JP2015095274A - 微生物燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液面から液中に酸素が溶解するのを抑え、電気エネルギーの回収効率を高めることができる微生物燃料電池を提供する。【解決手段】本発明に係る微生物燃料電池１は、有機性物質を含む液４と、有機性物質を含む液４内に配置されたアノード２と、空気をエアカソード３内に取り入れるための空気取り入れ部１１を有するエアカソード３と、有機性物質を含む液４の液面４ａから有機性物質を含む液４中に、酸素が溶解するのを遮断する酸素遮断部５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、廃水及び廃棄物等に含まれる有機性物質から、微生物の作用によって電気エネルギーを回収することができる微生物燃料電池に関する。

近年、廃水等の有機性廃棄物を分解する際にエネルギーを回収する方法として、燃料電池のしくみを利用した微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池では、排水及び廃棄物中の有機性物質を分解する際に微生物が放出した電子を電極により回収することによって、直接的に電気エネルギーを回収することが可能である。

上記のような微生物燃料電池に用いられるカソードには、カソード液中の溶存酸素を利用する方式のカソードと、空気中の酸素を利用する方式のカソードとがある。空気中の酸素を利用する方式のカソードは、エアカソードと呼ばれている。エアカソードでは、エアカソードに空気を流通させるだけでよく、カソード液中へのばっ気の必要がないという利点がある。

下記の特許文献１には、エアカソードを用いた微生物燃料電池の一例が開示されている。特許文献１に記載のような微生物燃料電池を使用する際には、アノードの表面上の空隙の流路に、嫌気性下で生育可能な微生物及び有機性物質を含む液を流す。また、カソードの表面上の流路に空気を流し、カソードに空気を接触させる。アノードでは、微生物により有機性物質から水素イオン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ⁻）が生成する。生成した水素イオンは、カソード側に移動する。アノードとカソードとを導線で負荷回路と接続し、閉回路を形成すると、アノードとカソードとの間に電位差が生じ、電位差と負荷回路に流れた電流との積の分、電力エネルギーを得ることができる。

ＷＯ２０１０／０４４１４５Ａ１

エアカソードを用いた従来の微生物燃料電池では、有機性物質を含む液の液面上には、空気が存在する内部空間が設けられている。この場合に、有機性物質を含む液の液面から有機性物質を含む液中に酸素が溶解する。

上記微生物燃料電池では、アノードにおいて増殖した嫌気性の電気生成菌が、液中の有機性物質を分解することにより、電気エネルギーを発生させる。液面から液中に酸素が溶解すると、好気性菌が増殖して、好気性菌が液中の有機性物質を分解する。このため、本来、嫌気性菌によって分解されるべき有機性物質の量が減少する。この結果として、微生物燃料電池における電気エネルギーの回収量が少なくなるという問題がある。

このような問題を解決する方法として、特許文献１では、液面上の内部空間に不活性ガスを導入して、内部空間の空気を不活性ガスで置換する方法が提案されている。液面上に内部空間に不活性ガスを導入すれば、液面に接する酸素量が少なくなる結果、液面から液中に溶解する酸素の量を少なくすることができる。

しかしながら、不活性ガスに関しては、取扱い及び保管が難しく、値段が高いという問題がある。このため、不活性ガスを用いる場合には、微生物燃料電池についても、取扱い及び保管が難しくなり、微生物燃料電池の値段が高くなるという問題がある。

本発明の目的は、液面から液中に酸素が溶解するのを抑え、電気エネルギーの回収効率を高めることができる微生物燃料電池を提供することである。

本発明の広い局面によれば、有機性物質を含む液と、前記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、空気をエアカソード内に取り入れるための空気取り入れ部を有するエアカソードと、前記有機性物質を含む液の液面から前記有機性物質を含む液中に、酸素が溶解するのを遮断する酸素遮断部とを備える、微生物燃料電池が提供される。

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記酸素遮断部が、前記有機性物質を含む液の液面に接している。

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記酸素遮断部が、前記有機性物質を含む液の液面を浮遊している。

