JP2010033823A - 微生物発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位体積当りの発電量が多い微生物発電装置を提供する。
【解決手段】１対のエンドプレート３０，３０の間に４枚のアニオン交換膜３１が互いに平行に配置されることにより、左から１番目及び２番目の該アニオン交換膜３１，３１同士と左から３番目及び４番目のアニオン交換膜３１，３１同士の間にそれぞれ負極室３２が形成されている。左から１番目のアニオン交換膜と左側エンドプレート３０との間、左から４番目のアニオン交換膜と右側エンドプレート３０との間、及び、左から２番目及び３番目のアニオン交換膜同士の間にそれぞれ正極室３３が形成されている。正極室３３に酸素含有ガスを流通させ、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、発電が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電装置に係り、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装置に関する。本発明は、特に、単位セルを複数個積層した微生物発電装置に関する。

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、及び電子伝達媒体（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。

この多孔質体には、エアーカソードの電極反応促進用の触媒として、白金等が担持されている。

特許文献１には、円筒状のアノードの外周に円筒状の電解質膜を設け、さらにその外周に円筒状に多孔質カソードを設けて三層筒状体とし、この三層筒状体の内孔にグルコース水溶液等を流通させ、三層筒状体の外周に空気を流通させる微生物発電装置が記載されている。

この特許文献１の図２には、この三層筒状体を空気室内に複数本並列設置した微生物発電装置が記載されている。
特開２００５−３１７５２０号公報

上記のように筒状体の内部にグルコース水溶液を流通させ、外周に空気を流通させる筒状単位セルを並列設置した微生物発電装置では、微生物発電装置の単位体積に対する筒状体の周面の面積の比率が小さく、微生物発電装置の単位体積当りの発電量が小さい。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、単位体積当りの発電量が多い微生物発電装置を提供することを目的とする。

請求項１の微生物発電装置は、平板状の負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対し平板状のイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する平板状の正極を備えた正極室と、を有する単位セルが複数個積層されたものである。

請求項２の微生物発電装置は、請求項１において、積層方向の両側に前記イオン透過性非導電性膜を介して負極室が配置されている正極室にあっては、双方のイオン透過性非導電性膜に接してそれぞれ正極が設けられており、これらの正極同士の間が酸素含有ガスの流通用のスペースとなってい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、請求項１又は２において、積層方向の少なくとも一方の末端側は正極室となっており、この末端側の正極室は、エンドプレートと、前記イオン透過性非導電性膜とによって区画形成されており、このイオン透過性非導電性膜に接して設けられた前記正極と該エンドプレートとの間が酸素含有ガス流通用のスペースとなっている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１ないし３のいずれか１項において、該正極が、導電性基材と、該導電性基材に担持された酸素還元触媒とを有することを特徴とするものである。

請求項５の微生物発電装置は、請求項３において、前記導電性基材が、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス、ステンレスメッシュ及びチタンメッシュよりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とするものである。

請求項６の微生物発電装置は、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記負極同士及び正極同士がそれぞれ並列に接続されていることを特徴とするものである。

本発明の微生物発電装置は、平板状の正極を有した正極室と平板状の負極を有した負極室とからなる単位セルを複数個積層したものであり、各正極室及び負極室も平板状となっている。従って、円筒状の正極及び負極を有した従来例に比べ、微生物発電装置の単位体積当りの負極液と負極との接触面積が大きく、また、酸素含有ガスと正極との接触面積も大きい。そのため、微生物発電装置の単位体積当りの発電量を多くすることが可能である。

以下に本発明の微生物発電装置の実施の形態を詳細に説明する。

まず、第３図を参照して、本発明の微生物発電装置の単位セルによる発電の原理について説明する。なお、第３図はこの単位セルの概略的な構成を示す模式的断面図である。

単位セル１内は、イオン透過性非導電性膜としての平板状のアニオン交換膜２によって平板状の正極室３と負極室４とに区画されている。正極室３内にあっては、アニオン交換膜２に接するように、平板状の正極５が設けられている。この正極５にはＰｔ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＭｎＯ_２、Ａｇ_２Ｏ等の触媒が担持されている。

