、この印刷部分も分解することが可能となる。
【００３２】
［使用方法］
次に、前述した燃料供給体１の使用方法について説明する。図１に示す燃料供給体１を使用する際は、燃料収容部２に燃料５を充填すると共に、生体触媒収容部に生体触媒６を封入しておく。そして、必要に応じて、燃料供給孔３を介してバイオ燃料電池に燃料５を供給し、燃料収容部２内の燃料５が全て供給し終えた後、生体触媒収容部４内の生体触媒６によって燃料貯留部２を代謝分解する。
【００３３】
また、生体触媒６を、燃料５と共に又は単独で、バイオ燃料電池又はその燃料改質器に供給することもできる。更に、本実施形態の燃料供給体１は、燃料５及び生体触媒６を再充填して使用することもできる。
【００３４】
一方、燃料供給体１の分解方法は、特に限定されるものではないが、例えば、生体触媒収容部４と燃料収容部２との間の分離壁８を破壊若しくは除去したり、又は燃料供給体１全体をシュレッダーなどにより粉砕したりすることによって、生体触媒収容部４及び燃料収容部２を構成する生体高分子と生体触媒６とを接触させる。これにより、生体触媒６により、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子の分解が開始する。なお、生体触媒６が固体状や乾燥状態などの不活性な状態で収容されている場合でも、液体状の燃料５や電解液と接触することにより、生体触媒６は活性となる。
【００３５】
本実施形態の燃料供給体１においては、生体高分子を主成分とする材料で燃料収容部２及び生体触媒収容部４を形成すると共に、生体触媒収容部４にこの生体高分子を代謝分解する生体触媒６が収容されているため、使用後は生体触媒６により燃料収容部２及び生体触媒収容部４を分解処理することができる。これにより、燃料供給体１のリサイクルコストが不要となり、ユーザビリティーも向上する。
【００３６】
更に、本実施形態の燃料供給体１に充填される燃料５は、従来の燃料電池に比べて安全性が高いものであるため、強固な筐体で密閉したりする必要がない。このため、従来の燃料カートリッジに比べて、構造を簡素化することが可能であり、軽量化及び低コスト化が実現でき、更には、カートリッジ全体でのエネルギー容量を増加させることもできる。
【００３７】
なお、本実施形態の燃料供給体１は、燃料収容部２及び生体触媒収容部４だけでなく、その他の部分も生体高分子を主成分とする材料で形成することも可能である。その場合、セルロースや澱粉などを燃料とするバイオ燃料電池の燃料投入部に、シュレッダーなどの粉砕機構を設けることにより、使用後の燃料供給体１を燃料として使用することが可能となる。これにより、再生可能エネルギー１００％のカートリッジを実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態＞
［燃料供給体の全体構成］
次に、本開示の第２の実施形態に係る燃料供給体について説明する。図１に示す燃料供給体１では、生体触媒収容部４と燃料収容部２とがそれぞれ独立して設けられ、生体触媒６と燃料５とが接触しない構成となっているが、本開示はこれに限定されるものではなく、生体触媒収容部が独立して設けられていない構成も含む。
【００３９】
［燃料５及び触媒６の収容状態］
図２〜図４は本開示の第２の実施形態の燃料供給体における燃料５及び触媒６の収容状態例を模式的に示す図である。例えば、図２に示すように、燃料５が固体状である場合は、燃料収容部２が生体触媒収容部４を兼ねた構成、即ち、燃料収容部２兼生体触媒収容部４に、燃料５の粒子と生体触媒６の粒子の両方が収容され、混在している構成にすることもできる。
【００４０】
また、燃料供給体１自体又は燃料５に生体触媒６が固定された構成とすることもできる。具体的には、シート状の燃料５の一方又は両方の面に生体触媒６がコーティングされていてもよい。又は、図２に示すように生体触媒６が燃料５で挟み込んだ状態や、図３に示すように略球体状の燃料５内に生体触媒６が包含された状態で収容することもできる。
【００４１】
更に、燃料供給体１の表面の一部又は全部や、生体触媒６を含有する材料で燃料供給体１の一部又は全部を形成したりすることもできる。この場合、特に、燃料５と接触する部分は、生体触媒６を固定又は生体触媒６を含有する材料で形成することが望ましい。ただし、前述した各収容状態をとる場合、燃料５と生体触媒６とが接するため、必要に応じて、生体触媒６に燃料５を分解しないものを使用したり、生体触媒６を不活性な状態にしたりすることが望ましい。
【００４２】
このように、燃料５と生体触媒６とが混在、又は燃料５や燃料供給１自体に生体触媒６が固定されていると、燃料５と生体触媒６との接触面積が大きくなるため、分解時の反応速度を上昇させることができる。なお、本実施形態の燃料供給体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。
【００４３】
＜３．第３の実施の形態＞
［バイオ燃料電池システムの全体構成］
次に、本開示の第３の実施形態に係るバイオ燃料電池システムについて説明する。本実施形態のバイオ燃料電池システムでは、前述した第１又は第２の燃料供給体を使用して、バイオ燃料電池に、燃料や、燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒を供給する。
【００４４】
具体的には、本システムのバイオ燃料電池は、少なくとも、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備える発電部と、この発電部に導入される燃料を貯留する燃料貯留部とを備えている。そして、燃料供給体に充填された燃料は、この燃料貯留部に供給される。
【００４５】
［燃料貯留部］
一方、このバイオ燃料電池の燃料貯留部には、燃料供給体を切断、破断又は粉砕などするための機構（以下、これらをまとめて粉砕機構という。）が設けられている。そして、この粉砕機構によって、燃料供給体を粉砕などすることにより、生体触媒によって、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子を分解することが可能となる。その結果、本実施形態のバイオ燃料電池システムでは、燃料供給体自体を燃料として使用することができる。
【００４６】
［不要成分の分離・回収機構］
ここで、燃料供給体を燃料として使用する場合、生体高分子以外の成分の存在が問題となる。図５〜８は生体高分子以外の成分を分離回収する方法を模式的に示す図である。前述したように、燃料貯留部に投入され、粉砕機構により粉砕された燃料供給体の粉砕体１ａは、生体触媒によって生体高分子成分が徐々に分解される。
