JP5248984B2 - Biofuel cell - Google Patents

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Description

この発明は、水素産生菌によって産生する水素ガスを活用したバイオ燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a biofuel cell using hydrogen gas produced by hydrogen producing bacteria.

現在、地球環境と資源の問題を解決するために二酸化炭素（ＣＯ２）排出量の削減に向け、また世界的なクリーンエネルギー産出に向けて様々な研究が行われている。 Currently, various researches are being conducted to reduce carbon dioxide (CO 2 ) emissions in order to solve global environmental and resource problems and to produce clean energy worldwide.

そのなかの一つとして、化石燃料を燃焼させて発電する方法に替えて、各種燃料電池の開発が進められている。燃料電池とは、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを化学反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生成する際の電気エネルギーを得る発電装置である。 As one of them, various fuel cells are being developed in place of the method of generating power by burning fossil fuel. A fuel cell is a power generator that obtains electric energy when hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are chemically reacted to produce water (H 2 O).

特に近年、燃料電池に供給する水素の供給源として、水素産生能を持つ菌体（例えば酪酸菌など）やそれらの水素産生酵素を活用することで、水素ガスを産出する技術が提案されている（例えば特許文献１）。   Particularly, in recent years, as a hydrogen supply source for supplying fuel cells, a technique for producing hydrogen gas by utilizing a cell having hydrogen-producing ability (for example, butyric acid bacteria) or a hydrogen-producing enzyme thereof has been proposed. (For example, patent document 1).

この水素産生菌による方法によれば、水素産生菌の生育環境を良好に保つことにより、連続的に水素を得ることができ、発電を行うことができる。
特開２００５−２７００４６号公報 According to this method using hydrogen-producing bacteria, hydrogen can be continuously obtained and power can be generated by maintaining a favorable growth environment for the hydrogen-producing bacteria.
JP 2005-270046 A

しかしながら、上記従来の水素産生菌により水素を生成する技術では、産生した水素を貯留しておく技術に関しては、未だ検討の余地が残されていた。   However, in the above-described conventional technology for generating hydrogen using hydrogen-producing bacteria, there is still room for study regarding the technology for storing the produced hydrogen.

すなわち、上記従来の技術では、微生物により恒に水素を産生できるにもかかわらず、発電を要しない時に、余剰の水素を貯留しておく手段に関して何等考慮されていない。   That is, in the above-described conventional technology, no consideration is given to a means for storing surplus hydrogen when power generation is not required even though hydrogen can be constantly produced by microorganisms.

勿論、水素産生菌により得られた水素をタンク等に圧搾して貯留することは可能であると思われるものの、圧搾した水素は、取扱いの上で安全性に問題がある。   Of course, although it seems that it is possible to squeeze and store hydrogen obtained by hydrogen producing bacteria in a tank or the like, the squeezed hydrogen has a problem in safety in handling.

それゆえ、例えば、自動車やパーソナルコンピュータ、携帯電話などの電子機器の燃料電池として用いるのは困難であった。   Therefore, for example, it has been difficult to use as a fuel cell for electronic devices such as automobiles, personal computers, and mobile phones.

そこで、本発明は、水素ガスを微生物により産生するとともに、安全に持ち運びが可能なように貯蔵し、しかも、貯蔵した水素ガスを容易に抽出できるバイオ燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a biofuel cell that can produce hydrogen gas by microorganisms, store it so that it can be safely carried, and easily extract the stored hydrogen gas.

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、供給された水素のイオン化に伴い負極となる水素電極と、供給された酸素のイオン化に伴い正極となる酸素電極とを備え、水素電極に水素を供給すると共に、酸素電極に酸素を供給することにより、両電極間に電圧勾配を生じさせる燃料電池において、水素電極に供給する水素を発生させる水素発生部を備え、同水素発生部は、固形状または半固形状の培地からなり、同培地中に植菌して糖類を充填し培養した水素産生菌から発生する代謝ガスを内部に気泡状態で貯蔵する代謝ガス貯蔵手段と、該培地の粘度を低下させて、代謝ガス貯蔵手段に気泡状態で貯蔵した代謝ガスを放出させる代謝ガス放出手段と、代謝ガス貯蔵手段より放出された代謝ガスから水素ガスを抽出する水素ガス選別手段とを備えることを特徴とするバイオ燃料電池である。   In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 includes a hydrogen electrode that becomes a negative electrode as a result of ionization of supplied hydrogen, and an oxygen electrode that becomes a positive electrode as a result of ionization of supplied oxygen, In a fuel cell in which hydrogen is supplied to the electrode and oxygen is supplied to the oxygen electrode to generate a voltage gradient between the two electrodes, the fuel cell includes a hydrogen generator that generates hydrogen to be supplied to the hydrogen electrode. Comprises a solid or semi-solid medium, metabolic gas storage means for storing in a bubble state the metabolic gas generated from hydrogen-producing bacteria inoculated into the medium, filled with saccharides and cultured. Metabolic gas releasing means for reducing the viscosity of the medium and releasing metabolic gas stored in the metabolic gas storage means in a bubble state, and hydrogen gas for extracting hydrogen gas from the metabolic gas released from the metabolic gas storing means A biofuel cell, characterized in that it comprises a separate unit.

また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、培地は、寒天培地としたものである。   In the invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, the medium is an agar medium.

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２記載の発明において、水素産生菌は、酪酸菌の純菌体としたことを特徴とするものである。   The invention described in claim 3 is characterized in that, in the invention described in claim 1 or claim 2, the hydrogen-producing bacteria are pure cells of butyric acid bacteria.

また、請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３記載の発明において、代謝ガス放出手段は、アルカリ性液体または酸性液体のいづれか一の液体を充填して、固体担体のペーハー（ｐＨ）値を４．０より小さくまたは１２．０より大きくしたものである。   Further, in the invention according to claim 4, in the invention according to claim 2 or claim 3, the metabolic gas releasing means is filled with either one of an alkaline liquid and an acidic liquid, and the pH of the solid carrier (pH ) The value is less than 4.0 or greater than 12.0.

また、請求項５に記載の発明では、請求項２または請求項３記載の発明において、代謝ガス放出手段は、培地を加温して粘度を低下させるものである。   Further, in the invention described in claim 5, in the invention described in claim 2 or claim 3, the metabolic gas releasing means warms the medium to lower the viscosity.

また、請求項６記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１項記載のの発明において、酸素電極に供給する酸素を発生させる酸素発生部を備え、同酸素供給部は、藍藻類細菌を培養することにより酸素を発生させるものである。   Moreover, in invention of Claim 6, in the invention of any one of Claims 1-5, the oxygen generation part which generate | occur | produces the oxygen supplied to an oxygen electrode is provided, The oxygen supply part is cyanobacteria bacteria. Is used to generate oxygen.

また、請求項７記載の発明では、請求項６記載の発明において、水素産生菌は、酪酸菌と紅色細菌とを混合して培養したものであり、糖類は、グルコースとしたものである。   In the invention described in claim 7, in the invention described in claim 6, the hydrogen-producing bacterium is a culture obtained by mixing butyric acid bacteria and red bacteria, and the saccharide is glucose.

また、請求項８記載の発明では、請求項１〜７記載のいずれか１項記載の発明において、バイオ燃料電池で生じる熱エネルギーを水素産生菌の培養熱として供給するものである。 Moreover, in invention of Claim 8, in the invention of any one of Claims 1-7, the heat energy which arises in a biofuel cell is supplied as culture | cultivation heat | fever of hydrogen producing bacteria.

請求項１に記載の発明によれば、培養した水素産生菌を固体担体に埴菌して培養させて固体担体に代謝ガスを貯蔵させたことにより、燃料電池に必要な水素ガスを高圧縮化して持ち運ばなくてもよくなり、必要なときにまた必要な場所で固体担体を液化することで水素ガスを得ることができるので、運搬性に優れたバイオ燃料電池を提供できるようになる。   According to the first aspect of the present invention, the hydrogen gas necessary for the fuel cell is highly compressed by culturing the cultured hydrogen-producing bacterium on a solid carrier and culturing the same to store the metabolic gas in the solid carrier. The hydrogen gas can be obtained by liquefying the solid support when necessary and at a necessary place, so that a biofuel cell having excellent transportability can be provided.

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１発明において、固体担体は、寒天培地としたことにより、寒天培地内に水素ガスを貯蔵することができるので、固体担体として持ち運びが可能な水素源とすることができるようになる。また、寒天培地は、ペーハーを変えると、また、加温することで容易に液化することができるので、貯蔵した水素ガスを必要に応じて抽出することができるようになる。   Further, according to the invention of claim 2, in the invention of claim 1, since the solid carrier is an agar medium, hydrogen gas can be stored in the agar medium, so that it can be carried as a solid carrier. A new hydrogen source. Moreover, since the agar medium can be easily liquefied by changing the pH and heating, the stored hydrogen gas can be extracted as necessary.

