JP5828455B2 - Microbial fuel cell and microbial power generation method - Google Patents

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Description

本発明は、微生物燃料電池及び微生物発電方法に関し、特に有機物及び嫌気性微生物を含む泥を用いた微生物燃料電池及び微生物発電方法に関する。   The present invention relates to a microbial fuel cell and a microbial power generation method, and more particularly to a microbial fuel cell and a microbial power generation method using mud containing organic matter and anaerobic microorganisms.

産業排水及び家庭排水等に含まれる有機物が泥と共に、川底及び海底に堆積したいわゆるヘドロは、大きな問題となっている。このため、ヘドロを浄化する様々な方法が検討されている。さらに進んでヘドロを有効利用する方法についても検討されている。例えば、ヘドロをコンクリート化したり、肥料としたりすることが検討されている。また、微生物を用いてヘドロからメタノール又は水素等を生産することも検討されている。   So-called sludge in which organic substances contained in industrial wastewater and household wastewater accumulate on the riverbed and the seabed together with mud is a big problem. For this reason, various methods for purifying sludge have been studied. A method for effectively utilizing sludge is also being studied. For example, making sludge into concrete or fertilizer is being studied. In addition, the production of methanol or hydrogen from sludge using microorganisms has also been studied.

微生物を用いてヘドロを有効利用する方法の1つに、微生物によりヘドロ中の有機物を分解して発電を行う微生物燃料電池がある(例えば、特許文献1を参照。)。微生物燃料電池は、微生物に有機物を分解させ、電子及びプロトンを発生させる。発生した電子を負極により捕集し、回路を通じて正極に移動させ、プロトン及び酸素と反応させて水を生成する。このサイクルを回すことにより、電力を取り出すことができる。同時に、微生物による有機物の分解が進むため、ヘドロの浄化を行うこともできる。   One method for effectively utilizing sludge using microorganisms is a microbial fuel cell that generates power by decomposing organic matter in sludge using microorganisms (see, for example, Patent Document 1). A microbial fuel cell causes microorganisms to decompose organic matter and generate electrons and protons. The generated electrons are collected by the negative electrode, transferred to the positive electrode through the circuit, and reacted with protons and oxygen to generate water. By rotating this cycle, power can be taken out. At the same time, organic substances are decomposed by microorganisms, so that sludge can be purified.

特開2006−114375号公報JP 2006-114375 A

しかしながら、従来の微生物電池には以下のような問題がある。ヘドロは、通常は酸素が消費された還元状態となっており、正極に酸素を供給してやらなければならない。正極を水層に設けることにより正極に酸素を供給することが可能となるが、この場合にはプロトンをヘドロ層から水層に効率良く移動させる必要がある。このため、通常はヘドロ層と水層との間にイオン交換膜を設けている。しかし、イオン交換膜は高価であり、微生物電池のコストを増大させる。   However, the conventional microbial battery has the following problems. Sludge is normally in a reduced state where oxygen is consumed, and oxygen must be supplied to the positive electrode. By providing the positive electrode in the aqueous layer, oxygen can be supplied to the positive electrode. In this case, it is necessary to efficiently move protons from the sludge layer to the aqueous layer. For this reason, an ion exchange membrane is usually provided between the sludge layer and the water layer. However, ion exchange membranes are expensive and increase the cost of microbial batteries.

また、正極と負極との間に生じる電位差も非常に小さい。高い電圧を得るために、複数の微生物燃料電池を直列接続することも考えられるが、正極及び負極を複数設けただけでは直列接続することはできない。微生物燃料電池を直列接続して高い電圧を得るためには、正極同士及び負極同士がそれぞれ独立した電池セルを形成する必要がある。独立した電池セルとするためには、電極を有する複数の容器を準備し、容器内にヘドロを投入する必要がある。従って、堆積場所からヘドロを回収及び移送して複数の容器に人手により投入するといった操作が必要となる。これを自動化しようとするとプラントの建設等が必要となる。このようなコストをかけてはヘドロを用いた発電は経済的に成り立たない。   In addition, the potential difference generated between the positive electrode and the negative electrode is very small. In order to obtain a high voltage, it is conceivable to connect a plurality of microbial fuel cells in series, but simply connecting a plurality of positive electrodes and negative electrodes cannot be connected in series. In order to obtain a high voltage by connecting microbial fuel cells in series, it is necessary to form battery cells in which the positive electrodes and the negative electrodes are independent of each other. In order to obtain an independent battery cell, it is necessary to prepare a plurality of containers having electrodes and to put sludge into the container. Accordingly, it is necessary to collect and transfer sludge from the deposition site and manually put it into a plurality of containers. To automate this, it is necessary to construct a plant. At such a cost, power generation using sludge is not economical.

ヘドロによる発電を実用化するためには、堆積場所からのヘドロの回収又はプラントの建設等が不要で、ヘドロが堆積している場所において容易に微生物燃料電池を形成できるようにすることが必要とされる。   In order to put power generation using sludge into practical use, it is not necessary to collect sludge from the deposition site or construct a plant, and it is necessary to make it possible to easily form a microbial fuel cell in a location where sludge is deposited. Is done.

本発明は、前記の問題を解決し、ヘドロの回収及び移送等の作業が不要な微生物燃料電池を実現できるようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to realize a microbial fuel cell that does not require operations such as collecting and transferring sludge.

前記の目的を達成するため、本発明は微生物燃料電池を、堆積したヘドロに負極及び正極を有する電池筒を埋設する構成とする。   In order to achieve the above object, the present invention has a configuration in which a microbial fuel cell is embedded in a battery tube having a negative electrode and a positive electrode in a deposited sludge.

具体的に、本発明に係る微生物燃料電池は、絶縁性の保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体と、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層と、泥層の上に存在する水層とを備え、負極は、泥層中に配置され、正極は、水層中に配置されている。   Specifically, a microbial fuel cell according to the present invention comprises a battery body having an insulating holder, a negative electrode provided at the lower part of the holder and a positive electrode provided at the upper part, an organic substance and an anaerobic microorganism. A mud layer containing and a water layer present on the mud layer are provided, the negative electrode is disposed in the mud layer, and the positive electrode is disposed in the water layer.

本発明の微生物燃料電池は、負極及び正極を有する電池本体の下部を堆積しているヘドロに埋め込むだけで微生物燃料電池を実現することができる。このため、ヘドロの回収及び移送等の作業が不要であり、微生物燃料電池を容易に実現することが可能となる。   The microbial fuel cell of the present invention can be realized by simply burying the lower part of the battery body having the negative electrode and the positive electrode in the sludge depositing. Therefore, operations such as sludge collection and transfer are unnecessary, and a microbial fuel cell can be easily realized.

本発明の微生物燃料電池は、保持体は、筒状であり、負極及び正極は、それぞれ保持体の内壁面に設けられていてもよい。このようにすれば、ヘドロが堆積している場所に微生物燃料電池を容易に設置することができる。また、ヘドロが堆積している場所に複数の微生物燃料電池を隣接して設置しても、負極同士が導通することがなく、直列接続することが可能となる。   In the microbial fuel cell of the present invention, the holding body is cylindrical, and the negative electrode and the positive electrode may be provided on the inner wall surface of the holding body, respectively. In this way, the microbial fuel cell can be easily installed at a place where sludge is accumulated. Further, even if a plurality of microbial fuel cells are installed adjacent to each other where sludge is accumulated, the negative electrodes do not conduct each other and can be connected in series.

本発明の微生物燃料電池において、泥層における電池筒の下端部における含水比は80%未満とすればよい。   In the microbial fuel cell of the present invention, the water content ratio at the lower end portion of the battery cylinder in the mud layer may be less than 80%.

本発明の微生物燃料電池において、電池筒は複数であり、複数の電池筒は、負極と正極とが順次直列に接続されていてもよい。   In the microbial fuel cell of the present invention, there are a plurality of battery tubes, and the plurality of battery tubes may have a negative electrode and a positive electrode sequentially connected in series.

本発明の微生物燃料電池において、負極及び正極は、それぞれ保持体の外表面に設けられていてもよい。このような構成とすることにより、低コストで微生物燃料電池を実現することができる。   In the microbial fuel cell of the present invention, the negative electrode and the positive electrode may each be provided on the outer surface of the holding body. With such a configuration, a microbial fuel cell can be realized at low cost.

