JP6429632B2

JP6429632B2 - 微生物燃料電池用電極の製造方法

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Publication number: JP6429632B2
Application number: JP2015000325A
Authority: JP
Inventors: 横山　浩; 浩横山; 恭広山下; 三佳石田; 理紀森岡
Original assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-01-05
Also published as: JP2016126929A

Description

本発明は、微生物燃料電池用電極およびその製造方法、ならびに前記微生物燃料電池用電極をアノードとして有する微生物燃料電池に関する。

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。同様に、都市部における下水の処理も、多大なコストおよび労力を要する。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や都市部における下水の浄化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。

微生物燃料電池は、容器と、容器内に収容された電子供与微生物を含む電解質溶液と、電解質溶液に接触するように配置されたアノードおよびカソードと、を有する。一部の電子供与微生物は、アノード上に付着している。アノードとしては、通常、グラファイトやカーボンクロス、カーボンフェルトなどの炭素電極が使用される（例えば、非特許文献１参照）。一般的に、金属電極は、電子供与微生物が付着しにくいため、アノードとして使用されていない。

K. P. Nevin, et al., "Power output and columbic efficiencies from biofilms of Geobacter sulfurreducens comparable to mixed community microbial fuel cells", Environmental Microbiology, Vol. 10, pp. 2505-2514.

従来の微生物燃料電池には、出力電流密度が低いという問題があり、実用化のためには出力電流密度の向上が必要である。一般的に、微生物燃料電池における出力電流密度は、微生物からアノードへの電荷移動効率に依存する。

一方で、前述のとおり、従来の微生物燃料電池では、金属電極は、電子供与微生物が付着しにくいため、アノードとして使用されていない。このため、微生物燃料電池における金属製のアノードについてはほとんど研究されておらず、金属製のアノードに改善の余地があると期待される。また、市販の電極用炭素素材は、非常に高価であるため、低コスト化の観点からも、金属製のアノードを使用することは有用であると期待される。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、金属製のアノードを有していながらも出力電流密度が高い微生物燃料電池、ならびに前記微生物燃料電池において金属製のアノードとして使用されうる微生物燃料電池用電極およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、金属電極をアノードとして使用する場合であっても金属電極を加熱処理することで微生物燃料電池の出力電流密度を向上させうることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の微生物燃料電池用電極および微生物燃料電池に関する。

［１］微生物燃料電池においてアノードとして使用される電極であって、最高到達温度が２００℃以上となるように加熱処理をされた金属を含む、微生物燃料電池用電極。
［２］前記金属は、ステンレス鋼であり、前記加熱処理は、最高到達温度が４００〜１６００℃の範囲内であって、かつ前記金属が完全に溶融しないように行われる、［１］に記載の微生物燃料電池用電極。
［３］前記金属は、タングステンであり、前記加熱処理は、最高到達温度が４００〜３５００℃の範囲内であって、かつ前記金属が完全に溶融しないように行われる、［１］に記載の微生物燃料電池用電極。
［４］前記加熱処理は、空気中または酸素存在下において前記金属を火に接触させることで行われる、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池用電極。
［５］液体を収容するための収容部と、前記収容部内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む電解質溶液と、前記電解質溶液に接触するように配置されたアノードと、前記電解質溶液に接触するか、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで隣接するように配置されたカソードと、を有し、前記アノードは、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池用電極である、微生物燃料電池。

また、本発明は、以下の微生物燃料電池用電極の製造方法に関する。

［６］微生物燃料電池においてアノードとして使用される電極の製造方法であって、金属を２００℃以上に加熱する工程を含む、微生物燃料電池用電極の製造方法。
［７］前記金属は、ステンレス鋼であり、前記金属を加熱する工程では、最高到達温度が４００〜１６００℃の範囲内であって、かつ前記金属が完全に溶融しないように前記金属を加熱する、［６］に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。
［８］前記金属は、タングステンであり、前記金属を加熱する工程では、最高到達温度が４００〜３５００℃の範囲内であって、かつ前記金属が完全に溶融しないように前記金属を加熱する、［６］に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。
［９］前記金属を加熱する工程では、空気中または酸素存在下において前記金属を火に接触させる、［６］〜［８］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。