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明において、水素産生菌は酪酸菌の純菌体としたことにより、ガス改質をせずに直接水素源として利用できるようになるので、コンパクトな燃料電池などの水素源として利用できるようになる。   According to the invention described in claim 3, in the invention described in claim 1 or claim 2, since the hydrogen-producing bacterium is a pure cell of butyric acid bacteria, a direct hydrogen source without gas reforming Can be used as a hydrogen source for a compact fuel cell or the like.

また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一記載の発明において、固体担体にアルカリ性液体または酸性液体のいづれか一の処理剤を充填してペーハー（ｐＨ）を４．０より小さくまたは１２．０より大きくしたことにより、固体担体を液化することができるので、固体担体内に貯蔵した水素を水素ガスとして取り出すことができるようになる。   According to the invention described in claim 4, in the invention described in any one of claims 1 to 3, the solid carrier is filled with either one of an alkaline liquid or an acidic liquid and pH (pH) is set. By making it smaller than 4.0 or larger than 12.0, the solid support can be liquefied, so that hydrogen stored in the solid support can be taken out as hydrogen gas.

また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一記載の発明において、固体担体を加温することにより、固体担体を液化することができるので、固体担体内に貯蔵した水素を水素ガスとして取り出すことができるようになる。   According to the invention of claim 5, in the invention of any one of claims 1 to 3, the solid support can be liquefied by heating the solid support. The stored hydrogen can be taken out as hydrogen gas.

また、請求項６に記載の発明によれば、燃料電池の酸素電極に供給する酸素ガスは、藍藻類細菌で産生したことにより、嫌気条件で燃料電池での発電をすることができるようになり、宇宙ステーションなどでの発電源としても利用可能となる。   Further, according to the invention described in claim 6, since the oxygen gas supplied to the oxygen electrode of the fuel cell is produced by cyanobacteria, it is possible to generate power in the fuel cell under anaerobic conditions. It can also be used as a power generation source for space stations.

また、請求項７に記載の発明によれば、水素産生菌は、酪酸菌と紅色細菌とを混合して培養したものであり、固定担体に充填する基質を、グルコースとしたことにより、酪酸菌で生じた酪酸を紅色細菌で水素ガスを発生し、効率的な水素ガスを産生することができる。また、藍色細菌で生じたグルコースを再度酪酸菌によって水素ガスを産生できるような循環型のバイオ燃料電池とすることができる。   Further, according to the invention described in claim 7, the hydrogen-producing bacterium is a culture obtained by mixing butyric acid bacteria and red bacteria, and the substrate filled in the fixed carrier is glucose. The butyric acid produced in step 1 can be generated with red bacteria to generate hydrogen gas, thereby producing efficient hydrogen gas. Moreover, it can be set as the circulation type biofuel cell which can produce hydrogen gas again by butyric acid bacteria with the glucose produced in cyanobacteria.

また、請求項８に記載の発明によれば、バイオ燃料電池で生じる熱エネルギーを水素産生菌の培養熱として供給することにより、熱エネルギーの有効活用が可能となり、省電力化を可能とするものである。   According to the invention described in claim 8, by supplying the heat energy generated in the biofuel cell as the culture heat of the hydrogen-producing bacteria, it is possible to effectively use the heat energy and to save power. It is.

以下、本実施形態に係るバイオ燃料電池Ａについて図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るバイオ燃料電池Ａの全体構成を示した概念図である。なお、以下の説明において図面に示す構成は、本発明の概念の一実施形態としてプラント様に具体化したものであり、必ずしもこれに限定されるものではない。   Hereinafter, the biofuel cell A according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a biofuel cell A according to the present embodiment. In addition, the structure shown to drawing in the following description is actualized like a plant as one Embodiment of the concept of this invention, and is not necessarily limited to this.

すなわち、以下に示す構成を適宜縮小したり変形して、自動車やパーソナルコンピュータ、携帯電話などの電子機器の燃料電池として利用可能であるのは勿論である。   That is, it is needless to say that the following configuration can be appropriately reduced or modified to be used as a fuel cell for electronic devices such as automobiles, personal computers, and mobile phones.

図１に示すように、バイオ燃料電池Ａは、燃料電池本体10と、同燃料電池本体10に水素ガスを供給する水素発生部11と、燃料電池本体10に空気を送気して酸素を供給する酸素供給部12とで構成している。   As shown in FIG. 1, the biofuel cell A includes a fuel cell main body 10, a hydrogen generator 11 that supplies hydrogen gas to the fuel cell main body 10, and air is supplied to the fuel cell main body 10 to supply oxygen. And an oxygen supply unit 12 that performs the operation.

燃料電池本体10は、水素発生部11から供給された水素を燃料とする一方、酸素供給部12から供給された空気中の酸素を酸化剤として電力を取り出す化学電池である。   The fuel cell main body 10 is a chemical cell that uses hydrogen supplied from the hydrogen generation unit 11 as fuel and extracts electric power using oxygen in the air supplied from the oxygen supply unit 12 as an oxidant.

燃料電池本体10は、水素と酸素とにより発電を行うセル体18と、同セル体18の発電時に生じる熱を吸収する熱交換部19とを備えている。   The fuel cell main body 10 includes a cell body 18 that generates power using hydrogen and oxygen, and a heat exchange unit 19 that absorbs heat generated when the cell body 18 generates power.

セル体18は、水素発生部11より供給された水素のイオン化に伴い負極となる水素電極13と、酸素供給部12より供給された空気中の酸素のイオン化に伴い正極となる酸素電極14と、水素発生部11より供給された水素を水素電極13に効率よく接触させるための水素側電極接触流路部16と、酸素電極14にも酸素供給部12より供給された空気（酸素）を酸素電極14に効率よく接触させるための酸素側電極接触流路部17とが備えられている。   The cell body 18 includes a hydrogen electrode 13 that becomes a negative electrode along with ionization of hydrogen supplied from the hydrogen generation unit 11, and an oxygen electrode 14 that functions as a positive electrode along with ionization of oxygen in the air supplied from the oxygen supply unit 12. A hydrogen-side electrode contact channel 16 for efficiently bringing hydrogen supplied from the hydrogen generator 11 into contact with the hydrogen electrode 13 and air (oxygen) supplied also from the oxygen supplier 12 to the oxygen electrode 14 An oxygen-side electrode contact flow path portion 17 for efficiently contacting the electrode 14 is provided.

そして、水素電極13と酸素電極14との間には、固体高分子膜状の電解質15をサンドイッチ状に介設している。   A solid polymer membrane electrolyte 15 is interposed between the hydrogen electrode 13 and the oxygen electrode 14 in a sandwich shape.

また、水素側電極接触流路部16には、供給された代謝ガスのうち、反応に供されなかったガスを排気する排ガス管34が配設されており、また、酸素側電極接触流路部17には、セル体18での発電に伴って生成する水を排出するためのドレン管35が配設されている。   Further, the hydrogen side electrode contact flow path portion 16 is provided with an exhaust gas pipe 34 for exhausting the gas that has not been subjected to the reaction among the supplied metabolic gases, and the oxygen side electrode contact flow path portion. 17 is provided with a drain pipe 35 for discharging water generated by the power generation in the cell body 18.

熱交換部19は、セル体18の周囲に熱媒体流体（例えば、水）を流通させる流路管を配設して形成しており、同流路管に熱媒体流体を流通させることにより、セル体18での発電に伴って生じた熱を奪うと共に、その熱を水素発生部11へ運搬する役割を担っている。具体的には、熱交換部19を形成する流路管は、後述する水素発生部11の熱媒体循環ポンプ22へ接続されている。   The heat exchanging unit 19 is formed by arranging a flow path pipe for circulating a heat medium fluid (for example, water) around the cell body 18, and by circulating the heat medium fluid through the flow path pipe, The heat generated by the power generation in the cell body 18 is taken away and the heat is transported to the hydrogen generator 11. Specifically, the flow path tube forming the heat exchange unit 19 is connected to a heat medium circulation pump 22 of the hydrogen generation unit 11 described later.

水素発生部11は、微生物によって代謝ガスを発生させる培養タンク20と、発生させた代謝ガスから夾雑ガスを除去して、代謝ガス中の水素の濃度を高めるガス改質機21と、前述の熱交換部19と培養タンク20との間で熱媒体流体を循環させるための熱媒体循環ポンプ22とを備えている。   The hydrogen generation unit 11 includes a culture tank 20 that generates metabolic gas by microorganisms, a gas reformer 21 that removes contaminant gas from the generated metabolic gas and increases the concentration of hydrogen in the metabolic gas, and the above-described heat. A heat medium circulation pump 22 for circulating the heat medium fluid between the exchange unit 19 and the culture tank 20 is provided.

培養タンク20は、内部に収容した培地中で水素産生菌を培養して水素を含有する代謝ガスを発生させると共に、代謝ガスを貯留する部位である。この培養タンク20は、本発明の要部を成すものであり、後に詳述する。   The culture tank 20 is a part for culturing hydrogen-producing bacteria in a medium housed therein to generate a metabolic gas containing hydrogen and to store the metabolic gas. The culture tank 20 is a main part of the present invention and will be described in detail later.

