JP2009238558A - 微生物発電方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラ膜によって隔てられた負極室及び正極室を有し、正極室溶液に鉄イオンを含有させた微生物発電装置において、微生物発電量を増大させる。
【解決手段】槽体３０内に２枚の板状のバイポーラ膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該バイポーラ膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該バイポーラ膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。正極室３３の散気管５１に酸素含有ガスを供給して正極溶液を曝気し、負極室に負極溶液Ｌを供給し、好ましくは負極溶液を循環させる。正極溶液に鉄イオンを含有させる。バイポーラ膜３１のアニオン交換面が正極室３３に臨み、カチオン交換面が負極室３２に臨んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電方法および装置に関する。本発明は特に、有機物を微生物に酸化分解させる際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出す微生物発電方法およびその装置に関する。

近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、微生物発電の技術開発も進められている。微生物発電は、微生物が有機物を資化する際に得られる電気エネルギーを取り出すことにより発電する方法である。

一般的に、微生物発電では負極が配置された負極室内に、微生物、微生物に資化される有機物、および電子伝達媒体（電子メディエータ）を共存させる。電子メディエータは微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。負極は外部抵抗（負荷）を介して正極と電気的に導通しており、負極に渡された電子は外部抵抗（負荷）を介して正極に移動し、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が流れる。

微生物発電では、電子メディエータが微生物体から直接、電子を取り出すため、理論上のエネルギー変換効率は高い。しかし、実際のエネルギー変換効率は低く、発電効率の向上が求められている。そこで、発電効率を高めるため、電極の材料や構造、電子メディエータの種類、および微生物種の選択等について様々な検討および開発が行われている（例えば特許文献１，２、非特許文献１）。

特許文献１には、正極室と負極室とを固体電解質よりなるアルカリイオン導電体で隔て、正極室内及び負極室内をリン酸緩衝液（バッファ）でｐＨ７とし、正極室内に空気を吹き込んで発電を行うことが記載されている。この特許文献１の第００１０段落には、正極溶液中に酸化還元試薬としてフェリシアン化カリウムを存在させることが記載されている。

特許文献２及び非特許文献１には、正極室と負極室とをバイポーラ膜で区画し、バイポーラ膜のアニオン交換面を負極室に臨ませ、カチオン交換面を正極室に臨ませ、正極溶液に鉄イオンを含有させ、正極溶液を大気開放容器に循環流通させて２価の鉄イオンを微生物により３価に酸化することが記載されている（特許文献２の第００２１，００３０，００４０段落、第００６０〜００６５段落及びクレーム１０）。
特開２０００−１３３３２６号公報 ＷＯ２００７／０９４６５８Ａ１ A.T.Heijne,et al,Microbial Fuel Cell Operation with Continuous Biological Ferrous Ion Oxidation of the Catholyte,Emviron.Sci.Technol.,2007,41,4130-4134

正極室での電子受容体として鉄イオンを使用するのは、高い電位（標準水素電極に対し、０．７７Ｖ）で反応がおこるため、取り出すことができる電力が大きいこと、及び、２価の鉄イオンを容易に３価に酸化できることによる。

しかし、鉄イオンを使用する場合には、鉄イオンが水酸化鉄として析出することを回避するため、ｐＨ２．５以下の酸性条件で運転する必要がある。正極室のｐＨが酸性であるということはプロトン濃度が高いことであり、負極室で生成したプロトンは濃度勾配（ｐＨ８とｐＨ２では濃度が１０^６違う）に逆らって正極室へ移動するため、プロトン移動速度が小さくなり、発電量の低下を招く。さらに、負極溶液中に存在するＫ，Ｎａ等のカチオンが濃度勾配にしたがって正極室へ移動し、負極溶液のｐＨ低下と正極溶液のｐＨ上昇を招く。

これを回避するため、特許文献２及び非特許文献１では、バイポーラ膜を、アニオン交換面を負極室に向け、カチオン交換面を正極室にむけて配置している。このようにすることによって、バイポーラ膜のアニオン交換面からはＯＨ⁻が生成し、このＯＨ⁻が負極室で生成したプロトンを中和し、カチオン交換面からはプロトンが生成して正極反応が進行する。