本発明によれば、金属電極をアノードとして使用していながらも出力電流密度に優れる微生物燃料電池を提供することができる。また、本発明に係る微生物燃料電池は、金属電極を使用するため、安価に製造されうる。

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。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。実施の形態３に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。微生物燃料電池における電流および出力の関係を示すグラフである。

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。

［実施の形態１］
実施の形態１では、２槽方式の微生物燃料電池について説明する。

図１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１に示されるように、微生物燃料電池１００は、容器１１０、電解質溶液１２０、電子供与微生物１３０、隔膜１４０、アノード１５０およびカソード１６０を有する。本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、容器１１０は、カチオン透過性の隔膜１４０によりアノード槽１１２とカソード槽１１４とに分けられている。

容器１１０は、微生物燃料電池１００の本体部を構成し、電解質溶液１２０を収容する。前述のとおり、容器１１０は、アノード槽１１２およびカソード槽１１４を含む。アノード槽１１２およびカソード槽１１４は、カチオン透過性の隔膜１４０を挟んで互いに隣接して配置されている。また、カソード槽１１４は、酸素を含む空気を電解質溶液１２０に供給できるように構成されている。

電解質溶液１２０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、ＮａＨ_２ＰＯ_４／Ｎａ_２ＨＰＯ_４やＫＨ_２ＰＯ_４／Ｋ_２ＨＰＯ_４、ＮａＣＯ_３／ＮａＨＣＯ_３、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮＨ_４Ｃｌなどが含まれる。

アノード槽１１２に収容される電解質溶液１２０には、電子供与微生物１３０、および燃料となる有機物も添加される。また、アノード槽１１２に収容される電解質溶液１２０には、さらに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添加してもよい。一方、カソード槽１１４に収容される電解質溶液１２０には、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添加される。

電子供与微生物１３０は、液体に含まれる有機物を代謝により分解する。電解質溶液１２０中の電子供与微生物１３０のうち、少なくとも一部の電子供与微生物１３０は、アノード１５０に担持されている。電子供与微生物１３０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１３０を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物１３０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。

燃料となる有機物の種類は、電子供与微生物１３０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、アノード槽１１２における電子供与微生物１３０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。

隔膜１４０は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、アノード槽１１２とカソード槽１１４との間に配置されている。隔膜１４０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１４０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。

アノード１５０は、少なくともその一部がアノード槽１１２内の電解質溶液１２０に接触するように配置される。たとえば、アノード１５０は、電解質溶液１２０に浸漬されていてもよいし、アノード槽１１２の内壁の一部を構成するように配置されていてもよい。本実施の形態では、アノード１５０は、アノード槽１１２の内壁の一部を構成するように配置されている。このとき、アノード１５０は、電子供与微生物１３０を高密度で保持する担体としても機能する。アノード１５０の形状は、特に限定されない。たとえば、アノード１５０の形状は、板やメッシュなどの平面形状であってもよいし、ブラシ状や棒状などの立体形状であってもよい。

本実施の形態に係るアノード１５０（微生物燃料電池用電極）は、２００℃以上の加熱処理をされた金属（合金を含む）を含むことを一つの特徴とする。本発明者らは、金属電極をアノード１５０として使用する場合に、金属電極を加熱することで、加熱していない金属電極を使用したときと比較して、微生物燃料電池における出力電流密度を顕著に向上させうることを見出した（実施例参照）。出力電流密度が向上する原理は不明であるが、電子供与微生物１３０からのアノード１５０への電荷の移動が促進されるためと推察される（原理がこれに限定されるものではない）。

