JP7048077B2 - Power generation equipment and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、発電装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power generation device and a method for manufacturing the same.
従来、微生物の代謝反応を利用して有機物である燃料を電気エネルギーに変換し、発電する装置が知られている。一般に、この種の発電装置は微生物燃料電池と呼ばれ、アノード電極とカソード電極とを備えている。そして、微生物燃料電池は、燃料としての有機物が微生物によって分解されるときに発生する電子をアノード電極にて回収し、アノード電極から外部回路を経由してカソード電極へ移動させる。また、アノード電極において発生したプロトンは、カソード電極へ移動した電子と酸素と反応して水を生じさせる(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, there is known a device that converts an organic fuel into electric energy to generate electricity by utilizing a metabolic reaction of microorganisms. Generally, this type of power generation device is called a microbial fuel cell and includes an anode electrode and a cathode electrode. Then, the microbial fuel cell collects the electrons generated when the organic substance as fuel is decomposed by the microorganisms at the anode electrode and moves them from the anode electrode to the cathode electrode via an external circuit. Further, the protons generated in the anode electrode react with the electrons transferred to the cathode electrode and oxygen to generate water (see, for example, Patent Document 1).
以上のような微生物燃料電池は、燃料としての有機物を微生物に与えることによって、比較的小さな電力を簡単に生成することができるため、例えば、携帯電話等の小型の電気機器を駆動する非常用バッテリとして用いることが考えられる。
しかしながら、非常時などの限られたときのみに使用される発電装置を常備しておくためには、小型であることや軽量であること等が求められる。
そこで、本発明は、小型かつ軽量に構成することができる発電装置を提供することを目的とする。
The above-mentioned microbial fuel cell can easily generate a relatively small amount of electric power by supplying an organic substance as a fuel to the microorganism. Therefore, for example, an emergency battery for driving a small electric device such as a mobile phone. It is conceivable to use it as.
However, in order to keep a power generation device that is used only in a limited time such as an emergency, it is required to be small and lightweight.
Therefore, an object of the present invention is to provide a power generation device that can be configured to be compact and lightweight.
(1)本発明の第1の観点による発電装置は、
不導体であるシート材と、
前記シート材に浸透された導電材料を有する電極と、を備えている。
(1) The power generation device according to the first aspect of the present invention is
Sheet material that is non-conductor and
It includes an electrode having a conductive material permeated into the sheet material.
このように、電極を構成する導電材料がシート材に浸透されることによって、小型(薄肉)で軽量な発電装置を構成することができる。 By permeating the conductive material constituting the electrode into the sheet material in this way, it is possible to form a small (thin wall) and lightweight power generation device.
(2)好ましくは、前記シート材が、発電装置の筐体を構成している。
このような構成によって、発電装置の電極と筐体とを一体化し、より小型化することができる。
(2) Preferably, the sheet material constitutes the housing of the power generation device.
With such a configuration, the electrodes of the power generation device and the housing can be integrated and made smaller.
(3)好ましくは、前記シート材が紙である。
このような構成によって、より軽量で廃棄が容易な発電装置を構成することができる。
(3) The sheet material is preferably paper.
With such a configuration, it is possible to configure a power generation device that is lighter and easier to dispose of.
(4)好ましくは、前記電極には、プロトンと電子と酸素とが水になる酸化還元反応を促進する触媒が含まれている。
このような構成によって、当該電極を発電装置のカソード電極として好適に利用することができる。
(4) Preferably, the electrode contains a catalyst that promotes a redox reaction in which protons, electrons, and oxygen become water.
With such a configuration, the electrode can be suitably used as a cathode electrode of a power generation device.
(5)好ましくは、前記触媒が、乾燥状態のフェリシアン化カリウムである。 (5) Preferably, the catalyst is potassium ferricyanide in a dry state.
(6)好ましくは、前記触媒が塩化銅である。 (6) Preferably, the catalyst is copper chloride.
(7)好ましくは、前記シート材が、前記導電材料が浸透された面とは反対側の面に疎水化処理が施されている。
このような構成によって、当該シート材を発電装置のセパレータとして好適に利用することができる。
(7) Preferably, the sheet material is hydrophobized on the surface opposite to the surface on which the conductive material is impregnated.
With such a configuration, the sheet material can be suitably used as a separator for a power generation device.
(8)本発明の第2の観点による発電装置は、
不導体である第1シート材と、
前記第1シート材と一体でありかつ前記第1シート材との境界で折り曲げられることによって前記第1シート材と重ね合わされる不導体である第2シート材と、
前記第1シート材に、又は、前記第1シート材と前記第2シート材との間に配置されたアノード電極と、
前記第2シート材における前記第1シート材側の面とは反対の面に浸透された導電材料を有するカソード電極と、を備えている。
(8) The power generation device according to the second aspect of the present invention is
The non-conductor first sheet material and
A second sheet material that is a non-conductor that is integral with the first sheet material and is overlapped with the first sheet material by being bent at the boundary with the first sheet material.
An anode electrode arranged on the first sheet material or between the first sheet material and the second sheet material.
The second sheet material includes a cathode electrode having a conductive material permeated into a surface opposite to the surface on the first sheet material side.
このような構成によって、小型(薄肉)で軽量な発電装置を構成することができる。また、第1シート材と第2シート材とは一体であるため、発電装置を作製するための部品数を少なくすることができる。 With such a configuration, a small (thin wall) and lightweight power generation device can be configured. Further, since the first sheet material and the second sheet material are integrated, the number of parts for manufacturing the power generation device can be reduced.
(9)本発明の第3の観点による発電装置は、
不導体である第1シート材と、
前記第1シート材と一体でありかつ前記第1シート材との境界で折り曲げられることによって前記第1シート材と重ね合わされる不導体である第2シート材と、
前記第1シート材に、又は、前記第1シート材と前記第2シート材との間に配置されたアノード電極と、
前記第2シート材における前記第1シート材側の面とは反対の面に配置された導電材料を有するカソード電極と、を備えている。
(9) The power generation device according to the third aspect of the present invention is
The non-conductor first sheet material and
A second sheet material that is a non-conductor that is integral with the first sheet material and is overlapped with the first sheet material by being bent at the boundary with the first sheet material.
An anode electrode arranged on the first sheet material or between the first sheet material and the second sheet material.
The second sheet material includes a cathode electrode having a conductive material arranged on a surface opposite to the surface on the first sheet material side.
このような構成によって、小型(薄肉)で軽量な発電装置を構成することができる。また、第1シート材と第2シート材とは一体であるため、発電装置を作製するための部品数を少なくすることができる。 With such a configuration, a small (thin wall) and lightweight power generation device can be configured. Further, since the first sheet material and the second sheet material are integrated, the number of parts for manufacturing the power generation device can be reduced.
(10)好ましくは、前記第1シート材及び前記第2シート材と一体でありかつ前記第2シート材におけるカソード電極が配置された面を覆う第3シート材を更に備えている。
このような構成によって、第3シート材で電極を保護することができる。
(10) Preferably, a third sheet material that is integrated with the first sheet material and the second sheet material and covers the surface of the second sheet material on which the cathode electrode is arranged is further provided.
With such a configuration, the electrode can be protected by the third sheet material.
(11)好ましくは、前記第1シート材及び前記第2シート材と一体でありかつ前記第1シート材における前記第2シート材側の面とは反対の面を覆う第4シート材を更に備えている。
このような構成によって、第4シート材でアノード電極を保護することができる。
(11) Preferably, a fourth sheet material that is integrated with the first sheet material and the second sheet material and covers the surface of the first sheet material opposite to the surface on the second sheet material side is further provided. ing.
With such a configuration, the anode electrode can be protected by the fourth sheet material.
