JP2020087804A - Microbial fuel cell and liquid processing unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物燃料電池及びそれを用いた液体処理ユニットに関する。 The present invention relates to a microbial fuel cell and a liquid treatment unit using the same.
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、生活廃水や工場廃水に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。 In recent years, microbial fuel cells that generate electricity using biomass have been attracting attention as sustainable energy. A microbial fuel cell is a wastewater treatment device that converts chemical energy of organic substances contained in domestic wastewater and industrial wastewater into electric energy, and oxidatively decomposes and treats the organic substances. In addition, the microbial fuel cell has features that the amount of sludge generated is small and the energy consumption is small.
微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相及び電解液(廃水)に接触する正極とを有する。そして、有機性物質などを含有する電解液を負極に供給するとともに、酸素を含んだ気体を正極に供給する。負極及び正極は、負荷回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では、微生物の触媒作用により電解液から水素イオン及び電子を生成する。そして、生成した水素イオンは電解液を介して正極へ移動し、電子は負荷回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素と結合し、水となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。 The microbial fuel cell has a negative electrode supporting microorganisms, and a positive electrode in contact with a gas phase containing oxygen and an electrolytic solution (wastewater). Then, while supplying an electrolytic solution containing an organic substance and the like to the negative electrode, a gas containing oxygen is supplied to the positive electrode. The negative electrode and the positive electrode form a closed circuit by connecting to each other via a load circuit. At the negative electrode, hydrogen ions and electrons are generated from the electrolytic solution by the catalytic action of microorganisms. Then, the generated hydrogen ions move to the positive electrode via the electrolytic solution, and the electrons move to the positive electrode via the load circuit. Hydrogen ions and electrons transferred from the negative electrode combine with oxygen in the positive electrode and are consumed as water. At that time, the electric energy flowing through the closed circuit is recovered.
上記のような微生物燃料電池として、特許文献1に記載の微生物燃料電池が知られている。特許文献1には、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るカソードとを備える微生物燃料電池が記載されている。カソードは、一面が槽外部の空気と接触し、他面が電解液と接触している。また、カソードは、電極基材が炭素繊維系材料からなり、空気と接触する一面に、シリコーンと導電性物質を含有してなる止水層を有している。 As the above-mentioned microbial fuel cell, the microbial fuel cell described in Patent Document 1 is known. Patent Document 1 describes a microbial fuel cell including an electrolysis cell, an anode disposed inside the electrolysis cell, and a cathode disposed in the cell body of the electrolysis cell. One surface of the cathode is in contact with the air outside the cell, and the other surface is in contact with the electrolytic solution. Further, in the cathode, the electrode base material is made of a carbon fiber-based material, and a water blocking layer containing silicone and a conductive substance is provided on one surface in contact with air.
特許文献1に記載の正極(カソード)は、空気と接触する一面に止水層を有しているため、耐水性に優れている。しかしながら、このような微生物燃料電池では、水圧によってカソードが液相側から気相側へ圧迫される。そのため、微生物燃料電池を大型化した場合、水深の深い場所では、正極が水圧によって破損又は破裂することで電解液槽から電解液が漏水するおそれがある。 The positive electrode (cathode) described in Patent Document 1 has a water stop layer on one surface that comes into contact with air, and thus has excellent water resistance. However, in such a microbial fuel cell, the cathode is pressed from the liquid phase side to the gas phase side by water pressure. Therefore, when the size of the microbial fuel cell is increased, the electrolytic solution may leak from the electrolytic cell tank due to water pressure damage or rupture of the positive electrode in a deep water location.
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、電解液が正極から漏水するリスクを低減することが可能な微生物燃料電池及び液体処理ユニットを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems of the conventional technology. And an object of the present invention is to provide a microbial fuel cell and a liquid treatment unit capable of reducing the risk of electrolyte leakage from the positive electrode.
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る微生物燃料電池は、有機性物質を含む電解液を保持する電解液槽と、嫌気性微生物を担持し、電解液に浸漬された負極と、負極と電気的に接続され、空気極部を有する正極と、を備える。空気極部の一方の面は、鉛直方向において電解液の液面を跨いで、酸素を含む気相と接触する。電解液槽の底壁の内面から電解液の液面までの高さに対する空気極部の高さの比は、1/5以上2/3以下である。 To solve the above problems, the microbial fuel cell according to the first aspect of the present invention is an electrolytic solution tank for holding an electrolytic solution containing an organic substance, carrying anaerobic microorganisms, and immersed in the electrolytic solution. A negative electrode and a positive electrode electrically connected to the negative electrode and having an air electrode portion are provided. One surface of the air electrode portion straddles the liquid surface of the electrolytic solution in the vertical direction and comes into contact with the gas phase containing oxygen. The ratio of the height of the air electrode portion to the height from the inner surface of the bottom wall of the electrolytic solution tank to the liquid surface of the electrolytic solution is 1/5 or more and 2/3 or less.
本発明の第二の態様に係る液体処理ユニットは、微生物燃料電池を備える。 The liquid treatment unit according to the second aspect of the present invention includes a microbial fuel cell.