培養タンク20の上部からは、発生させた代謝ガスを送給する代謝ガス送給管23が延出しており、その先端はガス改質機21に接続されている。   From the upper part of the culture tank 20, a metabolic gas supply pipe 23 for supplying the generated metabolic gas extends, and the tip thereof is connected to the gas reformer 21.

ガス改質機21は、培養タンク20にて発生させた代謝ガス中の水素濃度を高める装置である。この代謝ガス中の水素を高める方法については、公知の方法を適宜使用することができる。特に本実施形態では、代謝ガスを構成する成分を比重により分離して水素ガスの濃度を高めることとしている。   The gas reformer 21 is a device that increases the hydrogen concentration in the metabolic gas generated in the culture tank 20. As a method for increasing hydrogen in the metabolic gas, a known method can be appropriately used. In particular, in this embodiment, the concentration of hydrogen gas is increased by separating components constituting the metabolic gas by specific gravity.

このガス改質機21からは、改質したガス（以下、改質ガスという。）を燃料電池本体10へ送給する改質ガス送給管24が延出しており、その先端部は水素側電極接触流路部16に接続されている。   Extending from the gas reformer 21 is a reformed gas feed pipe 24 for feeding the reformed gas (hereinafter referred to as reformed gas) to the fuel cell main body 10, and the tip of the reformed gas feed pipe 24 is on the hydrogen side. It is connected to the electrode contact channel portion 16.

熱媒体循環ポンプ22は、燃料電池本体10での反応時に生成する熱を、培養タンク20における水素産生菌の培養に要する熱として供給するための手段である。換言すれば、培養タンク20を水素産生菌の培養至適温度に保つために、燃料電池本体10にて生じた熱を熱媒体循環ポンプ22を介して供給するようにしている。   The heat medium circulation pump 22 is means for supplying heat generated during the reaction in the fuel cell main body 10 as heat necessary for culturing hydrogen-producing bacteria in the culture tank 20. In other words, heat generated in the fuel cell main body 10 is supplied via the heat medium circulation pump 22 in order to keep the culture tank 20 at the optimum temperature for culturing hydrogen-producing bacteria.

すなわち、熱交換部19と熱媒体循環ポンプ22と、培養タンク20（後述するジャケット部33）とで、培養タンク20を水素産生菌の培養至適温度に保つための熱供給手段として機能させている。   That is, the heat exchange unit 19, the heat medium circulation pump 22, and the culture tank 20 (jacket unit 33 described later) function as a heat supply means for maintaining the culture tank 20 at the optimum temperature for culturing hydrogen-producing bacteria. Yes.

なお、本実施形態では、培養タンク20と燃料電池本体10との間で水を媒体として熱交換を行うことにより、燃料電池本体10にて生じた熱を培養タンク20に供給可能としているが、燃料電池本体10にて発生した熱を培養タンク20へ供給可能なシステムであれば特に限定されるものではない。   In the present embodiment, the heat generated in the fuel cell body 10 can be supplied to the culture tank 20 by performing heat exchange between the culture tank 20 and the fuel cell body 10 using water as a medium. There is no particular limitation as long as the system can supply heat generated in the fuel cell body 10 to the culture tank 20.

酸素供給部12は、空気流を生起するための送風ファン25と、同送風ファン25にて生成した空気流を酸素側電極接触流路部17へ送気するための空気流送気管26とで構成しており、酸素側電極接触流路部17へ酸素を含有する空気を送気可能としている。   The oxygen supply unit 12 includes a blower fan 25 for generating an air flow, and an air flow air supply pipe 26 for supplying the air flow generated by the blower fan 25 to the oxygen-side electrode contact flow channel unit 17. It is configured so that oxygen-containing air can be supplied to the oxygen-side electrode contact channel portion 17.

上述してきた構成により、燃料電池本体10は、水素側電極接触流路部16に水素を供給させるとともに、酸素側電極接触流路部17に酸素（空気）を供給することにより水素電極13と酸素電極14との間に電圧勾配を生起することができるのである。   With the configuration described above, the fuel cell main body 10 supplies hydrogen to the hydrogen side electrode contact flow channel portion 16 and supplies oxygen (air) to the oxygen side electrode contact flow channel portion 17 to supply the hydrogen electrode 13 and oxygen. A voltage gradient can be generated between the electrodes 14.

続いて、燃料電池本体10にて電位勾配が生起する仕組みについて簡単に述べる。   Next, a mechanism for generating a potential gradient in the fuel cell main body 10 will be briefly described.

燃料電池本体10では、下記のような反応が行われているものと考えられる。すなわち、水素発生部11から水素側電極接触流路部16へ供給された水素（Ｈ２）が、水素電極13で２個の電子（ｅ−）を離して水素イオン（Ｈ２ ＋）になる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− In the fuel cell body 10, it is considered that the following reaction is performed. That is, hydrogen (H 2 ) supplied from the hydrogen generation unit 11 to the hydrogen-side electrode contact flow channel unit 16 separates two electrons (e − ) at the hydrogen electrode 13 and becomes hydrogen ions (H 2 + ). .
H 2 → 2H + + 2e −

水素（Ｈ２）から離れた電子（ｅ−）は、電力を要する任意の機器、例えば、外部接続回路29を通って反対側の酸素電極14に電流として流れる。ここで電位勾配が発生することになる。 Electrons (e − ) separated from hydrogen (H 2 ) flow as current to an oxygen electrode 14 on the opposite side through any device that requires power, for example, the external connection circuit 29. Here, a potential gradient is generated.

また、酸素電極14では、送風ファンによって供給された空気中から取り入れられた酸素分子（Ｏ２）が、外部接続回路29から戻ってきた電子（ｅ−）を受け取り、酸素イオン（Ｏ２ −）になる。酸素イオン（Ｏ２ −）は、電解質15を伝って移動してきた水素イオン（２Ｈ２ ＋）と結合して、水（Ｈ２Ｏ）になる。
１／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ２ ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ In the oxygen electrode 14, oxygen molecules (O 2 ) taken in from the air supplied by the blower fan receive electrons (e − ) returned from the external connection circuit 29, and oxygen ions (O 2 − ). become. Oxygen ions (O 2 − ) are combined with hydrogen ions (2H 2 + ) that have traveled through the electrolyte 15 to become water (H 2 O).
1 / 2O 2 + 2H 2 + + 2e − → H 2 O

このようにして、バイオ燃料電池Ａの水素側電極接触流路部16に改質ガスを供給し、また、酸素側電極接触流路部17に空気（酸素）を供給することで、バイオ燃料電池Ａの水素電極13から延出させた負極端子27と、酸素電極14から延出させた正極端子28の間に電圧勾配を生じさせることができる。   In this way, the reformed gas is supplied to the hydrogen-side electrode contact channel portion 16 of the biofuel cell A, and air (oxygen) is supplied to the oxygen-side electrode contact channel portion 17, so that the biofuel cell A voltage gradient can be generated between the negative electrode terminal 27 extended from the hydrogen electrode 13 of A and the positive electrode terminal 28 extended from the oxygen electrode 14.

次に、本実施形態に特徴的な培養タンク20を備える水素発生部11について説明する。図２は、本実施形態に係るバイオ燃料電池Ａに備えられた水素発生部11を示した説明図である。なお、図２中の一点鎖線は、電気的な接続を示している。   Next, the hydrogen generation unit 11 including the culture tank 20 characteristic of the present embodiment will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the hydrogen generator 11 provided in the biofuel cell A according to the present embodiment. In addition, the dashed-dotted line in FIG. 2 has shown the electrical connection.

図２に示すように、水素発生部11には、ガス改質機21と、熱媒体循環ポンプ22と、培養タンク20と、熱媒体循環ポンプ22及び前記培養タンク20の制御を行うための制御装置57とが備えられている。   As shown in FIG. 2, the hydrogen generator 11 includes a gas reformer 21, a heat medium circulation pump 22, a culture tank 20, and a control for controlling the heat medium circulation pump 22 and the culture tank 20. A device 57 is provided.

熱媒体循環ポンプ22は、制御装置57に電気的に接続されており、制御装置57からの電気信号に基づいて、稼働及び停止可能に構成されている。すなわち、制御装置57によって、熱媒体流体の循環や停止を制御可能に構成している。   The heat medium circulation pump 22 is electrically connected to the control device 57, and can be operated and stopped based on an electric signal from the control device 57. That is, the control device 57 is configured to be able to control the circulation and stop of the heat medium fluid.

培養タンク20は、培地31を収容する容器部32と、同容器部32の周囲に水を流通可能に形成したジャケット部33とを備えている。   The culture tank 20 includes a container part 32 for storing the culture medium 31, and a jacket part 33 formed around the container part 32 so that water can be circulated.

このジャケット部33は、前述の熱媒体循環ポンプ22により培養タンク20と燃料電池本体10との間で循環される熱媒体流体としての水が流通する部位であり、容器部32内に収容した培地31を保温可能としている。   This jacket part 33 is a part through which water as a heat medium fluid circulated between the culture tank 20 and the fuel cell main body 10 by the heat medium circulation pump 22 described above, and the medium contained in the container part 32 31 can be kept warm.