【００４７】
それに伴いインク、プラスチック及び金属などの生体高分子以外の成分が、生体触媒を含有する溶液（生体触媒・生体高分子含有溶液６ａ）中に遊離してくる。そして、この生体高分子以外の成分により、生体高分子の分解が阻害される可能性がある。このため、燃料供給体を、バイオ燃料電池の燃料として使用する場合は、生体高分子以外の成分を分離回収する必要がある。
【００４８】
具体的には、図５に示すように、燃料貯留部において、活性炭やゼオライトなどの吸着剤２１を使用して、生体高分子以外の成分を分離・回収する方法や、図６に示すように、電場を印加することにより、電気泳動効果でインク成分２２などを分離・回収する方法などが考えられる。図６に示す方法の場合、バイオ燃料電池で発電した電力の一部を使用することもできる。
【００４９】
また、図７に示すように、磁石２３を設置することにより、磁性成分２４を分離・回収する方法もある。更に、図８に示すように、低極性有機溶剤２５などにより低極性層を形成すると、インク成分２２やプラスチック成分２６を分離することができる。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムでは、前述した第１又は第２の燃料供給体を使用すると共に、バイオ燃料電池の燃料貯留部にこれらを粉砕などする粉砕機構が設けられているため、燃料供給体自体を燃料として使用可能となる。その結果、燃料供給体のリサイクルコストが不要となり、ユーザビリティーが向上すると共に、エネルギー容量を高めることができる。
【００５１】
更に、生体高分子以外の成分を分離・回収することにより、生体触媒の性能劣化を防止することができる。そして、分離・回収した各成分を再利用することで、材料費の削減、環境負荷の低減及び資源の節約が期待できる。
【００５２】
＜４．第４の実施形態＞
［バイオ燃料電池システムの全体構成］
次に、本開示の第４の実施形態に係るバイオ燃料電池システムについて説明する。前述した第３の実施形態においては、生体触媒を備える燃料供給体を使用したバイオ燃料電池システムについて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、生体触媒を備えるバイオ燃料電池を使用することもできる。
【００５３】
具体的には、本システムのバイオ燃料電池は、少なくとも、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備える発電部と、燃料改質部とを備えており、この燃料改質部に生体触媒が収容又は固定化されている。そして、この燃料改質部で改質された燃料が、発電部に導入される。この場合、燃料供給体が生体触媒を備えている必要はなく、燃料供給体の一部又は全部が、燃料改質部に収容又は固定化された生体触媒で分解可能な生体高分子及び／又はその他の生体高分子を主成分とする材料により形成されていればよい。
【００５４】
［燃料改質部］
図９は本実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて使用するバイオ燃料電池の燃料改質器の構成を示す概念図である。図９に示すように本実施形態における燃料改質器は、一次燃料を導入するための一次燃料導入部１１と、一次燃料を二次燃料に改質する燃料改質部１２と、二次燃料を燃料電池に供給するための二次燃料供給部１３と、を少なくとも備えている。また、必要に応じて、燃料精製部１４や電解質溶液供給部１５などを備えることもある。
【００５５】
そして、例えば、燃料供給体を構成する生体高分子がセルロースや澱粉などである場合は、この燃料改質器の燃料改質部１２又は燃料生成部１４において、セルロースや澱粉などの一次燃料を、生体触媒による酸化還元反応によって、電子を放出し得る二次燃料に改質する。
【００５６】
このように、本実施形態のバイオ燃料電池システムにおいては、バイオ燃料電池に、生体触媒を備える燃料改質部が設けられているため、燃料供給体が生体高分子で形成されていれば、生体触媒を備えていなくとも、燃料として使用することが可能となる。更に、前述した第１又は第２の実施形態のような生体触媒を備える燃料供給体を使用することにより、分解性能を向上又は回復させることができる。なお、本実施形態のバイオ燃料電池システムにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第３の実施形態と同様である。
【００５７】
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
（１）
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されているバイオ燃料電池用燃料供給体。
（２）
燃料が収容される燃料収容部と、
前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、
を有し、
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成されている（１）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（３）
前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とがそれぞれ独立して設けられている（２）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（４）
前記燃料が固体状であり、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねている（２）又は（３）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（５）
前記生体触媒が不活性な状態で収容又は固定化されている（１）〜（４）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（６）
前記生体高分子が炭水化物である（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（７）
前記生体高分子がセルロースであり、前記生体触媒がセルラーゼである（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（８）
前記生体高分子が澱粉であり、前記生体触媒がアミラーゼである（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（９）