本発明の微生物燃料電池は、泥層における負極が配置されている部分に混入された炭素粒子をさらに備えていてもよい。この場合において、炭素粒子は、竹炭とすればよい。   The microbial fuel cell of the present invention may further include carbon particles mixed in a portion where the negative electrode is disposed in the mud layer. In this case, the carbon particles may be bamboo charcoal.

本発明に係る微生物燃料電池は、負極は、分離筒の内壁面に貼り付けられたカーボンクロスからなり、電池筒は、カーボンクロスを覆うように分離筒の内壁面の上に形成されたカーボン層を有している構成としてもよい。   In the microbial fuel cell according to the present invention, the negative electrode comprises a carbon cloth attached to the inner wall surface of the separation cylinder, and the battery cylinder is a carbon layer formed on the inner wall surface of the separation cylinder so as to cover the carbon cloth. It is good also as a structure which has.

本発明の微生物燃料電池は、水層中に投入された酸化カルシウムを含む酸素消費物質吸収材をさらに備えていてもよい。この場合において、酸素消費物質吸収材は、石炭灰造粒物とすればよい。   The microbial fuel cell of the present invention may further include an oxygen consuming substance absorbent containing calcium oxide charged into the aqueous layer. In this case, the oxygen-consuming substance absorber may be a coal ash granulated product.

本発明の微生物燃料電池は、泥層に混入された酸化カルシウムを含むプロトン移動促進材をさらに備えていてもよい。   The microbial fuel cell of the present invention may further include a proton transfer promoting material containing calcium oxide mixed in the mud layer.

本発明に係る電源装置は、本発明の微生物燃料電池と、微生物燃料電池と直列に接続された補助電池とを備えている。このようにすれば、微生物燃料電池単体の場合よりも高い電圧を容易に得ることができる。また、部生物燃料電池がない場合と比べて電池の寿命がはるかに長くなる。   The power supply device according to the present invention includes the microbial fuel cell of the present invention and an auxiliary battery connected in series with the microbial fuel cell. In this way, a higher voltage can be easily obtained than in the case of a microbial fuel cell alone. Also, the life of the battery is much longer than when there is no partial biofuel cell.

本発明に係る微生物発電方法は、絶縁性材料からなる保持体と、保持体における内壁面の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、電池本体を、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に負極が埋まり、泥層の上に存在する水層中に正極が位置するように配置する工程とを備えているを備えている。   The microbial power generation method according to the present invention includes a step of preparing a battery body having a holding body made of an insulating material, a negative electrode provided at a lower portion of an inner wall surface of the holding body, and a positive electrode provided at an upper portion; In which a negative electrode is buried in a mud layer containing organic matter and anaerobic microorganisms, and the positive electrode is positioned in a water layer present on the mud layer.

本発明に係る微生物発電方法によれば、電池本体を堆積したヘドロに埋め、正極がヘドロの上に存在する水層中に位置し、負極が堆積したヘドロに埋まるようにするだけで発電を行うことができる。従って、ヘドロが堆積した場所において容易に微生物発電を行うことができる。   According to the microbial power generation method of the present invention, power generation is performed simply by filling the sludge in which the battery body is deposited, the positive electrode is located in the water layer existing on the sludge, and the negative electrode is buried in the sludge deposited. be able to. Therefore, microbial power generation can be easily performed at a place where sludge is accumulated.

本発明の微生物発電方法において、保持体は、筒状であり、負極及び正極は、それぞれ保持体の内壁面に設けられていてもよい。このようにすれば、複数の電池本体をヘドロに埋め込んだ場合にも、負極同士の導通を抑えることができるため、直列に接続することができ、所望の電圧を得ることができる。   In the microbial power generation method of the present invention, the holder may be cylindrical, and the negative electrode and the positive electrode may be provided on the inner wall surface of the holder, respectively. In this way, even when a plurality of battery main bodies are embedded in the sludge, since conduction between the negative electrodes can be suppressed, they can be connected in series and a desired voltage can be obtained.

本発明の微生物発電方法において、電池筒を複数準備し、複数の電池筒において負極と正極とを順次直列に接続してもよい。   In the microbial power generation method of the present invention, a plurality of battery tubes may be prepared, and the negative electrode and the positive electrode may be sequentially connected in series in the plurality of battery tubes.

本発明の微生物発電方法において、負極及び正極は、それぞれ保持体の外表面に設けられていてもよい。   In the microbial power generation method of the present invention, the negative electrode and the positive electrode may each be provided on the outer surface of the holding body.

本発明の微生物発電方は、正極と負極との間に、補助電池と負荷とが直列に接続されている構成としてもよい。   The microbial power generation method of the present invention may have a configuration in which an auxiliary battery and a load are connected in series between the positive electrode and the negative electrode.

本発明に係る微生物燃料電池によれば、容易に実用となる電力を取り出すことができる微生物燃料電池を実現できる。   According to the microbial fuel cell of the present invention, it is possible to realize a microbial fuel cell that can easily extract practical electric power.

第1の実施形態に係る微生物燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a microbial fuel cell according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る微生物燃料電池の設置例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example of installation of the microbial fuel cell which concerns on 1st Embodiment. ヘドロの含水比と接続効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the moisture content of sludge and connection efficiency. 微生物燃料電池を直列接続した場合の電流密度と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the current density at the time of connecting a microbial fuel cell in series, and a voltage. ヘドロ層中への炭素粒子の添加量と総電流量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the addition amount of the carbon particle in a sludge layer, and the total electric current amount. 添加した炭素粒子の粒径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the added carbon particle. 負極を覆うカーボン層を設けた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which provided the carbon layer which covers a negative electrode. 酸化カルシウムを含む粒子を水層中に投入した例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which injected | thrown-in the particle | grains containing a calcium oxide in the water layer. 酸化カルシウムを含む粒子を添加した効果を示し、(a)はアンモニア及び硫化水素の濃度を示すグラフであり、(b)は(CH32Sの濃度を示すグラフである。It shows the effect of adding particles containing calcium oxide, (a) is a graph showing the concentration of ammonia and hydrogen sulfide, (b) is a graph showing the concentration of (CH 3) 2 S. 酸化カルシウムを含む粒子の添加による溶存酸素濃度の増加を示すグラフである。It is a graph which shows the increase in the dissolved oxygen concentration by addition of the particle | grains containing a calcium oxide. 酸化カルシウムの添加による電極電位の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the electrode potential by addition of calcium oxide. 得られた微生物燃料電池の起電圧の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the electromotive force of the obtained microbial fuel cell. 電池筒の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of a battery cylinder. 第2の実施形態に係る電源装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the power supply device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る電源装置の特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the power supply device which concerns on 2nd Embodiment. 微生物燃料電池を用いたLEDランプを示す概略図である。It is the schematic which shows the LED lamp using a microbial fuel cell.

本開示において、ヘドロとは、有機物及び嫌気性微生物を含み、還元状態となっている泥をいう。河川、沼、池、湖及び海等の底に堆積していることが一般的であるが、堆積場所は問わない。また、含まれている有機物及び嫌気性微生物の種類等も問わない。泥とは、主に粘土及びシルト等の粒子が細かい土が水を含んだ状態となっているものをいう。   In the present disclosure, sludge refers to mud that contains organic matter and anaerobic microorganisms and is in a reduced state. It is common to deposit on the bottom of rivers, swamps, ponds, lakes, seas, etc., but it does not matter where they are deposited. Moreover, the kind of organic substance and anaerobic microorganisms, etc. which are contained are not ask | required. Mud refers to a soil in which fine particles such as clay and silt contain water.

(第1の実施形態)
図1に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池100は、電池本体111と、該電池本体111の内部を満たすヘドロ層113及び水層114とを有している。電池本体111は、絶縁性の材料からなる筒状の保持体121と、該保持体121における内壁面の下部に貼り付けられた負極(アノード)122及び内壁面の上部に貼り付けられた正極(カソード)123とを有している。負極122は、ヘドロ層113中に配置されており、正極123は水層114中に配置されている。負極122及び正極123にはそれぞれ導線125が接続されている。導線125は、ニッケル又は白金等とすればよい。微生物燃料電池100により発生させた電力は導線125と接続された負荷101において利用することができる。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell 100 according to this embodiment includes a battery main body 111, and a sludge layer 113 and a water layer 114 that fill the inside of the battery main body 111. The battery body 111 includes a cylindrical holder 121 made of an insulating material, a negative electrode (anode) 122 attached to the lower part of the inner wall surface of the holder 121, and a positive electrode (an anode) attached to the upper part of the inner wall surface ( Cathode) 123. The negative electrode 122 is disposed in the sludge layer 113, and the positive electrode 123 is disposed in the aqueous layer 114. Conductive wires 125 are connected to the negative electrode 122 and the positive electrode 123, respectively. The conducting wire 125 may be nickel or platinum. The electric power generated by the microbial fuel cell 100 can be used in the load 101 connected to the conducting wire 125.

