JP6989923B2 - 生物電気化学システム用電極、生物電気化学システムおよび生物電気化学システム用電極の製造方法 - Google Patents
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Description
[1]生物電気化学システムにおいてアノードとして使用される電極であって、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含む、生物電気化学システム用電極。
[2]体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm2/cm3以上1542mm2/cm3以下である、[1]に記載の生物電気化学システム用電極。
[3]固体占有率が6.1%以上19.3%以下である、[1]または[2]に記載の生物電気化学システム用電極。
[4]前記格子は、格子を構成する枠の線径が0.5mm以下の格子である、[1]~[3]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[5]前記導電性造形物は、前記格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の単一形状の格子が、最表面から内部にかけて連続して形成されてなる、[1]~[4]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[6]前記導電性造形物は、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が連続的または非連続的に小さくなっていくように、格子間隔が異なる複数種の格子が組み合わされて形成されてなり、前記複数種の格子の少なくとも一部は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子である、[1]~[4]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[7]前記導電性造形物は、最表面から内部にかけて、培地導入器具を挿入できる挿入孔を有する、[1]~[6]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[8]前記導電性造形物は、前記導電性造形物を回転させる回転駆動部を有する、[1]~[7]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[9]前記導電性造形物は、金属または金属酸化物を材料とする造形物である、[1]~[8]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[10]前記導電性造形物は、表面が酸化処理されている、[9]に記載の生物電気化学システム用電極。
[11]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、前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と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]~[10]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極である、生物電気化学システム。
[12]前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、[11]に記載の生物電気化学システム。
[13]前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、[11]に記載の生物電気化学システム。
[14]導電性物質の微粒子を含む粉末材料の供給および前記供給された粉末材料へのレーザーまたは電子ビームの照射を含む粉末溶融工程を複数回行って、前記立体格子状の導電性造形物を一体的に造形する工程を有する、[1]~[10]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
[15]導電性造形物を造形する工程の後に、空気中または酸素存在下において前記造形された導電性造形物を火に接触させること、または200℃以上で熱処理することで前記導電性造形物を加熱する工程を有する、[14]に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
実施の形態1では、本発明に係る生物電気化学システムの例として、微生物電解セルについて説明する。
図1は、実施の形態1に係る微生物電解セル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、微生物電解セル100は、容器110、液体120、アノード(負極、作用極)130、カソード(正極、対極)140、参照電極150、ポテンショスタット160、水素回収部170および水素貯蔵部180を有する。アノード130、カソード140および参照電極150は、ポテンショスタット160に電気的に接続されている。液体120は、有機物および電子供与微生物122を含む。
次に、本実施の形態に係る微生物電解セル100の動作について説明する。
以上のように、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含むアノード130を用いるため、従来の微生物電解セルよりも出力(電流の生産量)の点で優れている(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電解セル100は、有機廃液から水素ガス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。
アノード130を構成する立体格子状の導電性造形物は、最表面から内部にかけて、チューブおよびピペットなどの培地導入器具を挿入できる挿入孔を有してもよい。上記挿入孔は、培地導入器具を挿入して燃料となる有機物および電子供与微生物122をアノード130の内部に導入させるために用いることができる。上記挿入孔の大きさは特に限定されないものの、直径5mm程度であればよい。
実施の形態2では、本発明に係る生物電気化学システムの例として、微生物燃料電池について説明する。
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210、液体220、アノード(負極)230、膜電極接合体240を有する。液体220は、有機物および電子供与微生物222を含む。膜電極接合体240は、隔膜242およびカソード(正極)244を含む。また、アノード230およびカソード244は、外部回路を構成する導線により電気的に接続されている。
次に、本実施の形態に係る微生物燃料電池200の動作について説明する。
以上のように、本実施の形態に係る微生物燃料電池200は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含むアノード230を用いるため、従来の微生物燃料電池よりも出力(アノードの単位面積当たりの電力密度)の点で優れている(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200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。
1.アノードの作製
粉末床溶融結合法による造形装置を用い、4種類のアノードを作製した。これらのアノードは、線径が0.5mmの枠によって正方形格子状に形成された複数の平面格子が、平面間がなす角度がいずれも60°となるように交わった形状の、図2に示す八面体の格子形状を有する導電性造形物である。いずれもステンレス鋼の粉末を材料として使用し、粉末の供給および供給された粉末へのレーザーの照射によるステンレス鋼の焼結を繰り返して、ステンレス鋼を規則的形状に成形してなる立体格子状の導電性造形物を造形した。導電性造形物の大きさは、いずれも30mm×30mm×25mmである。平面格子を構成する格子点間の間隔(格子間隔)を1.5mm、3.0mm、4.5mmおよび6.0mmとして4種類の導電性造形物を造形した。
容器として、容量125mLのアクリル樹脂製の立方体形状の容器(内寸5cm×5cm×5cm)を準備した。以下の表に示される組成の培地と、電子供与微生物の供給源としての活性汚泥とを5:1の割合で混合して、人工排水を調整した。得られた人工排水125mLを、容器に導入した。活性汚泥に含まれている細菌群を種菌として容器中の人工排水に接種した。
人工排水を30℃で撹拌しながら、アノードの電極電位が銀-塩化銀電極(参照電極)の電位に対して-0.2Vとなるようにアノードおよびカソードに電圧を印加して、作製した微生物電解セルを稼働させた。3日または4日毎に培地を交換した。培地を最初に交換するときに、毎回、カソードおよび参照電極を洗浄した。また、培養開始から10日間程度で電流生産の値は安定した。培養開始から2週間後にアノードとカソードとの間に流れる電流を測定した。
