JP2015210968A - Microbial fuel system, power storage method of microbial fuel cell, and power storage circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物燃料システム、微生物燃料電池の蓄電方法および蓄電回路に関する。 The present invention relates to a microbial fuel system, a microbial fuel cell storage method, and a storage circuit.
近年、微生物燃料電池の開発が進められている。例えば、非特許文献1には、微生物燃料電池の挙動に応じて大きな負荷抵抗を用いたり、微生物燃料電池の挙動に応じて小さな負荷抵抗を用いたりすることで、微生物燃料電池の発電量を適切にすることについて開示されている。
In recent years, microbial fuel cells have been developed. For example, in Non-Patent
具体的に、非特許文献1の図2(A)に示すように、抵抗値10Kオーム、抵抗値1Kオーム、抵抗値100オーム、抵抗値20オームおよび抵抗値10オームの各抵抗を微生物燃料電池の挙動に応じてそれぞれ取り替えている。
Specifically, as shown in FIG. 2A of
このように、非特許文献1では、微生物燃料電池の電圧を常にモニタリングして微生物燃料電池の状態を監視する必要がある。そして、所定の電流値になった場合に、人の手で抵抗値を変化させる必要がある。
Thus, in
また、抵抗値の変化時期を超過または未到達時に抵抗値を変化させた場合、微生物燃料電池を構成する発電菌(微生物)の成長を損なうばかりか、微生物燃料電池としての機能を果たさないものとなるという問題点がある。
すなわち、微生物燃料電池として機能させる場合に、電池としての機能を果たすのに時間がかかったり、機能させるまで手間がかかり、実用的でなくなる。
Also, if the resistance value is changed when the resistance value change period is exceeded or not reached, the growth of power generation bacteria (microorganisms) constituting the microbial fuel cell is impaired, and the function as a microbial fuel cell is not fulfilled. There is a problem of becoming.
That is, when functioning as a microbial fuel cell, it takes time to perform the function as a battery, and it takes time and effort to function, making it impractical.
本発明の目的は、適正に発電を行うために微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整する微生物燃料システム、微生物燃料電池の蓄電方法および蓄電回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a microbial fuel system, a microbial fuel cell storage method, and a storage circuit that adjust the output of a microbial fuel cell to a predetermined voltage in order to appropriately generate power.
(1)
一の局面に従う微生物燃料システムは、微生物燃料電池と、微生物燃料電池のアノードおよびカソード間に設けられ、かつ微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整する定電圧部とを設けたものである。
(1)
A microbial fuel system according to one aspect includes a microbial fuel cell and a constant voltage unit that is provided between an anode and a cathode of the microbial fuel cell and adjusts the output of the microbial fuel cell to a predetermined voltage.
この場合、定電圧部により微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整することができる。その結果、微生物の電子の受け渡しを常に最適な状態にすることができ、微生物燃料電池における微生物の生育状態を良好に維持することができる。特に、微生物の生育については、電圧を一定にすることが好ましい。したがって、定電圧部により微生物燃料電池は、効率よく発電することができる。
ここで、所定の電圧とは、0ボルト以上1ボルト以下の範囲であり、特に0.5ボルト以上0.7ボルト以下の範囲であり、0.6ボルト近辺である。
In this case, the output of the microbial fuel cell can be adjusted to a predetermined voltage by the constant voltage unit. As a result, the electron transfer of microorganisms can always be in an optimum state, and the growth state of microorganisms in the microbial fuel cell can be maintained well. In particular, for the growth of microorganisms, it is preferable to keep the voltage constant. Therefore, the microbial fuel cell can generate power efficiently by the constant voltage unit.
Here, the predetermined voltage is in the range of 0 to 1 volt, particularly in the range of 0.5 to 0.7 volt, and is in the vicinity of 0.6 volt.
(2)
第2の発明にかかる微生物燃料システムは、一局面に従う微生物燃料システムにおいて、微生物燃料電池からの電荷を蓄えるキャパシタと、微生物燃料電池およびキャパシタとの間に逆流防止部と、を設けてもよい。
(2)
A microbial fuel system according to a second aspect of the present invention is the microbial fuel system according to one aspect, wherein a capacitor for storing electric charges from the microbial fuel cell and a backflow prevention unit between the microbial fuel cell and the capacitor may be provided.
この場合、微生物燃料電池とキャパシタとの間に、逆流防止部が設けられるので、キャパシタに蓄えられた電流が微生物燃料電池へ逆流することを防止できる。その結果、微生物により発電された電荷を無駄に放出してしまうことを防止することができる。 In this case, since the backflow prevention unit is provided between the microbial fuel cell and the capacitor, the current stored in the capacitor can be prevented from flowing back to the microbial fuel cell. As a result, it is possible to prevent the charge generated by the microorganisms from being wasted.