しかしながら、この反応では、Ｎａ，Ｋ等のカチオンがカソードへ移動することは防止できても、プロトン移動を促進することはできないため、発電量は小さい。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、正極室と負極室とをバイポーラ膜で隔て、正極溶液に鉄イオンを含有させた微生物発電方法及び装置において、微生物発電の効率を高くすることができる微生物発電方法及び装置を提供することを目的とする。

請求項１の微生物発電方法は、負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、該負極室に対しバイポーラ膜を介して隔てられており、正極を有し、鉄イオンを含む正極溶液を保持した正極室とを備えた微生物発電装置の該正極溶液に酸素を供給して発電を行う微生物発電方法において、該バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませたことを特徴とするものである。

請求項２の微生物発電方法は、請求項１において、前記正極溶液のｐＨが０．９〜２．５であり、鉄イオンの濃度がＦｅとして１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌであることを特徴とするものである。

請求項３の微生物発電装置は、負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、該負極室に対しバイポーラ膜を介して隔てられており、正極を有し、鉄イオンを含む正極溶液を保持した正極室と、該正極溶液に酸素を供給する酸素供給手段と、を備えた微生物発電装置において、該バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませたことを特徴とするものである。

請求項４の微生物発電装置は、請求項３において、前記正極溶液のｐＨが０．９〜２．５であり、鉄イオンの濃度がＦｅとして１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌであることを特徴とするものである。

本発明は、正極室と負極室とをバイポーラ膜で隔て、正極溶液に鉄イオンを含有させた微生物発電方法及び装置において、バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませることにより、微生物発電の発電量を著しく増大させるようにしたものである。

このようにバイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませることにより発電量が著しく増大する理由は明確ではないが、次のように推定される。すなわち、上記特許文献３のように、アニオン交換面を負極室に、カチオン交換面を正極室に向けた場合、負極溶液中のアニオン及び正極溶液中のカチオンは、いずれもバイポーラ膜内に侵入できず、バイポーラ膜内部はほぼ純水に近い状態になっている。

これに対し、本発明のように、バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませるようにした場合、正極溶液中のアニオンがアニオン交換面を通過してバイポーラ膜内部に侵入し、負極室側からはカチオン交換面を通過してプロトンとＮａ，Ｋのカチオンがバイポーラ膜内に侵入する。そのため、バイポーラ膜内部は塩類濃度が高い酸性ｐＨになる。このようにバイポーラ膜内が、濃度が高く酸性ｐＨになっていると、負極室側から正極室側に向うプロトンの移動が促進され、発電量が増加する。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

第１図は本発明の実施の形態に係る微生物発電装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。

槽体１内がバイポーラ膜２によって正極室３と負極室４とに区画されている。バイポーラ膜２は、そのアニオン交換面が正極室３に臨み、カチオン交換面が負極室４に臨むように配置されている。正極室３内にあっては、バイポーラ膜２に密着するように、導電性多孔質材料よりなる正極５が配置されている。正極５と槽体１の壁面との間のスペースは正極溶液で満たされている。この正極溶液を曝気するように、正極室３内の下部に散気管７が設けられている。この散気管７に空気などの酸素含有ガスが導入され、正極室上部のガス流出口８から曝気排ガスが流出する。なお、曝気に伴って正極溶液が蒸発したり、飛散して減少するので、弁１５を有した補給口１６から補充用の正極溶液を適宜供給する。

この正極溶液には、鉄イオンが溶解している。鉄イオンの濃度の好ましい範囲については後に詳述する。正極溶液はｐＨ０．９〜２．５程度の酸性となっている。

負極室４内には、導電性多孔質材料よりなる負極６が配置されている。この負極６は、バイポーラ膜２に密着しており、負極６からバイポーラ膜２にプロトン（Ｈ^＋）が受け渡し可能となっている。

この多孔質材料よりなる負極６に微生物が担持されている。負極室４には流入口４ａから負極溶液Ｌを導入し、流出口４ｂから廃液を排出させる。なお、負極室４内は嫌気性とされる。