本開示によれば、電解液が正極から漏水するリスクを低減することが可能な微生物燃料電池及び液体処理ユニットを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a microbial fuel cell and a liquid treatment unit that can reduce the risk of electrolyte leakage from the positive electrode.
以下、本実施形態に係る微生物燃料電池及び液体処理ユニット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。 Hereinafter, the microbial fuel cell and the liquid treatment unit according to the present embodiment will be described in detail. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
[微生物燃料電池]
(第一実施形態)
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池100は、有機性物質を含む電解液4を保持する電解液槽1を備えている。電解液槽1に保持される電解液4は、例えば生活廃水や工場廃水などの廃水である。
[Microbial fuel cell]
(First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
電解液槽1は略直方体状の容器であり、電解液槽1の前壁1aの上部には、電解液4を電解液槽1に供給するための供給部2が設けられている。また、電解液槽1の後壁1bの上部には、処理後の電解液4を電解液槽1から排出するための排出部3が設けられている。
The electrolytic solution tank 1 is a substantially rectangular parallelepiped-shaped container, and a
なお、本実施形態では、供給部2及び排出部3は、電解液4を供給及び排出することができれば、設けられる位置は限定されず、任意の場所に設けられていればよい。また、本実施形態においては、電解液槽1が供給部2及び排出部3を有している例について説明しているが、電解液槽1は供給部2及び排出部3を有していなくてもよく、電解液槽1に電解液4を直接供給及び排出してもよい。また、一つの共通の給排出部が供給部2及び排出部3として設けられていてもよい。
In addition, in this embodiment, the
本実施形態に係る微生物燃料電池100は、電極カセット50を備えている。電極カセット50は、図1〜図3に示すように、正極5、負極6及びイオン移動層7からなる電極接合体20を備えている。負極6はイオン移動層7の一方の面7aに接触するように配置されており、正極5はイオン移動層7の面7aと反対側の面7bに接触するように配置されている。また、図2に示すように、正極5及び負極6は、それぞれ外部回路8と電気的に接続されている。
The
図3に示すように、電極接合体20は、カセット基材30に積層されている。カセット基材30は、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30は、2本の第一柱状部材31の底面を第二柱状部材32で連結した枠部材である。
As shown in FIG. 3, the
後述するように、正極5は撥水性を有する撥水層52を備えており、カセット基材30の側面33は撥水層52の面5aと接合されている。第一柱状部材31及び第二柱状部材32は、撥水層52における面5aの外周縁に沿って配置されている。また、第二柱状部材32は、積層方向Xに垂直な鉛直方向Yにおいて、電極接合体20の略中央部に設けられている。
As will be described later, the
図2に示すように、二組の電極接合体20とカセット基材30とを積層してなる電極カセット50は、大気と連通した気相10が形成されるように、電解液槽1の内部に配置される。撥水層52は撥水性を有しているため、電解液槽1の内部に保持された電解液4とカセット基材30の内部とは隔てられ、電極接合体20及びカセット基材30により形成された内部空間は気相10となっている。すなわち、本実施形態において、カセット基材30は、電解液4が気相10へ進入するのを阻止する止水部である。
As shown in FIG. 2, the
そして、微生物燃料電池100では、この気相10が外気に開放されるか、あるいはこの気相10へ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように構成されている。一方、電解液槽1の内部には被処理水である電解液4が保持されており、正極5の導電層53、負極6及びイオン移動層7は電解液4に浸漬されている。
In the
正極5は、図2に示すように、鉛直方向Yにおいて、上端側に設けられた空気極部54と、下端側に設けられた非空気極部55とを有している。
As shown in FIG. 2, the
空気極部54の一方の面5aは酸素を含む気相10と接触している。具体的には、空気極部54では、撥水層52と導電層53とが積層され、空気極部54における撥水層52側の面5a全体が気相10と直接接触している。また、空気極部54におけるもう一方の面5bはイオン移動層7の面7bと接触している。具体的には、空気極部54における導電層53側はイオン移動層7の面7b全体と接触している。
One
空気極部54を超えて気相10に電解液4が進入しないように、空気極部54の一方の面5aは、鉛直方向Yにおいて電解液4の液面4aを跨いで気相10と接触している。すなわち、空気極部54は電解液4の液面4aから上方に突き出すように配置され、鉛直方向Yにおいて、電解液4の液面4aと同一高さの面は、空気極部54と交差している。
One
空気極部54において、電解液4の液面4aから上方に突き出した部分の高さは、電解液4の液面4aが高くなった場合に、電解液4が気相10に電解液4が進入しないような高さであることが好ましい。空気極部54において、電解液4の液面4aから上方に突き出した部分の高さは、空気極部54の高さH2に対し、5%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましい。また、コスト削減の観点から、空気極部54において、電解液4の液面4aから上方に突き出した部分の高さは、空気極部54の高さH2に対し、30%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましい。
The height of the portion of the
非空気極部55は、気相10と直接接触していない。すなわち、非空気極部55は、気相10に直接露出していない。非空気極部55は、図2に示すように、鉛直方向Yにおいて、上端側に設けられた接合部56と、下端側に設けられた浸漬部57とを有している。接合部56は、空気極部54と浸漬部57との間に設けられている。
The
接合部56は、カセット基材30(止水部)と接合されており、気相10への電解液4の進入を阻止している。具体的には、接合部56において、撥水層52と導電層53とは積層されており、撥水層52の面5aとカセット基材30の側面33とが接合されている。
The joining
浸漬部57は、導電層53を有しており、電解液4中の溶存酸素を還元反応に利用することができる。正極5が電解液4中の溶存酸素を利用しやすいよう、導電層53の表面は電解液4に直接露出していることが好ましい。具体的には、非空気極部55において、導電層53の少なくとも一部の表面が撥水層52で覆われていないことが好ましく、導電層53の全ての表面が撥水層52で覆われていないことがより好ましい。
The
本実施形態に係る微生物燃料電池100では、電解液槽1の底壁1cの内面から電解液4の液面4aまでの高さH1に対する空気極部54の高さH2の比は、1/5以上2/3以下である。空気極部54の高さH2は、鉛直方向Yにおける、空気極部54の上端から下端までの長さに相当する。すなわち、空気極部54の高さH2は、鉛直方向Yにおける、空気極部54の上端から接合部56の上端までの長さに相当する。
In the