実施例1において、最表面から内部に移行するにつれて格子間隔が6.0mm→4.5mm→3.0mm→1.5mmとなるように非連続的に小さくなるように、八面体の格子形状を有する複数種の格子が組み合わされて形成された導電性造形物を形成した。これを熱処理して、酸化処理を行ったところ、酸化処理後の導電性造形物は、表面および内部が黒色化しており、酸化鉄が形成されたことが確認された。この酸化処理後の上記導電性造形物をアノード(O-I)とした。
実施例1におけるアノード(O-3.0)およびアノード(H-3.0)の上部から中心部にかけて、5.0mm径の挿入孔を形成した。上記挿入孔にチューブを挿入し、上記培地をチューブから電極内部に導入した後に、実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量はいずれも10%程度上昇した。
実施例1におけるアノード(O-3.0)およびアノード(H-3.0)の側面に、1mm径・長さ8cmのステンレス製の棒を取り付けた。上記棒のうち、アノードの外延部から延出してアノードとは接しない位置にモーターを取り付け、回転速度が6rpm以上60rpm以下となるようにアノードを回転させながら、実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量はいずれも10%程度上昇した。
110、210 容器
120、220 液体
122、222 電子供与微生物
130、230 アノード
130a 領域
132a、132b、132c 平面格子
140、244 カソード
150 参照電極
160 ポテンショスタット
170 水素回収部
172 水素ガス
180 水素貯蔵部
200 微生物燃料電池
240 膜電極接合体
242 隔膜
Claims (15)
- 生物電気化学システムにおいてアノードとして使用される電極であって、
格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含む、
生物電気化学システム用電極。 - 体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm2/cm3以上1542mm2/cm3以下である、請求項1に記載の生物電気化学システム用電極。
- 固体占有率が6.1%以上19.3%以下である、請求項1または2に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記格子は、格子を構成する枠の線径が0.5mm以下の格子である、請求項1~3のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記導電性造形物は、前記格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の単一形状の格子が、最表面から内部にかけて連続して形成されてなる、請求項1~4のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記導電性造形物は、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が連続的または非連続的に小さくなっていくように、格子間隔が異なる複数種の格子が組み合わされて形成されてなり、
前記複数種の格子の少なくとも一種は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子である、
請求項1~4のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。 - 前記導電性造形物は、最表面から内部にかけて、培地導入器具を挿入できる挿入孔を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記導電性造形物は、前記導電性造形物を回転させる回転駆動部を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記導電性造形物は、金属または金属酸化物を材料とする造形物である、請求項1~8のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
- 前記導電性造形物は、表面が酸化処理されている、請求項9に記載の生物電気化学システム用電極。
- 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、
前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と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、請求項1~10のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極である、
生物電気化学システム。 - 前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、請求項11に記載の生物電気化学システム。
- 前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、
前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、
請求項11に記載の生物電気化学システム。 - 導電性物質の微粒子を含む粉末材料の供給および前記供給された粉末材料へのレーザーまたは電子ビームの照射を含む粉末溶融工程を複数回行って、前記立体格子状の導電性造形物を一体的に造形する工程を有する、
請求項1~10のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。 - 導電性造形物を造形する工程の後に、空気中または酸素存在下において前記造形された導電性造形物を火に接触させること、または200℃以上で熱処理することで前記導電性造形物を加熱する工程を有する、請求項14に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012507828A (ja) | 2008-10-30 | 2012-03-29 | エメフシー リミテッド | バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルにおいて使用するための電極、ならびにそのような電極を用いたバクテリア燃料電池およびバクテリア電解セル |
JP2015082396A (ja) | 2013-10-22 | 2015-04-27 | 旭化成株式会社 | 微生物燃料電池用電極 |
JP2016157532A (ja) | 2015-02-23 | 2016-09-01 | 積水化学工業株式会社 | 微生物燃料電池用電極積層体及び微生物燃料電池 |
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WO2018020807A1 (ja) | 2016-07-26 | 2018-02-01 | パナソニック株式会社 | 微生物燃料電池 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS572363B2 (ja) * | 1973-10-22 | 1982-01-16 | ||
EP2770565A1 (en) | 2013-02-26 | 2014-08-27 | Vito NV | Method of manufacturing gas diffusion electrodes |
-
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012507828A (ja) | 2008-10-30 | 2012-03-29 | エメフシー リミテッド | バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルにおいて使用するための電極、ならびにそのような電極を用いたバクテリア燃料電池およびバクテリア電解セル |
JP2015082396A (ja) | 2013-10-22 | 2015-04-27 | 旭化成株式会社 | 微生物燃料電池用電極 |
JP2016516260A5 (ja) | 2014-02-26 | 2016-09-29 | ||
JP2016157532A (ja) | 2015-02-23 | 2016-09-01 | 積水化学工業株式会社 | 微生物燃料電池用電極積層体及び微生物燃料電池 |
WO2018020807A1 (ja) | 2016-07-26 | 2018-02-01 | パナソニック株式会社 | 微生物燃料電池 |
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