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記酸素遮断部が、前記エアカソードと接している。

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記酸素遮断部が、前記エアカソードと連結している。

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記酸素遮断部が、前記エアカソード及び前記アノードと連結している。

本発明に係る微生物燃料電池は、有機性物質を含む液と、上記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、空気をエアカソード内に取り入れるための空気取り入れ部を有するエアカソードと、上記有機性物質を含む液の液面から上記有機性物質を含む液中に、酸素が溶解するのを遮断する酸素遮断部とを備えるので、電気エネルギーの回収効率を高めることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、実施例１で得られた微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、比較例１で得られた微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。図１は正面断面図であり、図１における上下方向が鉛直方向である。

図１に示す微生物燃料電池１は、アノード２と、エアカソード３と、有機性物質を含む液４と、酸素遮断部５と、導線とを備える。導線は、図示しない位置に配置されている。有機性物質を含む液４は、容器２１内に配置されている。

アノード２は、有機性物質を含む液４内に配置されており、有機性物質を含む液４の液面４ａよりも下方に位置しており、有機性物質を含む液４内に浸漬している。アノード２の全体が、有機性物質を含む液４内に配置されていることが好ましい。

微生物燃料電池１では、複数のアノード２と複数のエアカソード３とが間隔を隔てて、交互に並んで配置されている。アノード２とエアカソード３との間の空隙を、有機性物質を含む液４が流れる。

エアカソード３は、空気をエアカソード３内に取り入れるための空気取り入れ部１１を有する。空気取り入れ部１１は、例えば、空気が流れる流路を有する枠状部材である。エアカソード３は、対向配置された２つのカソード１２と、２つのカソード１２間に配置された空気室１３とを有する。従って、カソード１２は、空気室１３と接している。空気室１３は空気層である。エアカソード３は、空気室１３の下端において枠部材を有し、枠部材により空気室１３からの空気の流出が防がれている。エアカソード３では、空気取り入れ部１１から、空気室１３内に、空気を取り入れ可能である。空気取り入れ部１１の一端は、空気室１３に接続されている。空気取り入れ部１１の他端は、液面４ａよりも上方において、容器２１の外部に至っている。容器２１の外部から、空気が、空気取り入れ部１１を通過して、空気室１３内に取り入れ可能である。上記空気室には、空気透過性部材が配置されていてもよい。

容器２１は、有機性物質を含む液４の流入口２１ａと、有機性物質を含む液４の流出口２１ｂとを有する。容器２１内で、有機性物質を含む液４が流入口２１ａ側から流出口２１ｂ側に流れる。容器２１内において、有機性物質を含む液４の液面４ａ上に、容器２１は内部空間（空隙）を有する。容器２１内の内部空間には、ガスが配置されている。容器２１内の内部空間に配置されたガスは、一般的には、酸素を含む空気である。

酸素遮断部５は、有機性物質を含む液４の液面４ａから有機性物質を含む液４中に、酸素が溶解するのを遮断する。酸素遮断部５は、容器２１内の内部空間に配置された空気中の酸素が、有機性物質を含む液４中に溶解するのを遮断する。

酸素遮断部５は、アノード２よりも上方に位置しており、カソード１２及び空気室１３よりも上方に位置している。微生物燃料電池１では、酸素遮断部５は、有機性物質を含む液４の液面４ａと接しており、液面４ａを浮遊している。酸素遮断部５は、有機性物質を含む液４に対して、浮遊性を有する。酸素遮断部５の下面側は、有機性物質を含む液４中に浸漬しており、液面４ａの下方に位置している。酸素遮断部５の上面側は、有機性物質を含む液４中に浸漬しておらず、液面４ａの上方に位置している。浮遊性を有する酸素遮断部５を用いることにより、有機性物質を含む液４の液量が変化して、液面４ａの位置が変動したときに、液面４ａの位置の変動に追従して、酸素遮断部５の位置が変動可能である。この結果、液面４ａの位置が変動したとしても、液面４ａが酸素遮断部５により覆われている結果として、酸素遮断部５により、有機性物質を含む液４中への酸素の溶解を抑えることができる。容器２１内において、有機性物質を含む液４の液面４ａ上に、上記内部空間が存在していても、酸素遮断部５により、上記内部空間に存在する酸素の有機性物質を含む液４中への溶解が抑えられる。上記酸素遮断部は、液面４ａの位置の変動に追従して、位置が変動可能であることが好ましい。

