JP2010153115A - 微生物発電方法及び微生物発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させる。
【解決手段】槽体３０内に２枚の板状のカチオン交換膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該カチオン交換膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該カチオン交換膜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に酸素含有ガスを流通させ、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。正極室３３に供給される酸素含有ガスとして生物処理排ガスを用いる。生物処理排ガス中の炭酸ガスでＮａ^＋，Ｋ^＋イオンの移動を促進すると共に水蒸気によりイオン透過性を高め、これにより、発電効率を高めることができる。
【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方法及び装置に関する。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及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、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。

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、及び微生物種の選択等について様々な検討及び開発が行われている（例えば特許文献１、特許文献２）。

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、正極室内のリン酸緩衝液（カソード液）に空気を吹き込んで発電を行うことが記載されている。

特許文献２には、正極室と負極室とを区画する電解質膜に接するように、正極板として多孔質体を設置し、正極室に空気を流通させ、多孔質体の空隙中で空気と液とを接触させることが記載されている。（以下、このように正極室内に空気を流通させ、空気中の酸素を電子受容体として利用する正極を「エアーカソード」と称す場合がある。）

エアーカソードを用いる微生物発電装置であれば、カソード液が不要で、また、正極室に単に空気を流通させるのみで良く、カソード液中への曝気の必要がないといった利点がある。

従来、エアーカソードを用いた微生物発電装置における発電効率の向上を目的として、
１）負極のメディエーター（例えば特許文献３）
２）負極室のｐＨ調整
３）正極触媒の種類や触媒活性成分の担持方法
４）正極の形状
などについての検討がなされている。
特開２０００−１３３３２６号公報 特開２００４−３４２４１２号公報 特開２００６−３３１７０６号公報

従来の微生物発電装置では、発電効率が負極１ｍ^３あたり５０〜１５０Ｗ／ｍ^３と小さく、更なる発電効率の向上が望まれている。
本発明は、簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させることができる微生物発電方法及び微生物発電装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の微生物発電方法は、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正極を有する正極室とを備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、該酸素含有ガスが生物処理排ガスを含むことを特徴とする。

本発明（請求項２）の微生物発電方法は、請求項１において、該酸素含有ガスとして好気性生物処理排ガスを正極室に供給することを特徴とする。

本発明（請求項３）の微生物発電方法は、請求項１において、該酸素含有ガスとして空気と嫌気性生物処理排ガスとを該正極室に供給することを特徴とする。

本発明（請求項４）の微生物発電方法は、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正極を有する正極室とを備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入することを特徴とする。

本発明（請求項５）の微生物発電装置は、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正極を有する正極室と、該正極室に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた微生物発電装置において、該正極室に生物処理排ガスを導入する手段を設けたことを特徴とする。

本発明（請求項６）の微生物発電装置は、請求項５において、該正極室に好気性生物処理排ガスを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。

本発明（請求項７）の微生物発電装置は、請求項５において、該正極室に空気と嫌気性生物処理排ガスとを導入する手段を有することを特徴とする。

本発明（請求項８）の微生物発電装置は、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正極を有する正極室と、該正極室に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた微生物発電装置において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段を設けたことを特徴とする。

本発明においては、正極室に生物処理排ガスを導入するという簡易かつ安価な手段で、微生物発電装置の発電効率を高めることができる。

即ち、本発明者らは、微生物発電装置の発電効率を向上させるべく鋭意検討した結果、正極室に供給する酸素含有ガスに、酸性ガスを導入すると、酸性ガスによるイオン透過性非導電性膜のｐＨ中和作用でＮａ^＋，Ｋ^＋イオンの移動を促進し、これにより、発電効率を向上させることができることを見出し先に特許出願した（特願２００８−２８０１０４。以下「先願」という。）。この酸性ガスとしては、炭酸ガスを用いることが安価でありかつ安全性が高く、設備腐食の問題等もないことから好ましい。
そして、この先願の発明に基き、更に検討した結果、正極室に供給する酸素含有ガスに更に水蒸気を導入することにより、より一層発電効率を高めることができることを見出した。
この水蒸気による発電効率の向上効果の作用機構の詳細は明らかではないが、水蒸気が、イオン透過性非導電性膜のイオン透過を促進することが推定される。即ち、イオン交換膜等のイオン透過性非導電性膜は、水分含有率によってイオン透過性が変化することが知られており、水分量が少ないとイオン透過性が低下する。特に、イオン透過性非導電性膜としてアニオン交換膜を使用する場合、生物発電でのイオンの透過には、正極での水の解離が必要であり、正極室への一定量の水の供給がイオンの透過のみならず、水酸イオンの生成にも有効に作用すると考えられる。従って、正極室への水蒸気の導入は、この正極での水の解離のために有効となる。

