CN109075347A - 电极、燃料电池以及水处理装置 - Google Patents

电极、燃料电池以及水处理装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109075347A
CN109075347A CN201680084372.4A CN201680084372A CN109075347A CN 109075347 A CN109075347 A CN 109075347A CN 201680084372 A CN201680084372 A CN 201680084372A CN 109075347 A CN109075347 A CN 109075347A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diffusion layer
fuel cell
layer
electrode
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201680084372.4A
Other languages
English (en)
Inventor
吉川直毅
北出祐基
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Publication of CN109075347A publication Critical patent/CN109075347A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • C02F2001/46157—Perforated or foraminous electrodes
    • C02F2001/46161—Porous electrodes
    • C02F2001/46166—Gas diffusion electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)

Abstract

本发明涉及一种电极(10)，其包括具有憎水性和氧透过性的第一扩散层(1)、以及层叠于第一扩散层上且担载着催化剂(4)的第二扩散层(2)；而且第二扩散层具有片材状碳材料。另外，还涉及一种燃料电池(100)，其具有担载着微生物的负极(20)、和由电极(10)构成的正极(40)。本发明的水处理装置具有担载着用于净化被处理液的微生物的负极(20)、和由电极(10)构成的正极(40)。

Description

电极、燃料电池以及水处理装置
技术领域
本发明涉及电极、燃料电池以及水处理装置。详细地说，本发明涉及能够净化废水、且生成电能的电极、以及使用该电极的燃料电池和水处理装置。
背景技术
近年来，作为可持续能源，利用生物质而进行发电的微生物燃料电池引人注目。微生物燃料电池是一种利用微生物的代谢能力而将有机物等转换为电能的装置，是一种一面进行有机物的处理一面可以进行能量回收的优良的系统。不过，微生物所发的电力非常小，输出的电流密度较低，因而有必要进一步的改良。
作为以前的微生物燃料电池(细菌燃料电池)，公开了如下的技术内容：其具有多个阳极和多个阴极，而且这些阳极和阴极与应该被净化的液体进行液体联系(例如参照专利文献1)。而且该阳极以及阴极分别具有金属制导电体，该金属制导电体被配置为在电路中横跨负载而进行电连接。另外，在金属制导电体和应该被净化的液体之间设置有导电性涂层，并通过该导电性涂层而使该液体和导电体相互隔开。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2012-507828号公报
发明内容
在专利文献1的微生物燃料电池中，通过使用用于防止金属制导电体的腐蚀的导电性涂层，从而抑制电池特性的降低。但是，该导电性涂层由于电阻比金属制导电体更高，因而存在的问题是不能享受金属制导电体本来的低电阻性，从而电池特性降低。另外，即使在金属制导电体上设置导电性涂层，也由于长时间的使用，有可能使金属制导电体发生腐蚀，从而作为导电体的功能降低。
本发明是鉴于这样的现有技术所具有的课题而完成的。而且本发明的目的在于提供电阻较低、且有可能使电池特性得以提高的电极、以及使用该电极的燃料电池和水处理装置。
为了解决上述的课题，本发明的第一方式涉及一种电极，其包括：第一扩散层，其具有憎水性和氧透过性；以及第二扩散层，其层叠于第一扩散层上，且担载着催化剂。而且第二扩散层具有片材状碳材料。
本发明的第二方式涉及一种燃料电池，其具有担载着微生物的负极、和由上述电极构成的正极。
本发明的第三方式涉及一种水处理装置，其具有担载着用于净化被处理液的微生物的负极、和由上述电极构成的正极。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的电极的一个例子的示意剖视图。
图2是表示本发明的实施方式的电极的ISO透气度和使用该电极的燃料电池的最大输出功率之间的关系的图。
图3是表示本发明的实施方式的电极的ISO透气度和该电极的密度之间的关系的图。
图4(a)是表示本发明的实施方式的电极的其它例子的示意剖视图，图4(b)是图4(a)中的符号A的放大图。