負極室４内には、導電性多孔質材料よりなる平板状の負極６が配置されている。この負極６は、アニオン交換膜２に直に、又は１〜２層程度の微生物の膜を介して接している。

正極室３内の正極５以外は、ガス流通スペースであり、ガス流入口７から空気などの酸素含有ガスが導入され、ガス流出口８から排ガスが流出する。

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から負極溶液を導入し、流出口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。

正極室３に酸素含有ガスを通気すると共に、必要に応じポンプ１１を作動させて負極溶液を循環させることにより、負極室４内では、
（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１６、外部抵抗１７、端子１８を経て正極５へ流れる。

正極室３では、
Ｈ_２Ｏ＋Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻
の電子消費反応が進行する。

なお、正極５に二酸化マンガンが担持されている場合には、正極室３では、
ＭｎＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｍｎ^２＋＋４ＯＨ⁻
Ｍｎ^２＋+Ｏ＋Ｈ_２Ｏ → ＭｎＯ_２＋２Ｈ^＋
Ｈ^＋＋ＯＨ⁻ → Ｈ_２Ｏ
の反応が進行し、電極反応が促進される。

正極室３内のＯＨ⁻はアニオン交換膜２を透過して負極室へ移動し、Ｈ^＋と反応してＨ_２Ｏとなる。

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。

次に、第１図を参照して実施の形態に係る微生物発電装置による発電の原理を説明する。なお、第１図はこの微生物発電装置の模式的な断面図である。この微生物発電装置は、第３図に示した単位セルを複数個（第１図では２個）積層し、両端にエンドプレートを配置し、積層方向の両末端に正極室を配置したものである。

１対のエンドプレート３０，３０の間に４枚のアニオン交換膜３１が互いに平行に配置されることにより、左から１番目及び２番目の該アニオン交換膜３１，３１同士と左から３番目及び４番目のアニオン交換膜３１，３１同士の間にそれぞれ負極室３２が形成されている。左から１番目のアニオン交換膜と左側エンドプレート３０との間、左から４番目のアニオン交換膜と右側エンドプレート３０との間、及び、左から２番目及び３番目のアニオン交換膜同士の間にそれぞれ正極室３３が形成されている。

負極室３２内には、各アニオン交換膜３１と直に、又は１層〜２層程度の生物膜を介して接するように、多孔質材料よりなる負極３４が配置されている。負極３４は、アニオン交換膜３１に対し軽く（例えば０．１ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力で）押し付けられるのが好ましい。

正極室３３内には、アニオン交換膜３１と接して正極３５が配置されている。この正極３５は、パッキン３６に押圧されてアニオン交換膜３１に押し付けられている。正極３５とアニオン交換膜３１との密着性を高めるために、両者を溶着したり、接着剤で接着してもよい。

左から１番目及び４番目の正極３５と各エンドプレート３０との間は、酸素含有ガスの流通スペースとなっている。また、左から２番目及び３番目の正極３５，３５同士の間も酸素含有ガスの流通スペースとなっている。

この正極３５及び負極３４は、端子３７，３９を介して外部抵抗（図示略）に並列に接続されている。

負極室３２には、負極溶液の給液ライン６１を介して、流入口３２ａから負極溶液が導入され、流出口３２ｂから廃液が廃液ライン６２へ流出する。負極室３２内は嫌気性とされる。

各負極室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。

各正極室３３には、空気、ライン７１を介してガス流入口５１から空気が流入し、排ガスがガス流出口５２から廃空気ライン７２へ流出する。

この第１図の微生物発電装置においても、正極室３３に酸素含有ガスを流通させ、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、発電が行われる。

