JP7051082B2 - 発電装置用の電極、及び、発電装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、発電装置の出力の向上を図ることが可能な電極及び発電装置を提供することを目的とする。
本発明の電極は、炭素繊維シート材に導電材料が含まれているので、単に炭素繊維シート材のみの電極よりも電気抵抗を低下させることができ、発電装置の出力の向上を図ることができる。
これにより、電気抵抗の低い電極を構成することができる。
このように炭素繊維シート材にカーボンナノチューブが含まれることによって電極の表面積を拡大させることができ、さらに電気抵抗を低下させることができる。また、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。
このような構成によって、電極に保持された微生物の代謝反応により発電を行う微生物燃料電池を構成することができる。また、電極がカーボンナノチューブを含む場合には、表面積の拡大によってより多くの微生物を保持することができ、出力を高めることが可能となる。
このような構成によって、アノードに含まれる有機物を燃料として発電を行うことができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
12 :アノード電極
12a :炭素繊維シート材
13 :カソード電極
14 :セパレータ
20 :微生物
Claims (5)
- アノード電極と、このアノード電極に電気的に接続されたカソード電極と、前記アノード電極が配置された領域と前記カソード電極が配置された領域とを区画するセパレータと、を備える発電装置であって、
前記アノード電極は、炭素繊維をバインダで接合してなる炭素繊維シート材と、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、
前記アノード電極に、微生物が保持され、
前記アノード電極に、前記微生物によって分解される有機物が含まれている、発電装置。 - 前記アノード電極が、前記導電材料として活性炭を備えている、請求項1に記載の発電装置。
- 前記アノード電極が、前記導電材料としてさらにカーボンナノチューブを備えている、請求項2に記載の発電装置。
- 発電のために水が供給される発電装置用のアノード電極であって、
発電のために供給された前記水を分解する触媒としての活性炭を含む炭素繊維シートを備え、
前記活性炭は、カーボンナノチューブをバインダとして、前記炭素繊維シートに接合されており、
前記発電装置は、微生物燃料電池又は水分解電池である
アノード電極。 - アノード電極と、このアノード電極に電気的に接続されたカソード電極と、前記アノード電極が配置された領域と前記カソード電極が配置された領域とを区画するセパレータと、を備える発電装置であって、
前記アノード電極は、発電のために供給された水を分解する触媒としての活性炭を含む炭素繊維シートを備え、
前記活性炭は、カーボンナノチューブをバインダとして、前記炭素繊維シートに接合されており、
微生物燃料電池又は水分解電池である、発電装置。
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