燃料電池とその製造方法
【課題】電極への酵素の固定にゲル状物質を用いることで発電効率の高いバイオ燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード側電極３とカソード側電極５がイオン伝導性を有する膜４を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池において、電極と膜の間に、予め成膜された親水性ゲル膜７を挟持させた構成を備える。予め成膜された親水性ゲル膜７を挟持させることにより、電極間イオン輸送効率が改善され、電池出力が向上するとともに、製造プロセスも容易となる。
【解決手段】アノード側電極３とカソード側電極５がイオン伝導性を有する膜４を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池において、電極と膜の間に、予め成膜された親水性ゲル膜７を挟持させた構成を備える。予め成膜された親水性ゲル膜７を挟持させることにより、電極間イオン輸送効率が改善され、電池出力が向上するとともに、製造プロセスも容易となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を有する燃料電池は、例えば、固体高分子型燃料電池などとして知られている。燃料電池は、一般に、イオン伝導性を有する膜（例えば、イオン交換樹脂からなる電解質膜）の一方の面にアノード側電極が、他方の面にカソード側電極が積層配置された構成を持つ。
【０００３】
アノード側電極に燃料（水素）が供給され、そこで触媒の作用によりプロトン（Ｈ＋）となり、２個の電子（ｅ−）はカソード側電極に向けて放出される。アノード側電極で生成されたプロトンは、イオン伝導性を有する膜を通ってカソード側電極に達し、そこで触媒の作用により、アノード側電極からの２個の電子（ｅ−）を受け取るとともに、外部から供給される酸素から生成される酸素イオンとともに、水が生成される。そして、この外部回路を通る電子の移動が、電流として取り出される。
【０００４】
すなわち、アノード側では、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が、カソード側では、２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こり、全体反応としては、Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏの反応が起こることで、発電が行われる。化学反応を効率よく進めるために、電極には上記のように触媒が使用されており、例えば、固体高分子型燃料電池では、白金が多く使われている。
【０００５】
近年になり、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。生体代謝は、エネルギー利用効率が高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特長を備えている。しかし、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、十分なエネルギー変換効率が発揮されない。そこで、酵素を触媒として用いて所望の反応のみを行う燃料電池（バイオ燃料電池）が提案されている。このバイオ燃料電池は、燃料を、触媒として機能する酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としては、メタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を用いたものが開発されている。
【０００６】
バイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化が非常に重要であり、出力特性、寿命、効率などに非常に大きな影響を与える。したがって、酵素固定化電極の製造過程において酵素にダメージをなるべく与えずに固定化することが非常に重要である。そのことから、特許文献１には、正極およびまたは負極に、酵素を光硬化性樹脂およびまたは熱硬化性樹脂により固定化するようにした燃料電池が記載されている。また、特許文献２には、酵素を電極表面上にイオン導電性を有するゲル状物質で固定するようにした燃料電池が記載されている。それにより、酵素から電極に電子を伝達する反応と、電極がプロトンを放出する反応とが両立することが可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４８８３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水素を燃料とし、触媒として白金などの貴金属を用いる燃料電池においても、また、アルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を燃料とし、触媒として酵素を用いる燃料電池においても、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間での、燃料およびプロトンの輸送効率を向上させることは、電池出力の向上につながる。しかし、これまでの燃料電池の研究において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との接触の仕方がどうあるべきかについては、十分な研究がなされているとはいえない。
【０００９】
特に、イオン伝導性を有する膜の湿潤時における寸法不安定性や、膜と電極との間に生じる気泡などにより、電極と膜との接触が必ずしも十分でなく、アノード極反応により発生したイオンを効率よくカソード極に輸送できないことで、電池の出力低下が起こっているが、これに対する対策が十分にはなされていない。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間の接触状態を新規な態様とすることで、従来の燃料電池よりも発電効率が向上した、より改良された燃料電池を開示することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、従来のバイオ燃料電池において、電極への酵素の固定にゲル状物質を用いるようにした技術に着目し、さらに研究を行うことで、予め成膜された親水性ゲル膜を、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびまたはカソード側電極との間の介在させることで、発電効率が大きく改善されるという驚くべき事実を知見した。本発明は、本発明者らが得た上記知見に基づいている。
【００１２】