請求項４，８に係る発明はこのような知見に基いて達成されたものである。

このように、正極室に供給する酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入すると発電効率を大幅に高めることができるが、通常、生物発電を実施する現場（廃水処理場、生ごみ処理場など）には炭酸ガス供給源はなく、また、液化炭酸ガス等は高価であるため経済的に不利である。また、水蒸気供給のための加湿も手間がかかる。

これに対して、活性汚泥法生物処理排ガス等の生物処理排ガスは、十分な酸素を含み、さらに、廃水処理により生成した炭酸ガスを含んでいるため炭酸ガスの濃度が高く、その上、高湿度で十分量の水蒸気を含む。
特に、活性汚泥曝気槽のｐＨを中性から弱酸性で運転した場合、排ガスの炭酸ガス濃度が高くなり、正極室に供給するガスとして好適である。
また、近年、省エネを目的に適用が広まっている微細気泡散気管等、酸素溶解効率の高い散気装置を使用すると、排ガス中の炭酸ガス濃度が高くなり、より好ましい。
一方、嫌気性生物処理排ガスは酸素を含まないが、炭酸ガス濃度が高く、また、高湿で水蒸気量も高い。従って、嫌気性生物処理排ガスであっても、空気等の酸素含有ガスと混合して用いることにより、正極室供給ガスとして有効に用いることができる。
しかして、生物処理排ガスを排出する生物処理設備は、廃水や有機性廃棄物をエネルギー源とする生物発電を実施する現場には、ほとんどの場合、生物発電設備に近接して併設されることから、ガスの輸送という面でも有利である。

請求項１〜３及び請求項５〜７に係る発明は、このような知見に基いて達成されたものである。

以下、図面を参照して本発明の微生物発電方法及び微生物発電装置の実施の形態を詳細に説明する。

第２図は本発明の微生物発電方法及び装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。

第２図の微生物発電装置にあっては、層体１内外オン透過性非導電性膜２によって正極室３と負極室４とに区画されている。正極室３内には、イオン透過性非導電性膜２に接するように正極５が配置されている。

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、イオン透過性非導電性膜２に直に、又は１〜２層程度の微生物の膜を介して接しており、イオン透過性非導電性膜２がカチオン透過膜であれば、負極６からイオン透過性非導電性膜２にプロトン（Ｈ^＋）が受け渡し可能となっている。

正極室３内は、空室であり、ガス流入口７から酸素含有ガス（本実施例においては、好気性生物処理排ガス）が導入され、ガス流出口８から排出配管２５を経て排ガスが流出する。

正極室３と負極室４とを仕切るイオン透過性非導電性膜２としては、後述する通り、カチオン透過膜が好適であるが、その他のものであっても良い。

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、負極溶液ＬのｐＨが７〜９となるように、必要に応じてアルカリが添加される。

正極室３内で生じた凝縮水は、図示しない凝縮水流出口から排水される。

正極５と負極６との間に生じた起電力により、端子２０，２２を介して外部抵抗２１に電流が流れる。

正極室３に、酸素と炭酸ガスと水蒸気とを含む好気性生物処理排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Ｌ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、イオン透過性非導電性膜５Ａのカチオン透過膜を通って正極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。この正極反応で生成したＨ_２Ｏは凝縮して凝縮水が生じる。この凝縮水には、イオン透過性非導電性膜２のカチオン透過膜を透過してきたＫ^＋，Ｎａ^＋などが溶け込み、これにより酸素含有ガスとして空気を通気する従来の微生物発電装置にあっては、凝縮水がｐＨ９．５〜１２．５程度の高アルカリ性となるが、本発明では炭酸ガスを含む生物処理排ガスを通気するため、炭酸ガスによる中和作用でこの凝縮水のｐＨは７．５〜９程度となる。

即ち、イオン透過性非導電性膜２として例えばカチオン透過膜を用いた場合、負極６で生成した電子は端子２２、外部抵抗２１、端子２０を経て正極５へ流れる一方で、プロトンとともに負極６に導入される負極溶液Ｌ中のＮａ^＋，Ｋ^＋がイオン透過性非導電性膜２のカチオン透過膜を透過して正極室３に移動する。この場合、正極室３に通気するガスが炭酸ガスを含むことによるｐＨ中和作用によって、Ｎａ^＋，Ｋ^＋の移動を促進していると推定され、これにより発電効率の向上が図れる。

また、このイオン透過性非導電性膜５ＡのプロトンＨ^＋やＫ^＋，Ｎａ^＋の透過に際して、正極室３に十分量の水蒸気が導入されていることにより、イオン透過性非導電性膜５Ａのイオン透過性が高められることでも、これらの移動が促進され、発電効率のより一層の向上が図れる。