負極室４内の負極溶液Ｌは循環往口９、循環配管１０、循環用ポンプ１１及び循環戻口１２を介して循環される。この循環配管１０には、負極室４から流出してきた液のｐＨを測定するｐＨ計１４が設けられると共に、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ添加用配管１３が接続されている。

散気管７に空気を供給して正極室３内の正極溶液を曝気すると共に、必要に応じポンプ１１を作動させて負極溶液Ｌを循環させることにより、
（有機物）＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ^＋＋ｅ⁻
なる反応が進行する。この電子ｅ⁻が負極６、端子２２、外部抵抗２１、端子２０を経て正極５へ流れる。

上記反応で生じたプロトンＨ^＋は、バイポーラ膜２を通って正極５に移動する。正極５では、
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
なる反応が進行する。このような反応により、正極５と負極６との間に起電力が生じ、端子２０，２２を介して外部抵抗２１に電流が流れる。

正極溶液に鉄イオンが存在することにより、正極での反応が促進される。この反応機構については後に詳述する。

負極室４では、微生物による水の分解反応によりＣＯ_２が生成することにより、ｐＨが低下しようとする。そこで、ｐＨ計１４の検出ｐＨが好ましくは７〜９となるようにアルカリが負極溶液Ｌに添加される。このアルカリは、負極室６に直接に添加されてもよいが、循環水に添加することにより、負極室６内の全域を部分的な偏りなしにｐＨ７〜９に保つことができる。

第２図は本発明の別の実施の形態に係る微生物発電装置の概略的な断面図である。

略直方体形状の槽体３０内に２枚のバイポーラ膜３１が互いに平行に配置されることにより、該バイポーラ膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該バイポーラ膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。バイポーラ膜３１は、そのアニオン交換面が正極室３３に臨み、カチオン交換面が負極室３２に臨むように配置されている。

負極室３２内には、各バイポーラ膜３１と密着するように、多孔質材料よりなる負極３４が配置されている。負極３４は、バイポーラ膜３１に対し軽く（例えば０．１ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力で）押し付けられている。

正極室３３内には、バイポーラ膜３１と接して多孔質材料よりなる正極３５が配置されている。この正極３５は、ゴム等よりなるスペーサ３６に押圧されてバイポーラ膜３１に軽く（例えば０．１ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力で）押し付けられて密着している。正極３５とバイポーラ膜３１との密着性を高めるために、両者を溶着したり、部分的に接着剤で接着してもよい。

この正極３５及び負極３４は、端子３７，３９を介して外部抵抗３８に接続されている。

正極３５と槽体３０の側壁との間のスペースは正極溶液が満たされている。各正極室３３内の下部に散気管５１が設置され、正極溶液が曝気可能とされている。曝気排ガスは、正極室３３の上部のガス流出口５２から流出する。なお、図示は省略するが、各正極室３３に対し正極溶液を補充するように補給口が設けられている。正極溶液には鉄イオンが溶解している。また、正極溶液はｐＨ０．９〜２．５程度の酸性となっている。

負極室３２には、流入口３２ａから負極溶液Ｌが導入され、流出口３２ｂから廃液が流出する。負極室３２内は嫌気性とされる。

負極室３２内の負極溶液は、循環往口４１、循環配管４２、循環ポンプ４３及び循環戻口４４を介して循環される。この循環配管４２に、ｐＨ計４７が設けられると共に、アルカリ添加用配管４５が接続されている。負極室３２から流出する負極溶液のｐＨをｐＨ計４７で検出し、このｐＨが好ましくは７〜９となるように水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリが添加される。

この第２図の微生物発電装置においても、散気管５１に酸素含有ガスを供給して正極室３３内の正極溶液を曝気すると共に、負極室３２に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極３５と負極３４との間に電位差が生じ、外部抵抗３８に電流が流れる。

