專利名稱:生物燃料電池燃料供應(yīng)體和生物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及對(duì)生物燃料電池供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)體(fuel supply body)以及生物燃料電池系統(tǒng)。特別地,本發(fā)明涉及使用氧化還原酶的生物燃料電池系統(tǒng)及其燃料供應(yīng)體。
背景技術(shù):
使用氧化還原酶作為反應(yīng)催化劑的生物燃料電池可以有效地從普通エ業(yè)催化劑不使用的燃料如葡萄糖或こ醇提取電子并由此作為具有高容量和安全性的下一代燃料電池而引起了注意。圖10是示意性地示出了使用酶的生物燃料電池的發(fā)電原理的圖。如果例如如圖10中所示,生物燃料電池使用葡萄糖作為燃料,則負(fù)極(陽(yáng)極)101通過(guò)固定在其表面上的酶而分解葡萄糖以提取電子(e_)并還產(chǎn)生質(zhì)子(H+)。 正極(陰極)102由通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體103從負(fù)極101輸送的質(zhì)子(H+)、通過(guò)外部電路而傳送的電子(e_)和例如空氣中的氧(O2)而產(chǎn)生水(H2O)。然后,在同時(shí)發(fā)生的負(fù)極和正極的這些反應(yīng)的情況下,在負(fù)極和正極之間產(chǎn)生電能。另ー方面,燃料電池可以通過(guò)供應(yīng)附加燃料而長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)產(chǎn)生電力,并由此提出了各種燃料供應(yīng)盒· ·參見(jiàn)例如,日本專利申請(qǐng)?zhí)?002-270210,日本專利申請(qǐng)?zhí)?003-123821和日本專利申請(qǐng)?zhí)?005-011613)。例如,日本專利申請(qǐng)?zhí)?002-270210和日本專利申請(qǐng)?zhí)?003-123821中所描述的燃料電池盒(fuel cell cartridge)被構(gòu)造為通過(guò)生物化學(xué)催化劑如微生物將含氧的烴內(nèi)部分解并將產(chǎn)生的氫供應(yīng)至燃料電池。日本專利申請(qǐng)?zhí)?005-011613中所描述的燃料盒設(shè)法通過(guò)采用能夠提取內(nèi)部殘余燃料的構(gòu)造而在處理期間促進(jìn)安全性。
發(fā)明內(nèi)容
然而,對(duì)于如在日本專利申請(qǐng)?zhí)?002-270210、日本專利申請(qǐng)?zhí)?003-123821和日本專利申請(qǐng)?zhí)?005-011613中所描述的使用氫或甲醇的用于燃料電池的燃料盒(fuelcartridges),必須利用堅(jiān)固的外殼將燃料儲(chǔ)存部(fuel reservoir portion)氣密地封住并在使用的同時(shí)必須確保安全性時(shí)將燃料僅供應(yīng)至發(fā)電單元。因此,這種現(xiàn)有的用于燃料電池的燃料盒具有非常低可用性的問(wèn)題。另外,現(xiàn)有的盒具有大比例的對(duì)發(fā)電沒(méi)有貢獻(xiàn)的用于堅(jiān)固外殼等的部分,從而導(dǎo)致盒的低能量容量密度的問(wèn)題。而且,現(xiàn)有的盒花費(fèi)大量的時(shí)間和努力來(lái)丟棄或回收所用的盒,從而導(dǎo)致低可用性的問(wèn)題。期望的是,本發(fā)明提供具有高可用性和大能量容量的生物燃料電池燃料供應(yīng)體(bio-fuel cell fuel supply body)以及生物燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的生物燃料電池燃料供應(yīng)體部分或完全由具有生物聚合物(生物高分子)作為主要成分的材料形成并且代謝分解生物聚合物的生物催化劑被容納在生物燃料電池燃料供應(yīng)體中或者被固定至其上。
在本發(fā)明中,生物燃料電池燃料供應(yīng)體部分或完全由生物聚合物形成并且分解生物聚合物的生物催化劑被容納在生物燃料電池燃料供應(yīng)體中或者被固定至其上,因此,在必要時(shí),可以通過(guò)生物催化劑將生物聚合物分解。所述燃料供應(yīng)體(fuel supply body)包括例如其中容納有燃料的燃料容納部和其中容納有生物催化劑的生物催化劑容納部,其中所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部可以由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成。在所述情況下,可以獨(dú)立地設(shè)置燃料容納部和生物催化劑容納部。如果燃料處于固體狀態(tài),則所述燃料容納部還可以充當(dāng)生物催化劑容納部。另ー方面,可以以非活性狀態(tài)容納或固定所述生物催化劑。所述生物聚合物是例如碳水化合物。