图5是表示本发明的实施方式的燃料电池的概略图。
图6是表示上述燃料电池的燃料电池单元的分解立体图。
具体实施方式
下面就本实施方式的电极、以及使用该电极的燃料电池和水处理装置进行详细的说明。此外，为便于说明，附图的尺寸比例有所夸大，往往与实际的比例不同。
[电极]
本实施方式的电极10如图1所示，包括具有憎水性和氧透过性的第一扩散层1、以及担载着催化剂的第二扩散层2。而且在电极10中，以第一扩散层1与第二扩散层2的一个面2a接触的方式进行配置。
(第一扩散层)
第一扩散层1与气相5接触，使气相5中的气体扩散，从而向第二扩散层2的一个面2a大致均匀地供给气体。因此，第一扩散层1优选为多孔质体，以便能够使该气体扩散。
第一扩散层1优选具有憎水性。通过使第一扩散层1具有憎水性，可以抑制多孔质体的细孔因结露等而闭塞，从而可以抑制气体的扩散性的降低。另外，如后所述，在将电极10用于燃料电池或水处理装置的情况下，液相难以渗入第一扩散层1的内部，从而第一扩散层1容易与气相接触。再者，第一扩散层1被构成为一面使气相5和液相良好地分离，一面容许气体从气相5向液相的移动。也就是说，第一扩散层1一面使气相5中的气体透过而向第二扩散层2移动，一面也可以抑制液相中的被处理液向气相5侧移动。此外，这里所说的所谓“分离”，是指在物理学上的隔开。
作为构成第一扩散层1的材料，只要能够使气相5中的气体扩散，就没有特别的限定。作为构成第一扩散层1的材料，例如可以使用选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚四氟乙烯、硅有机化合物、聚二甲基硅氧烷、乙基纤维素、聚4-甲基戊烯-1、聚丁二烯、聚四氟乙烯以及丁基橡胶之中的至少一种。另外，也可以复合使用这些材料的2种以上。这些材料容易形成多孔质体，进而憎水性也较高，因而可以抑制细孔的闭塞而使气体扩散性得以提高。
另外，第一扩散层1优选为由选自包含上述材料的织布、无纺布以及薄膜之中的至少一种构成。此外，在第一扩散层1由上述材料的薄膜构成的情况下，优选在第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X上具有多个贯通孔。第一扩散层1既可以是由选自上述织布、无纺布以及薄膜之中的至少一种构成的单层，而且也可以是由多层层叠而成的复层。
第一扩散层1为了提高憎水性，也可以根据需要使用憎水剂而实施憎水处理。具体地说，也可以使聚四氟乙烯(PTFE)等憎水剂附着在构成第一扩散层1的多孔质体上，从而提高憎水性。
为了有效地向第二扩散层2的一个面2a供给气体，如图1所示，第一扩散层1优选为与第二扩散层2接触。也就是说，第一扩散层1的面1b优选为与对置的第二扩散层2的一个面2a接触。另外，第一扩散层1的面1b和第二扩散层2的面2a也可以压接在一起。由此，扩散的气体可以直接向第二扩散层2的面2a供给，从而可以提高氧透过性。不过，如果气体向第二扩散层2的面2a供给，则在第一扩散层1的面1b和第二扩散层2的面2a之间也可能存在间隙。
(第二扩散层)
本实施方式的电极10除第一扩散层1以外，还具有担载着催化剂4的第二扩散层2。第二扩散层2具有在与外部电路之间使由后述的局部电池反应生成的电子导通的功能。因此，第二扩散层2具有片材状碳材料。碳材料即使与被处理液接触，产生腐蚀的可能性也较低，而且电阻率也较低，因而可以确保长期且较高的导电性。
在此，表1中示出了金属材料以及碳材料这样具有代表性的材料的电阻率。如表1所示，在碳材料中，石墨片材的电阻率最低，但高于厚度为1mm的不锈钢板。然而，金属材料并不是以块体的状态、即以金属板的状态使用，实际上，大部分以金属丝网或丝形状使用。因此，可知碳材料的电阻率与金属材料同等。这样一来，碳材料由于即使与被处理液接触，腐蚀劣化的可能性也较低，而且如表1所示，具有与不锈钢丝网同等的电阻率，因而可以得到长期且较高的导电性。
表1
作为构成第二扩散层2的片材状碳材料，例如可以使用选自碳纸、碳布以及石墨片材之中的至少一种。另外，第二扩散层2既可以由选自碳纸、碳布以及石墨片材之中的一种构成，也可以是将它们多层层叠而成的层叠体。碳纤维的无纺布即碳纸、碳纤维的织布即碳布、以及由石墨构成的石墨片材由于具有较高的耐蚀性，而且如表1所示，电阻率与金属材料同等，因而可以兼顾电极的耐久性和导电性。
第二扩散层2优选含有石墨，进而石墨中的石墨烯层优选沿着与第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X垂直的方向Y进行排列。由碳的六元环结构构成的石墨烯层这样地排列，因而与第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X的电导率相比，与该层叠方向X垂直的方向Y的电导率得以提高。因此，如图5所示，容易使由局部电池反应生成的电子在与外部电路80之间导通，从而能够更加提高电池反应的效率。此外，第二扩散层2特别优选由石墨片材构成。
这里，在F.L.LaQue:Marine Corrosion Causes and Prevention,John Wileyand Sons,p.179(1975)中，记载着常温静止海水中的各种金属的腐蚀电位。在该文献中，记载着石墨相对于标准甘汞电极的电位为+0.3～+0.2(V vs.SCE)，铂相对于标准甘汞电极的电位为+0.25～+0.18(V vs.SCE)。也就是说，石墨由于耐腐蚀性比铂更高，因而作为第二扩散层2的材料是特别优良的。
