防燃料泄漏結構和生物燃料電池的制作方法

專利名稱：防燃料泄漏結構和生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用氧化還原酶的燃料電池。更具體地，本發明涉及向燃料電池的電池單元供給燃料的技術。
背景技術：
在陽極和陰極中至少一者上具有被固定化為催化劑的氧化還原酶的生物燃料電池能夠從諸如葡萄糖或乙醇等不能用作普通工業催化劑的燃料中有效地提取電子。因此，生物燃料電池作為具有大容量和高安全水平的下一代燃料電池受到了關注。
圖7A示出了生物燃料電池的陽極的反應圖解。圖7B示出了生物燃料電池的陰極的反應圖解。如圖7A和7B所示，在使用葡萄糖作為燃料的生物燃料電池中，在陽極處進行葡萄糖的氧化反應，并且在陰極處進行大氣中的氧氣(O2)的還原反應。在陽極處，電子依照如下次序進行轉移葡萄糖、葡萄糖脫氫酶、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、黃遞酶、電子媒介體和電極(碳)。以此方式，生物燃料電池能夠使用諸如葡萄糖等碳水化合物作為燃料。因此，能夠使用市售飲料等作為燃料，且已經提出了能夠使用飲料的裝置(例如，參見專利文獻I和2)。引用文獻列表專利文獻專利文獻I :日本專利申請特開第2009-48858號公報專利文獻2 :日本專利申請特開第2009-140646號公報

發明內容
本發明要解決的問題然而，上述常規技術存在下述問題。在上述常規技術中，當使用飲料作為燃料溶液時安全水平較高。因此，存在許多下列情形忽視了供給期間的液體泄漏以及由于傾倒而導致的液體泄漏(參見上述專利文獻I和2)。于是，生物燃料電池未設置有防燃料泄漏結構，且在多數情況下，生物燃料電池中的燃料溶液暴露于大氣。當燃料溶液暴露于大氣時，水會從生物燃料電池蒸發，且外來異物(包括微生物和昆蟲)會進入生物燃料電池。水的蒸發導致生物燃料電池中的燃料溶液的濃度增大，于是向電極表面供給燃料(糖類)的速度變慢。外來異物導致了燃料溶液的劣化。在水的蒸發和外來異物污染的任一情況下，發電效率變低。而且，由于燃料溶液溢出或泄漏，燃料溶液會粘附至衣物、地板或家具等，這導致了衣物、地板或家具等出現污潰和變得黏糊糊的。特別地，從燃料電池泄漏的燃料溶液不僅包含燃料，還包含燃料氧化物(反應產物)、媒介體、支持電解質(supportingelectrolyte)和酶等。因此,需要注意防止液體泄漏。鑒于此，本發明的首要目的是提供一種防燃料泄漏結構，該防燃料泄漏結構能夠容易地從飲料容器等向生物燃料電池供給燃料。問題的解決方案本發明的防燃料泄漏結構包括控制閥；以及閥控制單元，所述閥控制單元對所述控制閥的打開和關閉進行電氣控制。在所述防燃料泄漏結構中，所述控制閥被安裝至燃料供給入口和燃料供給路徑中的至少一者，所述燃料供給入口用于將燃料引導至生物燃料電池的電池單元中，所述燃料供給路徑與所述燃料供給入口連接。所述閥控制單元根據由于按壓力而導致的電導通來打開和關閉所述控制閥。因此，能夠容易地打開和關閉所述控制閥。所述閥控制單元可以包括第一電極和第二電極。在這種情況下，所述第一電極可以安裝至第一部件，所述第一部件能夠借助按壓而移動。當所述按壓力施加至所述第一部件時，所述第一部件移動，并且使得所述第一電極與所述第二電極彼此接觸，從而導致所述電導通。·
所述第二電極可以安裝至第二部件。在這種情況下，在所述第一部件和所述第二部件之間可以設置有推動部件，以便向所述第一部件施加推動力以使所述第一部件離開所述第二部件。在所述閥控制單元中可以形成有作為燃料溶液的通路的燃料供給單元，所述燃料供給單元的一端可以用作容器的安裝口，所述容器容納有所述燃料溶液。在這種情況下，所述第一部件位于所述安裝口的下方，且所述第二部件位于所述第一部件的側方。優選地，所述第一部件的各表面中的面對著所述安裝口的表面是傾斜的。優選地，所述傾斜表面在越靠近所述第二部件的部分處距所述安裝口越近，并在越遠離所述第二部件的部分處距所述安裝口越遠。所述閥控制單元可以包括存儲所述燃料溶液的一級存儲單元。在這種情況下，所述第一部件插入到所述一級存儲單元中，所述第二電極被安置在所述一級存儲單元內部的面對所述第一電極的位置處。基于這種布置，所述第一部件能夠在所述第一電極和所述第二電極相互接近的方向上移動，并能夠在所述第一電極和所述第二電極相互遠離的方向上移動。在所述第一部件中可以設置有燃料引導部，所述燃料引導部是所述燃料溶液的通路。此外，本發明還提供了一種生物燃料電池，所述生物燃料電池包括上述防燃料泄漏結構和具有電極的電池單元，各所述電極的表面上存在有酶。本發明的效果根據本發明，能夠容易地將燃料溶液供給至生物燃料電池，而不會使燃料溶液溢出。


