JP2009146856A - Mobile body - Google Patents

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JP2009146856A JP2007325733A JP2007325733A JP2009146856A JP 2009146856 A JP2009146856 A JP 2009146856A JP 2007325733 A JP2007325733 A JP 2007325733A JP 2007325733 A JP2007325733 A JP 2007325733A JP 2009146856 A JP2009146856 A JP 2009146856A
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Yuichi Tokita
裕一 戸木田
Hideki Sakai
秀樹 酒井
Takaaki Nakagawa
貴晶 中川
Hideyuki Kumita
英之 汲田
Masaya Tsunoda
正也 角田
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Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mobile body superior in safety and with less environmental load. <P>SOLUTION: As a power source of the mobile body 1, an enzyme battery 2 is mounted to generate electric power, in which an oxidation-reduction enzyme is immobilized at least on one electrode out of a cathode and an anode as a catalyst, oxidation reaction of fuel is generated at the cathode to discharge electrons, and reduction reaction progresses at the anode by these electrons and oxygen supplied from outside. Moreover, together with the enzyme battery 2, a fuel generation part in which biomass fuel such as saccharide, protein, fat, and carbohydrate from a biomass raw material such as food waste is formed, and a fuel introduction part in which the formed biomass fuel is introduced into the enzyme battery 2 can also be mounted on this mobile body 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車及び列車等の移動体に関する。より詳しくは、酸化還元酵素を使用した酵素電池を動力源として搭載した移動体に関する。   The present invention relates to moving objects such as automobiles and trains. More specifically, the present invention relates to a mobile body equipped with an enzyme battery using an oxidoreductase as a power source.

従来、自動車等の移動体の燃料には、ガソリン又は軽油等の可燃性液体が使用されている。しかしながら、このような可燃性液体を搭載した移動体は、衝突及び追突等の大きな事故の場合に、燃料への引火及び爆発等が発生する可能性があり、2次的被害を招くおそれがある。また、ガソリン及び軽油等の化石燃料により動力源を駆動させると、温暖化ガスである二酸化炭素や大気汚染物質である窒素酸化物が排出されるため、環境負荷が大きいという問題点もある。   Conventionally, combustible liquids, such as gasoline or light oil, are used for fuel of vehicles, such as a car. However, a mobile object equipped with such a flammable liquid may cause a secondary ignition or a fuel explosion or explosion in the event of a major accident such as a collision or rear-end collision. . In addition, when the power source is driven by fossil fuel such as gasoline and light oil, carbon dioxide which is a warming gas and nitrogen oxides which are air pollutants are discharged, which causes a problem that the environmental load is large.

そこで、近年、安全性向上及び環境負荷低減の観点から、化石燃料を使用しない移動体の開発が進められており、リチウムイオン二次電池又はニッケル水素二次電池を動力源として使用した電気自動車等が実用化されている。   Therefore, in recent years, from the viewpoint of safety improvement and environmental load reduction, development of mobile bodies that do not use fossil fuels has been promoted, such as electric vehicles using lithium ion secondary batteries or nickel metal hydride secondary batteries as power sources, etc. Has been put to practical use.

また、本格的な実用化には至っていないが、動力源として燃料電池を使用した移動体も提案されている(例えば、特許文献1〜4参照。)。しかしながら、従来の燃料電池自動車には、起動性、耐久性、燃料の安全性、高出力化、排熱の冷却対策及び寒冷地対策等、種々の課題がある。   Moreover, although it has not reached full-scale practical use, the mobile body which uses a fuel cell as a power source is also proposed (for example, refer patent documents 1-4). However, conventional fuel cell vehicles have various problems such as startability, durability, fuel safety, higher output, exhaust heat cooling measures, and cold district countermeasures.

そこで、現在開発されている燃料電池自動車では、前述した課題の1つである起動性に関係する発進時及び加速時の出力不足を補うため、リチウムイオン二次電池又はニッケル水素二次電池等の補助電源を搭載している。図5は特許文献1に記載の燃料電池搭載車両の構成を模式的に示す図である。図5に示すように、特許文献1に記載の燃料電池搭載車両100においては、燃料電池101と二次電池102とを併用した場合の運転環境を良好にするために、フロントシート103の下方領域に燃料電池101を集約して配置すると共に、リアシート104の下方領域に二次電池102を集約して配置している。また、二次電池102の後方には、水素等の燃料ガスが充填された燃料タンク105が設置されている。   Therefore, in the currently developed fuel cell vehicle, in order to compensate for the output shortage at the time of start and acceleration related to the startability, which is one of the problems described above, a lithium ion secondary battery or a nickel hydride secondary battery is used. Equipped with an auxiliary power supply. FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a fuel cell vehicle described in Patent Document 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the fuel cell-equipped vehicle 100 described in Patent Document 1, in order to improve the driving environment when the fuel cell 101 and the secondary battery 102 are used together, the lower region of the front seat 103 is used. In addition, the fuel cells 101 are collectively arranged, and the secondary cells 102 are collectively arranged in the lower region of the rear seat 104. A fuel tank 105 filled with a fuel gas such as hydrogen is installed behind the secondary battery 102.

