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JP2006085911A - Biological fuel cell - Google Patents

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JP2006085911A
JP2006085911A JP2004266380A JP2004266380A JP2006085911A JP 2006085911 A JP2006085911 A JP 2006085911A JP 2004266380 A JP2004266380 A JP 2004266380A JP 2004266380 A JP2004266380 A JP 2004266380A JP 2006085911 A JP2006085911 A JP 2006085911A
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JP
Japan
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electrode
light
cell
reductant
compound
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004266380A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Tonomura
正 外邨
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biological fuel cell which directly utilizes the chemical energy of a fuel originally obtained from a living thing as an electric energy. <P>SOLUTION: The biological fuel cell comprises a positive electrode and a negative electrode which are arranged via an electrolyte. A compound which generates a reductant and electrons by a light irradiation at the negative electrode is made to react. Biological cells oxidize an originally biological fuel consisting of carbonic compounds using a metabolic system in order to supply electrons, and are made to act on molecules of the reductant. Thus, an electromotive force is generated between the positive electrode and the negative electrode by performing the oxidization reaction to take out electrons electrochemically from the originally biological fuel consisting of carbonic compounds being recycled in the animate nature to an external electric circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、砂糖、澱粉などの炭水化物、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒド、あるいは有機酸などの自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料を用いて発電を行う生物燃料電池に関する。   The present invention relates to a biofuel that generates electricity using a bio-derived fuel composed of a carbon compound circulated and regenerated in the natural biological world such as carbohydrates such as sugar and starch, lipids, hydrocarbons, alcohols, aldehydes, or organic acids. It relates to batteries.

砂糖、澱粉などの炭水化物、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒド、あるいは有機酸などの自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料は、植物の光合成により炭酸ガスと水から生成され、生物由来の燃料として蓄積された太陽エネルギーは動物の食物代謝により化学エネルギー、熱エネルギーとして使用されたのち、炭酸ガスと水とに戻るクリーンな循環系を形成している。   Biological fuels consisting of carbon compounds circulated and regenerated in the natural biological world such as sugars, starches and other carbohydrates, lipids, hydrocarbons, alcohols, aldehydes, or organic acids are produced from carbon dioxide and water by plant photosynthesis. Solar energy accumulated as biological fuel is used as chemical energy and heat energy by animal food metabolism, and forms a clean circulatory system that returns to carbon dioxide and water.

例えば、単糖類・少糖類・多糖類などの糖類のほか、糖の類似化合物の環状多価アルコール・アミノ糖などの総称である炭水化物は、植物は光合成によって合成し、動物は食物として植物から摂取しエネルギー源とする。代表的な炭水化物である化学式C6126で表されるグルコースを完全に酸化すると、グルコース1分子当たり24個の電子を放出して、炭酸ガスと水が生成する。動物の体内では、この24個の電子がエネルギー源として利用されている。熱力学計算によれば、グルコース1モル当たり2872kJ、1g当たり4.43Whのエネルギーを持っている。これは、高エネルギー密度電池として知られているリチウム電池の負極に用いられる金属リチウムの重量エネルギー密度3.8Wh/g以上のエネルギー密度である。
米国特許第6294281号明細書 米国特許第4117202号明細書 国際公開第02/33775号パンフレット 特開2000−133296号公報(特に段落番号0030、0042)
For example, in addition to saccharides such as monosaccharides, oligosaccharides, and polysaccharides, carbohydrates, which are generic names of cyclic polyalcohols and amino sugars, which are similar to sugars, are synthesized by plants through photosynthesis, and animals ingest them as food. Energy source. When glucose represented by the chemical formula C 6 H 12 O 6 , which is a typical carbohydrate, is completely oxidized, 24 electrons are released per molecule of glucose, and carbon dioxide and water are generated. In the animal body, these 24 electrons are used as an energy source. According to thermodynamic calculations, it has an energy of 2872 kJ per mole of glucose and 4.43 Wh per gram. This is an energy density of 3.8 Wh / g or more of the weight energy density of metallic lithium used for the negative electrode of a lithium battery known as a high energy density battery.
US Pat. No. 6,294,281 U.S. Pat. No. 4,117,202 International Publication No. 02/33775 Pamphlet JP 2000-133296 A (particularly paragraph numbers 0030 and 0042)

しかしながら、炭水化物で代表される生物由来の燃料の持っている化学エネルギーを利用する方法としては、空気中での直接燃焼による熱エネルギーとして用いる方法、微生物を用いるメタン発酵における栄養素として用いる方法、あるいは動物の体内にある酸化酵素の作用によりATPなどの化学エネルギーとして利用する方法以外、直接電気エネルギーとして利用する例は少ない。   However, methods of using chemical energy possessed by bio-derived fuels typified by carbohydrates include methods of using it as thermal energy by direct combustion in air, methods of using it as nutrients in methane fermentation using microorganisms, or animals. There are few examples of using it directly as electrical energy, except for using it as chemical energy such as ATP by the action of oxidase in the body.

生物由来の燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーとして利用する方法としては、酵素と酸化還元メディエータを用いる特許文献1に記載されている生物燃料電池がある。また、生物由来の燃料を栄養素とする光合成バクテリアを用いて発電する光バクテリア生物燃料電池が特許文献2に記載されている。   As a method of directly using chemical energy possessed by biological fuel as electric energy, there is a biofuel cell described in Patent Document 1 using an enzyme and a redox mediator. Further, Patent Literature 2 describes a photobacterial biofuel cell that generates electricity using a photosynthetic bacterium that uses a bio-derived fuel as a nutrient.

特許文献2の光バクテリア生物燃料電池は、生物由来の燃料の持つ化学エネルギーに加え、太陽光などの光エネルギーを利用することができるが、光バクテリアを生息させておくためには温度、溶液組成、栄養素について細かな制御が必要で、またバクテリア専用の培養容器が必要で発電装置が煩雑になる難点がある。   The photobacterial biofuel cell of Patent Document 2 can use light energy such as sunlight in addition to chemical energy possessed by biological fuels. However, in order to inhabit photobacteria, temperature, solution composition However, fine control of nutrients is necessary, and there is a difficulty that a power generation apparatus becomes complicated because a culture vessel dedicated to bacteria is necessary.

特許文献1の生物燃料電池では、酵素あるいは酸化還元メディエータを固定した正極と負極の二つの電極さえあれば、生物由来の燃料を含む電解液にこれらを浸漬するだけで、発電が可能で、発電装置が簡単でかつ小型化が可能な利点を有する。しかし、生物由来の燃料の持つ化学エネルギーを高効率で利用する場合、たとえばグルコース1分子あたり24個の電子全部を利用しようとする場合、複数種の酸化還元メディエータならびに酵素を固定化した特に負極が必要で反応系が極めて複雑になる難点を有している。   In the biofuel cell of Patent Document 1, as long as there are only two electrodes, a positive electrode and a negative electrode, to which an enzyme or redox mediator is fixed, power can be generated simply by immersing them in an electrolyte containing biological fuel. The apparatus has the advantage that it is simple and can be miniaturized. However, when chemical energy of biological fuels is used with high efficiency, for example, when all 24 electrons per glucose molecule are to be used, a plurality of types of redox mediators and particularly negative electrodes with immobilized enzymes are used. It has the disadvantage that it is necessary and the reaction system becomes extremely complicated.

本発明は、このような難点を解消し、生物由来の燃料の持つ化学エネルギーを簡便にかつ高効率で利用可能とする生物燃料電池を提供する。   The present invention provides a biofuel cell that eliminates such difficulties and makes it possible to use the chemical energy of biological fuels simply and with high efficiency.