(12)好ましくは、前記アノード電極が、前記第1シート材とは別体であり、微生物と前記微生物により分解される有機物とが含まれている。
このような構成によって、発電装置を微生物燃料電池として構成することができる。また、アノード電極が第1シート材とは別体であるので、アノード電極に微生物及び有機物を含ませる処理を容易に行うことができる。
(12) Preferably, the anode electrode is a separate body from the first sheet material, and contains a microorganism and an organic substance decomposed by the microorganism.
With such a configuration, the power generation device can be configured as a microbial fuel cell. Further, since the anode electrode is a separate body from the first sheet material, it is possible to easily perform the treatment of impregnating the anode electrode with microorganisms and organic substances.
(13)好ましくは、前記アノード電極が、複数枚のシート状電極材を重ね合わせて構成されている。
このような構成によって、各シート状電極材により多くの微生物及び有機物を短時間で含ませることができる。
(13) Preferably, the anode electrode is formed by superimposing a plurality of sheet-shaped electrode materials.
With such a configuration, each sheet-shaped electrode material can contain a large amount of microorganisms and organic substances in a short time.
(14)好ましくは、前記第2シート材における前記第1シート材側の面に疎水化処理が施されている。
このような構成によって、第2シート材によってセパレータを構成することができる。
(14) Preferably, the surface of the second sheet material on the side of the first sheet material is hydrophobized.
With such a configuration, the separator can be configured by the second sheet material.
(15)好ましくは、前記アノード電極は、炭素繊維をバインダで接合した炭素繊維シート材と、この炭素繊維シート材に含まれた、前記炭素繊維とは異なる導電材料とを備えている。
このような構成によって、アノード電極の電気抵抗を低下させることができる。
(15) Preferably, the anode electrode includes a carbon fiber sheet material in which carbon fibers are bonded with a binder, and a conductive material contained in the carbon fiber sheet material, which is different from the carbon fibers.
With such a configuration, the electric resistance of the anode electrode can be reduced.
(16)本発明の第4の観点に係る発電装置の製造方法は、
導電材料を含む水溶液をスタンプの接触面に付着させ、前記接触面を不導体であるシート材に接触させて前記水溶液を前記シート材に浸透させる。
このような方法によって、シート材に所定形状の電極を簡単に形成することができる。
(16) The method for manufacturing a power generation device according to the fourth aspect of the present invention is as follows.
An aqueous solution containing a conductive material is attached to the contact surface of the stamp, and the contact surface is brought into contact with a non-conductive sheet material to allow the aqueous solution to permeate the sheet material.
By such a method, an electrode having a predetermined shape can be easily formed on the sheet material.
本発明によれば、発電装置を小型かつ軽量に構成することができる。 According to the present invention, the power generation device can be configured to be compact and lightweight.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本明細書では、発電装置として作動原理の異なる二種類の電池、具体的には微生物燃料電池と水分解電池とをそれぞれ説明する。その後、各電池に適用することができる発電装置の具体的構造について例示する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In this specification, two types of batteries having different operating principles as a power generation device, specifically, a microbial fuel cell and a water splitting battery will be described. Then, a specific structure of a power generation device that can be applied to each battery will be illustrated.
[微生物燃料電池]
図1は、第1の実施形態に係る発電装置としての微生物燃料電池を概略的に示す説明図である。
この微生物燃料電池10は、微生物20が有機物である燃料を分解する作用を利用して発電を行うものである。微生物燃料電池10は、筐体11と、アノード電極12と、カソード電極13と、セパレータ14とを備えている。
[Microbial fuel cell]
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a microbial fuel cell as a power generation device according to the first embodiment.
The
筐体11は、アノード電極12が配置されるアノード領域17を備えており、このアノード領域17内には外部から供給された水分を貯留することができる。ただし、発電装置10の不使用時には、アノード領域17は乾燥状態とされる。
アノード電極12とカソード電極13とは外部回路(負荷抵抗)15を介して電気配線により電気的に接続されている。
The
The
(アノード電極)
アノード電極12は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
(Anode electrode)
The
本実施形態のアノード電極12に含まれる活性炭は導体(導電材料)であり、アノード電極12の電気抵抗を低下させる。また、活性炭は、水を分解する触媒としても機能する。具体的には、活性炭は、水を分解してプロトン(H+)及び電子(e-)を生成する機能を有する。また、アノード電極12には、炭素材料として活性炭の他に、導体であるカーボンナノチューブが含まれる。ただし、カーボンナノチューブは省略してもよい。
The activated carbon contained in the
アノード電極12は、例えば次のように作製することができる。まず、カーボンナノチューブと活性炭の粉末とを分散させた水溶液に、炭素繊維シート材を所定時間浸す。これにより炭素繊維シート材にカーボンナノチューブと活性炭とが浸透する。その後、炭素繊維シート材を乾燥させる。この状態のアノード電極12は疎水性となるため、さらにプラズマ処理を施すことによって親水性を高める。カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとしても機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
The
また、カーボンナノチューブを省略する場合には、活性炭を含む水溶液に炭素繊維シート材を所定時間浸し、その後、炭素繊維シートを乾燥させることによってアノード電極12を作製することができる。
When the carbon nanotubes are omitted, the carbon fiber sheet material can be immersed in an aqueous solution containing activated carbon for a predetermined time, and then the carbon fiber sheet is dried to produce the
アノード電極12には、有機物を分解する微生物20が保持されている。すなわち、アノード電極12は、微生物20を保持するための「保持体」を構成している。
アノード電極12は、微生物20を培養している培養液に所定時間浸した後、乾燥させることによって微生物20を乾燥状態で保持することができる。このとき、培養液に含まれるエサである有機物もアノード電極12に含まれ、乾燥状態で保持された状態となる。
The
The
(微生物)
微生物20としては、大腸菌、酵母菌、又は枯草菌を用いることができる。大腸菌及び酵母菌は、グルコース等の有機物を分解することができる。枯草菌としては、納豆菌を用いることができる。枯草菌は、有機物としてのセルロースやグルコースを分解する。また、枯草菌は、栄養分が枯渇すると、芽胞を形成して休眠状態となり、高温状態や乾燥状態等の劣悪な環境下においても長期間にわたって生存状態を維持する。一方、芽胞を形成した枯草菌は、栄養が与えられると休眠状態を終えて発芽し、増殖する。このような枯草菌の性質を利用することによって、長期保存可能な発電装置10を実現することができる。なお、本発明で用いる微生物は、乾燥状態で生存可能でないものであってもよく、セルロースやグルコース以外の有機物を分解するものであってもよい。
(Microorganisms)
As the
(カソード電極)
カソード電極13は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体(導電材料)であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン(H+)と電子(e-)と酸素(O2)が水(H2O)になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はCuCl2(塩化銅)が用いられる。
(Cathode electrode)
The
カソード電極13は、例えば、次のように作製することができる。カソード電極13は、カーボンナノチューブと触媒とを含む水溶液を濾紙に付着させて浸透させ、その後乾燥させることによって作製することができる。カソード電極13は、乾燥した環境で用いられる、いわゆるエアカソードである。
The
(セパレータ)
セパレータ14は、アノード領域17で発生したプロトン(水素イオン)を透過可能であり、アノード領域17内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ14として、一般的にはプロトン交換膜(PEM)が用いられる。ただし、本実施形態では、PEMに代えて、疎水化処理が施されたシート材がセパレータ14として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙(例えば、孔径が約5μm)に防水剤を塗布(疎水化処理)することによってセパレータ14を作製することができる。紙製のセパレータ14は、プロトン交換膜と比べて安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
(Separator)
The
セパレータ14として孔径がより小さい濾紙(例えば、約0.05μm)を用いれば、濾紙自体で水分の透過を阻止することができるため、疎水化処理を行わなくてもよい。しかし、この場合、濾紙が非常に高価となるため、コストの面では、比較的孔径の大きな濾紙に対して疎水化処理を施すことが好ましい。
If a filter paper having a smaller pore diameter (for example, about 0.05 μm) is used as the
(発電装置の作用)
図1に示すように、微生物燃料電池10のアノード領域17に水分が供給されると、アノード電極12に保持されていた微生物20は有機物を分解し、プロトン(H+)及び電子(e-)を生成する。電子(e-)は、アノード電極12で回収され、外部回路を経由してカソード電極13に移動する。プロトン(H+)は、セパレータ14を透過してカソード電極13に移動する。カソード電極13において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極13に移動した電子(e-)及びプロトン(H+)との反応により水が発生する。
(Action of power generator)
As shown in FIG. 1, when water is supplied to the
アノード電極12は、炭素繊維シート材に微生物20と有機物とを含ませたものであるので、外部から燃料を供給しなくても発電を行うことができる。つまり、アノード電極12自体を燃料として発電を行うことができる。そのため、水さえあれば環境を問わずに発電を行うことができる。例えば、屋外において、河水、海水、雨水、廃水(排水)等を用いて発電を行うことができる。微生物20を培養した培養液にアノード電極12を浸すことによって、容易にアノード電極12に微生物と有機物とを含ませることができる。
Since the
アノード電極12は活性炭を含んでいるので、より内部抵抗が低下する。そのため、出力電圧を高めることが可能となる。アノード電極12に含まれる活性炭は、水を分解する触媒として作用する。この作用によって水からプロトン(H+)及び電子(e-)を生成し、発電を促進することができる。また、アノード電極12及びカソード電極13は、カーボンナノチューブを含んでいるので、表面積が拡大し、内部抵抗が低下する。アノード電極12の表面積が拡大することによって、より多くの微生物20を保持することが可能となる。
Since the
また、カソード電極13には、触媒としてフェリシアン化カリウム又はCuCl2が含まれているので、カソード電極13において、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進することができ、出力電圧をより高めることができる。
Further, since the
[水分解電池]
図2は、第2の実施形態に係る発電装置としての水分解電池の概略的に示す説明図である。
本実施形態の水分解電池10は、水を分解する作用を利用して発電を行うものである。水分解電池10は、筐体11と、アノード電極12と、カソード電極13と、セパレータ14とを備えている。
[Water decomposition battery]
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a water splitting battery as a power generation device according to a second embodiment.