上記のように、高さH1に対する高さH2の比を1/5以上とすることによって、正極5は、空気に含まれる酸素を取り込むことができるため、正極5における反応を効果的に進行させることができる。また、高さH1に対する高さH2の比を2/3以下とすることによって、水深の深い電解液槽1を用いた場合であっても、正極5に高い水圧がかかるのを抑制することができる。そのため、水圧によって、正極5が電解液槽1側から気相10側へ圧迫され、破損又は破裂するのを抑制することができる。したがって、電解液4が正極5から漏水するリスクを低減することができる。
As described above, by setting the ratio of the height H2 to the height H1 to be ⅕ or more, the
電解液槽1の底壁1cの内面から電解液4の液面4aまでの高さH1は3m以上5m以下であることが好ましい。高さH1を3m以上とすることにより、微生物燃料電池100を大型化することができ、微生物燃料電池100における水処理及び発電効果を向上させることができる。また、高さH1を5m以下とすることにより、電解液4の不均一さを抑制し、水処理及び発電効果を向上させることができる。
The height H1 from the inner surface of the
空気極部54の高さH2は1m以上2m以下であることが好ましい。空気極部54の高さH2を1m以上とすることにより、正極5は空気に含まれる酸素を効果的に取り込むことができるため、正極5における反応を効果的に進行させることができる。また、空気極部54の高さH2を2m以下とすることにより、正極5に高い水圧がかかるのを抑制することができる。
The height H2 of the
したがって、電解液槽1の底壁1cの内面から電解液4の液面4aまでの高さH1は3m以上5m以下であり、空気極部54の高さH2は1m以上2m以下であることが好ましい。高さH1及び高さH2を上記の範囲内とすることにより、水深の深い電解液槽1を用いた場合であっても、正極5に高い水圧がかかるのをより抑制することができる。
Therefore, the height H1 from the inner surface of the
(正極)
正極5は、負極6と電気的に接続されている。正極5は、上述のように、撥水層52と、撥水層52上に積層された導電層53と、を備えるガス拡散電極からなる。そして、正極5の導電層53がイオン移動層7と接触し、撥水層52が気相10側に露出している。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相10中の酸素を正極5中の触媒に容易に供給することが可能となる。
(Positive electrode)
The
<撥水層>
正極5における撥水層52は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層52は、電極カセット50における電気化学系中の気相10と液相とを良好に分離しながら、気相10から液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層52は、気相10中の酸素を透過し、導電層53へ移動させつつも、電解液4が気相10側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
<Water repellent layer>
The
撥水層52は、酸素を含む気相10と接触しており、気相10中の酸素を拡散している。そして、撥水層52は、図2に示す構成では、導電層53に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層52は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、撥水層52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、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層52の内部に電解液4が染み込み難いため、撥水層52における気相10と接触する面から導電層53と対向する面にかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
The water-
撥水層52は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層52を構成する材料は、撥水性を有し、気相10中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層52を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチルセルロース、ポリ−4−メチルペンテン−1、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン(PDMS)などのシリコーン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。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。なお、撥水層52は、撥水層52及び導電層53の積層方向Xに貫通する複数の貫通孔を有することが好ましい。
The water-
撥水層52は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層52を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
The water-
<導電層>
正極5における導電層53は、多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、導電層53が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。正極5にこのような導電層53を使用することで、後述する局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路8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、導電層53には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電子が外部回路8から導電層53を通じて触媒に移動することにより、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
<Conductive layer>
The
正極5では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層52及び導電層53を効率よく透過し、触媒に供給されることが好ましい。そのため、導電層53は、撥水層52と対向する面から反対側の面にかけて、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、導電層53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、導電層53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
正極5において、導電層53に効率的に酸素を供給するために、撥水層52は、接着剤を介して導電層53と接合していることが好ましい。これにより、導電層53に対して拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層52と導電層53との間の接着性を確保する観点から、撥水層52と導電層53との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層52と導電層53との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素を導電層53に供給する観点から、接着剤は撥水層52と導電層53との間の全面に設けられていることがより好ましい。
In the
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。 The adhesive preferably has oxygen permeability and contains at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate, methacrylic acid-styrene copolymer, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber and silicone. A resin can be used.
