JP5812874B2

JP5812874B2 - 微生物燃料電池システム

Info

Publication number: JP5812874B2
Application number: JP2012004564A
Authority: JP
Inventors: 松坂　勝雄; 勝雄松坂
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2013143363A

Description

本発明は、微生物燃料電池を用いて効率的に発電する微生物燃料電池システムに関する。

近年、電極に触媒として機能する嫌気性微生物を担持させた燃料電池が、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。この燃料電池は、微生物燃料電池と呼ばれている。微生物燃料電池では、直接的に電気エネルギーを回収することが可能である。

特許文献１では、筒状容器に、筒状体である膜・電極接合構造体を複数間隔を隔てて配置した微生物燃料電池も記載されている。

下記の特許文献２には、矩形状のアノード（負電極）と、矩形状のイオン透過性膜と、矩形状のカソード（正電極）と、矩形状のイオン透過性膜とがこの順で並べられた膜・電極接合構造体が開示されている。特許文献２では、この膜・電極接合構造体が複数並べられて、微生物燃料電池が形成されている。この微生物燃料電池では、複数の膜・電極接合構造体が上端に開口を有する容器内に収容され、開口に蓋が取り付けられている。

特開２００４−３４２４１２号公報特開２００９−９３８６１号公報

特許文献１、特許文献２では、流入する有機性物質を含む液の量に相当する微生物が生息し、発電するために、微生物燃料電池のエネルギーの回収量は流入する有機性物質を含む液の量に依存する。さらに、微生物を担持させる担体によっては微生物が付着しづらく、微生物燃料電池から有機性物質を含む液が流出するのに伴って微生物も流出してしまい、微生物燃料電池のエネルギーの回収効率が低下してしまうという課題があった。

本発明の目的は、微生物の濃度を高めることによりエネルギーの回収効率が高い微生物燃料電池システムを提供することである。

本発明の広い局面では、電極に触媒として機能する嫌気性微生物を担持させた燃料電池（微生物燃料電池）に有機性物質を含む液を流入させる流入工程と、前記微生物燃料電池にて前記有機性物質を含む液を生物的に処理しながら発電する発電工程と、前記微生物燃料電池によって処理された液を固液分離する分離工程とを備える微生物燃料電池システムが提供される。

本発明のある特定の局面では、前記固液分離する分離工程が膜分離法により行われる。

本発明の他の特定の局面では、前記固液分離する分離工程により抽出された固体を含む液を前記微生物燃料電池に返送する。

本発明に係る固液分離工程を備えた微生物燃料電池システムでは、微生物の濃度を高めることができるため、エネルギーの回収効率が高い微生物燃料電池システムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る微生物燃料電池システムを示す模式図である。

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

図１に、本発明の一実施形態に係る微生物燃料電池システムを模式図で示す。

図１に示す微生物燃料電池システムは有機性物質を含む液１を流入させる流入工程を備える。前処理設備２で夾雑物が除去された後に流量調整槽３に一旦貯留され、流量調整槽３から一定の流量で微生物燃料電池４に供給される。微生物燃料電池４によって処理された処理液はポンプ５等により固液分離する分離工程６に送られ、処理水７と余剰汚泥８に分離される。

流入工程では、大きな固形分などをおおまかに除去した有機性物質を含む液を、一定の流量で活性汚泥槽に流量調整しながら微生物燃料電池に送り込む。大きな固形分が残ったままだと、発電工程内で部分的に滞留が発生してエネルギーの回収効率を低下させる。また、流量調整が行われなければ、エネルギーの回収効率等のシステム全体の効率が低下する。

上記有機性物質を含む液としては特に限定されないが、廃水、廃液、し尿、食品廃棄物、その他の有機性廃棄物及び汚泥等が挙げられる。

発電工程では、微生物燃料電池を用いる。微生物燃料電池は、アノード（負電極）と、カソード（正電極）と、アノードとカソードとの間に挟み込まれたイオン透過性膜を有しており、微生物の働きにより有機性物質を含む液から直接的に電気エネルギーを回収することが可能である。微生物燃料電池としては、微生物の働きにより有機性物質を含む液から直接的に電気エネルギーを回収できれば特に限定されず、例えば、特許文献１、特許文献２に示された微生物燃料電池が挙げられる。

負電極（アノード）は微生物を担持可能であるとともに、有機性物質を含む液を通過可能である。負電極は、作用極である。負電極には、微生物が担持されてもよく、担持されていなくてもよい。負電極に微生物が担持されていない場合には、膜・電極接合構造体の使用前又は使用時に、負電極に微生物が担持される。負電極に微生物が付着していることで、微生物により有機性物質から水素イオン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ⁻）が生成可能になる。また、必要に応じて、負電極にメディエータ（電子伝達体）が担持されていてもよく、微生物にメディエータ（電子伝達体）を加えてもよい。

正電極（カソード）は、対極であり、空気と接触可能である。

上記正電極の材料は導電性材料であれば特に限定されない。正電極の材料としては、負電極の材料として挙げた材料が挙げられる。正電極の形態としては、負電極の形態として挙げた形態が挙げられる。正電極は、白金等の触媒が塗布されていてもよい。