すなわち、本発明による燃料電池は、アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池であって、アノード側電極と前記膜の間およびまたはカソード側電極と前記膜との間には、予め成膜された親水性ゲル膜が挟持されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による燃料電池の製造方法は、アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池の製造方法であって、親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程、および、成膜された親水性ゲル膜をアノード側電極と前記イオン伝導性を有する膜の間およびまたはカソード側電極と前記イオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程、とを少なくとも含むことを特徴とする。
【００１４】
後の実施例に示すように、本発明による燃料電池および本発明による燃料電池の製造方法により製造された燃料電池（以下、単に「本発明による燃料電池」という）は、従来の燃料電池と比較して、電池出力が向上する。ここで、従来の燃料電池とは、電極とイオン伝導性を有する膜との間に予め成膜された親水性ゲル膜が挟持される構成を備えない燃料電池、および、前記特許文献２に記載されるような、電極とイオン伝導性を有する膜との間にゲル状物質は存在するが、酵素が電極表面上にゲル状物質で直接固定されている構造のものが含まれる。
【００１５】
本発明による燃料電池において、貴金属あるいは酵素を含む触媒が電極表面上にゲル状物質で直接固定されている構造のものと比較して、電池出力が向上する理由は、十分に解明されていないが、以下のような理由が考えられる。一般にイオン伝導性を有する膜およびゲル状物質は、複雑な網目構造を有している。貴金属あるいは酵素を含む触媒をゲル状物質により直接固定させるためには、該触媒が脱落しないよう、より細かい網目構造をとることが必要である。その結果、反応場への燃料輸送抵抗が生じることで出力低下が生じると考えられる。本発明による燃料電池では、触媒を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間に、予め成膜された親水性ゲル膜を介在させたことで、網目構造をコントロール可能となり、燃料とプロトンとがともに移動しやすくなったものと考えられる。
【００１６】
すなわち、本発明による燃料電池では、各電極とイオン伝導性を有する膜との接触面積を、燃料輸送抵抗を大きくすることなく、向上させることができ、それにより、アノード極反応により発生したイオンを効率よくカソード極に輸送できるようになり、電池出力が向上したものと考えられる。
【００１７】
また、本発明による燃料電池では、触媒を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間にゲル状物質を形成するのに、加熱溶融したゲル状物質を電極の上に塗布するのではなく、別工程でもって予め成膜した親水性ゲル膜を用いるようにしており、電極とイオン伝導性を有する膜との間に親水性ゲル膜を介在させる作業をきわめて容易化している。
【００１８】
本発明による燃料電池において、親水性ゲル膜を構成するゲル状物質は、イオン伝導性を備えることを条件に任意のものを用いることができる。例として、陽イオンを含むナフィオン樹脂（商品名、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）、光架橋性のスチルバゾリウム化ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、アガロースゲル、アルギン酸ゲルおよびアクリルアミドゲル等が挙げられる。
【００１９】
本発明による燃料電池の好ましい態様において、予め成膜された親水性ゲル膜は、担体膜に親水性ゲルが含浸した構成を備える。ここで、担体膜とは、予め成膜された親水性ゲル膜に高い保形性を与えることで、親水性ゲル膜の取り扱いを容易にするためのものであり、濾紙、多孔性メンブレンフィルターのような材料を例示することができる。また、担体膜を用いることで、親水性ゲル膜の厚さも調整することが容易となる。担体膜を用いる場合、その厚さは、特に限定されないが、１μｍ〜１ｍｍ程度が好ましく、１μｍ〜１０μｍ程度がより好ましい。溶融した親水性ゲル中に担体膜を浸漬して含浸させ、その後に引き上げることで、担体膜の厚さにほぼ等しい厚さの親水性ゲル膜を成膜することができる。
【００２０】
担体膜を用いない場合には、所要の厚さの型にゲルを流し込み固化させるなどして、所要厚みの親水性ゲル膜を作ることができる。
【００２１】
本発明による燃料電池において、前記したように、触媒として酵素を含んでいてもよく、この場合には、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載されるような、いわゆるバイオ燃料電池の形態をとる。この形態において、天然界に存在する酵素の多くは熱に非常に弱く、高温に晒されると酵素の失活を招く。本発明による燃料電池では、高温で溶融した状態のゲル状物質を電極上に塗布するのではなく、予め成膜された親水性ゲル膜を用い、さらに、その製造に際して、触媒として酵素を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程を行うようにしているので、触媒として機能する酵素を失活させるような不都合は生じない。
【００２２】
用いる場合の酵素としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼなどの酸化還元酵素などを例示できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間の接触状態を、電極と膜との間に予め成膜された親水性ゲル膜を挟持させる態様とすることで、従来の燃料電池よりも発電効率が向上した、より改良された燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例と比較例で用いた評価用燃料電池を説明する図。
【図２】実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−出力密度特性を示す図。
【図３】実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−電圧特性を示す図。
【図４】実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−出力密度特性を示す図。
【図５】実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−電圧特性を示す図。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明のいくつかの実施例を比較例とともに説明するが、本発明がこの実施例に限らないことは当然である。
【００２６】
［実施例１〜４］
１．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
以下において、「隔膜」は本発明でいう「イオン伝導性を有する膜」を、「電極」は本発明でいう「アノード側電極」およびまたは「カソード側電極」をいう。