電極である負極122及び正極123は、導電性の材料により形成すればよいが、電子を捕集する効果が高いため炭素が好ましい。炭素を負極122及び正極123として用いる場合には、表面積を大きくすることが容易であるため炭素繊維からなるカーボンクロス等とすればよい。カーボンクロスを用いた場合には、導線125を縫い込むことができ、接続が容易となるという利点もある。   The negative electrode 122 and the positive electrode 123 which are electrodes may be formed using a conductive material, but carbon is preferable because of its high effect of collecting electrons. In the case of using carbon as the negative electrode 122 and the positive electrode 123, it is easy to increase the surface area, so that a carbon cloth made of carbon fiber or the like may be used. In the case of using a carbon cloth, there is an advantage that the conductive wire 125 can be sewn and the connection becomes easy.

保持体121は、絶縁性の材料であればどのようなものでもよく、例えば、塩化ビニール、アクリル、ポリエチレン又はポリプロピレン等の樹脂パイプとすればよい。特に塩化ビニールパイプは耐久性があり且つ価格も安いため好ましい。   The holding body 121 may be any material as long as it is an insulating material. For example, the holding body 121 may be a resin pipe such as vinyl chloride, acrylic, polyethylene, or polypropylene. In particular, a vinyl chloride pipe is preferable because it is durable and inexpensive.

本実施形態の電池本体111は、下端部が開放された筒状である。このため、図2に示すように河岸又は海岸等に堆積した堆積ヘドロ103に負極122がヘドロに埋まるように電池本体111を埋設し、正極123が浸かるように電池本体111の上部に水を満たすだけで微生物燃料電池100を実現することができる。電池本体111の上部に満たす水は、淡水でも塩水でもかまわない。   The battery body 111 of the present embodiment has a cylindrical shape with an open lower end. Therefore, as shown in FIG. 2, the battery body 111 is embedded so that the negative electrode 122 is embedded in the sludge 103 deposited on the riverbank or the coast, and the upper part of the battery body 111 is filled with water so that the positive electrode 123 is immersed. Only by this, the microbial fuel cell 100 can be realized. The water filling the upper part of the battery body 111 may be fresh water or salt water.

本実施形態の微生物燃料電池100では、ヘドロ層113の上に水層114が接しており、ヘドロ層113と水層114との間にイオン交換膜等は設けられていない。しかし、ヘドロ層113と水層114との界面において効率良くイオン交換が行われるため、プロトン交換膜を設けなくても、ヘドロ層113から水層114中にプロトンを効率良く移動させることができる。   In the microbial fuel cell 100 of the present embodiment, the water layer 114 is in contact with the sludge layer 113, and no ion exchange membrane or the like is provided between the sludge layer 113 and the water layer 114. However, since ion exchange is efficiently performed at the interface between the sludge layer 113 and the water layer 114, protons can be efficiently moved from the sludge layer 113 into the water layer 114 without providing a proton exchange membrane.

1台の微生物燃料電池100により発生させることができる起電圧は、ヘドロの酸化還元電位からみて0.3V程度〜0.6V程度となる。しかし、図2に示すように電池本体111を複数配置し、負極122と正極123とを順次接続すれば、負荷101を駆動するために必要な電圧を得ることができる。   The electromotive voltage that can be generated by one microbial fuel cell 100 is about 0.3 V to about 0.6 V when viewed from the redox potential of sludge. However, if a plurality of battery main bodies 111 are arranged as shown in FIG. 2 and the negative electrode 122 and the positive electrode 123 are sequentially connected, a voltage necessary for driving the load 101 can be obtained.

保持体121が下端部が開放された筒状であるため、電池本体111の下部におけるヘドロの含水比が高く導電率が高い場合には負極122同士が導通してしまい、微生物燃料電池100を直列接続しても、電圧を上げることができない。しかし、本願発明者らが検討したところ、電池本体111の下部における含水比が少なくとも80%程度よりも低ければ、筒状の保持体121により微生物燃料電池100をそれぞれ独立させることができ、微生物燃料電池100を直列に接続することにより電圧を加算することが可能となることが明らかとなった。   Since the holding body 121 has a cylindrical shape with the lower end opened, when the moisture content of sludge in the lower part of the battery main body 111 is high and the conductivity is high, the negative electrodes 122 are connected to each other, and the microbial fuel cell 100 is connected in series. Even if connected, the voltage cannot be increased. However, as a result of examination by the inventors of the present application, if the water content ratio in the lower part of the battery body 111 is lower than at least about 80%, the microbial fuel cells 100 can be made independent by the cylindrical holders 121, respectively. It became clear that the voltage can be added by connecting the batteries 100 in series.

図3は、電池本体111の下端部におけるヘドロの含水比と、微生物燃料電池100を直列接続した場合の接続効率との関係を示している。接続効率Wは、W=Vsum/(V1+V2)である。但し、Vsumは、2台の微生物燃料電池100を直列に接続した際に得られた電圧であり、V1及びV2はそれぞれ単独の微生物燃料電池100により得られた電圧である。   FIG. 3 shows the relationship between the moisture content of sludge at the lower end of the battery body 111 and the connection efficiency when the microbial fuel cells 100 are connected in series. The connection efficiency W is W = Vsum / (V1 + V2). However, Vsum is a voltage obtained when two microbial fuel cells 100 are connected in series, and V1 and V2 are voltages obtained by a single microbial fuel cell 100, respectively.

図3に示すように、含水比が70%の場合にも電圧の上昇が認められ、接続効率は高くないが、微生物燃料電池100を直列接続できることが明らかである。含水比が50%程度よりも低くなると接続効率が80%を超えるため、直列接続する場合には含水比が50%程度以下であることが好ましい。   As shown in FIG. 3, even when the water content ratio is 70%, an increase in voltage is recognized and the connection efficiency is not high, but it is clear that the microbial fuel cells 100 can be connected in series. When the water content is lower than about 50%, the connection efficiency exceeds 80%. Therefore, in the case of series connection, the water content is preferably about 50% or less.

堆積したヘドロの含水比は、表面ほど高く、深くなるほど低くなる傾向にある。このため、電池本体111を埋め込む深さを調整することにより、電池本体111の下部におけるヘドロの含水比を制御することができる。   The moisture content of the accumulated sludge tends to be higher at the surface and lower as it becomes deeper. For this reason, the moisture content of sludge in the lower part of the battery main body 111 can be controlled by adjusting the depth in which the battery main body 111 is embedded.

実際に、堆積したヘドロの含水比を測定したところ、表面から25cmの位置では約82%であり、40cmの位置では約54%であった。このヘドロに電池本体111を埋め込み微生物燃料電池100を作成し、直列接続が可能かどうかの検証を行った。保持体121は、内径が15cmで高さが50cmのアクリルパイプとした。負極122及び正極123は、それぞれ10cm角のカーボンクロスとし、負極122は下端が保持体121の下端から2cm程度上側となるように設け、正極123は上端が保持体121の上端から2cm程度下側となるように設けた。   Actually, when the moisture content of the accumulated sludge was measured, it was about 82% at a position 25 cm from the surface and about 54% at a position 40 cm. The microbial fuel cell 100 was created by embedding the battery body 111 in this sludge, and it was verified whether serial connection was possible. The holding body 121 was an acrylic pipe having an inner diameter of 15 cm and a height of 50 cm. Each of the negative electrode 122 and the positive electrode 123 is a 10 cm square carbon cloth, the negative electrode 122 is provided so that the lower end is about 2 cm above the lower end of the holding body 121, and the upper end of the positive electrode 123 is about 2 cm below the upper end of the holding body 121 It was provided so that.

