JP6351448B2 - Microbial fuel cell - Google Patents

Microbial fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP6351448B2
JP6351448B2 JP2014180301A JP2014180301A JP6351448B2 JP 6351448 B2 JP6351448 B2 JP 6351448B2 JP 2014180301 A JP2014180301 A JP 2014180301A JP 2014180301 A JP2014180301 A JP 2014180301A JP 6351448 B2 JP6351448 B2 JP 6351448B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
microbial fuel
oxygen
cathode electrode
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2014180301A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016054106A (en
Inventor
真 都甲
真 都甲
秀和 志摩
秀和 志摩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2014180301A priority Critical patent/JP6351448B2/en
Priority to PCT/JP2015/069486 priority patent/WO2016035440A1/en
Priority to US15/122,425 priority patent/US10347931B2/en
Publication of JP2016054106A publication Critical patent/JP2016054106A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6351448B2 publication Critical patent/JP6351448B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、微生物燃料電池の電池構造に関する。   The present invention relates to a cell structure of a microbial fuel cell.

水素(H)と酸素(O)とを結合して水(HO)を生成し、電子(e)を取り出す燃料電池は、反応によって生成するのが水だけであり、クリーンなエネルギーとして近年注目されている。しかしながら、水素を用いた燃料電池である水素燃料電池では、電極触媒に白金などの貴金属を用いるためにコスト高であり、かつ燃料である水素は身の回りにはなく、別途精製・改質が必要である。 A fuel cell in which hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are combined to produce water (H 2 O) and take out electrons (e ) is produced only by water and is clean. In recent years, it has attracted attention as an energy source. However, hydrogen fuel cells, which are hydrogen fuel cells, are expensive because noble metals such as platinum are used for the electrode catalyst, and hydrogen as a fuel is not around us and requires separate purification and reforming. is there.

これに対し、電極触媒に微生物を用いることで、身の回りの炭化水素類、アミノ酸類などの有機物からの発電可能な燃料電池として、微生物(バイオ)燃料電池が、低コストでクリーンエネルギーとして注目されている。微生物燃料電池では、カソード電極で酸素の還元を行い、アノード電極では炭化水素類、アミノ酸類などの有機物燃料の酸化を行う構成が一般的である。微生物燃料電池において、カソード電極での酸素の還元においては、白金などの貴金属触媒以外に、カーボンなどの酸素還元能を有する電極材料で反応を行なうことができる。また微生物燃料電池において、アノード電極での燃料の酸化については、当該アノード電極に坦持された微生物が燃料を代謝(酸化)する過程で伝達される電子を電極が受け取ることで行われる。 In contrast, by using the microorganisms to the electrode catalyst, personal hydrocarbons, as a generator capable fuel cell from organic substances such as amino acids, microorganisms (bio) fuel cells are attracting attention as clean energy at low cost ing. In general, a microbial fuel cell has a configuration in which oxygen is reduced at a cathode electrode, and organic fuel such as hydrocarbons and amino acids is oxidized at an anode electrode. In the microbial fuel cell, in the reduction of oxygen at the cathode electrode, in addition to the noble metal catalyst such as platinum, the reaction can be performed with an electrode material having oxygen reducing ability such as carbon. In the microbial fuel cell, the oxidation of fuel at the anode electrode is performed by the electrode receiving electrons transmitted in the process of metabolism (oxidation) of the fuel by the microorganisms supported on the anode electrode.

たとえば特開2007−324005号公報(特許文献1)には、アノード槽(培養槽)とカソード槽(酸化還元反応槽)を絶縁性イオン交換膜で隔て、アノード槽にアノードの触媒となる微生物およびその燃料となる有機分子を混合した溶媒を封入し、カソード槽には酸素と電極間での電子媒介を担う分子を混合した、アノード槽とは異なる溶媒を封入した構造の微生物燃料電池が開示されている。   For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-32405 (Patent Document 1), an anode tank (culture tank) and a cathode tank (oxidation-reduction reaction tank) are separated by an insulating ion exchange membrane, and a microorganism serving as an anode catalyst in the anode tank and Disclosed is a microbial fuel cell having a structure in which a solvent mixed with organic molecules serving as the fuel is sealed, and a solvent different from that in the anode tank is sealed in which the cathode tank is mixed with oxygen and molecules responsible for electron mediation between the electrodes. ing.

よりシンプルで低コストに微生物燃料電池を構成するためには、土中にアノードとなる電極を埋め込み、土表面にカソード電極を配置することで微生物燃料電池を構成することが可能である(Keego Tech社のホームページの項目「Commmynuty」の中の項目「Education」(http://www.keegotech.com/Community/Education)で挙げられた公知資料(非特許文献1)を参照。たとえば、「Beginner Intro to MFCs」として挙げられた「Dirt = Power: An Intro to Microbial Fuel Cells」など)。このような電池構造であれば、微生物の抽出や、アノード溶液およびカソード溶液の調整、高度に分子透過選択性のある高価なイオン交換膜が不要となるため、安価かつ簡便に微生物燃料電池の実現が可能である。   In order to construct a microbial fuel cell at a simpler and lower cost, it is possible to construct a microbial fuel cell by embedding an electrode serving as an anode in the soil and disposing a cathode electrode on the soil surface (Keego Tech). See the publicly known document (Non-Patent Document 1) listed in the item “Education” (http://www.keegotech.com/Community/Education) in the item “Community” on the company's website. to MFCs "Dirt = Power: An Intro to Microbial Fuel Cells"). Such a battery structure eliminates the need for microbial extraction, adjustment of the anolyte and catholyte solutions, and expensive ion exchange membranes with high molecular permeation selectivity. Is possible.

しかし、こういった微生物燃料電池のアノードで用いられる微生物は、通常嫌気性であることが多い。ここで、嫌気性とは、偏性嫌気性と、通性嫌気性を含むものである。土や泥中に電極を配置して発電を行う場合、偏性嫌気性微生物は酸素の豊富な土および泥の表面部分には生息できず、また、通性嫌気性微生物では酸素の豊富な土および泥の表面部分では燃料の代謝(酸化)が行えないため、アノードは表面から離れた深い場所に配置せざるを得ない。また、酸素がアノード近傍に存在することで、アノードでの酸素還元反応が起こることによっても電池性能の低下が起こる。そのため、アノードとカソード間距離を広くせざるを得ず、電池の薄型化・小型化を難しくしている。   However, the microorganisms used in the anode of such microbial fuel cells are usually anaerobic in many cases. Here, anaerobic includes obligate anaerobic and facultative anaerobic. When power is generated by placing electrodes in soil or mud, obligate anaerobic microorganisms cannot live on oxygen-rich soil and mud surface parts, and facultative anaerobic microorganisms do not have oxygen-rich soil. In addition, since the fuel cannot be metabolized (oxidized) at the surface of the mud, the anode must be disposed at a deep location away from the surface. Further, the presence of oxygen in the vicinity of the anode causes a decrease in battery performance due to an oxygen reduction reaction at the anode. For this reason, the distance between the anode and the cathode must be increased, making it difficult to reduce the thickness and size of the battery.

