汗で発電する高出力のウェアラブル乳酸バイオ燃料電池アレイを開発

2021年04月01日

東京理科大学は2021年3月15日、高出力が得られる薄膜型ウェアラブル乳酸バイオ燃料電池アレイを開発したと発表した。自己発電型ウェアラブル乳酸センシングデバイスや、市販されている活動量計の電源としても利用できる。筑波大学、理化学研究所、山形大学との共同研究による成果だ。

開発した薄膜型バイオ燃料電池の構造は、撥水コーティングした和紙の上に導電性のカーボン層と多孔性炭素電極を順番にスクリーン印刷し、それぞれ隣り合う炭素電極上に酸素を還元するビリルビンオキシダーゼ（正極）と、乳酸を酸化する乳酸オキシダーゼ（負極）を固定化する。さらに、正負の電極の上に汗中の乳酸を取り込むための和紙を重ねている。今回の研究では、最大で6×6組の電極を配列した。

和紙を基板とするこの構造の利点として、炭素電極が直接皮膚に触れないため刺激が少ないこと、取り込まれた汗が和紙に浸透して各電極に均等に行き渡ることが挙げられる。

開発したバイオ燃料電池アレイの電圧と出力の相関を調べたところ、例えば直列×並列が4×4の場合は2.55mW、6×6の場合は4.30mWと、従来の薄膜型乳酸バイオ燃料電池よりも高い出力を示した。出力は電極の配列数に比例して増加することから、配列数を調整することで、必要な出力を得られる。また、乳酸濃度と得られる出力には線形関係があり、得られる出力から乳酸濃度を測定できる。

研究グループは、同バイオ燃料電池アレイの給電で作動する回路を設計し、Bluetooth通信によりスマートフォン上でモニタリングできる自己発電型乳酸バイオセンシングデバイスを作製。人工汗液を用いた実験で、このデバイスが乳酸濃度をモニタリングできることを確認した。電源としては、6×6の同バイオ燃料電池アレイは、人工汗液を燃料に市販の活動量計を1.5時間作動させることができた。

近年、身体に装着して汗に含まれるバイオマーカーをリアルタイムで検出するウェアラブルデバイスが注目されている。今回の研究成果は、汗中物質の濃度をモニタリングするウェアラブルデバイスの実用化に必要な、軽量、薄膜型で安全、長寿命、高出力を満たすウェアラブル型電池として、活用が期待される。

ソース:汗で発電する高出力のウェアラブル乳酸バイオ燃料電池アレイを開発：医療機器ニュース – MONOist (atmarkit.co.jp)