(3)
第3の発明にかかる微生物燃料システムは、一局面または第2の発明にかかる微生物燃料システムにおいて、定電圧部は、整流素子を含んでもよい。
(3)
A microbial fuel system according to a third aspect is the microbial fuel system according to one aspect or the second aspect, wherein the constant voltage unit may include a rectifying element.
この場合、微生物燃料システムの定電圧部は、整流素子を含むので、素子自体の特性を利用して定電圧に設定することができる。すなわち、順方向電圧特性を利用することで定電圧を実現することができる。
ここで、整流素子とは、ダイオード、およびショットキーバリアダイオードのいずれかまたは両方を複合して用いてもよい。
In this case, since the constant voltage part of the microbial fuel system includes a rectifying element, it can be set to a constant voltage using the characteristics of the element itself. That is, a constant voltage can be realized by using the forward voltage characteristics.
Here, the rectifying element may be either a diode or a Schottky barrier diode or a combination of both.
(4)
第4の発明にかかる微生物燃料システムは、第2または第3の発明にかかる微生物燃料システムにおいて、定電圧部は、ショットキーバリアダイオードを1段または複数段配置してもよい。
(4)
The microbial fuel system according to a fourth aspect of the present invention is the microbial fuel system according to the second or third aspect of the present invention, wherein the constant voltage unit may be arranged with one or more stages of Schottky barrier diodes.
この場合、ショットキーバリアダイオードを1段または複数段配置することにより、所定の電圧を調整することができる。例えば、ショットキーバリアダイオードを1段配置することで、0.3ボルトを実現できる。また、2段配置することで、0.6ボルトを実現でき、3段配置することで、0.9ボルトを実現することができる。
微生物燃料システムにおいては、特に2段配置の0.6ボルトであることが好ましい。
In this case, a predetermined voltage can be adjusted by arranging one or more Schottky barrier diodes. For example, 0.3 volts can be realized by arranging one stage of a Schottky barrier diode. In addition, 0.6 volt can be realized by arranging two stages, and 0.9 volt can be realized by arranging three stages.
In the microbial fuel system, it is particularly preferable that the voltage is 0.6 volts in a two-stage arrangement.
(5)
第5の発明にかかる微生物燃料システムは、第2から第4の発明にかかる微生物燃料システムにおいて、逆流防止部は、PNP型トランジスタ素子を含んでもよい。
(5)
The microbial fuel system according to a fifth aspect of the present invention is the microbial fuel system according to the second to fourth aspects of the present invention, wherein the backflow prevention unit may include a PNP transistor element.
この場合、逆流防止部がPNP型トランジスタ素子を含むので、ベース電圧の特性により0.6ボルトまで電流の逆流を防止できる。その結果、微生物燃料電池側に電流が流れるのを防止することができる。
また、一般的には、ダイオードによる逆流防止部の形成が考えられるが、微生物燃料電池からの発電量が0.6ボルトであるため、ダイオードにより電圧降下が50%以上発生することとなり、好ましくない。
したがって、PNP型トランジスタ素子を用いることで、キャパシタに蓄積される0.6ボルトの電圧の逆流を適切に防止することができる。
In this case, since the backflow prevention unit includes the PNP transistor element, backflow of current can be prevented up to 0.6 volts due to the characteristics of the base voltage. As a result, current can be prevented from flowing to the microbial fuel cell side.
In general, a backflow prevention unit can be formed by a diode. However, since the amount of power generated from the microbial fuel cell is 0.6 volts, a voltage drop of 50% or more is generated by the diode, which is not preferable. .
Therefore, by using the PNP transistor element, it is possible to appropriately prevent the reverse flow of the voltage of 0.6 volts accumulated in the capacitor.
(6)
第6の発明にかかる微生物燃料システムは、第1から第5の発明にかかる微生物燃料システムにおいて、キャパシタと並列接続された負荷部をさらに含み、負荷部は、昇圧部および通信部の少なくともいずれかを含んでもよい。
(6)
The microbial fuel system according to a sixth aspect of the present invention is the microbial fuel system according to the first to fifth aspects of the present invention, further comprising a load section connected in parallel with the capacitor, wherein the load section is at least one of a booster section and a communication section. May be included.
この場合、負荷部は、昇圧部および通信部の少なくともいずれかを含むので、微生物燃料電池による電力を昇圧部により昇圧させることができる。また、微生物燃料電池による電力を通信部の通信に用いることができる。 In this case, since the load unit includes at least one of the boosting unit and the communication unit, the power from the microbial fuel cell can be boosted by the boosting unit. Moreover, the electric power by a microbial fuel cell can be used for communication of a communication part.
