JP7153742B2 - 生物電気化学システムの電力変換装置 - Google Patents

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Description

本開示は、水を水素と酸素に分解するように、生物電気化学システムの培養媒体中の電気分解を促進する電力変換装置に関する。さらに、本開示は、バイオリアクターチャンバーと、当該チャンバー中の電気分解を促進する電力変換装置とを備える生物電気化学システムに関する。
背景
水素酸化細菌、例えば、化学合成無機独立栄養細菌は、水素をエネルギー源として独立栄養的に成長し二酸化炭素を自身のバイオマスに吸収させることができる。これによって、二酸化炭素、水、栄養を、細菌性バイオマスおよび／またはバイオプラスチックやバイオ燃料等の他のバイオ製品に変換することができる。一般的に、水素酸化細菌を培養する生物電気化学システムは、水素酸化細菌と適切な培養媒体を収容するバイオリアクターチャンバーを備える。水素は外部の供給源からバイオリアクターチャンバーに供給できるが、この方法の問題は、水素の気液物質移動が低いことである。水素の培養媒体への溶解速度を上げるために、バイオリアクターチャンバーのヘッドスペース内の水素分圧を上げることができる。しかし、これによって爆発の危険が高まる可能性がある。なぜなら、例えば大気圧で４％から７４．５％の体積濃度で水素は、空気と一緒になると燃えやすくなるからである。
水素を供給する他の方法として、バイオリアクターチャンバー内のｉｎ ｓｉｔｕ型水電解（in situ water electrolysis）があり、電流を利用して水を水素と酸素に分解する。電流は、培養媒体中に浸漬した電極に供給される。ｉｎ ｓｉｔｕ型水電解によって、水素と酸素は培養媒体内で生成されるため、水素と酸素が不十分に溶解しても問題にはならない。よって、バイオリアクターの自由な設計も可能になり得る。水電解に必要な最低電圧、いわゆる可逆電圧は１．２３Ｖである。補助熱なしで必要な最低電圧は高くなり、周囲条件において例えば１．４３Ｖであり、電解条件に依存する。水電解を促進するのに必要な実際の電圧は、電極間のインピーダンスによる電圧損失のためより高くなる。
しかし、上述のｉｎ ｓｉｔｕ型水電解には問題がある。エネルギー効率の点から、水電解を促進する電圧はできるだけ低く維持されなければならない。しかし、水を水素と酸素に分解する代わりに、細菌に毒性作用をもたらす活性酸素種（Reactive Oxygen Specie：ＲＯＳ）が生成され得るため、電圧が低すぎると細菌の成長に抑制作用が働く可能性がある。活性酸素種には、例えば、過酸化水素、超酸化物、ヒドロキシルラジカルがある。一方、電流が高すぎても成長の妨げになり得る。問題の一つは、充分な水素生成を得るための電流が電極を介して駆動される際の、培養媒体中、特に電極付近における局部電流密度に関する。電流密度の極大値が高いと、培養工程に有害になり、または少なくとも培養工程を乱す可能性がある。
摘要
各実施の形態のいくつかの態様の基本的な理解のため、以下に簡単に摘要を説明する。この摘要は、発明の広範な概要ではない。発明の重要な、または不可欠な要素を特定したり、発明の範囲を明確にしたりするものではない。以下の摘要は、例示的な実施の形態のさらに詳細な説明の導入として、いくつかの概念を簡単に提示しているにすぎない。
本発明は、水を水素と酸素に分解するように、生物電気化学システムの培養媒体中の水の電気分解を促進する新規の電力変換装置を提供する。本発明の電力変換装置は、
・ 前記生物電気化学システムの複数の電極を介して電流を供給する直流端子をそれぞれ有する、少なくとも２つの第１コンバーターと、
・ 外部電力グリッドから各第１コンバーターにエネルギーを供給する第２コンバーターと、
を備える。
前記第１コンバーターはそれぞれ、前記第２コンバーターからエネルギーを受け取る少なくとも１つの電気素子と、前記電気素子の電圧を前記生物電気化学システムに適した電解電圧に変換する少なくとも１つの回路を備える。前記第１コンバーターはそれぞれ、前記生物電気化学システムにエネルギーを供給する際に、他の第１コンバーターから直流的に絶縁される。前記第２コンバーターからエネルギーを受け取る前記電気素子は、例えば、一次巻線が前記第２コンバーターに接続された変圧器の二次巻線でもよい。別の例として、前記電気素子は、対象の第１コンバーターが前記生物電気化学システムにエネルギーを供給していない時に前記第２コンバーターに接続されて、前記第１コンバーターが前記生物電気化学システムにエネルギーを供給する時に前記第２コンバーターから切断される直流電圧エネルギーストレージでもよい。