特開2007−324005号公報JP 2007-32005 A

Keego Tech社のホームページ(http://www.keegotech.com/Community/Education)Keego Tech homepage (http://www.keegotech.com/Community/Education)

本発明はこのようは現状を鑑み、土や泥からの直接発電により、高い発電性能を有し、かつ薄型化・小型化が可能な微生物燃料電池を低コストで提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the present situation, and an object of the present invention is to provide a microbial fuel cell that has high power generation performance and can be reduced in thickness and size by direct power generation from soil or mud at low cost.

本発明者らは上記の課題を解決するために、アノード電極・カソード電極間に「酸素透過制限層」を配置することに着目した。すなわち、本発明は以下のとおりである。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors paid attention to disposing an “oxygen permeation limiting layer” between the anode electrode and the cathode electrode. That is, the present invention is as follows.

本発明の微生物燃料電池は、土もしくは泥から供給される電流発生菌を触媒として用い、かつ土もしくは泥から供給される有機物燃料の酸化を行うアノード電極と、空気中および水中から供給される酸素の還元を行うカソード電極とを備える微生物燃料電池であって、対向するアノード電極とカソード電極との間に酸素透過制限層を有することを特徴とする。   The microbial fuel cell according to the present invention includes an anode electrode that oxidizes an organic fuel supplied from soil or mud, and oxygen supplied from air and water, using a current generating bacterium supplied from soil or mud as a catalyst. A microbial fuel cell comprising a cathode electrode for performing reduction of oxygen, wherein an oxygen permeation limiting layer is provided between the anode electrode and the cathode electrode facing each other.

本発明の微生物燃料電池において、前記酸素透過制限層がハイドロゲルで形成された層であることが好ましく、前記ハイドロゲルが高分子の糖鎖で形成されたものであることがより好ましい。   In the microbial fuel cell of the present invention, the oxygen permeation limiting layer is preferably a layer formed of a hydrogel, and more preferably the hydrogel is formed of a polymer sugar chain.

本発明の微生物燃料電池は、前記カソード電極上に保湿層が設けられていることが好ましい。   In the microbial fuel cell of the present invention, it is preferable that a moisture retention layer is provided on the cathode electrode.

本発明の微生物燃料電池は、前記酸素透過制限層のアノード電極側に微生物およびその養分の少なくともいずれかを交換可能な穴を1つ以上有する筐体をさらに備えることが、好ましい。   The microbial fuel cell of the present invention preferably further comprises a housing having one or more holes in which at least one of microorganisms and nutrients thereof can be exchanged on the anode electrode side of the oxygen permeation limiting layer.

本発明によれば、土や泥からの直接発電より、薄型で高い発電性能を保つことが可能な微生物燃料電池を低コストで提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the microbial fuel cell which can maintain a thin and high electric power generation performance rather than the direct electric power generation from soil or mud can be provided at low cost.

本発明の実施の形態1の微生物燃料電池1を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 1 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2の微生物燃料電池11を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 11 of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3の微生物燃料電池21を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 21 of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4の微生物燃料電池31を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 31 of Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5の微生物燃料電池41を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 41 of Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6の微生物燃料電池51を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 51 of Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態7の微生物燃料電池61を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 61 of Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態8の微生物燃料電池71を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 71 of Embodiment 8 of this invention. 本発明の実施の形態9の微生物燃料電池81を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the microbial fuel cell 81 of Embodiment 9 of this invention. 実施例1、比較例1の微生物燃料電池の出力電力の電極間距離変化を示したグラフである。6 is a graph showing a change in the distance between electrodes of output power of the microbial fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1の微生物燃料電池において、酸素透過制限層の厚みを変化させたときの出力電力をプロットしたグラフである。In the microbial fuel cell of Example 1, it is the graph which plotted the output electric power when changing the thickness of an oxygen permeation restriction layer.

<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1の微生物燃料電池1を模式的に示す図である。図1に示す例の微生物燃料電池1は、アノード電極2と、カソード電極3と、酸素透過制限層4と、土または泥5(5a,5b,5c)、筐体6を備える。図1に示す例において、筐体6は、一方に開口を有し、その開口が上方となるように配置され、その中に土または泥5(5a,5b,5c)が入れられる。図1に示す例では、筐体6の底側(下側)にアノード電極2が配置され、筐体6の開口側(上側)にカソード電極3が配置されている。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1 includes an anode electrode 2, a cathode electrode 3, an oxygen permeation limiting layer 4, soil or mud 5 (5 a, 5 b, 5 c), and a housing 6. In the example shown in FIG. 1, the housing 6 has an opening on one side and is arranged so that the opening is on the upper side, and soil or mud 5 (5a, 5b, 5c) is put therein. In the example shown in FIG. 1, the anode electrode 2 is disposed on the bottom side (lower side) of the housing 6, and the cathode electrode 3 is disposed on the opening side (upper side) of the housing 6.

本発明の微生物燃料電池1は、アノード電極2とカソード電極3との間に酸素透過制限層4が間に挟まれているのであれば、アノード電極2、カソード電極3、酸素透過制限層4の配置に特に制限はないが、図1に示す例のように、一方に開口を有する筐体の開口側を上側とし、上から下へと順に、カソード電極3、酸素透過制限層4、アノード電極2と配置されていることが好ましい。上から下へと順に、アノード電極2、酸素透過制限層4、カソード電極3の順で配置されていてもよいが、重力により、カソード電極3、酸素透過制限層4、アノード電極2、土または泥5(5a,5b,5c)、およびそれらに含まれる水分が落下しにくいため、図1に示すように上から下へと順に、カソード電極3、酸素透過制限層4、アノード電極2と配置されていることが好ましい。   In the microbial fuel cell 1 of the present invention, as long as the oxygen permeation limiting layer 4 is sandwiched between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, the anode electrode 2, the cathode electrode 3, and the oxygen permeation limiting layer 4 Although there is no particular limitation on the arrangement, as in the example shown in FIG. 1, the opening side of the housing having an opening on one side is the upper side, and the cathode electrode 3, the oxygen permeation limiting layer 4, and the anode electrode are sequentially arranged from top to bottom. 2 is preferably arranged. The anode electrode 2, the oxygen permeation limiting layer 4, and the cathode electrode 3 may be disposed in this order from top to bottom, but the cathode electrode 3, the oxygen permeation limiting layer 4, the anode electrode 2, soil, Since the mud 5 (5a, 5b, 5c) and the water contained in them are difficult to fall, they are arranged with the cathode electrode 3, the oxygen permeation limiting layer 4 and the anode electrode 2 in order from the top to the bottom as shown in FIG. It is preferable that

