JP2017117586A - Method of manufacturing electrode composite - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極複合体の製造方法に関する。詳細には本発明は、廃水を浄化し、かつ、電気エネルギーを生成することが可能な電極複合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode composite. Specifically, the present invention relates to a method for producing an electrode composite capable of purifying waste water and generating electric energy.
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、微生物の代謝能力を利用して有機物などを電気エネルギーに変換する装置であり、有機物の処理をしながらエネルギーの回収ができるという優れたシステムである。ただ、微生物が発する電力が非常に小さく、出力される電流密度が低いため、更なる改良が必要である。 In recent years, microbial fuel cells that generate electricity using biomass have attracted attention as sustainable energy. A microbial fuel cell is an apparatus that converts organic matter into electrical energy by utilizing the metabolic ability of microorganisms, and is an excellent system that can recover energy while processing organic matter. However, since the power generated by microorganisms is very small and the output current density is low, further improvement is necessary.
このような微生物燃料電池として、電解槽と、電解槽の槽内部に配置されるアノードと、電解槽の槽体部に配置され、一面が槽外部の空気と接触し、他面が電解液と接触するカソードとを備えるものが開示されている(例えば、特許文献1参照)。当該電解槽は、電解液、微生物及び微生物による酸化分解の基質を保持している。そして、カソードは、空気と接触する一面に、シリコーンを含有してなる止水層が形成されている。 As such a microbial fuel cell, an electrolytic cell, an anode disposed inside the electrolytic cell, and a tank body part of the electrolytic cell, one surface is in contact with the air outside the cell, and the other surface is an electrolytic solution The thing provided with the cathode which contacts is disclosed (for example, refer patent document 1). The electrolytic cell holds an electrolytic solution, a microorganism, and a substrate for oxidative decomposition by the microorganism. The cathode has a water stop layer containing silicone formed on one surface in contact with air.
しかしながら、特許文献1で開示されているカソードは、空気と接触する止水層より液相側に触媒層が存在しているため、好気性微生物が触媒層を通過して止水層まで侵入してしまう。そして、止水層の近傍で好気性微生物により酸素が消費されてしまうため、触媒層へ酸素が十分に供給されず、その結果、発電性能が低下して安定的に電気エネルギーが得られないという問題があった。
However, since the cathode disclosed in
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、発電性能の低下を抑制し、安定的に電気エネルギーを生産することが可能な電極複合体の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. And the objective of this invention is providing the manufacturing method of the electrode composite_body | complex which can suppress the fall of electric power generation performance and can produce electric energy stably.
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る電極複合体の製造方法は、酸素透過性を有し、第一の導電体材料からなる導電体層の一方の面に、フィルム材料を塗布する工程を有する。さらに当該製造方法は、フィルム材料に第二の導電体材料を散布する工程と、フィルム材料を硬化することにより、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層を形成する工程とを含む。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing an electrode assembly according to an aspect of the present invention includes applying a film material to one surface of a conductor layer having oxygen permeability and made of a first conductor material. The process of carrying out. Furthermore, the manufacturing method includes a step of spraying a second conductor material on the film material and a step of forming a film layer having water-stopping property and oxygen permeability by curing the film material.
本発明によれば、導電体層へ微生物の侵入を抑制するフィルム層を容易に形成することができる。そして、得られる電極複合体は酸素還元触媒へ酸素を効率的に供給できることから、発電性能の低下を抑制し、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily form a film layer that suppresses entry of microorganisms into the conductor layer. And since the obtained electrode assembly can supply oxygen to an oxygen reduction catalyst efficiently, it becomes possible to suppress the fall of electric power generation performance and to produce electric energy stably.
以下、本実施形態に係る電極複合体の製造方法について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereafter, the manufacturing method of the electrode assembly which concerns on this embodiment is demonstrated in detail. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
[電極複合体]
本実施形態の電極複合体10は、図1に示すように、導電性及び酸素透過性を有し、第一の導電体材料からなる導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに接触するように積層され、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2とを備える。そして、フィルム層2には、第二の導電体材料3が分散している。
[Electrode composite]
As shown in FIG. 1, the
また、本実施形態の電極複合体10Aは、図2に示すように、導電性及び酸素透過性を有し、第一の導電体材料からなる導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに接触するように積層され、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2とを備える。さらに電極複合体10Aは、導電体層1の一方の面1aと反対側にある他方の面1bに撥水層4が接触するように積層されている。そして、フィルム層2には、第二の導電体材料3が分散している。
In addition, as shown in FIG. 2, the
(導電体層)
本実施形態の電極複合体10は、導電性及び酸素透過性を有する導電体層1を備えている。このような導電体層1を設けることで、後述する局部電池反応により生成した電子を第二の導電体材料3と外部回路90との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、フィルム層2には第二の導電体材料3が分散しており、さらに第二の導電体材料3には酸素還元触媒が担持されていてもよい。そのため、導電体層1を設けることにより、第二の導電体材料3において酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を促進することが可能となる。
(Conductor layer)
The
電極複合体10では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層4及び導電体層1を効率よく透過し、触媒粒子に供給されることが好ましい。そのため、導電体層1は、酸素が透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、導電体層1の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、導電体層1に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
In the
導電体層1を構成する第一の導電体材料は、高い導電性が確保できるならば特に限定されない。ただ、第一の導電体材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一つの導電性金属からなることが好ましい。これらの導電性金属は、高い耐食性及び導電性を備えているため、導電体層1を構成する材料として好適に用いることができる。
The 1st conductor material which comprises the
また、第一の導電体材料は、炭素材料であってもよい。炭素材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、第一の導電体材料は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる一つからなるものであってもよく、これらを複数積層してなる積層体でもよい。炭素繊維の不織布であるカーボンペーパー及びカーボンフェルト、炭素繊維の織布であるカーボンクロス、並びに黒鉛からなる黒鉛シートは、高い耐食性を有し、かつ、電気抵抗率が金属材料と同等であるため、耐久性と導電性を両立することが可能となる。 The first conductor material may be a carbon material. As the carbon material, for example, at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth, and graphite sheet can be used. The first conductor material may be made of one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth, and graphite sheet, or may be a laminate formed by laminating a plurality of these materials. Carbon paper and carbon felt, which are carbon fiber nonwoven fabrics, carbon cloth, which is carbon fiber woven fabric, and graphite sheets made of graphite have high corrosion resistance and electrical resistance equivalent to that of metal materials. It becomes possible to achieve both durability and conductivity.