The water-decomposing
筐体11は、アノード電極12が配置されるアノード領域17を備えており、このアノード領域17内には外部から供給された水分を貯留することができる。ただし、発電装置10の不使用時には、アノード領域17は乾燥状態とされる。
アノード電極12とカソード電極13とは外部回路(負荷抵抗)15を介して電気配線により電気的に接続されている。
The
The
(アノード電極)
アノード電極12は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
本実施形態のアノード電極12に含まれる活性炭は導体(導電材料)であり、アノード電極12の電気抵抗を低下させる。また、活性炭は、水を分解する触媒としても機能する。具体的には、活性炭は、水を分解してプロトン(H+)及び電子(e-)を生成する機能を有する。また、アノード電極12には、炭素材料として活性炭の他に、導体であるカーボンナノチューブが含まれる。ただし、カーボンナノチューブは省略してもよい。
(Anode electrode)
The
The activated carbon contained in the
アノード電極12は、例えば次のように作製することができる。まず、カーボンナノチューブと活性炭の粉末とを分散させた水溶液に、炭素繊維シート材を所定時間浸す。これにより炭素繊維シート材にカーボンナノチューブと活性炭とが浸透する。その後、炭素繊維シート材を乾燥させる。この状態のアノード電極12は疎水性となるため、さらにプラズマ処理を施すことによって親水性を高める。カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとしても機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
The
また、カーボンナノチューブを省略する場合には、活性炭を含む水溶液に炭素繊維シート材を所定時間浸し、その後、炭素繊維シートを乾燥させることによってアノード電極12を作製することができる。
When the carbon nanotubes are omitted, the carbon fiber sheet material can be immersed in an aqueous solution containing activated carbon for a predetermined time, and then the carbon fiber sheet is dried to produce the
(カソード電極)
カソード電極13は、微生物燃料電池のカソード電極13と同一である。すなわち、カソード電極13は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は、不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体(導電材料)であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン(H+)と電子(e-)と酸素(O2)が水(H2O)になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はCuCl2が用いられる。
(Cathode electrode)
The
カソード電極13は、例えば、次のように作製することができる。カソード電極13は、カーボンナノチューブと触媒とを含む水溶液を濾紙に付着させて浸透させ、その後乾燥させることによって作製することができる。カソード電極13は、乾燥した環境で用いられる、いわゆるエアカソードである。
The
(セパレータ)
セパレータ14は、アノード領域17で発生したプロトン(水素イオン)を透過可能であり、アノード領域17内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ14として、一般的にはプロトン交換膜(PEM)が用いられるが、本実施形態の水分解電池10では、前述の微生物燃料電池と同様に、PEMに代えて疎水化処理が施されたシート材がセパレータ14として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙(例えば、孔径が約5μm)に防水剤を塗布(疎水化処理)することによってセパレータ14を作製することができる。紙製のセパレータ14は、プロトン交換膜と比べて、安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
(Separator)
The
セパレータ14として孔径がより小さい濾紙(例えば、約0.05μm)を用いれば、濾紙自体で水分の透過を阻止することができるため、疎水化処理を行わなくてもよい。しかし、この場合、濾紙が非常に高価となるため、コストの面では、比較的孔径の大きな濾紙に対して疎水化処理を施すことが好ましい。
If a filter paper having a smaller pore diameter (for example, about 0.05 μm) is used as the
(発電装置の作用)
図2に示すように、水分解電池10のアノード領域17に水分が供給されると、アノード電極12に含まれる活性炭の触媒としての機能により、水が酸素とプロトン(H+)と電子(e-)とに分解される。電子(e-)は、アノード電極12で回収され、外部回路を経由してカソード電極13に移動する。プロトン(H+)は、セパレータ14を透過してカソード電極13に移動する。カソード電極13において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極13に移動した電子(e-)及びプロトン(H+)との反応により水が発生する。
(Action of power generator)
As shown in FIG. 2, when water is supplied to the
アノード電極12は、炭素繊維シート材に活性炭を含ませたものであるので、外部から燃料等を供給しなくても水を供給するだけで発電を行うことができる。そのため、水さえあれば環境を問わずに発電を行うことができる。例えば、屋外において、河水、海水、雨水、廃水(排水)等を用いて発電を行うことができる。また、微生物燃料電池のように、微生物20や有機物も不要である。そのため、電池10をより簡単且つ安価に作製することができる。
Since the
アノード電極12及びカソード電極13は、カーボンナノチューブを含んでいるので、表面積が拡大し、内部抵抗が低下する。
また、アノード電極12は、活性炭を含んでいるので、より内部抵抗が低下する。そのため、出力電圧を高めることが可能となる。
Since the
Further, since the
また、カソード電極13には、触媒としてフェリシアン化カリウム又はCuCl2が含まれているので、カソード電極13において、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進することができ、出力電圧をより高めることができる。
Further, since the
[発電装置の具体的構造]
以下、上記各実施形態の発電装置に適用することができる具体的な発電装置の構造について説明する。以下の各例の発電装置は、例えば非常用バッテリとして使用することが想定され、平常時は、乾燥状態で保存され、非常時のみに発電を行って電気機器等に通電を行い、使用後は廃棄される使い捨てタイプとされている。
[Specific structure of power generation equipment]
Hereinafter, a specific structure of the power generation device that can be applied to the power generation device of each of the above embodiments will be described. The power generation device in each of the following examples is assumed to be used as an emergency battery, for example, and is stored in a dry state in normal times. It is a disposable type that is discarded.