ここで、本実施形態における正極5の導電層53について、さらに詳しく説明する。上述のように、導電層53は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備えるような構成とすることができる。
Here, the
導電層53における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群より選ばれる一種以上の材料から構成することができる。ここで、炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例としては、例えば、グラファイト、活性炭、カーボンブラック、バルカン(登録商標)XC−72R、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックなどのカーボンパウダー、グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布などのカーボンファイバー、カーボンプレート、カーボンペーパー、カーボンディスク、カーボンクロス、カーボンホイル、炭素粒子を圧縮成形した炭素系材料が挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような微細構造物質も挙げられる。さらに、導電層53における導電性材料としては、メッシュ及び発泡体等の金属材料も用いることができる。
The conductive material in the
導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマー又は二種以上のモノマーの重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、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が挙げられる。入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。 The conductive polymer is a general term for polymer compounds having conductivity. Examples of the conductive polymer include aniline, aminophenol, diaminophenol, pyrrole, thiophene, paraphenylene, fluorene, furan, acetylene, or a single monomer having a derivative thereof as a constituent unit or a polymer of two or more kinds of monomers. Can be mentioned. Specific examples of the conductive polymer include polyaniline, polyaminophenol, polydiaminophenol, polypyrrole, polythiophene, polyparaphenylene, polyfluorene, polyfuran, and polyacetylene. Examples of the conductive material made of metal include aluminum, copper, stainless steel, nickel and titanium. In consideration of availability, cost, corrosion resistance, durability, etc., the conductive material is preferably a carbon-based substance.
導電性材料の形状は、粉末形状又は繊維形状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片、貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えばカーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。 The shape of the conductive material is preferably a powder shape or a fiber shape. Further, the conductive material may be supported by the support. The support means a member which has rigidity by itself and can give a certain shape to the gas diffusion electrode. The support may be an insulator or a conductor. When the support is an insulator, examples of the support include glass, plastic, synthetic rubber, ceramics, water-resistant or water-repellent treated paper, plant pieces such as wood pieces, bone pieces, animal pieces such as shells, and the like. .. Examples of the support having a porous structure include porous ceramics, porous plastics and sponges. When the support is a conductor, examples of the support include carbon paper, carbon fiber, carbon-based substances such as carbon rods, metals, and conductive polymers. When the support is a conductor, the support can also function as a current collector by disposing a conductive material supporting a carbon-based material on the surface of the support.
導電層53における触媒は、白金系触媒、鉄又はコバルトを用いた炭素系触媒、部分酸化したタンタル炭窒化物(TaCNO)及びジルコニウム炭窒化物(ZrCNO)等の遷移金属酸化物系触媒、タングステン又はモリブデンを用いた炭化物系触媒、活性炭等を用いることができる。
The catalyst in the
導電層53における触媒は、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 catalyst in the
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。 It is preferable that the carbon-based material is further doped with one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. The amount of non-metal atoms doped in the carbon-based material may be appropriately set so that the carbon-based material has excellent catalytic 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, 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. It 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く、金属原子が鉄のみであってもよい。 The combination of metal atoms and non-metal atoms doped in the carbon-based material is appropriately selected. In particular, it is preferable that the non-metal atom contains nitrogen and the metal atom contains iron. In this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The non-metal atom may be only nitrogen, and 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 non-metal atom may include nitrogen and the metal atom may include at least one of cobalt and manganese. Also in this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The non-metal atom may be nitrogen only. Further, the metal atom may be only cobalt, only manganese, or only cobalt and manganese.
炭素系材料の形状は特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えば、炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くても、導電層53を構成することができる。
The shape of the carbon-based material is not particularly limited. For example, the carbon-based material may have a particle shape or a sheet shape. The size of the carbon-based material having a sheet shape is not particularly limited, and for example, the carbon-based material may have a minute size. The carbonaceous material having a sheet shape may be porous. The sheet-shaped and porous carbon-based material preferably has, for example, a woven cloth shape, a non-woven cloth shape, or the like. Such a carbon-based material can form the
導電層53における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、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。
The carbon-based material configured as the catalyst in the
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決定されることが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲内となるように決定され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. Furthermore, the metal compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a metal atom capable of coordinatively bonding with a non-metal atom doped in the carbon source material. Examples of the metal compound include inorganic metal salts such as metal chlorides, nitrates, sulfates, bromides, iodides, and fluorides, organic metal salts such as acetates, hydrates of inorganic metal salts, and organic metal salts. It is possible to use at least one selected from the group consisting of hydrates of For example, when graphite is doped with iron, the metal compound preferably contains iron(III) chloride. When the 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 determined such that the ratio of metal atoms in the metal compound to the carbon source material is within the range of 5 to 30% by mass, and the ratio is 5 to 20% by mass. More preferably, it is determined to be within the range.