なお、上述の黒鉛シートは、次のようにして得ることができる。まず、天然黒鉛を酸によって化学処理を施し、黒鉛のグラフェン層の層間へ挿入物を形成する。次に、これを高温で急速加熱することで、層間挿入物の熱分解によるガス圧でグラフェン層間が押し広がった膨張黒鉛が得られる。そして、この膨張黒鉛を加圧し、ロール圧延することにより、黒鉛シートが得られる。このようにして得られた黒鉛シートを導電体層1として用いた場合、黒鉛におけるグラフェン層が積層方向Xに垂直な方向Yに沿って配列している。また、当該グラフェン層は、図1及び図2に示していない、積層方向Xに垂直な方向Zに沿って配列している。そのため、導電体層1と外部回路90との間の導電性を高め、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
The above graphite sheet can be obtained as follows. First, natural graphite is chemically treated with an acid to form an insert between the graphite graphene layers. Next, this is rapidly heated at a high temperature to obtain expanded graphite in which the graphene interlayer is pushed and expanded by the gas pressure due to the thermal decomposition of the intercalated insert. Then, the expanded graphite is pressurized and roll-rolled to obtain a graphite sheet. When the graphite sheet thus obtained is used as the
(フィルム層)
電極複合体10は、導電体層1の一方の面1aに設けられ、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2を備える。フィルム層2は、酸素を含む気相5と、廃水槽80の内部に保持された、液相としての被処理液70とを分離する機能を有するため、導電体層1及び後述する撥水層4に微生物が侵入することを抑制できる。また、フィルム層2は、図1及び図2に示すように、粒子状の第二の導電体材料3を保持し、さらに撥水層4及び導電体層1を透過した酸素を第二の導電体材料3に供給する機能を有する。
(Film layer)
The
フィルム層2は、導電体層1の一方の面1aの少なくとも一部に配置されている必要がある。ただ、被処理液70に対する止水性を高めるために、フィルム層2は、図1及び図2に示すように、一方の面1aの全体に配置されていることが好ましい。
The
フィルム層2の材料は、止水性及び酸素透過性を確保できるならば特に限定されない。フィルム層2の材料としては、例えば、シリコーンゴムやスチレン−ブタジエンゴムなどの弾性体系材料や、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂系材料、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂系材料を用いることができる。なお、フィルム層2の材料は一種を単独で使用してもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。これらの中でもシリコーンゴムは、シリコーンの分子構造に由来する高い酸素溶解性及び酸素拡散性を有しているため、酸素透過性に優れている。さらにシリコーンゴムは、表面自由エネルギーが小さいため、撥水性能にも優れている。そのため、フィルム層2はシリコーンを含有することが特に好ましい。
The material for the
フィルム層2は、ISO透気度が1×10−5μm/Pa・s〜1×10−3μm/Pa・sであることがより好ましい。透気度は、単位面積、単位圧力差及び単位時間当たりに透過する空気の平均流量であり、その数値が高いほど空気が通過しやすい。フィルム層2がこのような範囲の透気度を有していることにより、後述する酸素還元触媒に十分な酸素を供給することができ、安定的な性能を有する電極複合体10及び微生物燃料電池100を実現することが可能となる。
The
具体的には、フィルム層2のISO透気度が1×10−5μm/Pa・s以上であることにより、多数の細孔が形成されているため、酸素透過性が向上し、酸素と酸素還元触媒との接触率を高めることができる。また、フィルム層2のISO透気度が1×10−3μm/Pa・s以下であることにより、酸素透過性を高めつつも、シート状のフィルム層2を構成するための強度を確保することが可能となる。つまり、フィルム層2のISO透気度が高いほど酸素透過性が向上するが、ISO透気度が高い場合にはフィルム層2の密度が低下し、強度が不十分となる場合がある。そのため、フィルム層2のISO透気度は1×10−3μm/Pa・s以下であることが好ましい。なお、フィルム層2のISO透気度は、電極複合体10から剥離した後、日本工業規格JIS P8117:2009(紙及び板紙−透気度及び透気抵抗度試験方法(中間領域)−ガーレー法)に沿って測定することができる。
Specifically, since the ISO air permeability of the
フィルム層2の膜厚は止水性と酸素透過性を確保できるならば特に限定されないが、例えば1μm〜100μmであることが好ましい。フィルム層2の膜厚がこの範囲内であることにより、シート状のフィルム層2に必要な強度を確保しつつも、高い止水性及び酸素透過性を得ることができる。
Although the film thickness of the
後述するように、導電体層1と第二の導電体材料3は電気的に接続していることが好ましい。そのため、フィルム層2は、導電性粒子を含有することが好ましい。これにより、導電性粒子を介して導電体層1と第二の導電体材料3とが電気的に接続されるため、第二の導電体材料3において酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を促進することが可能となる。
As will be described later, the
導電性粒子は、フィルム層2に導電性を付与することが可能な粒子であれば特に限定されないが、例えばカーボンブラックを用いることができる。また、カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック及びサーマルブラックからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。そのため、フィルム層2としては、例えばカーボンブラックが練り込まれたシリコーンゴムを用いることができる。上述のように、シリコーンゴムは酸素透過性に優れるため、カーボンブラックを含有することにより、高い酸素透過性と導電性を両立することが可能となる。
The conductive particles are not particularly limited as long as they are particles capable of imparting conductivity to the
(第二の導電体材料)
電極複合体10において、フィルム層2には、第二の導電体材料3が分散している。具体的には、図1及び図2に示すように、粒子状の第二の導電体材料3は、フィルム層2により保持され、さらにフィルム層2の全体に均一かつ高密度で散布されていることが好ましい。また、第二の導電体材料3は、フィルム層2の面2aの近傍に多く分布していることが好ましい。これにより、撥水層4及び導電体層1によって移送された酸素と、イオン移動層30を透過した水素イオンとの反応速度をより高めることが可能となる。
(Second conductor material)
In the
第二の導電体材料3は、導電体層1に直接接触していることが好ましい。または、第二の導電体材料3は、他の第二の導電体材料3を介して導電体層1と電気的に接続されていることが好ましい。後述するように、第二の導電体材料3は酸素還元触媒であることが好ましい。そのため、第二の導電体材料3が導電体層1と電気的に接続していることにより、導電体層1を通じて移動してきた電子により酸素還元反応を効率的に行うことが可能となる。
The second conductor material 3 is preferably in direct contact with the