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容される（２）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（１０）
（１）〜（９）のいずれかに記載の燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用するバイオ燃料電池システム。
（１１）
前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けられており、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される（１０）に記載のバイオ燃料電池システム。
（１１）
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されているバイオ燃料電池システム。
【符号の説明】
【００５８】
１ 燃料供給体
１ａ 粉砕物
２ 燃料収容部
３ 燃料供給孔
４ 生体触媒収容部
５ 燃料
６ 生体触媒
６ａ 生体触媒含有溶液
７ 生体触媒取出孔
８ 分離壁
１０ 燃料貯留部
１１ 一次燃料導入部
１２ 燃料改質部
１３ 二次燃料供給部
１４ 燃料精製部
１５ 電解質溶液供給部
２１ 吸着剤
２２ インク成分
２３ 磁石
２４ 磁性成分
２５ 低極性有機溶剤
２６ プラスチック成分
【技術分野】
【０００１】
本技術は、バイオ燃料電池に燃料を供給するための燃料供給体及びバイオ燃料電池システムに関する。より詳しくは、酸化還元酵素を用いたバイオ燃料電池システムとその燃料供給体に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応触媒として酸化還元酵素を使用したバイオ燃料電池は、グルコース及びエタノールのように通常の工業触媒では利用できない燃料から、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注目されている。図１０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１０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、負極（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。
【０００３】
また、正極（カソード）１０２においては、負極（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（Ｏ２）とにより水（Ｈ２Ｏ）を生成する。そして、これら正負極の反応が同時に起こることで、正負極間で電気エネルギーが発生する。
【０００４】
一方、燃料電池は、燃料を追加供給することにより、長期間に亘って連続して発電することが可能であることから、従来、様々なタイプの燃料供給用カートリッジが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１，２に記載の燃料電池用カートリッジは、その内部で、微生物などの生化学的触媒により、酸素含有炭化水素を分解し、生成した水素を燃料電池に供給する構成となっている。また、特許文献３に記載の燃料カートリッジでは、内部に残留している燃料を抜き取ることが可能な構成とすることで、廃棄時の安全性向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２００２−２７０２１０号公報
【特許文献２】特願２００３−１２３８２１号公報
【特許文献３】特願２００５−０１１６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した特許文献１〜３に記載されているような水素やメタノールを燃料とする燃料電池用の燃料カートリッジの場合、使用時の安全性を確保するため、燃料貯留部を強固な筐体で密閉し、必要なときだけ発電部に燃料が供給されるようにする必要がある。このため、これら従来の燃料電池用燃料カートリッジには、ユーザビリティーが著しく低いという問題点がある。
【０００７】
また、従来のカートリッジには、筐体などの発電に寄与しない部分が占める割合が多く、カートリッジ自身のエネルギー容量密度の低下を招くといった問題点もある。更に、従来のカートリッジは、使用済みのカートリッジの廃棄や回収に手間がかかるため、ユーザビリティーが低いという問題点もある。
【０００８】
そこで、本開示は、ユーザビリティーが高く、かつエネルギー容量が大きいバイオ燃料電池用燃料供給体及びバイオ燃料電池システムを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示に係るバイオ燃料電池用燃料供給体は一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されている。
本開示においては、一部又は全部が生体高分子で形成されており、この生体高分子を分解する生体触媒が収容又は固定化されているため、必要なときに、生体触媒によって分解することが可能である。
この燃料供給体は、例えば、燃料が収容される燃料収容部と、前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、を有し、前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成することができる。
その場合、前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とをそれぞれ独立して設けてもよい。
また、前記燃料が固体状である場合、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねることもできる。
一方、前記生体触媒は、不活性な状態で収容又は固定化されていてもよい。
また、前記生体高分子は、例えば、炭水化物である。
更に、前記生体高分子がセルロースである場合、前記生体触媒にはセルラーゼを使用することができる。
又は、前記生体高分子が澱粉である場合は、前記生体触媒にはアミラーゼを使用することができる。
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されている場合は、前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容されていてもよい。