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、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決定されることが好ましく、1:1.5〜1:1.8の範囲内となるように決定されることがより好ましい。 As described above, the non-metal compound is preferably at least one non-metal compound selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Examples of the nonmetallic compound include pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, octylboronic acid, 1,2-bis(diethylphosphinoethane), triphenylphosphite, and benzyldisulfide. At least one compound selected from the group consisting of can be used. The amount of the non-metal compound used is appropriately set according to the amount of the non-metal atom doped into the carbon source material. The amount of the non-metal compound used is preferably determined such that the molar ratio of the metal atom in the metal compound to the non-metal atom in the non-metal compound is in the range of 1:1 to 1:2. , 1:1.5 to 1:1.8 is more preferably determined.
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製する。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 non-metal compound, a metal compound, and a carbon source raw material when a carbon-based material configured as a catalyst is prepared is obtained, for example, as follows. First, a carbon source raw material, a metal compound and a non-metal compound are mixed, and a solvent such as ethanol is further added if necessary to prepare the total amount. These are further dispersed by an ultrasonic dispersion method. Then, after heating these at an appropriate temperature (for example, 60° C.), the mixture is dried to remove the solvent. As a result, a mixture containing the non-metal compound, the metal compound and the carbon source 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. As a result, the carbon source material is doped with a non-metal atom, and the non-metal atom and the metal atom are coordinate-bonded to each other, thereby doping the metal 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、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 carbonaceous material may be further acid washed. For example, the carbon-based material may be dispersed in pure water for 30 minutes with a homogenizer, and then the carbon-based material may be put into 2M sulfuric acid and stirred at 80° C. for 3 hours. In this case, elution of the metal component from the carbon-based material is 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 manufacturing method, a carbon-based material having a remarkably low content of an inert metal compound and a metal crystal and high conductivity can be obtained.
導電層53において、触媒は結着剤を用いて導電性材料に結着していてもよい。つまり、触媒は結着剤を用いて導電性材料の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電性材料から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びエチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)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好ましい。また、結着剤としては、NAFION(登録商標)を用いることも好ましい。
In the
(負極)
負極6は、嫌気性微生物を担持し、電解液4に浸漬されている。負極6は、嫌気性微生物の触媒作用により、電解液4中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、負極6は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。
(Negative electrode)
The
負極6は、導電性を有する導電体シートに嫌気性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6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7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6の導電体シートは、正極5、イオン移動層7及び負極6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、厚さ方向に貫通する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6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 penetrating in the thickness direction. Therefore, as the material forming the conductor sheet of the
負極6の導電体シートとして、正極5で使用し得る黒鉛シートを用いてもよい。また、負極6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5、イオン移動層7及び負極6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6の局部電池反応により生成した電子を外部回路8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 for the
負極6に担持される嫌気性微生物としては、電解液4中の有機性物質を分解して、水素イオン及び電子を生成する電流生成菌であれば特に限定されない。嫌気性微生物は、電解液4中の有機性物質を酸化分解するための酸素を必要としない。そのため、酸素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、嫌気性微生物は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 anaerobic microorganism carried on the
負極6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 microorganisms retained on the
負極6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6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6に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極6の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
The anaerobic microorganisms may be retained in the
負極6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、電解液槽1内の電解液4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6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。