第二の導電体材料3は、導電性を有するならば特に限定されない。第二の導電体材料3としては、金属及び炭素材料の少なくとも一方を用いることができる。第二の導電体材料3を構成する金属は、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また、第二の導電体材料3を構成する炭素材料は、例えば、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン及びカーボンナノチューブからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。なお、カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック及びサーマルブラックからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。 The second conductor material 3 is not particularly limited as long as it has conductivity. As the second conductor material 3, at least one of a metal and a carbon material can be used. The metal constituting the second conductor material 3 is preferably at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, stainless steel, nickel and titanium, for example. Moreover, it is preferable that the carbon material which comprises the 2nd conductor material 3 is at least 1 chosen from the group which consists of carbon black, a graphene, fullerene, and a carbon nanotube, for example. As carbon black, at least one selected from the group consisting of furnace black, channel black, acetylene black and thermal black can be used.
第二の導電体材料3の粒子径は特に限定されないが、例えば1μm〜1mmであることが好ましい。第二の導電体材料3の粒子径がこの範囲内であることにより、フィルム層2における分散性を高め、導電性を向上させることができる。なお、第二の導電体材料3の粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて第二の導電体材料3を観察することにより求めることができる。
Although the particle diameter of the 2nd conductor material 3 is not specifically limited, For example, it is preferable that they are 1 micrometer-1 mm. When the particle diameter of the second conductor material 3 is within this range, the dispersibility in the
第二の導電体材料3は、酸素還元触媒であることが好ましい。第二の導電体材料3が酸素還元触媒であることにより、撥水層4及び導電体層1によって移送された酸素と水素イオンとの反応速度をより高めることが可能となる。
The second conductor material 3 is preferably an oxygen reduction catalyst. Since the second conductor material 3 is an oxygen reduction catalyst, the reaction rate between oxygen and hydrogen ions transferred by the water repellent layer 4 and the
酸素還元触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The oxygen reduction catalyst is preferably a carbon-based material doped with metal atoms. The metal atom is not particularly limited, but titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium It is preferably an atom of at least one metal selected from the group consisting of platinum, and gold. In this case, the carbon-based material exhibits excellent performance as a catalyst for promoting the oxygen reduction reaction. What is necessary is just to set suitably the quantity of the metal atom which carbonaceous material contains so that carbonaceous material may have the outstanding catalyst performance.
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The carbon-based material is preferably further doped with one or more nonmetallic atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. What is necessary is just to set suitably the quantity of the nonmetallic atom doped by the carbonaceous material so that carbonaceous material may have the outstanding catalyst performance.
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。 The carbon-based material is based on a carbon source material such as graphite and amorphous carbon, for example, and the carbon source material is doped with a metal atom and one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Can be obtained.
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子が鉄のみであってもよい。 A combination of a metal atom and a nonmetal atom doped in the carbon-based material is appropriately selected. In particular, it is preferable that the nonmetallic atom contains nitrogen and the metallic atom contains iron. In this case, the carbon-based material can have particularly excellent catalytic activity. The nonmetallic atom may be only nitrogen. Further, the metal atom may be only iron.
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料は特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。 The nonmetallic atom may contain nitrogen, and the metallic atom may contain at least one of cobalt and manganese. Also in this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The nonmetallic atom may be only nitrogen. Further, the metal atom may be only cobalt, only manganese, or only cobalt and manganese.
酸素還元触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、800℃以上1000℃以下の温度で、45秒以上600秒未満加熱する。これにより、酸素還元触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。 A carbon-based material configured as an oxygen reduction catalyst can be prepared as follows. First, for example, a mixture containing a nonmetallic compound containing at least one nonmetal selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur, and phosphorus, a metal compound, and a carbon source material is prepared. And this mixture is heated at the temperature of 800 degreeC or more and 1000 degrees C or less for 45 second or more and less than 600 second. Thereby, the carbonaceous material comprised as an oxygen reduction catalyst can be obtained.
ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩;酢酸塩などの有機金属塩;無機金属塩の水和物;及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄(III)を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が5〜30質量%の範囲内となるように設定することが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲内となるように設定することがより好ましい。 Here, as the carbon source material, for example, graphite or amorphous carbon can be used as described above. Further, the metal compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a metal atom capable of coordinating with a nonmetal atom doped in the carbon source material. Metal compounds include, for example, metal chlorides, nitrates, sulfates, bromides, iodides, fluorides, etc .; inorganic metal salts such as acetates; inorganic metal salt hydrates; and organic metal salts At least one selected from the group consisting of hydrates can be used. For example, when graphite is doped with iron, the metal compound preferably contains iron (III) chloride. Moreover, when graphite is doped with cobalt, the metal compound preferably contains cobalt chloride. When the carbon source material is doped with manganese, the metal compound preferably contains manganese acetate. The amount of the metal compound used is preferably set so that, for example, the ratio of the metal atom in the metal compound to the carbon source material is in the range of 5 to 30% by mass, and the ratio is in the range of 5 to 20% by mass. It is more preferable to set so as to be within.
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、1,2−ビス(ジエチルホスフィノエタン)、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、1:1〜1:2の範囲内となるように設定ことが好ましく、1:1.5〜1:1.8の範囲内となるように設定することがより好ましい。 As described above, the nonmetallic compound is preferably at least one nonmetallic compound selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Non-metallic compounds include, for example, pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, ethylenediamine, octylboronic acid, 1,2-bis (diethylphosphinoethane), triphenyl phosphite, benzyldisal At least one compound selected from the group consisting of fido can be used. The amount of the nonmetallic compound used is appropriately set according to the amount of the nonmetallic atom doped into the carbon source material. The amount of the nonmetallic compound used is preferably set so that the molar ratio of the metal atom in the metal compound to the nonmetallic atom in the nonmetallic compound is within the range of 1: 1 to 1: 2. : It is more preferable to set it within the range of 1.5 to 1: 1.8.
酸素還元触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度(例えば60℃)で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。 A mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source raw material when preparing a carbon-based material configured as an oxygen reduction catalyst is obtained, for example, as follows. First, a carbon source material, a metal compound, and a nonmetal compound are mixed, and if necessary, a solvent such as ethanol is added to adjust the total amount. These are further dispersed by an ultrasonic dispersion method. Subsequently, after heating them at an appropriate temperature (for example, 60 ° C.), the mixture is dried to remove the solvent. Thereby, the mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source raw material is obtained.
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は800℃以上1000℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は45秒以上600秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、50℃/s以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上させる。 Next, the obtained mixture is heated, for example, under a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere. Thereby, a non-metallic atom is doped to a carbon source raw material, and also a metallic atom is doped by the coordinate bond of a non-metallic atom and a metallic atom. The heating temperature is preferably in the range of 800 ° C. to 1000 ° C., and the heating time is preferably in the range of 45 seconds to less than 600 seconds. Since the heating time is short, the carbon-based material is efficiently produced, and the catalytic activity of the carbon-based material is further increased. In the heat treatment, the temperature rising rate of the mixture at the start of heating is preferably 50 ° C./s or more. Such rapid heating further improves the catalytic activity of the carbon-based material.
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで30分間分散させ、その後この炭素系材料を2M硫酸中に入れて、80℃で3時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。 Further, the carbon-based material may be further subjected to acid cleaning. For example, the carbon-based material may be dispersed in pure water with a homogenizer for 30 minutes, and then the carbon-based material may be placed in 2M sulfuric acid and stirred at 80 ° C. for 3 hours. In this case, elution of the metal component from the carbon-based material can be suppressed.
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。 By such a production method, a carbon-based material having a significantly low content of inert metal compounds and metal crystals and high conductivity can be obtained.
(撥水層)
本実施形態の電極複合体は、上述のように、少なくとも導電体層1とフィルム層2とを備えている。ただ、導電体層1の機械的強度を向上させ、更なる止水性能を付与するために、本実施形態の電極複合体は撥水層4を備えていることが好ましい。撥水層4は、酸素を含む気相5と、廃水槽の内部に保持された、液相としての被処理液70とを分離するように配置される。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。これにより、被処理液70中の有機物や窒素含有化合物が後述する気相5側に移動することを抑制できる。
(Water repellent layer)
The electrode assembly of this embodiment includes at least the
図2に示すように、撥水層4は、導電体層1の一方の面1aと反対側にある他方の面1bに接触するように配置される。そして、撥水層4は気相5と接触しており、気相5中の気体を拡散し、導電体層1の面1bに対し気体を略均一に供給している。そのため、撥水層4は、当該気体を拡散できるように、多孔質体であることが好ましい。また、撥水層4は撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、気体の拡散性が低下することを抑制できる。
As shown in FIG. 2, the water repellent layer 4 is disposed so as to contact the
撥水層4を構成する材料としては、気相5中の酸素を透過する酸素透過性、及び撥水性を有する材料であれば特に限定されない。撥水層4の材料としては、例えばシリコーンゴム及びポリジメチルシロキサンの少なくともいずれか一方を用いることができる。これらの材料は、シリコーンの分子構造に由来する高い酸素溶解性及び酸素拡散性を有しているため、酸素透過性に優れている。さらにこれらの材料は、表面自由エネルギーが小さいため、撥水性能にも優れている。そのため、撥水層4はシリコーンを含有することが特に好ましい。 The material constituting the water repellent layer 4 is not particularly limited as long as it is a material having oxygen permeability and water repellency through which oxygen in the gas phase 5 is transmitted. As a material of the water repellent layer 4, for example, at least one of silicone rubber and polydimethylsiloxane can be used. Since these materials have high oxygen solubility and oxygen diffusibility derived from the molecular structure of silicone, they are excellent in oxygen permeability. Furthermore, since these materials have small surface free energy, they are excellent in water repellency. Therefore, it is particularly preferable that the water repellent layer 4 contains silicone.