(7)
他の局面に従う微生物燃料電池の蓄電方法は、微生物燃料電池のアノードおよびカソード間に設けられ、かつ微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整する定電圧工程を含んでもよい。
(7)
The method for storing a microbial fuel cell according to another aspect may include a constant voltage step that is provided between the anode and the cathode of the microbial fuel cell and adjusts the output of the microbial fuel cell to a predetermined voltage.
この場合、定電圧工程により微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整することができる。その結果、微生物燃料電池における微生物の生育状態を良好に維持することができる。したがって、効率よく発電量を高めることができる。
ここで、所定の電圧とは、0ボルト以上1ボルト以下の範囲であり、特に0.5ボルト以上0.7ボルト以下の範囲であり、0.6ボルト近辺である。
In this case, the output of the microbial fuel cell can be adjusted to a predetermined voltage by the constant voltage process. As a result, the growth state of microorganisms in the microbial fuel cell can be favorably maintained. Therefore, the amount of power generation can be increased efficiently.
Here, the predetermined voltage is in the range of 0 to 1 volt, particularly in the range of 0.5 to 0.7 volt, and is in the vicinity of 0.6 volt.
(8)
第8の発明にかかる微生物燃料電池の蓄電方法は、他の局面に従う微生物燃料電池の蓄電方法において、微生物燃料電池からの電荷を蓄える蓄電工程と、微生物燃料電池から蓄電工程への蓄電に対して逆流を防止する逆流防止工程と、を設けてもよい。
(8)
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a method for storing a microbial fuel cell according to another aspect, comprising: a storage step for storing a charge from a microbial fuel cell; and a storage step from the microbial fuel cell to a storage step. A backflow prevention step for preventing backflow may be provided.
この場合、逆流防止工程によりキャパシタに蓄えられた電流が微生物燃料電池へ逆流することを防止できる。その結果、微生物により発電された電荷を無駄に放出してしまうことを防止することができる。 In this case, it is possible to prevent the current stored in the capacitor from flowing back to the microbial fuel cell by the backflow prevention step. As a result, it is possible to prevent the charge generated by the microorganisms from being wasted.
(9)
さらに他の局面に従う蓄電回路は、1ボルト以下の環境下で用いられる蓄電回路であって、整流素子により所定の電圧に調整する定電圧部を含むものである。
(9)
A power storage circuit according to still another aspect is a power storage circuit used in an environment of 1 volt or less, and includes a constant voltage unit that adjusts a predetermined voltage by a rectifying element.
この場合、1ボルト以下の環境下であるため、定電圧部の整流素子により所定の電圧に調整することができる。また、所定の電圧とは、0ボルト以上1ボルト以下の範囲であり、特に0.5ボルト以上0.7ボルト以下の範囲であり、0.6ボルト近辺である。 In this case, since it is in an environment of 1 volt or less, it can be adjusted to a predetermined voltage by the rectifying element of the constant voltage unit. The predetermined voltage is in the range of 0 to 1 volt, particularly in the range of 0.5 to 0.7 volt, and is in the vicinity of 0.6 volt.
整流素子が蓄電のためのキャパシタと並列に接続され、整流素子のアノードがプラス側に接続され、整流素子のカソード側がマイナス側に接続される。また、整流素子が、ショットキーバリアダイオードの場合には、直列の多段接続構成となる。 The rectifying element is connected in parallel with the capacitor for storing electricity, the anode of the rectifying element is connected to the plus side, and the cathode side of the rectifying element is connected to the minus side. Further, when the rectifying element is a Schottky barrier diode, a series multi-stage connection configuration is employed.
(10)
第10の発明にかかる蓄電回路は、さらに他の局面に従う蓄電回路において、蓄電部から蓄電用のキャパシタへ電荷が蓄えられる場合、PNP型トランジスタを含む回路により逆流防止部を形成してもよい。
(10)
In a power storage circuit according to a tenth aspect of the present invention, in the power storage circuit according to still another aspect, when charge is stored from the power storage unit to the power storage capacitor, the backflow prevention unit may be formed by a circuit including a PNP transistor.
この場合、逆流防止部がPNP型トランジスタ素子を含むので、ベース電圧により0.6ボルトの電流の逆流を防止できる。その結果、発電側に電流が逆流するのを防止できる。
特に、微弱な電力を蓄電する場合、一般的なダイオードによる逆流防止回路では、電圧降下により蓄電される電力の損失割合が高くなるという問題が生じる。
したがって、PNP型トランジスタ素子により逆流防止を行うとともに、蓄積される電力損失を減少させて効率よく蓄電できる。
In this case, since the backflow prevention unit includes the PNP type transistor element, it is possible to prevent backflow of a current of 0.6 volts due to the base voltage. As a result, it is possible to prevent the current from flowing back to the power generation side.