電池本体111の下端部を、堆積したヘドロの表面から深さが25cmの位置とした場合の電圧は約0.41Vであり、40cmとした場合の電圧は約0.39Vであった。この場合の接続効率はそれぞれ約50%及び約85%であった。従って、電池本体111の下端部におけるヘドロの含水比が少なくとも80%未満となるように電池本体111を堆積したヘドロ中に埋め込むことにより、個々の微生物燃料電池100を独立させ、直列接続することが可能となる。電池本体111の下端部がさらに深い位置となるようにし、電池本体111の下端部におけるヘドロの含水率を50%程度以下とすれば、接続効率を向上させることができ好ましい。   The voltage when the lower end portion of the battery body 111 was 25 cm deep from the surface of the accumulated sludge was about 0.41 V, and the voltage when the height was 40 cm was about 0.39 V. In this case, the connection efficiencies were about 50% and about 85%, respectively. Therefore, the individual microbial fuel cells 100 can be made independent and connected in series by embedding the battery body 111 in the sludge deposited so that the moisture content of the sludge at the lower end of the battery body 111 is at least less than 80%. It becomes possible. It is preferable that the lower end portion of the battery main body 111 is at a deeper position and the moisture content of the sludge at the lower end portion of the battery main body 111 is about 50% or less because the connection efficiency can be improved.

図4は、同様の条件により作成した微生物燃料電池100を所定の台数直列接続した場合の電流密度と電圧との関係を示している。微生物燃料電池100を直列接続することにより、電圧を加算することができ電流の取り出しもできることが明らかである。例えば、発光ダイオードを点灯させる場合には、0.2W以上の電力が必要となる。このような、電力の領域においても、直列接続により電圧を加算することができている。   FIG. 4 shows the relationship between current density and voltage when a predetermined number of microbial fuel cells 100 created under the same conditions are connected in series. It is clear that the voltage can be added and the current can be taken out by connecting the microbial fuel cells 100 in series. For example, when lighting a light emitting diode, electric power of 0.2 W or more is required. Even in such a power region, the voltage can be added by serial connection.

負極122がヘドロ層113中に配置されていれば電力を取り出すことができるが、直列接続が可能な微生物燃料電池とするためには、保持体121の下端部よりも上側に設ける必要がある。また、ヘドロ層113における負極122の近傍の部分は、ある程度含水比が高い方が好ましい。このため、負極122は下端が保持体121の下端から約2cm以上離れた位置に設けることが好ましい。また、正極123は、水層114中において酸素濃度が高い位置に設けることが好ましく、水層114の上端付近に設ける方がよい。このため、保持体121内に水を満たした際に完全に水中に没し且つできるだけ上方に位置するように、正極123の上端が保持体121の上端から2cm程度の位置になるように配置すればよい。   Electric power can be taken out if the negative electrode 122 is disposed in the sludge layer 113, but in order to obtain a microbial fuel cell that can be connected in series, it is necessary to provide it above the lower end of the holding body 121. Further, it is preferable that the portion near the negative electrode 122 in the sludge layer 113 has a high water content to some extent. For this reason, the negative electrode 122 is preferably provided at a position where the lower end is separated from the lower end of the holding body 121 by about 2 cm or more. The positive electrode 123 is preferably provided at a position where the oxygen concentration is high in the aqueous layer 114, and is preferably provided near the upper end of the aqueous layer 114. For this reason, when the holder 121 is filled with water, it is disposed so that the upper end of the positive electrode 123 is positioned about 2 cm from the upper end of the holder 121 so that the holder 121 is completely submerged in water and positioned as high as possible. That's fine.

ヘドロ層113は、堆積されているそのままの状態で用いることができる。しかし、ヘドロ層113に添加物を加えてもよい。例えば、ヘドロ層113に炭素粒子を添加することにより負極122の実効的な面積を増大させることができ、微生物燃料電池100から取り出すことができる電流を向上させることができる。ヘドロ層113に添加する炭素粒子はどのようなものであってもよいが、取り扱い及び費用等を考えると粉砕した竹炭が好ましい。   The sludge layer 113 can be used as it is deposited. However, an additive may be added to the sludge layer 113. For example, by adding carbon particles to the sludge layer 113, the effective area of the negative electrode 122 can be increased, and the current that can be extracted from the microbial fuel cell 100 can be improved. Any carbon particles may be added to the sludge layer 113, but pulverized bamboo charcoal is preferable in consideration of handling and cost.

図5は、ヘドロへの竹炭の混合率と微生物燃料電池100から取り出した総電流量との関係を示している。図5において横軸は、ヘドロの乾燥重量に対する竹炭の添加重量の割合(wt%)を示している。縦軸は、負荷抵抗を100Ωとし、1週間通電した際の総電流量を示している。竹炭は乳鉢により粉砕したものを用いた。添加した竹炭の粒度分布をレーザー回折式粒度分布系により測定した結果を図6に示す。   FIG. 5 shows the relationship between the mixing ratio of bamboo charcoal into sludge and the total amount of current extracted from the microbial fuel cell 100. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the ratio (wt%) of the added weight of bamboo charcoal to the dry weight of sludge. The vertical axis represents the total amount of current when the load resistance is 100Ω and the current is supplied for one week. Bamboo charcoal used was pulverized with a mortar. The result of measuring the particle size distribution of the added bamboo charcoal with a laser diffraction particle size distribution system is shown in FIG.

図5に示すように、炭素粒子を添加することにより、総電流量が大きく上昇した。炭素粒子を10wt%程度添加することにより、添加していない場合の倍程度まで総電流量が増加した。さらに、30wt%程度添加した場合には、添加していない場合の4倍程度まで総電流量を向上させることができた。   As shown in FIG. 5, the total current amount increased greatly by adding carbon particles. By adding about 10 wt% of carbon particles, the total amount of current increased to about double that when no carbon particles were added. Furthermore, when about 30 wt% was added, the total current amount could be improved to about four times that when no addition was made.

ヘドロが堆積している場所に微生物燃料電池100を直接設置する場合には、ヘドロに炭素粒子を混合することが困難な場合もある。この場合には、図7に示すように、負極122を覆うように保持体121の内壁面に炭素粒子からなるカーボン層126を形成すればよい。この場合にも、負極122の実効的な面積を増大させることができる。カーボン層126はどのようにして形成してもよいが、例えば保持体121の内壁面に両面テープ又は粘着層等を介して炭素粒子を貼り付けることにより形成すればよい。なお、ヘドロに炭素粒子が混入されている場合にも、カーボン層126を設けてかまわない。   When the microbial fuel cell 100 is directly installed in a place where sludge is deposited, it may be difficult to mix carbon particles in the sludge. In this case, as shown in FIG. 7, a carbon layer 126 made of carbon particles may be formed on the inner wall surface of the holding body 121 so as to cover the negative electrode 122. Also in this case, the effective area of the negative electrode 122 can be increased. The carbon layer 126 may be formed by any method. For example, the carbon layer 126 may be formed by attaching carbon particles to the inner wall surface of the holding body 121 via a double-sided tape or an adhesive layer. Note that the carbon layer 126 may be provided even when carbon particles are mixed in the sludge.

また、負極122と接するように、負極122の周囲のヘドロ層113中に塊状又は棒状の炭素を埋め込むことによっても、負極122の実効的な面積を増大させることができる。塊状又は棒状の炭素は、粉砕していない竹炭等を用いればよい。また、竹炭を粉砕した後、再度ブロック状に固めた多孔性の竹炭ブロック等を用いることも可能である。多孔性の竹炭ブロックは、表面積が大きいため負極122の実効的な面積を増大させる効果が大きくなる。   The effective area of the negative electrode 122 can also be increased by embedding massive or rod-like carbon in the sludge layer 113 around the negative electrode 122 so as to be in contact with the negative electrode 122. The lump or rod-shaped carbon may be bamboo charcoal that has not been crushed. It is also possible to use a porous bamboo charcoal block or the like obtained by crushing bamboo charcoal and then solidifying it into a block shape again. Since the porous bamboo charcoal block has a large surface area, the effect of increasing the effective area of the negative electrode 122 is increased.

ヘドロ中に炭素粒子を添加した場合には、ヘドロ中から硫化水素等の酸素消費物質が発生するおそれがある。酸素消費物質が発生すると、水層114中の溶存酸素濃度が低下するため、正極123への酸素の供給量が低下し、発電効率が低下する。このため、図8に示すように水層114中に酸素消費物質を吸収するための酸素消費物質吸収材116を投入することが好ましい。酸素消費物質吸収材116は、硫化水素等の酸素消費物質を吸収できればどのようなものでもよいが、カルシウムを含む粒子とすればよい。石炭灰造粒物は15wt%程度の酸化カルシウムを含むビーズ状であり、取り扱い及び費用の点から好ましい。   When carbon particles are added to the sludge, oxygen-consuming substances such as hydrogen sulfide may be generated from the sludge. When the oxygen consuming substance is generated, the dissolved oxygen concentration in the water layer 114 is lowered, so that the amount of oxygen supplied to the positive electrode 123 is lowered and the power generation efficiency is lowered. For this reason, as shown in FIG. 8, it is preferable to introduce an oxygen-consuming substance absorber 116 for absorbing the oxygen-consuming substance into the water layer 114. The oxygen-consuming substance absorbing material 116 may be any material that can absorb oxygen-consuming substances such as hydrogen sulfide, but may be particles containing calcium. Coal ash granulate is in the form of beads containing about 15 wt% calcium oxide, and is preferable from the viewpoint of handling and cost.