また、撥水層4の材料としては、エチルセルロース、ポリ−4−メチルペンテン−1、ポリブタジエン、ポリテトラフルオロエチレン及びブチルゴムからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。これらの材料も高い酸素透過性と撥水性を有しているため、好ましい。また、これらの材料は、多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。さらに撥水層4は、上記材料からなる不織布やフィルムであることも好ましい。なお、撥水層4が上記材料のフィルムからなる場合には、撥水層4は、撥水層4、導電体層1及びフィルム層2の積層方向Xに沿って、酸素を透過する複数の貫通孔を有することが好ましい。
Moreover, as a material of the water repellent layer 4, at least one selected from the group consisting of ethyl cellulose, poly-4-methylpentene-1, polybutadiene, polytetrafluoroethylene, and butyl rubber can be used. These materials are also preferable because they have high oxygen permeability and water repellency. In addition, these materials can easily form a porous body and have high water repellency, and therefore can suppress gas clogging and improve gas diffusibility. Furthermore, the water repellent layer 4 is also preferably a nonwoven fabric or a film made of the above materials. When the water repellent layer 4 is made of a film of the above material, the water repellent layer 4 includes a plurality of oxygen permeable materials along the stacking direction X of the water repellent layer 4, the
なお、撥水層4としては、撥水性及びガス透過性を有した不織布や、ポリエチレン及びポリプロピレンの不織布も用いることができる。具体的には、撥水層4としては、ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーを複合化してなるゴアテックス(登録商標)を用いることができる。 In addition, as the water-repellent layer 4, a nonwoven fabric having water repellency and gas permeability and a nonwoven fabric of polyethylene and polypropylene can also be used. Specifically, as the water repellent layer 4, Gore-Tex (registered trademark) formed by combining a film obtained by stretching polytetrafluoroethylene and a polyurethane polymer can be used.
[微生物燃料電池]
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池について説明する。本実施形態の微生物燃料電池100は、図3及び図4に示すように、微生物を担持する負極20と、水素イオンを透過するイオン移動層30と、イオン移動層30を介して負極20と隔てられた、上述の電極複合体10からなる正極40とを備える。そして、微生物燃料電池100では、イオン移動層30の一方の面30aに負極20が接触するように配置されており、イオン移動層30の面30aと反対側の面30bに正極40が接触するように配置されている。
[Microbial fuel cell]
Next, the microbial fuel cell according to this embodiment will be described. As shown in FIGS. 3 and 4, the
負極20は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極20の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがイオン移動層30の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極20の導電体シートは、正極40、イオン移動層30及び負極20の積層方向X、つまり厚さ方向に連続した空間(空隙)を有していることが好ましい。
The
当該導電体シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極20の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
The conductor sheet may be a metal plate having a plurality of through holes in the thickness direction. Therefore, as a material constituting the conductor sheet of the
負極20の導電体シートとして、電極複合体10で使用する導電体層を用いてもよい。また、負極20は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、正極40、イオン移動層30及び負極20の積層方向Xに垂直な方向YZの面に沿って配列していることが好ましい。グラフェン層がこのように配列していることにより、積層方向Xの導電性よりも、積層方向Xに垂直な方向YZの導電性が向上する。そのため、負極20の局部電池反応により生成した電子を外部回路へ導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
As the conductor sheet of the
負極20に担持される微生物としては、被処理液70中の有機物、又は窒素を含む化合物を分解する微生物であれば特に限定されないが、例えば増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、被処理液70中の有機物を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
The microorganism supported on the
負極20に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
The anaerobic microorganism held in the
負極20に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極20に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質(extracellular polymeric substance、EPS)とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極20に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極20表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
Anaerobic microorganisms may be held on the
本実施形態の微生物燃料電池100は、水素イオンを透過するイオン移動層30を備えている。イオン移動層30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極40側へ移動させる機能を有する。イオン移動層30としてはイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のNAFION(登録商標)、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン(登録商標)及びセレミオン(登録商標)を用いることができる。
The
また、イオン移動層30として、水素イオンを透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層30は、負極20と正極40との間を水素イオンが移動するための空間(空隙)を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層30は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層30は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、イオン移動層30の細孔径は、負極20から正極40に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