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１図は本発明の特に好ましい形態に係る微生物発電装置の概略的な断面図である。

第１図の微生物発電装置にあっては、略直方体形状の槽体３０内に２枚の板状のイオン透過性非導電性膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該イオン透過性非導電性膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該イオン透過性非導電性膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。

負極室３２内には、各イオン透過性非導電性膜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、イオン透過性非導電性膜３１，３１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、イオン透過性非導電性膜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に押圧されてイオン透過性非導電性膜３１に押し付けられている。正極３５とイオン透過性非導電性膜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。

正極３５と槽体３０の側壁との間は、酸素含有ガスとして導入される生物処理排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３８に接続されている。

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。各正極室３３には、配管６２からの酸素含有ガス（本実施例では好気性生物処理排ガス）がガス流入口５１から流入し、排ガスがガス流出口５２から配管６３を経て流出する。

負極溶液の循環配管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１図の微生物発電装置においても、正極室３３に、酸素と炭酸ガスと水蒸気とを含む好気性生物処理排ガスを流通させ、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、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、負極溶液などのほか、生物処理排ガス、イオン透過性非導電性膜、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Ｌ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。

正極室に流通させる生物処理排ガスとしては、前述の如く、酸素、炭酸ガス及び水蒸気を含む好気性生物処理排ガスであっても良く、炭酸ガス及び水蒸気を含む嫌気性生物処理排ガスであっても良い。生物処理排ガスとして嫌気性生物処理排ガスを用いる場合は、この生物処理排ガスと空気等の酸素含有ガスとを適当な割合、例えば、嫌気性生物処理排ガス：空気＝１：０．５〜５００（容量比）で混合して供給すれば良い。また、この空気の代りに好気性生物処理排ガスを混合しても良い。

生物処理排ガスの由来には特に制限はなく、活性汚泥法の排ガスの他、固定床、流動床、硝化、脱窒、コンポスト等の各種の生物処理で排出され、炭酸ガス濃度が空気よりも高いものであれば、どのようなものでも使用することができ、これらの生物処理排ガスの２種以上を混合して用いても良い。
前述の如く、ｐＨ中性〜弱酸性で運転している活性汚泥曝気槽からの排ガスは炭酸ガス濃度が高く、好適である。また、近年、省エネを目的に適用が広まっている微細気泡散気管等、酸素溶解効率の高い散気装置を使用している曝気槽の排ガスも炭酸ガス濃度が高く、好ましい。

なお、これらの生物処理排ガスの組成はその発生場所により多岐にわたり一概には言えないが、通常、好気性生物処理排ガスでは、Ｏ_２濃度：１５〜１９容量％、ＣＯ_２濃度１〜５容量％、湿度９５〜１００％程度であり、嫌気性生物処理排ガスでは、ＣＯ_２濃度２０〜４０重量％、湿度９５〜１００％程度である。

前述の如く、本発明は、正極室に空気等の酸素含有ガスを供給している微生物発電装置において、この酸素含有ガスに更に炭酸ガス及び水蒸気を供給することにより実施することもできる。この方法は、例えば、酸素含有ガスとしての空気に炭酸ガスを流量比として空気：炭酸ガス＝１００：０．１〜２０程度の割合で導入すると共に、水蒸気を吹き込むことで実施できるが、水蒸気の供給は、水蒸気を吹き込む他、正極室に供給されるガスを、水槽に通気して曝気することにより、その温度での飽和蒸気圧として供給することもできる。

なお、正極室からの排ガスは、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、非導電性でイオン透過性のあるカチオン透過膜又はアニオン透過膜等のイオン透過膜であれば良く、各種イオン交換膜や逆浸透膜等を用いることができる。イオン交換膜としては、プロトン選択性の高いカチオン交換膜、又はアニオン交換膜を好適に使用でき、例えばカチオン交換膜としてはデュポン株式会社製ナフィオン（登録商標）、株式会社アストム製のカチオン交換膜であるＣＭＢ膜等が使用できる。また、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。
イオン透過性非導電性膜としてはカチオン交換膜を用いることが、本発明による炭酸ガスの導入効果が有効に発揮され好ましい。また、水蒸気によるイオン透過性の向上効果の面からは、アニオン交換膜を用いることが好ましい。

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。

このような多孔質の負極を直接に又は微生物層を介してイオン透過性非導電性膜に当接させた場合、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。

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。

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。

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ことが好ましい。

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有す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。

正極の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り、その担持量は、０．０１〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２程度とすることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
説明の便宜上まず比較例を挙げる。