図9(a)及び(b)は、水層中に酸素消費物質吸収材として石炭灰造粒物を投入した場合としていない場合について、水層中に含まれる酸素消費物質であるアンモニア(NH3)、硫化水素(H2S)及び硫化メチル((CH32S)の濃度を測定した結果を示している。実験には下水汚泥を用い、下水汚泥の上に粒径が5mm〜40mmの石炭灰造粒物を、約10cmの厚さになるように投入した。石炭灰造粒物を水層中に投入した場合には、水層中のアンモニア、硫化水素及び硫化メチルの濃度は大きく低下した。 FIGS. 9A and 9B show ammonia (NH 3), which is an oxygen consuming substance contained in the water layer, in the case where coal ash granulate is not used as the oxygen consuming substance absorbent in the water layer. ), Hydrogen sulfide (H 2 S) and methyl sulfide ((CH 3 ) 2 S). In the experiment, sewage sludge was used, and a coal ash granule having a particle size of 5 mm to 40 mm was put on the sewage sludge so as to have a thickness of about 10 cm. When coal ash granulate was put into the water layer, the concentrations of ammonia, hydrogen sulfide and methyl sulfide in the water layer were greatly reduced.

また、図10はヘドロ層113の上に約10mmの厚さとなるように粒径が5mm以下の石炭灰造粒物を投入した前後の水層114中における溶存酸素濃度を測定した結果を示している。石炭灰造粒物を投入して1日経過した後には溶存酸素濃度が大きく上昇した。   FIG. 10 shows the result of measuring the dissolved oxygen concentration in the water layer 114 before and after the coal ash granule having a particle size of 5 mm or less was charged on the sludge layer 113 to a thickness of about 10 mm. Yes. The dissolved oxygen concentration increased greatly after 1 day had passed since the coal ash granulation was added.

石炭灰造粒物を水層114中に投入することにより、ヘドロ層113から発生する硫化水素等の酸素消費物質を吸収し、水層114中における溶存酸素の消費が抑制されたため、水層114中における溶存酸素濃度が上昇したと考えられる。石炭灰造粒物の投入量は粒径によって調整する必要があるが、平均粒径が5mm程度である場合には数mm〜20mm程度の厚さとなるようにすればよい。なお、ヘドロ層113への炭素の添加等を行っていない場合にも、酸素消費物質吸収材を水層114中に投入すれば、溶存酸素濃度を向上させることができ好ましい。   By introducing the coal ash granulated material into the water layer 114, oxygen consuming substances such as hydrogen sulfide generated from the sludge layer 113 are absorbed, and consumption of dissolved oxygen in the water layer 114 is suppressed. It is thought that the dissolved oxygen concentration increased. The input amount of the coal ash granulated product needs to be adjusted depending on the particle size, but when the average particle size is about 5 mm, the thickness may be about several mm to 20 mm. Even when carbon is not added to the sludge layer 113, it is preferable to introduce an oxygen-consuming substance absorbent into the water layer 114 because the dissolved oxygen concentration can be improved.

ヘドロ層113中にカルシウムイオンを混入することにより、微生物の活動により発生したプロトンのヘドロ層113から水層114への移動を促進することが可能となる。ヘドロ層113において生成されたプロトンは、ヘドロ層113に存在する無機物等により容易にトラップされるため、生成されたプロトンの一部しか水層114中へ移動しない。しかし、カルシウムイオンを加えることにより、プロトンとカルシウムイオンとが置換され、水層114中へのプロトンの移動が促進されると考えられる。このため、カルシウムイオン(Ca2+)を系中に供給し、硫化水素の発生を抑えることが好ましい。カルシウムイオンの供給は例えば酸化カルシウム(CaO)をヘドロ中に添加すればよい。 By mixing calcium ions in the sludge layer 113, it is possible to promote the movement of protons generated by the activity of microorganisms from the sludge layer 113 to the water layer 114. Protons generated in the sludge layer 113 are easily trapped by an inorganic substance or the like present in the sludge layer 113, so that only a part of the generated protons move into the water layer 114. However, it is considered that by adding calcium ions, protons and calcium ions are replaced, and the movement of protons into the water layer 114 is promoted. Therefore, it is preferable to supply calcium ions (Ca 2+ ) into the system to suppress the generation of hydrogen sulfide. For supplying calcium ions, for example, calcium oxide (CaO) may be added to the sludge.

図11は、ヘドロ層113中にプロトン移動促進材として酸化カルシウムを20wt%添加した場合と添加していない場合における電極電位と電流密度との関係を示している。図11に示すように、酸化カルシウムを添加することにより電極間の電位差を1.5倍程度大きくすることができた。これは、酸化カルシウムより発生したカルシウムイオンにより、ヘドロ層113中のプロトンが水層114へ移動しやすくなったためであると考えられる。起電圧が大きくなるだけでなく、電流密度が大きい領域においても大きな電圧を取り出すことが可能となる。   FIG. 11 shows the relationship between the electrode potential and the current density when 20 wt% of calcium oxide is added as a proton transfer promoter in the sludge layer 113 and when it is not added. As shown in FIG. 11, the potential difference between the electrodes could be increased by about 1.5 times by adding calcium oxide. This is considered to be because the protons in the sludge layer 113 easily move to the water layer 114 due to calcium ions generated from calcium oxide. In addition to an increase in electromotive voltage, a large voltage can be extracted even in a region where the current density is large.

プロトン移動促進材は純粋な酸化カルシウムである必要はなく、酸化カルシウムを含む石炭灰造粒物又は鉄鋼スラグ等を用いればよい。特に鉄鋼スラグは、酸化カルシウムの含有率が25wt%〜40wt%程度と高く、取り扱い及び費用の点からプロトン移動促進材として好ましい。鉄鋼スラグの混入量を多くすればプロトンの移動を促進する効果が高くなるが、ヘドロ中に多量の鉄鋼スラグを混入することは困難である。このため、酸化カルシウムを35wt%程度含む鉄鋼スラグの場合には、ヘドロ層113に10wt%〜30wt%程度含まれるように添加すればよく、20wt%程度が好ましい。   The proton transfer promoting material does not need to be pure calcium oxide, and coal ash granulated material or steel slag containing calcium oxide may be used. In particular, steel slag has a high calcium oxide content of about 25 wt% to 40 wt%, and is preferable as a proton transfer promoter in terms of handling and cost. Increasing the amount of steel slag mixed increases the effect of promoting proton movement, but it is difficult to mix a large amount of steel slag into the sludge. For this reason, in the case of steel slag containing about 35 wt% of calcium oxide, it may be added so that the sludge layer 113 contains about 10 wt% to 30 wt%, preferably about 20 wt%.

なお、プロトン移動促進材はヘドロ層の浅い部分のみに混入されていても、プロトンのトラップを押さえる効果が得られ、電圧及び電流を向上させることができる。   Even if the proton transfer promoting material is mixed only in the shallow portion of the sludge layer, an effect of suppressing proton trapping can be obtained, and the voltage and current can be improved.