Further, as the
本実施形態の微生物燃料電池100は、上述の電極複合体10,10Aからなる正極40を備えている。つまり、正極40は、導電性及び酸素透過性を有する導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに接触するように積層され、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2とを備えている。または、正極40は、導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに接触するように積層されるフィルム層2と、導電体層1の面1aと反対側にある他方の面1bに積層され、酸素透過性及び撥水性を有する撥水層4とを備える。そして、フィルム層2の面2a側にイオン移動層30が設けられる。
The
ここで、微生物燃料電池100は、図3及び図4に示すように、正極40、イオン移動層30及び負極20を備える膜電極接合体50を複数備えている。また、2枚の膜電極接合体50は、正極40同士が対向するように、カセット基材51を介して積層されている。カセット基材51は、図5に示すように、正極40の外周部に沿うU字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材51は、2本の第一柱状部材51aの底面を第二柱状部材51bで連結した枠部材である。そして、カセット基材51の側面51cは、正極40におけるイオン移動層30とは反対側の面40aの外周部と接合されており、正極40の外周部からカセット基材51の内部に被処理液70が漏出することを抑制できる。
Here, the
そして、図4に示すように、2枚の膜電極接合体50とカセット基材51とを積層してなる燃料電池ユニット60は、大気と連通した気相5が形成されるように、廃水槽80の内部に配置される。廃水槽80の内部には被処理液70が保持されており、負極20、イオン移動層30及び正極40のフィルム層2は、被処理液70に浸漬されている。つまり、正極40を構成する導電体層1又は撥水層4は酸素を含む気体と接触するように配置され、フィルム層2は被処理液70と接触するように配置されている。
As shown in FIG. 4, the
上述のように、正極40のフィルム層2及び撥水層4は撥水性を有する。そのため、廃水槽80の内部に保持された被処理液70とカセット基材51の内部とは隔てられ、2枚の膜電極接合体50とカセット基材51とにより形成された内部空間は気相5となっている。そして、図4に示すように、正極40及び負極20は、それぞれ外部回路90と電気的に接続されている。
As described above, the
ここで、廃水槽80は内部に被処理液70を保持しているが、被処理液70が流通するような構成であってもよい。例えば、図3及び図4に示すように、廃水槽80には、被処理液70を廃水槽80に供給するための液体供給口81と、処理後の被処理液70を廃水槽80から排出するための液体排出口82とが設けられていてもよい。
Here, the
なお、廃水槽80内は、例えば分子状酸素が存在しない、又は分子状酸素が存在してもその濃度が極めて小さい嫌気性条件に保たれていることが好ましい。これにより、廃水槽80内で被処理液70を酸素と殆ど接触しないように保持することが可能となる。
In addition, it is preferable that the inside of the
次に、本実施形態の微生物燃料電池100の作用について説明する。微生物燃料電池100の動作時には、負極20に、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する被処理液70を供給し、正極40に空気(又は酸素)を供給する。この際、空気は、カセット基材51の上部に設けられた開口部を通じて連続的に供給される。なお、被処理液70も、液体供給口81及び液体排出口82を通じて連続的に供給されることが好ましい。
Next, the operation of the
そして、正極40では、撥水層4により空気が拡散し、導電体層1を空気中の酸素が透過し、フィルム層2へ到達する。また、負極20では、微生物の触媒作用により、被処理液70中の有機物及び/又は窒素含有化合物から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、イオン移動層30を透過して正極40側へ移動する。また、生成した電子は負極20の導電体シートを通じて外部回路90へ移動し、さらに外部回路90から正極40の導電体層1を通じてフィルム層2に移動する。そして、フィルム層2に移動した水素イオン及び電子は、第二の導電体材料3における酸素還元触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路90によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
In the
上述のように、正極40は、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2を備える。これにより、微生物が導電体層1及び撥水層4に侵入し難くなることから、微生物による酸素の過剰な消費が抑制され、酸素還元触媒へ酸素を効率的に供給できる。その結果、発電性能の低下を抑制し、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。また、微生物が導電体層1及び撥水層4に侵入し難くなることから、微生物の付着による導電体層1及び撥水層4の劣化を抑制し、長期間に亘り効率的に発電することが可能となる。また、正極40は導電体層1を備えるため、内部抵抗の増加を抑制することができる。さらに導電体層1に対し、撥水性を有する撥水層4を張り合わせることで、気相5が浸水し難い電極を作製することができる。そのため、撥水層4に大気中の酸素を供給することによって、高い電池特性を発揮することが可能となる。
As described above, the
ここで、本実施形態に係る負極20には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、廃水槽80内の被処理液70は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極20への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
Here, the
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。被処理液70中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極20へと受け渡す。この結果、被処理液70における有機物などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQDS)、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
Specifically, in the metabolic mechanism by anaerobic microorganisms, electrons are transferred between cells or with the final electron acceptor. When a mediator molecule is introduced into the liquid 70 to be treated, the mediator molecule acts as a final electron acceptor of metabolism, and delivers received electrons to the
なお、図3及び図4に示す燃料電池ユニット60は、2枚の膜電極接合体50とカセット基材51とを積層する構成となっている。しかし、本実施形態はこの構成に限定されない。例えば、カセット基材51の一方の側面51cのみに膜電極接合体50を接合し、他方の側面は板部材で封止してもよい。また、図3及び図4に示すカセット基材51は、上部の全体が開口しているが、内部に空気(酸素)を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
The
[電極複合体の製造方法]
次に、本実施形態に係る電極複合体10,10Aの製造方法について説明する。電極複合体10,10Aの製造方法は、酸素透過性を有し、第一の導電体材料からなる導電体層1の一方の面1aに、フィルム材料を塗布する工程を含む。さらに当該製造方法は、フィルム材料に第二の導電体材料3を散布する工程と、フィルム材料を硬化することにより、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層2を形成する工程とを含む。
[Method for producing electrode composite]
Next, the manufacturing method of the
