JP6332793B2 - Microbial fuel cell and float - Google Patents

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Description

本発明は、微生物燃料電池および前記微生物燃料電池に用いられうる浮遊体に関する。   The present invention relates to a microbial fuel cell and a floating body that can be used in the microbial fuel cell.

畜産農家にとって、畜舎から出る廃水の処理は、多大なコストおよび労力を要するため、大きな負担となっている。一方、微生物燃料電池は、微生物による有機物の酸化によって電気エネルギーを生産できるだけでなく、有機廃棄物の分解処理も同時に行うことができる。このため、微生物燃料電池は、畜舎における廃水処理などの様々な用途において有用な新技術として期待されている。   For livestock farmers, the treatment of wastewater from barns is a heavy burden because it requires a great deal of cost and labor. On the other hand, the microbial fuel cell can not only produce electrical energy by the oxidation of organic matter by microorganisms, but can also simultaneously decompose organic waste. For this reason, the microbial fuel cell is expected as a useful new technology in various applications such as wastewater treatment in livestock barns.

微生物燃料電池は、2槽型と1槽型とに大別される。2槽型の微生物燃料電池は、カチオン透過性を有する隔膜で互いに仕切られているアノード槽およびカソード槽を有する。2槽型の微生物燃料電池では、カソード槽内にフェリシアン化カリウム(鉄化合物イオン)や酸素、鉄イオン、硝酸イオン、硫酸イオンなどの電子を受容可能な物質が必要である。   Microbial fuel cells are roughly classified into two tank types and one tank type. The two tank type microbial fuel cell has an anode tank and a cathode tank which are separated from each other by a diaphragm having cation permeability. In the two-cell type microbial fuel cell, a substance capable of accepting electrons such as potassium ferricyanide (iron compound ion), oxygen, iron ion, nitrate ion, and sulfate ion is required in the cathode cell.

1槽型の微生物燃料電池では、カソード槽の代わりに、エアカソードとも称されるガス透過性を有するカソードが使用される(例えば、非特許文献1参照)。図1は、アノードとカソードとが別体の1槽型の微生物燃料電池の断面模式図であり、図2は、アノードとカソードとが一体の1槽型の微生物燃料電池の断面模式図である。図1および図2に示されるように、微生物燃料電池10は、容器11と、容器11内に収容された有機物および電子供与微生物12を含む液体(燃料)13と、液体13に接触するように配置されたアノード14と、液体13に接触するように配置されたカチオン透過性を有する隔膜15と、隔膜15を挟んで液体13に隣接するように配置され、かつ外気とも接触するカソード(エアカソード)16とを有する。カソード16は、隔膜15および/またはアノード14と膜電極接合体(以下「MEA」という)17を構成し、容器11の壁面の一部を構成する。このような1槽型の微生物燃料電池は、2槽型の微生物燃料電池と比較して、微生物による反応が起こる槽(アノード槽)とは別のカソード槽を必要としない点で優れている。   In the one-cell type microbial fuel cell, a cathode having gas permeability, which is also referred to as an air cathode, is used instead of the cathode cell (see, for example, Non-Patent Document 1). FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a single tank type microbial fuel cell in which an anode and a cathode are separate, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a single tank type microbial fuel cell in which an anode and a cathode are integrated. . As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the microbial fuel cell 10 is in contact with the liquid 11, the liquid 11 (the fuel 11 containing the organic matter and the electron donating microorganisms 12 accommodated in the container 11). The anode 14 disposed, the cation permeable diaphragm 15 disposed so as to be in contact with the liquid 13, and the cathode (air cathode) disposed adjacent to the liquid 13 with the diaphragm 15 interposed therebetween and in contact with the outside air 16). The cathode 16 constitutes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 17 with the diaphragm 15 and / or the anode 14, and constitutes a part of the wall surface of the container 11. Such a single tank type microbial fuel cell is superior to a two tank type microbial fuel cell in that it does not require a cathode tank different from a tank (anode tank) in which a reaction by microorganisms occurs.

一方、海や河川などの底泥が存在する場所において、底泥中の微生物を利用して発電および底泥中の有機物の分解を行う微生物燃料電池が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。非特許文献2に記載の微生物燃料電池は、底泥中に埋め込まれたアノードと、水面に浮かべられたカソードとを有している。非特許文献2に記載の微生物燃料電池は、水中の酸素濃度低下に起因する出力の低下を抑制するために、カソードを水面に浮かべている。   On the other hand, a microbial fuel cell has been proposed that uses a microorganism in the bottom mud to generate power and decompose organic matter in the bottom mud in places where there is bottom mud such as the sea or rivers (for example, Non-Patent Document 2). reference). The microbial fuel cell described in Non-Patent Document 2 has an anode embedded in bottom mud and a cathode floated on the water surface. The microbial fuel cell described in Non-Patent Document 2 has a cathode floating on the water surface in order to suppress a decrease in output due to a decrease in oxygen concentration in water.