【００１０】
本開示に係るバイオ燃料電池システムは、前述した燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、を有し、前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用する。
このシステムでは、前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けることもでき、その場合、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される。
一方、本開示に係る他のバイオ燃料電池システムは、一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、を有し、前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されている。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、生体触媒によって、燃料供給体を代謝分解することが可能であるため、ユーザビリティーが向上すると共に、エネルギー容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の第１の実施形態の燃料供給体の構成を模式的に示す図である。
【図２】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、燃料５の粒子と生体触媒６の粒子とが混在して収容されている状態を模式的に示す図である。
【図３】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、生体触媒６が燃料５に挟み込まれている状態を模式的に示す図である。
【図４】本開示の第２の実施形態の燃料供給体において、燃料５内に生体触媒６が包含されている状態を模式的に示す図である。
【図５】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、吸着剤を使用して生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図６】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、電場により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図７】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、磁場により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図８】本開示の第３の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて、低極性有機溶媒により生体高分子以外の成分を分離する方法を示す模式図である。
【図９】本開示の第４の実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて使用するバイオ燃料電池の燃料改質器の構成を示す概念図である。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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
（燃料収容部と生体触媒収容部とが設けられている燃料供給体の例）
２．第２の実施の形態
（生体触媒収容部が独立して設けられていない燃料供給体の例）
３．第３の実施の形態
（生体触媒を備えた燃料供給体を用いたバイオ燃料電池システムの例）
４．第４の実施の形態
（生体触媒が電池に収容又は固定されているバイオ燃料電池システムの例）
【００１４】
＜１．第１の実施の形態＞
［燃料供給体の全体構成］
先ず、本開示の第１の実施形態に係るバイオ燃料電池用燃料供給体について説明する。図１は本実施形態の燃料供給体の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の燃料供給体１には、燃料５が収容される燃料収容部２と、燃料電池に燃料５を供給するための燃料供給孔３と、生体触媒６が収容される生体触媒収容部４が設けられている。
【００１５】
［燃料収容部２］
燃料収容部２は、生体高分子を主成分とする材料で形成されており、その内部には、燃料５が収容される。ここでいう燃料５とは、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。具体的には、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。
【００１６】
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。また、燃料５の形態は特に限定されるものではなく、液体状、粉体状、固体状など種々の形態のものを使用することができる。
【００１７】
一方、燃料収容部２を構成する生体高分子は、例えば、グルコース、フルクトース、マルトース及びセルロースなどの糖質（炭水化物）、カゼイン、コラーゲン、ケラチン及びフィブロインなどのタンパク質（酵素やペプチド）、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸、ポリ乳酸などの生分解性高分子などが挙げられる。これらの生体高分子の中でも、炭水化物を使用することが好ましく、特に、澱粉やセルロースが好適である。
【００１８】
なお、燃料収容部２を構成する生体高分子は、燃料５に含まれるものと同じにしてもよく、また、燃料５とは異なる生体高分子を使用してもよい。更に、複数種の生体高分子を混合して使用することもできる。
【００１９】
また、燃料収容部２を、セルロースなどの吸湿性が高い材料で形成した場合、液状の燃料５が燃料収容部２から漏れたり、外部が加湿条件のときに水分が侵入して固体状又は粉体状の燃料５が劣化したりする虞がある。このため、燃料収容部２は、水バリア性を有していることが望ましい。燃料収容部２に水バリア性を付与する方法は、特に限定されるものではないが、例えばセルロースの場合は、質量密度を高めて水分が透過する孔を減らし、更に、燃料収容部２の表面（或いは内面及び外面）に疎水性コーティングを施せばよい。
【００２０】