一方、従来の燃料電池は、燃料として水素ガス及び天然ガス等の爆発性・可燃性があるガスや、メタノール等のアルコール類又はガソリンを改質した燃料等の安全対策が必要な燃料を使用している。このため、従来の燃料電池を自動車等の移動体に適用する場合は、安全性の観点から燃料が外部に漏洩しないようにする必要がある。そこで、特許文献2に記載の燃料電池自動車では、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水を供給する流体配給手段を、燃料電池の最下部左右端でかつ駆動モーターの上側左右端に配置することにより流体供給手段のシール範囲を小さくして、ガス漏れ防止による安全性向上を図っている。   On the other hand, conventional fuel cells use fuels that require safety measures, such as explosive and flammable gases such as hydrogen gas and natural gas, and fuels that are reformed from alcohols such as methanol or gasoline. ing. For this reason, when a conventional fuel cell is applied to a moving body such as an automobile, it is necessary to prevent the fuel from leaking to the outside from the viewpoint of safety. Therefore, in the fuel cell vehicle described in Patent Document 2, fluid distribution means for supplying fuel gas, oxidizing gas, and cooling water is disposed at the lower left and right ends of the fuel cell and at the upper left and right ends of the drive motor. The sealing range of the supply means is reduced to improve safety by preventing gas leakage.

また、特許文献3に記載の燃料電池車両では、アイドル停止中に燃料電池の発電安定性が低下することを防止するため、ディスチャージ制御による生成水が燃料電池内に蓄積されないようにしている。更に、特許文献4には、他の機器の排熱を利用して燃料電池の暖機を効率的に行う燃料電池自動車が開示されている。   Further, in the fuel cell vehicle described in Patent Document 3, water generated by the discharge control is prevented from being accumulated in the fuel cell in order to prevent the power generation stability of the fuel cell from being lowered during idling stop. Furthermore, Patent Document 4 discloses a fuel cell vehicle that efficiently warms up a fuel cell by using exhaust heat of other devices.

特開2007−186200号公報JP 2007-186200 A 特開2007−145309号公報JP 2007-145309 A 特開2007−194042号公報JP 2007-194042 A 特開2007−238013号公報JP 2007-238013 A

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。先ず、電気自動車のように、リチウムイオン二次電池及びニッケル水素二次電池等の二次電池を動力源する移動体の場合、二次電池単独では駆動に必要な動力が得られないため、化石燃料を使用した従来の動力源と併用しなければならず、安全性及び環境負荷の問題を完全に解決することはできないという問題点がある。   However, the conventional techniques described above have the following problems. First, in the case of a mobile body that powers a secondary battery such as a lithium ion secondary battery and a nickel hydride secondary battery such as an electric vehicle, the power required for driving cannot be obtained by the secondary battery alone. There is a problem that it must be used together with a conventional power source using fuel, and the problems of safety and environmental load cannot be solved completely.

また、燃料電池を動力源として使用した従来の移動体は、燃料として爆発性・可燃性のガス又は引火性がある液体を使用しているため、特許文献2に記載されている燃料電池自動車のように、安全性を確保するための機構及びシステムが必要となるという問題点がある。特に、燃料として安全性が極めて低い水素ガスを使用した場合は、クリーンなシステムは実現できるが、化石燃料を使用した従来の動力源以上の安全対策が必要となる。   Moreover, since the conventional mobile body using a fuel cell as a power source uses explosive / flammable gas or flammable liquid as fuel, the fuel cell vehicle described in Patent Document 2 Thus, there is a problem that a mechanism and a system for ensuring safety are required. In particular, when hydrogen gas, which is extremely low in safety, is used as a fuel, a clean system can be realized, but safety measures that are more than those of conventional power sources that use fossil fuel are required.

更に、従来の燃料電池は、触媒に白金等の希少金属を使用するため、製造コストが増加すると共に、資源枯渇の問題も引き起こす。従って、特許文献1〜4に記載されているような従来の燃料電池を使用した移動体では、安全性確保及び環境負荷低減の両方を実現することはできない。   Furthermore, the conventional fuel cell uses a rare metal such as platinum as a catalyst, which increases the manufacturing cost and causes a problem of resource depletion. Therefore, in the mobile body using the conventional fuel cell as described in Patent Documents 1 to 4, it is impossible to realize both safety ensuring and environmental load reduction.

そこで、本発明は、安全性に優れかつ環境負荷が少ない移動体を提供することを主目的とする。   Therefore, the main object of the present invention is to provide a mobile object that is excellent in safety and has a low environmental load.

本発明に係る移動体は、動力源として、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定された酵素電池が搭載されている。
本発明においては、動力源が酵素電池であるため、可燃性及び爆発性のない安全な燃料を使用することができる。また、本発明で使用している酵素電池は、触媒が酵素であり、環境負荷が大きいガス等の排出もないため、資源枯渇及び環境汚染の問題は発生しない。
また、本発明の移動体は、バイオマス燃料を生成する燃料発生部と、生成したバイオマス燃料を前記酵素電池に導入する燃料導入部とを備えていてもよい。
この場合のバイオマス燃料は、例えば糖類、タンパク質、脂質及び炭水化物から選択された少なくとも1種である。
更に、前述した移動体は、例えば自動車である。
The mobile body according to the present invention includes an enzyme battery in which an oxidoreductase is immobilized as a catalyst on at least one of a negative electrode and a positive electrode as a power source.
In the present invention, since the power source is an enzyme battery, a safe fuel that is not flammable or explosive can be used. Further, in the enzyme battery used in the present invention, the catalyst is an enzyme, and there is no discharge of gas or the like that has a large environmental load. Therefore, the problem of resource depletion and environmental pollution does not occur.
Moreover, the mobile body of this invention may be provided with the fuel generation part which produces | generates biomass fuel, and the fuel introduction part which introduces the produced | generated biomass fuel into the said enzyme cell.
The biomass fuel in this case is at least one selected from, for example, sugars, proteins, lipids and carbohydrates.
Furthermore, the above-described moving body is, for example, an automobile.