アノード１５０の素材となる金属の種類は、導電性を有していれば特に限定されない。また、アノード１５０の素材となる金属の種類は、酸化された状態で電気を通しうるものが好ましい。アノード１５０の素材の例には、ステンレス鋼やタングステン、銅、銀、白金、金、亜鉛、ニッケル、ニオブ、鉄、コバルト、チタン、モリブデンなど、およびこれらの合金が含まれる。また、金属を加熱する方法も、特に限定されない。たとえば、空気中または酸素存在下において金属を火に接触させることにより加熱してもよいし、電気炉において金属を加熱してもよい。金属の加熱温度および加熱時間は、使用する金属の種類や形状、酸素の供給速度などに応じて適宜設定されうる。たとえば、ステンレス鋼メッシュを加熱する場合、金属の最高到達温度が４００〜１６００℃となるように加熱すればよい。また、タングステンメッシュを加熱する場合、金属の最高到達温度が４００〜３５００℃となるように加熱すればよい。このために、加熱処理側の最高加熱処理温度は、４００〜３５００℃程度であることが好ましく、１３００〜１６００℃であることがより好ましい。このとき、金属の最高到達温度および加熱処理温度は、金属が完全に溶融しなければ金属の融点を超える温度であってもよい。また、加熱時間は、使用する加熱機器にもよるが、例えば、１秒〜３０分である。具体的には、金属の表面が十分に変色して、金属表面の一部分または表面全体が斑状に電気抵抗が数Ω／ｃｍ〜数ＭΩ／ｃｍまたはこれ以上に大きくなるまで加熱することが好ましい。たとえば、溶接用のアセチレンガス（燃焼温度：２０００〜３０００℃）でステンレス鋼を加熱する場合、ステンレス鋼の最高到達温度は１４００〜１５００℃程度であり、加熱時間は数秒程度である。また、都市ガス（燃焼温度：１５００〜１９００℃）またはＬＰＧ（燃焼温度：１７００〜１９００℃）でステンレス鋼を加熱処理する場合、ステンレス鋼の最高到達温度は１２００〜１４００℃程度であり、加熱時間は３０秒〜数分程度である。なお、金属の融点よりも高い燃焼温度を発生させるガスで加熱処理をする場合、金属が完全に溶融してしまうのを防ぐために、形状が変形する前に加熱処理を停止することが好ましい。

カソード１６０は、少なくともその一部がカソード槽１１４内の電解質溶液１２０に接触するように配置される。たとえば、カソード１６０は、電解質溶液１２０に浸漬されてもよいし、カソード槽１１４の内壁の一部を構成するように配置されてもよい。本実施の形態では、カソード１６０は、カソード槽１１４の内壁の一部を構成するように配置されている。カソード１６０の素材は、導電性を有していれば特に限定されない。カソード１６０の素材の例には、プラチナや二酸化鉛、コバルト、コバルト化合物、酸化マンガン、金紅石、鉄、鉄化合物、フタロシアニン化合物などが含まれる。カソード１６０の形状も、特に限定されない。たとえば、カソード１６０は、クロスなどの平面形状であってもよいし、ブラシ状や棒状などの立体形状であってもよい。

図１に示されるように、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、アノード槽１１２内において、電子供与微生物１３０により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。酢酸は、燃料として供給された有機物に由来するものである。ここでは酢酸を例として説明しているが、燃料として供給された有機物は、電子供与微生物１３０により低分子糖類に分解される。また、低分子糖類は、電子供与微生物１３０により酢酸に分解される。これらの過程においても、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１４０を透過してアノード槽１１２からカソード槽１１４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１５０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。カソード槽１１４内では、アノード槽１１２から移動してきた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。

アノード槽１１２に有機物を供給し、カソード槽１１４に酸素を供給することで、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。

以上のように、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、アノード１５０として加熱処理をされた金属電極を有している。本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、アノード１５０として金属電極を使用していながら、高い出力電流密度を実現することができる（実施例参照）。たとえば、燃料として有機廃液を使用した場合、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００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。

［実施の形態２］
実施の形態２では、単槽方式（エア・カソード方式）の微生物燃料電池について説明する。

図２は、実施の形態２に係る微生物燃料電池２００の構成を示す断面模式図である。図２に示されるように、微生物燃料電池２００は、容器２１０、電解質溶液１２０、電子供与微生物１３０、隔膜１４０、アノード１５０およびカソード２２０を有する。隔膜１４０およびカソード２２０は、互いに接合されており、膜・電極接合体（ＭＥＡ）２３０を構成する。

実施の形態２に係る微生物燃料電池２００は、容器２１０がアノード槽のみからなる点で、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。

容器２１０は、微生物燃料電池１００の本体部を構成し、電解質溶液１２０を収容する。容器２１０に収容される電解質溶液１２０には、電子供与微生物１３０、および燃料となる有機物も添加される。また、容器２１０に収容される電解質溶液１２０には、さらに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添加してもよい。

膜・電極接合体（ＭＥＡ）２３０は、隔膜１４０およびガス透過性を有するカソード２２０を含む。隔膜１４０およびカソード２２０は、互いに接合されている。ＭＥＡ２３０は、隔膜１４０が電解質溶液１２０に接触し、カソード２２０が外気に接触するように配置される。カソード２２０は、隔膜１４０を挟んで電解質溶液１２０と隣接するように配置されている。たとえば、ＭＥＡ２３０は、容器２１０の壁面の一部を構成するように配置されていてもよい。カソード２２０の種類は、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２２０の例には、カーボンペーパーやカーボンクロス、白金粒子を担持したカーボンクロスなどが含まれる。

図２に示されるように、本実施の形態に係る微生物燃料電池２００では、容器２１０内において、電子供与微生物１３０により有機物（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１４０を透過してカソード２２０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１５０で回収されて、外部回路を経由してカソード２２０に移動する。また、カソード２２０は通気性を有するため、カソード２２０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２２０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。

実施の形態１に係る微生物燃料電池１００と同様に、容器２１０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。

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と同様の効果を有する。

なお、上記の説明では、隔膜１４０を有する微生物燃料電池２００について説明したが、単槽方式（エア・カソード方式）の微生物燃料電池では、隔膜１４０は必須の構成要件ではない。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、隔膜１４０はあることが好ましい。

［実施の形態３］
実施の形態３では、単槽方式（両極ＭＥＡ方式）の微生物燃料電池について説明する。

図３は、実施の形態３に係る微生物燃料電池３００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３００は、容器２１０、電解質溶液１２０、電子供与微生物１３０、隔膜１４０、アノード３１０およびカソード２２０を有する。アノード３１０、隔膜１４０およびカソード２２０は、接合されており、膜・電極接合体（ＭＥＡ）３２０を構成する。

実施の形態３に係る微生物燃料電池３００は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）３２０がアノード３１０およびカソード２２０の両方を有する点で、実施の形態２に係る微生物燃料電池２００と異なる。そこで、実施の形態１、２に係る微生物燃料電池１００、２００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。

膜・電極接合体（ＭＥＡ）３２０は、液体透過性を有するアノード３１０と、隔膜１４０と、ガス透過性を有するカソード２２０とを含む。アノード３１０は、加熱処理をされた金属を含む。隔膜１４０は、アノード３１０とカソード２２０との間に配置されている。アノード３１０、隔膜１４０およびカソード２２０は、互いに接合されている。ＭＥＡ３２０は、アノード３１０が電解質溶液１２０に接触し、カソード２２０が外気に接触するように配置される。カソード２２０は、アノード３１０および隔膜１４０を挟んで電解質溶液１２０と隣接するように配置されているが、アノード３１０が液体透過性を有することから、カソード２２０は、隔膜１４０を挟んで電解質溶液１２０と隣接するように配置されているともいえる。たとえば、ＭＥＡ３２０は、容器２１０の壁面の一部を構成するように配置されてもよい。前述のとおり、アノード３１０は、加熱処理をされた金属を含み、かつ液体透過性を有する。アノード３１０の例には、加熱処理をされたステンレス鋼メッシュや加熱処理をされたタングステンメッシュなどが含まれる。

図３に示されるように、本実施の形態に係る微生物燃料電池３００では、容器２１０内において、電子供与微生物１３０により有機物（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、アノード３１０および隔膜１４０を透過してカソード２２０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３１０で回収されて、外部回路を経由してカソード２２０に移動する。また、カソード２２０は通気性を有するため、カソード２２０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２２０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。

実施の形態１、２に係る微生物燃料電池１００、２００と同様に、容器２１０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。