酸素遮断部５は、開口部を有する。該開口部内に、空気取り入れ部１１が挿入されている。有機性物質を含む液４中への酸素の溶解をより一層確実に防ぐために、微生物燃料電池１では、酸素遮断部５は、液面４ａ全体に接している。この結果、液面４ａは空気と接していない。このように、上記酸素遮断部は、液面４ａ全体に接していることが好ましい。但し、上記酸素遮断部は液面４ａ全体に接していなくてもよい。液面４ａの全表面積に対する上記酸素遮断部の接触面積が大きいほど、有機性物質を含む液４中への酸素の溶解がより一層抑えられる。液面４ａの全表面積１００％中の上記酸素遮断部の接触面積は好ましくは５０％以上、より好ましくは８０％以上、より一層好ましくは９０％以上、更に好ましくは９５％以上、更に一層好ましくは９８％以上、特に好ましくは９９％以上、最も好ましくは９９．５％以上である。

また、微生物燃料電池１では、酸素遮断部５は、エアカソード３と接しており、エアカソード３と連結しており、エアカソード３と一体的に構成されている。具体的には、酸素遮断部５は、カソード１２及び空気室１３の上面と接しかつ連結しており、空気取り入れ部１１の外周面と接しかつ連結している。上記酸素遮断部が、エアカソード３と連結していたり、エアカソード３と一体的に構成されていたりすることで、上記酸素遮断部の取り付け（配置）や取り外し（除去）がより一層容易になる。

上記酸素遮断部は、上記アノードと接していてもよく、上記アノードと連結していてもよく、上記アノードと一体的に構成されていてもよい。上記酸素遮断部は、上記エアカソード及び上記アノードの双方と接していてもよく、上記エアカソード及び上記アノードの双方と連結していてもよく、上記エアカソード及び上記アノードの双方と一体的に構成されていてもよい。この場合には、上記酸素遮断部の取り付け（配置）や取り外し（除去）がより一層容易になる。なお、上記酸素遮断部が、上記エアカソード及び上記アノードの双方と連結している場合に、上記酸素遮断部は、上記エアカソードを介して、上記アノードと連結していてもよい。

上記導線は、図示しない位置において、アノード２とカソード１２とを接続している。上記導線は、図示しない外部回路に接続されている。アノード２とカソード１２とが上記導線を介して負荷回路に接続されていることによって、アノード２とカソード１２との間に電位差が生じる。上記導線を通して負荷回路に流れる電気エネルギーは、回収することができる。

微生物燃料電池１では、エアカソード３と一体化された酸素遮断部５が液面４ａを浮遊していることで、有機性物質を含む液４と空気との接触が効果的に遮断され、空気中の酸素が有機性物質を含む液４中に溶解するのを抑えることができる。本実施形態では、容器２１内の内部空間のガスを不活性ガスに置き換えなくても、有機性物質を含む液４への酸素の溶解を抑えることができる。なお、容器２１内の内部空間における酸素量をより一層少なくするために、容器２１内の内部空間に不活性ガスを導入してもよい。

なお、酸素遮断部５は、酸素の透過性が低い部材であることが好ましく、酸素を透過しない部材であることが特に好ましい。酸素遮断部５は、必ずしも、酸素を完全に透過しない性質を有していなくてもよい。酸素遮断部５の酸素透過性が低いほど、有機性物質を含む液４への酸素の溶解を効果的に抑えることができる。

酸素遮断部５は、例えば酸素遮断部材である。酸素遮断部５はシートであることが好ましい。シートにはフィルムが含まれる。酸素遮断部５は、酸素を溶解しない液状物であってもよく、酸素を透過しない液状物であってもよい。酸素遮断部５は発泡体であってもよい。酸素遮断部５は、発泡体と酸素非透過シートとの積層体であってもよい。酸素遮断部５の材料は、酸素を遮断する性質を有していれば特に限定されない。酸素遮断部５の材料としては、ポリオレフィン樹脂及び発泡ポリスチレン等が挙げられる。上記ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン及びポリプロピレン等が挙げられる。酸素遮断部５の比重は好ましくは１以下、より好ましくは１未満である。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。図２は正面断面図であり、図２における上下方向が鉛直方向である。