本発明によれば、動力源として可燃性及び爆発性のない燃料が使用可能な酵素電池を使用しているため、事故の際も爆発及び引火による二次災害のおそれがなく、また触媒は酵素で、エネルギーを発生する際に温室効果ガスや環境汚染物質を排出しないため、安全でかつ環境負荷が少ない移動体を実現することができる。   According to the present invention, since an enzyme battery that can use a flammable and non-explosive fuel is used as a power source, there is no risk of a secondary disaster due to explosion and ignition in the event of an accident, and the catalyst is an enzyme. Thus, since no greenhouse gas or environmental pollutant is emitted when energy is generated, a mobile body that is safe and has a low environmental load can be realized.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below.

先ず、本発明の第1の実施形態に係る移動体について説明する。図1は本実施形態の移動体を模式的に示す側面図である。図1に示すように、本実施形態の移動体1には、動力源として酵素電池2が搭載されている。   First, the moving body according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a side view schematically showing the moving body of this embodiment. As shown in FIG. 1, an enzyme battery 2 is mounted as a power source in the moving body 1 of the present embodiment.

酵素電池2は、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池であり、例えばグルコース及びエタノール等のように通常の工業触媒では利用できない燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い電池である。   The enzyme battery 2 is a fuel cell in which an oxidoreductase is immobilized as a catalyst on at least one of a negative electrode and a positive electrode. For example, electrons can be efficiently obtained from a fuel that cannot be used with ordinary industrial catalysts such as glucose and ethanol. Since it can be taken out, the battery has a high capacity and high safety.

図2は酵素電池2の構成及び反応機構の一例を模式的に示す図である。本実施形態の移動体1に設けられる酵素電池2の構造は特に限定されるものではないが、例えば、図2に示すように、負極21と正極22とが、プロトンのみを伝達する電解質層23を介して対向した構造とすることができる。   FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the configuration and reaction mechanism of the enzyme battery 2. The structure of the enzyme battery 2 provided in the mobile body 1 of the present embodiment is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 2, the electrolyte layer 23 in which the negative electrode 21 and the positive electrode 22 transmit only protons. It can be set as the structure which faced through.

上述した酵素電池2における負極21は、例えば、多孔質カーボン等からなる電極上に、単糖類、多糖類及びデンプン等の燃料の分解に関与する酵素と、燃料の分解プロセスにおける酸化反応によって還元体が生成される補酵素と、補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極に渡す電子メディエーターとが、例えばポリマー等からなる固定化材によって固定化された構成となっている。   The negative electrode 21 in the enzyme battery 2 described above is, for example, an electrode made of porous carbon or the like, an enzyme involved in the decomposition of fuel such as monosaccharides, polysaccharides and starch, and a reductant by an oxidation reaction in the fuel decomposition process. Coenzyme oxidase that oxidizes the reduced form of coenzyme, and an electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode, such as a polymer It is the structure fixed by the fixing material which consists of.

酵素電池2の負極21を構成する電極の材料は、前述した多孔質カーボンに限定されるものではなく、公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではない。例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge及びHf等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、HfB、NbB、CrB及びBC等の硼化物、TiN及びZrN等の窒化物、VSi、NbSi、MoSi及びTaSi等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。 The material of the electrode constituting the negative electrode 21 of the enzyme battery 2 is not limited to the porous carbon described above, and any known material can be used, and any material that can be electrically connected to the outside can be used. It is not limited. For example, Pt, Ag, Au, Ru, Rh, Os, Nb, Mo, In, Ir, Zn, Mn, Fe, Co, Ti, V, Cr, Pd, Re, Ta, W, Zr, Ge, Hf, etc. Metal materials, alumel, brass, duralumin, bronze, nickel, platinum rhodium, hyperco, permalloy, permender, alloys such as silver and phosphor bronze, conductive polymers such as polyacetylenes, carbon materials such as graphite and carbon black, HfB 2, NbB, CrB 2, and B 4 boride such as C, nitride such as TiN and ZrN, VSi 2, NbSi 2, MoSi silicide such as 2 and TaSi 2, as well as the use of these composite materials .

また、負極2に固定される酵素は、使用する燃料の種類に応じて適宜選択することができるが、例えば燃料として糖類を用いる場合には、糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素が適用される。このような酸化酵素の一例としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート5デヒドロゲナーゼ、グルコネート2デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。   The enzyme immobilized on the negative electrode 2 can be appropriately selected according to the type of fuel used. For example, when saccharide is used as the fuel, an oxidase that promotes and decomposes the saccharide is applied. The Examples of such oxidases include glucose dehydrogenase, gluconate 5 dehydrogenase, gluconate 2 dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, aldehyde reductase, aldehyde dehydrogenase, lactate dehydrogenase, hydroxy parbate reductase, glycerate dehydrogenase, formate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, galactose Examples include dehydrogenase.