第１，２図では、散気管を正極室３，３３内に配置して正極室３，３３内で正極溶液の曝気を行っているが、正極室内の正極溶液を別の曝気室に導入して曝気してもよい。

第３図は、第２図の微生物発電装置において、正極室とは別個に曝気室６３を設けた実施の形態を示している。

この第３図の実施の形態では、正極室３３内の正極溶液を取出口６１から配管６２及びポンプ６６を介して曝気室６３に導入し、散気管６３ａで曝気する。曝気排ガスは曝気室の排ガス流出口６３ｂから流出する。曝気処理された正極溶液は、配管６４及び戻口６５を介して正極室３３に戻る。

正極室３３には曝気排ガス流出口５２は設けられていないが、ガスベント部を設けてもよい。当然ながら、正極室３３内には散気管は設けられていない。

この正極溶液も、鉄イオンが溶解しており、また、ｐＨ０．９〜２．５の酸性となっている。

この第３図の微生物発電装置のその他の構成は第２図と同様であり、同一符号は同一部分を示している。

この第３図の微生物発電装置においても、正極室３３内の正極溶液を曝気室６３を介して循環させ、該曝気室６３内で曝気すると共に、負極室３２に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極３５と負極３４との間に電位差が生じ、外部抵抗３８に電流が流れる。

次に、この微生物発電装置の微生物、負極溶液、正極溶液などのほか、バイポーラ膜、負極及び正極の好適な材料等について説明する。

負極溶液Ｌ中に含有させることで電気エネルギーを産生させる微生物は、電子供与体としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及びProteus（Proteus vulgaris）の各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種として負極室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、負極室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１〜５０ｇ／Ｌであることが好ましい。

負極溶液Ｌとしては、微生物又は細胞を保持し、かつ発電に必要な組成を有する有機物を含んだ溶液が用いられる。例えば、呼吸系の発電を行う場合は、負極側の溶液としては、ブイヨン培地、Ｍ９培地、Ｌ培地、Malt Extract、ＭＹ培地、硝化菌選択培地などの呼吸系の代謝を行うのに必要なエネルギー源や栄養素などの組成を有する培地が利用できる。また、下水、有機性産業排水、生ゴミ等の有機性廃棄物を破砕物の分散液などを用いることができる。負極溶液Ｌ中の有機物としては、微生物によって分解されるものであれば特に制限はなく、例えば水溶性の有機物、水中に分散する有機物微粒子などが用いられる。負極溶液Ｌ中の有機物濃度は、発電効率を高くするために１００〜１００００ｍｇ／Ｌ程度の高濃度であることが好ましい。

負極溶液Ｌ中には、微生物又は細胞からの電子の引き抜きをより容易とするために電子メディエーターを含有させてもよい。この電子メディエーターとしては、例えば、チオニン、ジメチルジスルホン化チオニン、ニューメチレンブルー、トルイジンブルー−Ｏ等のチオニン骨格を有する化合物、２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン等の２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン骨格を有する化合物、ブリリアントクレジルブルー、ガロシアニン、レソルフィン、アリザリンブリリアントブルー、フェノチアジノン、フェナジンエソスルフェート、サフラニン−Ｏ、ジクロロフェノールインドフェノール、フェロセン、ベンゾキノン、フタロシアニン、あるいはベンジルビオローゲン及びこれらの誘導体などを挙げることができる。

さらに、微生物の発電機能を増大させるような材料、例えばビタミンＣのような抗酸化剤や、微生物中の特定の電子伝達系や物質伝達系のみを働かせる機能増大材料を溶解すると、さらに効率よく電力を得ることができるので好ましい。

負極溶液Ｌは、必要に応じ、リン酸バッファを含有していてもよい。

負極溶液の温度は１０〜７０℃程度が好ましい。

正極溶液としては、鉄イオンを含むものが用いられる。具体的には、硫酸鉄、塩化鉄、ポリ硫酸鉄などの少なくとも１種よりなる可溶性鉄塩が溶解しているものが好ましい。鉄イオンは、Ｆｅに換算して好ましくは１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは５，０００〜２０，０００ｍｇ／Ｌの濃度で存在させることが好ましい。鉄イオンの存在量が少なすぎると、正極３５と鉄イオンとの間での電子受容反応および、還元された鉄イオンの酸化再生反応が遅くなる。