(アノード電極)
本発明の微生物燃料電池1において、アノード電極2は、土もしくは泥から供給される嫌気性の電流発生菌7を触媒として用い、かつ土もしくは泥から供給される有機物燃料の酸化を行うものである。このようなアノード電極2としては、導電性を必要とし、かつ腐食性に優れる材料が用いられ、このような材料として、好ましくは、ステンレス、白金、金、カーボンなどの材料や、金属などの導電材料にステンレス、白金、金、カーボンなどのコーティングを施したものなどを挙げることができる。
(Anode electrode)
In the microbial fuel cell 1 of the present invention, the anode electrode 2 uses an anaerobic current generating bacterium 7 supplied from soil or mud as a catalyst, and oxidizes organic fuel supplied from the soil or mud. . As such an anode electrode 2, a material that requires electrical conductivity and excellent in corrosiveness is used. As such a material, preferably, a material such as stainless steel, platinum, gold, or carbon, or a conductive material such as a metal is used. Examples of the material include stainless steel, platinum, gold, and carbon coated.

さらには微細構造、メッシュ状など、投影面積よりも電極面積を稼げる構造・形状を有するアノード電極2を用いると、微生物の吸着面積を増やすことができ、大きな発電電流を得ることができる。   Furthermore, if the anode electrode 2 having a structure / shape such as a fine structure, mesh shape, etc. that can increase the electrode area than the projected area can be used, the adsorption area of microorganisms can be increased and a large generated current can be obtained.

カーボンフェルトやカーボンペーパーなどをアノード電極2に用いた場合には、電気抵抗も低く、微生物の吸着量も増やすことができ、また貴金属材料よりも低コストに抑えることができるが、この材料に限られない。   When carbon felt, carbon paper, or the like is used for the anode electrode 2, the electrical resistance is low, the amount of microorganisms adsorbed can be increased, and the cost can be kept lower than that of precious metal materials. I can't.

また、キノン系の分子や酸化鉄などの、電子媒介物質(電子メディエーター)をアノード電極2に用いることで、微生物との電子の交換をスムーズに行い、電流を向上させることもできるため、電子媒介物質(電子メディエーター)を電極周辺に配置したり、電極に固定化することもあるが、必ずしも必要というわけではない。   In addition, by using an electron mediator (electron mediator) such as a quinone molecule or iron oxide for the anode electrode 2, electrons can be exchanged with microorganisms smoothly and the current can be improved. A substance (electron mediator) may be placed around the electrode or fixed to the electrode, but this is not always necessary.

本発明において、アノード電極2に用いられる電流発生菌は、たとえばShewanella菌、Geobacter属細菌、Rhodoferax ferrireducens、Desulfobulbus propionicusなど従来公知の適宜の嫌気性の電流発生菌が挙げられ、中でも、幅広い土壌中に豊富に含まれ、アノード電極との電子授受が容易であることから、Shewanella菌が好適である。また、アノード電極2によって酸化する有機化合物としては、たとえばグルコース、酢酸、乳酸などの炭化水素物、アミノ酸などが好ましい。   In the present invention, examples of current generating bacteria used for the anode electrode 2 include conventionally known appropriate anaerobic current generating bacteria such as Shewanella bacteria, Geobacter genus bacteria, Rhodoferax ferrireducens, and Desulfobulus propionicus. Shewanella bacteria are preferred because they are abundant and easy to exchange electrons with the anode electrode. Moreover, as an organic compound oxidized with the anode electrode 2, hydrocarbons, such as glucose, acetic acid, and lactic acid, an amino acid, etc. are preferable, for example.

(カソード電極)
本発明の微生物燃料電池1において、カソード電極3は、空気中および水中から供給される酸素の還元を行うものである。このようなカソード電極3としては、導電性を必要とし、かつ腐食性に優れ、また電気化学的に酸素還元能を持つ材料が用いられ、このような材料としては、好ましくは、ステンレス、白金、金、カーボンなどの材料や、金属などの導電材料にステンレス、白金、金、カーボンなどのコーティングを施したものなどを挙げることができる。また、酸素還元能を有する酵素や微生物をコーティングした導電材料を電極に用いることもできる。
(Cathode electrode)
In the microbial fuel cell 1 of the present invention, the cathode electrode 3 performs reduction of oxygen supplied from the air and water. As such a cathode electrode 3, a material that requires electrical conductivity and excellent in corrosiveness and electrochemically has an oxygen reducing ability is used. As such a material, stainless steel, platinum, Examples thereof include materials such as gold and carbon, and conductive materials such as metals coated with stainless steel, platinum, gold and carbon. In addition, a conductive material coated with an enzyme or a microorganism having oxygen reducing ability can be used for the electrode.

さらには、微細構造、メッシュ状など、投影面積よりも電極面積を稼げる構造・形状を有するカソード電極3を用いると、酸素との反応面積を増やすことができるため、その場合、大きな発電電流を得ることができる。   Furthermore, since the reaction area with oxygen can be increased by using the cathode electrode 3 having a structure / shape such as a fine structure, mesh shape, etc. that can obtain an electrode area larger than the projected area, a large generated current is obtained in that case. be able to.

カーボンフェルトやカーボンペーパーなどをカソード電極3に用いた場合には、電気抵抗も低く、酸素還元可能な電極面積も増やすことができ、また貴金属材料よりも低コストに抑えることができるが、必ずしもこの材料に限られない。   When carbon felt, carbon paper, or the like is used for the cathode electrode 3, the electrical resistance is low, the electrode area capable of oxygen reduction can be increased, and the cost can be kept lower than the precious metal material. Not limited to materials.

また、カソード電極3には、フェロシアンイオンなどの、電子媒介物質(電子メディエーター)を用いることで、電極と酸素の電子の交換を円滑に行い、電流を向上させることもできるため、電子媒介物質(電子メディエーター)を電極周辺に配置したり、電極に固定化したりしてもよいが、必ずしも必要というわけではない。   In addition, since an electron mediator (electron mediator) such as ferrocyan ion is used for the cathode electrode 3, the exchange of electrons between the electrode and oxygen can be performed smoothly and the current can be improved. (Electron mediator) may be arranged around the electrode or fixed to the electrode, but this is not always necessary.