また、ジャケット部33には、熱媒体流体の温度に応じた電気信号を送出する温度センサ58が挿入されいる。この温度センサ58は前述の制御装置57に接続されており、制御装置57によって熱媒体流体の温度を検出可能に構成している。   In addition, a temperature sensor 58 for sending an electrical signal corresponding to the temperature of the heat medium fluid is inserted into the jacket portion 33. The temperature sensor 58 is connected to the control device 57 described above, and is configured so that the temperature of the heat medium fluid can be detected by the control device 57.

容器部32は、培地31を収容すると共に、攪拌機52とｐＨセンサ56とが備えられており、また、内部空間には、前述の代謝ガス送給管23と、培地31にアルカリ液を添加するためのアルカリ液送給管60と、培地31に酸液を添加するための酸液送給管61とを臨ませている。   The container section 32 contains the culture medium 31, and is equipped with a stirrer 52 and a pH sensor 56. In addition, an alkaline solution is added to the metabolic gas supply pipe 23 and the culture medium 31 in the internal space. For this purpose, an alkaline liquid supply pipe 60 for adding an acid liquid to the culture medium 31 is faced.

攪拌機52は、攪拌モータ53の回転軸に攪拌軸54を連結し、その先端部に撹拌翼55を設けてなり、攪拌モータ53を駆動することにより、培養タンク20内の培地31を攪拌可能としている。   The stirrer 52 has a stirring shaft 54 connected to the rotating shaft of the stirring motor 53 and is provided with a stirring blade 55 at the tip thereof. By driving the stirring motor 53, the medium 31 in the culture tank 20 can be stirred. Yes.

また、攪拌モータ53は、制御装置57に電気的に接続されており、制御装置57からの電気信号に応じて稼働及び停止可能に構成している。   The agitation motor 53 is electrically connected to the control device 57, and is configured to be able to operate and stop in accordance with an electric signal from the control device 57.

ｐＨセンサ56は、容器部32内に収容した培地31のｐＨに応じた電気信号を送出するセンサであり、制御装置57に電気的に接続されている。制御装置57はｐＨセンサ56から送出される電気信号に基づいて、培地31のｐＨを算出可能に構成している。   The pH sensor 56 is a sensor that sends out an electrical signal corresponding to the pH of the culture medium 31 accommodated in the container portion 32, and is electrically connected to the control device 57. The control device 57 is configured to be able to calculate the pH of the culture medium 31 based on the electrical signal sent from the pH sensor 56.

代謝ガス送給管23は、発生した代謝ガスをガス改質機21へ供給するための管であり、容器部32内に収容した培地31の液面上の上部空間Ｓ１と、熱交換部19との間を連結しており、上部空間Ｓ１に溜まった酸素を熱交換部19へ送給可能としている。   The metabolic gas supply pipe 23 is a pipe for supplying the generated metabolic gas to the gas reformer 21, and the upper space S 1 on the liquid surface of the culture medium 31 accommodated in the container part 32 and the heat exchange part 19. And the oxygen accumulated in the upper space S1 can be supplied to the heat exchanging unit 19.

ここで、上部空間Ｓ１は、培地31から代謝ガスを放出させた際に、代謝ガスを構成する気体の比重によって成分を分離する水素ガス選別手段として機能する。また、前述のガス改質機21は、必要に応じて培養タンク20と水素側電極接触流路部16との間に介設することができるが、このガス改質機21についても水素ガス選別手段として機能することとなる。   Here, when the metabolic gas is released from the culture medium 31, the upper space S1 functions as a hydrogen gas sorting unit that separates components by the specific gravity of the gas constituting the metabolic gas. Further, the gas reformer 21 described above can be interposed between the culture tank 20 and the hydrogen-side electrode contact flow path portion 16 as necessary. It will function as a means.

アルカリ液送給管60は、図示しないアルカリ液貯留タンクに接続されており、アルカリ液送給管60の中途部に設けたアルカリ弁62を操作することにより、容器部32内へアルカリ液を供給可能としている。   The alkaline liquid supply pipe 60 is connected to an alkaline liquid storage tank (not shown), and the alkaline liquid 62 is supplied into the container section 32 by operating an alkaline valve 62 provided in the middle of the alkaline liquid supply pipe 60. It is possible.

アルカリ弁62は、電気的に開閉可能な電磁弁であり、また、制御装置57に電気的に接続されていて、制御装置57からの電気信号に基づいて開閉動作を行うように構成している。   The alkaline valve 62 is an electromagnetic valve that can be electrically opened and closed, and is electrically connected to the control device 57 and configured to perform an opening and closing operation based on an electrical signal from the control device 57. .

酸液送給管61は、図示しない酸液貯留タンクに接続されており、酸液送給管61の中途部に設けた酸弁63を操作することにより、容器部32内へ酸液を供給可能としている。   The acid solution supply pipe 61 is connected to an acid solution storage tank (not shown), and operates the acid valve 63 provided in the middle of the acid solution supply pipe 61 to supply the acid solution into the container part 32. It is possible.

酸弁63は、電気的に開閉可能な電磁弁であり、また、制御装置57に電気的に接続されていて、制御装置57からの電気信号に基づいて開閉動作を行うように構成している。   The acid valve 63 is an electromagnetic valve that can be electrically opened and closed, and is electrically connected to the control device 57 and configured to perform an opening and closing operation based on an electrical signal from the control device 57. .

培地31は、水素産生菌をの培養基としての役割を果たすとともに、培養中に発生した代謝ガス、すなわち、水素ガスを貯留する代謝ガス貯蔵手段として機能するものである。   The medium 31 serves as a culture medium for the hydrogen-producing bacteria and functions as a metabolic gas storage means for storing metabolic gas generated during the culture, that is, hydrogen gas.

この培地31はは固形状または半固形状の培地としたり、また、ジェル状、ペースト状、のり状、ゼリー状などの培地とすることができる。   The medium 31 may be a solid or semi-solid medium, or may be a gel, paste, paste, jelly, or other medium.

培地にこのような性状を与える素材としては、例えば、化学繊維、炭素繊維、高分子ポリマー、キサンタンガム、寒天等とすることができる。特に本実施形態では、培地31中に、0.5％〜１％程度の寒天を含有させることで、培地31の性状を半固形状としている。   Examples of materials that give such properties to the medium include chemical fibers, carbon fibers, polymer polymers, xanthan gum, and agar. In particular, in the present embodiment, the medium 31 is made to be semi-solid by including about 0.5% to 1% agar in the medium 31.

そして、この培地31には、水素産生菌が植菌されている。従って、培地31の温度を水素産生菌の培養至適温度とすることにより、図３（ａ）に示すように、培地31中にコロニー64を形成することとなる。   The medium 31 is inoculated with hydrogen-producing bacteria. Therefore, by setting the temperature of the medium 31 to the optimum temperature for culturing hydrogen-producing bacteria, colonies 64 are formed in the medium 31 as shown in FIG.

この状態で培養を継続すると、水素産生菌は次第に代謝ガスを産生し、図３（ｂ）に示すように、コロニー64の周囲に代謝ガス気泡65を形成し、培地31中に気泡状に貯留されることとなる。すなわち、この培地31は、固形状または半固形状の培地からなり、同培地中に植菌して糖類を充填し培養した水素産生菌から発生する代謝ガスを内部に気泡状態で貯蔵する代謝ガス貯蔵手段として機能する。   When the culture is continued in this state, the hydrogen-producing bacteria gradually produce metabolic gas, and as shown in FIG. 3B, metabolic gas bubbles 65 are formed around the colony 64 and stored in the medium 31 in the form of bubbles. Will be. That is, the medium 31 is a solid or semi-solid medium, and stores metabolic gases generated from hydrogen-producing bacteria that are inoculated in the medium, filled with saccharides, and cultured in a bubble state. It functions as a storage means.

なお、水素産生菌は特に限定されるものではないが、酪酸菌（Clostridium butyricum)の純菌体は、水素を効率よく産生するので、ガス改質機21などの設備をなくすことができることとなり、コンパクトなバイオ燃料電池Ａとすることができるため、好適である。   The hydrogen-producing bacteria are not particularly limited, but the pure cells of butyric acid bacteria (Clostridium butyricum) produce hydrogen efficiently, so facilities such as the gas reformer 21 can be eliminated. Since it can be set as the compact biofuel cell A, it is suitable.

このようにして、固形状または半固形状の培地31に気泡状態で代謝ガスを貯蔵したことにより、固形状、半固形状の状態で貯蔵可能であり、常温でも保存することができると共に運搬性に優れた代謝ガス貯蔵方法とすることができるので、必要な場所で代謝ガスから水素を得ることができるようになる。   In this way, by storing the metabolic gas in the form of bubbles in the solid or semi-solid medium 31, it can be stored in a solid or semi-solid state and can be stored even at room temperature and transportability. Therefore, it is possible to obtain hydrogen from the metabolic gas at a necessary place.