実際に20台の微生物燃料電池100を形成したところ、それぞれの微生物燃料電池100の起電力は図12に示すようになった。この20台の微生物燃料電池100を直列に接続した場合の起電圧は12.275Vとなり、6個の発光ダイオードを直列に接続したところ点灯させることができた。また、3日以上連続して点灯させることができた。なお、ヘドロ層113の上部は広島市江波地区の干潟堆積泥をそのまま用い、下部は竹炭及び鉄鋼スラグを添加したヘドロを用いた。この場合の各成分の割合は、竹炭2wt%、鉄鋼スラグ33wt%、有機泥30wt%、間隙水35wt%であった。また、水層114中には、酸素消費物質吸収粒子として粒径が5mm以下の石炭灰造粒物を厚さが約10mmとなるように投入した。   When 20 microbial fuel cells 100 were actually formed, the electromotive force of each microbial fuel cell 100 was as shown in FIG. When the 20 microbial fuel cells 100 were connected in series, the electromotive voltage was 12.275 V. When 6 light emitting diodes were connected in series, they could be lit. Moreover, it was able to light continuously for 3 days or more. In addition, the upper part of the sludge layer 113 used the tidal flat sediment mud of the Enami district of Hiroshima-shi, and the lower part used sludge which added bamboo charcoal and steel slag. The ratio of each component in this case was bamboo charcoal 2 wt%, steel slag 33 wt%, organic mud 30 wt%, and pore water 35 wt%. In addition, coal ash granulated material having a particle size of 5 mm or less was introduced into the water layer 114 as an oxygen consuming substance absorbing particle so as to have a thickness of about 10 mm.

本実施形態の微生物燃料電池100は、極めて簡単な構造であり、ヘドロが堆積している場所において容易に発電を行うことができる。また、複数の微生物燃料電池100を直列接続することにより、電圧を加算することができ任意の電圧を得ることができる。さらに、発電を行うことによりヘドロが微生物により分解されるため、ヘドロの浄化を行うことができる。例えば、ヘドロが堆積した側溝等に本実施形態の微生物燃料電池100を設け、得られた電力により発光ダイオード(LED)を点灯すれば、街灯として用いることができるだけでなく側溝の浄化を行うことができる。   The microbial fuel cell 100 according to the present embodiment has a very simple structure, and can easily generate power in a place where sludge is accumulated. In addition, by connecting a plurality of microbial fuel cells 100 in series, voltages can be added and an arbitrary voltage can be obtained. Furthermore, since sludge is decomposed by microorganisms by performing power generation, sludge can be purified. For example, if the microbial fuel cell 100 of the present embodiment is provided in a side groove or the like where sludge is accumulated and a light emitting diode (LED) is turned on by the obtained electric power, it can be used as a streetlight and the side groove can be purified. it can.

堆積したヘドロの含水比が高い場合には、図13に示すような電池本体111Aを用いてもよい。電池本体111Aは、下端部に可動式の蓋部127を有している。堆積したヘドロ中に電池本体111を突き刺した後、蓋部127を閉じることにより、ヘドロ層113へ下方から供給される水を低減することができる。このため、電池本体111Aの下部におけるヘドロ層113の導電性を低く抑えることができる。下方からの水の供給を低減できればよく、蓋部127を閉じた際に保持体121の下部は密閉される必要はない。図13には、保持体121の下端部に複数の三角形状の可動板が接続され、ヘドロ中に埋め込んだ後、可動板の先端部を内側に寄せることにより先端部を閉じる蓋部127を設ける例を示した。しかし、蓋部127の構造はこれに限らない。例えば、一端が保持体の下端部に接続された円盤状の板からなる蓋部を設け、ヘドロ中に埋め込んだ後、蓋部を引き上げるような構造としてもよい。   When the moisture content of the accumulated sludge is high, a battery body 111A as shown in FIG. 13 may be used. The battery body 111A has a movable lid 127 at the lower end. After the battery main body 111 is pierced into the accumulated sludge, the water supplied from below to the sludge layer 113 can be reduced by closing the lid 127. For this reason, the conductivity of the sludge layer 113 in the lower part of the battery body 111A can be kept low. It is only necessary to reduce the supply of water from below, and the lower portion of the holding body 121 does not need to be sealed when the lid 127 is closed. In FIG. 13, a plurality of triangular movable plates are connected to the lower end portion of the holding body 121, and a lid portion 127 that closes the distal end portion is provided by bringing the distal end portion of the movable plate inward after being embedded in the sludge. An example is shown. However, the structure of the lid 127 is not limited to this. For example, a structure may be adopted in which a lid portion made of a disk-like plate having one end connected to the lower end portion of the holding body is provided, and the lid portion is pulled up after being embedded in the sludge.

本実施形態において示した電極筒の径及び長さ等は一例であり、設置場所の条件等に応じて適宜変更してかまわない。また、負極及び正極が同じ材質及び大きさである例を示したが、これらは異なっていてもよい。ヘドロが堆積している場所に直接設置できるように下端部が開放された電極筒を用いる例を示したが、下端部が密閉された電極筒中にヘドロを投入する構成としてもかまわない。堆積場所等の条件の違いにより、ヘドロ中に含まれる有機物及び嫌気性微生物の種類及び量並びに酸素の供給状態等が変化し、酸化還元電位も変動する。このため、微生物燃料電池により得られる電圧は多少変動する。しかし、本実施形態の微生物燃料電池は、任意の本数を直列に接続できるため、接続本数を調整することにより容易に所望の電圧を得ることができる。   The diameter, length, and the like of the electrode cylinder shown in the present embodiment are examples, and may be appropriately changed according to the conditions of the installation location. Moreover, although the example in which the negative electrode and the positive electrode are the same material and size has been shown, they may be different. Although an example in which an electrode cylinder having a lower end opened so that it can be directly installed in a place where sludge is deposited has been shown, a configuration may be adopted in which sludge is introduced into an electrode cylinder having a lower end sealed. Depending on the conditions such as the deposition location, the kind and amount of organic matter and anaerobic microorganisms contained in sludge, the supply state of oxygen, and the like change, and the oxidation-reduction potential also changes. For this reason, the voltage obtained by the microbial fuel cell varies somewhat. However, since any number of microbial fuel cells of this embodiment can be connected in series, a desired voltage can be easily obtained by adjusting the number of connections.

(第2の実施形態)
第1の実施形態においては、微生物燃料電池のみにより負荷を駆動する場合を示した。しかし、微生物燃料電池と補助電池とを直列接続した電源装置により負荷を駆動してもよい。このようにすることにより、多数の微生物燃料電池を直列接続しなくても負荷を駆動するだけの電圧が得られる。また、微生物燃料電池以外の電池のみの場合よりもはるかに長時間に亘り負荷を駆動し続けることが可能となる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the case where the load is driven only by the microbial fuel cell is shown. However, the load may be driven by a power supply device in which a microbial fuel cell and an auxiliary battery are connected in series. In this way, a voltage sufficient to drive the load can be obtained without connecting a large number of microbial fuel cells in series. In addition, it is possible to continue driving the load for a much longer time than in the case of only a battery other than the microbial fuel cell.

図14は、第2の実施形態に係る電源装置200の構成を示している。図14に示すように、負荷251に電力を供給する電源装置200は、微生物燃料電池260と補助電池270とが負荷251に対して直列に接続されている。微生物燃料電池260と補助電池270とを直列接続することにより、補助電池270単体の場合よりもはるかに長時間に亘り負荷251を駆動することができる。   FIG. 14 shows a configuration of a power supply apparatus 200 according to the second embodiment. As shown in FIG. 14, in a power supply device 200 that supplies power to a load 251, a microbial fuel cell 260 and an auxiliary battery 270 are connected in series to the load 251. By connecting the microbial fuel cell 260 and the auxiliary battery 270 in series, the load 251 can be driven for a much longer time than in the case of the auxiliary battery 270 alone.

図15は、負荷251に赤色LEDを用いた場合における電源装置200の出力電圧の変化を示している。図15において微生物燃料電池260には第1の実施形態と同様に内径が15cmで高さが50cmの円筒状のものを2本直列にして用いた。正極及び負極には10cm角のカーボンクロスを用い、ヘドロ層の量は約100gとなるようにした。また、ヘドロ層には炭素粒子として竹炭を添加し、ヘドロ層の上には酸素消費物質吸収材として石炭灰造粒物を10mm程度堆積させた。補助電池270には市販の単三アルカリ乾電池を2本直列にして用いた。   FIG. 15 shows a change in the output voltage of the power supply apparatus 200 when a red LED is used for the load 251. In FIG. 15, as the microbial fuel cell 260, two cylindrical ones having an inner diameter of 15 cm and a height of 50 cm were used in series as in the first embodiment. A 10 cm square carbon cloth was used for the positive electrode and the negative electrode, and the amount of sludge layer was about 100 g. Moreover, bamboo charcoal was added to the sludge layer as carbon particles, and about 10 mm of coal ash granulated material was deposited on the sludge layer as an oxygen consuming substance absorbent. As the auxiliary battery 270, two commercially available AA alkaline batteries were used in series.