正極室には、微生物発電装置の運転開始時に鉄イオンを存在だけでなく、運転を開始した後にマンガン塩水溶液をさらに添加する等して鉄イオンを追加的に供給してもよい。

正極溶液は、ｐＨ０．９〜２．５の酸性であることが好ましく、ｐＨをこのような範囲とするために、硫酸を添加するのが好ましい。

２価の鉄イオンは、酸素含有ガスの曝気によって酸化されて３価となり、この３価の鉄イオンがＦｅ^３＋＋Ｈ^＋＋ｅ⁻→Ｆｅ^２＋＋ＯＨ⁻のように反応して、正極室における電子消費反応に寄与する。この反応によりＦｅ^２＋に還元された鉄イオンは、曝気によってＦｅ^３＋に酸化される。

２価の鉄イオンを含む正極溶液を、ｐＨ２〜３程度の酸性条件にして曝気することで、２価の鉄イオンを直接的に３価に酸化させることができる（酸素酸化）。また、正極溶液を酸性とすることにより、鉄イオンが水酸化鉄となって沈殿することが防止される。

上記の曝気による２価の鉄イオン３価への酸化は、遅いので鉄酸化細菌を利用した生物酸化で酸化することが好ましい。生物酸化を行う場合、曝気を行う室に鉄酸化細菌を添加する。鉄酸化細菌は、下水を処理する生物処理槽等に保持される活性汚泥、最初沈殿池の流出水、および河川水等に常在している。よって、微生物発電装置の運転開始時に、曝気を行う正極室又は曝気室にこれらの鉄酸化細菌源を少量、接種すればよい。鉄酸化細菌で鉄イオンの酸化を行う場合も、正極溶液のｐＨを０．９〜２．５程度にして曝気を行うことにより、鉄イオンが水酸化鉄となって沈殿することが防止される。生物酸化を行う場合、正極溶液には微生物の必須栄養塩類である窒素成分（例えば塩化アンモニウム）およびリン成分（例えばリン酸塩）を含ませておくのが好ましい。

曝気量は、酸素酸化の場合、生物酸化の場合とも、正極溶液の溶存酸素（ＤＯ）濃度を測定した場合にＤＯが検出される程度（例えば０．５ｍｇ／Ｌ以下）であればよい。

正極溶液を正極室とは別の曝気室で曝気する場合、曝気室の容積は正極室の容積と同等以下でよい。具体的には、酸素酸化を行う場合、曝気室容積は正極室容積と同等〜１／２０程度でよい。生物酸化を行う場合、曝気室容積は酸素酸化を行う場合より小さくてよく、具体的には正極室容積と同等〜１／１００程度とすればよい。

曝気室の生物反応の方式は限定されず、固定床、浮遊法、流動床のいずれでもよい。曝気室内の微生物濃度は１００〜１，０００ｍｇ／Ｌ程度の範囲で高濃度であることが好ましく、固定床および流動床方式を採用すれば、単位容積あたりの微生物濃度を高くできるので、好ましい。

正極溶液を曝気するための酸素含有ガスとしては、空気が好適である。正極室からの排ガスを、必要に応じ脱酸素処理した後、負極室に通気し、負極溶液Ｌからの溶存酸素のパージに用いてもよい。

バイポーラ膜としては、正極室側がアニオン交換面となっており、負極室側がカチオン交換面となっているものであるいずれのものも用いることができる。バイポーラ膜には、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを積層したものなど各種製造方法によって製造されたものがあるが、いずれのものも用いることができる。

負極は、多くの微生物を保持できるよう、表面積が大きく空隙が多く形成され通水性を有する多孔体が好ましい。具体的には、少なくとも表面が粗とされた導電性物質のシートや導電性物質をフェルト状その他の多孔性シートにした多孔性導電体（例えばグラファイトフェルト、発泡チタン、発泡ステンレス等）が挙げられる。このような多孔質の負極を区隔材に密着させた場合、電子メディエータを用いることなく、微生物反応で生じた電子が負極に渡るようになり、電子メディエータを不要とすることができる。