而且,如果所述生物聚合物是纖維素,則可以將纖維素酶用作所述生物催化劑。如果所述生物聚合物是淀粉,則可以將淀粉酶用作所述生物催化劑。如果所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部由具有與燃料的生物聚合物不同的生物聚合物作為主要成分的材料形成,則可以在所述生物催化劑容納部中容納代謝分解作為材料主要成分的生物聚合物的第一生物催化劑和代謝分解在燃料中包含的生物聚合物的第二催化劑。根據(jù)本發(fā)明的生物燃料電池系統(tǒng)包括上述燃料供應(yīng)體和生物燃料電池,所述生物燃料電池包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,其中將燃料和/或生物催化劑從所述燃料供應(yīng)體供應(yīng)至所述生物燃料電池并且還將所述燃料供應(yīng)體自身用作燃料。在所述系統(tǒng)中,所述生物燃料電池可以設(shè)置有燃料儲(chǔ)存部,其包括切割、破裂或粉碎所述燃料供應(yīng)體的機(jī)構(gòu),并且在所述情況下,所述燃料供應(yīng)體在所述燃料儲(chǔ)存部中分解。另ー方面,根據(jù)本發(fā)明的另ー種生物燃料電池系統(tǒng)包括燃料供應(yīng)體和生物燃料電池,所述燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成,所述生物燃料電池至少包括發(fā)電單元和燃料重整單元(燃料改質(zhì)單元,fuel reforming unit),所述發(fā)電單元包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,所述燃料重整單元將一次燃料重整為能夠放出電子的二次燃料,其中分解構(gòu)成所述燃料供應(yīng)體的所述生物聚合物的生物催化劑被容納在所述生物燃料電池的所述燃料重整単元中或者被固定至其上。根據(jù)本發(fā)明,燃料供應(yīng)體可以被生物催化劑代謝分解,由此,提高了可用性且還可以提高能量容量。
圖I是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體的構(gòu)造的圖;圖2是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的其中將燃料5的顆粒和生物催化劑6的顆粒混合并容納在燃料供應(yīng)體中的狀態(tài)的圖;圖3是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的其中在燃料供應(yīng)體中將生物催化劑6夾在燃料5之間的狀態(tài)的圖;圖4是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的其中在燃料供應(yīng)體中將生物催化劑6包含在燃料5中的狀態(tài)的圖;圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的通過(guò)在生物燃料電池系統(tǒng)中使用吸附劑而將除生物聚合物以外的成分分離的方法的示意圖;圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的通過(guò)生物燃料電池系統(tǒng)中的電場(chǎng)而將除生物聚合物以外的成分分離的方法的示意圖;圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的通過(guò)生物燃料電池系統(tǒng)中的磁場(chǎng)而將除生物聚合物以外的成分分離的方法的示意圖;圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的通過(guò)生物燃料電池系統(tǒng)中的低極性有機(jī)溶劑而將除生物聚合物以外的成分分離的方法的示意圖;圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的用于生物燃料電池系統(tǒng)中的生物燃料電池的燃料重整器的構(gòu)造的示意圖;以及圖10是示意性地示出了使用酶的生物燃料電池的發(fā)電原理的圖。