さらに本発明は、化学合成無機独立栄養細菌等の細菌および／または他の微生物を培養する新規の生物電気化学システムを提供する。本発明の生物電気化学システムは、
・ 前記細菌および／または他の微生物を培養するバイオリアクターチャンバーと、
・ 前記バイオリアクターチャンバーに収容された水を、水電解で水素と酸素に分解する電極と、
・ 本発明の電力変換装置であって、当該電力変換装置の第１コンバーターの１つのみにそれぞれが接続される前記電極を介して直流を供給する電力変換装置と、
を備える。
前記第１コンバーターは、水電解を促進する際に直流的に互いに絶縁されているため、１つの第１コンバーターから別の第１コンバーターに予想外や不要な電流経路が発生することがない。したがって、各第１コンバーターは、他の第１コンバーターの動作を妨害することなく自身の電極を駆動する。
多くの電極対があるため、電極対が１つのみ使用される場合に比べ、低い局部電流密度で充分な水素生成ができる。さらに、電極対が１つのみ使用される場合に比べ、より均一に水素濃度を培養空間に分布できる。上述の第１コンバーターは、水電解を促進する際に直流的に互いに絶縁されているため、各電極対の制御と診断を構成して、培養媒体中の局所差異によって起こり得る問題を克服できる。
適切な数の第１コンバーターを第２コンバーターに接続することで電力変換装置を様々な大きさの生物電気化学システムに適応させるように、本発明の電力変換装置はモジュラー化可能である。必要に応じて２つ以上の第２コンバーターを使用することも可能である。よって、本発明の一部の実施形態による電力変換装置は、大量生産に適したコンバーターユニットを用いて組み立てることができる。
添付の従属請求項には、例示的かつ非限定的な種々の実施形態が記述される。
構成および実施方法の両方に関し、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態は、本発明のさらなる目的および利点とともに、添付の図面と関連して読んだ場合に、具体的な例示的かつ非限定的な実施形態についての以下の説明から理解される。
「備える」および「含む」という動詞は、記載されていない特徴の存在を除外することも必要ともしないというオープンな制限として本文書中で使用されている。添付の従属請求項に記載の特徴は、特に明記しない限り、互いに自由に組み合わせ可能である。さらに、本文書全体を通して、単数形の使用は複数を排除するものでないことが理解されるべきである。
例示的かつ非限定的な実施形態およびその効果は、下記の図面を参照し、例示として以下に詳細に説明される。
本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置を備える生物電気化学システムを示す模式図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置を示す模式図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置を示す模式図である。
例示的実施形態の説明
以下に記載される具体例は、添付の請求項の範囲および／または利用可能性を制限するものと解釈すべきではない。特に明記されていない限り、以下に記載される例の一覧と組は網羅的なものではない。
図１は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置１０１を備える生物電気化学システムを示す模式図である。生物電気化学システムは、化学合成無機独立栄養細菌等の細菌および／または他の微生物を培養するバイオリアクターチャンバー１１３を備える。細菌および／または他の微生物は、例えば二酸化炭素、水、栄養、および／または培養工程で必要な他の物質を含んでもよい培養媒体１１４で培養される。図１において、細菌および／または他の微生物は小さな楕円形で描かれている。生物電気化学システムは、培養媒体１１４に含まれた水を水電解で水素Ｈ２と酸素Ｏ２に分解するための電極１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１２０を備える。細菌および／または他の微生物は、上述の水素をエネルギー源として独立栄養的に成長し二酸化炭素を自身のバイオマスに吸収させることができる。これによって、二酸化炭素、水、栄養を、細菌性バイオマス、および／またはバイオプラスチックやバイオ燃料等の他のバイオ製品に変換することができる。