気泡状態で貯蔵した代謝ガスは、固形状または半固形状の培地31の粘度を低下させることによって、培地31の内部に貯蔵した代謝ガスを放出して水素ガスを取り出すことができるようになる。   The metabolic gas stored in the bubble state decreases the viscosity of the solid or semisolid medium 31, thereby releasing the metabolic gas stored in the medium 31 and extracting hydrogen gas.

すなわち、この培地31の粘度を低下させる手段が代謝ガス放出手段として機能する。   That is, the means for reducing the viscosity of the culture medium 31 functions as a metabolic gas releasing means.

特に、本実施形態では、代謝ガス放出手段として、熱により培地31の粘度を低下させる手段と、培地31のｐＨを調整することにより培地31の粘度を低下させる手段の２つの手段を備えている。   In particular, in this embodiment, the metabolic gas releasing means includes two means: a means for reducing the viscosity of the medium 31 by heat and a means for reducing the viscosity of the medium 31 by adjusting the pH of the medium 31. .

前者の熱により培地の粘度を低下させる手段は、前述した熱供給手段によって行われるものであり、寒天によって半固形化した培地31の温度を８０℃〜９０℃程度に昇温することで培地31の粘度を低下させるようにしている。   The former means for reducing the viscosity of the culture medium by the heat is performed by the heat supply means described above, and the temperature of the medium 31 semi-solidified by agar is raised to about 80 ° C. to 90 ° C. The viscosity is reduced.

換言すれば、燃料電池本体10にて発生する熱や、熱媒体循環ポンプ22や、ジャケット部33、熱交換媒体として機能する水などを協働させることにより代謝ガス放出手段として機能させるようにしている。   In other words, the heat generated in the fuel cell body 10, the heat medium circulation pump 22, the jacket portion 33, water functioning as a heat exchange medium, etc. are allowed to cooperate to function as a metabolic gas release means. Yes.

具体的には、制御装置57は、培地31内に設けた温度センサ58のセンサー出力を基に培地31の温度を温度検出制御部で検出して、ジャケット部33に循環させる水の温度を上昇させ、培地31が液化する温度、例えば８０℃〜９０℃にして粘度を低下させる。このようにして寒天を含む培地31の粘度を低下させたことにより、培地31中に貯蔵した代謝ガスを放出させることができる。   Specifically, the control device 57 detects the temperature of the culture medium 31 by the temperature detection control unit based on the sensor output of the temperature sensor 58 provided in the culture medium 31, and increases the temperature of the water to be circulated through the jacket unit 33. And the viscosity is lowered to a temperature at which the medium 31 is liquefied, for example, 80 ° C. to 90 ° C. Thus, by reducing the viscosity of the medium 31 containing agar, the metabolic gas stored in the medium 31 can be released.

従って、図３（ｃ）に示すように、粘度が低下した培地31からは代謝ガス気泡65が液面上へ向けて上昇して上部空間Ｓ１に達し、代謝ガス送給管23から導出されることとなる。   Accordingly, as shown in FIG. 3C, the metabolic gas bubbles 65 rise from the culture medium 31 whose viscosity is lowered toward the liquid surface and reach the upper space S <b> 1, and are led out from the metabolic gas supply pipe 23. It will be.

このようにして、培地31の粘度を低下させることで固形状または半固形状の培地31内部に貯蔵した代謝ガスを放出させて、放出された代謝ガスからガス改質機21で改質して水素としてバイオ燃料電池Ａに供給する。   In this way, the metabolic gas stored in the solid or semi-solid medium 31 is released by reducing the viscosity of the medium 31, and the gas reformer 21 reforms from the released metabolic gas. Supplied to biofuel cell A as hydrogen.

また、燃料電池の使用を中断するときには、ジャケット部33に循環させる水の温度を下げて培地31を再び固化させ、同培地31の温度を水素産生菌の培養に好適な温度、例えば４０℃程度に保つことで、代謝ガスを培地31中に貯蔵するようにすることができる。   Further, when the use of the fuel cell is interrupted, the temperature of water circulated through the jacket 33 is lowered to solidify the medium 31 again, and the temperature of the medium 31 is set to a temperature suitable for culturing hydrogen-producing bacteria, for example, about 40 ° C. By keeping this, the metabolic gas can be stored in the culture medium 31.

また、後者の培地31のｐＨを調整することにより培地31の粘度を低下させる手段として、ｐＨセンサ56と、攪拌機52と、前述のアルカリ液送給管60及び酸液送給管61から酸液及びアルカリ液を培地31へ投入する機構と、これらの投入を制御する制御装置57とがある。   Further, as means for reducing the viscosity of the culture medium 31 by adjusting the pH of the latter culture medium 31, the acid solution is supplied from the pH sensor 56, the stirrer 52, the alkaline solution supply pipe 60 and the acid solution supply pipe 61 described above. And a mechanism for charging the alkaline solution into the culture medium 31, and a control device 57 for controlling the charging.

すなわち、寒天は、ｐＨ値が４．０より小さくなると液化し、またｐＨが１２．０より大きくなると粘度を低下するので、固形状または半固形状の培地31に、アルカリ液または酸液を添加することで、培地31内部に貯留した代謝ガスを放出させることができるのである。   That is, agar liquefies when the pH value is lower than 4.0, and the viscosity decreases when the pH value is higher than 12.0. Therefore, an alkaline solution or an acid solution is added to the solid or semisolid medium 31. By doing so, the metabolic gas stored in the culture medium 31 can be released.

具体的には、固化している寒天の培地31のｐＨ値の調製は、酸液を酸液送給管61を通して供給するか、またはアルカリ液をアルカリ液送給管60を通して供給することで行う。本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、酸液送給管61より酸液を供給する。   Specifically, the pH value of the solidified agar medium 31 is adjusted by supplying an acid solution through the acid solution supply pipe 61 or supplying an alkaline solution through the alkali solution supply pipe 60. . In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the acid solution is supplied from the acid solution supply pipe 61.

なお、制御装置57は、寒天を含有する培地31内に設けたｐＨセンサ56のセンサー出力をもとにｐＨ検出を行い、ｐＨ検出結果をもとに酸液またはアルカリ液を酸弁63やアルカリ弁62を制御して、所定のｐＨにして液化するようにコントロールする。   The control device 57 performs pH detection based on the sensor output of the pH sensor 56 provided in the medium 31 containing agar, and based on the pH detection result, the acid solution or the alkali solution is supplied to the acid valve 63 or the alkali. The valve 62 is controlled so as to be liquefied to a predetermined pH.

このようにすることで、培地31内に酸液またはアルカリ液を添加してｐＨを４．０より小さくまたは１２．０より大きくし、寒天を含有する培地31の粘度を低下することができるので、培地31内に貯蔵した代謝ガスを代謝ガス送給管23より取り出すことができるようになる。   By doing so, it is possible to reduce the viscosity of the medium 31 containing agar by adding an acid solution or an alkali solution to the medium 31 to make the pH smaller than 4.0 or larger than 12.0. The metabolic gas stored in the culture medium 31 can be taken out from the metabolic gas supply pipe 23.

また、燃料電池の使用を中断するときには、代謝ガスを取り出すのを中断して、寒天の培地31の水素産生菌を培養することができ、培地31のｐＨを４．０〜１２．０とすることにより固化するとともに、培地31の温度を水素産生菌の培養に好適な温度、例えば４０℃程度に保ち、代謝ガスを培地31内に再度貯蔵することができる。   When the use of the fuel cell is interrupted, the removal of metabolic gas can be interrupted to cultivate hydrogen-producing bacteria in the agar medium 31, and the pH of the medium 31 is set to 4.0 to 12.0. As a result, the temperature of the medium 31 can be kept at a temperature suitable for culturing hydrogen-producing bacteria, for example, about 40 ° C., and the metabolic gas can be stored again in the medium 31.

このようにして産生した代謝ガスは、バイオ燃料電池Ａの水素源として使用できる。   The metabolic gas thus produced can be used as a hydrogen source for the biofuel cell A.

なお、本発明の実施形態では、送風ファン25で空気を酸素側電極接触流路部17に供給することにより、空気をバイオ燃料電池Ａの酸素源としたが、酸素側電極接触流路部17に酸素そのものを供給してもよいのは勿論である。酸素側電極接触流路部17に酸素を供給することで燃料電池の発電効率を更に高めることができる。   In the embodiment of the present invention, air is used as the oxygen source of the biofuel cell A by supplying air to the oxygen-side electrode contact channel 17 by the blower fan 25. However, the oxygen-side electrode contact channel 17 Of course, oxygen itself may be supplied. By supplying oxygen to the oxygen-side electrode contact channel portion 17, the power generation efficiency of the fuel cell can be further increased.

また、バイオ燃料電池Ａの発電によって生ずる水は、滅菌処理を施すなどして、水素産生菌の培養に用いる培地31の培地循環用培地として使用することもできる。   In addition, the water generated by the power generation of the biofuel cell A can be used as a medium circulation medium for the medium 31 used for culturing hydrogen-producing bacteria by sterilization.

また、本実施形態における代謝ガス放出手段では、培地の加温やｐＨを変化させることにより低粘度化を図ることとしたが、これに限定されるものではなく、培地を固形状、半固形状、ジェル状、ペースト状、のり状、ゼリー状等とするために添加した素材に応じて、低粘度化する手段を適宜代謝ガス放出手段として使用することができる。   Further, in the metabolic gas releasing means in the present embodiment, the viscosity is reduced by changing the heating and pH of the medium. However, the present invention is not limited to this, and the medium is solid or semi-solid. Depending on the material added to form a gel, paste, paste, jelly, etc., the means for reducing the viscosity can be used as the metabolic gas releasing means as appropriate.

次に、本発明の他の実施形態に係るバイオ燃料電池Ｂについて説明する。ここで説明するバイオ燃料電池Ｂは、水素発生部11での水素発生に、酪酸菌と紅色細菌との混合菌体を使用する点、酸素供給部12から供給する酸素は藍色細菌が産生するものである点、及び、藍色細菌が産生したグルコースを水素発生部11の混合菌体に栄養源として供給する点に特徴を有している。なお、以下の説明において、前述のバイオ燃料電池Ａと同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。   Next, a biofuel cell B according to another embodiment of the present invention will be described. The biofuel cell B described here uses a mixed cell of butyric acid bacteria and red bacteria for hydrogen generation in the hydrogen generation unit 11, and the oxygen supplied from the oxygen supply unit 12 is produced by cyanobacteria. And glucose supplied by cyanobacteria as a nutrient source to the mixed cells of the hydrogen generator 11. In the following description, the same components as those of the biofuel cell A described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

バイオ燃料電池Ｂの水素発生部11の培養タンク20では、酪酸菌と紅色細菌との混合菌体を水素産生菌とし、代謝ガスをガス改質機21によって水素濃度を高めた改質ガスとして取り出して水素側電極接触流路部16に供給するようにしている。   In the culture tank 20 of the hydrogen generator 11 of the biofuel cell B, a mixed cell of butyric acid bacteria and red bacteria is used as a hydrogen-producing bacterium, and a metabolic gas is taken out as a reformed gas having a higher hydrogen concentration by the gas reformer 21. Thus, the hydrogen side electrode contact flow path section 16 is supplied.

また、図４に示すように、ガス改質機21には、分離した二酸化炭素を酸素供給部12へ送給するための二酸化炭素送給管71の基端部が連結されており、その先端部は、後述する藍色細菌培養タンク70の培地72内に臨ませてある。   As shown in FIG. 4, the gas reformer 21 is connected to a base end portion of a carbon dioxide supply pipe 71 for supplying the separated carbon dioxide to the oxygen supply unit 12. The part faces a medium 72 of a cyan bacterial culture tank 70 described later.

さらに、培養タンク20には、水素産生菌培地循環流路74が接続されており、同水素産生菌培地循環流路74の中途部に介設されている培地循環ポンプ75を駆動させることにより、培養タンク20内に収容している培地31を後述するグルコース交換部73との間で循環可能としている。   Further, the culture tank 20 is connected with a hydrogen-producing bacteria medium circulation channel 74, and by driving a medium circulation pump 75 interposed in the middle of the hydrogen-producing bacteria medium circulation channel 74, The culture medium 31 stored in the culture tank 20 can be circulated with a glucose exchange unit 73 described later.

なお、このバイオ燃料電池Ｂにおいても、前述のバイオ燃料電池Ａと同様に、培地31には寒天が添加されており、熱供給手段によって培地31の粘度を低下させたり、アルカリ液送給管60及び酸液送給管61から供給されるアルカリ液や酸液により培地31の粘度を低下させることにより、代謝ガス放出手段として機能させることができる。また、この際、培地31は代謝ガス貯蔵手段として機能する。但し、後述するグルコース交換を行う際は、培地の粘度を低下させた状態で行うのが好ましい。   Also in this biofuel cell B, agar is added to the culture medium 31 in the same manner as the biofuel cell A described above, and the viscosity of the culture medium 31 is reduced by the heat supply means, or the alkaline liquid feed pipe 60 is added. Further, by reducing the viscosity of the culture medium 31 with an alkali solution or an acid solution supplied from the acid solution supply pipe 61, it can function as a metabolic gas releasing means. At this time, the culture medium 31 functions as a metabolic gas storage means. However, when performing the glucose exchange described later, it is preferable to carry out in a state where the viscosity of the medium is lowered.

一方、酸素供給部12では、前述のバイオ燃料電池Ａにおける送風ファン25に替えて、藍色細菌培養タンク70にて培養した藍色細菌が生成する酸素を酸素側電極接触流路部17へ供給すべく構成している。   On the other hand, the oxygen supply unit 12 supplies oxygen generated by cyanobacteria cultured in the cyanobacteria culture tank 70 to the oxygen-side electrode contact channel unit 17 instead of the blower fan 25 in the biofuel cell A described above. It is configured as appropriate.

この藍色細菌は、光を照射することにより光合成を行う細菌であり、その代謝物として酸素とグルコースとを産生する。   This indigo bacterium is a bacterium that performs photosynthesis by irradiating light, and produces oxygen and glucose as its metabolites.

具体的には、バイオ燃料電池Ｂにおける酸素供給部12は、藍色細菌培養タンク70と熱媒体循環ポンプ22とを備えている。   Specifically, the oxygen supply unit 12 in the biofuel cell B includes a cyan bacterial culture tank 70 and a heat medium circulation pump 22.

藍色細菌培養タンク70には、藍色細菌を培養するための培地72を収容する容器部32と、同容器部32の周囲に水を流通可能に形成したジャケット部33とを備えている。   The indigo bacterium culture tank 70 is provided with a container part 32 for storing a culture medium 72 for culturing indigo bacterium, and a jacket part 33 formed around the container part 32 so that water can be circulated.

このジャケット部33は、培養タンク20と燃料電池本体10との間で循環される熱媒体流体としての水が流通する部位であり、酸素供給部12に配設した熱媒体循環ポンプ22により熱媒体流体を循環させて、容器部32内に収容した培地31を保温可能としている。   This jacket part 33 is a part through which water as a heat medium fluid circulated between the culture tank 20 and the fuel cell body 10 circulates, and the heat medium is heated by the heat medium circulation pump 22 disposed in the oxygen supply part 12. The medium 31 stored in the container part 32 can be kept warm by circulating the fluid.

また、藍色細菌培養タンク70内には、発生した酸素を酸素側電極接触流路部17へ供給するための酸素送気管76と、水素発生部11の熱媒体循環ポンプ22から延出する二酸化炭素送給管71の先端部とを臨ませている。   Further, in the cyan bacterial culture tank 70, the oxygen supply pipe 76 for supplying the generated oxygen to the oxygen-side electrode contact flow path section 17 and the carbon dioxide extending from the heat medium circulation pump 22 of the hydrogen generation section 11 are provided. It faces the tip of the carbon feed pipe 71.

酸素送気管76は、容器部32内に収容した培地72の液面上の上部空間Ｓ２と、熱交換部19との間を連結しており、上部空間Ｓ２に溜まった酸素を熱交換部19へ送給可能としている。   The oxygen air supply pipe 76 connects the upper space S2 on the liquid surface of the culture medium 72 accommodated in the container portion 32 and the heat exchanging portion 19, and oxygen accumulated in the upper space S2 is transferred to the heat exchanging portion 19 Can be sent to.

二酸化炭素送給管71は、その先端部を藍色細菌培養タンク70内に収容した培地72内に配設しており、ガス改質機21にて分離した二酸化炭素を培地72内に供給可能としている。なお、二酸化炭素送給管71の先端部には、送給されてきた二酸化炭素を培地72中でばっ気しながら拡散させるガス拡散装置（図示せず）が配設されており、培地72中に二酸化炭素を効率よく溶解できるようにしている。   The carbon dioxide feed pipe 71 is disposed in the culture medium 72 housed in the cyanobacteria culture tank 70 at its tip, and the carbon dioxide separated by the gas reformer 21 can be supplied into the culture medium 72. It is said. Note that a gas diffusion device (not shown) that diffuses the supplied carbon dioxide while aerated in the medium 72 is disposed at the tip of the carbon dioxide supply pipe 71. Carbon dioxide can be dissolved efficiently.

なお、藍色細菌の培養に用いる培地72は、水素産生菌の培養に用いる培地31と同様に、寒天や増粘剤等を添加して固形状または半固形状とすることにより、代謝ガス貯蔵手段として機能させるようにしても良い。   The medium 72 used for the cultivation of cyanobacteria is the same as the medium 31 used for the cultivation of hydrogen-producing bacteria, and is added to a solid or semi-solid state by adding agar, thickener, etc. You may make it function as a means.

また、藍色細菌培養タンク70には、藍色細菌培地循環流路77が接続されており、同藍色細菌培地循環流路77の中途部に介設されている培地循環ポンプ75を駆動させることにより、藍色細菌培養タンク70内に収容している培地72を後述するグルコース交換部73との間で循環可能としている。   The indigo bacteria culture tank 70 is connected with an indigo bacteria culture medium circulation channel 77, and drives a culture medium circulation pump 75 interposed in the middle of the indigo bacteria culture medium circulation channel 77. As a result, the culture medium 72 accommodated in the cyan bacterial culture tank 70 can be circulated with the glucose exchange unit 73 described later.