その際、疎水性のタンパク質膜でコーティングすることにより、燃料収容部２の全てを生分解性の材料で形成することができる。このように、燃料収容部２の水バリア性を高めることにより、虫や菌の混入による燃料５の劣化を防止することもできる。
【００２１】
［燃料導入出孔３］
燃料導入出孔３は、燃料５などを出し入れするためのものであり、燃料収容部２に収容されている燃料５をバイオ燃料電池に供給したり、燃料収容部２に燃料５を再充填したり、バイオ燃料電池内の廃液を回収したりするときなどに使用される。また、この燃料導入出孔３は、開閉機構（図示せず）によって、任意に開閉可能となっている。
【００２２】
その開閉機構の構成は、特に限定されるものではないが、例えば燃料収容部２の一部に切れ目を設け、その部分を押圧することで、燃料導入出孔３を開く構成や、紙やプラスチック材料などにより燃料導入出孔３をシールする構成などが考えられる。そして、本実施形態の燃料供給体１では、燃料導入出孔３は、通常は閉じられており、燃料５などの出し入れを行うときにだけ開放される。これにより、水分、菌及び虫などの侵入を防ぎ、燃料５の劣化を防止することができる。
【００２３】
更に、燃料導入出孔３は、バイオ燃料電池に設けられた燃料導入口と連結可能な構造とすることもできる。なお、燃料導入出孔３の数や位置は、特に限定されるものではなく、バイオ燃料電池の構成に応じて適宜設定することができる。
【００２４】
［生体触媒収容部４］
生体触媒収容部４は、生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容されるものであり、前述した燃料収容部２と同様に、糖質（炭水化物）、タンパク質、核酸、生分解性高分子などの生体高分子を主成分とする材料で形成されている。この生体触媒収容部４を構成する生体高分子には、炭水化物を使用することが好ましく、特に、澱粉やセルロースが好適である。
【００２５】
なお、生体触媒収容部４は、燃料収容部２と同じ材料で形成してもよいが、異なる生体高分子を含む材料で形成することもできる。また、生体触媒収容部４も、燃料５に含まれる生体高分子と同じものを使用しても、燃料５とは異なる生体高分子を使用してもよい。更に、複数種の生体高分子を混合して使用することもできる。更に、生体触媒収容部４も、水バリア性を有していることが望ましく、これにより虫や菌の混入による生体触媒６の劣化を防止することもできる。
【００２６】
一方、生体触媒収容部４に収容される生体触媒６は、少なくとも燃料収容部２及び生体触媒収容部４を分解可能なものを含んでいればよく、例えばセルラーゼ、アミラーゼ、グリコシダーゼ、プロテアーゼなどの酵素や微生物を使用することができる。特に、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子がセルロースである場合はセルラーゼが好適であり、澱粉の場合はアミラーゼが好適である。
【００２７】
また、生体触媒収容部４には、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子に加えて、燃料５に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容されていてもよい。これにより、バイオ燃料電池における負極での生体触媒反応が早くなったり、回復したりするため、電池性能を向上させることができる。
【００２８】
更に、生体触媒収容部４に生体触媒取出孔７を設け、この生体触媒取出孔７を介して、生体触媒６や燃料５に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒を、バイオ燃料電池や燃料改質器内に導入することもできる。これにより、電池性能や燃料改質性能を向上させたり、回復させたりすることができる。その場合、生体触媒取出孔７も、前述した燃料供給孔３と同様に生体触媒６の劣化などを防止するため、シールなどの開閉機構（図示せず）によって、任意に開閉可能となっていることが望ましい。
【００２９】
ここで、生体触媒６は、活性がある状態で収容されていてもよいが、乾燥などの方法で不活性化した状態で収容されていることが望ましい。これにより、生体触媒６を長期間、安定に存在させることができる。一方、生体触媒６を活性な状態で収容する場合は、代謝反応が起こらないように、生体触媒収容部４の生体触媒６が接触する面に、生体触媒６で分解されない層を形成しておく必要がある。
【００３０】
更にまた、生体触媒収容部４は、耐熱構造及び／又は断熱構造になっていることが望ましい。これにより、外部からの熱による生体触媒の劣化を防止することができる。なお、図１に示す燃料供給体１では、分離壁８により生体触媒６と燃料５とが接触しない構成となっているが、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば燃料収容部２の内部、例えば中心部に、生体触媒収容部４を設けることもできる。
【００３１】
［燃料供給体１の外面］
本実施形態の燃料供給体１は、その外面に、虫や菌を寄せ付けない抗菌コートや害虫忌避剤コートが施されていることが望ましい。また、光反射層などを設けて遮光性を付与したり、断熱層を設けて耐熱性を付与したりすることもできる。更に、表面に印刷する場合は、大豆由来のインクを使用することで、生体触媒６により、この印刷部分も分解することが可能となる。
【００３２】
［使用方法］
次に、前述した燃料供給体１の使用方法について説明する。図１に示す燃料供給体１を使用する際は、燃料収容部２に燃料５を充填すると共に、生体触媒収容部に生体触媒６を封入しておく。そして、必要に応じて、燃料供給孔３を介してバイオ燃料電池に燃料５を供給し、燃料収容部２内の燃料５が全て供給し終えた後、生体触媒収容部４内の生体触媒６によって燃料貯留部２を代謝分解する。
【００３３】
また、生体触媒６を、燃料５と共に又は単独で、バイオ燃料電池又はその燃料改質器に供給することもできる。更に、本実施形態の燃料供給体１は、燃料５及び生体触媒６を再充填して使用することもできる。
【００３４】
一方、燃料供給体１の分解方法は、特に限定されるものではないが、例えば、生体触媒収容部４と燃料収容部２との間の分離壁８を破壊若しくは除去したり、又は燃料供給体１全体をシュレッダーなどにより粉砕したりすることによって、生体触媒収容部４及び燃料収容部２を構成する生体高分子と生体触媒６とを接触させる。これにより、生体触媒６により、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子の分解が開始する。なお、生体触媒６が固体状や乾燥状態などの不活性な状態で収容されている場合でも、液体状の燃料５や電解液と接触することにより、生体触媒６は活性となる。