具體實(shí)施例方式在下文中,將參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)注意,在本說(shuō)明書(shū)和附圖中,以相同的參考標(biāo)號(hào)表示具有基本相同功能和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件(結(jié)構(gòu)要素),并且省略這些結(jié)構(gòu)元件的重復(fù)說(shuō)明。下面將參考附圖詳細(xì)地描述實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方式。然而,本發(fā)明不限于下面示出的各實(shí)施方式。將以下面示出的順序提供描述。I.第一實(shí)施方式(設(shè)置有燃料容納部和生物催化劑容納部的燃料供應(yīng)體的實(shí)例)2.第二實(shí)施方式(其中不單獨(dú)設(shè)置生物催化劑容納部的燃料供應(yīng)體的實(shí)例)3.第三實(shí)施方式(使用包含生物催化劑的燃料供應(yīng)體的生物燃料電池系統(tǒng)的實(shí)例)4.第四實(shí)施方式(其中將生物催化劑容納在電池中或者固定至其上的生物燃料電池系統(tǒng)的實(shí)例)〈I.第一實(shí)施方式>[燃料供應(yīng)體的總體構(gòu)造]首先,將描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的生物燃料電池燃料供應(yīng)體。圖I是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體的構(gòu)造的圖。如圖I中所示,本實(shí)施方式中的燃料供應(yīng)體I設(shè)置有其中容納了燃料5的燃料容納部2、用于將燃料5供應(yīng)至燃料電池的燃料供應(yīng)孔3和其中容納有生物催化劑6的生物催化劑容納部4。[燃料容納部2]燃料容納部2由包含生物聚合物作為主要成分的材料形成并且在其中容納燃料5。本文中的燃料5是指燃料成分如糖、醇、醛、脂類(lèi)(脂質(zhì))和蛋白質(zhì)或包含這些燃料成分中的至少ー種的溶液。更具體地,糖如葡萄糖、果糖和山梨糖,醇如甲醇、こ醇、丙醇、甘油和聚こ烯醇,醛如甲醛和こ酸,以及有機(jī)酸如こ酸、甲酸和丙酮酸。另外,還可以將作為葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物的脂肪、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸用作燃料成分。燃料5的形式?jīng)]有具體限制,并且可以使用各種形式如液體、粉末和固體燃料。另ー方面,構(gòu)成燃料容納部2的生物聚合物包括例如糖(碳水化合物)如葡萄糖、果糖、麥芽糖和纖維素,蛋白質(zhì)(酶和肽)如酪蛋白、膠原蛋白、角蛋白和絲蛋白(絲心蛋白),核酸如DNA和RNA,以及生物可降解的聚合物如聚乳酸。在這些生物聚合物中,優(yōu)選使用碳水化合物,特別地,淀粉和纖維素是合適的。構(gòu)成燃料容納部2的生物聚合物可以與燃料5中包含的生物聚合物相同或者可以使用與燃料5中包含的生物聚合物不同的生物聚合物。而且,可以混合并使用多種生物聚合物。如果燃料容納部2由吸濕材料如纖維素形成,則液體燃料5可能從燃料容納部2泄漏或者固體或粉末燃料5可能在外部潤(rùn)濕條件下被滲透的水分劣化。因此,燃料容納部2期望地具有防水性能。對(duì)燃料容納部2提供防水性能的方法沒(méi)有特別限制,并且如果燃料容納部2由例如纖維素形成,則可以通過(guò)提高質(zhì)量密度來(lái)減少通過(guò)其滲透水分的孔,而且,可以將疏水涂層施加至燃料容納部2的表面(或內(nèi)表面和外表面)。通過(guò)利用疏水蛋白質(zhì)膜涂布表面,整個(gè)燃料容納部2可以由生物可降解的材料形、成。通過(guò)以這種方式提高燃料容納部2的防水性能,可以防止因蠕蟲(chóng)和真菌的侵?jǐn)_而造成的燃料5的劣化。[燃料供應(yīng)孔3]燃料供應(yīng)孔3用于輸入/輸出燃料5并且當(dāng)將在燃料容納部2中容納的燃料5供應(yīng)至生物燃料電池時(shí)使用燃料供應(yīng)孔3,燃料容納部2再次填充燃料5,或者回收生物燃料電池中的廢液。燃料供應(yīng)孔3可以被開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)(切換機(jī)構(gòu))(未示出)可選地打開(kāi)/關(guān)閉。開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造沒(méi)有特別限制,并且例如可以考慮其中在燃料容納部2的一部分中設(shè)置切割線并通過(guò)壓制所述部分而將燃料供應(yīng)孔3打開(kāi)的構(gòu)造,或者其中利用紙或塑料材料(塑性材料)將燃料供應(yīng)孔3密封的構(gòu)造。根據(jù)本實(shí)施方式,燃料供應(yīng)孔3在燃料供應(yīng)體I中通常是關(guān)閉的并且僅當(dāng)輸入或輸出燃料5時(shí)打開(kāi)。因此,防止了水分的滲透或蠕蟲(chóng)和真菌的侵?jǐn)_,使得可以防止燃料5的劣化。而且,燃料供應(yīng)孔3可以被構(gòu)造成可與設(shè)置在生物燃料電池中的燃料進(jìn)ロ連接。燃料進(jìn)ロ /出口孔3的數(shù)目和位置沒(méi)有特別限制,并且可以根據(jù)生物燃料電池的構(gòu)造而適當(dāng)設(shè)定。[生物催化劑容納部4]生物催化劑容納部4 g在容納代謝分解生物聚合物的生物催化劑并且與上述燃料容納部2相同,由具有生物聚合物如糖(碳水化合物)、蛋白質(zhì)、核酸以及生物可降解的聚合物作為主要成分的材料形成。