CN105684204A - 微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够抑制氧从液面溶解于液体中，从而可以提高电能的回收效率的微生物燃料电池。本发明的微生物燃料电池(1)具有：含有有机性物质的液体(4)、在含有有机性物质的液体(4)内配置的阳极(2)、具有用于将空气引进至空气阴极(3)内的空气引进部(11)的空气阴极(3)、以及隔绝氧从含有有机性物质的液体(4)的液面(4a)溶解于含有有机性物质的液体(4)中的氧隔绝部(5)。
Description
技术领域
本发明涉及一种在微生物的作用下，能够从废水和废弃物等中含有的有机性物质中回收电能的微生物燃料电池。
背景技术
近年来，作为在分解废水等有机性废弃物时回收能量的方法，利用燃料电池的结构的微生物燃料电池引人注目。在微生物燃料电池中，在分解排水以及废弃物中的有机性物质时，通过采用电极回收微生物所放出的电子，便能够直接回收电能。
上述的微生物燃料电池中使用的阴极有：利用阴极液中的溶解氧这种方式的阴极、和利用空气中的氧这种方式的阴极。利用空气中的氧这种方式的阴极被称之为空气阴极。空气阴极所具有的优点是：只要在空气阴极中使空气流通即可，没有必要向阴极液中进行曝气。
下述的专利文献1公开了使用空气阴极的微生物燃料电池的一个例子。在使用专利文献1中记载的微生物燃料电池时，使含有在厌氧条件下能够繁殖的微生物和有机性物质的液体在阳极表面上的空隙的流路中流动。另外，使空气在阴极表面上的流路中流动，从而使空气与阴极接触。阳极在微生物的作用下，由有机性物质生成氢离子(H+)以及电子(e－)。生成的氢离子向阴极侧移动。如果采用导线将阳极和阴极与负载电路连接而形成闭合电路，则在阳极和阴极之间产生电位差，从而可以获得与电位差和在负载电路中流过的电流之积相当的电能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2010/044145A1
发明内容
发明所要解决的课题
在使用空气阴极的以前的微生物燃料电池中，于含有有机性物质的液体的液面上设置有使空气存在的内部空间。在此情况下，氧从含有有机性物质的液体的液面溶解于含有有机性物质的液体中。
在上述微生物燃料电池中，于阳极增殖的厌氧性的电生成菌通过使液体中的有机性物质分解，从而产生电能。如果使氧从液面溶解于液体中，则需氧菌增殖，从而需氧菌将液体中的有机性物质分解。因此，本来应该由厌氧性菌分解的有机性物质的量减少。作为其结果，存在的问题是微生物燃料电池中的电能的回收量减少。
作为解决这样的问题的方法，在专利文献1中提出了向液面上的内部空间导入不活泼气体，从而用不活泼气体置换内部空间的空气的方法。如果在液面上向内部空间导入不活泼气体，则与液面接触的氧量减少，结果可以减少从液面溶解于液体中的氧量。
然而，关于不活泼气体，存在的问题是操作以及保管困难，从而价格较高。因此，在使用不活泼气体的情况下，对于微生物燃料电池来说，其操作以及保管也变得困难，从而微生物燃料电池的价格升高。
本发明的目的在于：提供一种能够抑制氧从液面溶解于液体中，从而可以提高电能的回收效率的微生物燃料电池。
用于解决课题的手段
根据本发明的宽泛方面，提供一种微生物燃料电池，其具有：含有有机性物质的液体；在含有所述有机性物质的液体内配置的阳极；具有用于将空气引进至空气阴极内的空气引进部的空气阴极；以及隔绝氧从含有所述有机性物质的液体的液面溶解于含有所述有机性物质的液体中的氧隔绝部。
在本发明的微生物燃料电池所具有的特定的方面中，所述氧隔绝部与含有所述有机性物质的液体的液面接触。
在本发明的微生物燃料电池所具有的特定的方面中，所述氧隔绝部漂浮在含有所述有机性物质的液体的液面上。
在本发明的微生物燃料电池所具有的特定的方面中，所述氧隔绝部与所述空气阴极接触。
在本发明的微生物燃料电池所具有的特定的方面中，所述氧隔绝部与所述空气阴极连结。
在本发明的微生物燃料电池所具有的特定的方面中，所述氧隔绝部与所述空气阴极和所述阳极连结。
发明的效果
本发明的微生物燃料电池由于具有：含有有机性物质的液体，在含有所述有机性物质的液体内配置的阳极，具有用于将空气引进至空气阴极内的空气引进部的空气阴极，以及隔绝氧从含有所述有机性物质的液体的液面溶解于含有所述有机性物质的液体中的氧隔绝部，因而可以提高电能的回收效率。
附图说明
图1是示意表示本发明的第1实施方式的微生物燃料电池的剖视图。