電力変換装置１０１は、生物電気化学システムの電極のうち２つを介して電流を供給する直流「ＤＣ」端子をそれぞれ有する、第１コンバーター１０２、１０３、１０４を備える。図１において、コンバーター１０２の直流端子は１０５で示す。図１に示した例示的な場合において、コンバーター１０２は電極１１５と１１６に接続され、コンバーター１０３は電極１１７と１１８に接続され、コンバーター１０４は電極１１９と１２０に接続される。電力変換装置１０１はさらに、外部電力グリッド１２５からコンバーター１０２～１０４にエネルギーを供給する第２コンバーター１０６を備える。上記コンバーター１０２～１０４はそれぞれ、コンバーター１０６からエネルギーを受け取る電気素子を有する。図１において、コンバーター１０２の電気素子は１０７で示す。図１に示した例示的な場合において、各コンバーター１０２～１０４の電気素子は、一次巻線１０９がコンバーター１０６に接続された変圧器の二次巻線である。各コンバーター１０２～１０４は、それぞれの二次巻線の電圧を生物電気化学システムに適した電解直流電圧に変換する回路を有する。図１において、コンバーター１０２の回路は１０８で示す。回路１０８は、二次巻線の交流電圧を電解直流電圧に変換する従来技術による制御可能な整流器でもよい。電解直流電圧は、例えば、１．５Ｖから３Ｖに設定できる。回路１０８は、例えば、電解直流電圧を平滑化するためのインダクター・コンデンサー「ＬＣ」フィルターまたはインダクター・コンデンサー・インダクター「ＬＣＬ」フィルターを有してもよい。図１に示すとおり、各コンバーター１０２～１０４が二次巻線を有しているため、コンバーター１０２～１０４は直流的に互いに絶縁される。したがって、コンバーター１０２～１０４の１つから別のコンバーターに予想外や不要な電流経路が発生することがないため、各コンバーター１０２～１０４が他のコンバーター１０２～１０４の動作を妨げることなく自身の電極を駆動する。
図２は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置２０１を示す模式図である。電力変換装置２０１は、生物電気化学システムの電極２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０のうち２つを介して電流を供給する直流「ＤＣ」端子をそれぞれ有する、第１コンバーター２０２、２０３、２０４を備える。図２において、コンバーター２０２の直流端子は２０５で示す。図２に示した例示的な場合において、コンバーター２０２は電極２１５と２１６に接続され、コンバーター２０３は電極２１７と２１８に接続され、コンバーター２０４は電極２１９と２２０に接続される。電力変換装置２０１はさらに、外部電力グリッド２２５からコンバーター２０２～２０４にエネルギーを供給する第２コンバーター２０６を備える。上記コンバーター２０２～２０４はそれぞれ、コンバーター２０６からエネルギーを受け取る電気素子を有する。図２において、コンバーター２０２の電気素子は２０７で示す。図２に示した例示的な場合において、各コンバーター２０２～２０４の電気素子は、バッテリー素子とコンデンサー素子が並列接続された直流電圧エネルギーストレージである。各コンバーター２０２～２０４は、それぞれの直流電圧エネルギーストレージの直流電圧を生物電気化学システムに適した電解直流電圧に変換する回路を有する。電解直流電圧は、例えば、１．５Ｖから３Ｖに設定できる。図２において、コンバーター２０２の回路は２０８で示す。回路２０８は、従来技術の制御可能な直流電圧／直流電圧「ＤＣ／ＤＣ」コンバーターでもよい。回路２０８は、例えば、電解直流電圧を平滑化するためのインダクター・コンデンサー「ＬＣ」フィルターまたはインダクター・コンデンサー・インダクター「ＬＣＬ」フィルターを有してもよい。
各コンバーター２０２～２０４は、対象のコンバーターの直流電圧エネルギーストレージが生物電気化学システムにエネルギーを供給する際に、充電回路２１２から直流電圧エネルギーストレージを切断する第１スイッチシステムを備える。図２において、コンバーター２０２～２０４の第１スイッチシステムは２１０で示す。各コンバーター２０２～２０４は、直流電圧エネルギーストレージが充電回路２１２によって充電される際に、対象のコンバーターの直流端子から直流電圧エネルギーストレージを切断する第２スイッチシステムを備える。図２において、コンバーター２０２～２０４の第２スイッチシステムは２１１で示す。電力変換装置２０１が交互に、第１スイッチシステム２１０が導電性であり第２スイッチシステム２１１が非導電性である充電状態と、第１スイッチシステム２１０が非導電性であり第２スイッチシステム２１１が導電性である電解状態になるように、生物電気化学システムは周期的に動作する。