(酸素透過制限層)
本発明の微生物燃料電池1は、上述のようなアノード電極2とカソード電極3との間に、酸素透過制限層4を有することをその大きな特徴とする。ここで、「酸素透過制限層」とは、空気に暴露されているカソード電極3側からアノード電極2の酸素の拡散を制限し、かつアノード電極2からカソード電極3へのイオンの移動を可能とする機能を有する層を指す。また「酸素透過制限層」における「層」は、微生物燃料電池1の筐体6の上下方向に対し垂直な平面を含み、筐体の開口の面積全域にわたって広がる層を指す。このような目的として用いる酸素透過制限層4の形成には、空気と接するカソード側からアノードへの酸素の拡散、浸透を阻害できるものであれば構わないが、低コストである点、土、泥、筐体6の形状に対応でき密に酸素を遮断できる点、塩分や密度の調整により材料の物性の調整が容易である点を考慮し、ハイドロゲル状のものが好ましく、特に寒天であることがより好ましい。
(Oxygen permeation limiting layer)
The microbial fuel cell 1 of the present invention is characterized by having an oxygen permeation limiting layer 4 between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 as described above. Here, the “oxygen permeation limiting layer” limits the diffusion of oxygen in the anode electrode 2 from the cathode electrode 3 side exposed to air, and enables the movement of ions from the anode electrode 2 to the cathode electrode 3. Refers to a layer having a function of The “layer” in the “oxygen permeation limiting layer” refers to a layer including a plane perpendicular to the vertical direction of the casing 6 of the microbial fuel cell 1 and extending over the entire area of the opening of the casing. The oxygen permeation limiting layer 4 used for this purpose may be formed as long as it can inhibit the diffusion and permeation of oxygen from the cathode side in contact with the air to the anode. Considering the fact that it can respond to the shape of the housing 6 and can block oxygen tightly, and that it is easy to adjust the physical properties of the material by adjusting the salinity and density, a hydrogel-like one is preferred, especially agar Is more preferable.

高分子材料を基材として、水分を多量に含むことにより形成されるハイドロゲルは、カソード電極3とアノード電極2の間に配置することにより、カソード側から侵入、拡散する酸素のアノードへの到達を物理的に遮断でき、かつイオン伝導性に優れるために、微生物燃料電池1の内部抵抗を損なうことなく電池を構成できる。また、ハイドロゲルの高分子構造、高分子材料、水分含有量、イオン強度などを調整することで、酸素透過度、イオン伝導性、柔軟性の調整が可能である点も、微生物燃料電池の設計自由度を向上させるメリットである。また、デュポン社製ナフィオン(登録商標)などを用いて酸素透過制限層を形成する場合に比べ、非常に安価に製造することができる。   The hydrogel formed by containing a large amount of water using a polymer material as a base material is disposed between the cathode electrode 3 and the anode electrode 2, so that oxygen that enters and diffuses from the cathode side reaches the anode. Therefore, the battery can be constructed without impairing the internal resistance of the microbial fuel cell 1. In addition, it is possible to adjust the oxygen permeability, ionic conductivity, and flexibility by adjusting the polymer structure, polymer material, water content, ionic strength, etc. of the hydrogel. This is an advantage of improving the degree of freedom. Further, it can be manufactured at a very low cost compared to the case where the oxygen permeation limiting layer is formed using Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont.

また、ハイドロゲルは流動性が高いため、土の砂礫間や土と筐体間を埋めることができ、ガスケットを用いずとも密閉することが容易であり、酸素透過制限効果が高く、微生物燃料電池の部品点数を少なくできるために、さらに安価に製造することが可能であるという利点もある。   In addition, hydrogel has high fluidity, so it can fill between soil gravel and between soil and housing, and can be easily sealed without using a gasket, has a high oxygen permeation limiting effect, and is a microbial fuel cell. Since the number of parts can be reduced, there is an advantage that it can be manufactured at a lower cost.

ハイドロゲルには様々な高分子材料を用いることができるが、たとえば寒天を用いることで、安価に効果的な製造が可能である。寒天は硬化させた後に挿入することもできるが、筐体内で硬化させることで、より確実な酸素透過制限効果が得られる。   Various polymer materials can be used for the hydrogel. For example, by using agar, effective production can be achieved at low cost. Agar can be inserted after it has been cured, but a more reliable oxygen permeation limiting effect can be obtained by curing in the housing.

なお、この酸素透過制限層4は、酸素の透過を物理的に制限(さらには防止)する材料の他、酸素を消費する材料などを用いることでも構成できる。たとえば酸素を還元する酵素のような材料を用いれば、酸素がアノード電極2に到達する前に、消費することが可能である。   The oxygen permeation limiting layer 4 can be configured by using a material that consumes oxygen in addition to a material that physically limits (and prevents) the permeation of oxygen. For example, if a material such as an enzyme that reduces oxygen is used, oxygen can be consumed before reaching the anode electrode 2.

本発明の微生物燃料電池において、図1には、酸素透過制限層4が、アノード電極2とカソード電極3と別体的に互いに分離されて形成された場合を示したが、酸素透過制限層4がアノード電極2およびカソード電極3と一体化されていても勿論よい。   In the microbial fuel cell of the present invention, FIG. 1 shows the case where the oxygen permeation limiting layer 4 is formed separately from the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 separately. Of course, the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 may be integrated.

(微生物燃料電池)
上述した構成を備える本発明の微生物燃料電池1では、アノード電極2とカソード電極3との間に酸素透過制限層4を備えることで、従来のような、カソード電極で反応する酸素がアノード電極に到達した場合にアノード電極の性能が減少してしまうという問題が起こることがなく、アノード電極2近傍での酸素濃度が減少され、性能が向上された微生物燃料電池を提供することができる。また、酸素透過制限層4を配置することで、従来必要であった高価なイオン交換(カチオン選択透過)膜を不要にでき、さらには、アノード電極2とカソード電極3との間の距離を小さくすることも可能であり、アノード電極とカソード電極との間の距離が大きいことによる電流のロスが生じることがなく、性能が向上され、薄膜化された微生物燃料電池を提供することができるという利点もある。
(Microbial fuel cell)
In the microbial fuel cell 1 of the present invention having the above-described configuration, the oxygen permeation limiting layer 4 is provided between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 so that oxygen that reacts with the cathode electrode as in the conventional case is applied to the anode electrode. When it reaches, the problem that the performance of the anode electrode is reduced does not occur, the oxygen concentration in the vicinity of the anode electrode 2 is reduced, and a microbial fuel cell with improved performance can be provided. Further, by disposing the oxygen permeation limiting layer 4, an expensive ion exchange (cation selective permeation) membrane that has been necessary in the past can be made unnecessary, and further, the distance between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 can be reduced. It is also possible to provide a microbial fuel cell with improved performance and reduced thickness without causing a current loss due to a large distance between the anode electrode and the cathode electrode. There is also.

本発明の微生物燃料電池において、土または泥5(5a,5b,5c)は特定のものを限らずに用いることができ、アノード電極2で触媒として利用可能な電流発生菌7とその養分が含まれるものであればよいが、腐葉土を用いることが好ましい。また、本発明の微生物燃料電池において、筐体6も特に制限されないが、たとえばプラスチックなど絶縁性を有するように形成されたものを用いることが好ましい。   In the microbial fuel cell of the present invention, the soil or mud 5 (5a, 5b, 5c) can be used without limitation, and includes the current generating bacteria 7 that can be used as a catalyst in the anode electrode 2 and its nutrients. However, it is preferable to use humus. Further, in the microbial fuel cell of the present invention, the housing 6 is not particularly limited, but it is preferable to use one formed to have insulating properties such as plastic.