優(yōu)選將碳水化合物用作構(gòu)成生物催化劑容納部4的生物聚合物,特別地,淀粉和纖維素是合適的。生物催化劑容納部4可以由與燃料容納部2的材料相同的材料形成,但是可以由包含不同生物聚合物的材料形成。生物催化劑容納部4還可以使用與燃料5中包含的生物聚合物相同的生物聚合物或與燃料5中包含的生物聚合物不同的生物聚合物。而且,可以混合并使用多種生物聚合物。此外,生物催化劑容納部4還期望地具有防水性能,由此防止因蠕蟲(chóng)和真菌的侵?jǐn)_而造成的生物催化劑6的劣化。另ー方面,在生物催化劑容納部4中容納的生物催化劑6僅能夠至少分解燃料容納部2和生物催化劑容納部4,并且可以使用例如酶如纖維素酶、淀粉酶、葡糖苷酶和蛋白酶或微生物。特別地,如果構(gòu)成燃料容納部2和生物催化劑容納部4的生物聚合物是纖維素,則纖維素酶是合適的,并且如果生物聚合物是淀粉,則淀粉酶是合適的。除了構(gòu)成燃料容納部2和生物催化劑容納部4的生物聚合物之外,在生物催化劑容納部4中還可以容納代謝分解在燃料5中包含的生物聚合物的生物催化劑。因此,提高了電池性能,因?yàn)樯锶剂想姵氐呢?fù)極的生物催化反應(yīng)變快或者恢復(fù)。而且,可以在生物催化劑容納部4中設(shè)置生物催化劑輸出孔7,使得可以通過(guò)生物催化劑輸出孔7將代謝分解在生物催化劑 6或燃料5中包含的生物聚合物的生物催化劑引入到生物燃料電池或燃料重整器中。因此,可以提高或恢復(fù)電池性能和燃料重整性能,在這種情況下,與上述燃料供應(yīng)孔3相同,還可以可選地通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)(未示出)如封條將生物催化劑輸出孔7期望地打開(kāi)/關(guān)閉以防止生物催化劑6的劣化??梢砸曰钚誀顟B(tài)包含生物催化劑6,但是期望通過(guò)干燥等的方法以非活性狀態(tài)包含生物催化劑6。因此,可以使生物催化劑6長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在。另一方面,如果以活性狀態(tài)包含生物催化劑6,則必須在與生物催化劑容納部4的生物催化劑6接觸的表面上形成不被生物催化劑6分解的層,從而使得不發(fā)生代謝反應(yīng)。而且,生物催化劑容納部4期望地具有耐熱結(jié)構(gòu)和/或熱絕緣結(jié)構(gòu)。因此,可以防止生物催化劑被外部熱劣化。盡管圖I中所示的燃料供應(yīng)體I具有其中生物催化劑6和燃料5因分隔壁(分離壁)8而不接觸的構(gòu)造,但是本發(fā)明不限于這樣的構(gòu)造,并且例如可以在燃料容納部2內(nèi)部,例如在其中央部中設(shè)置生物催化劑容納部4。[燃料供應(yīng)體I的外表面]根據(jù)本實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體I期望地具有施加在其外表面上的牽制蠕蟲(chóng)和真菌的抗細(xì)菌涂層或驅(qū)蟲(chóng)涂層。而且,通過(guò)設(shè)置光反射層可以獲得遮光效果或者可以通過(guò)設(shè)置絕熱層而提供耐熱性。此外,如果在表面上進(jìn)行印刷且使用源自大豆的油墨,則也可以通過(guò)生物催化劑6將印刷部分分解。[使用方法]然后,將描述使用上述燃料供應(yīng)體I的方法。當(dāng)使用圖I中所示的燃料供應(yīng)體I時(shí),將燃料容納部2填充燃料5并還將生物催化劑6容納在生物催化劑容納部中。然后,根據(jù)需要通過(guò)燃料供應(yīng)孔3將燃料5供應(yīng)至生物燃料電池并且在供應(yīng)燃料容納部2中的全部燃料5之后,通過(guò)生物催化劑容納部4中的生物催化劑6將燃料容納部2代謝分解。可以將生物催化劑6與燃料5 —起或單獨(dú)供應(yīng)至生物燃料電池或其燃料重整器。而且,可以在利用燃料5和生物催化劑6再填充之后使用根據(jù)本實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體I。另一方面,分解燃料供應(yīng)體I的方法沒(méi)有具體限制,并且例如,通過(guò)破壞或除去在生物催化劑容納部4和燃料容納部2之間的分隔壁8或者通過(guò)粉碎機(jī)等粉碎整個(gè)燃料供應(yīng)體I而使構(gòu)成生物催化劑容納部4和燃料容納部2的生物聚合物與生物催化劑6接觸。因此,通過(guò)生物催化劑6開(kāi)始構(gòu)成生物催化劑容納部4和燃料容納部2的生物聚合物的分解。即使以固體狀態(tài)或以非活性狀態(tài)如干燥狀態(tài)包含生物催化劑6,在使其與液體狀態(tài)的燃料5或電解液接觸后也使生物催化劑6活化。在根據(jù)本實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體I中,燃料容納部2和生物催化劑容納部4由包含生物聚合物作為主要成分的材料形成,并且在生物催化劑容納部4中容納代謝分解生物聚合物的生物催化劑6,由此,可以在使用燃料供應(yīng)體I之后,通過(guò)生物催化劑6來(lái)分解燃料容納部2和生物催化劑容納部4。