JP2011065875A - Microorganism power generation device - Google Patents

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Tetsuro Fukase
哲朗 深瀬
Tomoaki Deguchi
智章 出口
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Kurita Water Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-efficiency microorganism power generation device with a microorganism retention volume augmented and an adverse effect of oxygen alleviated and capable of restraining methane fermentation, in a microorganism fuel cell having a cylindrical structure. <P>SOLUTION: A plurality of cylindrical bodies 3 each made of a cylindrical cathode material 1 and an ion-transmitting non-conductive film 2 are arrayed in parallel with intervals in a casing 5. An anode material 4 each is filled between the cylindrical bodies 3. Microorganisms are carried by the anode materials 4. As water containing organic matters is passed to the anode materials 4 and gas containing oxygen such as air is circulated in inner holes 6 of the cathode materials 1, microorganism power generation is carried out. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、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係り、特に、筒状の正極材と、該正極材を取り巻くイオン性非導電膜と、該イオン性非導電膜の外周囲に配置された負極材とを有する微生物発電装置に関する。   The present invention relates to a microbial power generation apparatus that extracts, as electrical energy, a reducing power obtained when an organic substance is oxidatively decomposed into microorganisms, and in particular, a cylindrical positive electrode material, an ionic non-conductive film surrounding the positive electrode material, The present invention relates to a microbial power generation device having a negative electrode material arranged around the outer periphery of an ionic non-conductive film.

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、及び必要に応じ電子伝達媒体(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。   In microbial power generation that generates electricity by extracting electrical energy obtained when microorganisms assimilate organic matter, microorganisms, organic matter assimilated by microorganisms, and, if necessary, electron transfer media ( Electronic mediator) coexist. The electron mediator enters the microorganism, receives the electrons generated by the microorganisms oxidizing the organic matter, and passes them to the negative electrode. The negative electrode is electrically connected to the positive electrode via an external resistance (load), and the electrons transferred to the negative electrode move to the positive electrode via the external resistance (load) and are transferred to the electron acceptor in contact with the positive electrode. A current flows between the positive electrode and the negative electrode due to such movement of electrons.

微生物発電装置の一形態として、グラファイトよりなる筒状の陰極(カソード)の外周を電解質膜で包囲し、この電解質膜の外周にグラファイトよりなる筒状のアノードを設けた筒状体よりなる発電装置が特許文献1に記載されている(0060段落、図1)。   As one form of the microbial power generation device, a power generation device comprising a cylindrical body in which the outer periphery of a cylindrical cathode made of graphite (cathode) is surrounded by an electrolyte membrane and a cylindrical anode made of graphite is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane. Is described in Patent Document 1 (paragraph 0060, FIG. 1).

特許文献1の0061段落及び図1には、このような筒状体を複数本、相互間に間隔をあけて反応容器内に配設することが記載され、0064段落には、この筒状体同士の間のスペースに基質を供給し、筒状体の内孔に空気を流通させることが記載されている。   In Patent Document 1, paragraph 0061 and FIG. 1, it is described that a plurality of such cylindrical bodies are arranged in the reaction container with a space between each other. It is described that a substrate is supplied to a space between them and air is circulated through an inner hole of a cylindrical body.

特開2005−317520号公報JP 2005-317520 A

上記特許文献1の0064段落の微生物発電装置のように、筒状体同士を間隔(スペース)をあけて配設し、この筒状体同士の間に基質を流通させる微生物発電装置にあっては、上記スペース部分には微生物が保持されないので、アノード単位容積あたりの微生物保持量が少ない。また、カソードより透過する酸素の影響を受けるため、高い活性は期待できない。   As in the microbial power generation apparatus of paragraph 0064 of Patent Document 1, the microbial power generation apparatus in which the cylindrical bodies are arranged with a space (space) between them and the substrate is circulated between the cylindrical bodies. Since the space portion does not hold microorganisms, the amount of microorganisms held per anode unit volume is small. In addition, high activity cannot be expected because of the influence of oxygen permeating from the cathode.