また、図1には、アノード電極2、カソード電極3のそれぞれにリード線8,9が電気的に接続され、微生物発電により発生した電気を外部に取り出すことができるように構成された例が示されている。リード線8,9は、たとえば、制御回路(図示せず)、負荷(図示せず)などに電気的に接続されてもよい。   Further, FIG. 1 shows an example in which the lead wires 8 and 9 are electrically connected to the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, respectively, so that the electricity generated by the microbial power generation can be taken out to the outside. Has been. The lead wires 8 and 9 may be electrically connected to, for example, a control circuit (not shown), a load (not shown), or the like.

以下、図1に示した微生物燃料電池1の動作を説明する。
土または泥内に含まれる、嫌気性の電流発生菌(たとえば上述のShewanella菌など)7はアノード電極2に吸着し、土または泥内に含まれる炭化水素物(たとえばグルコースや酢酸など)やアミノ酸などの有機物燃料を代謝(酸化)する際に電子伝達系から電子(e)がアノード電極へと放出される(酸化後の有機物燃料は酸化体となる)。この電子(e)が外部回路を通じてカソード電極3へと到達することで発電が起こる。
Hereinafter, the operation of the microbial fuel cell 1 shown in FIG. 1 will be described.
Anaerobic current-generating bacteria (for example, the above-mentioned Shewanella bacteria) 7 contained in the soil or mud are adsorbed to the anode electrode 2, and hydrocarbons (for example, glucose and acetic acid, etc.) and amino acids contained in the soil or mud When the organic fuel is metabolized (oxidized), electrons (e ) are released from the electron transfer system to the anode electrode (the oxidized organic fuel becomes an oxidant). The electrons (e ) reach the cathode electrode 3 through an external circuit to generate power.

電子(e)と同時に生成したプロトン(H)は土または泥5や酸素透過制限層4を通過し、カソード電極3へと達する。電子(e)、プロトン(H)、空気中および水中の酸素(O)がカソード電極3上で反応し、水が生成される。 Protons (H + ) generated simultaneously with the electrons (e ) pass through the soil or mud 5 and the oxygen permeation limiting layer 4 and reach the cathode electrode 3. Electrons (e ), protons (H + ), oxygen (O 2 ) in the air and water react on the cathode electrode 3 to generate water.

カソード電極で消費されなかった酸素は、土または泥5を通過するか、土または泥5の水分中を拡散して、アノード電極2側へと向かって移動する。酸素透過制限層4ではその酸素の拡散や透過によるアノード電極2への到達を防いでいる。そのため、上述のように、アノード電極2の近傍では、酸素濃度を低く保つことができ、電極触媒として利用する嫌気性の電流発生菌7の生育を促すことができ、かつアノード電極2上での酸素の電極反応を防ぐことができるため、電池性能を高くしたり、アノード電極2とカソード電極3間の距離を狭くすることができ、微生物燃料電池1を薄型化することができる。   The oxygen that has not been consumed by the cathode electrode passes through the soil or mud 5 or diffuses in the moisture of the soil or mud 5 and moves toward the anode electrode 2 side. The oxygen permeation limiting layer 4 prevents the oxygen electrode from reaching the anode electrode 2 due to the diffusion and permeation of oxygen. Therefore, as described above, in the vicinity of the anode electrode 2, the oxygen concentration can be kept low, the growth of the anaerobic current-generating bacteria 7 used as an electrode catalyst can be promoted, and Since the electrode reaction of oxygen can be prevented, the battery performance can be improved, the distance between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 can be reduced, and the microbial fuel cell 1 can be thinned.

<実施の形態2>
図2は、本発明の実施の形態2の微生物燃料電池11を模式的に示す図である。図2において、図1に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図2に示す例の微生物燃料電池11は、アノード電極12と酸素透過制限層13とが互いに隣接して一体的に配置された点を除いては、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様である。このように構成することで、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様に、アノード電極12への酸素透過制限効果が得られると共に、アノード電極12および酸素透過制限層13を同時に交換することが可能となる。また、アノード電極12とカソード電極3の電極間距離を短くすることができるという利点もある。
<Embodiment 2>
FIG. 2 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 11 according to Embodiment 2 of the present invention. 2, parts having the same configuration as the example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 11 of the example shown in FIG. 2 is the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1 except that the anode electrode 12 and the oxygen permeation limiting layer 13 are integrally disposed adjacent to each other. It is the same. With this configuration, as in the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1, an oxygen permeation restricting effect to the anode electrode 12 can be obtained, and the anode electrode 12 and the oxygen permeation restricting layer 13 are simultaneously replaced. It becomes possible. There is also an advantage that the distance between the anode electrode 12 and the cathode electrode 3 can be shortened.

<実施の形態3>
図3は、本発明の実施の形態3の微生物燃料電池21を模式的に示す図である。図3において、図1、2に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図3に示す例の微生物燃料電池21は、カソード電極22と酸素透過制限層23とが互いに隣接して一体的に配置された点を除いては、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様である。このように構成することで、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様に、カノード電極22への酸素透過制限効果が得られると共に、カノード電極22および酸素透過制限層23を同時に交換することが可能となる。また、アノード電極2とカソード電極22の電極間距離を短くすることができるという利点もある。
<Embodiment 3>
FIG. 3 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 21 according to Embodiment 3 of the present invention. 3, parts having the same configurations as those in the example shown in FIGS. The microbial fuel cell 21 of the example shown in FIG. 3 is the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1 except that the cathode electrode 22 and the oxygen permeation limiting layer 23 are integrally disposed adjacent to each other. It is the same. With this configuration, the oxygen permeation limiting effect to the canode electrode 22 can be obtained and the canode electrode 22 and the oxygen permeation limiting layer 23 can be exchanged at the same time, as in the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. It becomes possible. There is also an advantage that the distance between the anode electrode 2 and the cathode electrode 22 can be shortened.

<実施の形態4>
図4は、本発明の実施の形態4の微生物燃料電池31を模式的に示す図である。図4において、図1、2、3に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図4に示す例の微生物燃料電池31は、アノード電極32とカソード電極33とが酸素透過制限層34とを挟んで互いに隣接して一体的に配置された点を除いては、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様である。このように構成することで、図1に示した例の微生物燃料電池1と同様に、カノード電極33への酸素透過制限効果が得られると共に、アノード電極32、カノード電極33および酸素透過制限層34を同時に交換することが可能となる。また、アノード電極32とカソード電極33の電極間距離をより短くすることができるという利点もある。
<Embodiment 4>
FIG. 4 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 31 according to Embodiment 4 of the present invention. 4, parts having the same configuration as the example shown in FIGS. 1, 2, and 3 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 31 of the example shown in FIG. 4 is shown in FIG. 1 except that the anode electrode 32 and the cathode electrode 33 are integrally arranged adjacent to each other with the oxygen permeation limiting layer 34 interposed therebetween. This is the same as the microbial fuel cell 1 of the example. With this configuration, the oxygen permeation restricting effect to the canode electrode 33 is obtained as in the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1, and the anode electrode 32, the canode electrode 33 and the oxygen permeation restricting layer 34 are obtained. Can be exchanged at the same time. There is also an advantage that the distance between the anode electrode 32 and the cathode electrode 33 can be further shortened.