また、藍色細菌培養タンク70には、藍色細菌の光合成を促すための光源78が配設されており、同光源78から放射される光によって、藍色細菌は酸素の生成とグルコースの産生を行うことができるようにしている。   The indigo bacteria culture tank 70 is provided with a light source 78 for promoting the photosynthesis of indigo bacteria, and the indigo bacteria produce oxygen and produce glucose by the light emitted from the light source 78. To be able to do that.

水素産生菌培地循環流路74と藍色細菌培地循環流路77との中途部には、グルコース交換部73を配設している。   A glucose exchanging unit 73 is disposed in the middle of the hydrogen-producing bacteria culture medium circulation channel 74 and the cyanobacteria culture medium circulation channel 77.

このグルコース交換部73は、藍色細菌の光合成にともなって、培地72中に産生されるグルコースを、水素産生菌用の培地31中に浸透圧を利用して移行させるための装置であり、藍色細菌用の培地72と水素産生菌用の培地31とが半透膜79を介して循環されるように形成している。なお、この半透膜79は、藍色細菌用の培地72から水素産生菌用の培地31へ、グルコースを移行できる素材であれば特に限定されるものではなく、例えば、セルロース膜等を使用することができる。   The glucose exchanging unit 73 is a device for transferring glucose produced in the culture medium 72 in accordance with the photosynthesis of cyanobacteria into the culture medium 31 for hydrogen-producing bacteria using osmotic pressure. A medium 72 for color bacteria and a medium 31 for hydrogen-producing bacteria are formed so as to circulate through a semipermeable membrane 79. The semipermeable membrane 79 is not particularly limited as long as it is a material capable of transferring glucose from the culture medium 72 for cyanobacteria to the culture medium 31 for hydrogen producing bacteria. For example, a cellulose membrane or the like is used. be able to.

このグルコース交換を行う場合には、藍色細菌用の培地72と水素産生菌用の培地31との両者とも、粘度を低下させておくと良い。この際の粘度は特に限定されるものではなく、培地中から代謝ガスが放出される程度の粘度としても良く、また、代謝ガスは放出されないが、流動できる程度の粘度としても良い。後者とすることにより、代謝ガスを培地中に保持した状態でグルコース交換を行い、水素産生菌にグルコースを供給して培地中に水素の貯留を継続させることができる。   When this glucose exchange is performed, it is preferable to reduce the viscosity of both the culture medium 72 for cyanobacteria and the culture medium 31 for hydrogen-producing bacteria. The viscosity at this time is not particularly limited, and may be a viscosity at which metabolic gas is released from the medium, or may be a viscosity at which the metabolic gas is not released but can flow. By adopting the latter, glucose exchange can be performed in a state where the metabolic gas is retained in the medium, and glucose can be supplied to the hydrogen-producing bacteria so that hydrogen can be continuously stored in the medium.

そして、このような構成を備えるバイオ燃料電池Ｂでは、水素発生部11にて、水素産生菌として酪酸菌を培養して生じた水素ガスと、この培養のときに生じる酪酸（Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ）を分解する紅色細菌（Rhodobacter sphaeriodes）の光合成による水素ガスの二つの水素ガス産生をおこなうことで効率的に水素ガスを産生すると共に、副製した二酸化炭素を酸素供給部12の藍色細菌へ供給する一方、藍色細菌は、供給された二酸化炭素を基に光合成を行って酸素を産生すると共に、副製したグルコースを水素産生菌用の培地へ還元して効率的に発電できるようにしている。 In the biofuel cell B having such a configuration, hydrogen gas generated by culturing butyric acid bacteria as hydrogen-producing bacteria in the hydrogen generator 11 and butyric acid (C 3 H 7 COOH) generated during this culture ) To produce hydrogen gas efficiently by producing two hydrogen gases by photosynthesis of Rhodobacter sphaeriodes, and by-produced carbon dioxide to cyanobacteria in oxygen supply section 12 On the other hand, cyanobacteria perform photosynthesis based on the supplied carbon dioxide to produce oxygen and reduce the by-produced glucose to a medium for hydrogen producing bacteria so that it can efficiently generate power. Yes.

この反応について具体的に説明すると、酪酸菌（Clostridium butyricum）は、培地31中に含まれるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）を基質として、次のような代謝反応を行うことにより水素を産生する。

Ｃ６Ｈ１２Ｏ６ → Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ ＋ ２Ｈ２ + ２ＣＯ２ ・・・（１）
This reaction will be specifically described. Clostridium butyricum produces hydrogen by performing the following metabolic reaction using glucose (C 6 H 12 O 6 ) contained in the medium 31 as a substrate. .

C 6 H 12 O 6 → C 3 H 7 COOH + 2H 2 + 2CO 2 (1)

その結果、培地31中には、酪酸菌の代謝産物として酪酸（Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ）が含まれることとなる。 As a result, the medium 31 contains butyric acid (C 3 H 7 COOH) as a metabolite of butyric acid bacteria.

一方、酪酸菌と共に植菌している紅色細菌（Rhodobacter sphaeriodes）は、酪酸菌の代謝により生じた酪酸（Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ）を分解し、水素ガスを産生する。

Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ ＋ ２Ｈ２Ｏ → １０Ｈ２ ＋ ４ＣＯ２ ・・・（２）
On the other hand, a red bacterium (Rhodobacter sphaeriodes) inoculated with butyric acid bacteria decomposes butyric acid (C 3 H 7 COOH) generated by the metabolism of butyric acid bacteria to produce hydrogen gas.

C 3 H 7 COOH + 2H 2 O → 10H 2 + 4CO 2 ··· (2)

これにより、酪酸菌単独の発酵に比して、効率的に水素ガスを得ることができるのである。   Thereby, hydrogen gas can be efficiently obtained as compared with fermentation of butyric acid bacteria alone.

また、式（１）及び式（２）にて副製する二酸化炭素は、ガス改質機21にて分離され、酸素供給部12の藍色細菌用の培地72へ供給される。   The carbon dioxide produced as a by-product in the formulas (1) and (2) is separated by the gas reformer 21 and supplied to the culture medium 72 for cyanobacteria in the oxygen supply unit 12.

また、藍色細菌培養タンク70は、藍色細菌の光合成によって酸素を生成する。また、光合成を行って、供給された二酸化炭素から酸素とグルコースを産生する。

６ＣＯ２ ＋６Ｈ２Ｏ ＋光 → Ｃ６Ｈ１２Ｏ６ ＋ ６Ｏ２ ・・・（３）
The indigo bacteria culture tank 70 generates oxygen by photosynthesis of indigo bacteria. In addition, photosynthesis is performed to produce oxygen and glucose from the supplied carbon dioxide.

6CO 2 + 6H 2 O + light → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 (3)

このグルコースは、グルコース交換部73の半透膜79を通して培地31に返送されて、水素ガスの産生に寄与することができる。   This glucose can be returned to the culture medium 31 through the semipermeable membrane 79 of the glucose exchange unit 73 and contribute to the production of hydrogen gas.

また、発電の際に燃料電池本体10で発生する熱エネルギーは、水素産生菌等の培養のエネルギーとして利用する。   Further, the heat energy generated in the fuel cell main body 10 during power generation is used as energy for culturing hydrogen-producing bacteria and the like.

このように、上述の構成を備えるバイオ燃料電池Ｂは、効率的に発電を行うことができる。   Thus, the biofuel cell B having the above-described configuration can efficiently generate power.

なお、バイオ燃料電池Ｂは、水素産生菌や藍色細菌等の生菌数を補うために、必要に応じて、培養タンク20や藍色細菌培養タンク70に別途形成した供給口（図示せず）から、水素産生菌や藍色細菌を投入するようにしても良い。   The biofuel cell B is provided with a supply port (not shown) separately formed in the culture tank 20 or indigo bacteria culture tank 70 as necessary to supplement the number of viable bacteria such as hydrogen-producing bacteria and cyanobacteria. ), Hydrogen producing bacteria or cyanobacteria may be introduced.

上述してきたように、バイオ燃料電池Ａやバイオ燃料電池Ｂは、人・動物に安全な菌体を利用することにより、環境への負荷を減らすことができるので、高い安全性を備えた循環型バイオ燃料電池とすることができる。   As described above, the biofuel cell A and the biofuel cell B can reduce the burden on the environment by using cells that are safe for humans and animals, so that the circulation type has high safety. It can be a biofuel cell.

なお、水素産生菌として、酪酸菌を利用することは、日本だけでなく、諸外国においても人・動物の医薬品・飼料原料として利用されている菌体であり、高い安全性を有した状態で利用できるので、環境への負荷を減らすことができるので、高い安全性を有した循環型バイオ燃料電池とすることができる。   In addition, using butyric acid bacteria as hydrogen-producing bacteria is a cell that is used not only in Japan but also in other countries as a medicine for humans and animals, and as a feed material, and has a high level of safety. Since it can be used, the burden on the environment can be reduced, so that a circulating biofuel cell having high safety can be obtained.