更に、負極21に固定される補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(nicotinamide adenine dinucleotide;以下、NADと称する。)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate;以下、NADPと称する。)、フラビンアデニンジヌクレオチド(flavin adenine dinucleotide;以下、FADと称する。)、ピロロキノリンキノン(pyrrollo-quinoline quinone;以下、PQQ2+と称する。)等が挙げられる。また、補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアホラーゼが挙げられる。 Further, examples of the coenzyme immobilized on the negative electrode 21 include nicotinamide adenine dinucleotide (hereinafter referred to as NAD + ), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter referred to as NADP). + and referred), flavin adenine dinucleotide (flavin adenine dinucleotide;. hereinafter, FAD + and referred), pyrroloquinoline quinone (pyrrollo-quinoline quinone;.. hereinafter referred to as PQQ 2+), and the like. Examples of the coenzyme oxidase include diaphorase.

更にまた、発生した電子の電極への受け渡しをスムーズにするために負極に固定される電子伝達メディエーターとしては、例えば、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)、ビタミンK3、2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)、2−アミノ−3−メチル−1,4−ナフトキノン(AMNQ)、2、3−ジアミノ−1,4−ナフトキノン、オスミウム(Os)、ルテニウム(Ru)、鉄(Fe)、コバルト(Co)等の金属錯体、ベンジルビオローゲン等のビオローゲン化合物、キノン骨格を有する化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物等が挙げられる。なお、これらの電子伝達メディエーターの中でも特に、ANQを使用することが好ましく、これにより0.5V以上の高出力を得ることができる。   Furthermore, as an electron transfer mediator fixed to the negative electrode in order to smoothly deliver generated electrons to the electrode, for example, 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ), vitamin K3, 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1,4-naphthoquinone (AMNQ), 2,3-diamino-1,4-naphthoquinone, osmium (Os), ruthenium (Ru) ), Metal complexes such as iron (Fe) and cobalt (Co), viologen compounds such as benzyl viologen, compounds having a quinone skeleton, compounds having a nicotinamide structure, compounds having a riboflavin structure, compounds having a nucleotide-phosphate structure Etc. Of these electron transfer mediators, it is particularly preferable to use ANQ, whereby a high output of 0.5 V or higher can be obtained.

一方、酵素電池2における正極22は、例えば、触媒が担持された炭素粉末又は炭素に保持されない触媒粒子により構成されている。正極22の触媒としては、例えば、白金(Pt)の微粒子、又は鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及びルテニウム(Ru)等の遷移金属と白金との合金若しくは酸化物からなる微粒子を使用することができる。また、正極22は、例えば、電解質層23の側から順に触媒又は触媒を含む炭化粉末からなる触媒層と多孔質の炭素材料からなるガス拡散層とが積層された構造とすることもできる。   On the other hand, the positive electrode 22 in the enzyme battery 2 is composed of, for example, carbon powder on which a catalyst is supported or catalyst particles that are not held by carbon. Examples of the catalyst of the positive electrode 22 include platinum (Pt) fine particles, or alloys or oxides of platinum and transition metals such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), and ruthenium (Ru). Fine particles can be used. The positive electrode 22 can also have a structure in which, for example, a catalyst layer made of a catalyst or a carbonized powder containing a catalyst and a gas diffusion layer made of a porous carbon material are laminated in order from the electrolyte layer 23 side.

更に、正極22は、前述した負極21と同様に、触媒として酸化還元酵素を固定した構造にすることもできる。その場合、電極材料としては、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではないが、例えば、Pt、Ag、Au、Ru、Rh、Os、Nb、Mo、In、Ir、Zn、Mn、Fe、Co、Ti、V、Cr、Pd、Re、Ta、W、Zr、Ge及びHf等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、HfB、NbB、CrB及びBC等の硼化物、TiN及びZrN等の窒化物、VSi、NbSi、MoSi及びTaSi等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。 Furthermore, the positive electrode 22 can also have a structure in which an oxidoreductase is immobilized as a catalyst, like the negative electrode 21 described above. In this case, the electrode material is not particularly limited as long as it is a material that can be electrically connected to the outside. For example, Pt, Ag, Au, Ru, Rh, Os, Nb, Mo, In, Ir , Zn, Mn, Fe, Co, Ti, V, Cr, Pd, Re, Ta, W, Zr, Ge, Hf and other metal materials, alumel, brass, duralumin, bronze, nickel, platinum rhodium, hyperco, permalloy, Permenders, alloys such as silver and phosphor bronze, conductive polymers such as polyacetylenes, carbon materials such as graphite and carbon black, borides such as HfB 2 , NbB, CrB 2 and B 4 C, TiN and ZrN, etc. nitrides, VSi 2, NbSi 2, MoSi silicide such as 2 and TaSi 2, as well as the use of these composite materials.

また、正極22に固定し得る酵素としては、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素であれば、その種類は特に限定されず、必要に応じて適宜選択することが可能である。具体的には、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ及びアスコルビン酸オキシダーゼ等を用いることができる。   In addition, the enzyme that can be fixed to the positive electrode 22 is not particularly limited as long as it has an oxidase activity using oxygen as a reaction substrate, and can be appropriately selected as necessary. Specifically, laccase, bilirubin oxidase, ascorbate oxidase and the like can be used.