図２に示す微生物燃料電池１Ａは、アノード２と、エアカソード３と、有機性物質を含む液４と、酸素遮断部５Ａと、導線と、スペーサ６とを備える。導線は、図示しない位置に配置されている。有機性物質を含む液４は、容器２１内に配置されている。

図１に示す微生物燃料電池１と図２に示す微生物燃料電池１Ａとでは、酸素遮断部５と酸素遮断部５Ａとで異なっており、スペーサ６を用いているか否か異なっており、またアノード２とエアカソード３との積層構成が異なっており、その他は同様に構成されている。微生物燃料電池１Ａの説明では、微生物燃料電池１と同一の部材を用いているところは、同一の符号を付してその説明を省略する。

酸素遮断部５Ａは、有機性物質を含む液４の液面４ａから有機性物質を含む液４中に、酸素が溶解するのを遮断する。酸素遮断部５Ａは、アノード２よりも上方に位置しており、カソード１２及び空気室１３よりも上方に位置している。酸素遮断部５Ａは、開口部を有する。該開口部内に、空気取り入れ部１１が挿入されている。酸素遮断部５Ａは空気取り入れ部１１と接している。酸素遮断部５Ａは、上下方向に移動可能であり、空気取り入れ部１１の一端と他端とを結ぶ方向に移動可能である。微生物燃料電池１Ａでは、酸素遮断部５Ａの下面は、有機性物質を含む液４の液面４ａと接している。酸素遮断部５Ａは、エアカソード３に連結しておらず、エアカソード３と一体化されていない。

アノード２とエアカソード３との間に、スペーサ６が配置されている。スペーサ６は、アノード２とカソード１２とが直接接触するのを効果的に防ぐ。上記スペーサは、イオン透過性膜であってもよい。

微生物燃料電池１Ａでは、第１のアノード２、第１のスペーサ６、エアカソード３、第２のスペーサ６及び第２のアノード２がこの順で積層され、電極接合体３１が構成されている。電極接合体３１は、具体的には、第１のアノード２、第１のスペーサ６、第１のカソード１２、空気室１３、第２のカソード１２、第２のスペーサ６及び第２のアノード２がこの順で積層されている。微生物燃料電池１Ａでは、複数の電極接合体３１が間隔を隔てて並んで配置されている。複数のアノード２間の空隙を、有機性物質を含む液４が流れる。

微生物燃料電池１Ａでは、酸素遮断部５Ａが液面４ａに接していることで、有機性物質を含む液４と空気との接触が遮断され、空気中の酸素が有機性物質を含む液４中に溶解するのを抑えることができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。本発明は以下の実施例のみに限定されない。

（実施例１）
実施例１では、図３（ａ）及び（ｂ）に示す微生物燃料電池を作製した。図３（ａ）における上下方向が鉛直方向である。図３（ａ）は正面断面図であり、図３（ｂ）は平面断面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）中のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。実施例１では、図１に示した酸素遮断部５と同様に構成された酸素遮断部５Ｂを用いた。また、実施例１では、図２に示した電極接合体３１を用いた。

アノードとして、グラファイトフェルト（綜合カーボン社製）を用いた。アノードの大きさは縦８５ｍｍ×横９０ｍｍ×厚み５ｍｍである。エアカソードとして、カーボンペーパー（東レ社製カーボンペーパー「ＴＧＰ−Ｈ−１２０」）にポリテトラフルオロエチレン層を焼結させたエアカソードを用いた。エアカソードには、空気をエアカソード内に取り入れるために、枠状部材を用いて空気取り入れ部１１を設けた。カソードの触媒として、白金触媒（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ７０ＴＰＭ」）を用い、触媒のバインダーとして、ナフィオン溶液（シグマアルドリッチジャパン社製「Ｎａｆｉｏｎ ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｒｅｓｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ」）を用いた。白金は担持量が４ｍｇ／ｃｍ^２になるように、カソードに塗布した。上記アノードとカソードとの間に、アノードとカソードが直接導通するのを防止するために、厚み３ｍｍのスペーサを設置した。