(第1例)
図3は、発電装置の具体的構造の第1例を示す斜視図である。図4(a)は発電装置の平面図、図4(b)は同底面図である。
発電装置である電池10の筐体11は、平面視及び底面視において矩形状、具体的には正方形状に形成されている。また、筐体11の表面側と、裏面側とには、それぞれケーブルの端子を接続するための端子接続部33b,34bが設けられている。
(1st example)
FIG. 3 is a perspective view showing a first example of a specific structure of the power generation device. FIG. 4A is a plan view of the power generation device, and FIG. 4B is a bottom view of the same.
The
筐体11は、表面側に配置された第1外装シート材(本発明の第4シート材)31と、裏面側に配置された第2外装シート材32(本発明の第3シート材)とを有している。筐体11は、第1外装シート材31と第2外装シート材32との間に、第1及び第2内装シート材(本発明の第1及び第2シート材)33,34を有している。第1及び第2外装シート材31,32、第1及び第2内装シート材33,34は、1枚のシート材を折り畳むことによって構成されている。
The
図5は、発電装置を展開した状態の斜視図、図6は、展開した筐体の平面図、図7は、展開した筐体の底面図である。
第1例の電池10の筐体11は、第1内装シート材33、第2内装シート材34、第1外装シート材31、及び第2外装シート材32がこの順で1列に接続された1枚の帯状のシート材30により構成されている。このシート材30は、前述のカソード電極13及びセパレータ14で用いられるシート材と同種のシート材により構成される。そして、第1例の電池10は、筐体11を構成するシート材30を用いてカソード電極及びセパレータが形成されている。第1例のシート材30は、不導体である濾紙により形成されている。
5 is a perspective view of the expanded state of the power generation device, FIG. 6 is a plan view of the expanded housing, and FIG. 7 is a bottom view of the expanded housing.
In the
第1内装シート材33の中央には矩形状の開口33aが形成されている。また、第1内装シート材33の一方の面には、アノード電極12用の端子接続部33bが設けられている。この端子接続部33bは、開口33aの1辺と、これに近接する第1内装シート材33の側辺との間に渡って設けられている。また、端子接続部33bは、図6に示すように、開口33aを介して第1内装シート材33の他方の面側にも設けられている。この端子接続部33bは、導電性を有している。端子接続部33bは、例えば、カーボンナノチューブを分散した水溶液を、第1内装シート材33に浸透させることによって構成されている。
A
図5及び図6に示すように、第2内装シート材34の一方の面には、カソード電極13と端子接続部34bとが設けられている。このカソード電極13及び端子接続部34bは、前述したように、カーボンナノチューブと酸化還元用触媒とを含む水溶液を第2内装シート材34に浸透させることによって設けられている。より具体的には、図16に示すように、カソード電極13と端子接続部34bとを象ったスタンプ40の接触面40aに前記水溶液を付着させ、第2内装シート材34の一方の面に、スタンプ40の接触面40aを接触させることによってカソード電極13と端子接続部34bとを第2内装シート材34に設けることができる。
As shown in FIGS. 5 and 6, a
また、図7に示すように、第2内装シート材34の他方の面には、防水剤36が塗布されている。この防水剤は、少なくともカソード電極13の裏面側に重複する範囲に設けられている。より好ましくは、防水剤36は、第2内装シート材34の他方の面全体に施される。この第2内装シート材34は、電池10のセパレータ14(図1及び図2参照)を構成している。すなわち、第2内装シート材34は、アノード電極12側からプロトン(H+)の透過を許容し、水分の透過を防止している。
Further, as shown in FIG. 7, the
図5~図7に示すように、第1外装シート材31には、外部から電池10内へ水を供給するための給水孔31aが形成されている。この給水孔31aは、筐体11を折り畳んだ状態でアノード電極12を外部に露出させる。
また、第1外装シート材31の側辺には、筐体11を折り畳んだ状態でアノード電極12用の端子接続部33bを外部に露出させるための切欠部31bが形成されている。
As shown in FIGS. 5 to 7, the first
Further, on the side side of the first
第2外装シート材32の側辺には、筐体11を折り畳んだ状態でカソード電極13用の端子接続部34bを外部に露出させるための切欠部32bが形成されている。
筐体11を構成する帯状のシート材30の第2外装シート材32側の端部には、2つの差し込み片35aが設けられている。この差し込み片35aは、図3に示すように、筐体11を折り畳んだ状態で第2内装シート材34と第1外装シート材31との境界に形成されたスリット35bに差し込まれる。これによって、筐体11が折り畳んだ状態で保持される。
On the side side of the second
Two
図5に示すように、アノード電極12は、複数の炭素繊維シート材(シート状電極材)12aを重ね合わせることによって構成され、第1内装シート材33の他方の面、すなわち端子接続部33bとは反対側の面における開口33aに合わせて配置される。
As shown in FIG. 5, the
図8(a)は、図4(a)のA-A線における模式的な断面図、図8(b)は図4(a)のB-B線における模式的な断面図である。
アノード電極12は、第1内装シート材33と第2内装シート材34との間に挟まれている。第1内装シート材33と第2内装シート材34とは、アノード電極12の周囲において接着材37で接着されている。また、アノード電極12は、第2内装シート材34に設けられた防水剤36に重ね合わされている。
8 (a) is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 4 (a), and FIG. 8 (b) is a schematic cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 (a).
The
第1外装シート材31の給水孔31aからアノード電極12に水が供給されると、図1及び図2で説明したように、電子がアノード電極12から端子接続部33bを介して負荷15へ流れ、カソード電極13へ移動する。一方、アノード電極12において発生したプロトン(H+)は、セパレータ14を構成する第2内装シート材34を透過してカソード電極13に到り、プロトン(H+)と電子(e-)と外気の酸素とによって水(H2O)が生成される。
When water is supplied to the
本例の電池10は、筐体11が紙(濾紙)で形成され、紙を折り畳むことによって構成されている。したがって、電池10をより小型(薄肉)で軽量に形成することができる。
また、第1例の電池10は、筐体11を構成する第2内装シート材34と一体にカソード電極13が設けられている。そのため、第2内装シート材34とは別体でカソード電極13を設ける場合に比べて電池10を小型化(薄肉化)かつ軽量化することができる。また、アノード電極12側からプロトン(H+)をより迅速にカソード電極13に移動させることができ、酸化還元反応のレスポンスが良好となって発電効率を向上させることができる。
In the
Further, the
カソード電極13は、カーボンナノチューブ及び触媒を含む水溶液を第2内装シート材34に浸透させて乾燥させることにより構成されているので、容易にカソード電極13を形成することができる。また、図16に示すように、スタンプ40を用いることによって、所定形状のカソード電極13を容易に形成することができる。なお、カソード電極13は、スタンプ40以外の方法で第2内装シート材34に形成してもよい。
Since the
本例の電池10は、アノード電極12が、筐体11とは別体で構成されている。そのため、図1に示す微生物燃料電池の場合は、アノード電極12に対して微生物20及び有機物を含ませる処理を容易に行うことができる。また、複数枚の薄い炭素繊維シート材(シート状電極材)12aを重ね合わせてアノード電極12を構成することも容易となる。
In the
アノード電極12は、活性炭及びカーボンナノチューブ、又は、活性炭のみを浸透させた複数枚の炭素繊維シート材(シート状電極材)を重ね合わせて接着することにより形成されている。例えば、0.2mmの炭素繊維シート材を3枚重ね合わせて0.6mmのアノード電極12が形成されている。このように複数枚の薄い炭素繊維シート材を重ね合わせてアノード電極12を形成することによって、1枚の分厚い炭素繊維シート材によってアノード電極を形成する場合に比べて、各炭素繊維シート材に対して活性炭及びカーボンナノチューブ、又は、活性炭のみを短時間でより多く含ませることができ、導電性が高いアノード電極12を形成することができる。
The
電池10の筐体11は、シート材30により形成されることで電池10を小型化(薄肉化)かつ軽量化することができる。また、筐体11が1枚のシート材30を折り畳むことにより構成されているので、筐体11を構成する部品の点数を少なくすることができる。
Since the
第2外装シート材32は、カソード電極13を外側から覆っているので、当該カソード電極13を保護することができる。また、第1外装シート31は、アノード電極12を外側から覆っているので、当該アノード電極を保護することができる。
Since the second
(第2例)
図9は、発電装置の具体的構造の第2例を示す斜視図である。図10(a)は発電装置の平面図、図10(b)は同底面図である。
本例の電池10は、専ら筐体11の構造が第1例とは異なり、その他の構成は第1例と略同様である。
(2nd example)
FIG. 9 is a perspective view showing a second example of a specific structure of the power generation device. 10 (a) is a plan view of the power generation device, and FIG. 10 (b) is a bottom view of the same.