この実施の形態では、正極３５、負極３４及びアニオン交換膜３１がいずれも平板状であり、酸素含有ガスと正極３５との接触効率及び負極３４と負極溶液との接触効率がいずれも高い。また、正極室３３及び負極室３２は、いずれも酸素含有ガスや負極溶液が流通する程度の厚みの小さいもので足りる。

なお、第１図では負極室３２が正極室３３に比べて相当に厚く図示されているが、これは図面を明瞭とするために模式的に描いたためであり、実際には、次に説明する第２図の通り、負極室３２も十分に厚みの小さいものである。従って、微生物発電装置の単位体積当りの発電効率が高い。

次に、第２図を参照して微生物発電装置の積層構造について説明する。

正極室３３は、方形枠状の正極室フレーム３３Ｆによって囲まれ、負極室３２は方形枠状の負極室フレーム３２Ｆによって囲まれている。第２図の左側からエンドプレート（左側）３０、正極室フレーム３３Ｆ、アニオン交換膜３１、負極室フレーム３２Ｆ、アニオン交換膜３１、正極室フレーム３３Ｆ、アニオン交換膜３１、負極室フレーム３２Ｆ、アニオン交換膜３１、正極室フレーム３３Ｆ及びエンドプレート（右側）３０がこの順に積層されている。エンドプレート３０（左側）と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１の上部にはそれぞれ空気ライン７１を形成するための孔７３が設けられている。

正極室フレーム３３Ｆにあっては、この孔７３と正極室３３内を連通するように流入口５１が設けられている。エンドプレート３０（左側）と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ、及びアニオン交換膜３１の下部には、それぞれ廃空気ライン７２を形成するための孔７４が設けられている。正極室フレーム３３Ｆにあっては、この孔７４と正極室３３内を連通するように流出口５２が設けられている。

エンドプレート（左側）３０と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１の下部には、負極溶液の給液ライン６１を構成するための孔６３が設けられている。負極室フレーム３２Ｆにあっては、この孔６３と負極室３２内とを連通するように流入口３２ａが設けられている。

エンドプレート（左側）３０と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１の上部には、負極溶液の廃液ライン６２を構成するための孔６４が設けられている。負極室フレーム３２Ｆにあっては、この孔６４と負極室３２内とを連通するように流出口３２ｂが設けられている。

右側エンドプレート３０と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１の上部には、循環配管３２の往側を構成するための孔８１が設けられている。負極室フレーム３２Ｆにあっては、この孔８１と負極室３２内とを連通するように循環往口４１が設けられている。

右側エンドプレート３０と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１の下部には、循環配管３２の戻側を構成するための孔８２が設けられている。負極室フレーム３２Ｆにあっては、この孔８２と負極室３２内とを連通するように循環戻口４４が設けられている。

アニオン交換膜３１の正極室３３側の面のうち、正極室フレーム３３Ｆの枠内側領域に正極３５が設けられている。負極３２は、負極室フレーム３２Ｆの枠内側と同一大きさに成形され、負極室フレーム３２Ｆに内嵌されている。

これらのエンドプレート３０と各フレーム３３Ｆ、３２Ｆ及びアニオン交換膜３１を、正極室３２内にスペーサ３６（第１図では図示略）を配置して、また相互間にガスケット（図示略）を介して積層し、タイボルト等の緊締具によって積層方向に締め付けることにより微生物発電装置が構成される。

なお、各孔７３同士が同軸的に重なることにより空気ライン７１が構成され、孔７４同士が同軸的に重なることにより廃空気ライン７２が構成される。また、孔６３同士が同軸的に重なることによって負極溶液給液ライン６１が構成され、孔６４同士が同軸的に重なることによって負極溶液廃液ライン６２が構成される。孔８１同士が同軸的に重なることによって負極溶液の循環往ラインが構成され、孔８２同士が同軸的に重なることによって負極溶液の循環戻ラインが構成される。