上述的石墨片材可以采用如下的方法得到。首先，用酸对天然石墨实施化学处理，从而形成插入石墨的石墨烯层的层间的插入物。接着，通过在高温下对其快速加热，从而得到利用因层间插入物的热分解引起的气压而使石墨烯层间扩张开来的膨胀石墨。然后，对该膨胀石墨加压，通过辊压延而得到石墨片材。这样得到的石墨片材由于石墨的石墨烯层沿着与层叠方向X垂直的方向Y进行排列，因而可以特别优选用作第二扩散层2的材料。
本实施方式的电极10为了确保稳定的性能，优选使透过第一扩散层1的氧高效地供给至催化剂4。因此，第二扩散层2优选为存在许多让氧透过的细孔的多孔质体。
而且第二扩散层2的ISO透气度更优选为2.0×10－5μm/Pa·s～0.38μm/Pa·s。透气度是每单位面积、每单位压力差以及每单位时间透过的空气的平均流量，其数值越高，空气越容易通过。通过使第二扩散层2具有这样的范围的透气度，便可以向催化剂4供给充分的氧，从而可以实现具有稳定性能的正极、燃料电池以及水处理装置。
具体地说，由于使第二扩散层2的ISO透气度在2.0×10－5μm/Pa·s以上而形成许多的细孔，因而氧透过性得以提高，从而可以提高氧和催化剂4的接触率。另外，通过使第二扩散层2的ISO透气度在0.38μm/Pa·s以下，一面可以提高氧透过性，一面也可以确保用于构成片材状扩散层的强度。也就是说，第二扩散层2的ISO透气度越高，氧透过性越是得以提高，但在ISO透气度较高的情况下，第二扩散层2的密度降低，从而有时强度变得不充分。因此，第二扩散层2的ISO透气度优选为0.38μm/Pa·s以下。
此外，从更加提高将电极10用于燃料电池时的输出的角度考虑，第二扩散层2的ISO透气度进一步优选为7.9×10－5μm/Pa·s～0.38μm/Pa·s。另外，第二扩散层2的ISO透气度特别优选为2.9×10－4μm/Pa·s～0.38μm/Pa·s。此外，第二扩散层2的ISO透气度可以按照日本工业标准JIS P8117：2009(纸以及纸板-透气度以及空气阻力试验方法(中等范围)-葛莱尔(Gurley)法)而进行测定。
图2是将石墨片材用作第二扩散层2而制作燃料电池、从而研究第二扩散层2的ISO透气度和该燃料电池的最大输出功率之间的关系所得到的图的一个例子。如图2所示，可知在第二扩散层2的ISO透气度为2.0×10－5μm/Pa·s以上的情况下，燃料电池的最大输出功率得以提高。另外，可知在第二扩散层2的ISO透气度为7.9×10－5μm/Pa·s的情况下，最大输出功率更加提高，在ISO透气度为2.9×10－4μm/Pa·s以上的情况下，最大输出功率变得特别良好。此外，图2所示的第二扩散层2的ISO透气度和燃料电池的最大输出功率的具体数值如表2所示。
表2
如上所述，通过使第二扩散层2为多孔质体，氧透过性得以提高，从而容易确保稳定的性能。因此，第二扩散层2的密度优选为0.10g/cm3～1.0g/cm3。通过使第二扩散层2的密度在0.10g/cm3以上，可以确保用于维持片材形状的强度。另外，通过使第二扩散层2的密度在1.0g/cm3以下，可以将第二扩散层2的ISO透气度设定为2.0×10－5μm/Pa·s以上。
在此，图3示出了作为第二扩散层2的石墨片材的密度和ISO透气度之间的关系。如图3所示，在石墨片材的密度为1.0g/cm3的情况下，ISO透气度达到2.0×10－5μm/Pa·s，并具有随着石墨片材密度的降低而使ISO透气度升高的倾向。而且由图3所示的采用最小二乘法得到的近似曲线可知：在石墨片材的密度为0.10g/cm3的情况下，ISO透气度达到0.38μm/Pa·s。因此，根据第二扩散层2的密度的下限值(0.10g/cm3)，ISO透气度的上限值优选设定为0.38μm/Pa·s。此外，图3所示的石墨片材的密度和ISO透气度的具体数值如表3所示。
表3
构成第二扩散层2的碳材料片材在担载着催化剂4的担载部，于第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X上，也可以是具有至少1个以上的贯通孔的形状。通过使碳材料片材具有贯通孔，可以将透过第一扩散层1的氧更高效地供给至催化剂4。
第二扩散层2中，与第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X垂直的方向Y的电阻率优选为20μΩ·m以下。另外，在第二扩散层2中，第一扩散层1和第二扩散层2的层叠方向X的电阻率优选为与层叠方向X垂直的方向Y的电阻率的100倍以上。通过使电阻率在上述的范围内，容易使由局部电池反应生成的电子在与外部电路80之间进一步导通。此外，与第二扩散层2的层叠方向X垂直的方向Y的电阻率的下限并没有特别的限定，例如可以设定为0.10μΩ·m以上。另外，第二扩散层2的层叠方向X的电阻率的上限也没有特别的限定，例如可以设定为该垂直的方向Y的电阻率的1000倍以下。此外，上述的电阻率例如可以采用四探针法进行测定。