In the
本例の筐体11は、平面視及び底面視において矩形状、具体的には正方形状に形成されている。また、筐体11の裏面側には、ケーブルの端子を接続するための端子接続部71b,73bが設けられている。
The
図9に示すように、筐体11は、表面側に配置された第1外装シート材(本発明の第1シート材)71と、裏面側に配置された第2外装シート材(本発明の第3シート材)72とを有している。筐体11は、第1外装シート材71と第2外装シート材72との間に、内装シート材(本発明の第2シート材)73を有している。第1及び第2外装シート材71,72、内装シート材73は、1枚のシート材を折り畳むことによって構成されている。
As shown in FIG. 9, the
図11は、発電装置を展開した状態の斜視図、図12は、展開した筐体の平面図、図13は、展開した筐体の底面図である。
第2例の電池10の筐体11は、内装シート材73、第1外装シート材71、及び第2外装シート材72がこの順で1列に接続された1枚の帯状のシート材70により構成されている。このシート材70は、第1例のカソード電極13及びセパレータ14で用いられるシート材と同種のシート材、すなわち不導体である濾紙により形成されている。
11 is a perspective view of the expanded state of the power generation device, FIG. 12 is a plan view of the expanded housing, and FIG. 13 is a bottom view of the expanded housing.
In the
図11~図13に示すように、第1外装シート材71の中央には、外部から電池10内へ水を供給するための給水孔71aが形成されている。この給水孔31aは、筐体11を折り畳んだ状態でアノード電極12を外部に露出させる。また、第1内装シート材33の一方の面には、アノード電極12用の端子接続部71bが設けられている。この端子接続部71bは、給水孔71aと、これに近接する第1外装シート材71の側辺との間に渡って設けられている。この端子接続部71bは、導電性を有している。端子接続部71bは、例えば、カーボンナノチューブを分散した水溶液を、第1外装シート材71に浸透させることによって構成されている。
As shown in FIGS. 11 to 13, a
内装シート材73の一方の面には、カソード電極13と端子接続部73bとが設けられている。また、図12に示すように、内装シート材73の他方の面には、防水剤76が塗布されている。これらカソード電極13、端子接続部73b、及び防水材76の構成は、第1例と同様である。内装シート材73は、電池10のセパレータ14(図1及び図2参照)を構成し、アノード電極12側からプロトン(H+)の透過を許容し、水の透過を防止している。
A
また、内装シート材73の側辺には、筐体11を折り畳んだ状態でアノード電極12用の端子接続部71bを外部に露出させるための切欠部73cが形成されている。
Further, on the side side of the
第2外装シート材72の側辺には、筐体11を折り畳んだ状態でアノード電極12用の端子接続部71bと、カソード電極13用の端子接続部73bとをそれぞれ外部に露出させるための切欠部72b,72cが形成されている。
On the side side of the second
筐体11を構成する帯状のシート材70の第2外装シート材72側の端部には、固定片75が設けられている。この固定片75は、図9に示すように、筐体11を折り畳んだ状態で第1外装シート材71の表面に両面テープ等で接着されることで、筐体11が折り畳んだ状態で保持される。
A fixing
図11に示すように、アノード電極12は、第1例と同様に、複数の炭素繊維シート材(シート状電極材)12aを重ね合わせることによって構成され、第1外装シート材71の一方の面、すなわち端子接続部71b側の面における給水孔71aに合わせて配置され、同面に接着される。
As shown in FIG. 11, the
図14(a)は、図10(a)のC-C線における模式的な断面図、図14(b)は図10(a)のD-D線における模式的な断面図である。
アノード電極12は、第1外装シート材71と内装シート材73との間に挟まれている。アノード電極12は、接着材77で第1外装シート材71に接着されている。また、アノード電極12は、内装シート材73に設けられた防水剤76に重ね合わされている。
14 (a) is a schematic cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 10 (a), and FIG. 14 (b) is a schematic cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 10 (a).
The
第1外装シート材71の給水孔71aからアノード電極12に水が供給されると、図1及び図2で説明したように、電子(e-)がアノード電極12から端子接続部73bを介して負荷15へ流れ、カソード電極13へ移動する。一方、アノード電極12において発生したプロトン(H+)は、セパレータ14を構成する内装シート材73を透過してカソード電極13に到り、プロトン(H+)と電子(e-)と外部の酸素によって水(H2O)が生成される。
When water is supplied to the
第2例の電池10は、筐体11を構成する内装シート材の数が第1例よりも少なくなっている。したがって、電池10をより小型(薄肉)で軽量に形成することができる。その他の構成は、第1例と略同様であるため、略同様の作用効果を奏する。
In the
(他の例)
図15は、発電装置の具体的構造の他の例を示す斜視図である。
発電装置としての電池10は、図15(a)に示すように、第1シート材81と第2シート材82とを備え、第1シート材81と第2シート材82とは、両者の境界で折り畳まれることによって互いに重ね合わされている。電池10は、第1シート材81と第2シート材82との間にアノード電極12を備え、第2シート材82にカソード電極13が一体に形成されたものであってもよい。すなわち、第1例の電池10における第1,第2外装シート材31,32を省略した形態、又は、第2例の電池10における第2外装シート材72を省略した形態とすることができる。第1シート材81には給水孔81aが形成され、第2シート材82には防水剤85が施されている。第1シート材81と第2シート材82とは接着材86で接着されている。
(Other examples)
FIG. 15 is a perspective view showing another example of the specific structure of the power generation device.
As shown in FIG. 15A, the
また、図15(b)に示すように、カソード電極13は、第2シート材82とは別体で形成され、第2シート材82に貼り付けられたものであってもよい。
また、図15(c)に示すように、アノード電極12は、第1シート材81に一体に形成されたものであってもよい。例えば、第1シート材81にアノード電極12の構成材料を浸透させたものや、アノード電極12を第1シート材81に内部に組み込んだものとすることができる。
Further, as shown in FIG. 15B, the
Further, as shown in FIG. 15C, the
[実験結果]
本出願の発明者は、微生物燃料電池と水分解電池とのそれぞれについて、その特性を実験により調べた。以下、その結果について説明する。
(微生物燃料電池)
図17~図25は、微生物燃料電池における実験結果を示す。
図17~図19は、アノード電極の種類を変化させたときの微生物燃料電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の(A1)~(A3)である。
(A1)0.2mmのカーボンペーパー。
(A2)0.2mmのカーボンペーパーに、カーボンナノチューブ(グラフにおいて「CNT」と表記、以下同じ)の水溶液を1分間浸透させたもの。
(A3)0.2mmのカーボンペーパーに、1.5gの活性炭(グラフにおいて「AC」と表記、以下同じ)を混合した20mLのカーボンナノチューブの水溶液を1分間浸透させたもの。
[Experimental result]
The inventor of the present application investigated the characteristics of each of the microbial fuel cell and the water splitting battery by experiments. The results will be described below.
(Microbial fuel cell)
17 to 25 show the experimental results in the microbial fuel cell.
17 to 19 are graphs showing the characteristics of the microbial fuel cell when the type of the anode electrode is changed. The anode electrodes used are the following (A1) to (A3).