<実施の形態5>
図5は、本発明の実施の形態5の微生物燃料電池41を模式的に示す図である。図5において、図1、2、3、4に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。本発明の微生物燃料電池は、図1に示した例のようにカソード電極3の上側は解放されていてもよいが、図5に示す例のように、カソード電極3の上側に、微生物燃料電池41を乾燥から守る保湿層42を備えていてよい。保湿層42を備えていることにより、カソード電極3および土または泥5の保湿が可能となるため、微生物燃料電池41の長期安定性を確保することができる。
<Embodiment 5>
FIG. 5 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 41 according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 5, parts having the same configurations as those in the examples shown in FIGS. In the microbial fuel cell of the present invention, the upper side of the cathode electrode 3 may be released as in the example shown in FIG. 1, but the microbial fuel cell is placed on the upper side of the cathode electrode 3 as in the example shown in FIG. A moisturizing layer 42 that protects 41 from drying may be provided. Since the moisturizing layer 42 is provided, the cathode electrode 3 and the soil or mud 5 can be moisturized, so that the long-term stability of the microbial fuel cell 41 can be ensured.

保湿層42は、微生物燃料の水分を保存できるものであればよく、たとえば、カソード電極上にプラスチックやポリマーなどを保湿層42として蓋をするようにすればよい。その場合、外気と遮断されていてもよいが、保湿層42として酸素透過性のフィルムなどを用いることで、カソード電極3および土または泥5を乾燥から守り、かつカソード電極3で発電時に消費される酸素を供給できるという利点がある。また、水分や酸素を放出する材料、好ましくは保湿を行いかつカソードで消費する酸素の供給が可能である材料で保湿層42を形成してもよく、このような材料として植物などを好適に用いることができる。植物を用いる場合、微生物燃料電池内の土や泥に含まれる養分を活用し、植物の生育を行うことも可能である。   The moisturizing layer 42 only needs to be able to store the moisture of the microbial fuel. For example, a plastic or polymer may be covered as a moisturizing layer 42 on the cathode electrode. In that case, it may be blocked from the outside air, but by using an oxygen-permeable film or the like as the moisture retaining layer 42, the cathode electrode 3 and the soil or mud 5 are protected from drying, and are consumed by the cathode electrode 3 during power generation. There is an advantage that oxygen can be supplied. Further, the moisture retention layer 42 may be formed of a material that releases moisture and oxygen, preferably a material that can retain moisture and supply oxygen consumed by the cathode, and plants and the like are preferably used as such a material. be able to. When using a plant, it is possible to grow the plant by utilizing nutrients contained in soil and mud in the microbial fuel cell.

<実施の形態6>
図6は、本発明の実施の形態6の微生物燃料電池51を模式的に示す図である。図6において、図1、2、3、4、5に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図6に示す例の微生物燃料電池51は、筐体52が底面に、微生物燃料電池51の微生物、養分などを外部から交換可能な穴(貫通孔)53を有する。このように本発明の微生物燃料電池は、微生物およびその養分の少なくともいずれかを交換可能な穴をその下部に1つ以上有する筐体をさらに備えていてもよい。このような穴を有する筐体を用いることで、筺体52内に収められている土または泥5中の電流発生菌7およびその養分が減少した場合でも、外部より供給可能なため、微生物燃料電池51の長期安定性を確保することができる。また、たとえば、農場の土に埋め込むことで長期的に発電を行ない、土地の有効活用を行うことも可能である。
<Embodiment 6>
FIG. 6 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 51 according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 6, parts having the same configurations as those shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, and 5 are designated by the same reference numerals and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 51 of the example shown in FIG. 6 has a hole (through hole) 53 in which the case 52 can exchange the microorganisms, nutrients, and the like of the microbial fuel cell 51 from the outside. As described above, the microbial fuel cell of the present invention may further include a housing having one or more holes in the lower part where at least one of microorganisms and nutrients thereof can be exchanged. By using the casing having such a hole, even when the current generating bacteria 7 and the nutrients in the soil or mud 5 contained in the housing 52 are reduced, the microbial fuel cell can be supplied from the outside. The long-term stability of 51 can be ensured. In addition, for example, it is possible to generate power in the long term by embedding it in the soil of a farm, and to effectively use the land.

<実施の形態7>
図7は、本発明の実施の形態7の微生物燃料電池61を模式的に示す図である。図7において、図1、2、3、4、5、6に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図7に示す例の微生物燃料電池61は、アノード電極62、カソード電極63、酸素透過制限層64のそれぞれが分離可能かつ交換可能となっていること以外は、図1に示した微生物燃料電池1と同様である。このように、本発明の微生物燃料電池の各部位は、各部位で交換可能に設計されていてもよく、その場合、たとえばカソード電極63のみが劣化した場合、カソード電極63のみを交換すればよいなど、一部の部位のみを交換することで、微生物燃料電池の機能を回復・向上させることが可能であり、メンテナンス性に優れる微生物燃料電池を提供することができる。
<Embodiment 7>
FIG. 7 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 61 according to Embodiment 7 of the present invention. 7, parts having the same configuration as the example shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6 are given the same reference numerals and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 61 of the example shown in FIG. 7 is the microbial fuel cell 1 shown in FIG. 1 except that each of the anode electrode 62, the cathode electrode 63, and the oxygen permeation limiting layer 64 is separable and replaceable. It is the same. Thus, each part of the microbial fuel cell of the present invention may be designed to be replaceable at each part. In this case, for example, when only the cathode electrode 63 is deteriorated, only the cathode electrode 63 may be replaced. By exchanging only a part of the parts, the function of the microbial fuel cell can be recovered and improved, and a microbial fuel cell excellent in maintainability can be provided.