在本实施方式中，第二扩散层2担载着催化剂4。也就是说，如图1所示，第二扩散层2在其表面担载着用于促进后述的局部电池反应的催化剂4。通过具有催化剂4，可以促进从第一扩散层1输送而来的氧、和透过后述的离子移动层而向第二扩散层2移动的氢离子的反应，从而可以提高氧的还原效率，因而可以实现更有效的电池反应。
可以担载于第二扩散层2上的催化剂4优选为氧还原催化剂。通过担载氧还原催化剂，可以更加提高输送而来的氧和氢离子的反应速度。氧还原催化剂并没有特别的限定，但优选含有铂。另外，氧还原催化剂也可以含有掺杂了非金属原子和金属原子的碳材料。碳材料并没有特别的限定，也可以是石墨、碳黑、石墨烯、碳纳米管等。掺杂于碳材料中的原子并没有特别的限定。非金属原子例如也可以是氮原子、硼原子、硫原子、磷原子等。另外，金属原子例如也可以是铁原子、铜原子等。
第二扩散层2可以在第一扩散层1侧的面2a的相反侧的面2b上担载着催化剂4。也就是说，如图1所示，通过在第二扩散层2的面2b上涂布催化剂4的料浆，也可以形成由催化剂4构成的涂膜。不过，为了提高第二扩散层2和催化剂4的粘接性，并促进长期的氧还原反应，也可以使催化剂4和载体片材复合化而制作出催化剂片材，并与第二扩散层2接合在一起。也就是说，首先，在导电性的载体片材上浸渍含有催化剂4的料浆并使其干燥，从而制作出催化剂片材。然后，也可以使得到的催化剂片材配置于第二扩散层2的面2b侧，从而担载催化剂4。此外，作为载体片材，例如可以使用导电性的无纺布。另外，作为载体片材，可以使用选自上述的碳纸、碳布以及石墨片材之中的一种。
另外，为了提高第二扩散层2和催化剂4的粘接性，也可以是催化剂4和构成第二扩散层2的材料处于复合状态。具体地说，如图4所示，也可以使第二扩散层2含有石墨，并在石墨的石墨烯层2c的层间担载着催化剂4。通过在石墨烯层2c的层间担载着催化剂4，便可以抑制催化剂4从第二扩散层2的脱离。另外，由于催化剂4分散于第二扩散层2的内部，因而输送而来的氧和氢离子容易在催化剂4的表面接触，从而可以更加提高氧的还原反应速度。
这样一来，本实施方式的电极10包括具有憎水性和氧透过性的第一扩散层1、以及层叠于第一扩散层1上并担载着催化剂4的第二扩散层2，第二扩散层2具有片材状碳材料。通过将片材状碳材料适用于第二扩散层2，在将电极10适用于燃料电池时，便可以抑制腐蚀。另外，碳材料由于具有与金属同等的电阻率，因而可以抑制与电极10的工业放大(scale-up)相伴的内部电阻的增加、以及电能的生产率的降低。另外，如后所述，通过在第二扩散层2上层叠具有憎水性和氧透过性的第一扩散层1，便可以制作出难以浸水的电极接合体。因此，通过供给大气中的氧，便可以发挥出较高的电池特性。
[燃料电池]
接着，就本实施方式的燃料电池进行说明。本实施方式的燃料电池100如图5所示，具有担载着微生物的负极20、和由上述的电极10构成的正极40。此外，燃料电池100也可以进一步具有设置于负极20和正极40之间、且使氢离子得以透过的离子移动层30。
负极20所具有的结构是：在具有导电性的导电体片材上担载着微生物。作为导电体片材，可以使用选自多孔质导电体片材、织布状导电体片材以及无纺布状导电体片材之中的至少一种。另外，导电体片材也可以是层叠多个片材的层叠体。作为负极20的导电体片材，通过使用这样的具有多个细孔的片材，可以使由后述的局部电池反应生成的氢离子容易向离子移动层30的方向移动，从而可以提高氧还原反应的速度。另外，从提高离子透过性的角度考虑，负极20的导电体片材优选具有在电极10、负极20以及离子移动层30的层叠方向X、即厚度方向连续的空间(空隙)。
该导电体片材也可以是在厚度方向具有多个贯通孔的金属板。因此，作为构成负极20的导电体片材的材料，例如可以使用选自铝、铜、不锈钢、镍、钛等导电性金属，以及碳纸、碳毡之中的至少一种。
作为负极20的导电体片材，也可以使用能够在电极10的第二扩散层2中使用的石墨片材。另外，负极20优选含有石墨，进而石墨中的石墨烯层优选沿着与电极10、负极20以及离子移动层30的层叠方向X垂直的方向YZ的面进行排列。石墨烯层通过这样地进行排列，与层叠方向X垂直的方向YZ的电导率比电极10、负极20以及离子移动层30的层叠方向X的电导率更加提高。因此，容易将由负极20的局部电池反应生成的电子导向外部电路80，从而可以更加提高电池反应的效率。
作为担载于负极20上的微生物，只要是可以分解被处理液6中的有机物、或者含有氮的化合物(含氮化合物)的微生物，就没有特别的限定，但例如优选使用增殖不需要氧的厌氧性微生物。厌氧性微生物不需要用于氧化分解被处理液6中的有机物的空气。因此，可以大幅度降低用于送入空气所需要的电力。另外，由于微生物所获得的自由能较小，因而可以使污泥发生量减少。保持在负极20上的厌氧性微生物例如优选为具有胞外电子转移机制的产电菌。具体地说，作为厌氧性微生物，例如可以列举出地杆菌(Geobacter)属细菌、希瓦氏菌(Shewanella)属细菌、气单胞菌(Aeromonas)属细菌、地发菌(Geothrix)属细菌、酵母菌(Saccharomyces)属细菌。
本实施方式的燃料电池100优选具有使氢离子得以透过的离子移动层30。离子移动层30具有透过在负极20生成的氢离子、并向正极40侧移动的功能。作为离子移动层30，可以采用使用了离子交换树脂的离子交换膜。作为离子交换树脂，例如可以使用Du Pont株式会社生产的NAFION(注册商标)、以及旭硝子株式会社生产的Flemion(注册商标)以及Selemion(注册商标)。