In particular, when storing weak electric power, a problem of a loss ratio of electric power stored due to a voltage drop occurs in a general diode backflow prevention circuit.
Therefore, the PNP transistor element can prevent backflow and reduce the accumulated power loss, thereby efficiently storing power.
特に、PNP型トランジスタ素子のエミッタ端子が発電部側のカソードに接続され、ベース端子が発電部側のアノードに接続され、コレクタ端子がキャパシタのプラス側に接続される。また、エミッターベース間に抵抗素子を設けてもよい。 In particular, the emitter terminal of the PNP transistor element is connected to the cathode on the power generation unit side, the base terminal is connected to the anode on the power generation unit side, and the collector terminal is connected to the positive side of the capacitor. Further, a resistance element may be provided between the emitter base.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
<微生物燃料システム>
図1は、本実施の形態にかかる微生物燃料システム100の一例を示す模式図である。
<Microbial fuel system>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a
図1に示すように、微生物燃料システム100は、微生物燃料電池200、定電圧回路300、逆流防止回路400、キャパシタ500、および負荷600を含む。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、後述する微生物燃料電池200のアノード(負電極)およびカソード(正電極)の間に定電圧回路300が設けられる。
また、定電圧回路300に対して並列にキャパシタ500が設けられる。
逆流防止回路400は、微生物燃料電池200とキャパシタ500との間に設けられる。
As shown in FIG. 1, a
A
The
また、負荷600は、逆流防止回路400よりもキャパシタ500側で、キャパシタ500と並列に設けられる。
The
<微生物燃料電池200>
次に、微生物燃料電池200の一例について説明する。微生物燃料電池200は、アノード(負電極)と、カソード(正電極)と、アノードとカソードとの間に挟み込まれたイオン透過性膜を有しており、微生物の働きにより有機性物質を含む液から直接的に電気エネルギーを回収することが可能なものである。
以下、微生物燃料電池200の概略について、アノード、カソード、イオン透過性膜、および微生物の概略について説明する。
<
Next, an example of the
Hereinafter, the outline of the
<アノード(負電極)>
アノード(負電極)は、微生物を担持可能であるとともに、有機性物質を含む液を通過させることが可能な材質からなる。また、アノード(負電極)は、作用極である。アノード(負電極)には、微生物が担持されてもよく、担持されていなくてもよい。
<Anode (negative electrode)>
The anode (negative electrode) is made of a material capable of supporting microorganisms and allowing a liquid containing an organic substance to pass therethrough. The anode (negative electrode) is a working electrode. Microorganisms may or may not be supported on the anode (negative electrode).
また、アノード(負電極)に微生物が担持されていない場合、膜・電極接合構造体の使用前または使用時に、アノード(負電極)に微生物が担持される。アノード(負電極)に微生物が付着していることで、微生物により有機性物質から水素イオン(H+)及び電子(e−)が生成可能になる。また、必要に応じて、アノード(負電極)にメディエータ(電子伝達体)が担持されていてもよく、微生物にメディエータ(電子伝達体)を加えてもよい。 Further, when microorganisms are not supported on the anode (negative electrode), the microorganisms are supported on the anode (negative electrode) before or during use of the membrane-electrode assembly. By attaching microorganisms to the anode (negative electrode), hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) can be generated from organic substances by the microorganisms. If necessary, a mediator (electron carrier) may be supported on the anode (negative electrode), and a mediator (electron carrier) may be added to the microorganism.
また、アノード(負電極)は、孔を有することが好ましく、多孔質であることが好ましい。アノード(負電極)の材料は、微生物を担持可能で導電性材料であれば特に限定されない。導電性材料としては、炭素繊維、またはチタンなどの各種の導電性金属が挙げられる。アノード(負電極)の形態としては、網状体、織布、不織布、クロスおよびフェルト等が挙げられる。アノード(負電極)は、比表面積を高めるために表面処理されていてもよい。 The anode (negative electrode) preferably has pores and is preferably porous. The material of the anode (negative electrode) is not particularly limited as long as it is a conductive material capable of supporting microorganisms. Examples of the conductive material include carbon fibers or various conductive metals such as titanium. Examples of the form of the anode (negative electrode) include a net, a woven fabric, a non-woven fabric, a cloth, and a felt. The anode (negative electrode) may be surface-treated in order to increase the specific surface area.