上記アノードと上記スペーサと上記エアカソードとの電極接合体３１を、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように容器２１内に６個設置した。電極接合体３１を設置した後の容器２１内の容量は１Ｌであった。

酸素遮断部として、押出発泡ポリスチレン板（ダウ化工社製「スタイロフォーム」、厚み１０ｍｍ）の表面に、エポキシ樹脂（Ｈｅｎｋｅｌ社製「Ｌｏｃｔｉｔｅ，Ｅ−２０ＨＰ」）を塗布した酸素遮断部を用いた。

容器２１内に、有機性物質を含む液４の液面４ａと接するように、かつ有機性物質を含む液４の液面４ａを浮遊するように、上記酸素遮断部を、液面４ａの蓋として設置した。上記酸素遮断部は、容器２１の内壁面、アノード及びエアカソードのいずれにも固定しなかった。上記酸素遮断部は、有機性物質を含む液４に浮遊した状態であり、有機性物質を含む液４の液面４ａの変動に追従して、高さ位置が変動可能である。このようにして、微生物燃料電池を得た。

（比較例１）
比較例１では、図４（ａ）及び（ｂ）に示す微生物燃料電池を作製した。図４（ａ）における上下方向が鉛直方向である。図４（ａ）は正面断面図であり、図４（ｂ）は平面断面図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）中のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。比較例１では、図２に示した電極接合体３１を用いた。

比較例１では、酸素遮断部を用いなかった。すなわち、比較例１では、酸素遮断部を用いずに、空気と液面４ａ全体とを接触させたこと以外は実施例１と同様にして、微生物燃料電池を得た。

（評価）
得られた微生物燃料電池を用いて出力を評価した。上記微生物燃料電池内に、スターチ等の有機性高分子を含む人工廃水を、所定のＣＯＤ負荷（０．２ｋｇ／ｍ^３／日）で連続的に流入させつつ、４０日間にわたり上記微生物燃料電池を連続運転した。上記微生物燃料電池に負荷回路に接続し、このときの負荷（抵抗値４０Ω）の両端における電位差を測定した。出力は式（１）により求めた。

Ｐ＝Ｖ^２／Ｒ （１）
（Ｐ：出力、Ｖ：負荷回路の両端における電位差、Ｒ：負荷回路の抵抗値）

上記人工廃水中には、発電を担う嫌気性微生物として土壌微生物を植種した。

実施例１及び比較例１における出力を、出力が安定した後の１０日間の平均値から求めた。この結果、出力は以下の値を示した。

出力の結果：
実施例１：２．２ｍＷ
比較例１：０．８ｍＷ

１，１Ａ…微生物燃料電池
２…アノード
３…エアカソード
４…有機性物質を含む液
４ａ…液面
５，５Ａ，５Ｂ…酸素遮断部
６…スペーサ
１１…空気取り入れ部
１２…カソード
１３…空気室
２１…容器
２１ａ…流入口
２１ｂ…流出口
３１…電極接合体

Claims (6)

1. 有機性物質を含む液と、
   前記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、
   空気をエアカソード内に取り入れるための空気取り入れ部を有するエアカソードと、
   前記有機性物質を含む液の液面から前記有機性物質を含む液中に、酸素が溶解するのを遮断する酸素遮断部とを備える、微生物燃料電池。
2. 前記酸素遮断部が、前記有機性物質を含む液の液面に接している、請求項１に記載の微生物燃料電池。
3. 前記酸素遮断部が、前記有機性物質を含む液の液面を浮遊している、請求項１又は２に記載の微生物燃料電池。
4. 前記酸素遮断部が、前記エアカソードと接している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
5. 前記酸素遮断部が、前記エアカソードと連結している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
6. 前記酸素遮断部が、前記エアカソード及び前記アノードと連結している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。

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