另外，作为离子移动层30，也可以使用具有能够透过氢离子的细孔的多孔质膜。也就是说，离子移动层30也可以是具有用于使氢离子在负极20和正极40之间移动的空间(空隙)的片材。因此，离子移动层30优选具有选自多孔质片材、织布状片材以及无纺布状片材之中的至少一种。另外，离子移动层30可以使用选自玻璃纤维膜、合成纤维膜、以及塑料无纺布之中的至少一种，也可以是将它们多层层叠而成的层叠体。这样的多孔质片材由于在内部具有许多细孔，因而氢离子可以容易地移动。此外，离子移动层30的细孔径只要能使氢离子从负极20向正极40移动，就没有特别的限定。
如上所述，离子移动层30具有透过在负极20生成的氢离子、并向正极40侧移动的功能。因此，例如负极20和正极40只要以不接触的状态而接近，氢离子就可以从负极20向正极40移动。因此，在本实施方式的燃料电池100中，离子移动层30不是必须的构成要素。不过，通过设置离子移动层30，便能够使氢离子从负极20向正极40有效地移动，因而从提高输出功率的角度考虑，优选设置离子移动层30。
本实施方式的燃料电池100具有由上述电极10构成的正极40。也就是说，正极40包括具有憎水性和氧透过性的第一扩散层1、以及担载着催化剂4的第二扩散层2。而且在第二扩散层2的面2b侧配置有离子移动层30。
本实施方式的燃料电池100如图5所示，具有多个由负极20、离子移动层30以及正极40构成的电极接合体50。进而如图5以及图6所示，2片电极接合体50以正极40的第一扩散层1彼此之间相对置的方式，经由盒式基材51而层叠在一起。盒式基材51为沿着正极40的第一扩散层1的外周部的U字状的框构件，上部设置有开口。也就是说，盒式基材51是将2根第一柱状构件51a的底面用第二柱状构件51b连结而成的框构件。而且盒式基材51的侧面52与正极40的第一扩散层1的面1a的外周部接合在一起，从而抑制被处理液6从第一扩散层1的外周部向盒式基材51的内部漏出。
而且如图5所示，由2片电极接合体50和盒式基材51层叠而成的燃料电池单元60以形成与大气连通的气相5的方式配置于废水槽70的内部。在废水槽70的内部保持着被处理液6，负极20、离子移动层30以及正极40的第二扩散层2和催化剂4浸渍于被处理液6中。也就是说，构成正极40的第一扩散层1被配置为与含有氧的气体接触，第二扩散层2被配置为与被处理液6接触。
如上所述，正极40的第一扩散层1具有憎水性。因此，保持于废水槽70内部的被处理液6与盒式基材51的内部隔开，由2片电极接合体50和盒式基材51形成的内部空间成为气相5。而且如图5所示，正极40以及负极20分别与外部电路80进行电连接。
废水槽70虽然在内部保持着被处理液6，但也可以为使被处理液6流通的构成。例如，如图5所示，在废水槽70上也可以设置用于向废水槽70供给被处理液6的液体供给口71、和用于将处理后的被处理液6从废水槽70排出的液体排出口72。
废水槽70内优选保持在例如并不存在分子状氧、或者即使存在分子状氧其浓度也极小的厌氧性条件下。由此，废水槽70内可以保持为：几乎不使被处理液6与氧产生接触。
接着，就本实施方式的燃料电池(微生物燃料电池)100的作用进行说明。在燃料电池100工作时，向负极20供给含有有机物以及含氮化合物的至少一方的被处理液6，向正极40供给空气(或氧)。此时，空气通过设置于盒式基材51上部的开口部而连续地供给。此外，被处理液6也优选通过液体供给口71以及液体排出口72而连续地供给。
而且在正极40中，通过第一扩散层1而使空气扩散，从而到达第二扩散层2。另外，负极20在微生物的催化作用下，由被处理液6中的有机物和/或含氮化合物生成氢离子以及电子。生成的氢离子透过离子移动层30而向正极40侧移动。另外，生成的电子通过负极20的导电体片材而向外部电路80移动，进而从外部电路80向正极40的第二扩散层2移动。而且向第二扩散层2移动的氢离子以及电子在催化剂层4的作用下与氧键合，成为水而得以消耗。此时，通过外部电路80而回收流过闭合电路的电能。
如上所述，正极40的第二扩散层2具有片材状碳材料。因此，可以抑制正极40的腐蚀，可以长时间且有效地进行发电。另外，由于碳材料具有与金属同等的电阻率，因而可以抑制内部电阻的增加。再者，通过在第二扩散层2上层叠具有憎水性和氧透过性的第一扩散层1，便可以使形成于燃料电池单元60内部的气相5难以浸水。因此，通过向气相5供给大气中的氧，便可以发挥出较高的电池特性。
在此，本实施方式的负极20例如也可以用电子传递介质分子(electrontransport mediator molecule)进行修饰。或者，废水槽70内的被处理液6也可以含有电子传递介质分子。由此，促进从厌氧性微生物向负极20的电子移动，从而可以实现更有效的液体处理。
具体地说，在基于厌氧性微生物的代谢机制中，在细胞内或者与末端电子受体(terminal electron acceptor)之间进行电子的授受。如果在被处理液6中导入介质分子，则介质分子作为代谢的末端电子受体发挥作用，而且使接受的电子向负极20转移。其结果是，可以提高被处理液6中的有机物等的氧化分解速度。这样的电子传递介质分子并没有特别的限定，例如可以使用选自中性红、蒽醌-2,6-二磺酸(AQDS)、硫堇、铁氰化钾以及甲基紫精之中的至少一种。