図２に示した例示的な場合において、コンバーター２０２～２０４の直流電圧エネルギーストレージは、充電回路２１２に接続される際に直列接続される。直列接続によって、コンバーター２０６の出力電圧を上げることができる。コンバーター２０６は、電力グリッド２２５の交流電圧を直流電圧エネルギーストレージの直列接続に適した直流電圧に変換する従来技術の制御可能な整流器でもよい。本発明の他の実施形態によれば、直流電圧エネルギーストレージは、充電回路に接続される際には並列接続され、または直列接続された直流電圧エネルギーストレージの並列接続された組または並列接続された直流電圧エネルギーストレージの直列接続された組を構成するように直流電圧エネルギーストレージを配置することができる。適切な接続構造は、コンバーター２０６の電気特性と直流電圧エネルギーストレージの電気特性に依存する。
コンバーター２０２～２０４が電極２１５～２２０を介してエネルギーを供給する際に直流的に互いに絶縁されているため、コンバーター２０２～２０４の１つから別のコンバーターに予想外や不要な電流経路が発生することがない。よって、各コンバーター２０２～２０４が他のコンバーター２０２～２０４の動作を妨げることなく自身の電極を駆動する。
図３は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態の電力変換装置３０１を示す模式図である。電力変換装置３０１は、電極３１５、３１６、３１７、３１８、３１９、３２０のうち２つを介して電流を供給する直流「ＤＣ」端子をそれぞれ有する、第１コンバーター３０２、３０３、３０４を備える。図３において、コンバーター３０２の直流端子は３０５で示す。図３に示した例示的な場合において、コンバーター３０２は電極３１５と３１６に接続され、コンバーター３０３は電極３１７と３１８に接続され、コンバーター３０４は電極３１９と３２０に接続される。電力変換装置３０１はさらに、外部電力グリッド３２５からコンバーター３０２～３０４にエネルギーを供給する第２コンバーター３０６を備える。図３はコンバーター３０２の機能要素を示し、コンバーター３０３と３０４はブロックとして示す。コンバーター３０３と３０４はコンバーター３０２と同様でもよい。
コンバーター３０２は、コンバーター３０６からエネルギーを受け取る２つの電気素子３０７ａ、３０７ｂを有する。図３に示した例示的な場合において、各電気素子３０７ａ、３０７ｂは、バッテリー素子とコンデンサー素子が並列接続された直流電圧エネルギーストレージである。コンバーター３０２は、それぞれの直流電圧エネルギーストレージの直流電圧を生物電気化学システムに適した電解直流電圧に変換する２つの回路３０８ａ、３０８ｂを有する。電解直流電圧は、例えば、１．５Ｖから３Ｖに設定できる。回路３０８ａ、３０８ｂはそれぞれ、従来技術の制御可能な直流電圧／直流電圧「ＤＣ／ＤＣ」コンバーターでもよい。回路３０８ａ、３０８ｂはそれぞれ、例えば、電解直流電圧を平滑化するためのインダクター・コンデンサー「ＬＣ」フィルターまたはインダクター・コンデンサー・インダクター「ＬＣＬ」フィルターを有してもよい。
コンバーター３０２は、スイッチ３１０ａ、３１０ｂを有する第１スイッチシステムを備える。スイッチ３１０ａは、電気素子３０７ａが電極３１５、３１６を介してエネルギーを供給する際に、コンバーター３０６に接続された充電回路３１２から電気素子３０７ａを切断するのに適している。スイッチ３１０ｂは、電気素子３０７ｂが電極３１５、３１６を介してエネルギーを供給する際に、充電回路３１２から電気素子３０７ｂを切断するのに適している。コンバーター３０２は、スイッチ３１１ａ、３１１ｂを有する第２スイッチシステムを備える。スイッチ３１１ａは、電気素子３０７ａが充電回路３１２によって充電される際に、直流端子３０５から回路３０８ａを切断するのに適している。スイッチ３１１ｂは、電気素子３０７ｂが充電回路３１２によって充電される際に、直流端子３０５から回路３０８ｂを切断するのに適している。電気素子３０７ａ、３０７ｂと回路３０８ａ、３０８ｂが電極３１５、３１６を交互に駆動するように、つまり、電気素子３０７ａ、３０７ｂの一方が電極３１５、３１６を介してエネルギー供給しながら他方が充電されるように、コンバーター３０２によって継続して水電解を行うことが可能になる。コンバーター３０６は、電力グリッド３２５の交流電圧を充電中の電気素子に適した直流電圧に変換する従来技術の制御可能な整流器でもよい。