【００２７】
１−１．電極の作製
面積１．０ｃｍ２の円状に切り抜いたトレカマット５０（東レ株式会社製）に下記組成のカーボンスラリー（ケッチェンブラック（ライオン社製）スラリー）を適量塗布し、６０℃の乾燥機にて溶媒を除去乾燥させた。ここで、１０％（ｗ／ｖ）ＰＶＰ溶液は、Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）分子量１６００００（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）をＮ−メチル−ピロリドン（和光純薬社製）に溶解させたものを使用した。
【００２８】
カーボンスラリー組成
ケッチェンブラック ５０ｍｇ
１０％（ｗ／ｖ）ＰＶＰ溶液 ２２２ｕｌ
Ｎ−メチル−ピロリドン ３ｍｌ
なお、ケチェンブラックはめのう乳鉢で適当な粒子径になるまですりつぶしたものを使用した。
上記組成のものを超音波破砕機にて各成分を十分分散させたものをスラリーとして使用した。
【００２９】
１−２．隔膜−親水性ゲル（フィルター含浸型）−電極複合体の作製
面積１．０ｃｍ２の円状に切り抜いた下記に記す３種のフィルター（担持膜に相当）に下記に記す組成の親水性ゲルを含浸させて、予め成膜された親水性ゲル膜を作成した。その予め成膜された親水性ゲル膜を、隔膜となるナフィオン１１５（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）（イオン伝導性を有する膜に相当）、および１−１にて作製した電極との間に常温圧着させることで、隔膜−親水性ゲル（フィルター含浸型）−電極複合体とした。
【００３０】
フィルター（担持膜）
実施例１：ＧＬＡＳＳ ＭＩＣＲＯＦＩＢＲＥ ＦＩＬＴＥＲＳ ＧＦ／Ｃ（Ｗｈａｔｍａｎ）
実施例２：Ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ ４５μＭ ＨＡ（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ）
実施例３：ＦＩＬＴＥＲ ＰＡＰＥＲ（ＡＤＶＡＮＴＥＣ）
なお、電極−ゲル（フィルター含浸型）−膜複合体の構成はアノード側電極のみとし、カソード側電極は隔膜に直接常温圧着させた。
【００３１】
親水性ゲル
Ｃａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ
０．５％（Ｗ／Ｖ） Ｎａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ水溶液
１００ｍＭ ＣａＣｌ２水溶液
※前記フィルターをＮａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ水溶液に浸漬した後、ＣａＣｌ２水溶液に浸漬した。そうすることで、アルギン酸イオンとカルシウムイオンから水に溶けにくい半透膜であるフィルター付の成膜された親水性ゲル膜が得られた。
【００３２】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を用いて、図１に記載の構成をもつ評価用燃料電池を作製した。ここで、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りである。また、下記のとおり、アノード用燃料溶液として２種類実施した。
【００３３】
なお、図１において、１は帯電防止機能を備えたフッ素樹脂板、２は集電板（チタンメッシュ）、３はアノード側電極、４はイオン伝導性を有する膜、５はカソード側電極、６はシリコーンプレート、７は親水性ゲル膜（フィルター含浸型）、８は燃料タンクである。
【００３４】
アノード用燃料液
（実施例１〜３）
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
（実施例４）
１Ｍ ＮＡＤＨ溶液
１００ｍＭ ｍＰＭＳ溶液
１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）
※ＮＡＤＨ溶液はＮＡＤＨ（ナカライテスク社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０） にて溶解したものを使用した。
※ｍＰＭＳ溶液は１−Ｍｅｔｈｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎａｚｉｎｉｕｍ ｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ（同仁化学社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に溶解したものを使用した。
【００３５】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００３６】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池に直列に接続した外部負荷装置としてＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＬＯＡＤ ＰＬＺ１６４ＷＡ（ＫＩＫＵＳＵＩ社製）およびＷａｖｙ ｆｏｒ ＰＬＺ−４Ｗソフトウェア（ＫＩＫＵＳＵＩ社製）を用いて、評価用電池にかかる外部抵抗値を４ｋΩから１Ωまで適当な間隔で変化させて、各時点での電流・電圧の値を３４９７０Ａ Ｄａｔｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ／Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｎｉｔ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製）を用いて計測した。測定は室温条件下（約２５℃）にて実施した。
【００３７】
［比較例１］
１．隔膜−電極複合体の作製
１−１．電極の作製
実施例１〜４と同様にして電極を作成した。
【００３８】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極を用いて、図１に示した評価用燃料電池から親水性ゲル膜（フィルター含浸型）７を除いた構成の評価用燃料電池を作製した。また、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りとした。
【００３９】
アノード用燃料溶液
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４０】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４１】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池の評価を実施例１〜４と同様にして行った。
【００４２】
［比較例２，３］