此外，图5以及图6所示的燃料电池单元60的构成是由2片电极接合体50和盒式基材51层叠而成。但是，本实施方式并不局限于该构成。例如，也可以将电极接合体50只接合在盒式基材51的一个侧面52，另一个侧面则用板构件密封。另外，图6所示的盒式基材51虽然在整个上部开口，但只要能够向内部导入空气(氧)，既可以是部分开口，而且也可以是闭口。
[水处理装置]
接着，就本实施方式的水处理装置进行说明。本实施方式的水处理装置具有担载着用于净化被处理液的微生物的负极20、和由上述的电极10构成的正极40。此外，水处理装置也可以进一步具有设置于负极20和正极40之间、且使氢离子得以透过的离子移动层30。
如上所述，本实施方式的燃料电池100将含有有机物以及含氮化合物之中的至少一种的被处理液6供给至负极20。而且在担载于负极20的微生物的代谢的作用下，由被处理液6中的有机物和/或含氮化合物生成氢离子和电子，同时生成二氧化碳或者氮。
具体地说，例如在被处理液6含有葡萄糖作为有机物的情况下，通过以下的局部电池反应，生成二氧化碳、氢离子以及电子。
·负极20(阳极)：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e－
·正极40(阴极)：6O2+24H++24e－→12H2O
另外，在被处理液6含有氨作为含氮化合物的情况下，通过以下的局部电池反应，生成氮、氢离子以及电子。
·负极20(阳极)：4NH3→2N2+12H++12e－
·正极40(阴极)：3O2+12H++12e－→6H2O
这样一来，本实施方式的水处理装置通过使用燃料电池100，使被处理液6中的有机物以及含氮化合物与负极20接触而发生氧化分解，因而可以对被处理液6进行净化。另外，如上所述，在废水槽70上设置用于向废水槽70供给被处理液6的液体供给口71、和用于将处理后的被处理液6从废水槽70排出的液体排出口72，从而可以连续地供给被处理液6。因此，使被处理液6与负极20连续地接触，从而可以对被处理液6进行有效的处理。
以上就本实施方式进行了说明，但本实施方式并不局限于这些，在本实施方式的要旨的范围内可以进行各种变形。具体地说，在图6中，负极20、离子移动层30、以及由具有第一扩散层1和第二扩散层2的电极10构成的正极40形成为矩形状。但是，这些形状并没有特别的限定，可以根据燃料电池的大小、以及所希望的发电性能和净化性能等而任意地进行变更。另外，只要能够发挥所希望的功能，各层的面积也可以任意地进行变更。
产业上的可利用性
本发明的电极由于扩散层使用片材状碳材料，因而可以抑制腐蚀，将电阻抑制在较低的水平。另外，碳材料由于具有与金属同等的电阻率，因而可以抑制与电极的工业放大相伴的内部电阻的增加、以及电能的生产率的降低。
符号说明：
1 第一扩散层
2 第二扩散层
4 催化剂
6 被处理液
10 电极
20 负极
30 离子移动层
40 正极
100 燃料电池

Claims (15)

1.一种电极，其包括：
第一扩散层，其具有憎水性和氧透过性；以及
第二扩散层，其层叠于所述第一扩散层上，且担载着催化剂；其中，
所述第二扩散层具有片材状碳材料。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，
所述第二扩散层含有石墨；
所述石墨中的石墨烯层沿着与所述第一扩散层和所述第二扩散层的层叠方向垂直的方向进行排列。
3.根据权利要求2所述的电极，其中，所述第二扩散层的ISO透气度为2.0×10－5μm/Pa·s～0.38μm/Pa·s。
4.根据权利要求2或3所述的电极，其中，所述第二扩散层的密度为0.10g/cm3～1.0g/cm3。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电极，其中，所述第二扩散层的与所述第一扩散层和所述第二扩散层的层叠方向垂直的方向的电阻率为20μΩ·m以下，而且所述第一扩散层和所述第二扩散层的层叠方向的电阻率为与所述层叠方向垂直的方向的电阻率的100倍以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电极，其中，
所述第二扩散层含有石墨；
在所述石墨中的石墨烯层的层间担载着所述催化剂。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电极，其中，所述催化剂为氧还原催化剂。
8.一种燃料电池，其具有：
担载着微生物的负极，和
由权利要求1～7中任一项所述的电极构成的正极。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，构成所述正极的所述第一扩散层被配置为与含有氧的气体接触，所述第二扩散层被配置为与被处理液接触。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中，所述被处理液含有有机物。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的燃料电池，其中，所述负极具有选自多孔质导电体片材、织布状导电体片材以及无纺布状导电体片材之中的至少一种。