本発明は、筒状構造を有する微生物燃料電池において、微生物保持量を高めることができる微生物発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、その一態様において、酸素の影響を低減し、さらにメタン醗酵を抑制できる、高効率の微生物発電装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a microbial power generation apparatus capable of increasing the amount of microorganisms retained in a microbial fuel cell having a cylindrical structure. Moreover, this invention aims at providing the highly efficient microbial power generation device which can reduce the influence of oxygen and can suppress methane fermentation in the one aspect | mode.

請求項1の微生物発電装置は、筒状の正極材と、該正極材を取り巻いているイオン透過性非導電膜とを備えてなる筒状体が、複数本相互間に間隔をあけてケーシング内に配置され、該筒状体同士の間及び筒状体とケーシングとの間に、有機物含有液が浸透可能な多孔性負極材が充填されていることを特徴とするものである。   According to another aspect of the present invention, there is provided a microbial power generation apparatus comprising: a cylindrical positive electrode material; and a cylindrical body comprising an ion-permeable non-conductive film surrounding the positive electrode material, wherein a plurality of cylindrical bodies are spaced apart from each other in the casing. It is arrange | positioned by this, The porous negative electrode material which can osmose | permeate an organic substance containing liquid is filled between these cylindrical bodies and between a cylindrical body and a casing, It is characterized by the above-mentioned.

請求項2の微生物発電装置は、請求項1において、隣接する直近の筒状体の外周面同士の距離が5〜100mmであることを特徴とするものである。   The microorganism power generation apparatus according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the distance between the outer peripheral surfaces of adjacent cylindrical bodies adjacent to each other is 5 to 100 mm.

請求項3の微生物発電装置は、請求項1又は2において、前記イオン透過性非導電膜の内周側に酸素還元触媒が担持されていることを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the microbial power generation apparatus according to the first or second aspect, wherein an oxygen reduction catalyst is supported on an inner peripheral side of the ion permeable non-conductive film.

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、前記筒状体の外周をグラファイトフェルトで被包してなる筒状エレメントを複数本引き揃えて密着させ、前記ケーシング内に収容してなることを特徴とするものである。   The microbial power generation apparatus according to claim 4 is the casing according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of cylindrical elements formed by enclosing an outer periphery of the cylindrical body with graphite felt are brought into close contact with each other, and the casing It is characterized by being housed inside.

本発明の微生物発電装置は、筒状正極材をイオン透過性非導電膜で取り巻いてなる筒状体を複数本備え、この筒状体同士の間及び筒状体とケーシングとの間に負極材が充填されている。従って、筒状体同士の間は負極材で埋めつくされているので、微生物発電装置内の単位容積当りの微生物保持量が多い。   The microbial power generation device of the present invention includes a plurality of cylindrical bodies formed by surrounding a cylindrical positive electrode material with an ion-permeable non-conductive film, and the negative electrode material between the cylindrical bodies and between the cylindrical body and the casing. Is filled. Therefore, since the space between the cylindrical bodies is filled with the negative electrode material, the amount of microorganisms retained per unit volume in the microorganism power generation apparatus is large.

なお、隣接する直近の筒状体間の距離を5〜100mm程度とすると、発電効率が良くなる。即ち、イオン透過性非導電膜を透過して酸素が正極材1側から負極材4側へ拡散してくるので、この距離が過度に小さいと、イオン透過性非導電膜近傍の負極材4における発電効率が低くなる。逆に、この距離が過度に大きいと、メタン醗酵、硫酸還元が優先となり、電子供与体(有機物)が無駄に消費される。   In addition, when the distance between the adjacent adjacent cylindrical bodies is about 5 to 100 mm, the power generation efficiency is improved. In other words, oxygen diffuses from the positive electrode material 1 side to the negative electrode material 4 side through the ion permeable non-conductive film. Therefore, if this distance is excessively small, in the negative electrode material 4 near the ion permeable non-conductive film. Power generation efficiency is reduced. On the other hand, if this distance is excessively large, methane fermentation and sulfuric acid reduction are prioritized, and the electron donor (organic substance) is wasted.