１．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
１−１．電極の作製
実施例１〜４と同様にして電極を作成した。
【００４３】
１−２．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
１−１にて作製した電極の上に、実施例１〜４と同じ組成の親水性ゲルであって加熱溶融したものの適量を、直接塗布し、その後常温まで放置し、隔膜となるナフィオン１１５（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）と常温圧着させたものを隔膜−親水性ゲル−電極複合体とした。なお、電極−親水性ゲル−膜複合体の構成はアノード側電極のみとし、カソード側電極は隔膜に直接常温圧着させた。
【００４４】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極−親水性ゲル−隔膜複合体を用い、図１に示した評価用燃料電池と同様の構成の評価用燃料電池を作製した。ここで、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りである。ここで、下記のとおり、アノード用燃料溶液として２種類実施した。
【００４５】
アノード用燃料溶液
（比較例２）
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
（比較例３）
１Ｍ ＮＡＤＨ溶液
１００ｍＭ ｍＰＭＳ溶液
１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）
※ＮＡＤＨ溶液はＮＡＤＨ（ナカライテスク社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）にて溶解したものを使用した。
※ｍＰＭＳ溶液は１−Ｍｅｔｈｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎａｚｉｎｉｕｍ ｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ（同仁化学社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に溶解したものを使用した。
【００４６】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４７】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池の評価を実施例１〜４と同様にして行った。
［評価結果］
［評価結果１］
図２に、実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−出力密度特性を示した。
【００４８】
図２からわかるように、この試験により、本発明による電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例１〜３）において、比較例１，２に比して、出力密度の向上効果を確認することができた。
【００４９】
［評価結果２］
図３に、実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−電圧特性を示した。
【００５０】
図３からわかるように、この試験により、本発明による電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例１〜３）において、比較例に比べ電流−電圧特性直線の傾きが小さいことが確認できた。オームの法則より該傾きは内部抵抗を表していることから、ゲル／フィルター複合体を有する燃料電池における出力向上は、内部抵抗の減少に起因するものと推測される。
【００５１】
［評価結果３］
図４に、実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−出力密度特性を示した。
【００５２】
図４からわかるように、この試験により、本発明品である親水性ゲル／フィルター複合体を用いた試作燃料電池（実施例４）は、電極に同じ組成の親水性ゲルを適量塗布した試作燃料電池（比較例３）と比較して、出力密度の向上効果があることが確認された。
【００５３】
［評価結果４］
図５に、実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−電圧特性を示した。
【００５４】
図５からわかるように、この試験により、本発明品である電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例４）において、電極に同じ組成の親水性ゲルを適量塗布した試作燃料電池（比較例３）と比較して、電流−電圧特性直線の傾きが小さいことが確認できた。オームの法則より該傾きは内部抵抗を表していることから、ゲル／フィルター複合体を有する燃料電池における出力向上は、内部抵抗の減少に起因するものと推測される。
【符号の説明】
【００５５】
１…帯電防止機能を備えたフッ素樹脂板、
２…集電板（チタンメッシュ）、
３…アノード側電極、
４…イオン伝導性を有する膜（隔膜）、
５…カソード側電極、
６…シリコーンプレート、
７…親水性ゲル膜（フィルター含浸型）、
８…燃料タンク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を有する燃料電池は、例えば、固体高分子型燃料電池などとして知られている。燃料電池は、一般に、イオン伝導性を有する膜（例えば、イオン交換樹脂からなる電解質膜）の一方の面にアノード側電極が、他方の面にカソード側電極が積層配置された構成を持つ。
【０００３】
アノード側電極に燃料（水素）が供給され、そこで触媒の作用によりプロトン（Ｈ＋）となり、２個の電子（ｅ−）はカソード側電極に向けて放出される。アノード側電極で生成されたプロトンは、イオン伝導性を有する膜を通ってカソード側電極に達し、そこで触媒の作用により、アノード側電極からの２個の電子（ｅ−）を受け取るとともに、外部から供給される酸素から生成される酸素イオンとともに、水が生成される。そして、この外部回路を通る電子の移動が、電流として取り出される。
【０００４】
すなわち、アノード側では、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が、カソード側では、２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こり、全体反応としては、Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏの反応が起こることで、発電が行われる。化学反応を効率よく進めるために、電極には上記のように触媒が使用されており、例えば、固体高分子型燃料電池では、白金が多く使われている。
【０００５】