【００３５】
本実施形態の燃料供給体１においては、生体高分子を主成分とする材料で燃料収容部２及び生体触媒収容部４を形成すると共に、生体触媒収容部４にこの生体高分子を代謝分解する生体触媒６が収容されているため、使用後は生体触媒６により燃料収容部２及び生体触媒収容部４を分解処理することができる。これにより、燃料供給体１のリサイクルコストが不要となり、ユーザビリティーも向上する。
【００３６】
更に、本実施形態の燃料供給体１に充填される燃料５は、従来の燃料電池に比べて安全性が高いものであるため、強固な筐体で密閉したりする必要がない。このため、従来の燃料カートリッジに比べて、構造を簡素化することが可能であり、軽量化及び低コスト化が実現でき、更には、カートリッジ全体でのエネルギー容量を増加させることもできる。
【００３７】
なお、本実施形態の燃料供給体１は、燃料収容部２及び生体触媒収容部４だけでなく、その他の部分も生体高分子を主成分とする材料で形成することも可能である。その場合、セルロースや澱粉などを燃料とするバイオ燃料電池の燃料投入部に、シュレッダーなどの粉砕機構を設けることにより、使用後の燃料供給体１を燃料として使用することが可能となる。これにより、再生可能エネルギー１００％のカートリッジを実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態＞
［燃料供給体の全体構成］
次に、本開示の第２の実施形態に係る燃料供給体について説明する。図１に示す燃料供給体１では、生体触媒収容部４と燃料収容部２とがそれぞれ独立して設けられ、生体触媒６と燃料５とが接触しない構成となっているが、本開示はこれに限定されるものではなく、生体触媒収容部が独立して設けられていない構成も含む。
【００３９】
［燃料５及び触媒６の収容状態］
図２〜図４は本開示の第２の実施形態の燃料供給体における燃料５及び触媒６の収容状態例を模式的に示す図である。例えば、図２に示すように、燃料５が固体状である場合は、燃料収容部２が生体触媒収容部４を兼ねた構成、即ち、燃料収容部２兼生体触媒収容部４に、燃料５の粒子と生体触媒６の粒子の両方が収容され、混在している構成にすることもできる。
【００４０】
また、燃料供給体１自体又は燃料５に生体触媒６が固定された構成とすることもできる。具体的には、シート状の燃料５の一方又は両方の面に生体触媒６がコーティングされていてもよい。又は、図２に示すように生体触媒６が燃料５で挟み込んだ状態や、図３に示すように略球体状の燃料５内に生体触媒６が包含された状態で収容することもできる。
【００４１】
更に、燃料供給体１の表面の一部又は全部や、生体触媒６を含有する材料で燃料供給体１の一部又は全部を形成したりすることもできる。この場合、特に、燃料５と接触する部分は、生体触媒６を固定又は生体触媒６を含有する材料で形成することが望ましい。ただし、前述した各収容状態をとる場合、燃料５と生体触媒６とが接するため、必要に応じて、生体触媒６に燃料５を分解しないものを使用したり、生体触媒６を不活性な状態にしたりすることが望ましい。
【００４２】
このように、燃料５と生体触媒６とが混在、又は燃料５や燃料供給１自体に生体触媒６が固定されていると、燃料５と生体触媒６との接触面積が大きくなるため、分解時の反応速度を上昇させることができる。なお、本実施形態の燃料供給体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。
【００４３】
＜３．第３の実施の形態＞
［バイオ燃料電池システムの全体構成］
次に、本開示の第３の実施形態に係るバイオ燃料電池システムについて説明する。本実施形態のバイオ燃料電池システムでは、前述した第１又は第２の燃料供給体を使用して、バイオ燃料電池に、燃料や、燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する生体触媒を供給する。
【００４４】
具体的には、本システムのバイオ燃料電池は、少なくとも、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備える発電部と、この発電部に導入される燃料を貯留する燃料貯留部とを備えている。そして、燃料供給体に充填された燃料は、この燃料貯留部に供給される。
【００４５】
［燃料貯留部］
一方、このバイオ燃料電池の燃料貯留部には、燃料供給体を切断、破断又は粉砕などするための機構（以下、これらをまとめて粉砕機構という。）が設けられている。そして、この粉砕機構によって、燃料供給体を粉砕などすることにより、生体触媒によって、燃料収容部２及び生体触媒収容部４を構成する生体高分子を分解することが可能となる。その結果、本実施形態のバイオ燃料電池システムでは、燃料供給体自体を燃料として使用することができる。
【００４６】
［不要成分の分離・回収機構］
ここで、燃料供給体を燃料として使用する場合、生体高分子以外の成分の存在が問題となる。図５〜８は生体高分子以外の成分を分離回収する方法を模式的に示す図である。前述したように、燃料貯留部に投入され、粉砕機構により粉砕された燃料供給体の粉砕体１ａは、生体触媒によって生体高分子成分が徐々に分解される。
【００４７】
それに伴いインク、プラスチック及び金属などの生体高分子以外の成分が、生体触媒を含有する溶液（生体触媒・生体高分子含有溶液６ａ）中に遊離してくる。そして、この生体高分子以外の成分により、生体高分子の分解が阻害される可能性がある。このため、燃料供給体を、バイオ燃料電池の燃料として使用する場合は、生体高分子以外の成分を分離回収する必要がある。
【００４８】
具体的には、図５に示すように、燃料貯留部において、活性炭やゼオライトなどの吸着剤２１を使用して、生体高分子以外の成分を分離・回収する方法や、図６に示すように、電場を印加することにより、電気泳動効果でインク成分２２などを分離・回収する方法などが考えられる。図６に示す方法の場合、バイオ燃料電池で発電した電力の一部を使用することもできる。
【００４９】
また、図７に示すように、磁石２３を設置することにより、磁性成分２４を分離・回収する方法もある。更に、図８に示すように、低極性有機溶剤２５などにより低極性層を形成すると、インク成分２２やプラスチック成分２６を分離することができる。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムでは、前述した第１又は第２の燃料供給体を使用すると共に、バイオ燃料電池の燃料貯留部にこれらを粉砕などする粉砕機構が設けられているため、燃料供給体自体を燃料として使用可能となる。その結果、燃料供給体のリサイクルコストが不要となり、ユーザビリティーが向上すると共に、エネルギー容量を高めることができる。
