JP2007287413A - 新規微生物電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発生電力の大きな微生物電池を提供することが本発明の課題である。
【解決手段】 微生物電池における電極反応、特に正極を酸化することによって正極から電子を強制的に取り出す電気化学的システムを提供することにより課題が達成される。具体的には木質又は竹質系の多孔質炭化物を負極とし、該担体に寄生する微生物により糖を分解して電力を取り出す電池であって、上澄み水部に配設された正極から外部直流電源装置を使用して電子を強制的に取り出すことを特徴とする微生物電池にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、生活廃水や河川汚泥等の糖類を含有する水溶液を原料として、効率的に電力を取り出す微生物電池に関わり且つ副産物として水素を産生する電気化学的システムに関わる。

家庭からの生活排水や河川からの有機物を含む汚水は、川や海等の水質汚濁の主な原因となっている。そして、河口堰や湖沼等の閉鎖性水域における汚泥（ヘドロ）による魚介類や鳥類等の生物資源への悪影響は、大きな経済損失となっている。このような水質汚濁に対し、有用微生物を用いて有機物汚水を浄化する方法や装置はこれまでに多数提案されている。微生物による処理は、物理・化学的浄化方法と比べて省エネルギーで且つ有害副産物等の発生が少ない利点を有しているためである。

有用微生物による水質浄化を効率的に行うために、汚濁の原因となっている有機物を効率的に分解する微生物、例えば光合成細菌、硝化菌、脱窒菌、水素産生菌等のバクテリアが多数発見されている。水質汚濁の原因となる有機物の種類は数多くあり、各々の原因に対応して有効に有機物を分解する微生物は異なっている。このような理由により汚泥中には複数の微生物が活動しており、微生物を特定することは一般的には困難である。

ところで、微生物の代謝作用と電気化学反応を組み合わせた微生物電池は公知である。しかし、微生物電池は、高価な酵素等のメディエータを使う必要性があること、微生物の生育条件と電極反応の最適条件が異なるため反応効率が不十分であったり、安定性に欠けること等の理由で実用化が遅れていた。
しかし近年、Ｌｏｖｅｌｙ等は海洋堆積物中に特殊加工したグラファイト負極を、直上の海水中に白金処理したグラファイト正極を挿入して、ジオバクターの作用により電気を取り出すことに成功した（非特許文献１）。又、Ｌｏｇａｎ等は、白金処理したカーボンクロス電極を使用して実験的に家庭廃水からイオン交換膜なしで最大１４６ｍＷ／ｍ^２ の電力を取り出したと報告している（非特許文献２）。
しかしながら、これらの方法は電極に高価な材料を使用していること、及び、電池システムとして複雑な構造となっているためコスト高であり、実用化には更なる改善が必要であった。

Derek R. Lovelyら, [Electrode Reducing Microorganisms that harvest energy from marine sediments],Science, vol295, P483-485, Jan. 2002 Bruce E. Loganら, [Bioenergy production:Biohydrogen and electricity generation using microbial fuel cells],228th Am. Chem. Soc. meeting, Aug. 2004

そこで本発明者は以前に発生電力が高く且つコストが低い実用性の高い微生物電池の開発を行い、微生物電池用電極材、特に負極材が重要な要素であることを発見し、特許出願した（特許文献１）。具体的には、本発明による負極材は、樹木および／又は竹類の炭化物を用いた微生物担体であって、その電気抵抗率が２０Ω・ｃｍ以下の材料である。そして、微生物電構成は、図１の概要図に示すように、微生物と糖類を含む水溶液において、糖類を多量に含む酸素欠損部分に負極を、酸素分に富む上澄み水部分に正極を挿入して構成されており、負極と正極を導電体（例えば銅線、ステンレス線等の金属線、カーボンファイバー）によって結合することにより電力を外部回路を通じて取り出すことが可能となっている。

特願２００４−３０１３３７号公報

上述の電極材料である木質系又は竹質系の炭化物は多孔質であり、この多孔質部に有効微生物が着生しやすいこと、更には、孔の大きさが大小種々あり、大きさに合わせて色々な微生物が棲み分けられる特長があるため、微生物担体として有用なことが示されている。更に、上述の木炭や竹炭等の微生物担体に棲みついた微生物が有機物を分解する際に生ずる電子を外部に連続的に有効に取り出すためには、微生物担体が構成する負極材の電気抵抗率は低いことが必要とされている。

しかしながら、特許文献１の技術によって得られる電力は、未だ実用的観点からは十分でない。そこで、本発明は更に効率的に電力を取り出す技術を提供することを本発明の課題とする。

本発明者らは上記の課題を解決するために、電極反応、特に正極における電子の授受反応が重要な要素であることを発見し、種々な実験を行った結果本発明に到達した。

本発明は具体的には木質系又は竹質系の多孔質炭化物を負極とし、該担体に寄生する微生物によりグルコース等の糖を分解して電力を取り出す電池であって、上澄み水溶液部に配設された正極から電子を強制的に取り出すことを特徴とする微生物電池にある。ここで、正極から電子を強制的に取り出す方法として、正極を酸化する電気化学的システムを提供する。正極を酸化する望ましい方法としては、図２に示すように該正極（図２のＢ）を陽極として外部直流電源と電気的に接続し、正極（Ｂ）から電子を取り出す一方、陰極（Ｃ）で水溶液の電気分解により水素を発生させる方法が最適なシステムとして提案される。

正極（Ｂ）を酸化する他の手段としては、正極周辺部に過酸化水素等の酸化剤を注入することによっても達成される。このようにして、正極（Ｂ）から電子を連続的且つ強制的に取り出すことにより、負極（Ａ）での微生物による解糖反応が活発になり、大きな電力を取り出すことができるようになる。

さらには、前記の負極材が鉄合金特に鋳鉄と組み合わされることにより、水溶液中に溶出した鉄イオンの酸化還元反応を副反応として微生物の解糖反応が活性化され、負極への電子供給反応が活発となる。又、電極材料は、特許文献１と同様に導電性の高い多孔質炭化物が望ましい。糖を分解するジオバクター等の微生物に対し、良好な棲息環境を提供することができるためである。

ところで、上述の外部直流電源としては、各種の１次電池、鉛蓄電池およびＮｉ−Ｈ電池およびＬｉ２次電池等を含む２次電池、燃料電池、太陽光発電及び／又は風力発電によるものが用いられるが、中でも、太陽光発電及び／又は風力発電によるものを利用することにより、環境適合型微生物電池システムを構築することが可能となる。本微生物電池システムでは、微生物電池から電力を取り出す一方で、外部直流電源と電気的に接続された陰極側で、水の電気分解により水素を発生させることにより、燃料電池等の原料となる水素を得ることができ、循環型エネルギーの創生が可能となる。

本発明においては、ジオバクター等の微生物の作用を利用して生活廃棄物に含有される糖類を分解することによって生ずる余剰電子を電力として効率的に取り出せるとともに、副産物として水素ガスが得られ、生活廃棄物を有用資源に転換することが可能となる。

本発明の実施形態について下記に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものではなく、その要旨を変更することなく様々に改変して実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。

本発明においては、負極である微生物担体に棲みついた微生物が有機物を分解する際に生ずる電子を外部に連続的且つ効率的に取り出せるよう微生物担体が構成する負極材の電気抵抗率は低いこと及び微生物に好適な棲息環境を提供するための多孔質が必要である。このために、木炭や竹炭等を高温（例えば６５０℃以上）で焼成することにより、孔率も増大する。このようにして得られた炭化物の電気抵抗率は２０Ω・ｃｍ以下、より望ましくは１０Ω・ｃｍ以下とすることが望ましい。

次に、正極（外部直流電源と電気的に接続した場合の陽極となる（図２のＢ）および陰極（図２のＣ）用の材料としては、導電性、耐酸化性、耐候性に優れた材料であれば何れでも良い。一般的には、通常使用される白金等の金属、又は、負極と同質の木質又は竹質を焼成した炭化物が好適に用いられる。

本発明における負極材は、より大きな電力を取り出すために該微生物担体負極材と鋳鉄片等の金属還元剤を一体化することが望ましい。ここで、微生物担体負極材の表面積に対する金属還元剤の表面積比は５０％以下、一般的には３０％以下とする方法が一般的に用いられが、必ずしもこれに限定されない。
本発明による微生物電池は、負極（Ａ）をグルコース等の糖濃度の高い生活汚水等の沈殿汚泥部に、正極（Ｂ）を酸素濃度の高い上澄み水部に配設することにより、生活廃水、湖沼や閉鎖性海域又は河口堰等の汚泥の浄化および電力の取り出しに有効に用いられる。
なお外部回路を通じて取り出された電力は、蓄電池等に電気エネルギーとして保存、あるいは加熱又は照明等に利用される。

解糖反応に関わる微生物は既に汚泥中に生息する微生物を利用する。この理由は、汚泥中にはその環境に適した複数種類の微生物が生存しており、外部環境条件例えば温度、ｐＨ、微生物担体における孔形状、栄養分の補給、電池構成等の環境に適した微生物が繁殖し、効率的に有機物を分解して汚泥を浄化すると共に、電力を発生するためである。
微生物が活動する温度範囲は、微生物の種類により様々であるが、一般的には１０℃〜４５℃、特には２０℃〜４０℃が望ましい。従って、寒冷期には、発生する電力を活用して加熱することも有効である。又、負極と正極の間にグラスウール、プロトン交換膜（イオン交換膜）等の多孔質仕切り膜を設置しても良いが、低コスト化のために省略することが一般的である。

＜微生物電池システムの構築＞
電気抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下の岡山産の竹炭（長さ１２ｃｍ、幅３ｃｍ、厚さ５ｍｍ）６枚を幅方向に配置し、１２ｃｍ×１８ｃｍとなるように組合せ、ステンレスケージ中に収めた。この際、竹炭負極材の表面上部に、長さ７ｃｍ、幅４ｃｍ、厚さ５ｍｍの鋳鉄板を堅結した。
上述の鋳鉄複合負極材をプラスチック容器（長さ２５ｃｍ、幅１５ｃｍ、高さ１５ｃｍ）の底部に設置し負極とした。なお本竹炭の孔部の長手方向は２０ミクロン〜８０ミクロン、短手方向は１０ミクロン〜５０ミクロンであった。
次に、三重県河芸町の生活排水が流れ込む小川（伊勢湾から約５００ｍ上流にある）から汚泥混じりの汚水約５０００ｃｍ^３を採取し、該汚泥をプラスチック容器に注入した後、深さが約１３ｃｍとなるまで食塩水（食塩濃度０．３ｗｔ％）を加えた。ここで食塩を加えるのは水の導電性を上げるためである。なお沈殿汚泥高さは約８ｃｍであった。正極（陽極）および陰極には、備長炭（直径３ｃｍ×長さ２５ｃｍ）を用いて上澄み水部に設置し、負極と正極および正極（陽極）と陰極をステンレス線で電気的に接続した。ここで、外部直流電源として３Ｖの電圧を発生する太陽電池を用いた。
上記のように構成された微生物電池システムを、２２℃に温度管理された室内に放置し電池性能を調査した。

＜発生電力の測定＞
上述の微生物電池に流れる電流、電圧を測定し、電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ）及び電流−電力曲線（Ｉ−Ｗ）として図３に示す。図３において、ＥＸ１は微生物電池のみで構成されたシステムであり、ＥＸ２〜４は微生物電池と太陽電池と組み合わせたシステムの結果である。ここで、ＥＸ２は太陽電池と微生物電池を電気的に２時間接続後、接続を遮断して２０分後の結果を、ＥＸ３は同様に電気的に４０時間接続後、接続を遮断して２０分後の結果を、又、ＥＸ４はＥＸ３により活性化された微生物電池が完全に放電後、測定した結果を示す。なお、添え字のＶはＩ−Ｖ曲線を、ＷはＩ−Ｗ曲線を示す。

＜測定結果＞
図３に示すように、得られる最大電力は太陽電池と接続しない場合の１０ｍＡ，３ｍＷ（ＥＸ１Ｗ）から、２８ｍＡ，２２ｍＷ（ＥＸ３Ｗ）へと大幅に増加した。そして太陽電池が放電後（ＥＸ４Ｗ）は、ほぼ太陽電池に接続しない状態（ＥＸ１Ｗ）に戻った。このように、微生物電池の正極から強制的に電子を取り出すことにより、微生物電池の発電効率を大幅に増加できた。

微生物電池を示す概念図である。 微生物電池と外部直流電源を電気的に接続したシステムを示す概念図である。 実施例１の結果を示す電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線および電流−電力（Ｉ−Ｗ）曲線を示す図である。

符号の説明

Ａ：図２の微生物電池における負極
Ｂ：図２の微生物電池における正極（外部直流電源と電気的に接続された場合の陽極）
Ｃ：図２の外部直流電源と電気的に接続された陰極

Claims (5)

1. 糖濃度の高い水溶液に負極を、糖濃度の希薄な上澄み水部に正極を配設してなる微生物電池において、該負極が木質又は竹質系炭化物多孔質体で構成されており、該負極に寄生する微生物により該負極で糖を分解して電子を産生する一方、正極から酸化反応により電子を強制的に取り出すことを特徴とする微生物電池。
2. 前記正極の酸化反応が、前記微生物電池の正極を外部直流電源の正極と電気的に接続し、且つ、該外部直流電源の負極と電気的に接続された陰極を前記糖濃度の希薄な上澄み水部に浸漬して、該陰極から水素ガスを発生させることにより、電子を微生物電池の正極から強制的に取り出す電気化学システムであることを特徴とする請求項１に記載の微生物電池。
3. 前記外部直流電源が太陽光発電及び／又は風力発電によるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の微生物電池。
4. 前記微生物電池の正極（外部直流電源の陽極でもある）、又は陰極が、何れも木質または竹質系多孔質炭化物材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の微生物電池。
5. 前記微生物電池の負極材が、鉄合金と組み合わされていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の微生物電池。
   

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