因此,沒(méi)有引起燃料供應(yīng)體I的回收成本并且還提高了可用性。而且,填充根據(jù)本實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體I的燃料5比在現(xiàn)有燃料電池中使用的燃料更安全,因此,不必用堅(jiān)固外殼氣密地封住燃料5。因此,與現(xiàn)有的燃料盒相比,可以簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)重量減輕和成本下降,而且,可以提高整個(gè)盒的能量容量。在根據(jù)本實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體I中,不僅燃料容納部2和生物催化劑容納部4,而且其他部分也可以由包含生物聚合物作為主要成分的材料形成。在這種情況下,可以通過(guò)在使用纖維素或淀粉作為燃料的生物燃料電池的燃料輸出部中設(shè)置粉碎機(jī)構(gòu)如粉碎機(jī)而將使用后的燃料供應(yīng)體I用作燃料。因此,可以實(shí)現(xiàn)100%再生能量的盒。<2.第二實(shí)施方式>[燃料供應(yīng)體的總體構(gòu)造]然后,將描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體。在圖I中所示的燃料供應(yīng) 體I中,獨(dú)立地設(shè)置生物催化劑容納部4和燃料容納部2并且將生物催化劑6和燃料5構(gòu)造為不接觸,但是本發(fā)明不限于這樣的實(shí)例且包含其中不單獨(dú)設(shè)置生物催化劑容納部的構(gòu)造。[燃料5和生物催化劑6的容納狀態(tài)]圖2至4是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料供應(yīng)體中的燃料5和生物催化劑6的容納狀態(tài)的圖。如果如例如圖2中所示,燃料5處于固體狀態(tài),則可以采用其中燃料容納部2也充當(dāng)生物催化劑容納部4的構(gòu)造,即,其中在充當(dāng)燃料容納部2和生物催化劑容納部4兩者的部分中容納并混合燃料5的顆粒和生物催化劑6的顆粒兩者的構(gòu)造。另外,可以采用其中將生物催化劑6固定至燃料供應(yīng)體I或燃料5的構(gòu)造。更具體地,可以利用生物催化劑6涂布片狀燃料5的一面或兩面。可替換地,如圖3中所示,可以通過(guò)夾在燃料5之間而包含生物催化劑6,或者如圖4中所示,可以通過(guò)以基本球狀包含在燃料5中而包含生物催化劑6。而且,燃料供應(yīng)體I的表面的一部分或整個(gè)表面可以由具有包含生物催化劑6的材料的燃料供應(yīng)體I的表面的一部分或整個(gè)表面形成。在這種情況下,期望由固定生物催化劑6或容納生物催化劑6的材料特別形成與燃料5接觸的部分。然而,如果采用上述容納狀態(tài)中的每一種,則燃料5和生物催化劑6發(fā)生接觸,由此,期望使用不分解燃料5的生物催化劑6或者根據(jù)需要使生物催化劑6失活。如上所述,如果將燃料5和生物催化劑6混合或者將生物催化劑6固定至燃料5或燃料供應(yīng)體1,則燃料5和生物催化劑6的接觸面積增大,由此,可以提高分解反應(yīng)的速率。除上述以外的本實(shí)施方式中的燃料供應(yīng)體的其他構(gòu)造和效果與上述第一實(shí)施方式中的那些相同?!? 第三實(shí)施方式〉[生物燃料電池系統(tǒng)的總體構(gòu)造]然后,將對(duì)根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行描述。在根據(jù)本實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)中,通過(guò)使用上述第一或第二燃料供應(yīng)體將燃料和燃料中包含的代謝分解生物聚合物的生物催化劑供應(yīng)至生物燃料電池。更具體地,本系統(tǒng)的生物燃料電池至少包括發(fā)電單元和燃料儲(chǔ)存部,所述發(fā)電單元包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,所述燃料儲(chǔ)存部?jī)?chǔ)存待引入到發(fā)電單元中的燃料。然后,將填充燃料供應(yīng)體的燃料供應(yīng)至燃料儲(chǔ)存部。[燃料儲(chǔ)存部]另一方面,生物燃料電池的燃料儲(chǔ)存部設(shè)置有用于切割、破裂或粉碎燃料供應(yīng)體的機(jī)構(gòu)(在下文中,統(tǒng)稱為粉碎機(jī)構(gòu))。然后,通過(guò)用粉碎機(jī)構(gòu)粉碎燃料供應(yīng)體,可以通過(guò)生物催化劑來(lái)分解構(gòu)成燃料容納部2和生物催化劑容納部4的生物聚合物。