<実施の形態8>
図8は、本発明の実施の形態8の微生物燃料電池71を模式的に示す図である。図8において、図1、2、3、4、5、6、7に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図8に示す例の微生物燃料電池71は、酸素透過制限層として、酸素消費層72をアノード電極2とカソード電極3との間に設けたこと以外は図1に示した例の微生物燃料電池1と同様である。酸素消費層72で酸素を消費するようにすることでも、酸素透過制限層として機能し、カソード電極3側から侵入する酸素がアノード電極2に到達することを防ぐことができる。このような酸素消費層72には、たとえば酸素の還元を行う触媒(たとえば、グルコースオキシダーゼなど)を含ませてもよいし、酸素の吸収を行う材料(たとえば鉄化合物)などを含ませてもよい。
<Eighth embodiment>
FIG. 8 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 71 according to Embodiment 8 of the present invention. 8, parts having the same configurations as those shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 71 of the example shown in FIG. 8 has the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. 1 except that an oxygen consumption layer 72 is provided between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 as an oxygen permeation limiting layer. It is the same. By consuming oxygen in the oxygen consuming layer 72, it also functions as an oxygen permeation limiting layer and can prevent oxygen entering from the cathode electrode 3 side from reaching the anode electrode 2 . The oxygen consumption layer 72 such as this, for example, a catalyst for performing the reduction of oxygen (e.g., glucose oxidase, etc.) may be included, the material being the absorption of oxygen (e.g. iron compound) be included, such as Good.

<実施の形態9>
図9は、本発明の実施の形態9の微生物燃料電池81を模式的に示す図である。図9において、図1、2、3、4、5、6、7、8に示した例と同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。図9に示す例の微生物燃料電池81は、土または泥5aの底面方向に順に、酸素透過制限層4’、土または泥5d、カソード電極3’を設け、さらに筺体6の底面の少なくとも1か所以上に穴53を設けたこと以外は図1に示した例の微生物燃料電池1と同様である。このような形態とすることで、カソード電極の面積を増やすことができるため、発電能力に優れる微生物燃料電池を提供することができる。
<Embodiment 9>
FIG. 9 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 81 according to Embodiment 9 of the present invention. 9, parts having the same configurations as those in the examples shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The microbial fuel cell 81 in the example shown in FIG. 9 is provided with an oxygen permeation limiting layer 4 ′, soil or mud 5 d, a cathode electrode 3 ′ in order in the direction of the bottom surface of the soil or mud 5 a, and at least one of the bottom surfaces of the housing 6. Except that the holes 53 are provided more than the above, it is the same as the microbial fuel cell 1 of the example shown in FIG. By setting it as such a form, since the area of a cathode electrode can be increased, the microbial fuel cell excellent in power generation capability can be provided.

以下に実施例により詳細に説明するが、本発明は実施例により何等限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.

<実施例1>
アノード電極2およびカソード電極3として直径90mmの円形のカーボンフェルト(5mm厚)(Alfa Aesar製)を用い、リード線8,9としてステンレス線を用い、アノード電極2およびカソード電極3として用いたカーボンフェルトに編み込むことで電気的に接続した。筐体6には直径92mmの円筒型のプラスチック容器を用いた。酸素透過制限層13として直径90mmの寒天(たとえば、パイオニア企画社製)を使用し、筐体の上下方向に関して、アノード電極2とカソード電極3の間に配置した。土または泥5としては、市販されている腐葉土を用いた。このようにして、図1に示した構成の微生物燃料電池を作製した。
<Example 1>
A circular carbon felt (5 mm thickness) (made by Alfa Aesar) having a diameter of 90 mm is used as the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, a stainless steel wire is used as the lead wires 8 and 9, and a carbon felt used as the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 We were electrically connected by weaving into. The casing 6 was a cylindrical plastic container having a diameter of 92 mm. Agar with a diameter of 90 mm (for example, manufactured by Pioneer Planning Co., Ltd.) was used as the oxygen permeation limiting layer 13 and was arranged between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 in the vertical direction of the housing. As soil or mud 5, commercially available humus was used. Thus, a microbial fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced.

<比較例1>
酸素透過制限層を用いなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の微生物燃料電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A microbial fuel cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxygen permeation limiting layer was not used.

実施例1、比較例1でそれぞれ作製した微生物燃料電池を用いて、室温(25℃)条件下において、アノード電極2、カソード電極3の端子間に可変抵抗を挿入し、出力電力を比較した。図10は、酸素透過防止層を設けた微生物燃料電池(実施例1)と、酸素透過制限層を設けない微生物燃料電池(比較例1)の出力電力の電極間距離変化を示したグラフであり、縦軸は起電力(mW)、横軸は電極間距離(mm)である。図10に示すように、実施例1、比較例1の各微生物燃料電池について、土または泥(5b,5c)の厚みを調整することで電極間距離を変えたところ、10mmの酸素透過制限層4を含む微生物燃料電池1では、同じ電極間距離でも高い性能が得られた。また図11は、実施例1の微生物燃料電池において、酸素透過制限層4の厚みを変化させたときの出力電力をプロットしたグラフであり、縦軸は起電力(mW)、横軸は酸素透過制限層の厚み(mm)である。以上の結果から、酸素透過制限層を用いることで、性能が向上され、かつ薄型化も可能である微生物燃料電池を実現できることが分かる。   Using the microbial fuel cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, variable resistance was inserted between the terminals of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 under room temperature (25 ° C.) conditions, and the output power was compared. FIG. 10 is a graph showing a change in the distance between electrodes of output power of a microbial fuel cell (Example 1) provided with an oxygen permeation preventive layer and a microbial fuel cell (Comparative Example 1) not provided with an oxygen permeation limiting layer. The vertical axis represents electromotive force (mW), and the horizontal axis represents the distance between electrodes (mm). As shown in FIG. 10, for each microbial fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1, the distance between the electrodes was changed by adjusting the thickness of soil or mud (5b, 5c). In the microbial fuel cell 1 including 4, high performance was obtained even at the same interelectrode distance. FIG. 11 is a graph plotting output power when the thickness of the oxygen permeation restricting layer 4 is changed in the microbial fuel cell of Example 1. The vertical axis represents electromotive force (mW), and the horizontal axis represents oxygen permeation. This is the thickness (mm) of the limiting layer. From the above results, it can be seen that by using the oxygen permeation limiting layer, it is possible to realize a microbial fuel cell with improved performance and reduced thickness.

1 微生物燃料電池、2 アノード電極、3,3’ カソード電極、4,4’ 酸素透過制限層、5,5a,5b,5c,5d 土または泥、6 筐体、7 嫌気性の電流発生菌、8,9 リード線、11 微生物燃料電池、12 アノード電極、13 酸素透過制限層、21 微生物燃料電池、22 カソード電極、23 酸素透過制限層、31 微生物燃料電池、32 アノード電極、33 酸素透過制限層、34 カソード電極、41 微生物燃料電池、42 保湿層、51 微生物燃料電池、52 筐体、53 穴、61 微生物燃料電池、62 アノード電極、63 カソード電極、64 酸素透過制限層、71 微生物燃料電池、72 酸素消費層、81 微生物燃料電池。   1 microbial fuel cell, 2 anode electrode, 3, 3 ′ cathode electrode, 4, 4 ′ oxygen permeation limiting layer, 5, 5a, 5b, 5c, 5d soil or mud, 6 housing, 7 anaerobic current-generating bacteria, 8,9 Lead wire, 11 Microbial fuel cell, 12 Anode electrode, 13 Oxygen permeation limiting layer, 21 Microbial fuel cell, 22 Cathode electrode, 23 Oxygen permeation limiting layer, 31 Microbial fuel cell, 32 Anode electrode, 33 Oxygen permeation limiting layer 34 Cathode electrode, 41 Microbial fuel cell, 42 Moisturizing layer, 51 Microbial fuel cell, 52 Housing, 53 holes, 61 Microbial fuel cell, 62 Anode electrode, 63 Cathode electrode, 64 Oxygen permeation limiting layer, 71 Microbial fuel cell, 72 oxygen consumption layer, 81 microbial fuel cell.