(A1) 0.2 mm carbon paper.
(A2) A 0.2 mm carbon paper impregnated with an aqueous solution of carbon nanotubes (denoted as "CNT" in the graph, the same applies hereinafter) for 1 minute.
(A3) A 0.2 mm carbon paper mixed with 1.5 g of activated carbon (denoted as "AC" in the graph, the same applies hereinafter) and impregnated with a 20 mL aqueous solution of carbon nanotubes for 1 minute.
図17に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)にカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極(A3)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A2)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。 In the experiment shown in FIG. 17, a paper (filter paper) impregnated with an aqueous solution of carbon nanotubes was used as the cathode electrode. As a result, when the anode electrode (A3) was used, the peak of the output voltage became the highest, and then when the anode electrode (A2) was used, the output voltage became the highest. Further, when the anode electrode (A1) was used, a slight voltage was output immediately after the reaction.
図18に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)に、0.76Mのフェリシアン化カリウム0.32mLを混合した2mLのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図17の結果と同様に、アノード電極(A3)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A2)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図17の実験と比較して、図18に示す実験では、出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にフェリシアン化カリウムが含まれることによって酸化還元反応が促進されたものと考えられる。 In the experiment shown in FIG. 18, as the cathode electrode, a paper (filter paper) infiltrated with an aqueous solution of 2 mL of carbon nanotubes mixed with 0.32 mL of 0.76 M potassium ferricyanide was used. As a result, similar to the result of FIG. 17, the peak of the output voltage became the highest when the anode electrode (A3) was used, and then the output voltage became the highest when the anode electrode (A2) was used. Further, when the anode electrode (A1) was used, a slight voltage was output immediately after the reaction. Further, in the experiment shown in FIG. 18, the output voltage increased as a whole as compared with the experiment of FIG. It is considered that this is because the redox reaction was promoted by the inclusion of potassium ferricyanide in the cathode electrode.
図19に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)に、0.5gのCuCl2を混合した7mLのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図17及び図18と同様に、アノード電極(A3)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A2)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図18の実験と比較して、図19に示す実験では出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にCuCl2が含まれることによって酸化還元反応がより促進されたものと考えられる。 In the experiment shown in FIG. 19, as the cathode electrode, a paper (filter paper) infiltrated with an aqueous solution of 7 mL of carbon nanotubes mixed with 0.5 g of CuCl 2 was used. As a result, as in FIGS. 17 and 18, the peak of the output voltage became the highest when the anode electrode (A3) was used, and then the output voltage became the highest when the anode electrode (A2) was used. .. Further, when the anode electrode (A1) was used, a slight voltage was output immediately after the reaction. In addition, the output voltage increased as a whole in the experiment shown in FIG. 19 as compared with the experiment shown in FIG. It is considered that this is because the redox reaction was further promoted by the inclusion of CuCl 2 in the cathode electrode.
図20及び図21は、微生物燃料電池の最大電力密度を示すグラフである。
図20及び図21に示す実験では、アノード電極として次の(A4)を用いた。また、図20に示す実験ではカソード電極として次の(C1)を用い、図21に示す実験ではカソード電極として次の(C2)を用いた。
(A4)2gの活性炭を混合した20mLのカーボンナノチューブの水溶液を、1分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
(C1)0.76Mのフェリシアン化カリウム溶液0.40mLを混合した2mLのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー(濾紙)に浸透させたもの。
(C2)0.9gのCuCl2を混合した7mLのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー(濾紙)に浸透させたもの。
20 and 21 are graphs showing the maximum power density of the microbial fuel cell.
In the experiments shown in FIGS. 20 and 21, the following (A4) was used as the anode electrode. Further, in the experiment shown in FIG. 20, the following (C1) was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 21, the following (C2) was used as the cathode electrode.
(A4) A 20 mL aqueous solution of carbon nanotubes mixed with 2 g of activated carbon is impregnated into carbon paper for 1 minute.
(C1) A paper (filter paper) infiltrated with an aqueous solution of 2 mL of carbon nanotubes mixed with 0.40 mL of 0.76 M potassium ferricyanide solution.
(C2) A 7 mL aqueous solution of carbon nanotubes mixed with 0.9 g of CuCl 2 is impregnated into paper (filter paper).
また、図20及び図21の実験では、外部負荷抵抗を0.51kΩ~140kΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図20についての実験では、外部負荷が1kΩのときに8.4μW/cm2の最大電力密度が得られた。図21についての実験では、外部負荷が0.51kΩのときに74.6μW/cm2の最大電力密度が得られた。
Further, in the experiments of FIGS. 20 and 21, the output voltage with the passage of time when the external load resistance was changed stepwise in the range of 0.51 kΩ to 140 kΩ was measured, and the result was used to measure the maximum power. The density was calculated.
As a result, in the experiment of FIG. 20, a maximum power density of 8.4 μW / cm 2 was obtained when the external load was 1 kΩ. In the experiment with respect to FIG. 21, a maximum power density of 74.6 μW / cm 2 was obtained when the external load was 0.51 kΩ.
図22及び図23は、アノード電極を形成するカーボンペーパーの数を変化させたときの微生物燃料電池の特性を示すグラフである。図22及び図23に示す実験では、アノード電極として上記(A4)を用いた。図22に示す実験では、カソード電極として上記(C1)を用い、図23に示す実験では、カソード電極として上記(C2)を用いた。
その結果、図22及び図23のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが1層の場合よりも3層の場合の方が出力電圧が高くなった。
22 and 23 are graphs showing the characteristics of the microbial fuel cell when the number of carbon papers forming the anode electrodes is changed. In the experiments shown in FIGS. 22 and 23, the above (A4) was used as the anode electrode. In the experiment shown in FIG. 22, the above (C1) was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 23, the above (C2) was used as the cathode electrode.
As a result, in both FIGS. 22 and 23, the output voltage was higher in the case of three layers of carbon paper in the anode electrode than in the case of one layer.
図24及び図25は、電池作製後の時間の経過に伴う微生物燃料電池の特性の変化を示すグラフである。図24及び図25に示す実験では、アノード電極として上記(A4)を用いた。図24に示す実験では、カソード電極として上記の(C1)を用い、図25に示す実験では、カソード電極として上記(C2)を用いた。
その結果、電池の作製直後、すなわち、ペーパーに浸透させた水溶液を乾燥させた直後は、最も高い電圧を出力した。また、作製後1週間~4週間が経過したとしても、出力の低下は僅かであった。したがって、本発明の微生物燃料電池は、長期間の保管が可能であることが分かった。
24 and 25 are graphs showing changes in the characteristics of the microbial fuel cell with the passage of time after the battery is manufactured. In the experiments shown in FIGS. 24 and 25, the above (A4) was used as the anode electrode. In the experiment shown in FIG. 24, the above (C1) was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 25, the above (C2) was used as the cathode electrode.
As a result, the highest voltage was output immediately after the battery was manufactured, that is, immediately after the aqueous solution impregnated in the paper was dried. In addition, even if 1 to 4 weeks had passed since the preparation, the decrease in output was slight. Therefore, it was found that the microbial fuel cell of the present invention can be stored for a long period of time.
(水分解電池)
図26~図35は、水分解電池における実験結果を示す。
図26~図28は、アノード電極の種類を変化させたときの水分解電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の(A1’)~(A3’)である。
(A1’)0.2mmのカーボンペーパー。
(A2’)0.2mmのカーボンペーパーに、1.5gの活性炭(グラフにおいて「AC」と表記、以下同じ)を混合した20mLのカーボンナノチューブ(グラフにおいて「CNT」と表記、以下同じ)の水溶液を1分間浸透させたもの。
(A3’)0.2mmのカーボンペーパーに、2gの活性炭を混合した10mLの水溶液を1分間浸透させたもの。
(Water decomposition battery)
26 to 35 show the experimental results in the water splitting battery.