第２図において、例えば正極室フレーム３３Ｆ、アニオン交換膜３１、負極室フレーム３２Ｆ及びアニオン交換膜３１よりなる単位セルの数をさらに多数としてもよい。なお、第２図は、エンドプレート（左側）３０に対しこの単位セルを複数個積層し、その最右側に正極室フレーム３３Ｆを介してエンドプレート（右側）３０を重ねた構成のものである。単位セルの数は、５〜５０程度が好適である。なお、この実施の形態では、積層方向の両端側に正極室が配置されているが、一方又は双方の末端側に負極室を配置してもよい。

次に、この微生物発電装置の微生物、負極溶液などのほか、イオン透過性非導電性膜、負極、正極の好適な材料等について説明する。

負極溶液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、生ごみ等の有機性廃棄物を用いることができる。

負極溶液中には、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。

負極溶液は有機物を含むものである。この有機物としては、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。負極溶液は、下水、食品工場排水などの有機性廃水であってもよい。負極溶液中の有機物濃度は、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。

正極室に流通させる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。

イオン透過性非導電性膜としては、非導電性、かつイオン透過性を有するものであればほとんどのものが使用できるが、前述の通り、特にアニオン交換膜が好適である。アニオン交換膜としては、アストム製アニオン交換膜やトクヤマ製アニオン型電解質膜などが好適である。イオン透過性非導電性膜は、薄くて丈夫であることが好ましく、通常、その膜厚は３０〜３００μｍ、特に３０〜２００μｍ程度であることが好ましい。

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。

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４０ｍｍ以下、特に５〜２０ｍｍ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、導電性基材と、該導電性基材に担持された酸素還元触媒とを有する。

導電性基材としては、導電性が高く、耐食性が高く、厚みが薄くても十分な導電性と耐食性、更には導電性基材としての機械的強度を得ることがあるものであれば良く、特に制限はないが、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス、ステンレスメッシュ、チタンメッシュ等を用いることができ、これらのうち、特に耐久性と加工のしやすさ等の点から、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス等のグラファイト系基材が好ましく、とりわけグラファイトペーパーが好ましい。なお、これらのグラファイト系基材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂によって疎水化されたものであっても良い。

導電性基材の厚さは、厚過ぎると酸素の透過が悪くなり、薄過ぎると、基材に必要な強度等の要求特性を満たすことができないことから、２０〜３０００μｍ程度であることが好ましい。

酸素還元触媒としては、白金等の貴金属のほか、安価で且つ触媒活性が良好であるところから、二酸化マンガン等の金属酸化物が好適である。

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。 図１の微生物発電装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の単位セルの断面模式図である。

符号の説明

１ 単位セル
２，３１ アニオン交換膜
３，３３ 正極室
４，３２ 負極室
５，３５ 正極
６，３４ 負極
３０ エンドプレート
３２Ｆ 負極室フレーム
３３Ｆ 正極室フレーム

Claims (6)

1. 平板状の負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
   該負極室に対し平板状のイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する平板状の正極を備えた正極室と、
   を有する単位セルが複数個積層された微生物発電装置。
2. 請求項１において、
   積層方向の両側に前記イオン透過性非導電性膜を介して負極室が配置されている正極室にあっては、双方のイオン透過性非導電性膜に接してそれぞれ正極が設けられており、これらの正極同士の間が酸素含有ガスの流通用のスペースとなっていることを特徴とする微生物発電装置。
3. 請求項１又は２において、積層方向の少なくとも一方の末端側は正極室となっており、この末端側の正極室は、エンドプレートと、前記イオン透過性非導電性膜とによって区画形成されており、
   このイオン透過性非導電性膜に接して設けられた前記正極と該エンドプレートとの間が酸素含有ガス流通用のスペースとなっていることを特徴とする微生物発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   該正極が、導電性基材と、該導電性基材に担持された酸素還元触媒とを有することを特徴とする微生物発電装置。
5. 請求項３において、前記導電性基材が、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス、ステンレスメッシュ及びチタンメッシュよりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする微生物発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記負極同士及び正極同士がそれぞれ並列に接続されていることを特徴とする微生物発電装置。

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