更に、正極22には、上述した酵素に加えて、電子伝達メディエーターを固定してもよい。これにより、負極21で発生した電子の受け取りを、スムーズにすることができる。なお、正極22に固定し得る電子伝達メディエーターの種類は特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜選択することができるが、例えば、ABTS(2,2'-azinobis (3-ethylbenzoline-6-sulfonate))及びK[Fe(CN)]等を用いることが可能である。 Furthermore, in addition to the above-described enzyme, an electron transfer mediator may be fixed to the positive electrode 22. Thereby, the reception of the electrons generated in the negative electrode 21 can be made smooth. The type of electron transfer mediator that can be fixed to the positive electrode 22 is not particularly limited and can be appropriately selected as necessary. For example, ABTS (2,2′-azinobis (3-ethylbenzoline-6 -sulfonate)) and K 3 [Fe (CN) 6 ] and the like can be used.

また、酵素電池2における電解質層23は、負極21において発生したプロトン(H)を正極22に輸送するものであり、電子は輸送せずにプロトンのみを輸送することが可能な材料で形成されたプロトン伝導膜と、緩衝物質を含む電解質とで構成されている。電解質層23を構成するプロトン伝導膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含有させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、PSSA−PVA(ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)、及びPSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体)等からなるものが挙げられる。 In addition, the electrolyte layer 23 in the enzyme battery 2 transports protons (H + ) generated in the negative electrode 21 to the positive electrode 22, and is formed of a material that can transport only protons without transporting electrons. And a proton conductive membrane and an electrolyte containing a buffer substance. Examples of proton conductive membranes constituting the electrolyte layer 23 include perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin membranes, trifluorostyrene derivative copolymer membranes, polybenzimidazole membranes containing phosphoric acid, and aromatic polyethers. Examples thereof include a ketone sulfonate film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer), and the like.

また、電解質に含まれる緩衝物質としては、例えば、リン酸二水素ナトリウム(NaHPO)やリン酸二水素カリウム(KHPO)等が生成するリン酸二水素イオン(HPO )、2−アミノ−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール(略称トリス)、2−(N−モルホリノ)エタンスルホン酸(MES)、カコジル酸、炭酸(HCO)、クエン酸水素イオン、N−(2−アセトアミド)イミノ二酢酸(ADA)、ピペラジン−N,N’−ビス(2−エタンスルホン酸)(PIPES)、N−(2−アセトアミド)−2−アミノエタンスルホン酸(ACES)、3−(N−モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−2−エタンスルホン酸(HEPES)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−3−プロパンスルホン酸(HEPPS)、N−[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(略称トリシン)、グリシルグリシン、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)グリシン(略称ビシン)、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体(ヒスチジン、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、イミダゾール−2−カルボン酸エチル、イミダゾール−2−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−4−カルボン酸、イミダゾール−4,5−ジカルボン酸、イミダゾール−1−イル−酢酸、2−アセチルベンズイミダゾール、1−アセチルイミダゾール、N−アセチルイミダゾール、2−アミノベンズイミダゾール、N−(3−アミノプロピル) イミダゾール、5−アミノ−2−(トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、4−アザベンズイミダゾール、4−アザ−2−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、1−ベンジルイミダゾール、1−ブチルイミダゾール)等のイミダゾール環を含む化合物等が挙げられる。 Examples of the buffer substance contained in the electrolyte include dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 ) generated by sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), and the like. - ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), citric acid Hydrogen ion, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2-aminoethanesulfonic acid (ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N′-2-ethanesulfonic acid (HEPES) ), N-2-hydroxyethylpiperazine-N′-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviated to tricine), glycylglycine, N, N-bis (2- Hydroxyethyl) glycine (abbreviated bicine), imidazole, triazole, pyridine derivative, bipyridine derivative, imidazole derivative (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole-2-carboxylic acid Ethyl, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetylimidazo 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercaptobenzimidazole, benz Examples thereof include compounds containing an imidazole ring such as imidazole, 1-benzylimidazole, and 1-butylimidazole.

そして、少なくとも、負極21及び正極22に固定化された酵素の周囲の電解質層23に含まれる緩衝物質の濃度は、0.2〜2.5Mであることが好ましく、より好ましくは0.4〜2M、更に好ましくは0.8〜1.2Mである。これにより、高い緩衝能を得ることができ、燃料電池2が高出力作動時においても、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。   The concentration of the buffer substance contained in the electrolyte layer 23 around the enzyme immobilized on the negative electrode 21 and the positive electrode 22 is preferably 0.2 to 2.5M, more preferably 0.4 to 2M, more preferably 0.8 to 1.2M. Thereby, a high buffering capacity can be obtained, and even when the fuel cell 2 operates at a high output, the original ability of the enzyme can be sufficiently exhibited.

なお、このように電解質層3の緩衝物質濃度が高い酵素電池2においては、燃料溶液との接触部を腐食防止加工した素材で形成することが望ましい。これにより、耐久性を向上させることができる。また、移動体1用の酵素電池2では、スプレー法等により各酵素を均一に塗布した大面積の電極を使用することが望ましい。これにより、個々の酵素電池の出力を安定して向上させることができる。   In addition, in the enzyme battery 2 having a high buffer substance concentration in the electrolyte layer 3 as described above, it is desirable to form the contact portion with the fuel solution with a material that has been subjected to corrosion prevention processing. Thereby, durability can be improved. Moreover, in the enzyme battery 2 for the moving body 1, it is desirable to use a large-area electrode in which each enzyme is uniformly applied by a spray method or the like. Thereby, the output of each enzyme battery can be improved stably.