近年になり、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。生体代謝は、エネルギー利用効率が高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特長を備えている。しかし、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、十分なエネルギー変換効率が発揮されない。そこで、酵素を触媒として用いて所望の反応のみを行う燃料電池（バイオ燃料電池）が提案されている。このバイオ燃料電池は、燃料を、触媒として機能する酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としては、メタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を用いたものが開発されている。
【０００６】
バイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化が非常に重要であり、出力特性、寿命、効率などに非常に大きな影響を与える。したがって、酵素固定化電極の製造過程において酵素にダメージをなるべく与えずに固定化することが非常に重要である。そのことから、特許文献１には、正極およびまたは負極に、酵素を光硬化性樹脂およびまたは熱硬化性樹脂により固定化するようにした燃料電池が記載されている。また、特許文献２には、酵素を電極表面上にイオン導電性を有するゲル状物質で固定するようにした燃料電池が記載されている。それにより、酵素から電極に電子を伝達する反応と、電極がプロトンを放出する反応とが両立することが可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４８８３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水素を燃料とし、触媒として白金などの貴金属を用いる燃料電池においても、また、アルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を燃料とし、触媒として酵素を用いる燃料電池においても、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間での、燃料およびプロトンの輸送効率を向上させることは、電池出力の向上につながる。しかし、これまでの燃料電池の研究において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との接触の仕方がどうあるべきかについては、十分な研究がなされているとはいえない。
【０００９】
特に、イオン伝導性を有する膜の湿潤時における寸法不安定性や、膜と電極との間に生じる気泡などにより、電極と膜との接触が必ずしも十分でなく、アノード極反応により発生したイオンを効率よくカソード極に輸送できないことで、電池の出力低下が起こっているが、これに対する対策が十分にはなされていない。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間の接触状態を新規な態様とすることで、従来の燃料電池よりも発電効率が向上した、より改良された燃料電池を開示することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、従来のバイオ燃料電池において、電極への酵素の固定にゲル状物質を用いるようにした技術に着目し、さらに研究を行うことで、予め成膜された親水性ゲル膜を、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびまたはカソード側電極との間の介在させることで、発電効率が大きく改善されるという驚くべき事実を知見した。本発明は、本発明者らが得た上記知見に基づいている。
【００１２】
すなわち、本発明による燃料電池は、アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池であって、アノード側電極と前記膜の間およびまたはカソード側電極と前記膜との間には、予め成膜された親水性ゲル膜が挟持されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による燃料電池の製造方法は、アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池の製造方法であって、親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程、および、成膜された親水性ゲル膜をアノード側電極と前記イオン伝導性を有する膜の間およびまたはカソード側電極と前記イオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程、とを少なくとも含むことを特徴とする。
【００１４】
後の実施例に示すように、本発明による燃料電池および本発明による燃料電池の製造方法により製造された燃料電池（以下、単に「本発明による燃料電池」という）は、従来の燃料電池と比較して、電池出力が向上する。ここで、従来の燃料電池とは、電極とイオン伝導性を有する膜との間に予め成膜された親水性ゲル膜が挟持される構成を備えない燃料電池、および、前記特許文献２に記載されるような、電極とイオン伝導性を有する膜との間にゲル状物質は存在するが、酵素が電極表面上にゲル状物質で直接固定されている構造のものが含まれる。
【００１５】
本発明による燃料電池において、貴金属あるいは酵素を含む触媒が電極表面上にゲル状物質で直接固定されている構造のものと比較して、電池出力が向上する理由は、十分に解明されていないが、以下のような理由が考えられる。一般にイオン伝導性を有する膜およびゲル状物質は、複雑な網目構造を有している。貴金属あるいは酵素を含む触媒をゲル状物質により直接固定させるためには、該触媒が脱落しないよう、より細かい網目構造をとることが必要である。その結果、反応場への燃料輸送抵抗が生じることで出力低下が生じると考えられる。本発明による燃料電池では、触媒を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間に、予め成膜された親水性ゲル膜を介在させたことで、網目構造をコントロール可能となり、燃料とプロトンとがともに移動しやすくなったものと考えられる。
【００１６】
すなわち、本発明による燃料電池では、各電極とイオン伝導性を有する膜との接触面積を、燃料輸送抵抗を大きくすることなく、向上させることができ、それにより、アノード極反応により発生したイオンを効率よくカソード極に輸送できるようになり、電池出力が向上したものと考えられる。
【００１７】
また、本発明による燃料電池では、触媒を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間にゲル状物質を形成するのに、加熱溶融したゲル状物質を電極の上に塗布するのではなく、別工程でもって予め成膜した親水性ゲル膜を用いるようにしており、電極とイオン伝導性を有する膜との間に親水性ゲル膜を介在させる作業をきわめて容易化している。
