[发明专利]燃料改质器和使用其的发电设备

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用燃料改质器。更具体而言，本发明涉及利用酶作为催化剂进行氧化-还原反应时发电的燃料电池用燃料改质器以及使用该燃料改质器的发电设备。

背景技术

近年来，在电极至少之一(阳极或阴极)上固定氧化-还原酶作为催化剂的燃料电池(下文称为“生物燃料电池”)作为高容量的、极安全的新一代燃料电池受到关注。在生物燃料电池中，从不容易与一般工业催化剂反应的燃料如葡萄糖或乙醇有效地提取电子。

一般生物燃料电池的反应方案将参照图12进行说明。在使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池中，葡萄糖的氧化反应在阳极进行，而大气中的氧气(O₂)的还原反应在阴极进行。

电子的流动将进行详细说明。在阳极中，电子按葡萄糖、葡萄糖脱氢酶、NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、黄递酶、电子传递介质和电极(碳)的顺序传递。

另一方面，在阴极中，从负极释放的电子按电极(碳)、电子传递介质和胆红素氧化酶(BOD)的顺序传递，还原反应利用该电子和从外部供给的氧气来进行，从而产生电能。

这样的生物燃料电池作为极安全的燃料电池受到关注，并且正在开发所用的燃料不限于葡萄糖而是使用各种燃料并且进行各种设计的生物燃料电池。

例如，专利文献1披露了一种燃料电池，其可以使用醇类如甲醇、乙醇、丙醇、甘油或聚乙烯醇，醛类如甲醛或乙醛等作为燃料。该燃料电池采用吡咯并喹啉醌(PQQ)作为氧化还原酶的辅基并且使用具有锇络合物的酶电极，在所述锇络合物中由联吡啶胺或联吡啶胺衍生物(Ra～Ri为H或取代基)得到的至少一种双齿配体配位到锇，使得可获得高电压和高电流密度。

专利文献2也披露了一种能够使用单糖类如葡萄糖、醇类如甲醇或乙醇等作为燃料的酶电极。该酶电极具有以下结构，其中用于氧化底物脱氢酶的电子介质(其氧化特定底物和该底物脱氢酶以有助于使电子传递至电极)以层状作为下层固定在电极上。采用该简化的电极结构，酶电极兼具稳定的酶固定能力和高的底物反应性。

附带地，由于生物燃料电池可以使用对人体非常安全的材料如葡萄糖溶液作为燃料，因此理论上含有糖、脂肪、蛋白质等的可食用材料，废弃物如餐饮垃圾均可用作燃料来发电。

然而实际上，在不改变形态的情况下不能通过氧化还原反应从食品和饮品、餐饮垃圾等提取电子，并且由于存在抑制酶的物质或者使溶液的pH或盐浓度改变的杂质，因此存在电池性能明显劣化的情形。在这种情形下，仍存在技术上有待解决的问题，以通过使用含有糖、脂肪、蛋白质等的可食用材料、诸如餐饮垃圾等的废弃物来发电。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特许公开No.2008-59800

专利文献1：日本特许公开No.2007-225305

发明内容

生物燃料电池是理论上可以使用安全熟悉的物质作为燃料但如上所述实际上难以实现的电池。在实践中，不得不制造生物燃料电池用的燃料盒等，这非常麻烦。

因此，本发明的一个主要目的是提供即使在使用安全而熟悉的物质如食品和饮品以及餐饮垃圾作为生物燃料电池的燃料的情况下实际上也能够发电的燃料改质器，以及使用该燃料改质器的发电设备。

根据本发明的燃料改质器用于在利用酶作为催化剂进行氧化还原反应时发电的燃料电池，并且具有：引入一次燃料的一次燃料引入单元；与一次燃料引入单元连通并且将一次燃料改质为可通过利用酶作为催化剂的氧化还原反应放出电子的二次燃料的燃料改质单元；以及与燃料改质单元连通并且向燃料电池供应二次燃料的二次燃料供给单元。

根据本发明的燃料改质器还可以包括在燃料改质单元和二次燃料供给单元之间的用于精制二次燃料的燃料精制单元。

对燃料精制单元的构造不作限制，只要其能够精制二次燃料即可。例如，提供过滤器以去除二次燃料中的不溶组分，由此使得能够精制二次燃料。

燃料精制单元可以具有加热装置以在精制前聚集并去除二次燃料中所含的聚合物组分等。

另外，燃料精制单元可以具有离子交换树脂层，以在精制前通过去除二次燃料中所含的盐类等来控制该燃料中的离子强度。

根据本发明一个实施方案的燃料改质器优选具有第一控制装置，其用于基于引入一次燃料引入单元中的一次燃料的状态来控制一次燃料向燃料改质单元的引入，以去除不能被改质的物质。

另外，通过提供用于基于引入燃料改质单元中的一次燃料的状态来选择燃料改质单元中的燃料改质方法的改质方法选择装置，根据本发明的燃料改质器可以广泛地使用并且适于多种类型的一次燃料。