<カソード(正電極)>
また、カソード(正電極)は、対極であり、空気と接触可能である。
カソード(正電極)の材料は導電性材料であれば特に限定されない。正電極(カソード)の材料としては、アノード(負電極)の材料として挙げた材料と同じ材料が挙げられる。カソード(正電極)の形態としては、アノード(負電極)の形態として挙げた形態が挙げられる。カソード(正電極)は、白金等の触媒が塗布されていてもよい。
<Cathode (Positive electrode)>
Further, the cathode (positive electrode) is a counter electrode and can contact air.
The material of the cathode (positive electrode) is not particularly limited as long as it is a conductive material. Examples of the material for the positive electrode (cathode) include the same materials as the materials for the anode (negative electrode). Examples of the form of the cathode (positive electrode) include those exemplified as the form of the anode (negative electrode). The cathode (positive electrode) may be coated with a catalyst such as platinum.
<イオン透過性膜>
イオン透過性膜は、アノード(負電極)から発生した水素イオン(H+)を透過可能であり、電解質膜であることが好ましい。上記イオン透過性膜は、空気を透過しないことが好ましい。
この場合には、カソード(正電極)側からイオン透過性膜を介してアノード(負電極)に空気が至らず、アノード(負電極)と空気との接触が抑えられる。上記イオン透過性膜の材料は特に限定されないが、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜(陽イオン交換膜)が好ましく用いられる。これ以外のイオン透過性膜を用いてもよい。
また、より安価なイオン透過性膜として主鎖部のみをフッ素化したフッ素樹脂系イオン交換膜、または、芳香族炭化水素系膜も利用できる。有機性物質とカソード(正電極)とを陽イオン交換膜で隔離した場合には、アノード(負電極)での反応で発生した水素イオンが、陽イオン交換膜を介してカソード(正電極)に効果的に供給されて、カソード(正電極)での酸素の還元に効果的に用いられる。
<Ion permeable membrane>
The ion permeable membrane can transmit hydrogen ions (H + ) generated from the anode (negative electrode), and is preferably an electrolyte membrane. The ion permeable membrane preferably does not transmit air.
In this case, air does not reach the anode (negative electrode) through the ion permeable membrane from the cathode (positive electrode) side, and contact between the anode (negative electrode) and air is suppressed. The material of the ion permeable membrane is not particularly limited, but a fluororesin ion exchange membrane (cation exchange membrane) having a sulfonic acid group is preferably used. Other ion permeable membranes may be used.
Further, as a cheaper ion permeable membrane, a fluororesin ion exchange membrane in which only the main chain portion is fluorinated or an aromatic hydrocarbon membrane can be used. When the organic substance and the cathode (positive electrode) are separated by a cation exchange membrane, hydrogen ions generated by the reaction at the anode (negative electrode) are transferred to the cathode (positive electrode) through the cation exchange membrane. Effectively supplied and used effectively for oxygen reduction at the cathode (positive electrode).
<微生物>
本実施の形態にかかる微生物としては、嫌気性微生物および好気性微生物が挙げられるが、嫌気性微生物であることが好ましい。嫌気性微生物は、嫌気性下で生育可能である。微生物としては、微生物の細胞膜内で電子伝達系を終結しない微生物が望ましく、細胞膜外で電子をアノード(負電極)で捕捉しやすく、アノード(負電極)への電子伝達を触媒する微生物を利用することがより望ましい。上記微生物として、硫黄S(0)還元菌、三価鉄Fe(III)還元菌、二酸化マンガンMnO2還元菌、脱塩素菌などが好ましく用いられる。
<Microorganism>
Examples of the microorganism according to the present embodiment include an anaerobic microorganism and an aerobic microorganism, but an anaerobic microorganism is preferable. Anaerobic microorganisms can grow under anaerobic conditions. As the microorganism, a microorganism that does not terminate the electron transfer system in the cell membrane of the microorganism is desirable, and a microorganism that easily captures electrons outside the cell membrane at the anode (negative electrode) and catalyzes electron transfer to the anode (negative electrode) is used. It is more desirable. As the microorganism, sulfur S (0) reducing bacteria, trivalent iron Fe (III) reducing bacteria, manganese dioxide MnO 2 reducing bacteria, dechlorinating bacteria, and the like are preferably used.