【００１８】
本発明による燃料電池において、親水性ゲル膜を構成するゲル状物質は、イオン伝導性を備えることを条件に任意のものを用いることができる。例として、陽イオンを含むナフィオン樹脂（商品名、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）、光架橋性のスチルバゾリウム化ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、アガロースゲル、アルギン酸ゲルおよびアクリルアミドゲル等が挙げられる。
【００１９】
本発明による燃料電池の好ましい態様において、予め成膜された親水性ゲル膜は、担体膜に親水性ゲルが含浸した構成を備える。ここで、担体膜とは、予め成膜された親水性ゲル膜に高い保形性を与えることで、親水性ゲル膜の取り扱いを容易にするためのものであり、濾紙、多孔性メンブレンフィルターのような材料を例示することができる。また、担体膜を用いることで、親水性ゲル膜の厚さも調整することが容易となる。担体膜を用いる場合、その厚さは、特に限定されないが、１μｍ〜１ｍｍ程度が好ましく、１μｍ〜１０μｍ程度がより好ましい。溶融した親水性ゲル中に担体膜を浸漬して含浸させ、その後に引き上げることで、担体膜の厚さにほぼ等しい厚さの親水性ゲル膜を成膜することができる。
【００２０】
担体膜を用いない場合には、所要の厚さの型にゲルを流し込み固化させるなどして、所要厚みの親水性ゲル膜を作ることができる。
【００２１】
本発明による燃料電池において、前記したように、触媒として酵素を含んでいてもよく、この場合には、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載されるような、いわゆるバイオ燃料電池の形態をとる。この形態において、天然界に存在する酵素の多くは熱に非常に弱く、高温に晒されると酵素の失活を招く。本発明による燃料電池では、高温で溶融した状態のゲル状物質を電極上に塗布するのではなく、予め成膜された親水性ゲル膜を用い、さらに、その製造に際して、触媒として酵素を含む電極とイオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程を行うようにしているので、触媒として機能する酵素を失活させるような不都合は生じない。
【００２２】
用いる場合の酵素としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼなどの酸化還元酵素などを例示できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池において、イオン伝導性を有する膜と、アノード側電極およびカソード側電極との間の接触状態を、電極と膜との間に予め成膜された親水性ゲル膜を挟持させる態様とすることで、従来の燃料電池よりも発電効率が向上した、より改良された燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例と比較例で用いた評価用燃料電池を説明する図。
【図２】実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−出力密度特性を示す図。
【図３】実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−電圧特性を示す図。
【図４】実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−出力密度特性を示す図。
【図５】実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−電圧特性を示す図。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明のいくつかの実施例を比較例とともに説明するが、本発明がこの実施例に限らないことは当然である。
【００２６】
［実施例１〜４］
１．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
以下において、「隔膜」は本発明でいう「イオン伝導性を有する膜」を、「電極」は本発明でいう「アノード側電極」およびまたは「カソード側電極」をいう。
【００２７】
１−１．電極の作製
面積１．０ｃｍ２の円状に切り抜いたトレカマット５０（東レ株式会社製）に下記組成のカーボンスラリー（ケッチェンブラック（ライオン社製）スラリー）を適量塗布し、６０℃の乾燥機にて溶媒を除去乾燥させた。ここで、１０％（ｗ／ｖ）ＰＶＰ溶液は、Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）分子量１６００００（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）をＮ−メチル−ピロリドン（和光純薬社製）に溶解させたものを使用した。
【００２８】
カーボンスラリー組成
ケッチェンブラック ５０ｍｇ
１０％（ｗ／ｖ）ＰＶＰ溶液 ２２２ｕｌ
Ｎ−メチル−ピロリドン ３ｍｌ
なお、ケチェンブラックはめのう乳鉢で適当な粒子径になるまですりつぶしたものを使用した。
上記組成のものを超音波破砕機にて各成分を十分分散させたものをスラリーとして使用した。
【００２９】
１−２．隔膜−親水性ゲル（フィルター含浸型）−電極複合体の作製
面積１．０ｃｍ２の円状に切り抜いた下記に記す３種のフィルター（担持膜に相当）に下記に記す組成の親水性ゲルを含浸させて、予め成膜された親水性ゲル膜を作成した。その予め成膜された親水性ゲル膜を、隔膜となるナフィオン１１５（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）（イオン伝導性を有する膜に相当）、および１−１にて作製した電極との間に常温圧着させることで、隔膜−親水性ゲル（フィルター含浸型）−電極複合体とした。
【００３０】
フィルター（担持膜）
実施例１：ＧＬＡＳＳ ＭＩＣＲＯＦＩＢＲＥ ＦＩＬＴＥＲＳ ＧＦ／Ｃ（Ｗｈａｔｍａｎ）
実施例２：Ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ ４５μＭ ＨＡ（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ）
実施例３：ＦＩＬＴＥＲ ＰＡＰＥＲ（ＡＤＶＡＮＴＥＣ）
なお、電極−ゲル（フィルター含浸型）−膜複合体の構成はアノード側電極のみとし、カソード側電極は隔膜に直接常温圧着させた。
【００３１】
親水性ゲル
Ｃａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ
０．５％（Ｗ／Ｖ） Ｎａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ水溶液
１００ｍＭ ＣａＣｌ２水溶液
※前記フィルターをＮａ−Ａｌｇｉｎａｔｅ水溶液に浸漬した後、ＣａＣｌ２水溶液に浸漬した。そうすることで、アルギン酸イオンとカルシウムイオンから水に溶けにくい半透膜であるフィルター付の成膜された親水性ゲル膜が得られた。