Yanzhen Fan, et al., "Enhanced Coulombic efficiency and power density of air-cathode microbial fuel cells with an improved cell configuration", Journal of Power Sources, Vol. 171, pp. 348-354.Yanzhen Fan, et al., "Enhanced Coulombic efficiency and power density of air-cathode microbial fuel cells with an improved cell configuration", Journal of Power Sources, Vol. 171, pp. 348-354. Aijie Wang, et al., "Sediment microbial fuel cell with floating biocathode for organic removal and energy recovery", Fromt. Environ. Sci. Eng., Vol. 6, pp. 569-574.Aijie Wang, et al., "Sediment microbial fuel cell with floating biocathode for organic removal and energy recovery", Fromt. Environ. Sci. Eng., Vol. 6, pp. 569-574.

図1および図2に示されるように、従来の1槽型(エアカソード型)の微生物燃料電池10では、カソード16を含むMEA17が、容器11の壁面の一部を構成している。このため、従来の微生物燃料電池10では、液体13の圧力に耐えうる強度がMEA17に要求されるため、ラボスケールからパイロットスケールまたはプラントスケールにスケールアップすることが困難である。また、従来の微生物燃料電池10には、蒸発などにより液体13の量が減少すると、MEA17と液体13との接触面積が減少してしまい、出力が低下してしまうという問題もある。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, in a conventional one tank type (air cathode type) microbial fuel cell 10, the MEA 17 including the cathode 16 constitutes a part of the wall surface of the container 11. For this reason, in the conventional microbial fuel cell 10, since the MEA 17 is required to have a strength that can withstand the pressure of the liquid 13, it is difficult to scale up from a lab scale to a pilot scale or a plant scale. Further, the conventional microbial fuel cell 10 has a problem that when the amount of the liquid 13 is reduced due to evaporation or the like, the contact area between the MEA 17 and the liquid 13 is reduced and the output is reduced.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、液体の量の変化の影響を受けずに出力が安定であり、かつスケールアップが容易な微生物燃料電池、およびそれに用いられるMEAを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and provides a microbial fuel cell that is stable in output without being affected by changes in the amount of liquid and that can be easily scaled up, and an MEA used therefor. For the purpose.

本発明者らは、アノードおよびカソードを液体の中または表面に浮かせることで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。   The present inventors have found that the above problem can be solved by floating the anode and the cathode in or on the liquid, and have further studied and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の微生物燃料電池に関する。   That is, the present invention relates to the following microbial fuel cells.

[1]容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触するように配置されたアノードと、外気に接触し、かつ前記液体に直接接触するか、またはカチオン透過性を有する隔膜を挟んで隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、を有し、前記アノードおよび前記カソードは、前記液体の中または表面に浮いている、微生物燃料電池。
[2]前記アノード、前記隔膜および前記カソードは、一体化されて膜電極接合体を構成しており、前記膜電極接合体は、前記アノードが前記液体に接触し、前記カソードが外気に接触するように、前記液体の表面に浮いている、[1]に記載の微生物燃料電池。
[3]前記アノードおよび前記カソードを前記液体の中または表面に浮かすための浮きをさらに有する、[1]または[2]に記載の微生物燃料電池。
[1] Whether the container, the liquid containing the organic matter and the electron donating microorganisms contained in the container, the anode arranged to contact the liquid, the outside air, and the direct contact with the liquid Or a gas permeable cathode arranged adjacent to each other across a cation permeable membrane, the anode and the cathode floating in or on the liquid Fuel cell.
[2] The anode, the diaphragm and the cathode are integrated to form a membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly has the anode in contact with the liquid and the cathode in contact with the outside air. As described above, the microbial fuel cell according to [1], which floats on the surface of the liquid.
[3] The microbial fuel cell according to [1] or [2], further including a float for floating the anode and the cathode in or on the liquid.

また、本発明は、以下の微生物燃料電池用の浮遊体に関する。
[4]アノードと、ガス透過性を有するカソードと、前記カソードの一方の面に接合されたカチオン透過性を有する隔膜と、前記アノード、前記隔膜および前記カソードを液体の中または表面に浮かすための浮きと、を有する、微生物燃料電池用の浮遊体。
[5]前記アノードは、前記隔膜の前記カソードが配置されていない面に接合されている、[4]に記載の微生物燃料電池用の浮遊体。
Moreover, this invention relates to the following floating bodies for microbial fuel cells.
[4] An anode, a gas permeable cathode, a cation permeable membrane joined to one surface of the cathode, and the anode, the membrane and the cathode for floating in or on a liquid A floating body for a microbial fuel cell having a float.
[5] The floating body for a microbial fuel cell according to [4], wherein the anode is joined to a surface of the diaphragm where the cathode is not disposed.

本発明によれば、液体(燃料)の量の変化の影響を受けずに出力が安定であり、かつスケールアップが容易な微生物燃料電池およびそれに用いられるMEAを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a microbial fuel cell that is stable in output without being affected by a change in the amount of liquid (fuel) and that can be easily scaled up, and an MEA used therefor.