負極は、フェルト等の繊維体よりなることが好ましい。かかる負極は、負極室厚みよりも大きい厚さを有する場合、それを押し縮めて負極室に挿入し、それ自身の復元弾性によって区隔材に密着するようになる。ただし、負極は、適宜のスペーサ（例えばハニカムスペーサ）によってバイポーラ膜３１に押し付けられてもよい。

複数のシート状導電体を積層して負極としてもよい。この場合、同種の導電体シートを積層してもよく、異なる種類の導電体シート同士（例えばグラファイトフェルトと粗面を有するグラファイトシート）を積層してもよい。

負極は全体の厚さが３ｍｍ以上５０ｍｍ以下、特に５〜４０ｍｍ程度であることが好ましい。積層シートによって負極を構成した場合、シート同士の合わせ面（積層面）に沿って液が流れるように、積層面を液の流入口と流出口とを結ぶ方向に配向させるのが好ましい。

正極は、フェルト状又は多孔質状の、酸性の正極溶液によって腐食しない導電性材料、例えばグラファイトフェルト、発泡ステンレス、発泡チタン等で構成される。多孔質材の場合、空隙の直径が０．０１〜１ｍｍ程度であることが好ましい。正極としては、区隔材と密着させやすい形状（例えば板状）にこれら導電性材料を成形されたものを用いることが好ましい。正極の厚みは２〜５０ｍｍであることが好ましい。正極室内に鉄酸化細菌を存在させて生物酸化を行う場合、正極は３０〜５０ｍｍ程度の厚みがある方が微生物保持量を大きくでき、好ましい。

本発明では、負極室を複数の分室に分割し、各分室を直列接続することで各分室でのｐＨ低下を抑制した上で負極室内の液のｐＨを調整するようにしてもよい。負極室を分割すれば、各分室での有機物分解量が小さくなる結果、炭酸ガスの生成量も小さくなるため、各分室でのｐＨ低下を少なくできる。負極室を流れる液には、前段側の分室から後段側の分室へ流れる際にアルカリを添加すればよい。このようにすれば、前段側の分室でｐＨが低下した液のｐＨを上げて後段側の分室へ流入させることができ、負極室内の液のｐＨを上記範囲に調整することが容易になる。

以下、比較例及び実施例について説明する。まず、比較例について説明する。

［比較例１］
第２図において、バイポーラ膜３１のアニオン交換面が負極室に臨み、カチオン交換面が正極室に臨んでいること以外は第２図に示した構成の微生物発電装置を作成した。この発電装置の槽体３０の全体の容積は７００ｍＬ、負極室３２の容積は３５０ｍＬ、各正極室３３の容積は１７５ｍＬである。各正極室３３には上部に空気流出口を設け、下部に散気管５１を設けた。

バイポーラ膜３１としてアストム株式会社製バイポーラ膜を用い、上記の通り、そのアニオン交換面を負極室に臨ませ、カチオン交換面を正極室に臨ませた。

負極３４としては、２５０ｍｍ×７０ｍｍで厚さ１０ｍｍのグラファイトフェルト（東洋カーボン株式会社製）２枚を導電性接着剤で張り合わせて構成した。接着剤は、グラファイトフェルトの面に部分的に（面全体の１０％程度）に塗布し（いわゆる「ベタ塗り」を避け）、互いに向かい合うグラファイトフェルトの面の微小な凹凸が接着剤で埋められてしまわないようにした。各グラファイトフェルトの両表面は粗面である。なお、２枚のカーボンフェルトの積層体は負極室３２と同じ大きさを有したものであり、負極室３２内全体に充填され、バイポーラ膜３１に接触している。

この微生物発電装置は、従って、負極室３２に供給された液はすべて多孔性の負極３４を透過するように構成されており、負極３４内を通らずに負極室３２を通過すること（ショートパス）が実質的にないよう構成されている。

負極室３２には種菌として下水処理場の生物処理槽から採取した活性汚泥を添加して培養し、負極を構成する各グラファイトフェルトの表面に微生物を付着させた。負極室３２内の微生物濃度は約２２００ｍｇ／Ｌであった。