本実施形態の製造方法では、まず、導電体層1の一方の面1aに、フィルム層2の前駆体であるフィルム材料を塗布する。フィルム材料は、導電体層1の一方の面1aの少なくとも一部に塗布する。ただ、上述のように、被処理液70に対する止水性を高めるために、フィルム層2は一方の面1aの全体に配置されていることが好ましいため、フィルム材料は導電体層1の一方の面1aの全体に塗布することが好ましい。
In the manufacturing method of this embodiment, first, a film material that is a precursor of the
フィルム材料の塗布方法は特に限定されず、例えば導電体層1の一方の面1aにフィルム材料を塗布した後、ローラー等を用いてペーストを平坦に引き延ばすことにより、フィルム材料層を形成することができる。なお、フィルム材料の塗布量は特に限定されないが、例えば硬化後のフィルム層2の厚さが1μm〜100μmとなるように設定することが好ましい。
The method for applying the film material is not particularly limited. For example, after the film material is applied to one
フィルム層2の材料がシリコーンゴムである場合には、フィルム材料としてはシリコーン接着剤を用いることができる。シリコーン接着剤としては、室温硬化型及び加熱硬化型のいずれも用いることができ、さらに一液タイプ及び二液タイプのいずれも用いることができる。なお、シリコーン接着剤は、縮合反応型であってもよく、付加反応型であってもよい。また、フィルム層2の材料がスチレン−ブタジエンゴムである場合には、フィルム材料としては、例えばスチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマーを主成分とする接着剤を用いることができる。なお、フィルム層2の材料が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂である場合には、フィルム材料として、各樹脂のモノマー又はプレポリマーを用いることができる。
When the material of the
次に、導電体層1の一方の面1aにフィルム材料を塗布した後、当該フィルム材料に第二の導電体材料3を散布する。第二の導電体材料3の散布方法は特に限定されず、フィルム材料に均等に散布できる方法を用いることができる。なお、フィルム材料に第二の導電体材料3を散布した後、第二の導電体材料3と導電体層1との接触性を高め、さらに第二の導電体材料3とフィルム材料との接着性を向上させるために、第二の導電体材料3を押圧してもよい。これにより、第二の導電体材料3がフィルム材料の内部に部分的に埋没するため、第二の導電体材料3と導電体層1との接触性及び第二の導電体材料3とフィルム材料との接着性を高めることができる。
Next, after applying a film material to one
そして、フィルム材料に第二の導電体材料3を散布した後、フィルム材料を硬化することにより、フィルム層2を形成する。フィルム材料の硬化方法は特に限定されない。つまり、フィルム材料が常温で硬化する場合には常温で放置すればよく、また加熱により硬化する場合には、導電体層1及び第二の導電体材料3を散布したフィルム材料を一体的に加熱すればよい。また、フィルム材料が光硬化性樹脂である場合には、紫外線又は電子線を照射する。このように、フィルム材料が硬化することで、本実施形態の電極複合体10を得ることができる。
And after sprinkling the 2nd conductor material 3 to film material, the
本実施形態に係る製造方法は、導電体層1における一方の面1aと反対側の他方の面1bに、酸素透過性を有する撥水層4を積層する工程をさらに含むことが好ましい。なお、撥水層4を積層する段階は特に限定されない。つまり、撥水層4は、導電体層1にフィルム材料を塗布する前に導電体層1に積層されてもよく、導電体層1にフィルム材料を塗布した後に導電体層1に積層されてもよい。また、撥水層4は、導電体層1にフィルム層2を形成した後に導電体層1に積層されてもよい。
The manufacturing method according to the present embodiment preferably further includes a step of laminating a water repellent layer 4 having oxygen permeability on the
なお、導電体層1に撥水層4を接合する方法は特に限定されないが、例えば接着剤を用いて接合してもよい。特に、酸素透過性を有する接着剤、例えばシリコーン系の接着剤を用いて接合することが好ましい。
The method for bonding the water repellent layer 4 to the
このように、本実施形態の電極複合体10,10Aの製造方法は、導電体層1の一方の面1aにフィルム材料を塗布する工程と、フィルム材料に第二の導電体材料3を散布する工程と、フィルム材料を硬化することにより、フィルム層2を形成する工程とを有する。このような工程により、均一な膜厚のフィルム層2を容易に得ることが可能となる。
As described above, in the method of manufacturing the
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
[実施例]
まず、黒鉛シートと撥水シートをシリコーン接着剤で接着することにより、4.5cm×6.5cmのサイズの黒鉛シート/シリコーン接着剤/撥水シートからなる積層シートを作製した。導電体層である黒鉛シートとしては、日立化成株式会社製カーボフィット(登録商標)を使用した。シリコーン接着剤としては、信越化学工業株式会社製の一液型RTVシリコーンゴムKE−3475を使用した。撥水層である撥水シートとしては、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。
[Example]
First, a graphite sheet and a water-repellent sheet were bonded with a silicone adhesive to prepare a laminated sheet made of graphite sheet / silicone adhesive / water-repellent sheet having a size of 4.5 cm × 6.5 cm. As the graphite sheet as the conductor layer, Carbofit (registered trademark) manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. was used. As the silicone adhesive, a one-component RTV silicone rubber KE-3475 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. As a water repellent sheet which is a water repellent layer, SELPORE (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used.
次に、この積層シートの黒鉛シート上に、シリコーン接着剤を厚みが15μmの薄膜状となるように塗工した。さらに、当該シリコーン接着剤に、粉体状の酸素還元触媒を散布して直接接着した後、シリコーン接着剤を乾燥させることにより、黒鉛シート上にフィルム層を有する本例の電極複合体を得た。なお、シリコーン接着剤としては、信越化学工業株式会社製の一液型RTVシリコーンゴムKE−3475を使用した。また、フィルム層は、黒鉛シート上に塗工し、酸素還元触媒を含むシリコーン層を指している。 Next, a silicone adhesive was applied on the graphite sheet of the laminated sheet so as to form a thin film having a thickness of 15 μm. Furthermore, after spraying a powdery oxygen reduction catalyst on the silicone adhesive and directly adhering it, the silicone adhesive was dried to obtain an electrode composite of this example having a film layer on a graphite sheet. . In addition, as the silicone adhesive, a one-component RTV silicone rubber KE-3475 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. The film layer refers to a silicone layer coated on a graphite sheet and containing an oxygen reduction catalyst.
[比較例]
まず、実施例と同じ黒鉛シート/シリコーン接着剤/撥水シートからなる積層シートを作製した。次に、実施例と同じ酸素還元触媒を用いた分散液を調製し、積層シートの黒鉛シートの表面に滴下した後に乾燥させることで、黒鉛シート上にフィルム層を有しない本例の電極複合体を得た。なお、実施例と比較例の酸素還元触媒は同量となるように調整した。
[Comparative example]
First, a laminated sheet comprising the same graphite sheet / silicone adhesive / water-repellent sheet as in the example was prepared. Next, by preparing a dispersion using the same oxygen reduction catalyst as in the Examples, dropping it on the surface of the graphite sheet of the laminated sheet and drying it, the electrode composite of this example having no film layer on the graphite sheet Got. In addition, the oxygen reduction catalyst of an Example and a comparative example was adjusted so that it might become the same amount.
[評価]
実施例及び比較例で得られた電極複合体からなる正極を用いて微生物燃料電池を作製し、それぞれの燃料電池の出力特性を調べた。
[Evaluation]
Microbial fuel cells were produced using the positive electrodes made of the electrode composites obtained in the examples and comparative examples, and the output characteristics of the respective fuel cells were examined.
まず、実施例で得られた電極複合体からなる正極と、嫌気性微生物を保持したカーボンフェルトからなる負極と、ポリオレフィン不織布からなるイオン移動層とを使用して、膜電極接合体を作製した。なお、ポリオレフィン不織布としては、パシフィック技研株式会社のポリオレフィン不織布♯210を使用した。同様に、比較例で得られた電極複合体を用いて、膜電極接合体を作製した。 First, a membrane / electrode assembly was prepared using the positive electrode made of the electrode composite obtained in the example, the negative electrode made of carbon felt holding anaerobic microorganisms, and the ion transfer layer made of polyolefin nonwoven fabric. As the polyolefin nonwoven fabric, polyolefin nonwoven fabric # 210 of Pacific Giken Co., Ltd. was used. Similarly, a membrane electrode assembly was produced using the electrode composite obtained in the comparative example.
そして、実施例及び比較例の膜電極接合体を用いて、図4に示す微生物燃料電池を作製した。なお、廃水槽の容量は300ccとした。また、被処理液は全有機炭素(TOC)が800mg/Lのモデル廃液を使用し、被処理液の液温は30℃とした。さらに、被処理液の水理学的滞留時間が24時間となるように、廃水槽への流入量を調整した。 And the microbial fuel cell shown in FIG. 4 was produced using the membrane electrode assembly of an Example and a comparative example. The capacity of the waste water tank was 300 cc. Moreover, the model waste liquid whose total organic carbon (TOC) is 800 mg / L was used for the to-be-processed liquid, and the liquid temperature of the to-be-processed liquid was 30 degreeC. Furthermore, the inflow amount into the wastewater tank was adjusted so that the hydraulic retention time of the liquid to be treated was 24 hours.
実施例及び比較例の膜電極接合体を用いた微生物燃料電池を40日間運転させ、それぞれの燃料電池の出力特性の変化を調べた。それぞれの評価結果を図6に示す。図6に示すように、実施例及び比較例ともに、微生物燃料電池の立ち上げには1週間程度を要し、両方とも徐々に出力が向上した。しかし、その後の出力維持には差異が発生した。具体的には、実施例の微生物燃料電池では9日目に立ち上げが完了し、比較例の微生物燃料電池では7日目に立ち上げが完了した。そして、立ち上げ完了時点から28日経過後時点での1日あたりの出力低下量を比較すると、実施例では1.25mW/m2であったが、比較例では6.68mW/m2であった。このように、フィルム層を適用することで、経時的な出力低下を1/5に抑制できるため、長期間に亘り安定的に電気エネルギーを生産できることが分かる。 Microbial fuel cells using the membrane electrode assemblies of Examples and Comparative Examples were operated for 40 days, and changes in output characteristics of the respective fuel cells were examined. Each evaluation result is shown in FIG. As shown in FIG. 6, in both the example and the comparative example, it took about one week to start up the microbial fuel cell, and the output gradually improved in both cases. However, there was a difference in the subsequent output maintenance. Specifically, the start-up was completed on the 9th day in the microbial fuel cell of the example, and the start-up was completed on the 7th day in the microbial fuel cell of the comparative example. When comparing the output reduction amount per day of at after 28 days from the start-up completion, in the embodiment was 1.25 mW / m 2, in the comparative example was 6.68mW / m 2 . Thus, it can be seen that by applying the film layer, a decrease in output over time can be suppressed to 1/5, and thus electric energy can be stably produced over a long period of time.
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、導電体層1、フィルム層2、撥水層4を備えた電極複合体10,10A、並びに負極20、イオン移動層30及び正極40は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、燃料電池の大きさ、並びに所望の発電性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば任意に変更することができる。
Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present embodiment. Specifically, in the drawing, the
1 導電体層
2 フィルム層
3 第二の導電体材料
4 撥水層
10,10A 電極複合体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記フィルム材料に第二の導電体材料を散布する工程と、
前記フィルム材料を硬化することにより、止水性及び酸素透過性を有するフィルム層を形成する工程と、
を含む、電極複合体の製造方法。 A step of applying a film material to one surface of a conductor layer having oxygen permeability and made of a first conductor material;
Sprinkling a second conductor material on the film material;
A step of forming a film layer having water-stopping and oxygen permeability by curing the film material;
The manufacturing method of an electrode composite_body | complex containing.
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