12.根据权利要求8～11中任一项所述的燃料电池，其中，
所述负极含有石墨；
所述石墨中的石墨烯层沿着与所述负极和所述正极的层叠方向垂直的方向进行排列。
13.根据权利要求8～12中任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池进一步具有设置于所述负极和所述正极之间、且使氢离子得以透过的离子移动层。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中，所述离子移动层具有选自多孔质片材、织布状片材以及无纺布状片材之中的至少一种。
15.一种水处理装置，其具有：
负极，其担载着用于净化被处理液的微生物；和
正极，其由权利要求1～7中任一项所述的电极构成。
CN201680084372.4A 2016-04-08 2016-04-08 电极、燃料电池以及水处理装置 Pending CN109075347A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/001958 WO2017175260A1 (ja) 2016-04-08 2016-04-08 電極、燃料電池及び水処理装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109075347A true CN109075347A (zh) 2018-12-21

Family

ID=60000310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680084372.4A Pending CN109075347A (zh) 2016-04-08 2016-04-08 电极、燃料电池以及水处理装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20190115608A1 (zh)
EP (1) EP3442063A4 (zh)
JP (1) JPWO2017175260A1 (zh)
CN (1) CN109075347A (zh)
WO (1) WO2017175260A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7096336B2 (ja) * 2018-08-02 2022-07-05 三井化学株式会社 燃料電池用電極、燃料電池および燃料電池用電極の製造方法
CN112547791B (zh) * 2020-11-12 2022-04-12 江苏大地益源环境修复有限公司 一种使用塞贝克效应强化微生物燃料电池的污染物修复方法与装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008059917A (ja) * 2006-08-31 2008-03-13 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用ガス拡散層の製造方法、燃料電池用塗料組成物および燃料電池用ガス拡散層
US20140120451A1 (en) * 2011-06-17 2014-05-01 Nissan Motor Co., Ltd. Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same
CN104521047A (zh) * 2012-08-02 2015-04-15 丰田自动车株式会社 燃料电池用电极以及燃料电池用电极、膜电极接合体和燃料电池的制造方法
WO2016038866A1 (ja) * 2014-09-11 2016-03-17 パナソニック株式会社 電極並びにそれを用いた燃料電池及び水処理装置
CN106575772A (zh) * 2014-10-20 2017-04-19 松下电器产业株式会社 电极、燃料电池及水处理装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2002303633A1 (en) * 2001-05-03 2002-11-18 Travis Honeycutt Microwave activation of fuel cell gases
WO2004004054A1 (en) * 2002-06-28 2004-01-08 Foamex L.P. Gas diffusion layer for fuel cells
JP2010009772A (ja) * 2008-06-24 2010-01-14 Kurita Water Ind Ltd 微生物発電装置及びその製作方法
CA2741560C (en) 2008-10-30 2016-09-27 Emefcy Limited Electrodes for use in bacterial fuel cells and bacterial electrolysis cells and bacterial fuel cells and bacterial electrolysis cells employing such electrodes