正極３５は、それぞれ、厚さ５ｍｍのグラファイトフェルト１枚で構成した。厚さ５ｍｍのハニカムスペーサ３６を配置し、正極３５をバイポーラ膜３１に接触させた。

正極室３３内は、濃度５，０００ｍｇ／Ｌの硫酸第１鉄と５００ｍｇ／ＬのＮＨ_４Ｃｌ、５０ｍｇ／Ｌのリン酸カリウム、および５０ｍｇ／Ｌの硫酸マグネシウムを含み、硫酸によってｐＨ２とされた正極溶液で満たした。

正極溶液に下水活性汚泥を１０ｍＬ添加した後、１Ｌ／ｍｉｎにて散気管５１に空気を通気して曝気した。負極室３２には、下水活性汚泥を１０ｍＬ添加した後、１，０００ｍｇ／Ｌの濃度の酢酸と、５０ｍＭの濃度のリン酸バッファと、塩化アンモニウム３００ｍｇ／Ｌとを含む負極溶液を７０ｍＬ／ｍｉｎの流入量で供給し、同量の廃液を排出させた。

循環配管４２の循環流量は１０ｍＬ／ｍｉｎとした。ｐＨ計４７の検出ｐＨが約８．２となるように１Ｎの水酸化ナトリウムを循環液に添加した。外部抵抗は５Ωとした。

上記条件で、運転を開始したところ、発電電圧は３日後に２７０ｍＶまで上昇し、２週間にわたって２６０〜２７０ｍＶの安定した電圧となった。このときの負極１ｍ^３当りの発電電力は４０Ｗ／ｍ^３であった。

その後、この比較例１において、外部抵抗を１Ωから３３Ωまで変化させて、内部抵抗を測定した。結果を第４図に示す。内部抵抗は約５Ω、回路開放電圧は０．７４Ｖであった。

［実施例１］
比較例１において、バイポーラ膜３１の向きを逆にして、アニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませたこと以外は実施例１と同じ条件にて微生物発電を行った。なお、比較例１と同じく、外部抵抗を５Ωとした。

その結果、運転開始翌日には電圧が５００ｍＶを超えた。そこで、外部抵抗を１Ωにしたところ、電圧は２３０ｍＶで安定した。これは、２週間の運転期間中、ほぼ一定であった。したがって、この間の発電電力は、負極１ｍ^３あたり、約１５０Ｗ／ｍ^３であった。

その後、この実施例１において、外部抵抗を１Ωから３３Ωまで変化させて、内部抵抗を測定した。結果を第５図に示す。第５図の通り、内部抵抗は約２．５Ωと比較例１の１／２になり、また、回路開放電圧も０．７５Ｖと０．１Ｖ上昇した。

これらの実施例１と比較例１との対比より、本発明例によると発電電力が３倍以上増大することが認められた。

本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１，３０ 槽体
２，３１ バイポーラ膜
３，３３ 正極室
４，３２ 負極室
５，３５ 正極
６，３４ 負極
７，５１，６３ａ 散気管
６３ 曝気室

Claims (4)

1. 負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、
   該負極室に対しバイポーラ膜を介して隔てられており、正極を有し、鉄イオンを含む正極溶液を保持した正極室と
   を備えた微生物発電装置の該正極溶液に酸素を供給して発電を行う微生物発電方法において、
   該バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませたことを特徴とする微生物発電方法。
2. 請求項１において、前記正極溶液のｐＨが０．９〜２．５であり、鉄イオンの濃度がＦｅとして１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌであることを特徴とする微生物発電方法。
3. 負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、
   該負極室に対しバイポーラ膜を介して隔てられており、正極を有し、鉄イオンを含む正極溶液を保持した正極室と、
   該正極溶液に酸素を供給する酸素供給手段と、
   を備えた微生物発電装置において、
   該バイポーラ膜のアニオン交換面を正極室に臨ませ、カチオン交換面を負極室に臨ませたことを特徴とする微生物発電装置。
4. 請求項３において、前記正極溶液のｐＨが０．９〜２．５であり、鉄イオンの濃度がＦｅとして１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌであることを特徴とする微生物発電装置。

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