結(jié)果,可以將燃料供應(yīng)體自身用作根據(jù)本實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)中的燃料。[多余成分(不必要成分)的分離/回收機(jī)構(gòu)]如果應(yīng)該將燃料供應(yīng)體用作燃料,則除生物聚合物以外的成分的存在造成問(wèn)題。圖5至8是示意性地示出了分離/回收生物聚合物以外的成分的方法的圖。如上所述,通過(guò)生物催化劑將輸入到燃料儲(chǔ)存部中并通過(guò)粉碎機(jī)構(gòu)粉碎的燃料供應(yīng)體的粉碎體Ia的生物聚合物成分逐漸分解。 利用所述分解,將生物聚合物以外的成分如油墨、塑料和金屬釋放在包含生物催化劑的溶液(生物催化劑/生物聚合物含有溶液6a)中。然后,可以通過(guò)生物聚合物以外的成分來(lái)抑制生物聚合物的分解。由此,當(dāng)將燃料供應(yīng)體用作生物燃料電池的燃料時(shí),必須將生物聚合物以外的成分分離并回收。更具體地,可以考慮如圖5中所示,在燃料儲(chǔ)存部10中使用吸附劑21如活性炭和沸石將生物聚合物以外的成分分離并回收的方法,或者如圖6中所示,因通過(guò)施加電場(chǎng)而引起的電泳效應(yīng)而分離和回收油墨成分22的方法。對(duì)于圖6中所示的方法,可以使用由生物燃料電池產(chǎn)生的電力的一部分。如圖7中所示,可以使用通過(guò)安裝磁鐵23而分離并回收磁性成分24的方法。而且,如圖8中所示,如果通過(guò)低極性有機(jī)溶劑25等而形成低極性層,則可以分離油墨成分22和塑料成分(塑料成分,plastic components) 26。在根據(jù)本實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)中,使用上述第一或第二燃料供應(yīng)體,而且例如,生物燃料電池的燃料儲(chǔ)存部10設(shè)置有粉碎燃料供應(yīng)體的粉碎機(jī)構(gòu),因此,可以將燃料供應(yīng)體自身用作燃料。結(jié)果,沒(méi)有引起燃料供應(yīng)體的回收成本,提高了可用性并且可以
提高能量容量。而且,可以通過(guò)將生物聚合物以外的成分分離/回收來(lái)防止生物催化劑的性能劣化。然后,通過(guò)再次利用各種分離/回收的成分,可以預(yù)期材料成本的下降、環(huán)境負(fù)荷的下降和資源節(jié)約。〈4 第四實(shí)施方式〉[生物燃料電池系統(tǒng)的總體構(gòu)造]然后,將對(duì)根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行描述。在上述第三實(shí)施方式中,對(duì)使用包含生物催化劑的生物燃料體的生物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了描述,但是本發(fā)明不限于這樣的實(shí)例并且還可以使用包含生物催化劑的生物燃料電池。更具體地,本系統(tǒng)中的生物燃料電池至少包括發(fā)電單元和燃料重整單元,所述發(fā)電單元包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,且將生物催化劑容納或固定在所述燃料重整單元中。然后,將通過(guò)燃料重整單元重整的燃料供應(yīng)至發(fā)電單元。在這種情況下,燃料供應(yīng)體不必包含生物催化劑且僅燃料供應(yīng)體部分或全部由具有能夠被容納或固定在燃料重整單元中的生物催化劑分解的生物聚合物和/或另一種生物聚合物作為主要成分的材料形成。[燃料重整單元]圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的用于生物燃料電池系統(tǒng)中的生物燃料電池的燃料重整器的構(gòu)造的概念圖。如圖9中所示,本實(shí)施方式中的燃料重整器至少包括用于引入一次燃料的一次燃料進(jìn)口 11、將一次燃料重整為二次燃料的燃料重整單元12以及用于將二次燃料供應(yīng)至燃料電池的二次燃料供應(yīng)單元13。根據(jù)需要,也可以包括燃料精制單元14和電解液供應(yīng)單元15。如果例如構(gòu)成燃料供應(yīng)體的生物聚合物是纖維素或淀粉,則通過(guò)由燃料重整器的燃料重整單元12或者燃料精制單元14中的生物催化劑造成的氧化還原反應(yīng)將一次燃料如纖維素或淀粉重整為能夠放出電子的二次燃料。在根據(jù)本實(shí)施方式的生物燃料電池系統(tǒng)中,如上所述,在生物燃料電池中設(shè)置包含生物催化劑的燃料重整單元,由此,如果燃料供應(yīng)體由生物聚合物形成,則即使不包含生物催化劑也可以將燃料供應(yīng)體用作燃料。而且,通過(guò)如上述第一或第二實(shí)施方式中那樣,使用包含生物催化劑的燃料供應(yīng)體,可以提高或恢復(fù)分解性能。上述以外的本實(shí)施方式中的生物燃料電池系統(tǒng)的其他構(gòu)造和效果與上述第三實(shí)施方式中的那些相同。