JP2015032536A - 微生物燃料電池および微生物燃料電池用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】微生物燃料電池は、電解槽と、前記電解槽内に収容され、少なくともその一部が1種または2種以上の電子供与微生物を含む電解質溶液と、前記電解質溶液に接触するように配置されたアノードと、前記電解質溶液に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されたカソードと、を有する。前記アノードは、タングステンまたは酸化タングステンを含む。前記アノードの表層における前記タングステンおよび前記酸化タングステンの合計質量比は、3〜100質量%の範囲内である。
【選択図】図4
Description
[2]前記アノードは、導電体からなる電極本体と、前記電極本体の表面に配置された、タングステンおよび/または酸化タングステンを合計3〜100質量%含む触媒層と、を有する、[1]に記載の微生物燃料電池。
[3]前記アノードは、タングステンを含む、[1]または[2]に記載の微生物燃料電池。
[4]前記アノードは、酸化タングステンを含む、[1]または[2]に記載の微生物燃料電池。
[5]前記導電体は、炭素である、[2]に記載の微生物燃料電池。
[6]前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容するアノード槽と、前記アノード槽に対してカチオン透過性の隔膜を挟んで配置され、前記電解質溶液を収容するカソード槽とを含み、前記アノードは、前記アノード槽内の前記電解質溶液に接触するように配置され、前記カソードは、前記カソード槽内の前記電解質溶液に接触するように配置されている、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
[7]前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容し、前記アノードは、前記電解質溶液に接触するように配置され、前記カソードは、ガス透過性を有し、かつ前記隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されている、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
[8]前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容し、前記アノードは、液体透過性を有し、かつ前記電解質溶液に接触するように配置され、前記隔膜は、前記アノードを挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されており、前記カソードは、ガス透過性を有し、かつ前記アノードおよび前記隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されている、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
[10]導電体からなる電極本体と、前記電極本体の表面に配置された、タングステンおよび/または酸化タングステンを合計3〜100質量%含む触媒層と、を有する、[9]に記載の微生物燃料電池用電極。
[11]前記導電体は、炭素である、[10]に記載の微生物燃料電池用電極。
実施の形態1では、2槽方式の微生物燃料電池について説明する。
実施の形態2では、単槽方式(エア・カソード方式)の微生物燃料電池について説明する。
実施の形態3では、単槽方式(両極MEA方式)の微生物燃料電池について説明する。
本実施例では、実施の形態2に係るエア・カソード方式の微生物燃料電池(図2参照)を作製した。
(1)タングステン粉末を含む触媒層を有するアノード
粒子径30〜40nmの導電性カーボン粉末(Vulcan XC-72;CABOT社)225mg、粒子径500〜600nmのタングステン粉末(A20;株式会社アライドマテリアル)25mg、イオン伝導性ポリマー溶液(ナフィオン(登録商標)を5質量%含む溶液)2.5mLを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロス(5×10cm)の一方の面上に均一に塗布し、大気中でホットプレス機を用いてプレス(150℃、10分間、圧力60kgf/cm2)して触媒層(厚み約100μm)を形成した。触媒層におけるタングステン粉末の質量比は、6.7質量%である。触媒層におけるタングステン粉末の密度は0.5mg/cm2であり、導電性カーボン粉末の密度は4.5mg/cm2である。触媒層の表面におけるタングステン粉末の面積比は、0.1%である。
タングステン粉末(A20)の代わりに粒子径500〜1200nmの三酸化タングステン粉末(F1−WO3;株式会社アライドマテリアル)25mgを使用する以外は、上記と同じ手順で、カーボンクロスの上に触媒層(厚み約100μm)を形成した。触媒層における三酸化タングステン粉末の質量比は、6.7質量%である。
前述の導電性カーボン粉末25mg、粒子径2〜3nmのプラチナ粉末(田中貴金属工業株式会社)25mg、前述のイオン伝導性ポリマー溶液0.5mLを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロスの一方の面上に均一に塗布し、前述の条件でプレスして触媒層(厚み約100μm)を形成した。触媒層におけるプラチナ粉末の質量比は、33質量%である。
前述の導電性カーボン粉末250mg、前述のイオン伝導性ポリマー溶液2.5mLを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロスの一方の面上に均一に塗布し、前述の条件でプレスして触媒層(厚み約100μm)を形成した。触媒層における導電性カーボン粉末の密度は5.0mg/cm2である。
前述の導電性カーボン25mg、プラチナ粉末25mg、前述のイオン伝導性ポリマー溶液0.5mLを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロス(5×10cm)の一方の面上に均一に塗布し、前述の条件でプレスして触媒層を形成した。