微生物燃料電池を接続せずに、単三アルカリ乾電池を2本直列に接続しただけの電源装置の場合には、LEDの点灯直後は3V程度であった電圧が次第に低下し、28日程度経過した後には0VとなりLEDが発光しなくなった。また、微生物燃料電池と補助電池とを並列接続した電源装置の場合には、LEDの点灯直後は3V程度であった電圧が0.7V程度まで急速に低下し、一旦安定した。しかし、23日目から再び電圧が低下し、28日程度経過した後には電圧が0.1V程度となりLEDが発光しなくなった。一方、本実施形態の電源装置200の場合には、初期電圧が1.6V程度となったが、70日程度経過した後も電圧はほとんど変化せず、LEDは発光し続けた。   In the case of a power supply device in which only two AA alkaline batteries are connected in series without connecting a microbial fuel cell, the voltage, which was about 3 V immediately after the LED was turned on, gradually decreased, and about 28 days passed. Later, it became 0V and the LED stopped emitting light. Further, in the case of the power supply device in which the microbial fuel cell and the auxiliary battery are connected in parallel, the voltage, which was about 3V immediately after the LED was turned on, rapidly decreased to about 0.7V and once stabilized. However, the voltage dropped again from the 23rd day, and after about 28 days, the voltage became about 0.1V and the LED stopped emitting light. On the other hand, in the case of the power supply apparatus 200 of the present embodiment, the initial voltage was about 1.6 V, but the voltage remained almost unchanged after about 70 days, and the LED continued to emit light.

単三アルカリ乾電池の容量と赤色LEDの消費電力とからみて、単三アルカリ乾電池を2本直列に接続しただけの場合に、4週間程度でLEDが発光しなくなることは妥当な結果であると考えられる。また、微生物燃料電池の起電力は0.6V程度であるため、直列に接続した2台の微生物燃料電池と、直列に接続した2本の乾電池とを並列に接続した場合には、乾電池から微生物燃料電池へも電流が流れることになり、乾電池単体の場合よりも急速に電圧が低下したのではないかと考えられる。   Judging from the capacity of AA alkaline batteries and the power consumption of red LEDs, it is considered reasonable that the LED does not emit light in about four weeks when only two AA alkaline batteries are connected in series. It is done. In addition, since the electromotive force of the microbial fuel cell is about 0.6 V, when two microbial fuel cells connected in series and two dry cells connected in series are connected in parallel, the microbial fuel cell Current will also flow to the fuel cell, and the voltage may have fallen more rapidly than in the case of a single dry cell.

一方、2台の微生物燃料電池260と2本の乾電池とを直列に接続した場合に、電圧が1.6V程度で長期間安定となる理由は明確ではない。しかし、2台の微生物燃料電池260と1本の乾電池を直列接続した場合にも、ほぼ同様の電圧が得られた。また、1台の微生物燃料電池260と1本の乾電池とを直列に接続した場合にも約1.59Vの電圧が安定して得られた。さらに、直列に接続する乾電池の数を3本及び4本にすると、それぞれ約1.81V及び約1.98Vの電圧が得られた。これらのことから、以下のいずれかの現象が生じているのではないかと推測される。まず、微生物燃料電池260が内部抵抗として働くことにより、補助電池270の電流量が調整されて出力電圧が低下すると共に、微生物燃料電池260からの電圧が重畳される結果として長期間に亘り安定した電圧を出力できるということが考えられる。また、微生物燃料電池260から補助電池270への充電効果が生じることにより長期間に亘り安定した電圧を出力できるということが考えられる。補助電池270はほとんど出力していないと考えられ、補助電池270が錆等により劣化するまで出力を続けることができる可能性がある。   On the other hand, when two microbial fuel cells 260 and two dry cells are connected in series, the reason why the voltage is stable for a long time at about 1.6 V is not clear. However, almost the same voltage was obtained when two microbial fuel cells 260 and one dry cell were connected in series. In addition, when one microbial fuel cell 260 and one dry cell were connected in series, a voltage of about 1.59 V was stably obtained. Furthermore, when the number of dry batteries connected in series was three and four, voltages of about 1.81 V and about 1.98 V were obtained, respectively. From these facts, it is presumed that one of the following phenomena occurs. First, the microbial fuel cell 260 acts as an internal resistance, so that the amount of current of the auxiliary battery 270 is adjusted to lower the output voltage, and the voltage from the microbial fuel cell 260 is superimposed and stabilized for a long period of time. It can be considered that voltage can be output. It is also conceivable that a stable voltage can be output over a long period of time due to the charging effect from the microbial fuel cell 260 to the auxiliary battery 270. It is considered that the auxiliary battery 270 hardly outputs, and there is a possibility that the output can be continued until the auxiliary battery 270 deteriorates due to rust or the like.

2台の微生物燃料電池260と2本の乾電池とを直列に接続した例を示したが、補助電池270である乾電池は1本でもよく、3本以上を直列に接続してもよい。また、アルカリ乾電池に限らずマンガン乾電池、リチウム電池又は酸化銀電池等であってもよい。また、一次電池である必要はなく、ニッケルカドミウム、ニッケル水素又はリチウムイオン電池等の二次電池であってもよい。さらに乾電池である必要はなく、鉛蓄電池等であってもよい。赤色LEDを発光させるのであれば1V程度の電圧を発生させられれば補助電池270として用いることができる。   Although an example in which two microbial fuel cells 260 and two dry cells are connected in series is shown, one auxiliary battery 270 may be used, or three or more may be connected in series. Moreover, not only an alkaline battery but a manganese battery, a lithium battery, or a silver oxide battery may be used. Moreover, it is not necessary to be a primary battery, and a secondary battery such as a nickel cadmium, nickel metal hydride or lithium ion battery may be used. Further, the battery need not be a dry battery, and may be a lead storage battery or the like. If the red LED emits light, it can be used as the auxiliary battery 270 if a voltage of about 1 V is generated.

微生物燃料電池260は1台でもよく、3台以上を直列に接続してもよい。また、第1の実施形態と同様に、負極をカーボン層で覆ったり、ヘドロ層中にプロトン移動促進材を添加したりしてもよい。また、ヘドロ層への炭素粒子の添加及び酸素消費物質吸収材の配置は行わなくてもよい。微生物燃料電池260が1台の場合には、負極及び正極を保持体の外表面に設けてもよい。保持体の外表面に負極及び正極を設ける場合には、保持体を太い円筒状にする必要がなく、内径が小さな円筒状としたり、棒状としたりすることができる。このため、堆積したヘドロに微生物燃料電池本体を容易に突き刺すことが可能となり、微生物燃料電池の設置がさらに容易となる。保持体の下端部を尖った形状とすれば、設置がさらに容易となる。   One microbial fuel cell 260 or three or more microbial fuel cells 260 may be connected in series. Further, similarly to the first embodiment, the negative electrode may be covered with a carbon layer, or a proton transfer promoter may be added to the sludge layer. Moreover, it is not necessary to add the carbon particles to the sludge layer and dispose the oxygen consuming substance absorber. When there is one microbial fuel cell 260, a negative electrode and a positive electrode may be provided on the outer surface of the holding body. When the negative electrode and the positive electrode are provided on the outer surface of the holding body, the holding body does not need to have a thick cylindrical shape, and can have a cylindrical shape with a small inner diameter or a rod shape. For this reason, the microbial fuel cell main body can be easily pierced into the accumulated sludge, and installation of the microbial fuel cell is further facilitated. If the lower end portion of the holding body is pointed, the installation becomes easier.

図16は、正極及び負極が保持体の外表面に設けられた微生物燃料電池本体311を用いたLEDランプ300を示している。単三乾電池を収容できる程度の太さの円筒状の保持体321の外表面にカーボンクロスからなる負極322及び正極323が間隔をおいて貼り付けられている。保持体321の正極323側の端部には負荷であるLED351が設けられており、保持体321の負極側の端部はシールされている。保持体321の内部には、補助電池370として2本の単三乾電池371が収容されている。ニッケル線等の導線325により、負極322は補助電池370の+極と接続され、正極323はLED351のアノードと接続され、LED351のカソードは補助電池370の−極と接続されている。なお、保持体321を筒状として保持体321の内部に補助電池370を収容する例を示したが、保持体321は負極322及び正極323を保持できればよく、棒状であってもよい。   FIG. 16 shows an LED lamp 300 using a microbial fuel cell main body 311 in which a positive electrode and a negative electrode are provided on the outer surface of a holding body. A negative electrode 322 and a positive electrode 323 made of carbon cloth are affixed to the outer surface of a cylindrical holder 321 having a thickness that can accommodate an AA battery. An LED 351 serving as a load is provided at the end of the holding body 321 on the positive electrode 323 side, and the end of the holding body 321 on the negative electrode side is sealed. Inside the holding body 321, two AA batteries 371 are accommodated as auxiliary batteries 370. The negative electrode 322 is connected to the positive electrode of the auxiliary battery 370, the positive electrode 323 is connected to the anode of the LED 351, and the cathode of the LED 351 is connected to the negative electrode of the auxiliary battery 370 by a conducting wire 325 such as a nickel wire. In addition, although the example which accommodates the auxiliary | assistant battery 370 in the inside of the holding body 321 was shown for the holding body 321 as a cylinder shape, the holding body 321 should just hold | maintain the negative electrode 322 and the positive electrode 323, and may be rod-shaped.

負極322が堆積したヘドロ層の中に埋まり、正極323がヘドロ層の上の水層に位置するように、LEDランプ300をヘドロ層に埋め込むと、LED351が点灯する。LEDランプ300は一度ヘドロ層に埋め込むと、少なくとも数ヶ月から1年程度発光し続けるようにできる。また、負極322同士又は正極323同士が接触しないように間隔をあければ、複数のLEDランプ300を設置することができる。複数のLEDランプ300を配置することにより文字又は画像等をディスプレイすることもできる。   When the LED lamp 300 is embedded in the sludge layer such that the negative electrode 322 is buried in the sludge layer deposited and the positive electrode 323 is located in the water layer above the sludge layer, the LED 351 is lit. Once the LED lamp 300 is embedded in the sludge layer, it can continue to emit light for at least several months to one year. In addition, a plurality of LED lamps 300 can be installed if an interval is provided so that the negative electrodes 322 or the positive electrodes 323 do not contact each other. Characters or images can be displayed by arranging a plurality of LED lamps 300.

なお、図16には補助電池である乾電池及び負荷であるLEDと微生物燃料電池本体とを一体とした構成を示したが、補助電池及び負荷の少なくとも一方を別の場所に配置したりすることも可能である。補助電池は単三乾電池に限らずどのような電池でもよい。負荷もLEDに限らない。また、微生物燃料電池本体を単独で使用することも可能である。   FIG. 16 shows a configuration in which a dry battery as an auxiliary battery and an LED as a load and a microbial fuel cell main body are integrated, but at least one of the auxiliary battery and the load may be arranged in another place. Is possible. The auxiliary battery is not limited to an AA dry battery, and any battery may be used. The load is not limited to the LED. It is also possible to use the microbial fuel cell body alone.

本発明に係る微生物燃料電池は、ヘドロが堆積している場所に容易に設置することができ、ヘドロ等を有効利用する方法として有用である。   The microbial fuel cell according to the present invention can be easily installed in a place where sludge is accumulated, and is useful as a method for effectively using sludge.

100 微生物燃料電池
101 負荷
103 堆積ヘドロ
111 電池本体
111A 電池本体
113 ヘドロ層
114 水層
121 保持体
121A 保持体
122 負極
123 正極
125 導線
126 カーボン層
127 蓋部
200 電源装置
251 負荷
260 微生物燃料電池
270 補助電池
300 LEDランプ
311 微生物燃料電池本体
321 保持体
322 負極
323 正極
325 導線
351 LED
370 補助電池
371 乾電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Microbial fuel cell 101 Load 103 Deposition sludge 111 Battery main body 111A Battery main body 113 Sludge layer 114 Water layer 121 Holder 121A Holder 122 Negative electrode 123 Positive electrode 125 Conductive wire 126 Carbon layer 127 Lid part 200 Power supply device 251 Load 260 Microbial fuel cell 270 Auxiliary Battery 300 LED lamp 311 Microbial fuel cell body 321 Holding body 322 Negative electrode 323 Positive electrode 325 Conductor 351 LED
370 Auxiliary battery 371 Dry battery

Claims (17)

少なくとも一部が有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に配置される微生物燃料電池であって、
絶縁性の保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を備え、
前記負極は、前記泥層中に配置され、
前記正極は、前記泥層の上に存在する水層中に配置されていることを特徴とする微生物燃料電池。
A microbial fuel cell at least partially disposed in a mud layer containing organic matter and anaerobic microorganisms,
E Bei an insulating holder, a battery body having a positive electrode provided on an anode and an upper provided in a lower portion of the holding member,
The negative electrode is disposed in the mud layer;
The microbial fuel cell, wherein the positive electrode is disposed in a water layer existing on the mud layer .
前記保持体は、筒状であり、
前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の微生物燃料電池。
The holding body is cylindrical,
The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode and the positive electrode are respectively provided on an inner wall surface of the holding body.
前記泥層における前記保持体の下端部における含水比は80%未満であることを特徴とする請求項2に記載の微生物燃料電池。   3. The microbial fuel cell according to claim 2, wherein a moisture content in a lower end portion of the holding body in the mud layer is less than 80%. 前記電池本体は複数であり、
前記負極と前記正極とが順次直列に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の微生物燃料電池。
The battery body is plural,
The microbial fuel cell according to claim 2, wherein the negative electrode and the positive electrode are sequentially connected in series.
前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の外表面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode and the positive electrode are each provided on an outer surface of the holding body. 前記泥層における前記負極が配置されている部分に混入された炭素粒子をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising carbon particles mixed in a portion of the mud layer where the negative electrode is disposed. 前記炭素粒子は、竹炭からなることを特徴とする請求項6に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to claim 6, wherein the carbon particles are made of bamboo charcoal. 前記負極は、前記保持体に貼り付けられたカーボンクロス及び前記カーボンクロスを覆うカーボン層を有していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the negative electrode includes a carbon cloth attached to the holding body and a carbon layer covering the carbon cloth. 前記水層中に投入された酸化カルシウムを含む酸素消費物質吸収材をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 8, further comprising an oxygen-consuming substance absorber containing calcium oxide introduced into the water layer. 前記酸素消費物質吸収材は、石炭灰造粒物であることを特徴とする請求項9に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to claim 9, wherein the oxygen-consuming substance absorbent is a coal ash granulated material. 前記泥層に混入された酸化カルシウムを含むプロトン移動促進材をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の微生物燃料電池。   The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 10, further comprising a proton transfer promoting material containing calcium oxide mixed in the mud layer. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の微生物燃料電池と、
前記微生物燃料電池と直列に接続された補助電池とを備えていることを特徴とする電源装置。
The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 11,
A power supply device comprising: the microbial fuel cell; and an auxiliary battery connected in series.
少なくとも一部が有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に配置される微生物燃料電池の発電方法であって、
絶縁性材料からなる保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、
前記電池本体を、前記泥層中に前記負極が埋まり、前記泥層の上に存在する水層中に前記正極が位置するように配置する工程とを備えていることを特徴とする微生物発電方法。
A method for power generation of a microbial fuel cell, wherein at least a part thereof is disposed in a mud layer containing organic matter and anaerobic microorganisms,
Preparing a battery body having a holding body made of an insulating material, a negative electrode provided at a lower portion of the holding body, and a positive electrode provided at an upper portion;
It said battery body, said the mud layer in the negative electrode is filled, microbial power generation method, wherein the positive electrode in the aqueous layer is present and a step of arranging so as to be located on the mud layer .
前記保持体は、筒状であり、
前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項13に記載の微生物発電方法。
The holding body is cylindrical,
The microbial power generation method according to claim 13, wherein the negative electrode and the positive electrode are each provided on an inner wall surface of the holding body.
前記電池本体を複数準備し、
複数の前記電池本体において前記負極と前記正極とを順次直列に接続することを特徴とする請求項14に記載の微生物発電方法。
Preparing a plurality of battery bodies;
The microbial power generation method according to claim 14, wherein the negative electrode and the positive electrode are sequentially connected in series in the plurality of battery main bodies.
前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の外表面に設けられていることを特徴とする請求項13に記載の微生物発電方法。   The microbial power generation method according to claim 13, wherein the negative electrode and the positive electrode are each provided on an outer surface of the holding body. 前記正極と負極との間に、補助電池と負荷とが直列に接続されていることを特徴とする請求項13〜16のいずれか1項に記載の微生物発電方法。   The microbial power generation method according to any one of claims 13 to 16, wherein an auxiliary battery and a load are connected in series between the positive electrode and the negative electrode.
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