(a)図は実施の形態に係る微生物発電装置の断面斜視図、(b)図は(a)図のB−B線断面図である。(A) A figure is a section perspective view of a microbial power generation device concerning an embodiment, and (b) figure is a BB line sectional view of (a) figure. 図1のII−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of FIG. 筒状体の製作方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of a cylindrical body. 筒状エレメントを密着させてケースに充填した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state with which the cylindrical element was stuck and it filled with the case. 実施の形態に係る微生物発電装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the microbial power generation apparatus which concerns on embodiment.

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。第1図及び第2図に示す通り、円筒状のケーシング5内に複数本の筒状体3が配置され、筒状体3同士の間及び筒状体3とケーシング5との間に負極材4が充填されている。筒状体3は、円筒状の正極材1の外周をイオン透過性非導電膜(この実施の形態ではカチオン透過膜)2で取り巻いてなるものであり、相互間に間隔をあけて平行に配置されている。なお、イオン透過性非導電膜2の内周面には酸素還元触媒が担持されている。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of cylindrical bodies 3 are arranged in a cylindrical casing 5, and a negative electrode material is provided between the cylindrical bodies 3 and between the cylindrical body 3 and the casing 5. 4 is filled. The cylindrical body 3 is formed by surrounding the outer periphery of the cylindrical positive electrode material 1 with an ion-permeable non-conductive film (cation-permeable film in this embodiment) 2 and is arranged in parallel with a space between each other. Has been. An oxygen reduction catalyst is supported on the inner peripheral surface of the ion permeable non-conductive film 2.

負極材4には微生物が担持されている。この負極材4に有機物含有水が通液され、正極材1の内孔6内に空気などの酸素含有ガスが流通されることにより、微生物発電が行われる。即ち、負極材4内では、
(有機物)+HO→CO+H+e
なる反応が進行する。この電子eが端子30、外部抵抗31、端子32を経て正極材1へ流れる。
The negative electrode material 4 carries microorganisms. The organic material-containing water is passed through the negative electrode material 4, and oxygen-containing gas such as air is circulated in the inner hole 6 of the positive electrode material 1, whereby microbial power generation is performed. That is, in the negative electrode material 4,
(Organic) + H 2 O → CO 2 + H + + e
The reaction proceeds. The electrons e flow to the positive electrode material 1 through the terminal 30, the external resistor 31, and the terminal 32.

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2を通って正極材1に移動する。正極材1では、
+4H+4e→2H
なる反応が進行する。
Proton H + generated by the above reaction moves to the positive electrode material 1 through the ion-permeable non-conductive membrane 2. In the positive electrode material 1,
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
The reaction proceeds.

次に、この微生物発電装置の製作方法の一例について第3図及び第4図を参照して説明する。   Next, an example of a method for manufacturing the microbial power generation apparatus will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

グラファイトペーパーやグラファイトフェルト等よりなる筒状正極材1の外周にイオン透過性非導電膜2を巻回して筒状体3とする。この筒状体3を第3図(a)のように1対のシート状グラファイトフェルト7,7で挟み、各グラファイトフェルト7,7を第3図(b)の通り筒状体3に半周させ、グラファイトフェルト7,7で筒状体3を包囲する。グラファイトフェルト7,7の両端を重ね合わせ、ポリエステル等の合成樹脂糸8によって縫合し、筒状エレメント9とする。この筒状エレメント9を所要本数だけ引き揃え、外周囲を紐状体で縛り上げて筒状エレメント9同士を密着させ、次いで、第4図の如くケーシング5に挿入する。これにより、各筒状エレメント9のグラファイトフェルト7同士が隙間なく密着して負極材4が構成される。なお、第4図では筒状エレメント9が7本引き揃えられているが、この数は任意である。通常は筒状エレメント9を7〜1800本特に19〜169本引き揃えるのが好ましい。   An ion-permeable non-conductive film 2 is wound around the outer periphery of a cylindrical positive electrode material 1 made of graphite paper, graphite felt or the like to form a cylindrical body 3. The cylindrical body 3 is sandwiched between a pair of sheet-like graphite felts 7 and 7 as shown in FIG. 3 (a), and the graphite felts 7 and 7 are half-circulated around the cylindrical body 3 as shown in FIG. 3 (b). The cylindrical body 3 is surrounded by graphite felts 7 and 7. Both ends of the graphite felts 7 and 7 are overlapped and stitched with a synthetic resin thread 8 such as polyester to form a cylindrical element 9. The required number of cylindrical elements 9 are aligned, the outer periphery is tied up with a string-like body to bring the cylindrical elements 9 into close contact with each other, and then inserted into the casing 5 as shown in FIG. Thereby, the graphite felt 7 of each cylindrical element 9 adheres closely without gap, and the negative electrode material 4 is comprised. In FIG. 4, seven cylindrical elements 9 are aligned, but this number is arbitrary. Usually, it is preferable to align 7 to 1800 cylindrical elements 9, particularly 19 to 169.