图2是示意表示本发明的第2实施方式的微生物燃料电池的剖视图。
图3(a)以及图3(b)是示意表示在实施例1中得到的微生物燃料电池的剖视图。
图4(a)以及图4(b)是示意表示在比较例1中得到的微生物燃料电池的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图，就本发明具体的实施方式进行说明，从而弄清本发明。
图1是示意表示本发明的第1实施方式的微生物燃料电池的剖视图。图1为主视剖视图，图1中的上下方向为铅直方向。
图1所示的微生物燃料电池1具有阳极2、空气阴极3、含有有机性物质的液体4、氧隔绝部5、以及导线。导线配置在未图示的位置。含有有机性物质的液体4配置在容器21内。
阳极2配置在含有有机性物质的液体4内，处在比含有有机性物质的液体4的液面4a更靠下方的位置，浸渍在含有有机性物质的液体4内。整个阳极2优选配置在含有有机性物质的液体4内。
在微生物燃料电池1中，多个阳极2和多个空气阴极3隔开间隔而交互地并列配置。含有有机性物质的液体4在阳极2和空气阴极3之间的空隙流动。
空气阴极3具有用于将空气引进至空气阴极3内的空气引进部11。空气引进部11例如为具有使空气流动的流路的框状构件。空气阴极3具有对置配置的2个阴极12和在2个阴极12间配置的空气室13。因此，阴极12与空气室13接触。空气室13为空气层。空气阴极3在空气室13的下端具有框构件，借助于框构件可以防止空气从空气室13的流出。在空气阴极3中，可以将空气从空气引进部11引进至空气室13内。空气引进部11的一端与空气室13连接。空气引进部11的另一端比液面4a更靠上方，直至容器21的外部。空气能够从容器21的外部通过空气引进部11而引进至空气室13内。在上述空气室中，也可以配置空气透过性构件。
容器21具备含有有机性物质的液体4的流入口21a、和含有有机性物质的液体4的流出口21b。在容器21内，含有有机性物质的液体4从流入口21a侧流向流出口21b侧。在容器21内，容器21在含有有机性物质的液体4的液面4a上具有内部空间(空隙)。在容器21内的内部空间中配置有气体。在容器21内的内部空间中配置的气体一般地说，为含有氧的空气。
氧隔绝部5用于隔绝氧从含有有机性物质的液体4的液面4a溶解于含有有机性物质的液体4中。氧隔绝部5用于隔绝配置于容器21内的内部空间的空气中的氧溶解于含有有机性物质的液体4中。
氧隔绝部5位于比阳极2更靠上方的位置，位于比阴极12和空气室13更靠上方的位置。在微生物燃料电池1中，氧隔绝部5与含有有机性物质的液体4的液面4a接触，漂浮在液面4a上。氧隔绝部5相对于含有有机性物质的液体4具有漂浮性。氧隔绝部5的下表面侧浸渍在含有有机性物质的液体4中，位于液面4a的下方。氧隔绝部5的上表面侧未浸渍在含有有机性物质的液体4中，位于液面4a的上方。通过使用具有漂浮性的氧隔绝部5，在含有有机性物质的液体4的液量变化而使液面4a的位置变动时，氧隔绝部5的位置便能够追随液面4a的位置的变动而变动。其结果是，即使液面4a的位置发生变动，作为液面4a被氧隔绝部5覆盖的结果，借助于氧隔绝部5也可以抑制氧向含有有机性物质的液体4中的溶解。在容器21内，即使在含有有机性物质的液体4的液面4a上存在上述内部空间，借助于氧隔绝部5也可以抑制在上述内部空间存在的氧向含有有机性物质的液体4中的溶解。上述氧隔绝部的位置优选能够追随液面4a的位置的变动而变动。
氧隔绝部5具有开口部。空气引进部11插入该开口部内。为了更进一步切实地防止氧向含有有机性物质的液体4中的溶解，在微生物燃料电池1中，氧隔绝部5与整个液面4a接触。其结果是，液面4a不与空气接触。这样一来，上述氧隔绝部优选与整个液面4a接触。但是，上述氧隔绝部也可以不与整个液面4a接触。上述氧隔绝部相对于液面4a的总表面积的接触面积越大，越可以更进一步抑制氧向含有有机性物质的液体4中的溶解。上述氧隔绝部在液面4a的总表面积100％中的接触面积优选为50％以上，更优选为80％以上，进一步优选为90％以上，再优选为95％以上，再进一步优选为98％以上，特别优选为99％以上，最优选为99.5％以上。
另外，在微生物燃料电池1中，氧隔绝部5与空气阴极3接触，并与空气阴极3连结，被设计为与空气阴极3成为一体的构成。具体地说，氧隔绝部5与阴极12和空气室13的上表面接触并连结在一起，与空气引进部11的外周面接触并连结在一起。上述氧隔绝部通过与空气阴极3连结、或者被设计为与空气阴极3成为一体的构成，可以使上述氧隔绝部的安装(配置)和拆卸(除去)变得更加容易。
