摘 要：鱼类通过消耗溶解的氧气而在水中生存，尽管氧气的含量仅为8ppm。本文将对燃料电池在水中运行以产生足够电能的可能性进行介绍。由各实验得出的结果是肯定的，并且燃料电池在水中运行时实际产生的电能与在空气中运行时相当。此外，已证明燃料电池可以去除空气和水中的氧气。也就是说，燃料电池可以用作脱氧设备以保护新鲜的食物、饮料和药物免于腐烂和氧化。
关键字：水中溶解氧、燃料电池、发电、除氧、脱氧装置
1. 前言
鱼通过鳃吸收水中溶解氧，从而维持生命活动。生命起源于水，然后来到了陆地并进化。但是，原始地球的地表完全没有氧气，主要是氮和二氧化碳。25亿年前，由于生命的出现，开始了光合作用，约5亿年前的寒武纪以后氧气浓度急速升高1）。现在，大气中存在20.9%的氧气。但是，水中饱和溶解氧浓度仅为8.8ppm，比大气中的浓度低很多。尽管氧气在大气和水中存在差异，但在物理学上，氧气分压在大气与水接触的界面处处于平衡状态，鳃和肺通过呼吸吸收的氧气量没有太大差异。本文中，笔者（AIpatent认证专家库成员，欲知详情可联络support@aipatent.com）首先研究了燃料电池能否通过水中溶解氧进行发电。
燃料电池（单电池）是一种利用氢气和氧气直接提取电能的设备，其基本原理与水电解相反。另外，氢气作为不排放二氧化碳的环保能源而正在开发中。最近研发的氢燃料电池具有超过1Wcm-2的高输出密度（太阳能电池的约50倍），因此已被实际用作宇宙飞船和汽车的电源2）。氢燃料电池的开发主要集中于高功率化和低成本化，但是氢气在常压下密度很低，因此氢燃料电池并不能够被简单利用。
沼气、酒精、葡萄糖以及纤维素等生物质燃料也备受关注。由于可以将生活中的生物质用作燃料，因此笔者可以在实验室中自制具有紧凑结构的燃料电池，而且可以根据实际需要立即对其进行改进。最初，使用铂催化剂的0.5ML-抗坏血酸（AsA）燃料电池的电动势E0为0.45V，最大输出功率Pmax为1.04（mWcm-2）3）。现在，代替昂贵的铂催化剂，使用单层碳纳米管（SWCNT）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT*PSS）的复合膜作为燃料电极的催化剂，获得了0.54V的电动势E0和超过11mWcm-2的最大输出功率Pmax4）。并且，通过改良催化剂可以扩大生物燃料的范围，例如，利用Ni和PEDOT*PSS的复合膜作为催化剂后，可以以尿素作为燃料，且可以获得0.80V的电动势E0和3.0mWcm-2的最大输出功率Pmax等5）。
目前为止，笔者主要以提高生物燃料电池的发电效率并降低材料成本为目的进行研究。但是，在充分了解了燃料电池的功能后发现，燃料电池也可以应用于与其本来目的不同的领域。目前，很少有研究将燃料电池的功能应用于其它目的，原因在于这不是燃料电池的本来目的，并且认为没有太大的意义。
由于燃料电池消耗氧气，因此笔者提出将其用于电化学方法并用作脱氧剂6,7）。对于生鲜食品来说，氧气是导致腐烂和氧化的主要原因，因此脱氧与冷冻、真空包装、氮气置换一样，是食品长期保存不可或缺的因素。铁粉和维生素C等作为脱氧剂与食物一起密封在包装袋中，但是开封后就没有脱氧效果了8）。如果存在一种简单脱氧装置的话，不仅可以在包装袋开封后继续使食物保持新鲜度并将其长期保存，而且也可以使物流领域发生变革。包括家电制造商在内的很多企业都已开发了相关脱氧装置，但是还未得到普及。
本文将通过比较燃料电池利用水中溶解氧的发电特性和利用大气中氧气的发电特性来介绍DO water的发电可能性。另外，通过将氧电极连接到密封容器中，燃料电池还可以用作脱氧装置，而关于燃料电池用作脱氧装置的特性，本文将对其调查结果进行说明。特别是，燃料电池的输出功率可以直接读取为电流，因此，根据电流和所消耗氧气量的关系，能够简单地估算脱氧量，并进行周密的定量评价，以强调该方法的正确性。
2、燃料电池的结构
如图1所示，本次使用的燃料电池由（a）燃料电池主体、燃料箱、外部回路以及供氧部（b）和（c）组成。通常，向氧电极供给大气，但在使用水中溶解氧的情况下，如（b）那样，将水吸收后直接供给至氧电极。用DO/氧气计（气体和水中溶解氧两用SATOTECHDO-550HA）测量供给至氧电极的氧气浓度。另外，在脱氧的情况下，通过泵使气体从（c）的脱氧容器中的密闭人工鳃循环到氧电极。溶解氧溶液通过泵（气液两用隔膜泵、DENSO SANGYO HANDI PUMP（Air and Liquid）DSC-2F-12W）循环，并使用DO计进行测量。
图1：(a)燃料电池系统,(b)在水中获取溶解氧，(c)利用人工鳃去除溶解氧