また、微生物燃料電池の使用開始時には微生物反応室内にこれらの微生物の増殖に適当な培地を供給することが望ましい。さらに、アノード(負電極)の電位を高く維持することにより、アノード(負電極)でのこれらの微生物の増殖を促すことがより望ましい。これらの微生物(群)を前培養もしくは微生物反応室内で培養するための方法として、スラリー状の硫黄、三価鉄、二酸化マンガンなどを電子受容体とする培地などが挙げられる。 In addition, it is desirable to supply a medium suitable for the growth of these microorganisms into the microorganism reaction chamber at the start of use of the microbial fuel cell. Furthermore, it is more desirable to promote the growth of these microorganisms at the anode (negative electrode) by keeping the potential of the anode (negative electrode) high. Examples of a method for culturing these microorganisms (groups) in a preculture or in a microorganism reaction chamber include a medium containing slurry-like sulfur, trivalent iron, manganese dioxide and the like as an electron acceptor.
<定電圧回路>
続いて、定電圧回路300について説明する。図2は、定電圧回路300の一例を示す模式図である。
<Constant voltage circuit>
Next, the
図2に示す定電圧回路300は、抵抗310、およびショットキーバリアダイオード320を含む。本実施の形態において、抵抗310は、なくてもよいが、図2に示す回路では、微生物燃料電池により発電された電流を検出するために構成され、例えば、0.33オーム(Ω)である。流れる電流に対して数mV程度の電圧降下になるような抵抗値を選べばよく、発電量によってたとえば、0.1オーム(Ω)でもよい。
定電圧回路300は、抵抗310およびショットキーバリアダイオード320が直列接続されて形成される。
A
The
ショットキーバリアダイオード320は、1段、2段または3段(多段)で構成することができるように形成されている。図2においては、直列2段で構成した場合について示している。
The
図2に示すように、抵抗310の一端側が微生物燃料電池200のカソード側に接続され、抵抗の他端側が一のショットキーバリアダイオード320のアノード側に接続される。一のショットキーバリアダイオード320のカソード側が他のショットキーバリアダイオード320のアノード側に接続される。他のショットキーバリアダイオード320のカソード側が微生物燃料電池200のアノード側に接続される。
As shown in FIG. 2, one end side of the
なお、図2においては、ショットキーバリアダイオード320について説明したが、ショットキーバリアダイオード320の2段構成は、一般的な0.6ボルトの電圧降下を有するダイオード1段構成に置きかえてもよい。しかし、逆回復時間が短く、高周波の整流に適していることがより好ましい。
In FIG. 2, the
<逆流防止回路>
図3は、逆流防止回路400の一例を示す模式図である。
<Backflow prevention circuit>
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of the
逆流防止回路400は、PNP型トランジスタ素子410、および抵抗420を含む。本実施の形態において、抵抗値420は、たとえば10000オーム(Ω)である。この抵抗値は、使用するPNP型トランジスタの特性により、設定する必要があるが、今回の構成では10000オーム(Ω)とし、トランジスタのエミッターコレクタ間の電圧降下が0.1V以下程度になるように構成した。
The
PNP型トランジスタ素子410のエミッタ端子が微生物燃料電池200のカソード側に接続され、ベース端子が微生物燃料電池200のアノード側に接続され、コレクタ端子がキャパシタ500側に接続される。
The emitter terminal of the PNP transistor element 410 is connected to the cathode side of the
<負荷>
図1に示した負荷600は、昇圧回路および/または通信回路および/または制御回路を含む。昇圧回路の場合には、キャパシタ500に蓄電された電力を昇圧することができる。
また、通信回路または制御回路を含む場合には、昇圧された電源により他の機器と通信することができ、制御回路を含む場合には、たとえばセンサーによる処理水の状態を検出および分析し、通信回路を制御して外部に発信することができる。
なお、昇圧回路としては、トランスを用いたDC/DCコンバータが一般的であるが、キャパシタを直列にスイッチングして昇圧するチャージポンプ方式を用いてもよい。また、通信回路としては、低消費電力の特定小電力無線局方式またはセンターネットワーク用として広く用いられているシグビー(ZigBee)近距離無線通信規格等を用いてもよい。
<Load>
The
When a communication circuit or a control circuit is included, communication with other devices can be performed by a boosted power source. When a control circuit is included, for example, the state of treated water by a sensor is detected and analyzed, and communication is performed. The circuit can be controlled and transmitted to the outside.
As a booster circuit, a DC / DC converter using a transformer is generally used, but a charge pump system that boosts voltage by switching capacitors in series may be used. As the communication circuit, a low power consumption specific low power radio station system or a ZigBee short-range radio communication standard widely used for a center network may be used.