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解,可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素來(lái)進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變更,只要它們?cè)谒綑?quán)利要求書(shū)或其等價(jià)物的范圍內(nèi)即可。另外,本技術(shù)也可以如下構(gòu)造。(I)一種生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中,所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成,并且代謝分解所述生物聚合物的生物催化劑被容納在所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體中或者被固定在所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體上。(2)根據(jù)(I)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,還包括燃料容納部,在所述燃料容納部中容納有燃料;和生物催化劑容納部,在所述生物催化劑容納部中容納有所述生物催化劑,其中,所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成。(3)根據(jù)(2)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部單獨(dú)設(shè)置。(4)根據(jù)(3)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,、
其中所述燃料處于固體狀態(tài)且所述燃料容納部也充當(dāng)所述生物催化劑容納部。(5)根據(jù)(I)至(4)中任一項(xiàng)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,
其中以非活性狀態(tài)容納或固定所述生物催化劑。(6)根據(jù)(I)至(5)中任一項(xiàng)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中所述生物聚合物是碳水化合物。(7)根據(jù)(I)至(5)中任一項(xiàng)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中所述生物聚合物是纖維素且所述生物催化劑是纖維素酶。(8) 根據(jù)(I)至(5)中任一項(xiàng)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中所述生物聚合物是淀粉且所述生物催化劑是淀粉酶。(9)根據(jù)⑵至(5)中任一項(xiàng)的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部由具有與所述燃料的所述生物聚合物不同的生物聚合物作為主要成分的材料形成,且在所述生物催化劑容納部中容納代謝分解作為所述材料的主要成分的所述生物聚合物的第一生物催化劑和代謝分解在所述燃料中包含的生物聚合物的第二生物催化劑。(10)一種生物燃料電池系統(tǒng),包括根據(jù)⑴至(9)中任一項(xiàng)的燃料供應(yīng)體;以及生物燃料電池,所述生物燃料電池包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,其中將燃料和/或生物催化劑從所述燃料供應(yīng)體供應(yīng)至所述生物燃料電池且還將所述燃料供應(yīng)體自身用作燃料。(11)根據(jù)(10)的生物燃料電池系統(tǒng),其中所述生物燃料電池設(shè)置有包括切割、破裂或粉碎所述燃料供應(yīng)體的機(jī)構(gòu)的燃料儲(chǔ)存部且所述燃料供應(yīng)體在所述燃料儲(chǔ)存部中分解。(12)一種生物燃料電池系統(tǒng),包括燃料供應(yīng)體,所述燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成;以及生物燃料電池,所述生物燃料電池至少包括發(fā)電單元和燃料重整單元,所述發(fā)電單元包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極,所述燃料重整單元將一次燃料重整為能夠放出電子的二次燃料,其中將分解構(gòu)成所述燃料供應(yīng)體的生物聚合物的生物催化劑容納或固定在所述生物燃料電池的所述燃料重整單元中。本發(fā)明包含與在2011年4月12日在日本專利局提交的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)JP2011-088248中的內(nèi)容相關(guān)的主題,將其全部?jī)?nèi)容通過(guò)弓I用并入本文中。
權(quán)利要求