【００５１】
更に、生体高分子以外の成分を分離・回収することにより、生体触媒の性能劣化を防止することができる。そして、分離・回収した各成分を再利用することで、材料費の削減、環境負荷の低減及び資源の節約が期待できる。
【００５２】
＜４．第４の実施形態＞
［バイオ燃料電池システムの全体構成］
次に、本開示の第４の実施形態に係るバイオ燃料電池システムについて説明する。前述した第３の実施形態においては、生体触媒を備える燃料供給体を使用したバイオ燃料電池システムについて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、生体触媒を備えるバイオ燃料電池を使用することもできる。
【００５３】
具体的には、本システムのバイオ燃料電池は、少なくとも、表面に酸化還元酵素が存在する電極を備える発電部と、燃料改質部とを備えており、この燃料改質部に生体触媒が収容又は固定化されている。そして、この燃料改質部で改質された燃料が、発電部に導入される。この場合、燃料供給体が生体触媒を備えている必要はなく、燃料供給体の一部又は全部が、燃料改質部に収容又は固定化された生体触媒で分解可能な生体高分子及び／又はその他の生体高分子を主成分とする材料により形成されていればよい。
【００５４】
［燃料改質部］
図９は本実施形態のバイオ燃料電池システムにおいて使用するバイオ燃料電池の燃料改質器の構成を示す概念図である。図９に示すように本実施形態における燃料改質器は、一次燃料を導入するための一次燃料導入部１１と、一次燃料を二次燃料に改質する燃料改質部１２と、二次燃料を燃料電池に供給するための二次燃料供給部１３と、を少なくとも備えている。また、必要に応じて、燃料精製部１４や電解質溶液供給部１５などを備えることもある。
【００５５】
そして、例えば、燃料供給体を構成する生体高分子がセルロースや澱粉などである場合は、この燃料改質器の燃料改質部１２又は燃料生成部１４において、セルロースや澱粉などの一次燃料を、生体触媒による酸化還元反応によって、電子を放出し得る二次燃料に改質する。
【００５６】
このように、本実施形態のバイオ燃料電池システムにおいては、バイオ燃料電池に、生体触媒を備える燃料改質部が設けられているため、燃料供給体が生体高分子で形成されていれば、生体触媒を備えていなくとも、燃料として使用することが可能となる。更に、前述した第１又は第２の実施形態のような生体触媒を備える燃料供給体を使用することにより、分解性能を向上又は回復させることができる。なお、本実施形態のバイオ燃料電池システムにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第３の実施形態と同様である。
【００５７】
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
（１）
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されているバイオ燃料電池用燃料供給体。
（２）
燃料が収容される燃料収容部と、
前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、
を有し、
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成されている（１）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（３）
前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とがそれぞれ独立して設けられている（２）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（４）
前記燃料が固体状であり、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねている（２）又は（３）に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（５）
前記生体触媒が不活性な状態で収容又は固定化されている（１）〜（４）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（６）
前記生体高分子が炭水化物である（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（７）
前記生体高分子がセルロースであり、前記生体触媒がセルラーゼである（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（８）
前記生体高分子が澱粉であり、前記生体触媒がアミラーゼである（１）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（９）
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容される（２）〜（５）のいずれかに記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
（１０）
（１）〜（９）のいずれかに記載の燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用するバイオ燃料電池システム。
（１１）
前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けられており、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される（１０）に記載のバイオ燃料電池システム。
（１１）
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されているバイオ燃料電池システム。
【符号の説明】
【００５８】
１ 燃料供給体
１ａ 粉砕物
２ 燃料収容部
３ 燃料供給孔
４ 生体触媒収容部
５ 燃料
６ 生体触媒
６ａ 生体触媒含有溶液
７ 生体触媒取出孔
８ 分離壁
１０ 燃料貯留部
１１ 一次燃料導入部
１２ 燃料改質部
１３ 二次燃料供給部
１４ 燃料精製部
１５ 電解質溶液供給部
２１ 吸着剤
２２ インク成分
２３ 磁石
２４ 磁性成分
２５ 低極性有機溶剤