以下の表に示される添加物を蒸留水に加えて、2種類の培地(電解質溶液)を調製した。
電解槽として、樹脂製の角筒を準備した。角筒の内部空間の大きさは、5cm×5cm×5cmである。角筒の1つの側壁には、培地などを導入するための貫通孔(導入口)が形成されている。
(1)測定1
電解質溶液としての培地1(表1)と、電子供与微生物および燃料としての10%牛糞スラリーを同量混合した。得られた混合液を、導入口から電解槽の内部に導入した。内部を撹拌しながら室温で試験を開始し、1分ごとに電圧を測定した。外部抵抗は、1800Ωとした。
電解質溶液としての培地2(表2)と、電子供与微生物および燃料としての10%牛糞スラリーを同量混合した。得られた混合液を、導入口から電解槽の内部に導入した。内部を撹拌しながら室温で試験を開始し、1分ごとに電圧を測定した。外部抵抗は、470Ωとした。
本実施例では、実施の形態1に係る2槽方式の微生物燃料電池(図1参照)を作製した。
カーボンクロスのサイズを5×5cmとした以外は、実施例1と同じ手順で、タングステン粉末を含む触媒層を有するカーボンクロス(5×5cm)、および触媒粉末を含まない触媒層を有するカーボンクロス(5×5cm)を作製した。これらのカーボンクロスを炭素棒に巻きつけて固定することで、アノードを作製した。一方、カソードとしては、炭素棒をそのまま使用した。
以下の表に示される添加物を蒸留水に加えて、2種類の電解質溶液を調製した。
アノード槽およびカソード槽として、図6Aに示される特注のガラス瓶(容量500mL)を2つ準備した。図6Aに示されるように、これらのガラス瓶の側面には、内部空間と連通する内径40mmの円筒部が設けられている。また、円筒部の端部には、幅15mm、厚さ7mmのフランジが設けられている。図6Bに示されるように、フランジの間に円環形状のパッキンを挟んで2つのガラス瓶を接続することで、電解槽(アノード槽およびカソード槽)を構成することができる。
アノード槽用の電解質溶液1(表3)と、電子供与微生物および燃料としての10%牛糞スラリーを同量混合した。得られた混合液400mLをアノード槽に導入した。一方、カソード槽用の電解質溶液2(表4)400mLをカソード槽に導入した。アノード槽のみ内部の電解質溶液を撹拌しながら室温で試験を開始し、1分ごとに電圧を測定した。外部抵抗は、360Ωとした。
110,210 電解槽
112 アノード槽
114 カソード槽
120 電解質溶液
130 電子供与微生物
140 隔膜
150,310 アノード
160,220 カソード
230,320 膜・電極接合体(MEA)
Claims (11)
- 電解槽と、
前記電解槽内に収容され、少なくともその一部が1種または2種以上の電子供与微生物を含む電解質溶液と、
前記電解質溶液に接触するように配置されたアノードと、
前記電解質溶液に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されたカソードと、
を有し、
前記アノードは、タングステンまたは酸化タングステンを含み、
前記アノードの表面から深さ100nmまでの表層における前記タングステンおよび前記酸化タングステンの合計質量比は、3〜100質量%の範囲内である、
微生物燃料電池。 - 前記アノードは、導電体からなる電極本体と、前記電極本体の表面に配置された、タングステンおよび/または酸化タングステンを合計3〜100質量%含む触媒層と、を有する、請求項1に記載の微生物燃料電池。
- 前記アノードは、タングステンを含む、請求項1または請求項2に記載の微生物燃料電池。
- 前記アノードは、酸化タングステンを含む、請求項1または請求項2に記載の微生物燃料電池。
- 前記導電体は、炭素である、請求項2に記載の微生物燃料電池。
- 前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容するアノード槽と、前記アノード槽に対してカチオン透過性の隔膜を挟んで配置され、前記電解質溶液を収容するカソード槽とを含み、
前記アノードは、前記アノード槽内の前記電解質溶液に接触するように配置され、
前記カソードは、前記カソード槽内の前記電解質溶液に接触するように配置されている、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。 - 前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容し、
前記アノードは、前記電解質溶液に接触するように配置され、
前記カソードは、ガス透過性を有し、かつ前記隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されている、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。 - 前記電解槽は、前記電子供与微生物を含む前記電解質溶液を収容し、
前記アノードは、液体透過性を有し、かつ前記電解質溶液に接触するように配置され、
前記隔膜は、前記アノードを挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されており、
前記カソードは、ガス透過性を有し、かつ前記アノードおよび前記隔膜を挟んで前記電解質溶液と隣接するように配置されている、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。 - 微生物燃料電池においてアノードとして使用される電極であって、
タングステンまたは酸化タングステンを含み、
その表面から深さ100nmまでの表層における前記タングステンおよび前記酸化タングステンの合計質量比は、3〜100質量%の範囲内である、
微生物燃料電池用電極。 - 導電体からなる電極本体と、
前記電極本体の表面に配置された、タングステンおよび/または酸化タングステンを合計3〜100質量%含む触媒層と、
を有する、請求項9に記載の微生物燃料電池用電極。 - 前記導電体は、炭素である、請求項10に記載の微生物燃料電池用電極。
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