JP6351448B2 - Microbial fuel cell - Google Patents
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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(H2)と酸素(O2)とを結合して水(H2O)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な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.
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.
<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
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
(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
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
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
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
(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
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
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
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
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(O2)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
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
<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。
<
FIG. 2 is a diagram schematically showing a
<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。
<
FIG. 3 is a diagram schematically showing a
<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。
<
FIG. 4 is a diagram schematically showing a
<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。
<
FIG. 5 is a diagram schematically showing a
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
<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。
<
FIG. 6 is a diagram schematically showing a microbial fuel cell 51 according to
<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。
<
FIG. 7 is a diagram schematically showing a
<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
<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。
<
FIG. 9 is a diagram schematically showing a
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
<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
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)
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 .
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