この負極材4に有機物含有水を通液し、内孔6に空気等の流通させるための構成の一例について第5図を参照して説明する。なお、ケーシング5は各筒状体3の軸心方向が上下方向となるように配置される。   An example of a configuration for passing organic substance-containing water through the negative electrode material 4 and allowing air or the like to flow through the inner hole 6 will be described with reference to FIG. In addition, the casing 5 is arrange | positioned so that the axial center direction of each cylindrical body 3 may become an up-down direction.

このケーシング5の上端部に空気流入口12を有したトッププレート11が取り付けられている。トッププレート11の下側に仕切板13が配置されており、トッププレート11と仕切板13との間に空気流入室14が形成されている。仕切板13に開口13aが設けられており、各筒状体3のイオン透過性非導電膜2付き正極材1の上端が開口13aに挿入され、接着剤等によって固着されている。   A top plate 11 having an air inlet 12 is attached to the upper end of the casing 5. A partition plate 13 is disposed below the top plate 11, and an air inflow chamber 14 is formed between the top plate 11 and the partition plate 13. An opening 13 a is provided in the partition plate 13, and the upper end of the positive electrode material 1 with the ion permeable non-conductive film 2 of each cylindrical body 3 is inserted into the opening 13 a and fixed by an adhesive or the like.

ケーシング5の下端に空気流出口17を有するボトムプレート16が取り付けられている。ボトムプレート16の上側に仕切板18が配置されており、ボトムプレート16と仕切板18との間に空気流出室19が形成されている。仕切板18には、前記開口13aの鉛直下方位置にそれぞれ開口18aが設けられており、各筒状体3のイオン透過性非導電膜2付き正極材1の下端が開口18aに挿入され、接着剤等により固着されている。   A bottom plate 16 having an air outlet 17 is attached to the lower end of the casing 5. A partition plate 18 is disposed above the bottom plate 16, and an air outflow chamber 19 is formed between the bottom plate 16 and the partition plate 18. The partition plate 18 is provided with an opening 18a vertically below the opening 13a, and the lower end of the positive electrode material 1 with the ion-permeable non-conductive film 2 of each cylindrical body 3 is inserted into the opening 18a and bonded. It is fixed with an agent.

負極材4の上端面と仕切板13との間にスペース23が設けられ、負極材4の下端面と仕切板18との間にスペース22が設けられている。有機物含有水は、ケーシング5の下部に設けられた液流入口21から該スペース22に導入され、負極材4内を浸透する如くして上向きに流れ、スペース23を経てケーシング5の上部の液流出口24から流出し、好ましくはその一部が液流入口21に循環される。なお、有機物含有水は下向流にて通液されてもよい。   A space 23 is provided between the upper end surface of the negative electrode material 4 and the partition plate 13, and a space 22 is provided between the lower end surface of the negative electrode material 4 and the partition plate 18. The organic substance-containing water is introduced into the space 22 from the liquid inlet 21 provided at the lower part of the casing 5, flows upward so as to penetrate into the negative electrode material 4, and flows through the space 23 at the upper part of the casing 5. It flows out from the outlet 24, and preferably a part thereof is circulated to the liquid inlet 21. The organic substance-containing water may be passed in a downward flow.