［比較例１］
７ｃｍ×２５ｃｍ×２ｃｍ（厚さ）の負極室に、厚さ１ｃｍのグラファイトフェルトを２枚重ねて充填して負極を形成した。この負極に対して、イオン透過性非導電性膜としてカチオン交換膜（デュポン株式会社製 商品名（登録商標）「ナフィオン１１５」）を介して正極室を形成した。正極室は７ｃｍ×２５ｃｍ×０．５ｃｍ（厚さ）であり、田中貴金属社製Ｐｔ触媒（Ｐｔ担持カーボンブラック，Ｐｔ含有量５０重量％）を、５重量％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン社製）に分散させた液を、ＰＴＦＥで撥水処理した厚さ１６０μｍのカーボンペーパー（東洋カーボン社製）に、Ｐｔ付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、５０℃で乾燥させて得られたものを正極として、上記カチオン交換膜と密着させた。
負極のグラファイトフェルトと正極のカーボンペーパーには、ステンレス線を導電性ペーストで接着して電気引出し線とし、２Ωの抵抗で接続した。

負極室には、ｐＨを７．５に維持し、酢酸１０００ｍｇ／Ｌと燐酸及びアンモニアを含む負極溶液を通液した。この負極溶液は予め、別水槽で３５℃に加温し、この水槽で加温した液を負極室へ１０ｍＬ／ｍｉｎで通液することにより、負極室の温度を３５℃に加温した。なお、負極溶液の通液に先立って、他の微生物発電装置の流出液を植菌として通液した。
正極室には、常温の乾燥空気を０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で通気した。
その結果、負極溶液の通液開始から３日後には発電量はほぼ一定となり、負極１ｍ^３あたりの発電量は１４０Ｗ（発電効率１４０Ｗ／ｍ^３）となった。

［比較例２］
比較例１において、正極室に供給する空気に、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを１ｍＬ／ｍｉｎ（空気に対して０．２％）導入したこと以外は同様にして発電を行ったところ、炭酸ガス導入直後より発電効率は向上しはじめ、５分後には発電効率１８０Ｗ／ｍ^３となった。

［実施例１］
比較例２において、正極室に供給する空気を、純水１．５Ｌを入れた２Ｌの密閉水槽に導入し、４分間曝気した後、炭酸ガスと共に、正極室に導入したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率は２１０Ｗ／ｍ^３に増加した。なお、この実施例１において、空気を水槽で曝気したことにより、空気の湿度は９７％となった。

［実施例２］
比較例１において、空気の代りに、研究所廃水処理場における好気性生物処理排ガス（容量４０ｍ^３の流動床式生物処理槽、ＢＯＤ負荷０．５ｋｇ／ｍ^３・日の排ガス（Ｏ_２濃度：１９．８容量％、ＣＯ_２濃度：１．３容量％、湿度９９％）を正極室に通気したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率２５５Ｗ／ｍ^３が得られた。

［実施例３］
比較例１において、空気の代りに、ＵＡＳＢ装置（１０ｃｍ径、６０ｃｍ高さ、メタノールの合成基質、負荷３０ｋｇ−ＣＯＤ_Ｃｒ／ｍ^３／日)のバイオバス（ＣＯ_２濃度３２容量％、湿度９９％）２００ｍＬ／ｍｉｎと空気４００ｍＬ／ｍｉｎとの混合ガスを正極室に通気したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率２４８Ｗ／ｍ^３が得られた。

以上の結果より、正極室に供給する酸素含有ガスに炭酸ガス及び水蒸気を導入することにより、或いは、この酸素含有ガスとして生物処理排ガスを用いることにより、発電効率を向上させることができることが分かる。

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。

符号の説明

１，３０ 槽体
２，３１ イオン透過性非導電性膜
３，３３ 正極室
４，３２ 負極室
５，３５ 正極
６，３４ 負極

Claims (8)

1. 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正極を有する正極室と
   を備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、
   該酸素含有ガスが生物処理排ガスを含むことを特徴とする微生物発電方法。
2. 請求項１において、該酸素含有ガスとして好気性生物処理排ガスを正極室に供給することを特徴とする微生物発電方法。
3. 請求項１において、該酸素含有ガスとして空気と嫌気性生物処理排ガスとを該正極室に供給することを特徴とする微生物発電方法。
4. 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正極を有する正極室と
   を備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、
   該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入することを特徴とする微生物発電方法。
5. 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正極を有する正極室と、
   該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と
   を備えた微生物発電装置において、
   該正極室に生物処理排ガスを導入する手段を設けたことを特徴とする微生物発電装置。
6. 請求項５において、該正極室に好気性生物処理排ガスを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。
7. 請求項５において、該正極室に空気と嫌気性生物処理排ガスとを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。
8. 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正極を有する正極室と、
   該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と
   を備えた微生物発電装置において、
   該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段を設けたことを特徴とする微生物発電装置。

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