上述氧隔绝部既可以与上述阳极接触，也可以与上述阳极连结，还可以被设计为与上述阳极成为一体的构成。上述氧隔绝部既可以与上述空气阴极和上述阳极两者接触，也可以与上述空气阴极和上述阳极两者连结，还可以被设计为与上述空气阴极和上述阳极两者成为一体的构成。在此情况下，上述氧隔绝部的安装(配置)和拆卸(除去)变得更加容易。此外，在上述氧隔绝部与上述空气阴极和上述阳极两者连结的情况下，上述氧隔绝部也可以经由上述空气阴极而与上述阳极连结。
上述导线在未图示的位置与阳极2和阴极12连接。上述导线与未图示的外部电路连接。阳极2和阴极12经由上述导线而与负载电路连接，从而在阳极2和阴极12之间产生电位差。通过上述导线而在负载电路中流过的电能可以进行回收。
在微生物燃料电池1中，与空气阴极3一体化的氧隔绝部5漂浮在液面4a上，由此含有有机性物质的液体4与空气的接触被有效地隔绝，从而可以抑制空气中的氧溶解于含有有机性物质的液体4中。在本实施方式中，即使不将容器21内的内部空间的气体置换为不活泼气体，也可以抑制氧向含有有机性物质的液体4中的溶解。此外，为了更进一步减少容器21内的内部空间中的氧量，也可以向容器21内的内部空间导入不活泼气体。
此外，氧隔绝部5优选为氧的透过性较低的构件，特别优选为不透过氧的构件。氧隔绝部5也可以不一定具有使氧完全不透过的性质。氧隔绝部5的氧透过性越低，越可以有效地抑制氧向含有有机性物质的液体4中的溶解。
氧隔绝部5例如为氧隔绝构件。氧隔绝部5优选为片材。片材包含薄膜。氧隔绝部5既可以是不溶解氧的液状物，也可以是不透过氧的液状物。氧隔绝部5也可以是发泡体。氧隔绝部5也可以是发泡体和氧不透过片材的层叠体。氧隔绝部5的材料只要具有隔绝氧的性质，就没有特别的限定。作为氧隔绝部5的材料，可以列举出聚烯烃树脂以及发泡聚苯乙烯等。作为上述聚烯烃树脂，可以列举出聚乙烯以及聚丙烯等。氧隔绝部5的比重优选为1以下，更优选为低于1。
图2是示意表示本发明的第2实施方式的微生物燃料电池的剖视图。图2为主视剖视图，图2中的上下方向为铅直方向。
图2所示的微生物燃料电池1A具有阳极2、空气阴极3、含有有机性物质的液体4、氧隔绝部5A、导线、以及间隔物6(spacer)。导线配置在未图示的位置。含有有机性物质的液体4配置在容器21内。
在图1所示的微生物燃料电池1和图2所示的微生物燃料电池1A中，氧隔绝部5和氧隔绝部5A不同，是否使用间隔物6也不同，而且阳极2和空气阴极3的层叠结构不同，其它被设计为同样的构成。在微生物燃料电池1A的说明中，对于使用与微生物燃料电池1相同的构件的地方，标注相同的符号而将其说明予以省略。
氧隔绝部5A用于隔绝氧从含有有机性物质的液体4的液面4a溶解于含有有机性物质的液体4中。氧隔绝部5A位于比阳极2更靠上方的位置，位于比阴极12和空气室13更靠上方的位置。氧隔绝部5A具有开口部。空气引进部11插入该开口部内。氧隔绝部5A与空气引进部11接触。氧隔绝部5A能够沿上下方向移动，能够沿连结空气引进部11的一端和另一端的方向移动。在微生物燃料电池1A中，氧隔绝部5A的下表面与含有有机性物质的液体4的液面4a接触。氧隔绝部5A不与空气阴极3连结，从而不与空气阴极3一体化。
在阳极2和空气阴极3之间配置有间隔物6。间隔物6可有效地防止阳极2和阴极12直接接触。上述间隔物也可以是离子透过性膜。
在微生物燃料电池1A中，第1阳极2、第1间隔物6、空气阴极3、第2间隔物6以及第2阳极2依次层叠而构成电极接合体31。电极接合体31具体地说，由第1阳极2、第1间隔物6、第1阴极12、空气室13、第2阴极12、第2间隔物6以及第2阳极2依次层叠而成。在微生物燃料电池1A中，多个电极接合体31隔开间隔地并列配置。含有有机性物质的液体4在多个阳极2间的空隙流动。
在微生物燃料电池1A中，氧隔绝部5A与液面4a接触，由此含有有机性物质的液体4和空气的接触被隔绝，从而可以抑制空气中的氧溶解于含有有机性物质的液体4中。
以下列举实施例，就本发明进行更详细的说明。本发明并不仅局限于以下的实施例。
(实施例1)
在实施例1中，制作出了图3(a)以及图3(b)所示的微生物燃料电池。图3(a)中的上下方向为铅直方向。图3(a)为主视剖视图，图3(b)为俯视剖视图。图3(a)是沿图3(b)中的I－I线的剖视图。在实施例1中，使用构成与图1所示的氧隔绝部5同样的氧隔绝部5B。另外，在实施例1中，使用图2所示的电极接合体31。