<比較結果>
図4および図5は、微生物燃料システム100の結果の一例を示す模式図であり、図6、図7および図8は、従来の微生物燃料システム900の結果の一例を示す模式図である。
<Comparison result>
4 and 5 are schematic diagrams showing an example of the result of the
図4の縦軸は電圧変化を示し、図5の縦軸は電流変化を示す。また、図6の縦軸は抵抗値変化を示し、図7の縦軸は電圧変化を示し、図8の縦軸は電流変化を示す。
なお、図4から図8の横軸は全て時間経過(day)を示す。
The vertical axis in FIG. 4 shows the voltage change, and the vertical axis in FIG. 5 shows the current change. Further, the vertical axis in FIG. 6 represents a change in resistance value, the vertical axis in FIG. 7 represents a voltage change, and the vertical axis in FIG. 8 represents a current change.
Note that the horizontal axes of FIGS. 4 to 8 all indicate the passage of time (day).
まず、図7に示すように、電圧値をモニターし、電圧変化が0.05ボルトから0.6ボルトまで到達した場合、手動により図6に示すように、抵抗値を10000オーム(Ω)から100オーム(Ω)まで低く変化させる。その結果、図8に示すように、電流値を上昇させることができる。 First, as shown in FIG. 7, when the voltage value is monitored and the voltage change reaches from 0.05 to 0.6 volts, the resistance value is manually increased from 10,000 ohms (Ω) as shown in FIG. Vary low to 100 ohms (Ω). As a result, the current value can be increased as shown in FIG.
続いて、図7に示すように、電圧変化が0.2ボルトから0.6ボルトまで到達した場合、手動により図6に示すように、抵抗値を100オーム(Ω)から10オーム(Ω)まで低く変化させる。その結果、図8に示すように、電流値が上昇する。 Subsequently, as shown in FIG. 7, when the voltage change reaches 0.2 volt to 0.6 volt, the resistance value is manually changed from 100 ohm (Ω) to 10 ohm (Ω) as shown in FIG. Vary to low. As a result, the current value increases as shown in FIG.
この作業を繰り返し、微生物の成長ごとに抵抗値を10オーム(Ω)まで変化させて微生物の電子の受け渡しを促進させて、微生物の増加を制御することができる。
すなわち、微生物燃料電池200の性能は初期段階におけるバイオフィルムの菌の構成で大きく左右される。抵抗値を変化させて電圧を一定にし、適正に電流を引き出すことで、発電菌(微生物)を適切に育成することができる。
By repeating this operation, each time the microorganism grows, the resistance value is changed to 10 ohms (Ω) to promote the transfer of electrons of the microorganism, thereby controlling the increase of microorganisms.
That is, the performance of the
一方、本実施の形態においては、図4に示すように、電圧を0.4ボルトから0.6ボルトまで変化させることができ、抵抗値を取り替える必要性がない。
また、図4および図5に示すように、電圧が比較的一定でも、電流変化が0ミリアンペアから60ミリアンペアまで変化している。電流値は、60ミリアンペアまでに制限されるものではなく、100ミリアンペアでも200ミリアンペアでも電圧値としては0.6V程度であり0.7V以下程度に保つことが可能である。 電流値は、微生物燃料電池の電極面積及び処理水の体積容量により異なるが、一般的に処理水の容量が大きく電極面積が大きいと発電電力が大きい、すなわち電流が多くなる。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the voltage can be changed from 0.4 volts to 0.6 volts, and there is no need to replace the resistance value.
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, even if the voltage is relatively constant, the current change varies from 0 milliampere to 60 milliamperes. The current value is not limited to 60 milliamperes, and the voltage value is about 0.6 V and can be kept at about 0.7 V or less regardless of whether it is 100 milliamperes or 200 milliamperes. Although the current value varies depending on the electrode area of the microbial fuel cell and the volume capacity of the treated water, generally, when the capacity of the treated water is large and the electrode area is large, the generated power is large, that is, the current increases.
また、図6から図8に示すように抵抗値を取り替える場合と異なり、本実施の形態にかかる図4および図5に示す場合においては、電圧0.6ボルトおよび電流60mAに安定する時間がおよそ2日前後早期に安定させることができる。
本実施の形態においては、切り換えタイミングの誤差が生じないため、微生物が適切に育成できる。したがって、早期に発電量を安定させることができると推測される。
In addition, unlike the case where the resistance value is changed as shown in FIGS. 6 to 8, in the case shown in FIGS. 4 and 5 according to the present embodiment, the time for stabilizing the voltage to 0.6 volts and the current 60 mA is about It can be stabilized early around 2 days.
In the present embodiment, since an error in switching timing does not occur, microorganisms can be appropriately grown. Therefore, it is estimated that the power generation amount can be stabilized at an early stage.