空気は、流入口12、空気流入室14、各内孔6、空気流出室19、流出口17の順に流れる。なお、筒状体3の外周面のうち、スペース22,23に露呈する部分については気密フィルム(図示略)を巻回すること等によって非通気性とされている。   Air flows in the order of the inflow port 12, the air inflow chamber 14, each inner hole 6, the air outflow chamber 19, and the outflow port 17. In addition, about the part exposed to the spaces 22 and 23 among the outer peripheral surfaces of the cylindrical body 3, it is made non-breathable by winding an airtight film (not shown).

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、負極材及び正極材の好適な材料等について説明する。   Next, in addition to microorganisms and negative electrode solutions of this microbial power generation apparatus, suitable materials for ion-permeable non-conductive films, negative electrode materials and positive electrode materials will be described.

負極材4に保持される微生物としては、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、例えば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汚泥、嫌気性消化汚泥等を植種として負極材に供給し、微生物を負極材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、負極材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。   Examples of the microorganisms retained in the negative electrode material 4 include, for example, Saccharomyces, Hansenula, Candida, Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Leuconostoa, Lactobacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Bacillus, Clostridium, Neisseria, Escherichia, Enterobacter, chromobacterium, Actobacter, Sera Acetobacter, Moraxella, Nitrosomonas, Nitorobacter, Thiobacillus, Gluconobacter, Pseudomonas, Xanthomonas, Vibrio, Comamonas and Proteus (Proteus vulgaris) belonging to each genus, filamentous fungi, yeast, and the like can be mentioned. Sludge containing such microorganisms, for example, activated sludge obtained from biological treatment tanks for treating water containing organic matter such as sewage, sludge from the first sedimentation basin of sewage, anaerobic digested sludge, etc. are supplied to the negative electrode material as seeding The microorganism can be held on the negative electrode material. In order to increase the power generation efficiency, the amount of microorganisms retained in the negative electrode material is preferably high, and for example, the microorganism concentration is preferably 1 to 50 g / L.

負極材4に通液される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。この液は、下水、食品工場排水などの有機性廃水であってもよい。この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。   The liquid passed through the negative electrode material 4 contains an organic substance. The organic substance is not particularly limited as long as it can be decomposed by microorganisms. For example, water-soluble organic substances, organic fine particles dispersed in water, and the like are used. This liquid may be organic waste water such as sewage and food factory waste water. The organic substance concentration in the liquid is preferably as high as about 100 to 10,000 mg / L in order to increase the power generation efficiency.

この液中には、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。   In this solution, an electron mediator may be contained in order to make it easier to extract electrons from microorganisms or cells. Examples of the electron mediator include compounds having a thionin skeleton such as thionine, dimethyldisulfonated thionine, new methylene blue and toluidine blue-O, and 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone such as 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone. Examples include compounds having a skeleton, brilliant cresyl blue, garocyanine, resorufin, alizarin brilliant blue, phenothiazinone, phenazine esosulphate, safranin-O, dichlorophenolindophenol, ferrocene, benzoquinone, phthalocyanine, or benzyl viologen and their derivatives. be able to.

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。   Furthermore, if materials that increase the power generation function of microorganisms, such as antioxidants such as vitamin C, or materials that increase the function of only specific electron transfer systems or substance transfer systems in microorganisms, are dissolved, power can be more efficiently generated. Is preferable.

負極材4に通液される液は、必要に応じ、リン酸バッファを含有していてもよい。   The liquid passed through the negative electrode material 4 may contain a phosphate buffer, if necessary.

正極材1の内孔6に流通される酸素含有ガスは、空気が好適であるが、純酸素や、酸素富化空気などであってもよい。   The oxygen-containing gas flowing through the inner hole 6 of the positive electrode material 1 is preferably air, but may be pure oxygen, oxygen-enriched air, or the like.