アノードとカソードとが別体の従来の微生物燃料電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the conventional microbial fuel cell in which an anode and a cathode are separate bodies. アノードとカソードとが一体の従来の微生物燃料電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a conventional microbial fuel cell in which an anode and a cathode are integrated. 実施の形態1に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a microbial fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a microbial fuel cell according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態2の変形例に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a microbial fuel cell according to a modification of Embodiment 2. FIG. 実施例における電圧測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the voltage measurement in an Example.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施の形態1]
図3は、実施の形態1に係る微生物燃料電池100の構成を示す断面模式図である。図3に示されるように、微生物燃料電池100は、容器110と、有機物(燃料)および電子供与微生物120を含む液体130と、アノード140と、隔膜150およびカソード160を含む膜電極接合体(MEA)170と、浮き180とを有する。本実施の形態に係る微生物燃料電池100では、アノード140は、隔膜150に接合されていない。
[Embodiment 1]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the microbial fuel cell 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the microbial fuel cell 100 includes a vessel 110, a liquid 130 containing an organic substance (fuel) and an electron donating microorganism 120, an anode 140, a membrane electrode assembly (MEA) including a diaphragm 150 and a cathode 160. ) 170 and float 180. In the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment, the anode 140 is not joined to the diaphragm 150.

容器110は、微生物燃料電池100の本体部を構成し、液体130を収容する。容器110の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施の形態に係る微生物燃料電池100では、従来の1槽型の微生物燃料電池(図1および図2参照)とは異なり、カソード160(またはカソード160を含むMEA170)が容器110の壁面の一部を構成するということはない。このため、液体130の圧力の増大によるカソード160の破壊を考慮することなく、容器110を大きくすること、すなわち微生物燃料電池100をスケールアップすることができる。   The container 110 constitutes a main body portion of the microbial fuel cell 100 and accommodates the liquid 130. The material, shape, and size of the container 110 are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the application. In the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment, unlike the conventional one-tank type microbial fuel cell (see FIGS. 1 and 2), the cathode 160 (or the MEA 170 including the cathode 160) is a part of the wall surface of the container 110. It does not constitute a part. Therefore, the container 110 can be enlarged, that is, the microbial fuel cell 100 can be scaled up without considering the destruction of the cathode 160 due to the increase in the pressure of the liquid 130.

液体130は、燃料となる有機物および電子供与微生物120を含む。通常、液体130は、1種または2種以上の電解質を含有する水溶液である。電解質の種類は、水中で電離可能な物質であれば特に限定されない。電解質の例には、NaHPO/NaHPO、KHPO/KHPO、NaCO/NaHCO、NaCl、KCl、NHClなどが含まれる。また、液体130には、必要に応じて電子メディエータや導電性微粒子などの電子伝達性介在物質をさらに添加してもよい。 The liquid 130 contains an organic substance serving as a fuel and the electron donating microorganism 120. Usually, the liquid 130 is an aqueous solution containing one or more electrolytes. The type of electrolyte is not particularly limited as long as it is a substance that can be ionized in water. Examples of the electrolyte include NaH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 , KH 2 PO 4 / K 2 HPO 4 , NaCO 3 / NaHCO 3 , NaCl, KCl, NH 4 Cl and the like. Further, the liquid 130 may be further added with an electron-transmitting intervening substance such as an electron mediator or conductive fine particles as necessary.

電子供与微生物120の種類は、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。有機廃水や汚泥などを燃料として使用する場合は、外部から電子供与微生物を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物をそのまま利用することができる。たとえば、シュードモナスやジオバクターなどは、土壌や淡水、海水などの自然環境の至るところに生息しているため、有機廃水や汚泥などを燃料とすれば、外部から添加することなく利用できる。   There may be one kind of electron-donating microorganism 120, or two or more kinds. When organic wastewater or sludge is used as fuel, electron-donating microorganisms that inhabit them can be used as they are without adding electron-donating microorganisms from the outside. For example, Pseudomonas, Geobacter, etc. inhabit every part of the natural environment such as soil, fresh water, seawater, etc., so if organic wastewater or sludge is used as fuel, they can be used without being added from the outside.

燃料となる有機物の種類は、電子供与微生物120が代謝可能であれば、特に限定されない。燃料となる有機物としては、アルコールや単糖類、多糖類などの有用資源だけでなく、農産業廃棄物や有機廃液、し尿、汚泥、食物残渣などの未利用資源(有機性廃棄物)も使用することができる。燃料となる有機物は、電子供与微生物120の維持および増殖のため、また微生物燃料電池100を連続して稼働させるため、必要に応じて追加される。   The kind of the organic substance serving as the fuel is not particularly limited as long as the electron donating microorganism 120 can be metabolized. As organic materials to be used as fuel, not only useful resources such as alcohol, monosaccharides and polysaccharides but also unused resources (organic waste) such as agricultural and industrial waste, organic waste liquid, human waste, sludge and food residues are used. be able to. An organic substance serving as a fuel is added as necessary to maintain and grow the electron-donating microorganism 120 and to continuously operate the microbial fuel cell 100.

アノード140は、液体130に接触するように配置される。本実施の形態では、アノード140は、導線190を介して浮き180により支持されており、液体130中に浮いている(浸漬されている)。アノード140の素材および形状は、特に限定されず、電子供与微生物120の付着性や電子供与微生物120からの電子伝達度などに応じて適宜選択されうる。アノード140の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。アノード140の形状の例には、クロスなどの平面形状や、ブラシ状や棒状、粒状などの立体形状が含まれる。アノード140の例には、カーボンペーパーやグラファイト板、カーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、カーボンブラシ、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。   The anode 140 is disposed so as to contact the liquid 130. In the present embodiment, the anode 140 is supported by the float 180 via the conducting wire 190, and is floated (immersed) in the liquid 130. The material and shape of the anode 140 are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the adhesion of the electron donating microorganism 120, the degree of electron transfer from the electron donating microorganism 120, and the like. Examples of the material of the anode 140 include carbon and metal. Examples of the shape of the anode 140 include a planar shape such as a cloth, and a three-dimensional shape such as a brush shape, a rod shape, and a granular shape. Examples of the anode 140 include carbon paper, graphite plate, carbon cloth, carbon mesh, graphite particles, activated graphite particles, carbon felt, reticulated vitrified carbon, carbon brush, stainless steel mesh, and the like.

膜電極接合体(MEA)170は、隔膜150およびガス透過性を有するカソード160を含む。隔膜150およびカソード160は、互いに接合されている。MEA170は、隔膜150が液体130に接触し、カソード160が外気に接触するように配置される。本実施の形態では、円環形状の浮き180の貫通孔を塞ぐように浮き180の下側に隔膜150が固定されており、浮き180の貫通孔内において隔膜150上にカソード160が積層されている。   The membrane electrode assembly (MEA) 170 includes a diaphragm 150 and a gas permeable cathode 160. The diaphragm 150 and the cathode 160 are joined to each other. The MEA 170 is arranged such that the diaphragm 150 contacts the liquid 130 and the cathode 160 contacts the outside air. In this embodiment, the diaphragm 150 is fixed to the lower side of the float 180 so as to block the through hole of the annular float 180, and the cathode 160 is laminated on the diaphragm 150 in the through hole of the float 180. Yes.

隔膜150は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、液体130とカソード160との間に配置されている。前述のとおり、本実施の形態では、円環形状の浮き180の貫通孔を塞ぐように浮き180の下側に隔膜150が固定されている。隔膜150の種類は、カチオンを選択的に透過させることができれば、特に限定されない。隔膜150の例には、プロトン交換膜が含まれる。プロトン交換膜は、プロトン伝導性のイオン交換高分子電解質からなる膜である。プロトン交換膜の素材の例には、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、有機/無機複合化合物が含まれる。パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂は、例えば、スルホ基および/またはカルボキシル基を有するパーフルオロビニルエーテルを基礎とする重合単位と、テトラフルオロエチレンを基礎とする重合単位とを含む共重合体を含む。そのようなフッ素イオン交換樹脂としては、ナフィオン(登録商標)が知られている。また、有機/無機複合化合物は、炭化水素系高分子(例えばポリビニルアルコール)および無機化合物(例えばタングステン酸)が複合化した化合物からなる物質である。これらの素材からなる膜は、市販されている。   The diaphragm 150 is a film that can selectively permeate cations, and is disposed between the liquid 130 and the cathode 160. As described above, in the present embodiment, the diaphragm 150 is fixed to the lower side of the float 180 so as to block the through hole of the annular float 180. The kind of the diaphragm 150 is not particularly limited as long as it can selectively permeate cations. Examples of the diaphragm 150 include a proton exchange membrane. The proton exchange membrane is a membrane made of a proton conductive ion exchange polymer electrolyte. Examples of the material of the proton exchange membrane include perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins and organic / inorganic composite compounds. The perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resin includes, for example, a copolymer containing a polymer unit based on a perfluorovinyl ether having a sulfo group and / or a carboxyl group and a polymer unit based on tetrafluoroethylene. Including. Nafion (registered trademark) is known as such a fluorine ion exchange resin. The organic / inorganic composite compound is a substance composed of a compound in which a hydrocarbon polymer (for example, polyvinyl alcohol) and an inorganic compound (for example, tungstic acid) are combined. Membranes made of these materials are commercially available.

カソード(エアカソード)160は、隔膜150を挟んで液体130と隣接するように配置されている。前述のとおり、本実施の形態では、円環形状の浮き180の貫通孔内において隔膜150上にカソード160が積層されている。カソード160の素材は、ガス透過性および導電性を有するものであれば特に限定されない。カソード160の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。カソード160の例には、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。また、これらの表面に、プラチナや活性炭などの酸素還元触媒を担持させてもよい。   The cathode (air cathode) 160 is disposed so as to be adjacent to the liquid 130 with the diaphragm 150 interposed therebetween. As described above, in this embodiment, the cathode 160 is stacked on the diaphragm 150 in the through hole of the annular float 180. The material of the cathode 160 is not particularly limited as long as it has gas permeability and conductivity. Examples of the material of the cathode 160 include carbon and metal. Examples of the cathode 160 include carbon paper, carbon cloth, carbon mesh, graphite particles, activated graphite particles, carbon felt, reticulated vitrified carbon, stainless steel mesh, and the like. Further, an oxygen reduction catalyst such as platinum or activated carbon may be supported on these surfaces.

浮き180は、液体130の表面に浮いており、アノード140、隔膜150およびカソード160を直接または間接的に支持している。その結果、アノード140は、液体130の中に浮いており、隔膜150およびカソード160は、液体130の表面に浮いている。すなわち、アノード140、隔膜150、カソード160および浮き180は、一つの浮遊体を構成する。浮き180の素材および形状は、アノード140およびカソード160を液体130の中または表面に浮かすことができれば特に限定されない。たとえば、浮き180は、発泡スチロールなどの発泡プラスチックや、樹脂や金属などからなる中空構造体などである。本実施の形態では、浮き180は、円環形状の発泡プラスチックである。   The float 180 floats on the surface of the liquid 130 and directly or indirectly supports the anode 140, the diaphragm 150 and the cathode 160. As a result, the anode 140 floats in the liquid 130, and the diaphragm 150 and the cathode 160 float on the surface of the liquid 130. That is, the anode 140, the diaphragm 150, the cathode 160, and the float 180 constitute one floating body. The material and shape of the float 180 are not particularly limited as long as the anode 140 and the cathode 160 can float in or on the liquid 130. For example, the float 180 is a foamed plastic such as polystyrene foam, a hollow structure made of resin, metal, or the like. In the present embodiment, the float 180 is a ring-shaped foamed plastic.

本実施の形態に係る微生物燃料電池100では、容器110内において、電子供与微生物120により有機物(例えば酢酸)が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、隔膜150を透過してカソード160表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード140で回収されて、外部回路を経由してカソード160に移動する。また、カソード160は通気性を有するため、カソード160表面には酸素も存在する。このような状況において、カソード160表面では、水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。したがって、容器110内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、外部回路に電力を連続して供給することができる。   In the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment, hydrogen ions and electrons are generated when an organic substance (for example, acetic acid) is decomposed into carbon dioxide by the electron donating microorganism 120 in the container 110. Hydrogen ions generated by the decomposition of the organic matter pass through the diaphragm 150 and move to the surface of the cathode 160. On the other hand, the electrons generated by the decomposition of the organic matter are collected by the anode 140 and move to the cathode 160 via an external circuit. Further, since the cathode 160 has air permeability, oxygen is also present on the surface of the cathode 160. Under such circumstances, water is generated on the surface of the cathode 160 by the reaction of hydrogen ions and electrons with oxygen. Therefore, by supplying the organic substance into the container 110, the above cycle can be maintained and electric power can be continuously supplied to the external circuit.

以上のように、本実施の形態に係る微生物燃料電池100では、アノード140およびMEA170(カソード160)が容器110の壁面の一部を構成することなく液体130の中または表面に浮いている。このため、液体130の圧力の増大によるアノード140およびMEA170の破壊を考慮することなく、容器110を大きくすること、すなわち微生物燃料電池100をスケールアップすることができる。また、液体130の量に関係なく、アノード140およびMEA170(カソード160)の全面が常に液体130と接触することから、液体130の量の変化の影響を受けずに外部回路に電力を安定して出力することができる。   As described above, in the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment, the anode 140 and the MEA 170 (cathode 160) float in or on the liquid 130 without forming part of the wall surface of the container 110. Therefore, the container 110 can be enlarged, that is, the microbial fuel cell 100 can be scaled up without considering the destruction of the anode 140 and the MEA 170 due to the increase in the pressure of the liquid 130. Moreover, since the entire surface of the anode 140 and the MEA 170 (cathode 160) is always in contact with the liquid 130 regardless of the amount of the liquid 130, power can be stably supplied to the external circuit without being affected by the change in the amount of the liquid 130. Can be output.

また、アノード140およびMEA170を取り付けられた浮き180(浮遊体)を液体130の表面に浮かべるか、または取り出すだけで、本実施の形態に係る微生物燃料電池100を容易に設置または撤去することができる。したがって、本実施の形態に係る微生物燃料電池100を既存の施設に導入することも容易である。   In addition, the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment can be easily installed or removed simply by floating or removing the float 180 (floating body) attached with the anode 140 and the MEA 170 on the surface of the liquid 130. . Therefore, it is easy to introduce the microbial fuel cell 100 according to the present embodiment into an existing facility.

なお、本実施の形態では、隔膜150を有する微生物燃料電池100について説明したが、隔膜150は必須の構成要件ではない。すなわち、カソード160は、アノード140と接触してはいけないが、液体130には直接接触していてもよい。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、隔膜150はあることが好ましい。   In the present embodiment, the microbial fuel cell 100 having the diaphragm 150 has been described, but the diaphragm 150 is not an essential component. That is, the cathode 160 should not be in contact with the anode 140, but may be in direct contact with the liquid 130. However, considering the practicality of the battery, it is preferable that the diaphragm 150 is present.

[実施の形態2]
図4は、実施の形態2に係る微生物燃料電池200の構成を示す模式図である。図4に示されるように、微生物燃料電池200は、容器110と、有機物および電子供与微生物120を含む液体130と、アノード240、隔膜150およびカソード160を含むMEA270と、浮き180とを有する。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the microbial fuel cell 200 according to Embodiment 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 4, the microbial fuel cell 200 includes a container 110, a liquid 130 containing organic matter and electron donating microorganisms 120, an MEA 270 including an anode 240, a diaphragm 150 and a cathode 160, and a float 180.

実施の形態2に係る微生物燃料電池200は、アノード240がMEA270に含まれており、隔膜150に接合されている点で、実施の形態1に係る微生物燃料電池100と異なる。そこで、実施の形態1に係る微生物燃料電池100と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。   The microbial fuel cell 200 according to the second embodiment is different from the microbial fuel cell 100 according to the first embodiment in that the anode 240 is included in the MEA 270 and is joined to the diaphragm 150. Therefore, the same components as those in the microbial fuel cell 100 according to Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

MEA270は、液体透過性を有するアノード240、隔膜150およびガス透過性を有するカソード160を含む。アノード240、隔膜150およびカソード160は、互いに接合されており、一体化されている。MEA270は、アノード240が液体130に接触し、カソード160が外気に接触するように配置される。本実施の形態では、円環形状の浮き180の貫通孔を塞ぐように浮き180の下側にアノード240および隔膜150が固定されており、浮き180の貫通孔内において隔膜150上にカソード160が積層されている。   The MEA 270 includes an anode 240 having liquid permeability, a diaphragm 150 and a cathode 160 having gas permeability. The anode 240, the diaphragm 150, and the cathode 160 are joined together and integrated. The MEA 270 is arranged such that the anode 240 is in contact with the liquid 130 and the cathode 160 is in contact with the outside air. In the present embodiment, the anode 240 and the diaphragm 150 are fixed to the lower side of the float 180 so as to close the through hole of the annular float 180, and the cathode 160 is placed on the diaphragm 150 in the through hole of the float 180. Are stacked.

アノード240は、液体130に接触するように配置される。前述のとおり、本実施の形態では、円環形状の浮き180の貫通孔を塞ぐように浮き180の下側に隔膜150が固定されており、さらに隔膜150の下側(カソード160が配置されていない面)にアノード240が積層されている。アノード240の素材は、液体透過性および導電性を有するものであれば特に限定されない。アノード240の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。また、アノード240の形状も、特に限定されない。たとえば、図4に示されるように、アノード240は平面形状であってもよい。また、図5に示されるように、アノード240は、平面形状の部分に加えて、さらにブラシ状や棒状などの立体形状の部分を有していてもよい。このようにすることで、アノード240と液体130(電子供与微生物120)との接触面積が増大するため、微生物燃料電池200の出力を向上させることができる。なお、アノード240が隔膜150の一部にのみ接合されている場合などは、アノード240は液体透過性を有していなくてもよい。   The anode 240 is disposed in contact with the liquid 130. As described above, in this embodiment, the diaphragm 150 is fixed to the lower side of the float 180 so as to block the through hole of the annular float 180, and further, the lower side of the diaphragm 150 (the cathode 160 is disposed). The anode 240 is laminated on the non-exposed surface. The material of the anode 240 is not particularly limited as long as it has liquid permeability and conductivity. Examples of the material of the anode 240 include carbon and metal. Further, the shape of the anode 240 is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 4, the anode 240 may have a planar shape. Further, as shown in FIG. 5, the anode 240 may further have a three-dimensional shape such as a brush shape or a rod shape in addition to the planar shape portion. By doing in this way, since the contact area of the anode 240 and the liquid 130 (electron-donating microorganism 120) increases, the output of the microbial fuel cell 200 can be improved. In addition, when the anode 240 is joined only to a part of the diaphragm 150, the anode 240 may not have liquid permeability.

本実施の形態に係る微生物燃料電池200は、実施の形態1に係る微生物燃料電池100の効果に加え、アノード240、隔膜150およびカソード160が一体化されているため、より容易に設置されうるという効果を有する。   In addition to the effects of the microbial fuel cell 100 according to the first embodiment, the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment can be installed more easily because the anode 240, the diaphragm 150, and the cathode 160 are integrated. Has an effect.

なお、上記各実施の形態では、アノード140,240およびカソード160を液体130の中または表面に浮かすための浮き180を有する微生物燃料電池100,200について説明したが、浮き180は必須の構成要件ではない。たとえば、アノード140,240、隔膜150またはカソード160を中空構造とするなどしてこれら自身を浮くようにすれば、浮き180は無くてもよい。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、浮き180はあることが好ましい。   In each of the above embodiments, the microbial fuel cells 100 and 200 having the float 180 for floating the anodes 140 and 240 and the cathode 160 in or on the liquid 130 have been described. However, the float 180 is an indispensable constituent element. Absent. For example, if the anodes 140 and 240, the diaphragm 150, or the cathode 160 are made to have a hollow structure so that they float themselves, the float 180 may be omitted. However, when the practicality of the battery is taken into consideration, it is preferable that the float 180 is present.

以下、実施例を参照して本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail with reference to an Example, this invention is not limited by these Examples.

本実施例では、実施の形態1に係る微生物燃料電池(図3参照)を作製し、その電圧特性を測定した。   In this example, a microbial fuel cell according to Embodiment 1 (see FIG. 3) was produced and its voltage characteristics were measured.

1.微生物燃料電池の作製
(1)アノードの作製
10×9cmのカーボンクロス1枚および10×3cmのカーボンクロス2枚を、結束バンドを用いて導線に固定することで、アノードを作製した。
1. Production of Microbial Fuel Cell (1) Production of Anode An anode was produced by fixing one 10 × 9 cm carbon cloth and two 10 × 3 cm carbon cloths to a conducting wire using a binding band.

(2)MEAの作製
粒子径30〜40nmの導電性カーボン粉末(Vulcan XC-72;CABOT社)16mg、粒子径2〜3nmのプラチナ粉末(田中貴金属工業株式会社)16mg、イオン伝導性ポリマー溶液(ナフィオン(登録商標)を5質量%含む溶液)0.32mLを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをテフロン(登録商標)シート(直径7.0cm)の面上に均一に塗布し乾燥させて、触媒層を形成した。前述のテフロンシート上の触媒層をプロトン交換膜(Nafion-117;直径11cm)に触媒層が接触するようにプロトン交換膜上にテフロンシートを積層した状態で、ホットプレス機を用いてプレス(120℃、10分間)することで、触媒層(厚み約100μm)をプロトン交換膜に転写した。
(2) Preparation of MEA 16 mg of conductive carbon powder (Vulcan XC-72; CABOT) having a particle size of 30 to 40 nm, 16 mg of platinum powder (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a particle size of 2 to 3 nm, an ion conductive polymer solution ( A solution containing 5% by mass of Nafion (registered trademark) (0.32 mL) was mixed to prepare a paste. The obtained paste was uniformly applied on the surface of a Teflon (registered trademark) sheet (7.0 cm in diameter) and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer on the Teflon sheet is pressed using a hot press machine in a state where the Teflon sheet is laminated on the proton exchange membrane so that the catalyst layer is in contact with the proton exchange membrane (Nafion-117; diameter 11 cm) (120 The catalyst layer (thickness: about 100 μm) was transferred to the proton exchange membrane by performing 10 ° C.

次いで、テフロン加工済みのカーボンクロス(直径7.0cm)に前述のイオン伝導性ポリマー溶液0.8mLを塗布した。さらに、その上に前述のプロトン交換膜を、イオン伝導性ポリマー溶液に触媒層が接触するように積層した状態で、前述と同様の条件でプレスして圧着させることで、カソードおよび隔膜を含むMEAを作製した。   Next, 0.8 mL of the above-described ion conductive polymer solution was applied to a Teflon-processed carbon cloth (diameter: 7.0 cm). Further, the above-described proton exchange membrane is laminated on the ion conductive polymer solution so that the catalyst layer is in contact therewith, and is pressed and pressure-bonded under the same conditions as described above, whereby the MEA including the cathode and the membrane is included. Was made.

(3)培地の調製
以下の表に示される添加物を蒸留水に加えて、培地(電解質溶液)を調製した。

Figure 0006332793
(3) Preparation of culture medium Additives shown in the following table were added to distilled water to prepare a culture medium (electrolyte solution).
Figure 0006332793

(4)微生物燃料電池の作製
容器として、一方の開口が塞がれているガラス製の円筒を準備した。容器の内部空間の大きさは、直径10.5cm×高さ15cmである。前述の培地と、電子供与微生物および燃料としての活性汚泥とを9:1の割合で混合した。得られた混合液0.8Lを、容器の内部に導入した。
(4) Production of microbial fuel cell As a container, a glass cylinder having one of its openings closed was prepared. The inner space of the container has a diameter of 10.5 cm and a height of 15 cm. The aforementioned medium was mixed with the electron-donating microorganism and activated sludge as fuel in a ratio of 9: 1. 0.8 L of the obtained mixed solution was introduced into the container.

発泡スチロールからなる円環形状の浮き(外径10cm×内径7cm×高さ5cm)にアノードおよびMEA(プロトン交換膜およびカソード)を固定した。このとき、下側からアノード、プロトン交換膜およびカソードの順になるように各部材を配置した。   The anode and MEA (proton exchange membrane and cathode) were fixed to a ring-shaped float (outer diameter 10 cm × inner diameter 7 cm × height 5 cm) made of polystyrene foam. At this time, each member was arranged so that the anode, the proton exchange membrane, and the cathode were arranged in this order from the bottom.

容器内の液体に浮きを浮かべることで、容器内にアノードおよびMEAを設置した。アノードは、液体中に浸漬された状態となり、カソードは、外気と接触した状態となった。カソードと液体との間には、プロトン交換膜が存在していた。アノードおよびカソードを外部の電圧計と接続した。   The anode and MEA were installed in the container by floating the liquid in the container. The anode was immersed in the liquid, and the cathode was in contact with the outside air. There was a proton exchange membrane between the cathode and the liquid. The anode and cathode were connected to an external voltmeter.

2.微生物燃料電池の電圧特性の測定
微生物燃料電池を作製し、最初の5日間のみ容器内の液体を撹拌しながら動作させ、その後は撹拌せずに動作させて、室温で1分ごとに電圧を測定した。外部抵抗は、4.3kΩとした。
2. Measurement of voltage characteristics of microbial fuel cell A microbial fuel cell was prepared and operated while stirring the liquid in the container for the first 5 days. After that, it was operated without stirring, and the voltage was measured every minute at room temperature. did. The external resistance was 4.3 kΩ.

図6は、撹拌を停止した後の電圧の経時的変化を示すグラフである。このグラフから、本発明に係る微生物燃料電池が安定して発電できることがわかる。   FIG. 6 is a graph showing a change with time of voltage after stirring is stopped. From this graph, it can be seen that the microbial fuel cell according to the present invention can stably generate power.

たとえば、燃料として有機廃液を使用した場合、本発明に係る微生物燃料電池およびMEAは、有機廃液から電気エネルギーを回収するだけでなく、有機廃液の浄化処理も行うことができる。したがって、本発明に係る微生物燃料電池およびMEAは、畜舎における廃水処理や、都市部における下水処理などにおいて有用である。   For example, when an organic waste liquid is used as a fuel, the microbial fuel cell and MEA according to the present invention can not only recover electrical energy from the organic waste liquid but also perform a purification process of the organic waste liquid. Therefore, the microbial fuel cell and MEA according to the present invention are useful in wastewater treatment in livestock barns, sewage treatment in urban areas, and the like.

10 微生物燃料電池
11 容器
12 電子供与微生物
13 液体
14 アノード
15 隔膜
16 カソード(エアカソード)
17 膜電極接合体(MEA)
100,200 微生物燃料電池
110 容器
120 電子供与微生物
130 液体
140,240 アノード
150 隔膜
160 カソード(エアカソード)
170,270 膜電極接合体(MEA)
180 浮き
190 導線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microbial fuel cell 11 Container 12 Electron donating microorganism 13 Liquid 14 Anode 15 Diaphragm 16 Cathode (air cathode)
17 Membrane electrode assembly (MEA)
100,200 Microbial fuel cell 110 Container 120 Electron donating microorganism 130 Liquid 140,240 Anode 150 Diaphragm 160 Cathode (air cathode)
170,270 Membrane electrode assembly (MEA)
180 float 190 conductor

Claims (2)

容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体の表面に浮いている浮きと、
前記液体略鉛直方向に沿って延在するように前記浮きにより直接または間接的に支持されたアノードと、
前記液体の表面に浮くように前記浮きにより直接または間接的に支持され、外気に接触するとともに、前記液体に直接接触するか、またはカチオン透過性を有する隔膜を挟んで前記液体に隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、
を有し、
前記容器の内側面と前記アノードとは、前記液体のみを介して互いに対向している、
微生物燃料電池。
A container,
A liquid containing organic matter and electron-donating microorganisms contained in the container;
A float floating on the surface of the liquid;
An anode which is directly or indirectly supported by said float so as to extend substantially along the vertical direction in the liquid,
It is directly or indirectly supported by the float so as to float on the surface of the liquid, and is in contact with the outside air, directly in contact with the liquid, or adjacent to the liquid with a cation-permeable membrane interposed therebetween. A gas permeable cathode disposed;
Have
The inner surface of the container and the anode face each other only through the liquid,
Microbial fuel cell.
液体の表面に浮くための浮きと、
前記浮きを前記液体に浮かせたときに前記液体中に略鉛直方向に沿って延在するように前記浮きにより直接または間接的に支持されたアノードと、
前記浮きを前記液体に浮かせたときに前記液体の表面に浮くように前記浮きにより直接または間接的に支持され、前記浮きを前記液体に浮かせたときに外気に接触するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、
前記浮きを前記液体に浮かせたときに前記カソードと前記液体との間に位置するように前記カソードの一方の面に接合された、カチオン透過性を有する隔膜と、
を有
前記アノードは、鉛直方向に対して垂直な水平方向について他の部材に囲われていない、
微生物燃料電池用の浮遊体。
A float to float on the surface of the liquid,
An anode supported directly or indirectly by the float so as to extend in a substantially vertical direction in the liquid when the float is floated on the liquid ;
A gas that is directly or indirectly supported by the float so as to float on the surface of the liquid when the float is floated on the liquid, and is arranged to come into contact with outside air when the float is floated on the liquid. A permeable cathode;
A cation permeable membrane joined to one side of the cathode so as to be positioned between the cathode and the liquid when the float is floated on the liquid ;
I have a,
The anode is not surrounded by other members in the horizontal direction perpendicular to the vertical direction.
A floating body for microbial fuel cells.
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