上述の説明における具体例は、添付の請求項の利用可能性および／または解釈を制限するものと解釈すべきではない。特に明記されていない限り、上述の説明における例の一覧と組は網羅的なものではない。

Claims (9)

  1. 生物電気化学システムの電力変換装置（１０１、２０１、３０１）であって、当該電力変換装置は、
    前記生物電気化学システムの複数の電極を介して電流を供給する直流端子（１０５、２０５、３０５）をそれぞれ有する、少なくとも２つの第１コンバーター（１０２～１０４、２０２～２０４、３０２～３０４）と、
    外部電力グリッドから各第１コンバーターにエネルギーを供給する第２コンバーター（１０６、２０６、３０６）と、
    を備え、
    前記第１コンバーターはそれぞれ、前記第２コンバーターからエネルギーを受け取る少なくとも１つの電気素子（１０７、２０７、３０７ａ、３０７ｂ）と、前記電気素子の電圧を前記生物電気化学システムに適した電解電圧に変換する少なくとも１つの回路（１０８、２０８、３０８ａ、３０８ｂ）を備え、
    前記第１コンバーターはそれぞれ、前記生物電気化学システムにエネルギーを供給する際に、他の第１コンバーターから直流的に絶縁されることを特徴とする、生物電気化学システムの電力変換装置。
  2. 前記電気素子（１０７）は、一次巻線（１０９）が前記第２コンバーターに接続された変圧器の二次巻線であり、前記回路は前記二次巻線の交流電圧を前記電解電圧に変換するのに適している、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記電気素子（２０７、３０７ａ、３０７ｂ）は直流電圧エネルギーストレージであり、
    前記第１コンバーターはそれぞれ、前記直流電圧エネルギーストレージが前記生物電気化学システムにエネルギーを供給する際に、前記第２コンバーターに接続された充電回路（２１２、３１２）から前記直流電圧エネルギーストレージを切断する第１スイッチシステム（２１０、３１０ａ、３１０ｂ）と、前記直流電圧エネルギーストレージが前記充電回路によって充電される際に、前記直流端子から前記回路を切断する第２スイッチシステム（２１１、３１１ａ、３１１ｂ）を備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１コンバーターの前記直流電圧エネルギーストレージは、前記充電回路に接続される際に直列接続される、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記直流電圧エネルギーストレージはバッテリー素子を備える、請求項３または４に記載の電力変換装置。
  6. 前記直流電圧エネルギーストレージはコンデンサー素子を備える、請求項３から５のいずれかに記載の電力変換装置。
  7. 前記第１コンバーターはそれぞれ、前記第２コンバーターからエネルギーを受け取る２つの直流電圧エネルギーストレージ（３０７ａ、３０７ｂ）と、前記２つの直流電圧エネルギーストレージの電圧を前記電解電圧に変換する２つの回路（３０８ａ、３０８ｂ）を備え、
    前記第１スイッチシステム（３１０ａ、３１０ｂ）は、対象の直流電圧エネルギーストレージが前記生物電気化学システムにエネルギーを供給する際に、前記充電回路（３１２）から各直流電圧エネルギーストレージを切断するのに適しており、
    前記第２スイッチシステム（３１１ａ、３１１ｂ）は、対象の回路に接続された前記直流電圧エネルギーストレージが前記充電回路によって充電される際に、前記直流端子から各回路を切断するのに適している、請求項３から６のいずれかに記載の電力変換装置。
  8. 前記第１コンバーターはそれぞれ、１．５Ｖから３Ｖの範囲となるように前記電解電圧を制御するように構成された、請求項１から７のいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 微生物を培養するためのバイオリアクターチャンバー（１１３）と、
    前記バイオリアクターチャンバーに収容された水を、水電解で水素と酸素に分解する複数の電極（１１５～１２０、２１５～２２０、３１５～３２０）と、
    請求項１から８のいずれかに記載され、前記電極を介して直流を供給するように構成された電力変換装置（１０１、２０１、３０１）と、
    を備え、
    前記電極はそれぞれ、前記第１コンバーター（１０２～１０４、２０２～２０４、３０２～３０４）の１つのみに接続される、
    生物電気化学システム。
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