本実施の形態に係る微生物燃料電池３００は、実施の形態１、２に係る微生物燃料電池１００、２００と同様の効果を有する。

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。

［実施例１］
本実施例では、実施の形態２に係るエア・カソード方式の微生物燃料電池（図２参照）を作製した。

１．アノードの作製
５ｃｍ×５ｃｍのステンレス鋼メッシュを、空気中において、２〜３分間、最高加熱処理温度が１５００〜１９００℃である都市ガス用コンロを用いて炙ることで、アノード１−１（実施例）を作製した。また、５ｃｍ×５ｃｍのステンレス鋼メッシュを、最高加熱処理温度が４００℃、６００℃、８００℃または１０００℃である電気炉を用いて、３０分間加熱して、さらに４種類のアノード１−２、アノード１−３、アノード１−４、およびアノード１−５を作製した。アノード１−１の最高到達温度は、１２００〜１４００℃程度であり、アノード１−２、アノード１−３、アノード１−４、およびアノード１−５の最高到達温度は、電気炉での設定温度（上記の各加熱処理温度）と同じである。

５ｃｍ×５ｃｍのタングステンメッシュを、空気中において２〜３分間、最高加熱処理温度が１５００〜１９００℃である都市ガス用コンロを用いて炙ることで、アノード２（実施例）を作製した。アノード２の最高到達温度は、１２００〜１４００℃程度である。

また、比較のため、加熱処理をしていない前記ステンレス鋼メッシュをアノード３（比較例）、加熱処理をしていない前記タングステンメッシュをアノード４（比較例）として準備した。

２．カソード（ＭＥＡ）の作製
粒子径３０〜４０ｎｍの導電性カーボン粉末（Vulcan XC-72；CABOT社）２５ｍｇ、プラチナ粉末２５ｍｇ、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）０.５ｍＬを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロス（５ｃｍ×５ｃｍ）の一方の面上に均一に塗布し、空気中でホットプレス機を用いてプレス（１５０℃、１０分間、圧力６０ｋｇｆ／ｃｍ^２）して触媒層を形成した。

得られた積層体の触媒層の上に、前述のイオン伝導性ポリマー溶液を厚さが数μｍとなるように塗布した。さらにその上に、プロトン交換膜（Nafion-117；６.５ｃｍ×６.５ｃｍ）を載せ、前述の条件でプレスして圧着した。最終的なプラチナ触媒の密度は、０.５ｍｇ／ｃｍ^２相当量である。また、プロトン交換膜の変形を防ぐために、プロトン交換膜の他方の面（カソード側ではない面）上に、前述のイオン伝導性ポリマー溶液を塗布されたカーボンクロス（５ｃｍ×５ｃｍ）を載せ、前述の条件でプレスして圧着した。

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。

４．微生物燃料電池の作製
容器として、樹脂製の角筒を準備した。角筒の内部空間の大きさは、５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍである。角筒の１つの側壁には、培地などを導入するための貫通孔（導入口）が形成されている。

角筒の一方の開口部に、アノード用内部パッキン（５ｃｍ×５ｃｍの貫通孔が形成されている）、アノード（アノード１〜４のいずれか）、アノード用外部パッキン（貫通孔が形成されていない）およびアノード側カバーを積層し、取り付けボルトを用いて角筒に固定した。このとき、アノードが角筒の内部空間に露出するようにアノードを配置した。

同様に、角筒の他方の開口部に、ＭＥＡ用内部パッキン（５ｃｍ×５ｃｍの貫通孔が形成されている）、ＭＥＡ、導電用ステンレス鋼金網、ＭＥＡ用外部パッキン（５ｃｍ×５ｃｍの貫通孔が形成されている）およびＭＥＡ側カバー（直径１.５ｃｍの貫通孔が４つ形成されている）を積層し、取り付けボルトを用いて角筒に固定した。このとき、プロトン交換膜が触媒層よりも角筒の内部空間側に位置するようにＭＥＡを配置した。

５．微生物燃料電池の電圧特性の測定
微生物燃料電池の容器に収容する燃料としての培地（表１）と、電子供与微生物としての活性汚泥を同量混合した。得られた混合液を、導入口から容器の内部に導入した。次いで、各微生物燃料電池について、外部抵抗を１０、５１、１００、３６０および１８００Ωとしたときの電流値[ｍＡ]および出力値[Ｗ／ｍ^３]を測定した。

図４は、各微生物燃料電池における電流および出力の関係を示すグラフである。図４において、横軸は電流（ｍＡ）を示し、縦軸は微生物燃料電池の出力（Ｗ／ｍ^３）を示す。また、細い実線は、加熱処理をしていない金属をアノードとして使用した微生物燃料電池についての結果を示し、太い実線は、火により加熱処理をした金属をアノードとして使用した微生物燃料電池についての結果を示し、太い破線は、電気炉により加熱処理をした金属をアノードとして使用した微生物燃料電池についての結果を示す。また、白色の菱形（◇）はアノード１−１（火により加熱処理したステンレス鋼；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、白色の星（☆）はアノード１−２（電気炉により４００℃の加熱処理したステンレス鋼；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、十字（＋）はアノード１−３（電気炉により６００℃の加熱処理したステンレス鋼；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、白色の三角（△）はアノード１−４（電気炉により８００℃の加熱処理したステンレス鋼；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、白色の四角（□）はアノード１−５（電気炉により１０００℃の加熱処理したステンレス鋼；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、黒色の菱形（◆）はアノード３（加熱処理していないステンレス鋼；比較例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、白色の丸（○）はアノード２（火により加熱処理したタングステン；実施例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示し、黒色の丸（●）はアノード４（加熱処理していないタングステン；比較例）を使用した微生物燃料電池についての結果を示す。

このグラフから、アノード３（加熱処理していないステンレス鋼）を使用した場合と比較して、アノード１−１（火により加熱処理したステンレス鋼）を使用した場合には、微生物燃料電池の出力が顕著に増加していることがわかる。また、アノード１−２〜アノード１−５（電気炉により加熱処理したステンレス鋼）を使用した場合にも、アノード３よりも顕著に出力が増加していることがわかる。この結果から、金属を加熱する方法にかかわらず、微生物燃料電池における出力を顕著に向上させうることもわかった。このとき、加熱処理をしたステンレス鋼のうち、火により加熱処理をしたアノード１−１が最も高い出力を示した。

さらに、アノード４（加熱処理していないタングステン）を使用した場合と比較して、アノード２（火により加熱処理したタングステン）を使用した場合にも、微生物燃料電池の出力が顕著に増加していることがわかる。

具体的には、加熱処理していないステンレス鋼をアノードとして使用した微生物燃料電池（最大出力値：約３．０Ｗ／ｍ^３）と比較して、加熱処理をしたステンレス鋼をアノードとして使用した微生物燃料電池（最大出力値：約４．０〜５．５Ｗ／ｍ^３）では、最大出力値が約３０〜８０％向上していた。加熱処理をしていないタングステンをアノードとして使用した微生物燃料電池（最大出力値：約２．５Ｗ／ｍ^３）と比較して、加熱処理をしたタングステンをアノードとして使用した微生物燃料電池（最大出力値：約４．０Ｗ／ｍ^３）では、最大出力値が約６０％向上していた。この結果から、使用した金属の種類にかかわらず、アノードとして使用する金属電極を加熱することによって、微生物燃料電池における出力を顕著に向上させうることがわかった。

本発明に係る微生物燃料電池用電極を有する微生物燃料電池は、例えば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。

１００、２００、３００微生物燃料電池
１１０、２１０容器
１１２アノード槽
１１４カソード槽
１２０電解質溶液
１３０電子供与微生物
１４０隔膜
１５０、３１０アノード
１６０、２２０カソード
２３０、３２０膜・電極接合体（ＭＥＡ）

Claims

微生物燃料電池においてアノードとして使用される、ステンレス鋼メッシュを含む電極の製造方法であって、
前記ステンレス鋼メッシュを、最高到達温度が１２００〜１４００℃の範囲内であって、かつ前記ステンレス鋼メッシュが完全に溶融しないように加熱する工程（ただし、前記ステンレス鋼メッシュの表面にカーボンナノ構造が形成される場合を除く）を含む、
微生物燃料電池用電極の製造方法。
前記ステンレス鋼メッシュを加熱する工程では、都市ガスを燃焼する時に生じる火を前記ステンレス鋼メッシュに接触させることで前記ステンレス鋼メッシュを加熱する、請求項１に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。
微生物燃料電池においてアノードとして使用される、タングステンを含む電極の製造方法であって、
前記タングステンを、最高到達温度が４００〜３５００℃の範囲内であって、かつ前記タングステンが完全に溶融しないように加熱する工程を含む、
微生物燃料電池用電極の製造方法。