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。電解液4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6へと受け渡す。この結果、電解液4における有機性物質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 of anaerobic microorganisms, electrons are exchanged within cells or with the final electron acceptor. When the mediator molecule is introduced into the
(イオン移動層)
本実施形態の電極カセット50は、正極5と負極6との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層7をさらに備える。そして、図1及び図2に示すように、負極6は、イオン移動層7を介して正極5と隔てられている。イオン移動層7は、負極6で生成した水素イオンを透過し、正極5側へ移動させる機能を有している。
(Ion transfer layer)
The
イオン移動層7としては、例えば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。
As the
また、イオン移動層7として、水素イオンが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7は、負極6から正極5へ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7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7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7の細孔径は、負極6から正極5に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
Further, as the
上述のように、イオン移動層7は、負極6で生成した水素イオンを透過し、正極5側へ移動させる機能を有する。ただ、例えば、負極6と正極5とが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極6から正極5へ移動することができる。そのため、微生物燃料電池100において、イオン移動層7は必須の構成要素ではない。しかし、イオン移動層7を設けることにより、負極6から正極5へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層7を設けることが好ましい。なお、正極5とイオン移動層7との間に間隔が設けられていてもよく、負極6とイオン移動層7との間も間隔が設けられていてもよい。
As described above, the
電極カセット50は、図2に示すように、負極6及び正極5に電気的に接続する外部回路8を備えている。ただ、電極カセット50では、外部回路8を介さず、導電部材を用いて、負極6及び正極5が電気的に直接接続されていてもよい。また、電極カセット50において、カセット基材30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。
As shown in FIG. 2, the
以上の通り、本実施形態に係る微生物燃料電池100は、有機性物質を含む電解液4を保持する電解液槽1と、嫌気性微生物を担持し、電解液4に浸漬された負極6と、負極6と電気的に接続され、空気極部54を有する正極5と、を備える。空気極部54の一方の面5aは、鉛直方向Yにおいて電解液4の液面4aを跨いで、酸素を含む気相10と接触する。電解液槽1の底壁1cの内面から電解液4の液面4aまでの高さH1に対する空気極部54の高さH2の比は、1/5以上2/3以下である。
As described above, the
したがって、正極5は、空気に含まれる酸素を効果的に取り込むことができるため、正極5における還元反応を効果的に進行させることができる。また、水深の深い電解液槽1を用いた場合であっても、正極5に高い水圧がかかるのを抑制することができる。そのため、水圧によって、正極5が電解液4相側から気相10側へ圧迫され、破損又は破裂するのを抑制することができる。したがって、微生物燃料電池100は、電解液槽1に保持された電解液4が正極5から漏水するリスクを低減することが可能となる。
Therefore, since the
なお、上述のように、正極5が浸漬部57を有している場合、電解液4中の溶存酸素を還元反応に利用することができるため、発電効率の観点から好ましい。ただし、上述のように、高さH1に対する空気極部54の高さH2の比が1/5以上2/3以下であれば、正極5の漏水リスクを低減することができる。そのため、図4に示すように、正極5は浸漬部57を有していなくてもよい。
In addition, as described above, when the
(第二実施形態)
次に、第二実施形態に係る微生物燃料電池について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Second embodiment)
Next, the microbial fuel cell according to the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図5に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池100Aは、有機性物質を含む電解液4を保持する電解液槽1を備えている。電解液槽1は略直方体状の容器であり、電解液槽1の前壁1aの下部には、電解液4を電解液槽1に供給するための供給部2が設けられている。また、電解液槽1の前壁1aの上部には、処理後の電解液4を電解液槽1から排出するための排出部3が設けられている。
As shown in FIG. 5, the
本実施形態に係る微生物燃料電池100Aは、第一実施形態と同様に、正極5、負極6及びイオン移動層7からなる電極接合体20を備えている。負極6はイオン移動層7の一方の面7aに接触するように配置されており、正極5はイオン移動層7の面7aと反対側の面7bに接触するように配置されている。また、図5に示すように、正極5及び負極6は、それぞれ外部回路8と電気的に接続されている。
The
図5に示すように、第二実施形態は第一実施形態と異なり、電極接合体20は、カセット基材30ではなく、電解液槽1の後壁1bに接合されている。具体的には、電解液槽1の後壁1bの内面は撥水層52の面5aと接合されている。撥水層52は撥水性を有しているため、電解液槽1の内部に保持された電解液4と電解液槽1の外側とは隔てられ、電極接合体20及び後壁1bにより形成された外部空間は気相10となっている。すなわち、本実施形態において、電解液槽1の後壁1bは、電解液4が気相10へ進入するのを阻止する止水部である。
As shown in FIG. 5, the second embodiment is different from the first embodiment in that the
正極5は、図5に示すように、鉛直方向Yにおいて、上端側に設けられた空気極部54と、下端側に設けられた接合部56(非空気極部55)とを有している。
As shown in FIG. 5, the
空気極部54における一方の面5aは酸素を含む気相10と接触している。具体的には、空気極部54では、撥水層52と導電層53とが積層され、空気極部54における撥水層52側の面5a全体が気相10と直接接触している。また、空気極部54を超えて気相10に電解液4が移動しないように、空気極部54における一方の面5aは、鉛直方向Yにおいて電解液4の液面4aを跨いで気相10と接触している。
One
接合部56は、気相10と直接接触していない。すなわち、接合部56は、気相10に直接露出していない。接合部56は、後壁1b(止水部)と接合されており、気相10への電解液4の進入を阻止している。具体的には、接合部56において、撥水層52と導電層53とは積層されており、撥水層52の面5aと後壁1bの内面とが接合されている。なお、本実施形態では、正極5は浸漬部57を有していないが、接合部56の下端側において、撥水層52を除去するなどして浸漬部57を形成してもよい。
The
電解液槽1の底壁1cの内面から電解液4の液面4aまでの高さH1に対する空気極部54の高さH2の比は、第一実施形態と同様に、1/5以上2/3以下である。空気極部54の高さH2は、鉛直方向Yにおける、空気極部54の上端から下端までの長さに相当する。すなわち、空気極部54の高さH2は、鉛直方向Yにおける、空気極部54の上端から接合部56の上端までの長さに相当する。
The ratio of the height H2 of the
第一実施形態と同様に、高さH1に対する高さH2の比を1/5以上2/3以下とすることによって、正極5は酸素を効果的に取り込むことができ、かつ、水深の深い電解液槽1を用いた場合であっても、正極5に高い水圧がかかるのを抑制することができる。そのため、水圧によって、正極5が電解液槽1側から気相10側へ圧迫され、破損又は破裂するのを抑制することができる。したがって、電解液4が正極5から漏水するリスクを低減することができる。
[液体処理ユニット]
次に、本実施形態に係る液体処理ユニットについて説明する。本実施形態の液体処理ユニットは、上述の微生物燃料電池を備える。
As in the first embodiment, by setting the ratio of the height H2 to the height H1 to be ⅕ or more and ⅔ or less, the
[Liquid processing unit]
Next, the liquid processing unit according to this embodiment will be described. The liquid treatment unit of the present embodiment includes the above-mentioned microbial fuel cell.