イオン透過性膜は、負電極から発生した水素イオン（Ｈ^＋）を透過可能であり、電解質膜であることが好ましい。

上記イオン透過性膜は、空気を透過しないことが好ましい。この場合には、正電極側からイオン透過性膜を介して負電極に空気が至らず、負電極と空気との接触が抑えられる。上記イオン透過性膜の材料は特に限定されない。上記イオン透過性膜としては、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜（陽イオン交換膜）が好ましく用いられる。これ以外のイオン透過性膜を用いてもよい。スルホン酸基は親水性があり、高い陽イオン交換能を持つ。また、より安価なイオン透過性膜として主鎖部のみをフッ素化したフッ素樹脂系イオン交換膜や、芳香族炭化水素系膜も利用できる。有機性物質と正電極とを陽イオン交換膜で隔離した場合には、負電極での反応で発生した水素イオンが、陽イオン交換膜を介して正電極に効果的に供給されて、正電極での酸素の還元に効果的に用いられる。

上記イオン透過性膜の市販品としては、例えばＩＯＮＩＣＳ製ＮＥＰＴＯＮＣＲ６１ＡＺＬ−３８９、トクヤマ製ＮＥＯＳＥＰＴＡＣＭ−１及び同ＣＭＢ、旭硝子製ＳｅｌｅｍｉｏｎＣＳＶ等が挙げられる。

水素イオンの移動効率を高めるためには、正電極とイオン透過性膜との間の間隔はなるべく狭いほうがよく、正電極とイオン透過性膜とは接していることが好ましい。特に、イオン透過性膜の一部が正電極の多孔質構造内部の空隙内に網目状に侵入していると、多孔質構造中に含まれる空気と電解質膜などのイオン透過性膜に含まれる水とで形成される水と空気との接触界面の面積が飛躍的に増大する。このため、空気中の酸素を還元する反応効率が増大して、エネルギーの回収効率がかなり高くなる。

イオン透過性膜と正電極とで、一体化された膜・電極接合体（ＭＥＡ）が形成されていると発電効率が向上するので好ましい。

微生物を効果的に担持可能であるように、また有機性物質を含む液を通過可能であるように、負電極は、孔を有することが好ましく、多孔質であることが好ましい。負電極の材料は、微生物を担持可能で導電性材料であれば特に限定されない。導電性材料としては、炭素繊維やチタンなどの各種の導電性金属が挙げられる。負電極の形態としては、網状体、織布、不織布、クロス及びフェルト等が挙げられる。負電極は、比表面積を高めるために表面処理されていてもよい。

上記微生物としては、嫌気性微生物及び好気性微生物が挙げられる。微生物は、嫌気性微生物であることが好ましい。嫌気性微生物は、嫌気性下で生育可能である。微生物は、好気性微生物であってもよい。

上記微生物としては、微生物の細胞膜内で電子伝達系を終結しない微生物が望ましく、細胞膜外で電子を負電極で捕捉しやすく、負電極への電子伝達を触媒する微生物を利用することが望ましい。上記微生物として、硫黄Ｓ（０）還元菌、三価鉄Ｆｅ（ＩＩＩ）還元菌、二酸化マンガンＭｎＯ_２還元菌、脱塩素菌などが好ましく用いられる。上記微生物として、例えばＤｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓｓｐ．、Ｄｅｓｕｌｆｉｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．、Ｇｅｏｂｉｖｒｉｏｔｈｉｏｐｈｉｌｕｓｓｐ．、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｔｈｉｏｓｕｌｆａｔｉｒｅｄｕｃｅｎｓｓｐ．、Ｔｈｅｒｍｏｔｅｒｒａｂａｃｔｅｒｉｕｍｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓｓｐ．、Ｇｅｏｔｈｒｉｘｓｐ．、Ｇｅｏｂａｃｔｅｒｓｐ．、Ｇｅｏｇｌｏｂｕｓｓｐ．、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓｓｐ．などが特に好ましく用いられる。これらの微生物は、有機性物質中において主要な微生物ではないことが多い。このため、負電極にこれらの微生物を植菌し、負電極にこれらの微生物が担持させる。

また、微生物燃料電池の使用開始時には微生物反応室内にこれらの微生物の増殖に適当な培地を供給することが望ましい。さらに、負電極の電位を高く維持することにより、負電極でのこれらの微生物の増殖を促すことがより望ましい。これらの微生物（群）を前培養もしくは微生物反応室内で培養するための方法として、スラリー状の硫黄、三価鉄、二酸化マンガンなどを電子受容体とする培地が各種報告されている。例えば、Ａｎｃｙｌｏｂａｃｔｅｒ／Ｓｐｉｒｏｓｏｍａ培地、Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓ培地、Ｆｅ（ＩＩＩ）ＬａｃｔａｔｅＮｕｔｒｉｅｎｔ培地などが好ましく用いられる。