1.ー種生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成,并且 代謝分解所述生物聚合物的生物催化劑被容納在所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體中或者被固定至所述生物燃料電池燃料供應(yīng)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,包括 燃料容納部,在所述燃料容納部中容納有燃料;和 生物催化劑容納部,在所述生物催化劑容納部中容納有所述生物催化劑, 其中,所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部獨(dú)立設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述燃料為固體狀態(tài)并且所述燃料容納部也充當(dāng)所述生物催化劑容納部。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,以非活性狀態(tài)容納或固定所述生物催化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述生物聚合物是碳水化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述生物聚合物是纖維素并且所述生物催化劑是纖維素酶。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述生物聚合物是淀粉并且所述生物催化劑是淀粉酶。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體, 其中,所述燃料容納部和所述生物催化劑容納部由具有與所述燃料的生物聚合物不同的生物聚合物作為主要成分的材料形成,并且 在所述生物催化劑容納部中容納第一生物催化劑和第二生物催化劑,所述第一生物催化劑代謝分解作為所述材料的主要成分的生物聚合物,所述第二生物催化劑代謝分解在所述燃料中包含的生物聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中,所述燃料供應(yīng)體具有施加在其外表面上的牽制蠕蟲(chóng)和真菌的抗細(xì)菌涂層或驅(qū)蟲(chóng)涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物燃料電池燃料供應(yīng)體,其中,在所述燃料供應(yīng)體的外表面上設(shè)置光反射層或絕熱層。
12.—種生物燃料電池系統(tǒng),包括 根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料供應(yīng)體;以及 生物燃料電池,所述生物燃料電池包括表面上存在有氧化還原酶的電扱, 其中,燃料和/或生物催化劑從所述燃料供應(yīng)體被供應(yīng)至所述生物燃料電池并且所述燃料供應(yīng)體自身也被用作燃料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的生物燃料電池系統(tǒng), 其中,所述生物燃料電池設(shè)置有包括切割、破裂或粉碎所述燃料供應(yīng)體的機(jī)構(gòu)的燃料儲(chǔ)存部,并且所述燃料供應(yīng)體在所述燃料儲(chǔ)存部中分解。
14.一種生物燃料電池系統(tǒng),包括 燃料供應(yīng)體,所述燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成;以及 生物燃料電池,所述生物燃料電池至少包括發(fā)電單元和燃料重整単元,所述發(fā)電単元包括表面上存在有氧化還原酶的電極,所述燃料重整單元將一次燃料重整為能夠放出電子的二次燃料, 其中,分解構(gòu)成所述燃料供應(yīng)體的生物聚合物的生物催化劑容納在所述生物燃料電池的所述燃料重整単元中或固定至所述生物燃料電池的所述燃料重整単元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物燃料電池燃料供應(yīng)體和生物燃料電池系統(tǒng)。所述燃料供應(yīng)體部分或全部由具有生物聚合物作為主要成分的材料形成且代謝分解所述生物聚合物的生物催化劑被容納在燃料供應(yīng)體中或者被固定至其上。所述生物燃料電池系統(tǒng)由燃料供應(yīng)體和生物燃料電池構(gòu)成,所述生物燃料電池包括在其表面上存在有氧化還原酶的電極以將燃料和/或生物催化劑從所述燃料供應(yīng)體供應(yīng)至所述生物燃料電池并且還將所述燃料供應(yīng)體自身用作燃料。
文檔編號(hào)H01M8/16GK102738488SQ20121009870
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者三田洋樹(shù), 寒川恒俊, 松本隆平, 藤田修二, 酒井秀樹(shù) 申請(qǐng)人:索尼公司