上述のように、本実施形態の微生物燃料電池は、有機性物質を含有する電解液4を負極6に供給している。そして、負極6に担持された微生物の代謝により、電解液4中の有機性物質から水素イオン及び電子と共に、二酸化炭素又は窒素を生成している。
As described above, in the microbial fuel cell of this embodiment, the
具体的には、例えば電解液4が有機物としてグルコースを含有する場合、以下の局部電池反応により、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成している。
・負極6(アノード):C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e−
・正極5(カソード):6O2+24H++24e−→12H2O
Specifically, for example, when the
Negative electrode 6 (anode): C 6 H 12 O 6 +6H 2 O→6CO 2 +24H + +24e −
・Positive electrode 5 (cathode): 6O 2 +24H + +24e − →12H 2 O
このように、液体処理ユニットとして微生物燃料電池を用いることにより、電解液4中の有機性物質が負極6に接触して酸化分解されるため、電解液4を浄化することができる。また、上述のように、電解液槽1に、電解液4を電解液槽1に供給するための供給部2と、処理後の電解液4を電解液槽1から排出するための排出部3を設け、電解液4を連続的に供給することができる。そのため、負極6に電解液4を連続的に接触させ、電解液4を効率的に処理することが可能となる。
As described above, by using the microbial fuel cell as the liquid treatment unit, the organic substance in the
以下、本実施形態を実施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, but the present embodiment is not limited to these examples.
[微生物燃料電池の作製]
(実施例1)
まず、ポリオレフィン製撥水層に、接着剤であるシリコーン樹脂を塗布した後、導電層であるグラファイトホイルを接合することにより、撥水層/シリコーン接着剤/導電層からなる積層シートを作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製の一液型RTVゴムKE−3475−Tを使用した。グラファイトホイルは、日立化成工業株式会社製のものを使用した。
[Production of microbial fuel cell]
(Example 1)
First, a polyolefin resin water-repellent layer was coated with a silicone resin that was an adhesive, and then a graphite foil that was a conductive layer was joined to prepare a laminated sheet composed of a water-repellent layer/silicone adhesive/conductive layer. As the water-repellent layer, SERPUI (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used. As the silicone resin, one-pack type RTV rubber KE-3475-T manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. The graphite foil used was made by Hitachi Chemical Co., Ltd.
次に、グラファイトホイルにおける撥水層とは反対側の面に、酸素還元触媒とPTFE(Aldrich社製)とを混合してなる触媒層をプレス成形することにより、ガス拡散電極を作製した。なお、酸素還元触媒は、目付け量が6mg/cm2となるようにプレス成形した。 Next, a gas diffusion electrode was produced by press-molding a catalyst layer formed by mixing an oxygen reduction catalyst and PTFE (manufactured by Aldrich) on the surface of the graphite foil opposite to the water-repellent layer. The oxygen reduction catalyst was press-molded so that the basis weight was 6 mg/cm 2 .
なお、酸素還元触媒は、次のように調製した。まず、容器内に、3gのカーボンブラック、0.1Mの塩化鉄(III)水溶液、及び0.15Mのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックECP600JDを使用した。0.1M塩化鉄(III)水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が10質量%になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで、全量を9mLに調整した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で60℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄(III)、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。 The oxygen reduction catalyst was prepared as follows. First, a mixed solution was prepared by placing 3 g of carbon black, a 0.1 M aqueous solution of iron(III) chloride, and a 0.15 M solution of pentaethylenehexamine in ethanol in a container. As the carbon black, Ketjenblack ECP600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd. was used. The amount of the 0.1 M iron(III) chloride aqueous solution used was adjusted so that the ratio of iron atoms to carbon black was 10% by mass. The total amount was adjusted to 9 mL by further adding ethanol to this mixed solution. Then, this mixed liquid was ultrasonically dispersed and then dried at a temperature of 60° C. in a dryer. As a result, a sample containing carbon black, iron (III) chloride, and pentaethylenehexamine was obtained.
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を900℃の炉に入れてから45秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に3秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を300℃/sに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却した。これにより酸素還元触媒を得た。 Then, this sample was packed into one end of the quartz tube, and then the inside of the quartz tube was replaced with argon. This quartz tube was put in a furnace at 900° C. and then withdrawn in 45 seconds. When inserting the quartz tube into the furnace, the quartz tube was inserted into the furnace for 3 seconds to adjust the heating rate of the sample at the start of heating to 300° C./s. Subsequently, the sample was cooled by circulating argon gas in the quartz tube. As a result, an oxygen reduction catalyst was obtained.
さらに、上述のようにして得られたガス拡散電極を、図1及び図2に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、正極を作製した。そして、当該正極と、炭素材料(グラファイトホイル)からなる負極とを、供給部を有し、容量が300mLである電解液槽内に設置した。さらに、正極と負極との間にポリオレフィン製不織布を設置した。そして、正極と負極を負荷回路に接続した。 Further, the gas diffusion electrode obtained as described above was laminated on a cassette substrate as shown in FIGS. 1 and 2 to provide an air intake section, thereby producing a positive electrode. Then, the positive electrode and the negative electrode made of a carbon material (graphite foil) were installed in an electrolytic solution tank having a supply part and having a capacity of 300 mL. Further, a polyolefin nonwoven fabric was placed between the positive electrode and the negative electrode. Then, the positive electrode and the negative electrode were connected to a load circuit.