26 to 28 are graphs showing the characteristics of the water splitting battery when the type of the anode electrode is changed. The anode electrodes used are the following (A1') to (A3').
(A1') 0.2 mm carbon paper.
(A2') An aqueous solution of 20 mL of carbon nanotubes (denoted as "CNT" in the graph, the same applies hereinafter) in which 1.5 g of activated carbon (denoted as "AC" in the graph, the same applies hereinafter) is mixed with 0.2 mm carbon paper. Was infiltrated for 1 minute.
(A3') 0.2 mm carbon paper impregnated with a 10 mL aqueous solution mixed with 2 g of activated carbon for 1 minute.
図26に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)にカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極(A2’)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A3’)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1’)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。 In the experiment shown in FIG. 26, a paper (filter paper) impregnated with an aqueous solution of carbon nanotubes was used as the cathode electrode. As a result, when the anode electrode (A2') was used, the peak of the output voltage became the highest, and then when the anode electrode (A3') was used, the output voltage became the highest. Further, when the anode electrode (A1') was used, a slight voltage was output immediately after the reaction.
図27に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)に、0.76Mのフェリシアン化カリウム0.32mLを混合した2mLのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極(A3’)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A2’)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1’)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図26の実験と比較して、図27に示す実験では、出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にフェリシアン化カリウムが含まれることによって酸化還元反応が促進されたものと考えられる。 In the experiment shown in FIG. 27, as the cathode electrode, a paper (filter paper) infiltrated with an aqueous solution of 2 mL of carbon nanotubes mixed with 0.32 mL of 0.76 M potassium ferricyanide was used. As a result, when the anode electrode (A3') was used, the peak of the output voltage became the highest, and then when the anode electrode (A2') was used, the output voltage became the highest. Further, when the anode electrode (A1') was used, a slight voltage was output immediately after the reaction. Further, in the experiment shown in FIG. 27, the output voltage increased as a whole as compared with the experiment of FIG. 26. It is considered that this is because the redox reaction was promoted by the inclusion of potassium ferricyanide in the cathode electrode.
図28に示す実験では、カソード電極として、ペーパー(濾紙)に、0.5gのCuCl2を混合した7mLのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図27の結果と同様に、アノード電極(A3’)を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極(A2’)を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極(A1’)を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図27の実験と比較して、図28に示す実験では出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にCuCl2が含まれることによって酸化還元反応がより促進されたものと考えられる。 In the experiment shown in FIG. 28, as the cathode electrode, a paper (filter paper) infiltrated with an aqueous solution of 7 mL of carbon nanotubes mixed with 0.5 g of CuCl 2 was used. As a result, similar to the result of FIG. 27, the peak of the output voltage becomes the highest when the anode electrode (A3') is used, and then the output voltage becomes the highest when the anode electrode (A2') is used. rice field. Further, when the anode electrode (A1') was used, a slight voltage was output immediately after the reaction. Further, as compared with the experiment of FIG. 27, the output voltage increased as a whole in the experiment shown in FIG. 28. It is considered that this is because the redox reaction was further promoted by the inclusion of CuCl 2 in the cathode electrode.
図29及び図30は、水分解電池の最大電力密度を示すグラフである。
図29及び図30に示す実験では、アノード電極として次の(A4’)を用いた。また、図29に示す実験ではカソード電極として次の(C1’)を用い、図30に示す実験ではカソード電極として次の(C2’)を用いた。
(A4’)2.5gの活性炭を混合した20mLのカーボンナノチューブの水溶液を、1分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
(C1’)0.76Mのフェリシアン化カリウム溶液0.40mLを混合した2mLのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー(濾紙)に浸透させたもの。
(C2’)0.9gのCuCl2を混合した7mLのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー(濾紙)に浸透させたもの。
29 and 30 are graphs showing the maximum power density of the water splitting battery.
In the experiments shown in FIGS. 29 and 30, the following (A4') was used as the anode electrode. Further, in the experiment shown in FIG. 29, the following (C1') was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 30, the following (C2') was used as the cathode electrode.
(A4') A 20 mL aqueous solution of carbon nanotubes mixed with 2.5 g of activated carbon was impregnated into carbon paper for 1 minute.
(C1') A 2 mL aqueous solution of carbon nanotubes mixed with 0.40 mL of 0.76 M potassium ferricyanide solution was impregnated into paper (filter paper).
(C2') An aqueous solution of 7 mL of carbon nanotubes mixed with 0.9 g of CuCl 2 is impregnated into paper (filter paper).
また、図29及び図30の実験では、外部負荷抵抗を0.51kΩ~140kΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図29に示す実験では、外部負荷が1kΩのときに1.7μW/cm2の最大電力密度が得られた。図30についての実験では、外部負荷が0.51kΩのときに57.3μW/cm2の最大電力密度が得られた。
Further, in the experiments of FIGS. 29 and 30, the output voltage with the passage of time when the external load resistance was changed stepwise in the range of 0.51 kΩ to 140 kΩ was measured, and the result was used to measure the maximum power. The density was calculated.
As a result, in the experiment shown in FIG. 29, a maximum power density of 1.7 μW / cm 2 was obtained when the external load was 1 kΩ. In the experiment with respect to FIG. 30, a maximum power density of 57.3 μW / cm 2 was obtained when the external load was 0.51 kΩ.
図31及び図32は、アノード電極を形成するカーボンペーパーの数を変化させたときの水分解電池の特性を示すグラフである。図31及び図32に示す実験では、アノード電極として上記(A4’)を用いた。図31に示す実験では、カソード電極として上記(C1’)を用い、図23に示す実験では、カソード電極として上記(C2’)を用いた。
その結果、図31及び図32のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが1層の場合よりも3層の場合の方が高い電圧を出力することができた。なお、アノード電極として後述の(A4”)を用いた場合も同様の傾向がみられた。
31 and 32 are graphs showing the characteristics of the water splitting battery when the number of carbon papers forming the anode electrodes is changed. In the experiments shown in FIGS. 31 and 32, the above (A4') was used as the anode electrode. In the experiment shown in FIG. 31, the above (C1') was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 23, the above (C2') was used as the cathode electrode.
As a result, in both FIGS. 31 and 32, a higher voltage could be output when the carbon paper in the anode electrode was three layers than when the carbon paper was one layer. The same tendency was observed when (A4 ") described later was used as the anode electrode.
図33及び図34は、水分解電池の最大電力密度を示すグラフである。
図33及び図34に示す実験では、アノード電極として次の(A4”)を用いた。また、図29に示す実験ではカソード電極として上記の(C1’)を用い、図30に示す実験ではカソード電極として上記の(C2’)を用いた。
(A4”)4gの活性炭を混合した10mlの水溶液をカーボンシートに1分間浸透させることによって、カーボンペーパーに1cm2あたり17mgの活性炭を含ませたもの。
33 and 34 are graphs showing the maximum power density of the water splitting battery.
In the experiments shown in FIGS. 33 and 34, the following (A4 ") was used as the anode electrode. In the experiment shown in FIG. 29, the above (C1') was used as the cathode electrode, and in the experiment shown in FIG. 30, the cathode was used. The above (C2') was used as the electrode.
(A4 ") A carbon paper containing 17 mg of activated carbon per 1 cm 2 by impregnating a carbon sheet with a 10 ml aqueous solution mixed with 4 g of activated carbon for 1 minute.
また、図33及び図34の実験では、外部負荷抵抗を0.51kΩ~140kΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図33に示す実験では、外部負荷が1kΩのときに10.4μW/cm2の最大電力密度が得られた。図30についての実験では、外部負荷が0.51kΩのときに134.6μW/cm2の最大電力密度が得られた。
Further, in the experiments of FIGS. 33 and 34, the output voltage with the passage of time when the external load resistance was changed stepwise in the range of 0.51 kΩ to 140 kΩ was measured, and the result was used to measure the maximum power. The density was calculated.