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。   As the ion permeable non-conductive membrane, a non-conductive ion permeable cation permeable membrane or anion permeable membrane such as an anion permeable membrane or a reverse osmosis membrane can be used. As the ion exchange membrane, a cation exchange membrane having a high proton selectivity or an anion exchange membrane can be suitably used. For example, as the cation exchange membrane, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont Co., Ltd. or a cation exchange membrane manufactured by Astom Co., Ltd. A CMB film or the like can be used. As an anion exchange membrane, an anion exchange membrane made by Astom, an anion electrolyte membrane made by Tokuyama, etc. are suitable. The ion-permeable non-conductive film is preferably thin and strong. Usually, the film thickness is preferably about 30 to 300 μm, particularly about 30 to 200 μm.

イオン透過性非導電性膜2の正極材1側には酸素還元触媒が担持されていることが好ましい。   It is preferable that an oxygen reduction catalyst is supported on the positive electrode material 1 side of the ion-permeable nonconductive film 2.

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程度とすることが好ましい。 As the oxygen reduction catalyst, in addition to noble metals such as platinum, metal oxides such as manganese dioxide are preferred because they are inexpensive and have good catalytic activity, and the supported amount is 0.01 to 2.0 mg / it is preferable that the cm 2.

負極材は、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が好適であり、具体的にはグラファイトフェルトが挙げられる。   The negative electrode material is preferably a porous body having a large surface area and a large number of voids and water permeability so that a large number of microorganisms can be retained. Specifically, a conductive material sheet having at least a rough surface or a porous conductor in which the conductive material is formed into a felt-like or other porous sheet is preferable, and specifically, graphite felt is used.

複数のシート状導電体を積層して負極材としてもよい。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。   It is good also as a negative electrode material by laminating | stacking a some sheet-like conductor. In this case, the same kind of conductor sheets may be laminated, or different kinds of conductor sheets (for example, a graphite sheet having a rough surface and a graphite felt) may be laminated.

このような多孔質の負極材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材に渡るようになり、電子メディエータを不要とすることができる。   When such a porous negative electrode material is brought into contact with the ion-permeable non-conductive film directly or via a microorganism layer, electrons generated by the microbial reaction are transferred to the negative electrode material without using an electron mediator. Thus, an electronic mediator can be dispensed with.

直近の筒状体3同士の距離即ち、直近の筒状体3,3同士の間に存在する負極材4の厚さt(第1図(b))は5〜100mm特に10〜40mm程度が好ましい。前述の通り、この距離が過度に小さいと、イオン透過性非導電膜近傍の負極材4における発電効率が低くなる。逆に、この距離が過度に大きいと、メタン醗酵、硫酸還元が優先となり、電子供与体が無駄に消費される。   The distance between the nearest cylindrical bodies 3, that is, the thickness t (FIG. 1 (b)) of the negative electrode material 4 existing between the nearest cylindrical bodies 3, 3 is about 5 to 100 mm, particularly about 10 to 40 mm. preferable. As described above, when the distance is excessively small, the power generation efficiency in the negative electrode material 4 in the vicinity of the ion-permeable non-conductive film is lowered. On the other hand, if this distance is excessively large, methane fermentation and sulfuric acid reduction are prioritized and the electron donor is wasted.

正極材としては、導電性が高く、耐食性が高く、更には導電性基材としての機械的強度を有するものが好ましく、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。   As the positive electrode material, a material having high conductivity, high corrosion resistance and further having mechanical strength as a conductive base material is preferable, and graphite paper, graphite felt, graphite cloth, stainless steel mesh, titanium mesh, etc. may be used. Of these, graphite base materials such as graphite paper, graphite felt, and graphite cloth are particularly preferable from the viewpoint of durability and ease of processing. These graphite base materials may be those made hydrophobic by a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE).

円筒状正極材の厚さ即ち外径の半径と内径の半径との差は、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、5〜100mm特に10〜40mm程度であることが好ましい。正極材の内孔6の孔径(直径)は、1〜10mm特に2〜5mm程度が好適である。   If the thickness of the cylindrical positive electrode material, that is, the difference between the radius of the outer diameter and the radius of the inner diameter, is too thick, oxygen permeation becomes poor, and if it is too thin, the required properties such as strength required for the substrate cannot be satisfied. Therefore, it is preferably about 5 to 100 mm, particularly about 10 to 40 mm. The hole diameter (diameter) of the inner hole 6 of the positive electrode material is preferably about 1 to 10 mm, particularly about 2 to 5 mm.

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

[筒状体3の作成]
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112」)を用いた。このカチオン交換膜に、酸素還元触媒(田中貴金属製Pt+Co、KetjenBlackBに担持)を5%ナフィオン溶液(デュポン社製)に分散させた液を0.5mg−Pt/cmとなるよう塗布してイオン透過性非導電膜とした。
[Creation of cylindrical body 3]
A cation exchange membrane (manufactured by DuPont, trade name (registered trademark) “Nafion 112”) was used as the ion-permeable non-conductive membrane. On this cation exchange membrane, a solution in which an oxygen reduction catalyst (Pt + Co made by Tanaka Kikinzoku, supported by KetjenBlackB) is dispersed in a 5% Nafion solution (manufactured by DuPont) is applied to 0.5 mg-Pt / cm 2 to form ions. A permeable non-conductive film was obtained.

これとは別に、正極材としてグラファイト製カーボンクロス(新日本テクノカーボン(株)GF−20−P−21E)をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)で撥水処理したものを準備した。撥水処理としては、PTFEをキシレンに溶解させた溶液(濃度20wt%)をカーボンクロスに付着させ、乾燥後、360℃×10分間焼きつけることにより行った。PTFEの付着量は50wt%である。このカーボンクロスを直径5mmのマンドレルの外周に巻きつけた。このカーボンクロスの外周に上記のイオン透過性非導電膜を一重だけ巻きつけた。イオン透過性非導電膜の巻き始めと巻き終わり部分を瞬間接着剤で接着した。次いでマンドレルを引き抜いて筒状体3とした。   Separately, a carbon cloth made of graphite (New Nippon Technocarbon Co., Ltd. GF-20-P-21E) as a positive electrode material was prepared by water repellent treatment with PTFE (polytetrafluoroethylene). The water repellent treatment was performed by attaching a solution (concentration 20 wt%) of PTFE in xylene to carbon cloth, drying, and baking at 360 ° C. for 10 minutes. The adhesion amount of PTFE is 50 wt%. This carbon cloth was wound around the outer periphery of a mandrel having a diameter of 5 mm. The ion-permeable non-conductive film was wound only once around the outer periphery of the carbon cloth. The winding start and winding end portions of the ion-permeable non-conductive film were bonded with an instantaneous adhesive. Next, the mandrel was pulled out to obtain a cylindrical body 3.

この筒状体3を第3図の通り厚さ5mmの2枚のグラファイトフェルトで挟んで包囲し、グラファイトフェルトの端辺同士をナイロン糸8で縫合して筒状エレメント9とした。筒状エレメント9の直径は約15mmである。   As shown in FIG. 3, the cylindrical body 3 was sandwiched and surrounded by two graphite felts having a thickness of 5 mm, and the ends of the graphite felt were stitched together with a nylon thread 8 to form a cylindrical element 9. The diameter of the cylindrical element 9 is about 15 mm.

筒状エレメント9の両端にあっては、イオン透過性非導電膜2付きの円筒状正極材1が負極材4の端面から長さ5mmだけ突出している。この突出した部分の周辺にシリコンシーラントを埋め込み負極に空気が流入しないようにフィルムを巻き付けて非通気性とした。   At both ends of the cylindrical element 9, the cylindrical positive electrode material 1 with the ion permeable non-conductive film 2 protrudes from the end face of the negative electrode material 4 by a length of 5 mm. A silicon sealant was embedded around the protruding portion, and a film was wound to prevent air from flowing into the negative electrode to make it non-breathable.