【００３２】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を用いて、図１に記載の構成をもつ評価用燃料電池を作製した。ここで、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りである。また、下記のとおり、アノード用燃料溶液として２種類実施した。
【００３３】
なお、図１において、１は帯電防止機能を備えたフッ素樹脂板、２は集電板（チタンメッシュ）、３はアノード側電極、４はイオン伝導性を有する膜、５はカソード側電極、６はシリコーンプレート、７は親水性ゲル膜（フィルター含浸型）、８は燃料タンクである。
【００３４】
アノード用燃料液
（実施例１〜３）
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
（実施例４）
１Ｍ ＮＡＤＨ溶液
１００ｍＭ ｍＰＭＳ溶液
１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）
※ＮＡＤＨ溶液はＮＡＤＨ（ナカライテスク社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０） にて溶解したものを使用した。
※ｍＰＭＳ溶液は１−Ｍｅｔｈｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎａｚｉｎｉｕｍ ｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ（同仁化学社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に溶解したものを使用した。
【００３５】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００３６】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池に直列に接続した外部負荷装置としてＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＬＯＡＤ ＰＬＺ１６４ＷＡ（ＫＩＫＵＳＵＩ社製）およびＷａｖｙ ｆｏｒ ＰＬＺ−４Ｗソフトウェア（ＫＩＫＵＳＵＩ社製）を用いて、評価用電池にかかる外部抵抗値を４ｋΩから１Ωまで適当な間隔で変化させて、各時点での電流・電圧の値を３４９７０Ａ Ｄａｔｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ／Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｎｉｔ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製）を用いて計測した。測定は室温条件下（約２５℃）にて実施した。
【００３７】
［比較例１］
１．隔膜−電極複合体の作製
１−１．電極の作製
実施例１〜４と同様にして電極を作成した。
【００３８】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極を用いて、図１に示した評価用燃料電池から親水性ゲル膜（フィルター含浸型）７を除いた構成の評価用燃料電池を作製した。また、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りとした。
【００３９】
アノード用燃料溶液
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４０】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４１】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池の評価を実施例１〜４と同様にして行った。
【００４２】
［比較例２，３］
１．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
１−１．電極の作製
実施例１〜４と同様にして電極を作成した。
【００４３】
１−２．隔膜−親水性ゲル−電極複合体の作製
１−１にて作製した電極の上に、実施例１〜４と同じ組成の親水性ゲルであって加熱溶融したものの適量を、直接塗布し、その後常温まで放置し、隔膜となるナフィオン１１５（Ｓｉｇｍａ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製）と常温圧着させたものを隔膜−親水性ゲル−電極複合体とした。なお、電極−親水性ゲル−膜複合体の構成はアノード側電極のみとし、カソード側電極は隔膜に直接常温圧着させた。
【００４４】
２．燃料電池の作製および電池評価
２−１．評価用燃料電池の作製
１．にて作製した電極−親水性ゲル−隔膜複合体を用い、図１に示した評価用燃料電池と同様の構成の評価用燃料電池を作製した。ここで、アノードおよびカソードに用いた燃料の組成は以下の通りである。ここで、下記のとおり、アノード用燃料溶液として２種類実施した。
【００４５】
アノード用燃料溶液
（比較例２）
２Ｍ アスコルビン酸ナトリウム水溶液
※アスコルビン酸ナトリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
（比較例３）
１Ｍ ＮＡＤＨ溶液
１００ｍＭ ｍＰＭＳ溶液
１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）
※ＮＡＤＨ溶液はＮＡＤＨ（ナカライテスク社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）にて溶解したものを使用した。
※ｍＰＭＳ溶液は１−Ｍｅｔｈｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎａｚｉｎｉｕｍ ｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ（同仁化学社製）を１Ｍ リン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に溶解したものを使用した。
【００４６】
カソード用溶液
１Ｍ ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム水溶液
※ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウム（和光純薬社製）を水に溶解したものを使用した。
【００４７】
２−２．評価用電池の評価
２−１にて作製した評価用電池の評価を実施例１〜４と同様にして行った。
［評価結果］
［評価結果１］
図２に、実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−出力密度特性を示した。
【００４８】
図２からわかるように、この試験により、本発明による電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例１〜３）において、比較例１，２に比して、出力密度の向上効果を確認することができた。
【００４９】
［評価結果２］
図３に、実施例１，２，３と比較例１，２、すなわちアノード用燃料溶液として、２Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液を用いた場合の電流密度−電圧特性を示した。
【００５０】
図３からわかるように、この試験により、本発明による電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例１〜３）において、比較例に比べ電流−電圧特性直線の傾きが小さいことが確認できた。オームの法則より該傾きは内部抵抗を表していることから、ゲル／フィルター複合体を有する燃料電池における出力向上は、内部抵抗の減少に起因するものと推測される。
【００５１】
［評価結果３］
図４に、実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−出力密度特性を示した。
【００５２】
図４からわかるように、この試験により、本発明品である親水性ゲル／フィルター複合体を用いた試作燃料電池（実施例４）は、電極に同じ組成の親水性ゲルを適量塗布した試作燃料電池（比較例３）と比較して、出力密度の向上効果があることが確認された。
【００５３】
［評価結果４］
図５に、実施例４と比較例３、すなわちアノード用燃料溶液として、１Ｍ ＮＡＤＨおよび１００ｍＭ ｍＰＭＳを用いた場合の電流密度−電圧特性を示した。
【００５４】
図５からわかるように、この試験により、本発明品である電極−親水性ゲル（フィルター含浸型）−隔膜複合体を構成要素として持つ試作燃料電池（実施例４）において、電極に同じ組成の親水性ゲルを適量塗布した試作燃料電池（比較例３）と比較して、電流−電圧特性直線の傾きが小さいことが確認できた。オームの法則より該傾きは内部抵抗を表していることから、ゲル／フィルター複合体を有する燃料電池における出力向上は、内部抵抗の減少に起因するものと推測される。
【符号の説明】
【００５５】
１…帯電防止機能を備えたフッ素樹脂板、
２…集電板（チタンメッシュ）、
３…アノード側電極、
４…イオン伝導性を有する膜（隔膜）、
５…カソード側電極、
６…シリコーンプレート、
７…親水性ゲル膜（フィルター含浸型）、
８…燃料タンク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池であって、アノード側電極と前記膜の間およびまたはカソード側電極と前記膜との間には、予め成膜された親水性ゲル膜が挟持されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
予め成膜された親水性ゲル膜は、担体膜に親水性ゲルが含浸した構成を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
担体膜は、イオン透過性の多孔性の膜であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
アノード側電極とカソード側電極は、酵素を触媒として含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池の製造方法であって、
親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程、および、
成膜された親水性ゲル膜をアノード側電極と前記イオン伝導性を有する膜の間およびまたはカソード側電極と前記イオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程、
とを少なくとも含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程は、担体膜に親水性ゲルを含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
担体膜として、イオン透過性の多孔性の膜を用いることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
アノード側電極およびカソード側電極として、酵素を触媒として含む電極を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池であって、アノード側電極と前記膜の間およびまたはカソード側電極と前記膜との間には、予め成膜された親水性ゲル膜が挟持されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
予め成膜された親水性ゲル膜は、担体膜に親水性ゲルが含浸した構成を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
担体膜は、イオン透過性の多孔性の膜であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
アノード側電極とカソード側電極は、酵素を触媒として含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
アノード側電極とカソード側電極がイオン伝導性を有する膜を介して対向した構造を少なくとも備える燃料電池の製造方法であって、
親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程、および、
成膜された親水性ゲル膜をアノード側電極と前記イオン伝導性を有する膜の間およびまたはカソード側電極と前記イオン伝導性を有する膜との間に配置した後、常温環境で全体を圧着する工程、
とを少なくとも含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
親水性ゲルを薄膜状に成膜する工程は、担体膜に親水性ゲルを含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
担体膜として、イオン透過性の多孔性の膜を用いることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
アノード側電極およびカソード側電極として、酵素を触媒として含む電極を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２４３２８９（Ｐ２０１１−２４３２８９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１１５９３（Ｐ２０１０−１１１５９３）
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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