作为阳极，使用石墨毡(綜合カーボン公司生产)。阳极的大小为长85mm×宽90mm×厚5mm。作为空气阴极，使用在碳纸(東レ公司生产的碳纸“TGP-H-120”)上对聚四氟乙烯层进行烧结所得到的空气阴极。空气阴极为了将空气引进至空气阴极内，使用框状构件而设计空气引进部11。作为阴极的催化剂，使用铂催化剂(田中贵金属公司生产的“TEC10E70TPM”)，作为催化剂的粘结剂，使用溶液(シグマアルドリッチジャパン公司生产的“全氟树脂溶液”)。在阴极上进行涂布，从而使铂的担载量为4mg/cm2。在上述阳极和阴极之间，为了防止阳极和阴极的直接导通而设置有厚度为3mm的间隔物。
如图3(a)以及图3(b)所示，在容器21内设置有6个上述阳极和上述间隔物和上述空气阴极的电极接合体31。设置电极接合体31后的容器21内的容量为1L。
作为氧隔绝部，使用在挤压发泡聚苯乙烯板(ダウ化工公司生产的“スタイロフォーム”、厚度10mm)的表面涂布环氧树脂(Henkel公司生产的“Loctite，E-20HP”)而成的氧隔绝部。
在容器21内，以与含有有机性物质的液体4的液面4a接触、且漂浮在含有有机性物质的液体4的液面4a上的方式，设置上述氧隔绝部作为液面4a的盖。上述氧隔绝部不会固定在容器21的内壁面、阳极以及空气阴极的任一个上。上述氧隔绝部处于漂浮在含有有机性物质的液体4上的状态，其高度位置能够追随含有有机性物质的液体4的液面4a的变动而变动。这样一来，便得到微生物燃料电池。
(比较例1)
在比较例1中，制作出了图4(a)以及图4(b)所示的微生物燃料电池。图4(a)中的上下方向为铅直方向。图4(a)为主视剖视图，图4(b)为俯视剖视图。图4(a)是沿图4(b)中的I－I线的剖视图。在比较例1中，使用图2所示的电极接合体31。
在比较例1中，没有使用氧隔绝部。也就是说，在比较例1中，不使用氧隔绝部而使空气和整个液面4a接触，除此以外，与实施例1同样地得到微生物燃料电池。
(评价)
使用所得到的微生物燃料电池而对输出功率进行了评价。向上述微生物燃料电池内，以规定的COD负荷(0.2kg/m3/日)连续地流入含有淀粉等有机性高分子的人工废水，而且使上述微生物燃料电池连续运转40天。上述微生物燃料电池与负载电路连接，对此时的负载(电阻值40Ω)的两端的电位差进行了测定。输出功率由式(1)求出。
P＝V2/R(1)
(P：输出功率，V：负载电路两端的电位差，R：负载电路的电阻值)
作为承担发电的厌氧性微生物，在上述人工废水中接种(inoculate)土壤微生物。
从输出功率稳定后的10天的平均值求出实施例1以及比较例1的输出功率。其结果是，输出功率表现出以下的值。
输出功率的结果：
实施例1：2.2mW
比较例1：0.8mW
符号说明：
1、1A微生物燃料电池2阳极
3空气阴极4含有有机性物质的液体
4a液面5、5A、5B氧隔绝部
6间隔物11空气引进部
12阴极13空气室
21容器21a流入口
21b流出口31电极接合体
Claims (6)
1.一种微生物燃料电池，其特征在于，具有：
含有有机性物质的液体；
在含有所述有机性物质的液体内配置的阳极；
具有用于将空气引进至空气阴极内的空气引进部的空气阴极；以及
隔绝氧从含有所述有机性物质的液体的液面溶解于含有所述有机性物质的液体中的氧隔绝部。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述氧隔绝部与含有所述有机性物质的液体的液面接触。
3.根据权利要求1或2所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述氧隔绝部漂浮在含有所述有机性物质的液体的液面上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述氧隔绝部与所述空气阴极接触。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述氧隔绝部与所述空气阴极连结。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述氧隔绝部与所述空气阴极和所述阳极连结。
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