また、図2においては、キャパシタ500に0.6ボルト(V)の電圧を与える場合について説明したが、これに限定されず、0.3ボルト(V)の場合には、ショットキーバリアダイオード320を1段配置にし、0.9ボルト(V)の場合には、ショットキーバリアダイオード320を図2のα部に取付けてもよい。
In FIG. 2, the case where a voltage of 0.6 volts (V) is applied to the
以上のように、本実施の形態において、微生物燃料システム100では、従来のように、微生物の発電量が安定するまでに数回から十回程度の切り替えを必要とすることなく、電流の変化に関係なく常に電圧を一定にすることができ、微生物の電子の受け渡しを常に最適な状態にし、微生物燃料電池200の発電量を安定させることができる。
As described above, in the present embodiment, in the
すなわち、従来の数回から十回程度の切り替えタイミングを失念した場合の微生物の成長を阻害するおそれを完全に排除することができる。 That is, it is possible to completely eliminate the possibility of inhibiting the growth of microorganisms when the conventional switching timing of several to ten times is forgotten.
また、キャパシタ500に蓄えられた電流が微生物燃料電池200へ逆流することを防止できるので、微生物に与える悪影響を防止することができる。さらに、ショットキーバリアダイオード320の順方向電圧特性を利用する素子自体の特性を利用して容易に定電圧に設定することができる。また、ショットキーバリアダイオード320を複数段配置できるので、容易に電圧を変化させることもできる。
Further, since the current stored in the
さらに、本実施の形態においては、PNP型トランジスタ素子410を用いることで、キャパシタ500に蓄積される0.6ボルトの電圧の逆流を適切に防止することができる。
Furthermore, in the present embodiment, by using the PNP transistor element 410, it is possible to appropriately prevent the backflow of the 0.6 volt voltage accumulated in the
本発明においては、微生物燃料電池200が『微生物燃料電池』に相当し、0V以上1V以下、好ましくは0.3V以上0.9V以下が『所定の電圧』に相当し、定電圧回路300が『定電圧部、整流素子、ショットキーバリアダイオード、定電圧工程』に相当し、微生物燃料システム100が『微生物燃料システム、微生物燃料電池の蓄電方法』に相当し、キャパシタ500が『キャパシタ、蓄電工程』に相当し、逆流防止回路400が『逆流防止部、PNP型トランジスタ素子、逆流防止工程』に相当し、負荷600が『負荷部、昇圧部および通信部の少なくともいずれか』に相当し、ショットキーバリアダイオード320および/またはPNP型トランジスタ素子410が『蓄電回路』に相当し、ショットキーバリアダイオード320が『定電圧部』に相当し、PNP型トランジスタ素子410が『逆流防止部』に相当する。
In the present invention, the
本発明の好ましい一実施の形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。 A preferred embodiment of the present invention is as described above, but the present invention is not limited thereto. It will be understood that various other embodiments may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Furthermore, in this embodiment, although the effect | action and effect by the structure of this invention are described, these effect | actions and effects are examples and do not limit this invention.
100 微生物燃料システム
200 微生物燃料電池
300 定電圧回路
320 ショットキーバリアダイオード
400 逆流防止回路
410 PNP型トランジスタ素子
500 キャパシタ
600 負荷
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記微生物燃料電池のアノードおよびカソード間に設けられ、かつ前記微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調整する定電圧部を設けた、微生物燃料システム。 A microbial fuel cell;
A microbial fuel system provided with a constant voltage unit that is provided between an anode and a cathode of the microbial fuel cell and adjusts an output of the microbial fuel cell to a predetermined voltage.
前記微生物燃料電池および前記キャパシタとの間に逆流防止部と、を設けた、請求項1記載の微生物燃料システム。 A capacitor for storing charge from the microbial fuel cell;
The microbial fuel system according to claim 1, wherein a backflow prevention unit is provided between the microbial fuel cell and the capacitor.
前記負荷部は、昇圧部および通信部の少なくともいずれかを含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の微生物燃料システム。 A load unit connected in parallel with the capacitor;
The microbial fuel system according to any one of claims 1 to 5, wherein the load unit includes at least one of a boosting unit and a communication unit.
前記微生物燃料電池から前記蓄電工程への蓄電に対して逆流を防止する逆流防止工程と、を設けた、請求項7記載の微生物燃料電池の蓄電方法。 A power storage step for storing electric charge from the microbial fuel cell;
The microbial fuel cell storage method according to claim 7, further comprising: a backflow prevention step for preventing backflow with respect to power storage from the microbial fuel cell to the power storage step.
整流素子により所定の電圧に調整する定電圧部を含む、蓄電回路。 A storage circuit used in an environment of 1 volt or less,
A power storage circuit including a constant voltage unit that adjusts to a predetermined voltage by a rectifying element.
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