EA027025B1 (ru) * 2012-05-31 2017-06-30 Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. Способ улучшения процесса селективной абсорбции сероводорода
JP6184256B2 (ja) * 2013-08-29 2017-08-23 株式会社日立製作所 微生物燃料電池用カソード及びその製造方法、並びに微生物燃料電池
EP3107141A4 (en) * 2014-02-13 2017-03-01 Panasonic Corporation Microbial fuel cell, microbial fuel cell system, and method for using microbial fuel cell
CN106471655A (zh) * 2014-06-24 2017-03-01 松下电器产业株式会社 气体扩散电极、电化学装置以及燃料电池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008059917A (ja) * 2006-08-31 2008-03-13 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用ガス拡散層の製造方法、燃料電池用塗料組成物および燃料電池用ガス拡散層
US20140120451A1 (en) * 2011-06-17 2014-05-01 Nissan Motor Co., Ltd. Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same
CN104521047A (zh) * 2012-08-02 2015-04-15 丰田自动车株式会社 燃料电池用电极以及燃料电池用电极、膜电极接合体和燃料电池的制造方法
WO2016038866A1 (ja) * 2014-09-11 2016-03-17 パナソニック株式会社 電極並びにそれを用いた燃料電池及び水処理装置
CN106575772A (zh) * 2014-10-20 2017-04-19 松下电器产业株式会社 电极、燃料电池及水处理装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3442063A1 (en) 2019-02-13
JPWO2017175260A1 (ja) 2019-02-14
EP3442063A4 (en) 2019-05-01
WO2017175260A1 (ja) 2017-10-12
US20190115608A1 (en) 2019-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3211698B1 (en) Electrode, fuel cell and water treatment device
US20180097239A1 (en) Electrode structure and microbial fuel cell
Mohamed et al. Graphite sheets as high‐performance low‐cost anodes for microbial fuel cells using real food wastewater
CN108292756A (zh) 微生物燃料电池用气体扩散电极、以及使用该气体扩散电极的微生物燃料电池
CN107251298A (zh) 微生物燃料电池系统
CN106537669A (zh) 电极以及使用它的燃料电池及水处理装置
WO2017208495A1 (ja) 浄化ユニット及び浄化装置
CN109075347A (zh) 电极、燃料电池以及水处理装置
US20200317544A1 (en) Purification unit and purification device
CN109716569A (zh) 微生物燃料电池以及废液处理装置
CN107112565A (zh) 微生物燃料电池系统
CN109478670A (zh) 微生物燃料电池
JP2019076833A (ja) 液体処理システム
CN108604699A (zh) 微生物燃料电池
JP2020087804A (ja) 微生物燃料電池及び液体処理ユニット
WO2019069851A1 (ja) 電極複合体並びにそれを用いた微生物燃料電池及び水処理装置
WO2019078002A1 (ja) 液体処理システム
WO2018203455A1 (ja) 液体処理システム
WO2019064889A1 (ja) 液体処理システム
JP2020099854A (ja) 液体処理システム
JP2019061837A (ja) 電極複合体並びにそれを用いた電極複合体群、微生物燃料電池及び水処理装置
JP2017041372A (ja) 微生物燃料電池及び廃液処理装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181221