２６ プラスチック成分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されているバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項２】
燃料が収容される燃料収容部と、
前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、
を有し、
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成されている請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項３】
前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とがそれぞれ独立して設けられている請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項４】
前記燃料が固体状であり、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねている請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項５】
前記生体触媒が不活性な状態で収容又は固定化されている請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項６】
前記生体高分子が炭水化物である請求項１に記載のバイオ燃料電池用供給体。
【請求項７】
前記生体高分子がセルロースであり、前記生体触媒がセルラーゼである請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項８】
前記生体高分子が澱粉であり、前記生体触媒がアミラーゼである請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項９】
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容される請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用するバイオ燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けられており、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される請求項１０に記載のバイオ燃料電池システム。
【請求項１２】
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されているバイオ燃料電池システム。
【請求項１】
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
該生体高分子を代謝分解する生体触媒が収容又は固定化されているバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項２】
燃料が収容される燃料収容部と、
前記生体触媒が収容される生体触媒収容部と、
を有し、
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部は、生体高分子を主成分とする材料により形成されている請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項３】
前記燃料収容部と前記生体触媒収容部とがそれぞれ独立して設けられている請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項４】
前記燃料が固体状であり、前記燃料収容部が前記生体触媒収容部を兼ねている請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項５】
前記生体触媒が不活性な状態で収容又は固定化されている請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項６】
前記生体高分子が炭水化物である請求項１に記載のバイオ燃料電池用供給体。
【請求項７】
前記生体高分子がセルロースであり、前記生体触媒がセルラーゼである請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項８】
前記生体高分子が澱粉であり、前記生体触媒がアミラーゼである請求項１に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項９】
前記燃料収容部及び前記生体触媒収容部が前記燃料とは異なる生体高分子を主成分とする材料により形成されており、
前記生体触媒収容部には、前記材料の主成分である生体高分子を代謝分解する第１の生体触媒と、前記燃料に含まれる生体高分子を代謝分解する第２の生体触媒とが収容される請求項２に記載のバイオ燃料電池用燃料供給体。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記燃料供給体から前記バイオ燃料電池に燃料及び／又は生体触媒が供給されると共に、前記燃料供給体自体も燃料として使用するバイオ燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイオ燃料電池には、前記燃料供給体を切断、破断又は粉砕する機構を備えた燃料貯留部が設けられており、該燃料貯留部において前記燃料供給体が分解される請求項１０に記載のバイオ燃料電池システム。
【請求項１２】
一部又は全部が生体高分子を主成分とする材料により形成された燃料供給体と、
表面に酸化還元酵素が存在する電極を備えた発電部及び一次燃料を電子を放出し得る二次燃料に改質する燃料改質部を少なくとも備えるバイオ燃料電池と、
を有し、
前記バイオ電池の燃料改質部には、前記燃料供給体を構成する生体高分子を分解する生体触媒が、収容又は固定化されているバイオ燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２２１８３２（Ｐ２０１２−２２１８３２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８２４８（Ｐ２０１１−８８２４８）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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