本発明は、電解質を介して設けた正極および負極を有し、該負極において、光照射により還元体と電子を発生する化合物および、該還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞の作用により、自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料から電子を電気化学的に外部電気回路に取り出す酸化反応を行うことで、炭素化合物よりなる生物由来の燃料が持つ化学エネルギーを簡便にかつ高効率で利用して発電を行う生物燃料電池を提供する。   The present invention has a positive electrode and a negative electrode provided via an electrolyte, and in the negative electrode, a compound that generates a reductant and an electron by light irradiation, and a biological compound comprising a carbon compound using a substance metabolism system for the reductant molecule By the action of living cells that oxidize derived fuel and supply electrons, an oxidation reaction is performed in which electrons are electrochemically extracted to an external electric circuit from biological fuels made of carbon compounds that are circulated and regenerated in the natural biological world. Thus, the present invention provides a biofuel cell that generates electricity by using chemical energy of a bio-derived fuel made of a carbon compound easily and with high efficiency.

上記正極は、負極における酸化反応よりも貴な電位で酸素の還元反応が起こる正極であることが好ましい。   The positive electrode is preferably a positive electrode in which a reduction reaction of oxygen occurs at a potential nobler than the oxidation reaction in the negative electrode.

本発明は、負極において、光照射により還元体と電子を発生する化合物および、該還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞の作用により、自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料から電子を電気化学的に外部電気回路に取り出す酸化反応を行うことにより、正極と負極との間に起電力を発生する生物燃料電池を提供する。本発明によれば、生物由来の燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーとして有効に利用することができる。   The present invention relates to a compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light in a negative electrode, and a living cell that supplies electrons by oxidizing a biological fuel composed of a carbon compound to the reductant molecule using a substance metabolism system. By the action, an electromotive force is generated between the positive electrode and the negative electrode by performing an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted to an external electric circuit from a biological fuel composed of carbon compounds that are circulated and regenerated in the natural biological world. A biofuel cell is provided. According to the present invention, the chemical energy of biological fuel can be effectively used as direct electrical energy.

以下、本発明を詳しく説明する。   The present invention will be described in detail below.

本発明による生物燃料電池は、電解質を介して設けた正極および負極を構成要素とし、負極において、光照射により還元体と電子を発生する化合物、該還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞の作用により、自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料から電子を電気化学的に外部電気回路に取り出す酸化反応を起こすことにより、正極と負極との間に起電力を発生する。これにより、生物由来の燃料に蓄えられている化学エネルギーを、光エネルギーでバイアスされた形で直接電気エネルギーとして利用することが可能となる。   The biofuel cell according to the present invention comprises a positive electrode and a negative electrode provided via an electrolyte, and a compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light in the negative electrode, and a carbon compound using a substance metabolism system for the reductant molecule Oxidation that extracts electrons from biological fuels consisting of carbon compounds that are circulated and regenerated in the natural biological world to the external electrical circuit by the action of living cells that oxidize biological fuels and supply electrons By causing the reaction, an electromotive force is generated between the positive electrode and the negative electrode. This makes it possible to directly use chemical energy stored in biological fuel as electric energy in a form biased by light energy.

図1に、本発明の光生物燃料電池の構成の模式図を示す。図1は生物由来の燃料(Fuel)から、生体細胞(Cell)の物質代謝系(Met)を介して、生物由来の燃料が保有している電子(e−)が、光照射により還元体(S*)と電子を発生する化合物(S)を介して、外部電気回路(Load)を通って負極から正極まで流れる様子を示している。 In FIG. 1, the schematic diagram of a structure of the photobiofuel cell of this invention is shown. FIG. 1 shows that electrons (e−) possessed by a biological fuel from a biological fuel (Fuel) through a substance metabolism system (Met) of a living cell (Cell) are converted into a reductant ( The state of flowing from the negative electrode to the positive electrode through the external electric circuit (Load) through the compound (S) that generates S * ) and electrons is shown.

光照射を受けたSは、S*とSとS*とのエネルギー差により決定される卑な電位を有した光エネルギーでバイアスされた電子(e−)を発生する。S*は、生体細胞(Cell)のMetより電子を受け取りSに戻る。光エネルギーでバイアスされた電子(e−)は、外部回路において仕事をしたのち、正極に到り、正極での被還元物質(M)との還元反応に用いられる。こうすることで、正極と負極との間で起電力が発生し、発電を行うことができる。 S irradiated with light generates electrons (e−) biased with light energy having a base potential determined by an energy difference between S * and S and S * . S * receives electrons from Met of a living cell (Cell) and returns to S. Electrons (e−) biased by light energy work in an external circuit, reach the positive electrode, and are used for the reduction reaction with the substance to be reduced (M) at the positive electrode. By doing so, an electromotive force is generated between the positive electrode and the negative electrode, and power generation can be performed.

ここで、光照射により還元体と電子を発生する化合物Sは、酸化物半導体上に配置され、光の波長が300nmから1000nmに単一あるいは複数の光吸収ピークを有する化合物が好ましい。このような化合物としては、金属錯体色素、有機色素などを用いることができる。金属錯体色素には、ルテニウム(Ru)を中心原子としビキノリン、ビピリジル、フェナントロリン、チオチアン酸、これらの誘導体を配位子とするルテニウム錯体色素あるいは白金錯体色素を用いることができる。金属錯体色素と有機色素の両方の構造を併せ持つ、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)などを中心原子に有するあるいは有しない単一あるいは複数のポルフィリン環を含むポルフィリン系色素も有効に用いることができる。有機色素としては、9−フェニルキサンテン系色素、メロシアニン系色素、ポリメチン系色素などを有効に用いることができる。   Here, the compound S which generates a reductant and an electron upon irradiation with light is preferably a compound which is disposed on an oxide semiconductor and has a single or plural light absorption peaks at a light wavelength of 300 nm to 1000 nm. As such a compound, a metal complex dye, an organic dye, or the like can be used. As the metal complex dye, a ruthenium complex dye or a platinum complex dye having ruthenium (Ru) as a central atom and biquinoline, bipyridyl, phenanthroline, thiothianic acid, or a derivative thereof as a ligand can be used. Includes single or multiple porphyrin rings with or without copper (Cu), zinc (Zn), magnesium (Mg), iron (Fe), etc. at the central atom, having both metal complex dye and organic dye structures Porphyrin pigments can also be used effectively. As organic dyes, 9-phenylxanthene dyes, merocyanine dyes, polymethine dyes and the like can be used effectively.

これらの色素は、光吸収効率が高く、酸化物半導体との親和性が高く容易に電解液中に溶け出さず電解液に長時間接触していても安定であり、また光照射により発生する励起電子の寿命が長いことで光電変換効率が高く好ましい。酸化物半導体上に光照射により還元体と電子を発生する化合物を配置することで、光照射により発生した電子を、酸化物半導体に素早く移動することが可能で、光照射により発生した還元体と電子との再結合の確率を低くし、生物由来の燃料から電子を取り出す効率をより高く保持することができる。   These dyes have high light absorption efficiency, high affinity with oxide semiconductors, are not easily dissolved in the electrolyte solution, are stable even when in contact with the electrolyte solution for a long time, and are excited by light irradiation. A long lifetime of electrons is preferable because of high photoelectric conversion efficiency. By disposing a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation on the oxide semiconductor, it is possible to quickly move electrons generated by light irradiation to the oxide semiconductor. The probability of recombination with electrons can be reduced, and the efficiency of extracting electrons from biological fuel can be kept higher.

酸化物半導体としては、酸化錫(SnO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO),酸化タングステン(WO3)あるいは、TiO2・WO3などこれらの複合酸化物が用いられる。 As the oxide semiconductor, tin oxide (SnO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), or a composite oxide of TiO 2 and WO 3 is used.

自然の生物界において循環再生される炭素化合物よりなる生物由来の燃料とは、糖類、澱粉などの炭水化物、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒド、あるいは有機酸であり、植物の光合成により炭酸ガスと水から生成され、生物由来の燃料として蓄積された太陽エネルギーは動物の食物代謝により化学エネルギー、熱エネルギーとして使用されたのち、炭酸ガスと水とに戻るクリーンな循環系を形成する。   Biological fuels composed of carbon compounds that are recycled in the natural biological world are carbohydrates such as sugars and starch, lipids, hydrocarbons, alcohols, aldehydes, or organic acids. Carbon dioxide and water are produced by plant photosynthesis. The solar energy generated from the plant and stored as biological fuel is used as chemical energy and heat energy by animal food metabolism to form a clean circulatory system that returns to carbon dioxide and water.

光照射により発生した還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞としては、物質代謝系を有するものであれば、植物、動物を問わず何れの生体細胞も使うことができる。特に、自然の生物界で植物と動物の境に位置する微生物は、一つあるいは少ない細胞数で一つの独立した生体を形成しており、一つ一つの生体の大きさは10分の1ミクロンから数10ミクロンと小さく、大型からマイクロサイズまで自由な大きさの発電セルを提供できるので工業的利用の観点から好ましい。微生物には、細菌(バクテリア)、菌類、ウイルス、原生動物、藻類、大きさが1mm以下の単細胞生物である原生動物や多細胞の後生動物などが含まれる。細菌類としては、Bacillus megatherium、Escherichia coli、Rhodopseudomonas spheroids、Nitrosomonas sp.、Staphylococcus aureus、あるいは、金属イオン還元性バクテリアである Rhodoferax ferrireducens、Geobacteraceae、Shewanellaceae などが、好適に用いられ得る。菌類としては、醸造用のイースト(Brewer's Yeast)、大腸菌(E. coli)、セルロース分解菌であるFibrobacter succinogenesなどが比較的培養、増殖が簡単であるので好適に用いら得る。原生動物としては、Vorticella microstoma、Epistylis plicatilis、Colpidium campylun、Paramecium caudatumなどが室温付近で生息できるので好適に用いられ得る。藻類としては、Anabaena variabilis、Anabaena cylindrica、Cyanobacteria (blue-green algae)、Chlorella ellipsoideaなどが比較的広い温度範囲、たとえば5〜35℃で培養、増殖できるので好適に用いられ得る。   Biological cells that oxidize bio-derived fuels made of carbon compounds using the substance metabolism system to reductant molecules generated by light irradiation and supply electrons can be used as long as they have a substance metabolism system. Any biological cell can be used. In particular, microorganisms located at the border between plants and animals in the natural biological world form one independent living body with one or a small number of cells, and the size of each living body is 1/10 micron. From the viewpoint of industrial use, it is possible to provide a power generation cell having a size as small as 10 to several tens of microns and from a large size to a micro size. Microorganisms include bacteria (bacteria), fungi, viruses, protozoa, algae, protozoa that are unicellular organisms having a size of 1 mm or less, multicellular metazoans, and the like. As the bacteria, Bacillus megatherium, Escherichia coli, Rhodopseudomonas spheroids, Nitrosomonas sp., Staphylococcus aureus, or metal ion reducing bacteria such as Rhodoferax ferrireducens, Geobacteraceae, and Shewanellaceae can be preferably used. As the fungi, yeast for brewing (Brewer's Yeast), E. coli, Fibrobacter succinogenes, which is a cellulose-degrading bacterium, and the like are relatively easy to culture and proliferate, and thus can be suitably used. As protozoa, Vorticella microstoma, Epistylis plicatilis, Colpidium campylun, Paramecium caudatum, and the like can be suitably used because they can live near room temperature. As algae, Anabaena variabilis, Anabaena cylindrica, Cyanobacteria (blue-green algae), Chlorella ellipsoidea and the like can be preferably used because they can be cultured and grown in a relatively wide temperature range, for example, 5 to 35 ° C.

これらの生体細胞は、細胞膜の一部あるいは全部を破砕して用いるのが好ましい。細胞膜を破砕することで、細胞中の物質代謝系に含まれるNAD/NADHやキノン/ハイドロキノンなどの生物由来の酸化還元メディエーターの細胞内外への移動が容易となる。物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化することで得られる電子は、これら酸化還元メディエーターを介して光照射により発生した還元体分子へスムーズに移動することが可能となる。電子の移動がより容易になることで、生物燃料電池としてより大きな電流出力の提供が可能となる。破砕の程度は、もちいる生体細胞の種類により異なる。細胞膜を完全に破砕してもいいし、生体細胞の増殖と言った生命機能に支障を来さない限り破砕することができる。   These living cells are preferably used by crushing part or all of the cell membrane. By disrupting the cell membrane, it becomes easy to move the redox mediators derived from organisms such as NAD / NADH and quinone / hydroquinone contained in the substance metabolism system in the cell into and out of the cell. Electrons obtained by oxidizing a biological fuel composed of a carbon compound using a substance metabolism system can smoothly move to reductant molecules generated by light irradiation through these redox mediators. By making the movement of electrons easier, it is possible to provide a larger current output as a biofuel cell. The degree of disruption varies depending on the type of living cell used. The cell membrane can be completely crushed, or can be crushed as long as it does not interfere with vital functions such as the growth of living cells.

生体細胞の破砕は、ステンレス製の回転刃を備えたホモジナイザー、超音波振動子を備えたホモジナイザー、セラミックボールを備えたボールミルなどの機械的な方法、酸化チタンなどの光触媒や過酸化物を用いた化学的な方法、加熱、加圧、減圧、乾燥、凍結などの物理的な方法など、いずれの方法も用いることができる。   For the disruption of living cells, a mechanical method such as a homogenizer equipped with a stainless steel rotating blade, a homogenizer equipped with an ultrasonic vibrator, a ball mill equipped with a ceramic ball, a photocatalyst such as titanium oxide or a peroxide was used. Any method such as a chemical method, a physical method such as heating, pressurization, reduced pressure, drying, or freezing can be used.

本発明の生物燃料電池に用いる電解質としては、アニオンまたは/およびカチオンを正極から負極へ、および/または負極から正極へ移動させ、正極および負極での酸化・還元反応を連続的に進行させることができるものであれば、有機物質、無機物質、液体、固体を問わず用いることができる。水に、KCl、NaCl、MgCl2、NH4Cl、Na2HPO4等の金属塩、NH4OH、KOH、NaOH等のアルカリ、H3PO4、H2SO4等の酸を溶解した水溶液は、安全で、環境汚染を起こす恐れがなく、取り扱いやすく好ましい。また、沃化ピリジニウムなどの4級アンモニウム塩、沃化リチウムなどのリチウム塩、沃化イミダゾリニウムなどのイミダゾリウム塩、t−ブチルピリジン等を溶解したアセトニトリル、メトキシアセトニル、あるいはメトキシプロピオニトリル溶液や、スルホン酸基、アミド基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を有するフッ素樹脂等の高分子材料よりなるイオン交換膜や、LiBF4、LiClO4、(C494NBF4等の塩を溶解したポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンオキサイド、アクリロニトリル、ポル弗化ビニリデン、ポリビニルアルコール等の高分子電解質を用いることができる。 As an electrolyte used in the biofuel cell of the present invention, an anion or / and cation can be transferred from the positive electrode to the negative electrode and / or from the negative electrode to the positive electrode, and the oxidation / reduction reaction at the positive electrode and the negative electrode can be continuously advanced. As long as it can be used, any organic substance, inorganic substance, liquid, or solid can be used. An aqueous solution in which a metal salt such as KCl, NaCl, MgCl 2 , NH 4 Cl, or Na 2 HPO 4 , an alkali such as NH 4 OH, KOH, or NaOH, or an acid such as H 3 PO 4 or H 2 SO 4 is dissolved in water. Is preferable because it is safe, does not cause environmental pollution, and is easy to handle. Further, quaternary ammonium salts such as pyridinium iodide, lithium salts such as lithium iodide, imidazolium salts such as imidazolinium iodide, acetonitrile, methoxyacetonyl, or methoxypropionitrile in which t-butylpyridine is dissolved. An ion exchange membrane made of a solution, a polymer material such as a fluororesin having a sulfonic acid group, an amide group, an ammonium group, a pyridinium group, or a salt such as LiBF 4 , LiClO 4 , (C 4 H 9 ) 4 NBF 4 Polymer electrolytes such as polypropylene oxide, polyethylene oxide, acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol and the like in which is dissolved can be used.

本発明の生物燃料電池の正極の反応は、負極において光により励起された分子の活性種(S*)を介して生物由来の燃料より取り出される電子の電位よりも貴な電位で起こる還元反応であって、この電子が、外部負荷を経て、正極に電気化学的に受け入れられる還元反応であれば何れの反応も用いることができる。 The reaction of the positive electrode of the biofuel cell of the present invention is a reduction reaction that takes place at a potential that is nobler than the potential of electrons extracted from the biological fuel through the active species (S * ) of molecules excited by light at the negative electrode. Any reaction can be used as long as this electron undergoes an external load and is electrochemically accepted by the positive electrode.

上記の正極の反応としては、水あるいは酸素の還元反応、プロトンの還元反応、NiOOH、MnOOH、Pb(OH)2、PbO、MnO2、Ag2O、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2などの水酸化物あるいは酸化物の還元反応、TiS2、MoS2、FeS、Ag2Sなどの硫化物の還元反応、AgI、PbI2、CuCl2などの金属ハロゲン化物の還元反応、Br2、I2などのハロゲンの還元反応、キノン類、有機ジスルフィド化合物などの有機硫黄化合物類の還元反応、ポリアニリン、ポリチオフェンなど導電性高分子類の還元反応などを用いることができる。 Examples of the reaction of the positive electrode include water or oxygen reduction reaction, proton reduction reaction, NiOOH, MnOOH, Pb (OH) 2 , PbO, MnO 2 , Ag 2 O, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 and the like. Hydroxide or oxide reduction reaction, reduction reaction of sulfides such as TiS 2 , MoS 2 , FeS, Ag 2 S, reduction reaction of metal halides such as AgI, PbI 2 , CuCl 2 , Br 2 , I Reduction reaction of halogen such as 2 ; reduction reaction of organic sulfur compounds such as quinones and organic disulfide compounds; reduction reaction of conductive polymers such as polyaniline and polythiophene can be used.

この中で、正極が、酸素を還元する酸素極であることが好ましい。このようにすると、正極活物質として酸素を含む気体を用いることができるので、電池内に正極活物質を保持することが不要となるため、高いエネルギー密度を有する電池を構成することができる。   In this, it is preferable that a positive electrode is an oxygen electrode which reduces oxygen. In this case, since a gas containing oxygen can be used as the positive electrode active material, it is not necessary to hold the positive electrode active material in the battery, and thus a battery having a high energy density can be configured.

上記酸素極としては、酸素還元能のある物質であれば用いることができる。このような物質としては、活性炭、MnO2、Mn34,Mn23、Mn58などのマンガン酸化物、白金、パラジウム、酸化イリジウム、白金アンミン錯体、コバルトフェニレンジアミン錯体、金属ポルフィリン(金属:コバルト、マンガン、亜鉛、マグネシウムなど)、La(Ca)CoO3やLa(Sr)MnO3などのペロブスカイト酸化物などが挙げられる。 As the oxygen electrode, any substance capable of reducing oxygen can be used. Such materials include active carbon, MnO 2, Mn 3 O 4 , Mn 2 O 3, manganese oxides such as Mn 5 O 8, platinum, palladium, iridium oxide, platinum ammine complexes, cobalt phenylenediamine complexes, metalloporphyrins (Metals: cobalt, manganese, zinc, magnesium, etc.), perovskite oxides such as La (Ca) CoO 3 and La (Sr) MnO 3 .

さらに、正極が、プロトンあるいは水を還元する水素極であることが好ましい。このようにすると、自然の生物界において循環再生される糖類、澱粉などの炭水化物、脂質、炭化水素、アルコール、アルデヒド、あるいは有機酸などの生物由来の物質を燃料として、起電力は0.05V〜0.2V程度と、酸素極を正極に用いる場合に較べると低いが、高い純度の水素ガスをオンサイトで製造できる電池を構成することができる。   Furthermore, the positive electrode is preferably a hydrogen electrode that reduces protons or water. In this way, sugars that are circulated and regenerated in the natural biological world, carbohydrates such as starch, lipids, hydrocarbons, alcohols, aldehydes, or organic substances such as organic acids as fuel, and an electromotive force of 0.05V to Although it is about 0.2 V, which is lower than when an oxygen electrode is used for the positive electrode, a battery capable of producing high purity hydrogen gas on-site can be configured.

上記の水素極としては、プロトンあるいは水の還元能のある電極であれば用いることができる。プロトンあるいは水を還元する電極としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)などの白金族の金属、Pt−Sn(Pt3Snなど)、Pt−Ti(Pt3Tiなど)、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Ru(Pt70Ru30など)、Pt−Ir、Pt−Pdなどの白金族の金属を含む合金、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)を単独あるいは複数種を、少なくとも電解質と接する表面部分に備えた電極を有効に用いることができる。 As the hydrogen electrode, any electrode capable of reducing protons or water can be used. As an electrode for reducing protons or water, platinum group metals such as platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), Pt—Sn (Pt 3 Sn, etc.), Pt—Ti (Pt 3 Ti, etc.) , Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Ru (Pt 70 Ru 30 etc.), alloys containing platinum group metals such as Pt—Ir, Pt—Pd, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni ), Copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au), or an electrode provided with a plurality of types at least on the surface portion in contact with the electrolyte can be effectively used.

これらの金属あるいは合金は、カーボンブラックなどの比表面積の大きな導電性の担体上に分散、担持した状態で水素極に配置すると、高い効率で水素を発生できるので好ましい。   These metals or alloys are preferably disposed on the hydrogen electrode while being dispersed and supported on a conductive carrier having a large specific surface area such as carbon black because hydrogen can be generated with high efficiency.

さらに、これらの金属あるいは合金を、Au(111)面、Au(100)面などの特定の結晶面を有する導電性担体上に電解析出法等により原子サイズで析出担持した水素極は、水素発生反応の過電圧が低くかつ選択性が高いので好ましい。   Further, a hydrogen electrode in which these metals or alloys are deposited and supported in an atomic size by an electrolytic deposition method or the like on a conductive support having a specific crystal plane such as an Au (111) plane or an Au (100) plane is a hydrogen electrode. This is preferable because the overvoltage of the generation reaction is low and the selectivity is high.

プロトンを還元する水素極としては、ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼなど、ランソウや下等藻類が持つ天然の金属タンパク質である酵素ヒドロゲナーゼを備えたものを用いることが出来る。   As the hydrogen electrode for reducing protons, one having an enzyme hydrogenase, which is a natural metal protein possessed by orchids and lower algae, such as nickel-iron hydrogenase, can be used.

水を還元する水素極としては、特に、電解質がアルカリ性である場合は、水素吸蔵合金を備えたものを有効に用いることが出来る。このような水素吸蔵合金としては、TiFe、ZrMn2、ZrV2、ZrNi2、CaNi5、LaNi5、MmNi5(Mm=ミッシュメタル、LaやCeなどの希土類元素の混合物)、Mg2Ni、Mg2Cuなどを用いることができる。特に水素平衡圧力が0.5〜1気圧程度のものが好ましい。このようなものとして、MmNi4.3Mn0.4Al0.3、MmNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、MmNi3.8Mn0.4Al0.3Co0.5を有効に用いることができる。これらの水素吸蔵合金は、数10μmの粉末状としてカーボンブラックなどの導電剤および結着剤と混合しペースト状として、発泡ニッケルなどの多孔性の導電性基材に塗着して水素極として用いることができる。 As the hydrogen electrode for reducing water, in particular, when the electrolyte is alkaline, one having a hydrogen storage alloy can be used effectively. Examples of such hydrogen storage alloys include TiFe, ZrMn 2 , ZrV 2 , ZrNi 2 , CaNi 5 , LaNi 5 , MmNi 5 (Mm = mixture of rare earth elements such as Misch metal, La and Ce), Mg2Ni, Mg2Cu, and the like. Can be used. In particular, a hydrogen equilibrium pressure of about 0.5 to 1 atm is preferable. As such, MmNi 4.3 Mn 0.4 Al 0.3 , MmNi 3.55 Mn 0.4 Al 0.3 Co 0.75 , MmNi 3.8 Mn 0.4 Al 0.3 Co 0.5 can be used effectively. These hydrogen storage alloys are mixed with a conductive agent such as carbon black and a binder in the form of a powder of several tens of μm to form a paste, which is then applied to a porous conductive substrate such as foamed nickel and used as a hydrogen electrode. be able to.

次に、負極反応を促進する目的で、光照射により発生した還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞に加えて、生物由来の燃料から生物由来の酵素(Enzyme)の作用により電子を受け取り光照射により発生した還元体(S*)に電子を供給してもとの化合物(S)を再生する働きをする生物由来の酸化還元メディエータ(R)を単独あるいは生物由来の酵素(Enzyme)と一緒に用いてもよい。このような生物由来酸化還元メディエーター(R)としては、キノン/ハイドロキノン酸化還元カップル、NAD+/NADH酸化還元カップル、NAD
+/NADPH酸化還元カップル、沃素/沃素酸イオン酸化還元カップル、フェレドキシンやミオグロビンなどの酸化還元能を有する金属たんぱく質などを用いることができる。
Next, for the purpose of promoting the negative electrode reaction, in addition to the biological cells that supply electrons by oxidizing the biological fuel consisting of carbon compounds to the reductant molecules generated by light irradiation using the substance metabolism system, the biological origin Oxidation derived from living organisms that functions to regenerate the original compound (S) by supplying electrons to the reductant (S *) generated by photoirradiation by the action of biologically derived enzyme (Enzyme) from the fuel. The reducing mediator (R) may be used alone or in combination with a biological enzyme (Enzyme). Such biological redox mediators (R) include quinone / hydroquinone redox couple, NAD + / NADH redox couple, NAD
P + / NADPH redox couple, iodine / iodate ion redox couple, metal protein having redox ability such as ferredoxin and myoglobin can be used.

生物由来の酸化還元メデイエータ(R)が生物由来の燃料から電子を受け取る際に作用する生物由来の酵素(Enzyme)としては特に限定はないが、生物由来の燃料(Fuel)の種類に応じて、これらに対応するデヒドロゲナーゼが、単独であるいは数種が組み合わされて用いられる。Fuelがグルコースの場合は、少なくともグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)を含む酵素が用いられる。   There is no particular limitation on the biological enzyme (Enzyme) that acts when the biological redox mediator (R) receives electrons from the biological fuel, but depending on the type of biological fuel (Fuel), Dehydrogenases corresponding to these are used alone or in combination of several kinds. When Fuel is glucose, an enzyme containing at least glucose dehydrogenase (GDH) is used.

生物由来の燃料(Fuel)がD−グルコース−6−フォスフェートの場合は、少なくともD−グルコース−6−フォスフェートデヒドロゲナーゼ(G−6−PDH)あるいは、少なくともG−6−PDHと6−フォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(6−PGDH)を含む酵素が用いられる。Fuelがメチルアルコールの場合は、少なくともアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)を含む酵素、ADHとアルデヒドデヒドロゲナーゼ(ALDH)を少なくとも含む酵素、あるいはADHとALDHとフォルメートデヒドロゲナーゼ(FDH)を少なくとも含む酵素が用いられる。Fuelがエチルアルコールの場合は、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)を少なくとも含む酵素あるいは、ADHとアルデヒドデヒドロゲナーゼ(ALDH)を少なくとも含む酵素が用いられる。また、複数種の燃料を含む場合は、それぞれの燃料に応じた酵素を混合して用いられる。   When the biological fuel (Fuel) is D-glucose-6-phosphate, at least D-glucose-6-phosphate dehydrogenase (G-6-PDH) or at least G-6-PDH and 6-phosphate are used. Enzymes including gluconate dehydrogenase (6-PGDH) are used. When Fuel is methyl alcohol, an enzyme containing at least alcohol dehydrogenase (ADH), an enzyme containing at least ADH and aldehyde dehydrogenase (ALDH), or an enzyme containing at least ADH, ALDH and formate dehydrogenase (FDH) is used. When Fuel is ethyl alcohol, an enzyme containing at least alcohol dehydrogenase (ADH) or an enzyme containing at least ADH and aldehyde dehydrogenase (ALDH) is used. In addition, when a plurality of types of fuel are included, enzymes corresponding to the respective fuels are mixed and used.

以下、本発明を、実施例によって具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.

(実施例1)
本発明の一実施例である生物燃料電池の構成を図2に示す。生物燃料電池は、発電セル(1)とバクテリア培養器(2)と細胞壁破砕機(3)とを備えている。発電セル(1)は、光触媒電極(11)、空気極(12)、電解質(13)、隔膜(14)、供給口(15)、排出口(16)、と光源(17)とから構成される。バクテリア培養器(2)で培養したバクテリア(10)は、細胞膜破砕機(3)で細胞膜が破砕されたのち細胞壁破砕バクテリア(10a)として発電セル(1)の隔膜(14)で仕切られた光触媒電極側のセル(図2の左側のセル)に供給される。燃料は供給口(15)から光触媒電極側に供給される。隔膜(14)で仕切られた空気極側には空気が供給される。光源(17)から光触媒電極(11)を光照射することで発電が始まる。
Example 1
A configuration of a biofuel cell according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The biofuel cell includes a power generation cell (1), a bacterial incubator (2), and a cell wall crusher (3). The power generation cell (1) includes a photocatalyst electrode (11), an air electrode (12), an electrolyte (13), a diaphragm (14), a supply port (15), a discharge port (16), and a light source (17). The The bacteria (10) cultivated in the bacterial incubator (2) is a photocatalyst separated by the diaphragm (14) of the power generation cell (1) as the cell wall disrupted bacteria (10a) after the cell membrane is crushed by the cell membrane crusher (3). It is supplied to the cell on the electrode side (the left cell in FIG. 2). Fuel is supplied from the supply port (15) to the photocatalytic electrode side. Air is supplied to the air electrode side partitioned by the diaphragm (14). Power generation starts by irradiating the photocatalytic electrode (11) with light from the light source (17).

光触媒電極(11)は、光照射により還元体と電子を発生する化合物として、ポルフィリン構造を有する化合物、5−(4−カルボキシフェニル)−10,15,20−(4−メチルフェニル)ポルフィリン(P1a、構造は化1の通り)から作製された。より詳細には、厚さ1mmのガラス基板上に表面抵抗が10オーム/cm2のインジウム・錫酸化物(ITO)薄膜が形成された光透過性導電性基板を用意し、平均粒径が10nmの酸化錫(SnO2)粒子を11重量%分散したポリエチレングリコールを30重量%含むアセトニトリル溶液を、浸漬法によりITO薄膜上に塗布し、80℃で乾燥したのち、空気中で400℃で1時間焼成することで厚さ約10μmのSnO2微粒子膜を形成した。次に、P1aを10mM溶解したエタノール溶液にSnO2微粒子膜を1時間浸漬したのち引き上げ、乾燥した温風でエタノールを散逸させP1aをSnO2微粒子薄膜に沈着させることにより、光触媒電極(11)を作製した。 The photocatalytic electrode (11) is a compound having a porphyrin structure, 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20- (4-methylphenyl) porphyrin (P1a) as a compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light. The structure was as shown in Chemical Formula 1). More specifically, a light-transmitting conductive substrate in which an indium tin oxide (ITO) thin film having a surface resistance of 10 ohm / cm 2 is formed on a glass substrate having a thickness of 1 mm is prepared, and an average particle size is 10 nm. An acetonitrile solution containing 30% by weight of polyethylene glycol in which 11% by weight of tin oxide (SnO 2 ) particles was dispersed was applied on the ITO thin film by a dipping method, dried at 80 ° C., and then in air at 400 ° C. for 1 hour. By firing, a SnO 2 fine particle film having a thickness of about 10 μm was formed. Next, the SnO 2 fine particle film is immersed in an ethanol solution in which P1a is dissolved in 10 mM for 1 hour and then lifted, and ethanol is dissipated with dry hot air to deposit P1a on the SnO 2 fine particle thin film, thereby forming the photocatalytic electrode (11). Produced.

空気極(12)は、Mn2O3粉末、活性炭粉末、アセチレンブラック粉末、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダーの混合物をニッケルめっきした厚さ0.2mmのステンレス網に保持させて作製された。   The air electrode (12) was prepared by holding a mixture of Mn2O3 powder, activated carbon powder, acetylene black powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) binder on a nickel-plated stainless steel net having a thickness of 0.2 mm.

バクテリア(10)としては、醸造用イースト(Brewer's Yeast)を用いた。細胞壁破砕機(3)は、直径10mmの回転刃を備えたホモジナイザーを用いた。   As bacteria (10), Brewer's Yeast was used. The cell wall crusher (3) used a homogenizer equipped with a rotary blade having a diameter of 10 mm.

電解質(13)としては、0.1Mりん酸緩衝溶液(pH7.4)を用いた。   As the electrolyte (13), a 0.1 M phosphate buffer solution (pH 7.4) was used.

生物由来の燃料として、グルコースを用いた。隔膜(14)で仕切られた光触媒電極側の電解質(13)中のグルコース濃度が200mMとなるようにグルコースを発電セル(1)に供給した。   Glucose was used as a biological fuel. Glucose was supplied to the power generation cell (1) such that the glucose concentration in the electrolyte (13) on the photocatalyst electrode side partitioned by the diaphragm (14) was 200 mM.

隔膜(14)としては、デュポン社製のナフィオン117膜を用いた。   As the diaphragm (14), a Nafion 117 membrane manufactured by DuPont was used.

(発電セルの出力特性)
図3は、発電セル(1)に、キセノンランプからなる光源(17)から波長が520nmの光を照射した際に得られた発電セル(1)の出力特性を示している。図3中、曲線(a)は細胞壁を破砕したバクテリアを用い光照射した際に得られた出力特性である。曲線(b)は、細胞壁破砕機を通さないバクテリアを用い光照射した際に得られた出力特性である。曲線(c)は、細胞壁を破砕したバクテリアを用い、光照射しない際に得られた出力特性である。また、細胞壁を破砕したバクテリアを用い、光触媒電極(11)に代えてグラッシーカーボン電極を用い光照射しない場合も、曲線(c)の特性を若干上回るもののほぼ同程度の出力特性が得られた。
(Output characteristics of power generation cell)
FIG. 3 shows the output characteristics of the power generation cell (1) obtained when the power generation cell (1) is irradiated with light having a wavelength of 520 nm from the light source (17) made of a xenon lamp. In FIG. 3, curve (a) is an output characteristic obtained when light is irradiated using bacteria with disrupted cell walls. Curve (b) is an output characteristic obtained when light is irradiated using bacteria that do not pass through a cell wall crusher. Curve (c) shows the output characteristics obtained when using bacteria with disrupted cell walls and without light irradiation. In addition, when bacteria having broken cell walls were used and a glassy carbon electrode was used instead of the photocatalyst electrode (11) and no light was irradiated, the output characteristics were almost the same although slightly exceeding the characteristics of the curve (c).

細胞壁を破砕したバクテリアを光触媒電極と組み合わせて用いることで、光触媒電極の見かけの単位面積あたり1mW/cm2を越える発電出力(曲線(a))を得ることができる。細胞壁を破砕しないバクテリアを光触媒電極と組み合わせた場合は、発電出力は小さくなる(曲線(b))が、細胞壁を破砕したバクテリアを光照射しない電極と組み合わせた場合(曲線(c))に較べ、はるかに大きな発電出力が得られる。 By using bacteria with disrupted cell walls in combination with a photocatalytic electrode, a power generation output (curve (a)) exceeding 1 mW / cm 2 per apparent unit area of the photocatalytic electrode can be obtained. When bacteria that do not disrupt the cell wall are combined with the photocatalytic electrode, the power generation output is small (curve (b)), but compared to when the bacteria that disrupt the cell wall are combined with the electrode that does not irradiate light (curve (c)), A much larger power output can be obtained.

なお、本実施例では、酸化物半導体として酸化錫(SnO2)を用いたが、同様な評価を、SnO2微粒子膜に代えて、TiO2、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性が得られた。 In this example, tin oxide (SnO 2 ) was used as the oxide semiconductor, but the same evaluation was performed using a TiO 2 , ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the SnO 2 fine particle film. As a result, almost the same output characteristics of the power generation cell were obtained. Further, when P2, P3, P4, and P5 shown in Chemical formulas 2 to 5 are used instead of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, substantially the same power generation cell characteristics were obtained.

Figure 2006085911
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(実施例2)
バクテリアとして醸造用イーストに代えて細胞壁を破砕した大腸菌(E. Coli K12)を用い、生物由来の燃料としてのエチルアルコール(光触媒電極側の電解質中の濃度が1重量%)を用いた以外は、実施例1と同様にして生物燃料電池を構成し、発電セルの出力特性の評価を行った。
バクテリアセル(大腸菌)の量を少ない(電解質の濁度が0.2度)から多い(電解質の濁度が2.0度)の範囲で段階的に変化させた際の発電セルの電圧と出力電流との関係を図4に示す。バクテリアセルの量に従って、発電セルの特に出力電流の大きさが大きく変化し、バクテリアセルが負極の反応に直接関与し、発電セルを動作させていることが分かる。
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(Example 2)
Except for using E. Coli K12 (E. Coli K12) with crushed cell walls instead of yeast for brewing as bacteria, and using ethyl alcohol (concentration in the electrolyte on the photocatalytic electrode side is 1% by weight) as a biological fuel, A biofuel cell was constructed in the same manner as in Example 1, and the output characteristics of the power generation cell were evaluated.
Voltage and output of the power generation cell when the amount of bacterial cells (E. coli) is changed stepwise from low (electrolyte turbidity 0.2 degree) to high (electrolyte turbidity 2.0 degree) FIG. 4 shows the relationship with current. It can be seen that the magnitude of the output current of the power generation cell changes greatly according to the amount of the bacterial cell, and the bacterial cell is directly involved in the reaction of the negative electrode to operate the power generation cell.

なお、本実施例では、酸化物半導体として酸化錫(SnO2)を用いたが、同様な評価を、SnO2微粒子膜に代えて、TiO2、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性が得られた。 In this example, tin oxide (SnO 2 ) was used as the oxide semiconductor, but the same evaluation was performed using a TiO 2 , ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the SnO 2 fine particle film. As a result, almost the same output characteristics of the power generation cell were obtained. Further, when P2, P3, P4, and P5 shown in Chemical formulas 2 to 5 are used instead of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, substantially the same power generation cell characteristics were obtained.

(実施例3)
バクテリアとして醸造用イーストに代えて金属イオン還元バクテリア(Rhodoferax ferrireducens)を用い、生物由来の燃料としてメチルアルコール(光触媒電極側の電解質中の濃度が1.5重量%)を用いた以外は、実施例1と同様にして生物燃料電池を構成し、発電セルの出力特性の評価を行った。細胞壁を破砕したバクテリア、破砕しないバクテリアについて光照射した際、光照射しない場合について図3に示す曲線(a)、曲線(b)、曲線(c)とほぼ同様の出力特性が得られた。
(Example 3)
Example except that metal ion-reducing bacteria (Rhodoferax ferrireducens) were used as bacteria instead of brewing yeast, and methyl alcohol (concentration in the electrolyte on the photocatalyst electrode side was 1.5% by weight) was used as the biofuel. A biofuel cell was constructed in the same manner as in Example 1, and the output characteristics of the power generation cell were evaluated. When light irradiation was performed on bacteria whose cell walls were crushed and bacteria that were not crushed, the output characteristics almost the same as the curves (a), (b), and (c) shown in FIG. 3 were obtained when no light was irradiated.

また、本実施例では、酸化物半導体として酸化錫(SnO2)を用いたが、同様な評価を、SnO2微粒子膜に代えて、TiO2、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性を得た。 In this example, tin oxide (SnO 2 ) was used as the oxide semiconductor, but the same evaluation was performed using a TiO 2 , ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the SnO 2 fine particle film. As a result, almost the same output characteristics of the power generation cell were obtained. Further, even when P2, P3, P4, and P5 shown in Chemical Formula 2 to Chemical Formula 5 were used in place of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, substantially the same power generation cell characteristics were obtained.

(実施例4)
バクテリアとして醸造用イーストに代えて細胞壁が破砕されたセルロース分解菌(Fibrobacter succinogenes)を用い、生物由来の燃料としてデンプン(光触媒電極側の電解質中の濃度が50mM)を用いた以外は、実施例1と同様にして生物燃料電池を構成し、発電セルの出力特性の評価を行った。図3に示す曲線(a)とほぼ同様の出力特性が得られた。
Example 4
Example 1 except that cell-degrading cellulolytic bacteria (Fibrobacter succinogenes) were used as bacteria instead of brewing yeast, and starch (concentration in the electrolyte on the photocatalytic electrode side was 50 mM) was used as the biofuel. A biofuel cell was constructed in the same manner as described above, and the output characteristics of the power generation cell were evaluated. An output characteristic almost similar to that of the curve (a) shown in FIG. 3 was obtained.

また、本実施例では、酸化物半導体として酸化錫(SnO2)を用いたが、同様な評価を、SnO2微粒子膜に代えて、TiO2、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性を得た。 In this example, tin oxide (SnO 2 ) was used as the oxide semiconductor, but the same evaluation was performed using a TiO 2 , ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the SnO 2 fine particle film. As a result, almost the same output characteristics of the power generation cell were obtained. Further, even when P2, P3, P4, and P5 shown in Chemical Formula 2 to Chemical Formula 5 were used in place of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, substantially the same power generation cell characteristics were obtained.

(実施例5)
バクテリアとして醸造用イーストに代えて細胞壁が破砕されたセルロース分解菌(Fibrobacter succinogenes)を用い、生物由来の燃料としてデンプン(光触媒電極側の電解質中の濃度が50mM)を用い、酸化物半導体としてSnO2微粒子膜に代えてTiO2微粒子膜を用い、さらに、正極として平均直径が5nmの白金微粒子を全体に対して43wt%の割合でカーボンブラック担体上に分散担持した粉末をフッ素樹脂と混合してペースト状としカーボン繊維不織布に塗着して作製した水素極を用いた以外は、実施例1と同様にして生物燃料電池を構成し、発電セルの出力特性の評価、ならびに正極からの水素ガス生成特性の評価を行った。
(Example 5)
Cellulose-degrading bacteria (Fibrobacter succinogenes) whose cell walls have been crushed are used as bacteria instead of brewing yeast, starch (concentration in the electrolyte on the photocatalyst electrode side is 50 mM) is used as the biofuel, and SnO 2 is used as the oxide semiconductor. In place of the fine particle film, a TiO 2 fine particle film is used, and further, a paste in which platinum fine particles having an average diameter of 5 nm as a positive electrode are dispersed and supported on a carbon black carrier at a ratio of 43 wt% with respect to the whole is mixed with a fluororesin. A biofuel cell was constructed in the same manner as in Example 1 except that a hydrogen electrode prepared by coating on a carbon fiber nonwoven fabric was used, and the output characteristics of the power generation cell were evaluated, and the hydrogen gas generation characteristics from the positive electrode Was evaluated.

キセノンランプ光源の光の紫外域ならびに赤外域をカットした波長域が460〜1100nmの光を負極に照射した。光照射と同時に正極と負極間に0.17Vの起電力が発生した。正極と負極を短絡させると正極から水素ガスの気泡が連続的に発生した。水素ガスの発生量は光照射の時間に比例して増大した。燃料のデンプンを添加しないと、一時的に起電力は発生し水素ガスの気泡の発生は起こるが、連続的な発生は起こらないことから。デンプンが燃料として働いていることが分かる。光触媒電極とセルロース分解菌の作用によりデンプンの酸化により負極側に発生した電子が正極側で水およびプロトンの還元に用いられて水素ガスが発生している。すなわち、本発明の生物燃料電池を用いると、電力が得られるだけでなく、生物由来の燃料物質であるデンプンから水素ガス燃料を得ることができる。   The negative electrode was irradiated with light having a wavelength range of 460 to 1100 nm obtained by cutting the ultraviolet region and infrared region of the xenon lamp light source. Simultaneously with the light irradiation, an electromotive force of 0.17 V was generated between the positive electrode and the negative electrode. When the positive electrode and the negative electrode were short-circuited, hydrogen gas bubbles were continuously generated from the positive electrode. The amount of hydrogen gas generated increased in proportion to the time of light irradiation. If the starch of fuel is not added, an electromotive force is temporarily generated and hydrogen gas bubbles are generated, but continuous generation does not occur. You can see that starch works as a fuel. Electrons generated on the negative electrode side due to the oxidation of starch by the action of the photocatalytic electrode and cellulose-degrading bacteria are used for the reduction of water and protons on the positive electrode side to generate hydrogen gas. That is, when the biofuel cell of the present invention is used, not only electric power can be obtained, but also hydrogen gas fuel can be obtained from starch, which is a biofuel material.

本実施例では、酸化物半導体として酸化チタン(TiO2)を用いたが、同様な評価を、TiO2微粒子膜に代えて、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性ならびに水素ガス生成特性を得た。 In this example, titanium oxide (TiO 2 ) was used as the oxide semiconductor. However, when similar evaluation was performed using ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the TiO 2 fine particle film, almost the same results were obtained. Similar power cell output characteristics were obtained. Further, even when P2, P3, P4, and P5 shown in chemical formulas 2 to 5 are used in place of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, almost the same power generation cell characteristics and hydrogen gas generation characteristics were obtained. .

(実施例6)
バクテリアとして醸造用イーストに代えて細胞壁が破砕されたセルロース分解菌(Fibrobacter succinogenes)を用い、生物由来の燃料としてデンプン(光触媒電極側の電解質中の濃度が50mM)を用い、酸化物半導体としてSnO2微粒子膜に代えてTiO2微粒子膜を用い、さらに、正極としてランソウから抽出した酵素ヒドロゲナーゼおよびメチルビオロゲンをポリL−リジンにより金電極表面上に固定することで作製した水素極を用いた以外は、実施例1と同様にして生物燃料電池を構成し、発電セルの出力特性の評価、ならびに正極からの水素ガス生成特性の評価を行った。
Example 6
Cellulose-degrading bacteria (Fibrobacter succinogenes) whose cell walls have been crushed are used as bacteria instead of brewing yeast, starch (concentration in the electrolyte on the photocatalyst electrode side is 50 mM) is used as the biofuel, and SnO 2 is used as the oxide semiconductor. Instead of using a TiO 2 fine particle film instead of the fine particle film, and using a hydrogen electrode prepared by fixing enzyme hydrogenase and methyl viologen extracted from ransow on the gold electrode surface with poly L-lysine as the positive electrode, A biofuel cell was constructed in the same manner as in Example 1, and the output characteristics of the power generation cell and the hydrogen gas generation characteristics from the positive electrode were evaluated.