上述の如く構成された酵素電池2においては、負極21で燃料の酸化反応が生じて電子を放出する。具体的には、燃料の酸化分解に伴い、酸化型の補酵素がそれぞれの還元型であるNADH、NADPH、FADH及びPQQHに還元される反応と、補酵素酸化酵素により、還元型の補酵素が酸化型の補酵素へ戻される反応とからなる酸化還元反応が繰り返され、補酵素が還元型から酸化型に戻る際に2電子が発生する。この反応で発生した電子は、電解質層23介して負極21から正極22に移動する。そして、正極22において、電子と外部から供給される酸素とにより還元反応が進行する。この酵素電池2では、上述した一連の反応を進行させることにより、電気エネルギーを発生する。 In the enzyme battery 2 configured as described above, a fuel oxidation reaction occurs at the negative electrode 21 to release electrons. Specifically, as the fuel is oxidatively decomposed, the oxidized coenzyme is reduced to the respective reduced forms NADH, NADPH, FADH, and PQQH 2 , and the coenzyme oxidase reduces the reduced coenzyme. The redox reaction consisting of the reaction to return to the oxidized coenzyme is repeated, and two electrons are generated when the coenzyme returns from the reduced form to the oxidized form. Electrons generated by this reaction move from the negative electrode 21 to the positive electrode 22 through the electrolyte layer 23. In the positive electrode 22, the reduction reaction proceeds by electrons and oxygen supplied from the outside. In the enzyme battery 2, electric energy is generated by advancing the series of reactions described above.

例えば、酵素電池2の燃料にグルコースを使用した場合は、負極21でグルコース(Glucose)の酸化反応が進行し、正極22で大気中の酸素(O)の還元反応が進行する。そして、負極21では、グルコース(Glucose)、グルコース脱水素酵素(Glucose Dehydrogenase)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD;Nicotinamide Adenine Dinucleotide)、ジアホラーゼ(Diaphorase)、ミディエーター、電極の順に電子が受け渡される。 For example, when glucose is used as the fuel for the enzyme battery 2, the oxidation reaction of glucose (Glucose) proceeds at the negative electrode 21, and the reduction reaction of oxygen (O 2 ) in the atmosphere proceeds at the positive electrode 22. In the negative electrode 21, electrons are transferred in the order of glucose (Glucose), glucose dehydrogenase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ), diaphorase, mediator, and electrode. .

次に、酵素電池2を搭載した移動体1の具体的構成について、移動体1が自動車である場合を例にして説明する。図3は酵素電池搭載自動車の構成の一例を示す図である。図3に示す酵素電池搭載自動車30では、車両本体の前方にモータールーム31、中央部に車室32、後方にトランクルーム33が設けられている。そして、モータールーム31の下部には左右一対の前輪34が取り付けられ、車室32の後方下部には左右一対の後輪35が取り付けられている。   Next, a specific configuration of the moving body 1 on which the enzyme battery 2 is mounted will be described by taking as an example a case where the moving body 1 is an automobile. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of an enzyme battery-equipped automobile. In an enzyme battery-equipped automobile 30 shown in FIG. 3, a motor room 31 is provided in front of the vehicle body, a vehicle compartment 32 in the center, and a trunk room 33 in the rear. A pair of left and right front wheels 34 are attached to the lower part of the motor room 31, and a pair of left and right rear wheels 35 are attached to the lower rear part of the vehicle compartment 32.

この自動車30は、モータールーム31に駆動モーター38が搭載されており、この駆動モーター38で前輪34を回転させることにより走行する。また、モータールーム31には、自動車30に搭載された各機器類に電力を供給する酵素電池2が搭載されている。即ち、図3に示す自動車30では、駆動モーター38と酵素電池2とが電気的に接続されており、酵素電池2で発生した電力によって駆動モーター38が作動し、走行する。   The automobile 30 has a drive motor 38 mounted in a motor room 31 and travels by rotating a front wheel 34 with the drive motor 38. In the motor room 31, an enzyme battery 2 that supplies power to each device mounted on the automobile 30 is mounted. That is, in the automobile 30 shown in FIG. 3, the drive motor 38 and the enzyme battery 2 are electrically connected, and the drive motor 38 is operated by the electric power generated by the enzyme battery 2 and travels.

また、車室32の下部には、酵素電池2の燃料を貯留する燃料タンク36が設置されており、この燃料タンク36は管39によって酵素電池2と連結されている。更に、燃料タンク36と酵素電池2との間には、燃料を酵素電池2に向かって通流させるためのポンプ及び燃料の流量を調整するためのフローメーター等を備えた燃料供給装置37が設けられている。   A fuel tank 36 for storing the fuel of the enzyme battery 2 is installed in the lower part of the vehicle compartment 32, and the fuel tank 36 is connected to the enzyme battery 2 by a pipe 39. Further, between the fuel tank 36 and the enzyme cell 2, there is provided a fuel supply device 37 having a pump for allowing the fuel to flow toward the enzyme cell 2 and a flow meter for adjusting the flow rate of the fuel. It has been.

図3に示す酵素電池搭載自動車30においては、例えばラジエター40等の駆動モーター38以外の機器類にも、酵素電池2から電力が供給される。また、この自動車30では、車室32の下部に電力制御装置41等の各種制御装置が設置されるが、補酵素電池2で使用される燃料は安全性が高いものであるため、これらを燃料タンク36の近傍に配置しても問題はない。   In the enzyme battery-equipped automobile 30 shown in FIG. 3, power is supplied from the enzyme battery 2 to devices other than the drive motor 38 such as the radiator 40. In the automobile 30, various control devices such as a power control device 41 are installed in the lower part of the passenger compartment 32. However, since the fuel used in the coenzyme battery 2 is highly safe, There is no problem even if it is arranged in the vicinity of the tank 36.

なお、図3に示す自動車30では、モータールーム31に酵素電池2を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、酵素電池2を車室32の下部に配置することもできる。ただし、正極に空気を取り入れやすくするためには、酵素電池2は車体下部又は前方部に、正極が下側になるように配置することが望ましい。また、車体の前面から空気を取り込んだ空気を正極に導入するための経路を設けたり、正極を露出させたり、ファンで空気を送るような機構を設けたりしてもよい。   In the automobile 30 shown in FIG. 3, the enzyme battery 2 is arranged in the motor room 31, but the present invention is not limited to this, and for example, the enzyme battery 2 is arranged in the lower part of the vehicle compartment 32. You can also. However, in order to make it easy to take air into the positive electrode, it is desirable to arrange the enzyme battery 2 at the lower part or the front part of the vehicle body so that the positive electrode is on the lower side. Further, a path for introducing air taken in from the front of the vehicle body to the positive electrode may be provided, or a mechanism for exposing the positive electrode or sending air with a fan may be provided.

上述の如く本実施形態の移動体1は、動力源が酵素電池2であるため、糖類、タンパク質、脂質及び炭水化物等の生物が通常エネルギー源としている安全な物質を燃料として使用することができる。これにより、衝突事故等の大事故が起こった場合でも、燃料への引火及び爆発等による二次災害の心配がなくなるため、安全性を確保するための機構及びシステムが不要になる。   As described above, since the power source of the mobile body 1 of the present embodiment is the enzyme battery 2, a safe substance that is normally used as an energy source by living organisms such as sugars, proteins, lipids, and carbohydrates can be used as fuel. As a result, even when a major accident such as a collision accident occurs, there is no need to worry about secondary disasters caused by ignition or explosion of fuel, and thus a mechanism and system for ensuring safety are unnecessary.

また、本実施形態の移動体1に搭載されている酵素電池2は、少なくとも一方の電極に固定される触媒が酵素であるため、燃料電池を使用した従来の移動体に比べて白金等の希少金属の使用量を大幅に低減することができる。更に、酵素電池2は、二酸化炭素等の温暖化ガス及び窒素酸化物等の環境汚染物質を発生しないため、本実施形態の移動体1では、排気ガスを浄化するための設備が不要となり、低コストでクリーンなシステムを実現することができる。その結果、製造コストの低減、安全性確保及び環境負荷低減の全てを満たす移動体を実現することができる。   Further, in the enzyme battery 2 mounted on the mobile body 1 of the present embodiment, since the catalyst fixed to at least one of the electrodes is an enzyme, platinum or the like is rarer than a conventional mobile body using a fuel cell. The amount of metal used can be greatly reduced. Furthermore, since the enzyme battery 2 does not generate greenhouse gases such as carbon dioxide and environmental pollutants such as nitrogen oxides, the mobile body 1 of the present embodiment does not require equipment for purifying exhaust gas, and is low A clean system can be realized at low cost. As a result, it is possible to realize a moving body that satisfies all of the reduction in manufacturing cost, ensuring safety, and reducing environmental load.

また、酵素電池2は、従来の燃料電池よりも安全性が高い燃料を使用することができるため、本実施形態の移動体1では、燃料補充を運転者又は同乗者が容易に行うことができ、更に、室内から燃料を補充することも可能となる。更に、酵素電池2は、安全性確保のための設備が不要であるため、従来の燃料電池に比べて小型化することが可能である。このため、本実施形態の移動体1は、従来の燃料電池を使用した移動体に比べて、動力源を設置するために要するスペースを小さくすることができる。   In addition, since the enzyme battery 2 can use fuel that is safer than conventional fuel cells, the driver or passenger can easily perform fuel replenishment in the mobile body 1 of the present embodiment. Furthermore, it is possible to replenish the fuel from the room. Furthermore, since the enzyme battery 2 does not require a facility for ensuring safety, the enzyme battery 2 can be reduced in size as compared with a conventional fuel cell. For this reason, the moving body 1 of this embodiment can make the space required in order to install a power source smaller than the moving body using the conventional fuel cell.

次に、本発明の第2の実施形態に係る移動体について説明する。図2は本実施形態の移動体を模式的に示す側面図である。図2に示すように、本実施形態の移動体11は、酵素電池12に加えて、原料からバイオマス燃料を生成する燃料発生部13と、この燃料発生部13で生成したバイオマス燃料を酵素電池12に導入する燃料導入部14とが設けられている。   Next, the moving body according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a side view schematically showing the moving body of the present embodiment. As shown in FIG. 2, in addition to the enzyme battery 12, the mobile body 11 of this embodiment includes a fuel generator 13 that generates biomass fuel from raw materials, and biomass fuel generated by the fuel generator 13 using the enzyme battery 12. And a fuel introduction portion 14 to be introduced into the vehicle.