As a result, in the experiment shown in FIG. 33, a maximum power density of 10.4 μW / cm 2 was obtained when the external load was 1 kΩ. In the experiment with respect to FIG. 30, a maximum power density of 134.6 μW / cm 2 was obtained when the external load was 0.51 kΩ.
図35は、アノード電極に供給する溶液の種類を変えたときの水分解電池の特性を示すグラフである。
図35に示す実験では、アノード電極に、酸である塩化水素(HCl;pH1)と、塩基である水酸化ナトリウム(NaOH;pH13)と、水(pH7)とをそれぞれ供給し、出力電圧を計測した。その結果、出力電圧は、pHに依存して変化しており、これによって水分解によって発電が行われていることがわかった。
FIG. 35 is a graph showing the characteristics of the water splitting battery when the type of the solution supplied to the anode electrode is changed.
In the experiment shown in FIG. 35, hydrogen chloride (HCl; pH1), which is an acid, sodium hydroxide (NaOH; pH13), which is a base, and water (pH7) are supplied to the anode electrode, and the output voltage is measured. bottom. As a result, it was found that the output voltage changes depending on the pH, which causes power generation by water splitting.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、変更することが可能である。本発明は、例えば、以下のように変更することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified within the scope of the invention described in the claims. The present invention can be modified, for example, as follows.
例えば、アノード電極及びカソード電極に含まれる各構成材料の分量は、適宜変更することが可能である。また、アノード電極及びカソード電極の作製方法も適宜変更することができる。 For example, the amount of each constituent material contained in the anode electrode and the cathode electrode can be appropriately changed. Further, the method of manufacturing the anode electrode and the cathode electrode can be appropriately changed.
上記実施形態では、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進する触媒として、フェリシアン化カリウム及びCuCl2を例示したが、これに限定されるものではなく、同様の作用を有する物質を適用することができる。
また、上記実施形態では、筐体として濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。セパレータとして、疎水化処理が施された濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。また、セパレータとして、一般的なプロトン交換膜(PEM)が用いられていてもよい。
In the above embodiment, potassium ferricyanide and CuCl 2 have been exemplified as catalysts for promoting the redox reaction in which oxygen, protons and electrons become water, but the present invention is not limited to this, and substances having the same action can be used. Can be applied.
Further, in the above embodiment, the filter paper is used as the housing, but paper other than the filter paper may be used. As the separator, a filter paper that has been hydrophobized has been used, but paper other than the filter paper may be used. Further, a general proton exchange membrane (PEM) may be used as the separator.
本発明の発電装置は、電気機器を駆動するために発電するものに限らず、他の用途のために発電するものであってもよい。例えば、供給された水分の特性等を発電量に応じて検出するセンサとして機能するものや、有機物を含む排水(廃水)を処理する過程で発電するものであってもよい。 The power generation device of the present invention is not limited to the one that generates electricity for driving an electric device, and may be one that generates electricity for other purposes. For example, it may function as a sensor that detects the characteristics of the supplied water according to the amount of power generation, or may generate power in the process of treating wastewater (wastewater) containing organic substances.
上記実施形態では、発電装置として1槽型の微生物燃料電池を例示したが、2槽型の微生物燃料電池であってもよい。また、本実施形態の発電装置は、乾燥状態で保存されるものに限らず、アノード電極及び/又はカソード電極が配置される領域に水分が存在しているものであってもよい。 In the above embodiment, the one-tank type microbial fuel cell is exemplified as the power generation device, but the two-tank type microbial fuel cell may be used. Further, the power generation device of the present embodiment is not limited to the one stored in a dry state, and may be one in which water is present in the region where the anode electrode and / or the cathode electrode is arranged.
10 :発電装置
11 :筐体
12 :アノード電極
12a :炭素繊維シート材
13 :カソード電極
20 :微生物
30 :シート材
31 :第1外装シート材(第4シート材)
32 :第2外装シート材(第3シート材)
33 :第1内装シート材(第1シート材)
34 :第2内装シート材(第2シート材)
40 :スタンプ
40a :接触面
70 :シート材
71 :第1外装シート材(第1シート材)
72 :第2外装シート材(第3シート材)
73 :内装シート材(第2シート材)
81 :第1シート材
82 :第2シート材
10: Power generation device 11: Housing 12:
32: 2nd exterior sheet material (3rd sheet material)
33: 1st interior sheet material (1st sheet material)
34: 2nd interior sheet material (2nd sheet material)
40:
72: 2nd exterior sheet material (3rd sheet material)
73: Interior sheet material (second sheet material)
81: 1st sheet material 82: 2nd sheet material
Claims (14)
前記シート材に浸透された導電材料を有する電極と、を備え、
前記シート材の前記導電材料が浸透された面とは反対側の面における、前記導電材料が浸透された領域に重複する領域に疎水化処理が施されている、発電装置。 Sheet material that is non-conductor and
With an electrode having a conductive material permeated into the sheet material ,
A power generation device in which a hydrophobizing treatment is applied to a region of the sheet material on a surface opposite to the surface on which the conductive material is infiltrated, which overlaps with a region in which the conductive material is infiltrated .
前記第1シート材と一体でありかつ前記第1シート材との境界で折り曲げられることによって前記第1シート材と重ね合わされる不導体である第2シート材と、
前記第1シート材に、又は、前記第1シート材と前記第2シート材との間に配置されたアノード電極と、
前記第2シート材における前記第1シート材側の面とは反対の面に浸透された導電材料を有するカソード電極と、を備え、
前記第2シート材の前記第1シート材側の面における、前記導電材料が浸透された領域に重複する領域に疎水化処理が施されている、発電装置。 The non-conductor first sheet material and
A second sheet material that is a non-conductor that is integral with the first sheet material and is overlapped with the first sheet material by being bent at the boundary with the first sheet material.
An anode electrode arranged on the first sheet material or between the first sheet material and the second sheet material.
A cathode electrode having a conductive material permeated into a surface of the second sheet material opposite to the surface on the first sheet material side is provided .
A power generation device in which a hydrophobizing treatment is applied to a region of the surface of the second sheet material on the side of the first sheet material that overlaps the region in which the conductive material is permeated .
前記第1シート材と一体でありかつ前記第1シート材との境界で折り曲げられることによって前記第1シート材と重ね合わされる不導体である第2シート材と、
前記第1シート材に、又は、前記第1シート材と前記第2シート材との間に配置されたアノード電極と、
前記第2シート材における前記第1シート材側の面とは反対の面に配置された導電材料を有するカソード電極と、を備え、
前記第2シート材の前記第1シート材側の面における、前記導電材料が配置された領域に重複する領域に疎水化処理が施されている、発電装置。 The non-conductor first sheet material and
A second sheet material that is a non-conductor that is integral with the first sheet material and is overlapped with the first sheet material by being bent at the boundary with the first sheet material.
An anode electrode arranged on the first sheet material or between the first sheet material and the second sheet material.
The second sheet material includes a cathode electrode having a conductive material arranged on a surface opposite to the surface on the first sheet material side .
A power generation device in which a hydrophobizing treatment is applied to a region of the surface of the second sheet material on the side of the first sheet material that overlaps the region in which the conductive material is arranged .
前記シート材の前記導電材料が浸透される面とは反対側の面における、前記導電材料が浸透される領域に重複する領域に疎水化処理を施す、ことを有する、発電装置の製造方法。 An aqueous solution containing a conductive material is adhered to the contact surface of the stamp, and the contact surface is brought into contact with a non-conductive sheet material to allow the aqueous solution to permeate the sheet material.
A method for manufacturing a power generation device, which comprises subjecting a hydrophobizing treatment to a region of the sheet material that overlaps a region in which the conductive material is permeated on a surface opposite to the surface on which the conductive material is permeated. ..
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