圖IA是示意性地表示了將容器安裝至本發明第一實施例的防燃料泄漏結構的情形的剖面圖；圖IB是示意性地表示了已將燃料溶液從容器供給到一級存儲單元中的情形的剖面圖。圖2是示意性地表示了已將燃料溶液供給至本發明第一實施例的防燃料泄漏結構的二級存儲單元中的情形的剖面圖。圖3是用于說明使用本發明第一實施例的防燃料泄漏結構的發電過程的流程圖。圖4是示意性地表示了本發明第一實施例的防燃料泄漏結構的變形例的部分剖面圖。圖5A是示意性地表示了已將燃料溶液供給到本發明第二實施例的防燃料泄漏結構的一級存儲單元中的情形的剖面圖；圖5B是示意性地表示了已將燃料溶液供給到本發明第二實施例的防燃料泄漏結構的二級存儲單元中的情形的剖面圖。圖6A是示意性地表示了本發明第二實施例的防燃料泄漏結構的變形例中第一部件已被提升的情形的剖面圖；圖6B是示意性地表示了第一部件已被推下的情形的剖面圖。圖7A表示了生物燃料電池的陽極的反應圖解；圖7B表示了生物燃料電池的陰極 的反應圖解。
具體實施例方式
本發明的防燃料泄漏結構被固定至或可拆卸地安裝至生物燃料電池的電池單元，并向生物燃料電池供給燃料溶液。下文參照附圖來詳細說明用于實施本發明的實施例。應當注意，本發明不限于下述各實施例。將按照以下次序進行說明。la、第一實施例(具有要被容器向下按壓的第一部件的防燃料泄漏結構的示例)lb、第一實施例的變形例2a、第二實施例(具有要被其它構件向下按壓的第一部件的防燃料泄漏結構的示例)2b、第二實施例的變形例la、第一實施例整體結構圖1A、圖IB和圖2是示意性地表示了具有第一實施例的防燃料泄漏結構的生物燃料電池的剖面圖，該防燃料泄漏結構被安裝至該生物燃料電池的電池單元30。本實施例的防燃料泄漏結構包括控制閥7和對控制閥7進行控制的閥控制單元20。控制閥7控制閥7不受到特別限制，只要它是用于液體的閥即可。可以使用諸如閘門閥、球閥(glove valve)、彈子閥(ball valve)、蝶形閥或隔膜閥(diaphragm valve)等各種各樣的通用閥。控制閥7可以直接安裝至用于向生物燃料電池的電池單元30供給燃料的燃料供給入口，或者可以安裝至與該燃料供給入口連接的燃料供給路徑(例如導管或存儲單元)。這里，設置有能夠存儲燃料溶液50的一級存儲單元8，并且控制閥7被安裝至一級存儲單元8。閥控制單元20閥控制單元20不受到特別限制，只要它根據按壓力來打開和關閉控制閥7即可。下文將詳細說明這類閥控制單元的示例。
本實施例的閥控制單元20包括充當燃料溶液50的通路的燃料供給單元6、安裝至燃料供給單元6的第一部件2a和位于燃料供給單元6的一側的第二部件2b。燃料供給單元6不受到特別限制，只要其能夠充當燃料溶液50的通路即可，并且例如可具有圓柱形狀。燃料供給單元6可以直接安裝至生物燃料電池的電池單元30，但在此示例中，燃料供給單元6的一端安裝至一級存儲單元8。控制閥7使一級存儲單元8和燃料供給單元6彼此分離。當關閉控制閥7時，燃料供給單元6與一級存儲單元8斷開連接。當打開控制閥7時，燃料供給單元6與一級存儲單元8連接。燃料供給單元6的位于與一級存儲單元8相反的側的端部是敞開的，并作為安裝口，諸如飲料瓶等容器I安裝至該安裝口。該安裝口的結構不受到特別限制，但可以使用諸如O形環9等用于防止液體泄漏的密封部件。在此示例中，容器I的開口部的外壁表面與防液體泄漏用O形環9緊密接觸，使得容器I被固定至燃料供給單元6，并且防止了燃料溶 液50的泄漏。第一部件2a位于燃料供給單元6的安裝口與控制閥7之間。第一部件2a不受到特別限制，只要其是可移動部件即可。例如，第一部件2a是能夠在橫向(與作為溶液的通路的燃料供給單元6交叉的方向)上移動的部件。第二部件2b被安置在第一部件2a的與燃料供給單元6相反的側上。在第一部件2a和第二部件2b之間設置有由彈簧或彈性材料(例如橡膠)形成的推動部件5。第一部件2a是可移動的，而第二部件2b是固定的。推動部件5在朝向燃料供給單元6的方向上向第一部件2a施加推動力。在下文所述的按壓力沒有施加到第一部件2a上的情況下，通過上述推動力將第一部件2a推向燃料供給單元6。在本實施例中，預先確定要安裝至防燃料泄漏結構的容器I的尺寸和形狀，并將上述安裝口和防液體泄漏用O形環9設計為具有與容器I相對應的尺寸和形狀。第一部件2a位于與容器I對應的位置處。當本實施例的容器I的開口部插入到上述安裝口中時，容器I的開口部的頂端到達第一部件2a，并且容器I向下按壓第一部件2a的表面。第一部件2a的與上述安裝口面對著的表面是傾斜的，從而形成傾斜表面。該傾斜表面的垂線不是在容器I的插入方向(按壓方向)上延伸，而是偏離上述按壓方向。該傾斜表面的高度在越靠近第二部件2b的位置處越大(或距上述安裝口越近)，且在越遠離第二部件2b的位置處越小(或距上述安裝口越遠)。將容器I進一步推入，從而向第一部件2a施加比推動部件5的推動力更大的力，使得第一部件2a被推向第二部件2b。隨著第一部件2a的移動，容器I的開口部的頂端以沿著第一部件2a的傾斜表面滑動的方式向下移動。第一部件2a被推動得更加向第二部件2b接近。在第一部件2a和第二部件2b的彼此面對的表面上分別形成有電極3a和3b (第一電極和第二電極)。第二電極3b位于上述第二部件的第一部件2a側，以面對著上述第一部件的第一電極3a。在沒有施加按壓力時，通過推動力將第一部件2a推向燃料供給單元6，且第一部件2a從第二部件2b分尚開,使得第一電極3a與第二電極3b彼此不接觸,從而處于非電導通狀態。當通過按壓力使第一部件2a朝向第二部件2b移動時，使得第一電極3a與第二電極3b彼此接觸，從而處于電導通狀態。第一電極3a和第二電極3b以及控制閥7均與控制裝置4連接。控制裝置4檢測第一電極3a與第二電極3b之間的電導通狀態。在非電導通狀態時，控制裝置4關閉控制閥7 ;而在電導通狀態時，控制裝置4打開控制閥7。也就是說，根據由容器I產生的上述按壓力，電導通狀態發生改變，并且控制閥7被打開和關閉。可以不僅根據上述按壓力而且也根據來自液體體積傳感器或流量傳感器等的信號來打開和關閉控制閥7。例如，在一級存儲單元8中設置有用于檢測液體體積的傳感器10，傳感器10與控制裝置4連接。傳感器10將表示一級存儲單元8中的液體體積的信號傳輸到控制裝置4。根據該信號，控制裝置4打開和關閉控制閥7。例如，當一級存儲單元8中的液體體積到達預定最大液體體積時，即使第一電極3a和第二電極3b處于電導通狀態，控制裝置4仍關閉 控制閥
7。以此方式，防止了燃料溶液50的溢出。如果一級存儲單元8中的液體體積小于預定最小體積，且第一電極3a和第二電極3b處于電導通狀態，則控制裝置4打開控制閥7。以此方式，在適當的時候用燃料溶液50補充一級存儲單元8。傳感器10的安裝位置和數量不受到特別限制，并且可以在除一級存儲單元8之外的其它存儲單元中安裝傳感器。例如，在電池單元30與一級存儲單元8之間還可以設置有二級存儲單元13，并且在二級存儲單元13中可以設置有傳感器18。類似于一級存儲單元8中的傳感器10，二級存儲單元13中的傳感器18與控制裝置4連接，并能夠根據液體體積來打開和關閉閥門。根據來自二級存儲單元13中的傳感器18的檢測信號而被打開和關閉的閥門可以是上述控制閥7或可以是某種其他閥。例如，在一級存儲單元8與二級存儲單元13之間可設置有另一控制閥(副控制閥11)，并且副控制閥11能夠被打開和關閉。當從電池單元30排出燃料溶液50的廢液時，可通過燃料供給單元6的安裝口排出該廢液。然而，在此示例中，燃料供給單元6可能受到污染，且當另一容器I安裝至燃料供給單元6時，這個容器I也可能受到污染。因此，優選地，準備了專門設計用來排出廢液的閥門(廢液排出閥)。廢液排出閥12的安裝位置不受到特別限制，例如可以在二級存儲單元13和一級存儲單元8中的一者或二者上安裝有廢液排出閥12。電池單元30安裝有本發明的防燃料泄漏結構的電池單元30不受到特別限制，下面是對電池單元30的示例結構的說明。電池單元30可具有如下結構在該結構中，陽極14和陰極16被安置成隔著質子導體15彼此面對。此時，陽極14可以是具有被固定化到由導電性多孔材料形成的電極的表面上的氧化還原酶的陽極，陰極16可以是具有被固定化到由導電性多孔材料形成的電極的表面上的氧化還原酶及電子媒介體的陰極。這里，電極的表面包括該電極的整個外部表面和多孔結構內部的全體內部表面，而且這也適用于稍后所述的示例。在具有上述結構的陽極14處，通過被固定化到表面上的酶來分解燃料，從而抽取出電子，并且產生質子(H+)。例如，陽極14和陰極16均連接到集電器17。在陰極16處，利用通過質子導體15從陽極14傳輸來的質子、通過集電器17從陽極14傳輸來的電子和例如空氣中的氧氣而生成了水。對于形成陽極14用的導電性多孔材料，能夠使用已知的材料，但其特別優選使用碳基材料，例如多孔碳、碳球團、碳氈、碳紙、碳纖維或者由碳微粒形成的堆疊結構。對于要被固定化到陽極14的表面上的酶，如果燃料是葡萄糖，則可以使用能夠分解葡萄糖的葡萄糖脫氫酶(DGH)。在將諸如葡萄糖等單糖用作燃料的情況下，優選地，輔酶氧化酶和電子媒介體以及諸如GDH等用于促進單糖的氧化并且將單糖分解的氧化酶被固定化到陽極14的表面上。輔酶氧化酶對被氧化酶還原的輔酶(例如NAD+或NADP+)進行氧化,且對輔酶還原體(例如，NADH或NADPH)進行氧化。此類輔酶氧化酶可以例如是黃遞酶。借助輔酶氧化酶的作用，在輔酶返回到氧化體時產生電子，且這些電子從輔酶氧化酶通過電子媒介體傳輸到電極。對于電子媒介體，優選使用具有醌骨架的化合物，并且具有萘醌骨架的化合物是更加優選的。具體地，能夠使用2-氨基-1，4-萘醌(ANQ)、2-氨基-3-甲基-1，4-萘醌·(AMNQ)、2-甲基-I，4-萘醌~1(3)、或者2-氨基-3-羧基-1，4-萘醌(ACNQ)等。對于具有醌骨架的化合物，除了具有萘醌骨架的化合物之外，可以使用蒽醌或其衍生物。此外，必要時，能夠將起到電子媒介體作用的一種或多種化合物與具有醌骨架的化合物一起固定化。在將多糖用作燃料的情況下，優選地是，除了固定化有上述的氧化酶、輔酶氧化酶、輔酶和電子媒介體之外還固定化有降解酶，該降解酶促進多糖的諸如水解降解等降解從而生成諸如葡萄糖等單糖。應當注意，這里使用的“多糖”是廣義的，并表示所有種類的通過水解降解而產生兩個以上單糖分子的碳水化合物，其包括諸如二糖、三糖和四糖等寡糖(oligosaccharide)。具體示例包括淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖原、纖維素、麥芽糖、鹿糖和乳糖。這些示例中的每一者都是由兩個以上的單糖結合在一起而形成的，這些多糖中的任何一者都包含葡萄糖作為充當結合單位的單糖。直鏈淀粉和支鏈淀粉是淀粉中所包含的組分，淀粉是直鏈淀粉和支鏈淀粉的混合物。例如，在將葡糖淀粉酶(glucoamylase)用作多糖降解酶，并將葡萄糖脫氫酶用作單糖降解氧化酶的情況下，可以使用能夠被葡糖淀粉酶分解成葡萄糖的多糖作為燃料。這類多糖的示例包括淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖原和麥芽糖。這里，葡糖淀粉酶是以水解的方式降解諸如淀粉等α -葡聚糖以產生葡萄糖的降解酶，葡萄糖脫氫酶是將β -D-葡萄糖氧化成D-葡糖酸-δ -內酯的氧化酶。對于形成陰極16用的導電性多孔材料，也可以使用已知的材料，但特別優選地使用碳基材料，例如多孔碳、碳球團、碳氈、碳紙、碳纖維或由碳微粒形成的堆疊結構。能夠固定化到陰極16上的酶的示例包括諸如膽紅素氧化酶(bilirubin oxidase)、漆酶(Iaccase)和抗壞血酸氧化酶(ascorbicacid oxidase)等氧還原酶。能夠與這些酶一起被固定化的電子媒介體的示例包括亞鐵氰化鉀(potassium hexacyanoferrate)、鐵氰化鉀(potassiumferricyanide)和八氰合鶴酸鉀(potas sium octacyanotungstate)。此外，質子導體15由不具有電子傳導性但能夠傳輸質子(H+)的材料制成。這類材料的示例包括玻璃紙(cellophane)、明膠(gelatin)和包括含氟碳磺酸基團的離子交換樹脂。或者，能夠使用電解質作為質子導體。電池單元30可以是浸入型電池單元，其中陽極14和陰極16都浸入在燃料溶液中；或者電池單元30可以是暴露于大氣型電池單元，其中僅陽極14與燃料溶液50接觸，且陰極16暴露于大氣。設置在電池單元30中的各電極不限于其表面上固定化有氧化還原酶的電極，而也可以是其電極表面上存在有氧化還原酶的電極。具體地，也能夠使用如下這樣的電極該電極的表面上附著有具有氧化還原酶的微生物，并且在陽極14和陰極16處引起前述反應。燃料溶液50本發明中使用的燃料溶液50不受到特別限制。燃料溶液50是包含充當燃料的“糖類”的水溶液。除了含有燃料和水之外，可添加有諸如增味劑、著色劑、防腐劑或分散劑等添加劑，且也可以使用不是專門調配的市售飲料。更具體地，可以使用能夠被人們消費的軟飲料、糖水和酒精飲料等。容納飲料溶液50的容器I也不受到特別限制，可以采用被廣 泛使用的瓶(例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET瓶)或玻璃瓶)。因此，能夠原樣地使用市售瓶裝飲料。操作接下來說明上述防燃料泄漏結構的用法示例。圖3是示出了在該用法示例中進行的過程的流程圖。(I)向下按壓在圖3中，由S1表示的“向下按壓”是這樣的步驟將容器I安裝至上述防燃料泄漏結構并向第一部件2a施加按壓力。在第一實施例中，使燃料供給單元6的安裝口面向下，并從下方將容器I的開口部插入到該安裝口中。以此方式，容器I被安裝至上述防燃料泄漏結構。借助施加到第一部件2a上的按壓力，發生電極接觸S2,由此在S3處將控制閥7打開。(2)燃料供給在圖3中，由S4表示的“燃料供給”是將容器I中的燃料溶液50供給至一級存儲單元8和二級存儲單元13的步驟。在安裝了容器I之后，將上述防燃料泄漏結構的位置及電池單元30的位置上下翻轉，且使得容器I的開口部面向下。于是，容器I中所包含的燃料溶液50流入燃料供給單元6中。如圖IB所示，當在S3處打開控制閥7時，燃料溶液50從燃料供給單元6供給至一級存儲單元8。在S3處打開控制閥7的時刻可以在上述防燃料泄漏結構的位置及電池單元30的位置上下翻轉之前或之后。在一級存儲單元8和二級存儲單元13之間設置有副控制閥11的情況下，當一級存儲單元8中的液體體積到達預定最大液體體積時，控制裝置4打開副控制閥11。當打開副控制閥11時，即使第一電極3a和第二電極3b處于電導通狀態，控制裝置4仍關閉控制閥7，從而防止從燃料供給單元6向一級存儲單元8過度供給燃料溶液50。圖2示出了如下情形該情形中，燃料溶液50被供給到二級存儲單元13，且燃料溶液50與電池單元30的電極(陽極14)接觸以開始發電。在發電期間，可以繼續向二級存儲單元13供給燃料溶液50，但優選對二級存儲單元13中的液體體積進行控制。例如，當二級存儲單元13中的液體體積到達預定最大液體體積時，關閉副控制閥11，以防止從一級存儲單元8向二級存儲單元13過度供給燃料溶液50。控制閥7和副控制閥11可被關閉，使得可以繼續發電直至燃料溶液50中的燃料(糖類)被完全消耗掉。而且，控制閥7和副控制閥11可被打開，使得電池單元30重新補充燃料溶液50并繼續發電。(3)廢液排出在圖3中，由S6表示的“廢液排出”是將在發電時使用過以后的燃料溶液50 (廢液)從電池單元30排出的步驟。在發電的過程中，不僅消耗了燃料溶液50中的糖類，而且還產生了諸如內酯等降解產物和水。因此，如果需要長時間發電，則需要更換燃料溶液50，否則發電效率變低。而且，如果在發電之后有燃料溶液(廢液)留在電池單元30中，則可能損壞陽極14和陰極
16。因此，在發電期間或在發電之后需要排出廢液的步驟。在發電期間排出廢液的情況下，手動或通過控制裝置4打開廢液排出閥12。打開 廢液排出閥12的時刻不受到特別限制。可以在從發電開始經過預定時段之后打開廢液排出閥12，或者可以在生物燃料電池的輸出變低時打開廢液排出閥12。當在發電期間打開了廢液排出閥12時，優選地，手動或通過控制裝置4打開控制閥7和副控制閥11以進一步供給燃料溶液50。例如，控制裝置4被設計成當一級存儲單元8或二級存儲單元13中的液體體積因排出廢液而變得小于預定最小液體體積時打開控制閥7和副控制閥11。在發電結束之后排出廢液的情況下，優選在關閉控制閥7和副控制閥11中的至少一者的前提下打開廢液排出閥12，以防止廢液流入燃料供給單元6和容器I中。當由于停止向電池單元30供給燃料溶液50和/或由于從電池單元30排出燃料溶液50而導致生物燃料電池內部不存在能夠有效地發電的燃料溶液50時，發電結束。在發電結束之后，將容器I從上述防燃料泄漏結構卸下。于是，施加到第一部件2a上的按壓力消失，并且電極接觸S2被解除為非電導通狀態。當第一電極3a與第二電極3b處于非電導通狀態時，無論來自傳感器10和傳感器18的信號如何，控制裝置4均在S5處關閉控制閥7。因此，在發電結束之后，電池單兀30與外部大氣分隔開。在將上述防燃料泄漏結構的位置及電池單元30的位置上下翻轉以使容器I的開口部面向上之后，卸下容器I。這樣，燃料溶液50不會溢出。而且，在使容器I的開口部面向上之前先關閉控制閥7和副控制閥11中的至少一者，使得廢液不會進入容器I。在本實施例的防燃料泄漏結構中，通過由容器I的安裝和卸下而產生的按壓力來打開和關閉控制閥7。因此，容易將燃料溶液50供給到電池單元30，且不會發生液體泄漏。當未安裝和不使用容器I時，控制閥7是關閉的。因此，電池單元30的內部不會變干，并且能夠防止燃料溶液50等的粘度增大，且能夠防止由于上述粘度的這種增大而導致的向電極的表面或內部供給燃料的速度降低。也防止了由于外部異物(例如，微生物、昆蟲和灰塵)而導致的污染，因而電池單元30的發電效率不會變低。lb、第一實施例的變形例盡管上面說明了通過容器I直接向下按壓第一部件2a的情形，但本發明不限于上述情形。圖4示出了第一實施例的變形例，在燃料供給單元6的通路中設置有移動部件25，移動部件25能夠在向上的方向(朝向安裝口的方向)上和向下的方向(離開安裝口的方向)上移動。
移動部件25位于第一部件2a和燃料供給單元6的安裝口之間。當將容器I的開口部插入到上述安裝口中時，該開口部的頂端被按壓得抵住移動部件25。當被容器I向下按壓時，移動部件25向下移動，并被推動得抵住第一部件2a。于是,第一部件2a被向下按壓。因此，在本變形例中，通過移動部件25來進行第一部件2a的向下按壓Sp隨著通過該向下按壓來移動第一部件2a，發生電極接觸S2，并且接著在S3處打開控制閥7。移動部件25的形狀不受到特別限制，并且例如可以是環形形狀，從而形成與容器I的開口部面對的通路。因此，即使當容器I的開口部的頂端被按壓得抵住移動部件25時，仍能夠通過移動部件25的通路將燃料溶液50從容器I供給至燃料供給單元6。在移動部件25的要與容器I的開口部的頂端接觸的部分處設置有防液體泄漏用 O形環27，從而圍繞移動部件25的通路。基于這種布置，能夠防止燃料溶液50從容器I與移動部件25之間的空間泄漏。在圖1A、圖IB和圖2所示的第一實施例中，需要使燃料供給單元6的安裝口在與容器I適配的前提下盡可能地小，從而防止液體從燃料供給單元6與容器I之間的空間泄漏。在本變形例中，可以將燃料供給單元6的安裝口設置成很大，使得大尺寸的容器I能夠安裝至該安裝口。在這種情況下，當安裝小尺寸的容器I時，就會在燃料供給單元6和容器I之間形成空間。然而，容器I的開口部的頂端與移動部件25 (或者說與防液體泄漏用O形環27)處于緊密接觸狀態，以防止燃料溶液50的泄漏。因此，能夠使用各種尺寸和各種形狀的容器I。盡管上面已經說明了通過容器I向下按壓第一部件2a的情形，但本發明不限于此。在下文中，將說明通過除了容器I之外的其它構件向下按壓第一部件2a的實施例。2a、第二實施例圖5A和圖5B是示意性地表示了本發明第二實施例的防燃料泄漏結構的剖面圖。在圖5A和圖5B中，與第一實施例中相同的組件用與第一實施例中使用的附圖標記相同的附圖標記表示。第一部件2a是棒狀的形式。第一部件2a的一端(下端)插入到一級存儲單元8中，而另一端(上端)露出于一級存儲單兀8的外部。在本實施例中,在第一部件2a的內部設置有燃料溶液50的通路(燃料引導部31)。盡管不受到特別限制，但燃料引導部31例如是從第一部件2a的上端貫穿到第一部件2a的下端的貫通孔。也就是說，燃料引導部31是用于將一級存儲單元8的內部空間連接至外部空間的通路，并且通過燃料引導部31將燃料溶液50引導到一級存儲單元8中。第一部件2a和燃料引導部31的形狀不受到特別限制。然而，如果將第一部件2a形成為漏斗形狀使得燃料引導部31的上端部具有較大的直徑，則更易于引導燃料溶液50。在本實施例中，第一部件2a也沒有被固定，并且例如能夠上下移動。第二部件2b被設置在一級存儲單元8的內部，第二電極3b位于第一電極3a正下方。因此，當第一部件2a向上移動時，第一電極3a和第二電極3b彼此遠離地移動；而當第一部件2a向下移動時，第一電極3a和第二電極3b彼此相向地移動。也就是說，第一部件2a在第一電極3a和第二電極3b彼此遠離或彼此相向地移動的方向上移動，且第一部件2a的移動導致電極接觸S2(圖5B)或解除電極接觸S2(圖5A)。也就是說，第一電極3a與第二電極3b之間的電導通狀態隨著第一部件2a的移動而變化。在本實施例中，控制裝置4也根據第一電極3a與第二電極3b之間的電導通狀態的變化來打開和關閉控制閥7。例如，控制閥7是使一級存儲單元8與二級存儲單元13彼此分離的閘門閥。當在S3處打開控制閥7時，一級存儲單元8連接到二級存儲單元13。第二部件2b被布置成面對著燃料弓丨導部31，并且在電極接觸S2的時刻，燃料引導部31的端部被第二部件2b堵塞。基于該布置，第一部件2a也起到了將一級存儲單元8與外部空間分隔開或將一級存儲單元8連接至外部空間的閘門閥的作用。第一部件2a移動到一級存儲單元8中或者從一級存儲單元8中移出。因此，為了防止液體泄漏，優選在一級存儲單元8的插入有第一部件2a的插入部處設置有防液體泄漏用O形環34等。
在本實施例中，電池單元30及其它結構不受到特別限制，并且可以與圖1A、圖IB或圖2所示的電池單元30及其它結構相同或不同。第二部件2b可位于一級存儲單元8的外部。例如，第二部件2b可位于第一部件2a的上方。在這種示例中，當將第一部件2a推入到一級存儲單元8中時，第一部件2a從第二部件2b分離，并且解除電極接觸S2。當將第一部件2a從一級存儲單元8向上拽拉時，第一部件2a移動得接近第二部件2b，并且發生電極接觸S2。簡而言之，第二實施例根據向下按壓第一部件2a的操作(推)與向上拽拉第一部件2a的操作(拉)之間的按壓力變化來打開和關閉控制閥7。操作接下來將說明第二實施例的防燃料泄漏結構的用法示例。(I)向下按壓在本實施例中，使用者推動第一部件2a以產生按壓力。在這種情況下，借助向下按壓S1也發生電極接觸S2,且在S3處打開控制閥7。在當電極接觸S2的時刻燃料引導部31被第二部件2b堵塞的情況下，在電極接觸S2之前，將燃料溶液50注入到燃料引導部31中并且將燃料溶液50供給到一級存儲單元8中。(2)燃料供給當根據電極接觸S2而在S3處打開控制閥7時，一級存儲單元8中的燃料溶液50被供給到二級存儲單元13中，以開始發電。如果燃料引導部31此時被第二部件2b堵塞，則不會將燃料溶液50過度地供給至二級存儲單元13，并且能夠防止外部異物從外部進入。傳感器18將表示二級存儲單元13中的液體體積的信號發送至控制裝置4。當二級存儲單元13中的液體體積到達預定最大液體體積時，即使第一電極3a與第二電極3b處于電導通狀態，控制裝置4仍關閉控制閥7。(3)廢液排出如同第一實施例中一樣，在本實施例中，也能夠在發電期間和/或發電之后進行廢液排出S6。通過設置在一級存儲單元8和二級存儲單元13中的一者或兩者上的廢液排出閥12進行廢液排出S6。在下文中，將說明在二級存儲單元13上設置有廢液排出閥12的情形。在發電期間進行廢液排出S6的情況下，在關閉控制閥7的同時打開廢液排出閥12，并隨后排出廢液。即使在電極接觸S2的狀態下，當二級存儲單元13中的液體體積等于或大于預定最小液體體積時，控制裝置4也使控制閥7保持關閉。然而，當液體體積小于上述最小液體體積且各電極處于電極接觸S2的狀態時，控制裝置4打開控制閥7。如果預先將燃料溶液50供給至一級存儲單元8，則當打開控制閥7時重新向二級存儲單元13供給燃料溶液50。因此，無中斷地持續進行發電。在發電結束之后排出廢液的情況下，在控制閥7被關閉并且燃料引導部31被堵塞之后，將廢液排出。因此，廢液不會進入燃料供給單元31。2b、第二實施例的變形例盡管上面已經說明了將燃料溶液50直接注入到第一部件2a的燃料引導部31中的情形，但本發明不限于此。圖6A和圖6B圖示了本發明第二實施例的變形例。在本變形例中，將用于燃料溶液50的引導部件39安裝至一級存儲單元8。引導部·件39的形狀不受特別限制。例如，引導部件39具有料斗形狀(漏斗形狀)，其上端的直徑較大而下端的直徑較小。該引導部件的下端插入到一級存儲單元8中，該引導部件的上端向外部空間敞開。從容器I將燃料溶液50倒入該上端中。第一部件2a插入并穿過引導部件39。當將燃料溶液50倒入引導部件39中時，燃料溶液50被供給至在第一部件2a周圍的區域。燃料溶液50通過第一部件2a與引導部件39之間的空間或通過在第一部件2a中形成的燃料引導部31被供給至一級存儲單元8。具體地，燃料引導部31是從第一部件2a的側面延伸到第一部件2a的下端的彎曲貫通孔，并且存儲于在第一部件2a周圍的區域中的燃料溶液50通過燃料引導部31被供給到一級存儲單元8。在本變形例中，第一部件2a也能夠上下移動。向下按壓和向上拽拉第一部件2a，以使其在引導部件39的內部上下移動，使得第一電極3a與第二電極3b之間的電導通狀態發生變化。附圖標記列表I 容器2a，2b第一部件、第二部件3a，3b第一電極、第二電極4控制裝置5推動部件6燃料供給單元7控制閥8—級存儲單元9，27，34防液體泄漏用O形環11副控制閥12廢液排出閥13 二級存儲單元14 陽極15質子導體16 陰極
17集電器10，18 傳感器20閥控制單元25移動部件30電池單元31燃料引導部39引導部件
50燃料溶液
權利要求
1.一種用于生物燃料電池的防燃料泄漏結構，所述防燃料泄漏結構包括 控制閥；以及 閥控制單元，所述閥控制單元被設置用來對所述控制閥的打開和關閉進行電氣控制，其中，所述控制閥被安裝至燃料供給入口和燃料供給路徑中的至少一者，所述燃料供給入口用于將燃料引導至所述生物燃料電池的電池單元中，所述燃料供給路徑與所述燃料供給入口連接，并且 所述閥控制單元根據由于按壓力而導致的電導通來打開和關閉所述控制閥。
2.根據權利要求I所述的用于生物燃料電池的防燃料泄漏結構，其中， 所述閥控制單元包括第一電極和第二電極， 所述第一電極被安裝至第一部件，所述第一部件能夠借助按壓而移動，并且當所述按壓力施加至所述第一部件時，所述第一部件移動，并使得所述第一電極與所述第二電極彼此接觸，由此導致所述電導通。
3.根據權利要求2所述的防燃料泄漏結構，其中， 所述第二電極被安裝至第二部件，并且 在所述第一部件與所述第二部件之間設置有推動部件，用于施加推動力以使所述第一部件從所述第二部件分離。
4.根據權利要求3所述的防燃料泄漏結構，其中， 所述閥控制單元包括作為燃料溶液的通路的燃料供給單元， 所述燃料供給單元的一端用作容納有所述燃料溶液的容器的安裝口， 所述第一部件位于所述安裝口的下方，且所述第二部件位于所述第一部件的側方，所述第一部件的各表面中的面對著所述安裝口的表面是傾斜的，并且所述傾斜表面在越靠近所述第二部件的部分處距所述安裝口越近，并在越遠離所述第二部件的部分處距所述安裝口越遠。
5.根據權利要求2或3所述的防燃料泄漏結構，其中， 所述閥控制單元包括用于存儲燃料溶液的一級存儲單元， 所述第一部件插入到所述一級存儲單元中， 所述第二電極被安置在所述一級存儲單元內部的與所述第一電極面對的位置處，并且所述第一部件能夠在所述第一電極和所述第二電極相互接近的方向上移動，并能夠在所述第一電極和所述第二電極相互遠離的方向上移動。
6.根據權利要求5所述的防燃料泄漏結構，其中，在所述第一部件中形成有作為所述燃料溶液的通路的燃料引導部。
7.—種生物燃料電池，所述生物燃料電池包括 電池單元，所述電池單元包括電極，所述電極的表面上存在有酶；以及 防燃料泄漏結構，所述防燃料泄漏結構被設置用來向所述電池單元供給燃料溶液， 其中，所述防燃料泄漏結構包括 控制閥；以及 閥控制單元，所述閥控制單元被設置用來對所述控制閥的打開和關閉進行電氣控制， 所述控制閥被安裝至燃料供給入口和燃料供給路徑中的至少一者，所述燃料供給入口用于將燃料弓I導至所述電池單元中，所述燃料供給路徑與所述燃料供給入口連接，并且所述閥控制單元根據由于按壓力而導致的電導通來打開和關閉所述控制閥。·
全文摘要
本發明的防燃料泄漏結構的閥控制單元包括第一電極和第二電極。所述第一電極被安裝至可移動的第一部件。當向所述第一部件施加按壓力以使所述第一部件移動時，就使得所述第一電極與所述第二電極彼此接觸，從而導致電導通。所述第一電極和所述第二電極均與控制裝置連接，且所述控制裝置在所述第一電極與所述第二電極處于電導通狀態時打開控制閥。以此方式，因為能夠借助按壓力來打開和關閉所述控制閥，所以能夠容易地供給燃料溶液。
文檔編號H01M8/10GK102906923SQ201180025089
公開日2013年1月30日 申請日期2011年4月25日 優先權日2010年5月28日
發明者山口大介, 寒川恒俊, 藤田修二, 三田洋樹, 中川貴晶, 戶木田裕一 申請人:索尼公司