Claims (4)

土もしくは泥から供給される電流発生菌を触媒として用い、かつ土もしくは泥から供給される有機物燃料の酸化を行うアノード電極と、空気中および水中から供給される酸素の還元を行うカソード電極とを備える微生物燃料電池であって、
対向するアノード電極とカソード電極との間に、酸素透過制限層のみ、または、酸素透過制限層と土もしくは泥のみが配置されており、
前記酸素透過制限層がハイドロゲルで形成され、カソード電極側からアノード電極側の酸素の拡散を制限し、かつ、アノード電極からカソード電極へのイオンの移動を可能とする機能を有する、微生物燃料電池。
An anode electrode that oxidizes organic fuel supplied from soil or mud, and a cathode electrode that reduces oxygen supplied from air or water, using a current-generating fungus supplied from soil or mud as a catalyst. A microbial fuel cell comprising:
Between the anode electrode and the cathode electrode facing each other, only the oxygen permeation limiting layer, or only the oxygen permeation limiting layer and soil or mud are arranged,
The microbial fuel cell, wherein the oxygen permeation restricting layer is formed of hydrogel, has a function of restricting diffusion of oxygen from the cathode electrode side to the anode electrode side, and enabling movement of ions from the anode electrode to the cathode electrode .
前記ハイドロゲルが高分子の糖鎖で形成されたものであることを特徴とする、請求項に記載の微生物燃料電池。 The microbial fuel cell according to claim 1 , wherein the hydrogel is formed of a polymer sugar chain. 前記カソード電極上に保湿層が設けられている、請求項1または2に記載の微生物燃料電池。 The moisturizing layer on the cathode electrode is provided, microbial fuel cell according to claim 1 or 2. 前記酸素透過制限層のアノード電極側に微生物およびその養分の少なくともいずれかを交換可能な穴を1つ以上有する筐体をさらに備える、請求項1〜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 a housing having one or more holes in which at least one of microorganisms and nutrients thereof can be exchanged on an anode electrode side of the oxygen permeation restriction layer. .
JP2014180301A 2014-09-03 2014-09-04 Microbial fuel cell Expired - Fee Related JP6351448B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014180301A JP6351448B2 (en) 2014-09-04 2014-09-04 Microbial fuel cell
PCT/JP2015/069486 WO2016035440A1 (en) 2014-09-03 2015-07-07 Microbial fuel cell
US15/122,425 US10347931B2 (en) 2014-09-03 2015-07-07 Microbial fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014180301A JP6351448B2 (en) 2014-09-04 2014-09-04 Microbial fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016054106A JP2016054106A (en) 2016-04-14
JP6351448B2 true JP6351448B2 (en) 2018-07-04

Family

ID=55744372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014180301A Expired - Fee Related JP6351448B2 (en) 2014-09-03 2014-09-04 Microbial fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6351448B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023165357A (en) * 2022-05-02 2023-11-15 国立大学法人東京農工大学 microbial fuel cell

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5298589B2 (en) * 2008-03-25 2013-09-25 栗田工業株式会社 Microbial power generator
WO2012066806A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 独立行政法人科学技術振興機構 Electrode for microbial fuel cells and microbial fuel cell using same
JP5828455B2 (en) * 2011-09-27 2015-12-09 国立大学法人広島大学 Microbial fuel cell and microbial power generation method
CN103931037B (en) * 2011-11-16 2017-04-12 国立大学法人丰桥技术科学大学 Microbial power generation device, electrode for microbial power generation device, and method for producing same
JP2013239292A (en) * 2012-05-14 2013-11-28 Hitachi Ltd Microbial fuel battery anode, microbial fuel battery, method for manufacturing microbial fuel battery anode

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016054106A (en) 2016-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10978713B2 (en) Cathodes for microbial electrolysis cells and microbial fuel cells
Santoro et al. High catalytic activity and pollutants resistivity using Fe-AAPyr cathode catalyst for microbial fuel cell application
Pant et al. Evaluation of bioelectrogenic potential of four industrial effluents as substrate for low cost Microbial Fuel Cells operation.
Abrevaya et al. Archaea-based microbial fuel cell operating at high ionic strength conditions
Liu et al. Effect of temperature on the catalytic ability of electrochemically active biofilm as anode catalyst in microbial fuel cells
Roche et al. A microbial fuel cell using manganese oxide oxygen reduction catalysts
Pandit et al. Basic principles of microbial fuel cell: technical challenges and economic feasibility
Das et al. Polymer electrolyte membranes for microbial fuel cells: a review
Scott et al. Power from marine sediment fuel cells: the influence of anode material
Rossi et al. High performance flow through microbial fuel cells with anion exchange membrane
US20160351937A1 (en) Microbial fuel cell, microbial fuel cell system, and method for using microbial fuel cell
US10347931B2 (en) Microbial fuel cell
WO2006022224A1 (en) Fuel cell, fuel cell use method, fuel cell cathode electrode, electronic device, electrode reaction use device, and electrode reaction use device electrode
JP6184256B2 (en) Cathode for microbial fuel cell, method for producing the same, and microbial fuel cell
Ozkaya et al. Bioelectricity production using a new electrode in a microbial fuel cell
Mahadevan et al. Biochemical and electrochemical perspectives of the anode of a microbial fuel cell
JP2016122615A (en) Microbial fuel cell
WO2011025021A1 (en) Electrode for microbial fuel cell, and microbial fuel cell using same
Li et al. Solid neutral red/Nafion conductive layer on carbon felt electrode enhances acetate production from CO2 and energy efficiency in microbial electrosynthesis system
Haoran et al. Hydrothermal synthesis of nanostructured manganese oxide as cathodic catalyst in a microbial fuel cell fed with leachate
US10164282B2 (en) Microbial fuel cells and methods for generating an electric current
Dinh et al. Lactate and acetate applied in dual‐chamber microbial fuel cells with domestic wastewater
JP6351448B2 (en) Microbial fuel cell
Chen et al. Substrate crossover effect and performance regeneration of the biofouled rotating air-cathode in microbial fuel cell
US20210280888A1 (en) Microbial fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170323

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171212

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180515

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180605

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6351448

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees