【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低温作動発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】商用電源を使用できない環境で電気を使用する場合には、通常電池が使用されるが、電池は使用できる電力に限りがある。 充電式の二次電池は、充電することにより繰り返し使用できるが、充電するためには他の電源が必要であり、充電する時間も必要である。 また、上記二次電池により使用できる電力は小さい。

【０００３】そのため、ある程度大きな電力を長時間必要とする場合は、主としてエンジン発電機を用いたポータブル発電装置が用いられており、工事現場や夜店等で活用されている。 しかし、上記ポータブル発電装置は、
エンジン発電機からの騒音、排ガスの発生等の問題があるため、屋内やキャンプ場等での使用には必ずしも適していない。

【０００４】上記問題を解決するため、水素を燃料とする燃料電池を用いた発電装置の開発が進められている。
通常、燃料電池を用いた発電装置では、水素は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を充填した水素貯蔵器から供給されるが、これらを安全に取り扱うためには、そのための知識と注意が必要である。

【０００５】また、このほかに、メタノールやブタン等の改質反応により得られた水素を供給する方法が考えられる。 しかし、改質反応により得られる水素には一酸化炭素が混在しており、一酸化炭素は燃料電池のアノード触媒を被毒させて電池の出力を低下させるので、一酸化炭素除去装置により除去する必要がある。 また、発電装置を室内で作動させる場合は、一酸化炭素の人体への影響の考慮から、一酸化炭素が外部に漏れた場合の安全装置も必要となる。 したがって、水素を供給するシステム全体としては大きなものとなる。

【０００６】また、燃料電池としては、低温作動、高出力及び高速起動が可能であることから、固体高分子電解質型燃料電池を用いるのが好ましい。 しかし、上記燃料電池においては、電解質である固体高分子を加湿する必要があり、通常加湿した水素を供給する方法が採用される。 そのため、固体高分子電解質型燃料電池を用いる場合は、水素の加湿装置が必要となり、システムが大きくなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、長期間安定に高出力の電力を供給でき、ポータブル発電装置として良好に使用できる小型の低温作動装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池と該燃料電池に水素を供給する水素発生装置とを備え、該水素発生装置では、ヒドロゲナーゼを有する嫌気性菌を基質の存在下で培養することにより水素を発生させることを特徴とする低温作動発電装置を提供する。

【０００９】本発明の低温作動発電装置は、燃料電池と水素発生装置とを備え、水素発生装置で発生させた水素を燃料ガスとして燃料電池に供給している。

【００１０】本発明における燃料電池は低温で作動するものであり、具体的には０℃〜１５０℃で作動するものが好ましく、特に２５〜１００℃で作動するものが好ましい。 この点で、リン酸を電解質とするリン酸型燃料電池及び固体高分子電解質型燃料電池が使用でき、高出力が得られることから固体高分子電解質型燃料電池が好ましい。

【００１１】固体高分子電解質型燃料電池は、電解質である固体高分子膜の両面にガス拡散性の電極層が配置されてなり、一方の電極に燃料である水素を供給し、他方の電極に酸化剤、例えば酸素、空気等を供給し作動させる。

【００１２】電解質である固体高分子膜としては、通常厚さ５０〜２００μｍのプロトン伝導性イオン交換膜が用いられ、出力密度が高く耐久性に優れる点から好ましくはスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体（水素原子がフッ素原子に全て置換されていれば、例えばエーテル結合性の酸素原子等を含んでもよい。）からなるイオン交換膜が用いられる。

【００１３】本発明における水素発生装置では、ヒドロゲナーゼを有する嫌気性菌（以下、単に嫌気性菌と称する）を基質の存在下で培養し、ヒドロゲナーゼを基質に作用させることにより水素を発生させる。 ヒドロゲナーゼとは、水素による電子受容体の還元とその逆反応による水素発生において触媒として機能する酵素をいい、嫌気性菌に保持されるヒドロゲナーゼは、水素を発生させるときに触媒として機能する。

【００１４】嫌気性菌としては、クロストリジウム属、
シトロバクター属、デサルフォビブリオ属に属する菌が好ましい。 なかでも、クロストリジウム属に属する菌は、糖やセルロース等から高い効率で水素を発生させることができ、水素生成速度が速いので好ましい。 具体的には、野生のシロアリから単離した、Ｃｌｏｓｔｒｉｄ
ｉｕｍ ｓｐ． Ｘ５３株（Ｊ．Ｆｅｒｍｅｎｔ．Ｂｉｏ
ｅｎｇ． ，８１（２），１７８−１８０（１９９６）、
以下文献１という）、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓｐ． Ｎ
ｏ． ２株（Ｃａｎ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．，４０，
２２８−２３３（１９９４）、以下文献２という）、Ｃ
ｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉＡＭ
株（Ｃａｎ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．，３９，７２６
−７３０（１９９３））が好ましい。 これらの菌は、市販の嫌気性菌同定キットＡＰＩＡ２０（アスカ純薬社製）によりクロストリジウム属であることが同定されている。

【００１５】なお、本発明における水素発生装置では、
嫌気性菌中から取り出したヒドロゲナーゼのみを基質の存在下に培養し、水素を発生させることもできる。

【００１６】基質としては種々のものが使用できるが、
アラビノース、セルビオース、フルクトース、ガラクトース、グルコース、ラクトース、スターチ、キシロース、アビセル、セルロース、キシラン、デキストラン等が好ましい。 なかでもデキストランを使用すると水素発生量が多く、例えばグルコースを使用した場合の２倍以上の量の水素が得られるので、特に好ましい。 また、セルロースとしては、例えば印刷用の紙、コピー用紙、新聞紙等も使用できる。

【００１７】嫌気性菌を培養する培地としては、通常使用されるものが使用でき、例えばＰＹ液体培地等の液体培地、ＰＹ寒天培地等の半固形培地や固形培地が使用される。 なお、ＰＹ培地とは、ペプトンとイーストエキスを含む培地を示す。

【００１８】嫌気性菌の培地の温度は嫌気性菌の種類によって異なるが、２５〜５５℃が好ましく、特に３０〜
４０℃が好ましい。 この温度範囲では発酵が効率良く行われ、水素の生成速度が速くなる。 また、培地のｐＨも嫌気性菌の種類によって異なるが、４．０〜６．０、特に４．５〜５．５であるのが好ましい。 ｐＨが上記範囲内であると水素の発生量を多くできる。

【００１９】本発明の低温作動発電装置は、燃料電池、
水素発生装置に加え、水素貯蔵器を備えることが好ましい。 水素貯蔵器を備えることにより、水素発生装置の水素供給能力を超える量の水素を供給する必要が生じた場合にも対応できる。 水素貯蔵器としては、ミッシュメタル、ＬａＮｉ ₅系合金、ＦｅＴｉ系合金又はＭｇ系合金等の水素吸蔵合金と活性炭等の高比表面積の材料との混合物を器に充填して用いることが好ましい。

【００２０】本発明における水素貯蔵器は、温度を制御することにより水素の放出量を制御できる。 すなわち、
温度を高くすると水素の放出量は増加し、温度を低くすると水素は放出されず水素貯蔵器内に蓄積される。 水素貯蔵器の温度制御には、燃料電池の排熱を利用してもよい。 また、燃料電池の排熱は水素発生装置の温度制御に利用してもよい。

【００２１】

【実施例】［例１］文献２に基づき、野生のシロアリより嫌気性菌を単離した。 この嫌気性菌は文献１においてＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ． ＳＰ． Ｘ５３株と名付けられているものである。 この嫌気性菌の同定は、市販の嫌気性菌同定キットＡＰＩ Ａ２０（アスカ純薬社製）を用い、クロストリジウム属であることを確認した。 この嫌気性菌をＡＫ−０２（受託番号：ＦＥＲＭ Ｐ−１７０
７０）と名付けた。

【００２２】次に、ＰＹ液体培地を作製した。 ＰＹ液体培地は文献２にしたがい、ペプトンを１０ｇ、イーストエキスを５ｇ、Ｌ−システイン塩酸塩を５００ｍｇ、Ｃ
ａＣｌ ₂を８ｍｇ、ＭｇＳＯ ₄を８ｍｇ、ＫＨ ₂ ＰＯ ₄を４
０ｍｇ、ＮａＨＣＯ ₃を４００ｍｇ及びＮａＣｌを８０
ｍｇ含有する水溶液１Ｌに、グルコースを１０重量％加えて作製した。 また、同様にＰＹ液体培地を作製した後、寒天を含有量が１．２重量％となるように添加し、
ＰＹ寒天板状培地を作製した。

【００２３】次いで、上記のＰＹ液体培地及びＰＹ寒天板状培地を、高圧蒸気滅菌器内で１２１℃にて３０分間加熱して滅菌し、１０重量％の塩酸水溶液又は１０重量％の水酸化ナトリウム水溶液を用いてｐＨを４．８に調整した。

【００２４】ＰＹ液体培地１００ｍＬに、ＰＹ寒天板状培地で生育させたＡＫ−０２を１白金耳植え付けて、４
０℃で終夜培養した。 次いでこれに９００ｍＬのＰＹ液体培地を混合してさらに終夜培養した。 この培養液（Ｐ
Ｙ液体培地と培養したＡＫ−０２）の全量を、水素発生用培地（ＰＹ液体培地９Ｌに、親水処理した比表面積１
０００ｍ ² ／ｇの活性炭約５０ｇと、基質となる分子量約４００００のデキストラン約１００ｇを添加した培地）に添加し、よく撹拌したものを水素発生装置とした。 ４０℃における前記水素発生装置の水素の生成速度は、６Ｌ／ｈｒであった。

【００２５】次に固体高分子電解質型燃料電池を作製した。 電解質としては厚さ３０μｍのスルホン酸基を含有するパーフルオロカーボン重合体からなるイオン交換膜（商品名：フレミオン、旭硝子社製）を用いた。 水素極としては、電極有効面積が５０ｃｍ ²であり、ガス拡散電極中の白金量が見かけ表面積あたり２ｍｇ／ｃｍ ²であるガス拡散電極を使用した。 また、空気極としては、
電極有効面積が５０ｃｍ ²であり、ガス拡散電極中の白金量が見かけ表面積あたり１ｍｇ／ｃｍ ²であるガス拡散電極を使用した。

【００２６】ホットプレス法にて、上記イオン交換膜を間に介して上記水素極と上記空気極を接合し、電極−膜の接合体を作製した。 この電極−膜の接合体をセパレータを介して２０個積層し、固体高分子型燃料電池とした。

【００２７】次に、水素発生装置から発生させた水素が、固体高分子電解質型燃料電池の水素極側に供給されるように水素発生装置と固体高分子電解質型燃料電池を接続した。 水素極には水素発生装置から水素を、空気極には空気を供給し、常圧、７０℃にて固体高分子電解質型燃料電池の発電試験を実施した。 水素の生成速度は定常的に６Ｌ／ｈｒであり、５Ｗの電力が安定に得られた。 また、サージ出力は１００Ｗであった。 なお、水素発生装置から発生する水素には室温において約０．０５
ａｔｍの水蒸気が含まれていた。

【００２８】［例２］水素貯蔵器として、水素吸蔵合金であるＭｍＮｉ ₅ （Ｍｍ：ミッシュメタル）１ｋｇを充填した容器を準備した。 上記水素貯蔵器を、例１で用いた水素発生装置と固体高分子電解質型燃料電池の間に配し、水素発生装置及び固体高分子電解質型燃料電池のそれぞれに接続した。 固体高分子電解質型燃料電池を動作させる前に、水素発生装置を用いて約１０時間水素を製造し、約５０Ｌの水素を水素貯蔵装器に貯蔵させた後、
例１と同様に発電試験を実施した。 水素の生成速度は定常的に６Ｌ／ｈｒであり、５Ｗの電力が安定に得られた。 また、サージ出力は３００Ｗであった。

【００２９】

【発明の効果】本発明における水素発生装置で製造される水素中には一酸化炭素は含有されないため、アノード触媒が被毒するおそれがなく安定した出力が得られる。
また、嫌気性菌を含有する水溶液から水素を発生させるため、水素は水分を含有しており、水素の加湿装置を別に設ける必要がない。 したがって、水素発生装置を全体として小型化できる。

【００３０】また、水素は空気と接触すると爆発する可能性があるため、従来の燃料電池を使用する発電装置では種々の安全対策をとる必要があるが、本発明では嫌気性菌は空気と接触すると水素の生成を停止するので安全性が高い。 また、基質として用いられる糖類、セルロース、アルコール類は人体に対する有害性がきわめて低いため、取り扱いや廃棄が容易である。

【００３１】したがって、本発明によれば、長期間安定に高出力の電力を供給でき、かつポータブル発電装置として使用できる小型の低温作動発電装置を提供できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁷識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ１２Ｎ 1/00 Ｃ１２Ｎ 1/00 Ｐ Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者 吉田 直樹 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 (72)発明者 国狭 康弘 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 (72)発明者 田中 博己 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 Ｆターム(参考） 4B029 AA02 AA03 AA27 BB02 CC04 CC10 DA01 DG10 EA20 4B065 AA23X BB12 BB15 BB19 BC42 CA01 CA60 4G040 BA03 BB03 DA01 DA05 DC01 DC07 5H026 AA06 BB00 EE00 HH08 5H027 AA04 DD00