本実施形態の移動体11における燃料発生部13は、例えば、バイオマス原料を粉砕する原材料粉砕部と、粉砕された原料を発酵させてバイオマス燃料を生成する原材料発酵部とを備えた構成とすることができる。また、燃料導入部14は、例えば、バイオマス原料と生成したバイオマス燃料とを分離するバイオ燃料抽出部と、抽出されたバイオマス燃料と酵素電池で用いる電解液とを混合する燃料−電解液混合部とを備えた構成とすることができる。   The fuel generation unit 13 in the mobile body 11 of the present embodiment includes, for example, a raw material pulverization unit that pulverizes biomass raw material and a raw material fermentation unit that ferments the pulverized raw material to generate biomass fuel. Can do. The fuel introduction unit 14 includes, for example, a biofuel extraction unit that separates the biomass raw material and the generated biomass fuel, and a fuel-electrolyte mixing unit that mixes the extracted biomass fuel and the electrolyte used in the enzyme battery. It can be set as the structure provided with.

上述の如く構成された移動体11においては、燃料発生部13に、例えば、食品廃棄物、下水汚泥、廃棄紙、黒液(パルプ廃液)、木質廃材、家畜糞尿、食用油、米、麦、トウモロコシ及びサトウキビ等のバイオマス原料を投入することにより、糖類、タンパク質、脂質及び炭水化物等のバイオマス燃料が生成する。そして、生成したバイオマス燃料は、燃料導入部14を介して酵素電池12に導入され、これにより酵素電池12で電力が発生し、移動体11が駆動する。   In the mobile body 11 configured as described above, the fuel generation unit 13 includes, for example, food waste, sewage sludge, waste paper, black liquor (pulp waste liquid), wood waste, livestock manure, edible oil, rice, wheat, Biomass fuels such as saccharides, proteins, lipids and carbohydrates are produced by introducing biomass raw materials such as corn and sugar cane. Then, the generated biomass fuel is introduced into the enzyme battery 12 via the fuel introduction unit 14, whereby electric power is generated in the enzyme battery 12 and the moving body 11 is driven.

本実施形態の移動体11は、燃料発生部13で酵素電池12の燃料を生成することができるため、あらゆるバイオマス原料を、移動体11の燃料として直接使用することができる。   Since the mobile body 11 of the present embodiment can generate the fuel for the enzyme battery 12 in the fuel generator 13, any biomass material can be used directly as the fuel for the mobile body 11.

なお、本実施形態の移動体11における上記以外の構成及び効果は、前述した第1の実施形態の移動体と同様である。   In addition, the structure and effect other than the above in the mobile body 11 of this embodiment are the same as that of the mobile body of 1st Embodiment mentioned above.

前述した第1及び第2の実施形態においては、移動体が自動車である場合を例に説明しているが、本発明は自動車に限定されるものではなく、例えば、列車、バイク、動力付自転車、車椅子及び電動立ち乗り二輪車等の各種移動体、更には、無線操縦可能な自動車及び飛行機等の移動体玩具等にも適用することが可能である。   In the first and second embodiments described above, the case where the moving body is an automobile has been described as an example. However, the present invention is not limited to an automobile, for example, a train, a motorcycle, a powered bicycle. The present invention can also be applied to various mobile objects such as wheelchairs and electric standing and riding motorcycles, as well as mobile toys such as automobiles and airplanes that can be wirelessly operated.

本発明の第1の実施形態の移動体を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the moving body of the 1st Embodiment of this invention. 酵素電池2の構成及び反応機構の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of a structure and reaction mechanism of the enzyme battery. 酵素電池搭載自動車の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the vehicle equipped with an enzyme battery. 本発明の第2の実施形態の移動体を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the moving body of the 2nd Embodiment of this invention. 特許文献1に記載の燃料電池搭載車両の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the fuel cell mounting vehicle of patent document 1. As shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、11 移動体
2、12 酵素電池
13 燃料発生部
14 燃料導入部
21 負極
22 正極
23 電解質層
30 酵素電池搭載自動車
31 モータールーム
32 車室
33 トランクルーム
34 前輪
35 後輪
36 燃料タンク
37 燃料供給装置
38 駆動モーター
39 管
40 ラジエター
41 電力制御装置
100 燃料電池搭載車両
101 燃料電池
102 二次電池
103 フロントシート
104 リアシート
105 燃料タンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Mobile body 2,12 Enzyme battery 13 Fuel generation part 14 Fuel introduction part 21 Negative electrode 22 Positive electrode 23 Electrolyte layer 30 Car equipped with an enzyme battery 31 Motor room 32 Car compartment 33 Trunk room 34 Front wheel 35 Rear wheel 36 Fuel tank 37 Fuel supply device 38 Drive Motor 39 Tube 40 Radiator 41 Power Control Device 100 Fuel Cell Vehicle 101 Fuel Cell 102 Secondary Battery 103 Front Seat 104 Rear Seat 105 Fuel Tank

Claims (4)

動力源として、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素が固定された酵素電池が搭載されている移動体。   A moving body in which an enzyme battery having an oxidoreductase immobilized as a catalyst is mounted on at least one of a negative electrode and a positive electrode as a power source. バイオマス燃料を生成する燃料発生部と、
生成したバイオマス燃料を前記酵素電池に導入する燃料導入部と
を有することを特徴とする請求項1に記載の移動体。
A fuel generator for producing biomass fuel;
The mobile body according to claim 1, further comprising a fuel introduction unit that introduces the produced biomass fuel into the enzyme battery.
前記バイオマス燃料が、糖類、タンパク質、脂質及び炭水化物から選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項2に記載の移動体。   The mobile body according to claim 2, wherein the biomass fuel is at least one selected from sugars, proteins, lipids, and carbohydrates. 自動車であることを特徴とする請求項1に記載の移動体。
The mobile body according to claim 1, wherein the mobile body is an automobile.
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