このように製作した7個の筒状エレメント9を平行に引き揃え、外周にナイロン紐を巻き付けて略々筒形状とした。これを内径50mmの塩化ビニル製のケーシング9に挿入した。   The seven cylindrical elements 9 produced in this way were aligned in parallel, and a nylon string was wound around the outer periphery to form a substantially cylindrical shape. This was inserted into a casing 9 made of vinyl chloride having an inner diameter of 50 mm.

第5図の如く、仕切板及びトッププレート及びボトムプレートを取り付けて微生物発電装置とした。なお、正極材1及び負極材4には端子としてステンレスワイヤを挿し込み、2Ωの抵抗を介して第2図のように結線した。   As shown in FIG. 5, a partition plate, a top plate, and a bottom plate were attached to obtain a microbial power generation apparatus. In addition, a stainless steel wire was inserted as a terminal into the positive electrode material 1 and the negative electrode material 4 and connected as shown in FIG. 2 through a resistance of 2Ω.

負極材4には、pHを7.5に維持した、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材4へ10mL/minで通液するとともに、処理水を250mL/minで循環通水した。これにより、負極室の温度は35℃に保たれた。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。   A negative electrode solution containing 1000 mg / L of acetic acid, phosphoric acid and ammonia was passed through the negative electrode material 4 while maintaining the pH at 7.5. This negative electrode solution was previously heated to 35 ° C. in a separate water tank, and the liquid heated in this water tank was passed through the negative electrode material 4 at 10 mL / min, and treated water was circulated at 250 mL / min. Thereby, the temperature of the negative electrode chamber was kept at 35 ° C. Prior to passing the negative electrode solution, the effluent of another microbial power generation device was passed as an inoculum.

正極材1の内孔6には、常温の空気を2L/minの流量で通気した。   A normal temperature air was passed through the inner hole 6 of the positive electrode material 1 at a flow rate of 2 L / min.

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あたりの発電量は1,200Wとなった。 As a result, the power generation amount became almost constant 3 days after the start of the flow of the negative electrode solution, and the power generation amount per 1 m 3 of the negative electrode was 1,200 W.

1 正極材
2 イオン透過性非導電膜
3 筒状体
4 負極材
5 ケーシング
6 内孔
7 カーボンフェルト
8 糸
9 筒状エレメント
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode material 2 Ion permeable non-conductive film 3 Cylindrical body 4 Negative electrode material 5 Casing 6 Inner hole 7 Carbon felt 8 Yarn 9 Cylindrical element

Claims (4)

筒状の正極材と、該正極材を取り巻いているイオン透過性非導電膜とを備えてなる筒状体が、複数本相互間に間隔をあけてケーシング内に配置され、
該筒状体同士の間及び筒状体とケーシングとの間に、有機物含有液が浸透可能な多孔性負極材が充填されていることを特徴とする微生物発電装置。
A cylindrical body comprising a cylindrical positive electrode material and an ion permeable non-conductive film surrounding the positive electrode material is disposed in the casing with a plurality of gaps therebetween,
A microbial power generation apparatus, wherein a porous negative electrode material into which an organic substance-containing liquid can permeate is filled between the cylindrical bodies and between the cylindrical body and the casing.
請求項1において、隣接する直近の筒状体の外周面同士の距離が5〜100mmであることを特徴とする微生物発電装置。   In Claim 1, the distance of the outer peripheral surfaces of the adjacent cylindrical body which adjoins is 5-100 mm, The microorganisms power generator characterized by the above-mentioned. 請求項1又は2において、前記イオン透過性非導電膜の内周側に酸素還元触媒が担持されていることを特徴とする微生物発電装置。   The microbial power generation apparatus according to claim 1 or 2, wherein an oxygen reduction catalyst is supported on an inner peripheral side of the ion permeable non-conductive film. 請求項1ないし3のいずれか1項において、前記筒状体の外周をグラファイトフェルトで被包してなる筒状エレメントを複数本引き揃えて密着させ、前記ケーシング内に収容してなることを特徴とする微生物発電装置。   4. The method according to claim 1, wherein a plurality of cylindrical elements formed by enclosing the outer periphery of the cylindrical body with graphite felt are brought into close contact with each other and accommodated in the casing. Microbial power generator.
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