すなわち、本実施形態に係るバイオ燃料電池によれば、水素ガスを微生物により産生するとともに、安全に持ち運びが可能なように貯蔵し、しかも、貯蔵した水素ガスを容易に抽出できるバイオ燃料電池を提供することができ、例えば、自動車やパーソナルコンピュータ、携帯電話などの電子機器の燃料電池として用いることができる。   That is, the biofuel cell according to the present embodiment provides a biofuel cell that can produce hydrogen gas by microorganisms, store it so that it can be safely carried, and easily extract the stored hydrogen gas. For example, it can be used as a fuel cell for electronic devices such as automobiles, personal computers, and mobile phones.

最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   Finally, the description of each embodiment described above is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. For this reason, it is a matter of course that various modifications can be made in accordance with the design and the like as long as they do not depart from the technical idea according to the present invention other than the embodiments described above.

例えば、上述したバイオ燃料電池Ａやバイオ燃料電池Ｂは、図面上においてプラントの如く記載したが、これに限定されるものではなく、適宜大きさや形状を調整して、バイオ燃料電池Ａやバイオ燃料電池Ｂを、自動車のタイヤの内部等に収容して、燃料電池を搭載したに自動車としても良い。   For example, although the above-described biofuel cell A and biofuel cell B are described as plants in the drawings, the present invention is not limited to this, and the biofuel cell A and biofuel can be appropriately adjusted in size and shape. The battery B may be accommodated in a tire of an automobile and the fuel cell may be mounted on the automobile.

また、水素産生菌用の培地31や藍色細菌用の培地72の成分中には、例えば、さらなる栄養源として、人・動物の排泄物を添加しても良い。   Further, for example, human or animal excrement may be added to the components of the medium 31 for hydrogen-producing bacteria and the medium 72 for cyanobacteria as a further nutrient source.

これによれば、人畜の排泄物を有効に利用しながら発電を行うことができ、発電における環境負荷の低減に大きく寄与することができる。   According to this, power generation can be performed while effectively using the excrement of human livestock, which can greatly contribute to the reduction of the environmental load in power generation.

また、本実施形態では、水素産生菌の培養や藍色細菌の培養の際の保温熱源、及び、培地の粘度を低下させる代謝ガス放出手段の一つとして、発電に伴って発生するセル体18の熱を利用することとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、ジャケット部33にスチームなどを熱源として導入することにより、培地31や培地72を直接加熱しても良い。   Further, in the present embodiment, as one of the heat retaining heat source during the culture of hydrogen-producing bacteria and the culture of cyanobacteria and the metabolic gas releasing means for reducing the viscosity of the medium, the cell body 18 generated with power generation is used. However, the present invention is not limited to this. For example, the medium 31 and the medium 72 may be directly heated by introducing steam or the like into the jacket 33 as a heat source.

また、この熱源は、太陽熱や温泉や温泉排水など地熱を利用しても良く、さらに、堆肥や発酵飼料等を製造する際に生じる発酵熱を利用しても良い。   Further, this heat source may use geothermal heat such as solar heat, hot springs, and hot spring drainage, and may further use fermentation heat generated when producing compost, fermented feed, and the like.

太陽熱や地熱、発酵熱などを利用することにより、自然界の余剰エネルギーや未利用エネルギーを有効利用することができ、しかも、本発明に係るバイオ燃料電池を自然エネルギー装置や自立エネルギー装置としてさらに確立することができる。   By utilizing solar heat, geothermal heat, fermentation heat, etc., it is possible to effectively use surplus energy and unused energy in the natural world, and further establish the biofuel cell according to the present invention as a natural energy device or a self-supporting energy device. be able to.

本実施形態に係るバイオ燃料電池の全体構成を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the whole structure of the biofuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るバイオ燃料電池の水素発生部示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the hydrogen generation part of the biofuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るバイオ燃料電池のでの培養を経時的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed culture | cultivation in the biofuel cell concerning this embodiment with time. 他の実施形態に係るバイオ燃料電池の全体構成を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the whole structure of the biofuel cell which concerns on other embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池本体
11 水素発生部
12 酸素供給部
13 水素電極
14 酸素電極
18 セル体
19 熱交換部
20 培養タンク
21 ガス改質機
22 熱媒体循環ポンプ
26 空気流送気管
31 培地
56 ｐＨセンサ
57 制御装置
58 温度センサ
60 アルカリ液送給管
61 酸液送給管
65 代謝ガス気泡
70 藍色細菌培養タンク
72 培地
Ａ バイオ燃料電池
Ｂ バイオ燃料電池 10 Fuel cell body
11 Hydrogen generator
12 Oxygen supply unit
13 Hydrogen electrode
14 Oxygen electrode
18 cell body
19 Heat exchanger
20 Culture tank
21 Gas reformer
22 Heat medium circulation pump
26 Air flow air pipe
31 Medium
56 pH sensor
57 Control unit
58 Temperature sensor
60 Alkaline liquid supply pipe
61 Acid feed pipe
65 Metabolic gas bubbles
70 Indigo Bacteria Culture Tank
72 Medium A Biofuel cell B Biofuel cell

Claims (8)

供給された水素のイオン化に伴い負極となる水素電極と、供給された酸素のイオン化に伴い正極となる酸素電極とを備え、前記水素電極に水素を供給すると共に、前記酸素電極に酸素を供給することにより、両電極間に電圧勾配を生じさせる燃料電池において、
前記水素電極に供給する水素を発生させる水素発生部を備え、
同水素発生部は、
固形状または半固形状の培地からなり、同培地中に植菌して糖類を充填し培養した水素産生菌から発生する代謝ガスを内部に気泡状態で貯蔵する代謝ガス貯蔵手段と、
前記培地の粘度を低下させて、前記代謝ガス貯蔵手段に気泡状態で貯蔵した前記代謝ガスを放出させる代謝ガス放出手段と、
前記代謝ガス貯蔵手段より放出された代謝ガスから水素ガスを抽出する水素ガス選別手段と、を備えることを特徴とするバイオ燃料電池。 A hydrogen electrode that becomes a negative electrode in accordance with ionization of supplied hydrogen and an oxygen electrode that becomes a positive electrode in accordance with ionization of supplied oxygen, and supplies hydrogen to the hydrogen electrode and supplies oxygen to the oxygen electrode In a fuel cell that generates a voltage gradient between both electrodes,
Comprising a hydrogen generator for generating hydrogen to be supplied to the hydrogen electrode;
The hydrogen generator is
A metabolic gas storage means comprising a solid or semi-solid medium, storing metabolic gas generated from hydrogen-producing bacteria inoculated into the medium, filled with sugars and cultured therein in a bubble state,
Metabolic gas releasing means for reducing the viscosity of the medium and releasing the metabolic gas stored in the metabolic gas storage means in a bubble state;
A biofuel cell comprising hydrogen gas sorting means for extracting hydrogen gas from the metabolic gas released from the metabolic gas storage means. 前記培地は、寒天培地としたことを特徴とする請求項１記載のバイオ燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1, wherein the medium is an agar medium. 前記水素産生菌は、酪酸菌の純菌体としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のバイオ燃料電池。   The biofuel cell according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen-producing bacterium is a pure cell of butyric acid bacterium. 前記代謝ガス放出手段は、アルカリ性液体または酸性液体のいづれか一の液体を充填して、固体担体のペーハー（ｐＨ）値を４．０より小さくまたは１２．０より大きくしたことを特徴とする請求項２または請求項３記載のバイオ燃料電池。   The metabolic gas releasing means is filled with either one of an alkaline liquid and an acidic liquid, and the pH value of the solid carrier is made smaller than 4.0 or larger than 12.0. The biofuel cell according to claim 2 or claim 3. 前記代謝ガス放出手段は、前記培地を加温して粘度を低下させることを特徴とする請求項２または請求項３記載のバイオ燃料電池。   The biofuel cell according to claim 2 or 3, wherein the metabolic gas releasing means warms the medium to reduce the viscosity. 前記酸素電極に供給する酸素を発生させる酸素発生部を備え、同酸素供給部は、藍藻類細菌を培養することにより酸素を発生させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のバイオ燃料電池。   The oxygen generation part which generates the oxygen supplied to the oxygen electrode is provided, and the oxygen supply part generates oxygen by cultivating cyanobacteria bacteria. Biofuel cell. 前記水素産生菌は、酪酸菌と紅色細菌とを混合して培養したものであり、
前記糖類は、グルコースとしたことを特徴とする請求項６記載のバイオ燃料電池。 The hydrogen-producing bacterium is a mixture of butyric acid bacteria and red bacteria and cultured,
The biofuel cell according to claim 6, wherein the saccharide is glucose. バイオ燃料電池で生じる熱エネルギーを前記水素産生菌の培養熱として供給することを特徴とする請求項１〜７記載のいずれか１項記載のバイオ燃料電池。   The biofuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein heat energy generated in the biofuel cell is supplied as culture heat of the hydrogen-producing bacteria.
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