分離工程では、固液分離装置を備える。固液分離装置としては、分離膜により固形物を濃縮させる膜分離装置、ろ過フィルターを用いて固形物を濃縮させるフィルター装置、傾斜板や傾斜管を用いて固形物が重力により沈降する速度を向上させる沈降分離装置、振動を与えることにより固形物重力により沈降する速度を向上させる振動分離装置、固形物の帯電を利用して静電気により分離する静電分離装置などが挙げられるが、微生物濃度を向上させるために分離した固形分（余剰汚泥）を微生物燃料電池に返送するには、微生物を損なわず高速な処理速度が得られやすい膜分離装置を用いることが好ましい。

膜分離装置では、固液分離が可能であれば材質は特に限定されない。材質としては、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどが挙げられるが、他の成分が共重合されたりグラフトされていてもかまわない。

膜の形態としては特に限定されず、平膜型（シート膜）、回転平膜型、スパイラル型、チューブラー型、中空糸膜型、モノリス型などが挙げられるが、膜の比表面積（単位体積当たりの膜面積）の大きい中空糸膜型が好ましい。また、孔径による分類としては、孔径が０．００１μｍ〜０．１μｍの限外ろ過膜（ＵＦ膜）、孔径が０．０５μｍ〜５μｍの精密ろ過膜（ＭＦ膜）などが用いられる，ろ過流量の大きいＭＦ膜が好ましい。例えば、平均孔径０．００１〜１μｍを有する膜が好ましく、平均孔径０．０５〜１μｍを有する膜がさらに好ましい。また、通常、膜は取り扱いを容易にするためにモジュールにしたものを使用する。

膜分離装置の設置方法は特に限定されず、槽内浸漬型膜分離装置や槽外設置型膜分離装置などが挙げられる。

槽内浸漬型膜分離装置の場合は、全量ろ過方式でもクロスフロー方式でもいずれでもよい。膜の内外面に発生した圧力差により固液分離がなされるが、加圧ろ過方式でも陰圧ろ過方式でもよいが、加圧ろ過方式がより高い濾過流束が得られるため好ましい。膜の目詰まりによりろ過性能が低下しないように、定期的に膜モジュールの物理洗浄を行う。物理洗浄法としては、主に逆流洗浄とエアーバブリングが効果的である。通常の排水処理システムにおいては、槽内浸漬型膜分離装置は活性汚泥槽（微生物が有機性物質を含む液を生物的に処理する槽）に浸漬されるが、本発明においては微生物が有機性物質を含む液を生物的に処理する発電工程には微生物燃料電池が設置されており、発電工程内に浸漬することは困難である。従って、発電工程とは別に浸漬槽を設ける必要があり、通常の排水処理システムと比較すると煩雑となる。

槽外設置型膜分離装置の場合は、槽内浸漬型膜分離装置と同様に分離膜と集水部から構成される。槽内浸漬型膜分離装置と同様に吸引ポンプにより膜の内外面に圧力差を生じる方法と、圧送ポンプにより圧送することにより圧力差を与える方法があり、いずれの方法を用いてもよい。通常の排水処理システムと同様の設置が可能であるため、槽内浸漬型膜分離装置に比べて好ましい。膜の目詰まりによりろ過性能が低下しないように、定期的に膜モジュールの物理洗浄を行う。物理洗浄法としては、主に逆流洗浄が効果的である。

分離工程において分離された固体成分（余剰汚泥）は微生物燃料電池に返送にされる。余剰汚泥には固体成分として微生物が含まれており、余剰汚泥を微生物燃料電池に返送することにより微生物燃料電池内の微生物濃度を高めることができる。微生物の量を比較する指標として用いられる活性汚泥浮遊物質（ＭＬＳＳ）としては、５，０００ｍｇ／Ｌ以上３０，０００ｍｇ／Ｌ以下が好ましく、８，０００ｍｇ／Ｌ以上２０，０００ｍｇ／Ｌ以下がさらに好ましい。ＭＬＳＳが小さいとエネルギーの回収効率の向上効果が小さく、逆に大きいと分離膜の目詰まりが発生しやすく、運転が困難となる。

上記膜分離装置に使用する膜モジュールの市販品としては、例えば積水化学工業製大口径ＵＦ膜モジュール（エスロン大口径ＵＦ膜モジュールＬＤ−０３４０（膜面積１．５ｍ^２））、旭化成製マイクローザＵＮＡ−６２０Ａ及び同ＵＮＡ−６００Ａ、東レ製メンブレイ等が挙げられる。

１…有機性物質を含む液
２…前処理設備
３…流量調整槽
４…微生物燃料電池
５…ポンプ
６…固液分離装置
７…処理水
８…余剰汚泥

Claims

電極に触媒として機能する嫌気性微生物を担持させた燃料電池（微生物燃料電池）に有機性物質を含む液を流入させる流入工程と、
前記微生物燃料電池にて前記有機性物質を含む液を生物的に処理しながら発電する発電工程と、
前記微生物燃料電池によって処理された液を固液分離する分離工程とを備え、前記分離工程により抽出された固体成分（余剰汚泥）を含む液を前記微生物燃料電池に返送する、微生物燃料電池システム。
前記固液分離する分離工程が膜分離法により行われる、請求項１に記載の微生物燃料電池システム。