次に、ポリオレフィン製撥水層を、図1及び図2に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、酸素供給部を作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。そして、酸素供給部を、排出部を有し、容量が300mLである電解液槽内に設置した。 Next, the water repellent layer made of polyolefin was laminated on the cassette base material as shown in FIGS. 1 and 2 to provide an air intake section, thereby producing an oxygen supply section. As the water-repellent layer, SERPUI (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used. And the oxygen supply part was installed in the electrolytic solution tank which has a discharge part and has a capacity of 300 mL.
そして、図1及び図2に示すように、電解液槽の内部を電解液で満たすようにした。なお、電解液は、スターチ、ペプトン、酵母抽出物、尿素、リン酸二水素カリウム、塩化カルシウム、硫化マグネシウム、塩化カリウム及び炭酸水素ナトリウムを脱イオン水に溶解させ、全有機体炭素(TOC)が800mg/Lとなるように調製した。また、pHを安定させるため、バッファとして炭酸水素ナトリウムを20mMとなるように加えた。さらに、電解液槽には、発電を行う嫌気性微生物を含む土壌微生物を植種した。このようにして、本例の微生物燃料電池を得た。 Then, as shown in FIGS. 1 and 2, the inside of the electrolytic solution tank was filled with the electrolytic solution. The electrolytic solution was prepared by dissolving starch, peptone, yeast extract, urea, potassium dihydrogen phosphate, calcium chloride, magnesium sulfide, potassium chloride and sodium hydrogen carbonate in deionized water to obtain total organic carbon (TOC). It was adjusted to 800 mg/L. Further, in order to stabilize the pH, sodium hydrogen carbonate was added as a buffer to a concentration of 20 mM. Furthermore, soil microorganisms including anaerobic microorganisms that generate electricity were planted in the electrolytic solution tank. Thus, the microbial fuel cell of this example was obtained.
(実施例2)
図4に示すように、正極下部の浸漬部を除去した以外は、実施例1と同様の方法により微生物燃料電池を得た。
(Example 2)
As shown in FIG. 4, a microbial fuel cell was obtained by the same method as in Example 1 except that the immersed portion under the positive electrode was removed.
[評価]
電解液槽内の電解液の水理学的滞留時間が24時間、水温が30℃となるように、微生物燃料電池を運転し、運転立ち上げから15日目までの平均出力密度を測定した。
[Evaluation]
The microbial fuel cell was operated so that the hydraulic retention time of the electrolytic solution in the electrolytic solution tank was 24 hours and the water temperature was 30° C., and the average power density from the 15th day after the start of the operation was measured.
実施例1に係る微生物燃料電池では、運転立ち上げから15日目までの平均出力密度は197mW/m2であった。一方、実施例2に係る微生物燃料電池では、運転立ち上げから15日目までの平均出力密度は128mW/m2であった。 In the microbial fuel cell according to Example 1, the average power density from the start of operation to the 15th day was 197 mW/m 2 . On the other hand, in the microbial fuel cell according to Example 2, the average output density from the start of operation to the 15th day was 128 mW/m 2 .
上記結果から、浸漬された正極の下部においても電解液中の溶存酸素を還元することで、実施例1の微生物燃料電池は実施例2の微生物燃料電池よりも平均出力密度が1.5倍向上した。これにより高い水圧がかかる電解液槽の深い部分では正極の空気極部が形成されるのを避けつつも、電解液に浸漬された正極の浸漬部を配置することで、より高い出力密度が得られることが示された。 From the above results, by reducing the dissolved oxygen in the electrolytic solution even in the lower part of the immersed positive electrode, the microbial fuel cell of Example 1 has an average power density improved by 1.5 times as compared with the microbial fuel cell of Example 2. did. As a result, a higher power density can be obtained by arranging the positive electrode soaked part in the electrolytic solution while avoiding formation of the positive electrode air electrode part in the deep part of the electrolytic solution tank where high water pressure is applied. It was shown that
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。 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.
1 電解液槽
1c 底壁
4 電解液
4a 液面
5 正極
6 負極
10 気相
52 撥水層
53 導電層
54 空気極部
100,100A 微生物燃料電池
H1 電解液槽の底壁の内面から電解液の液面までの高さ
H2 空気極部の高さ
Y 鉛直方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
嫌気性微生物を担持し、前記電解液に浸漬された負極と、
前記負極と電気的に接続され、空気極部を有する正極と、
を備え、
前記空気極部の一方の面は、鉛直方向において前記電解液の液面を跨いで、酸素を含む気相と接触し、
前記電解液槽の底壁の内面から前記電解液の液面までの高さに対する前記空気極部の高さの比は、1/5以上2/3以下である、微生物燃料電池。 An electrolytic solution tank holding an electrolytic solution containing an organic substance,
Supporting anaerobic microorganisms, the negative electrode immersed in the electrolytic solution,
A positive electrode electrically connected to the negative electrode and having an air electrode portion,
Equipped with
One surface of the air electrode portion straddles the liquid surface of the electrolytic solution in the vertical direction, and is in contact with a gas phase containing oxygen,
The microbial fuel cell, wherein the ratio of the height of the air electrode portion to the height from the inner surface of the bottom wall of the electrolytic solution tank to the liquid surface of the electrolytic solution is 1/5 or more and 2/3 or less.
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