キセノンランプ光源の光の紫外域ならびに赤外域をカットした波長域が460〜1100nmの光を負極に照射した。光照射と同時に正極と負極間に0.13Vの起電力が発生した。正極と負極を短絡させると正極から水素ガスの気泡が連続的に発生した。水素ガスの発生量は光照射の時間に比例して増大した。燃料のデンプンを添加しないと、一時的に起電力は発生し水素ガスの気泡の発生は起こるが、連続的な発生は起こらないことから。デンプンが燃料として働いていることが分かる。光触媒電極とセルロース分解菌の作用によりデンプンの酸化により負極側に発生した電子が正極側でプロトンの還元に用いられて水素ガスが発生している。すなわち、本発明の生物燃料電池を用いると、電力が得られるだけでなく、生物由来の燃料物質であるデンプンから水素ガス燃料を得ることができる。   The negative electrode was irradiated with light having a wavelength range of 460 to 1100 nm obtained by cutting the ultraviolet region and infrared region of the xenon lamp light source. Simultaneously with the light irradiation, an electromotive force of 0.13 V was generated between the positive electrode and the negative electrode. When the positive electrode and the negative electrode were short-circuited, hydrogen gas bubbles were continuously generated from the positive electrode. The amount of hydrogen gas generated increased in proportion to the time of light irradiation. If starch of fuel is not added, an electromotive force is temporarily generated and hydrogen gas bubbles are generated, but continuous generation does not occur. You can see that starch works as a fuel. Electrons generated on the negative electrode side due to the oxidation of starch by the action of the photocatalyst electrode and cellulose-degrading bacteria are used for proton reduction on the positive electrode side to generate hydrogen gas. That is, when the biofuel cell of the present invention is used, not only electric power can be obtained, but also hydrogen gas fuel can be obtained from starch, which is a biofuel material.

本実施例では、酸化物半導体として酸化チタン(TiO2)を用いたが、同様な評価を、TiO2微粒子膜に代えて、ZnO、TiO2・WO3微粒子膜を用いて行ったところ、ほぼ同様の発電セルの出力特性を得た。また、光照射により還元体と電子を発生する化合物としてP1aに代わり、化2から化5に示すP2、P3、P4、P5を用いてもほぼ同様の発電セル特性ならびに水素ガス生成特性を得た。 In this example, titanium oxide (TiO 2 ) was used as the oxide semiconductor. However, when similar evaluation was performed using ZnO, TiO 2 · WO 3 fine particle film instead of the TiO 2 fine particle film, almost the same results were obtained. Similar power cell output characteristics were obtained. Further, even when P2, P3, P4, and P5 shown in chemical formulas 2 to 5 are used in place of P1a as a compound that generates a reductant and electrons by light irradiation, almost the same power generation cell characteristics and hydrogen gas generation characteristics were obtained. .

本発明によれば、生物由来の燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーとして有効に利用することができる。さらに、電気エネルギーを得ると同時に有用な燃料物質である水素を得ることができる。   According to the present invention, the chemical energy of biological fuel can be effectively used as direct electrical energy. Furthermore, hydrogen, which is a useful fuel material, can be obtained simultaneously with obtaining electric energy.

本発明の生体細胞(Cell)、光照射により還元体(S*)と電子(e−)を発生する化合物(S)、生物由来の燃料(Fuel)を用いた生物燃料電池の発電原理を示す模式図The power generation principle of a biofuel cell using a living cell (Cell) of the present invention, a compound (S) that generates a reductant (S *) and an electron (e−) by light irradiation, and a biofuel (Fuel) is shown. Pattern diagram 本発明の実施例において発電セルの出力特性評価に用いた生物燃料電池の構成を示す図The figure which shows the structure of the biofuel cell used for the output characteristic evaluation of the power generation cell in the Example of this invention. 本発明の実施例における発電セルの出力特性を示す図The figure which shows the output characteristic of the electric power generation cell in the Example of this invention 本発明の実施例における発電セルの出力特性を示す図The figure which shows the output characteristic of the electric power generation cell in the Example of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 発電セル
2 バクテリア培養器
3 細胞壁破砕機
10 バクテリア
10a 細胞壁破砕バクテリア
11 光触媒電極(負極)
12 空気極(正極)
13 電解質
14 隔膜
15 供給口
16 排出口
17 光源


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation cell 2 Bacteria incubator 3 Cell wall crusher 10 Bacteria 10a Cell wall crushing bacteria 11 Photocatalyst electrode (negative electrode)
12 Air electrode (positive electrode)
13 Electrolyte 14 Membrane 15 Supply Port 16 Discharge Port 17 Light Source


Claims (7)

電解質を介して設けた正極および負極を有し、前記負極の反応が、光照射により還元体と電子を発生する化合物および、該還元体分子に物質代謝系を使って炭素化合物よりなる生物由来の燃料を酸化して電子を供給する生体細胞を介して、前記炭素化合物よりなる生物由来の燃料から電子を電気化学的に外部電気回路に取り出す酸化反応であることを特徴とする生物燃料電池。   A positive electrode and a negative electrode provided via an electrolyte, wherein the reaction of the negative electrode is a compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light, and a biological compound comprising a carbon compound using a substance metabolism system for the reductant molecule. A biofuel cell characterized in that it is an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from an organism-derived fuel comprising the carbon compound to an external electric circuit via a living cell that oxidizes fuel and supplies electrons. 前記生体細胞が、部分的に細胞壁が破砕されていることを特徴とする請求項1記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1, wherein a cell wall of the living cell is partially crushed. 光照射により還元体と電子を発生する化合物が、酸化物半導体上に配置され、光の波長300nmから1000nmの間に単一あるいは複数の光吸収ピークを有し、光照射により発生した電子が酸化物半導体を介して外部電気回路に導かれることを特徴とする請求項1あるいは2記載の生物燃料電池。   A compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light is disposed on the oxide semiconductor, has a single or a plurality of light absorption peaks between the wavelength of light of 300 nm and 1000 nm, and the electron generated upon irradiation with light is oxidized. 3. The biofuel cell according to claim 1, wherein the biofuel cell is led to an external electric circuit through a physical semiconductor. 光照射により還元体と電子を発生する化合物が、化1で示されるポルフィリン構造を有する色素(P1)であることを特徴とする請求項3記載の生物燃料電池。
Figure 2006085911
4. The biofuel cell according to claim 3, wherein the compound that generates a reductant and an electron upon irradiation with light is a dye (P1) having a porphyrin structure represented by Chemical Formula 1.
Figure 2006085911
生物由来の燃料がデンプン、グルコース、メチルアルコール、エチルアルコールを少なくとも含むことを特徴とする請求項1あるいは2記載の生物燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1 or 2, wherein the biological fuel contains at least starch, glucose, methyl alcohol, and ethyl alcohol. 正極が、空気中あるいは電解質中の酸素を還元する酸素極であることを特徴とする請求項1から5記載の生物燃料電池。   6. The biofuel cell according to claim 1, wherein the positive electrode is an oxygen electrode that reduces oxygen in the air or electrolyte. 正極が、電解質中のプロトンあるいは水を還元する水素極であることを特徴とする請求項1から5記載の生物燃料電池。

6. The biofuel cell according to claim 1, wherein the positive electrode is a hydrogen electrode that reduces protons or water in the electrolyte.

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