TW201836200A - 微生物發電裝置 - Google Patents

Abstract

一種微生物發電裝置，係具備具有負極(6)，保持含微生物及電子供給體之液的負極室(4)，以及對該負極室(4)中介著離子透過性非導電膜(2)而隔開，具有接於該離子透過性非導電膜(2)之空氣陰極的正極室(3)；其特徵為前述離子透過性非導電膜(2)為格利值1,000sec/100mL以上之親水性非導電膜。

Description

微生物發電裝置

[0001] 本發明係關於利用微生物的代謝反應之發電裝置。本發明特別關於把有機物讓微生物氧化分解時所得到的還原力作為電能取出之微生物發電裝置。

[0002] 作為使用微生物之發電裝置，在專利文獻1，記載著以接於區劃正極室與負極室的電解質膜的方式，作為正極板設置多孔質體，使空氣流通至正極室，在多孔質體的空隙中使空氣與液接觸者。又，以下，亦把這樣在正極室內使空氣等含氧氣體流通，把氧作為電子接受體利用之正極稱為「空氣陰極」。 　　[0003] 若是使用空氣陰極的微生物發電裝置，不需要陰極液，此外，只要單純使含氧氣體流通至正極室即可，具有沒有必要進行往陰極液中的曝氣之優點。 　　[0004] 於專利文獻2，記載著作為區隔正極室與負極室之離子透過性膜，使用了由非導電性物質構成的紙、織布、不織布、蜂巢成形體、或者格子狀成形體之微生物發電裝置。這樣的離子透過性膜，與離子交換膜相比較是廉價的。 　　[0005] 　　[專利文獻1] 日本特開2004-342412號公報 　　[專利文獻2] 日本特開2009-231229號公報

[0006] 以使用空氣陰極之微生物發電裝置，作成使用數種紙、織布、不織布等在區隔正極室與負極室之離子透過性膜的裝置而運轉時，有可得到高發電量的以及無法得到高發電量的。檢討的結果，得知離子透過性膜的透氣性對於發電性能有影響。要得到高發電量以離子透過性高的膜為佳，但一般離子透過性高的膜也有容易使空氣透過的傾向。離子透過性高而且空氣也容易透過的膜，由陰極透過陽極，正極的空氣(氧)量變多，在陽極，正極會引起好氧反應導致的有機物分解，使發電效率降低。換句話說，發電微生物在缺氣性條件下可以使有機物氧化，但有氧的話無法增殖而是其他好氣性微生物繁殖，所以發電效率下降，最差的場合會有在隔膜或陽極產生/附著以黏泥的疑慮。在此，使用殺菌劑的話雖會除去好氣性微生物，但發電微生物也會受到影響，而且隔膜或電極觸媒會劣化使性能下降，所以最好不要使用殺菌劑。 　　[0007] 本發明，目的在於提供使離子透過性非導電膜的透氣度為適切，可得安定且高的發電量之微生物發電裝置。 　　[0008] 本發明之微生物發電裝置，係具備具有負極，保持含微生物及電子供給體之液的負極室，以及對該負極室中介著離子透過性非導電膜而隔開，具有接於該離子透過性非導電膜之空氣陰極的正極室；其特徵為前述離子透過性非導電膜為格利值1,000sec/100mL以上之親水性非導電膜。 　　[0009] 在本發明之一態樣，前述離子透過性非導電膜，係由非導電性物質所構成的紙、織布、或不織布。 [發明之效果] 　　[0010] 在具備格利值低，亦即空氣容易透過的離子透過性非導電膜的微生物發電裝置，由陰極透過陽極，正極的空氣(氧)量變多，在陽極，正極會引起好氧反應導致的有機物分解，使發電效率降低。另一方面，在具備格利值高，亦即空氣不易透過的離子透過性非導電膜的微生物發電裝置，在陽極，正極難以產生好氣反應，可以使發電反應效率提高。 　　[0011] 在本發明之微生物發電裝置，使用格利值為1,000sec/100mL以上之離子透過性膜，發電效率高。

[0013] 以下，參照圖1詳細說明本發明之微生物發電裝置之實施型態。圖1係顯示本發明之微生物發電裝置的概略構成之模式剖面圖。 　　[0014] 此微生物發電裝置，槽體1內藉由離子透過性非導電膜2區劃正極室3與負極室4。於正極室3內，以接於離子透過性非導電膜2的方式配置正極5。 　　[0015] 於負極室4內，配置由導電性多孔質材料構成的負極6。此負極6，直接或者中介著1～2層程度的微生物之膜而接於格利值1,000sec/100mL以上，較佳為1,000～6,000sec/100mL之離子透過性非導電膜2，離子透過性非導電膜2只要是陽離子交換膜即可，可以從負極6收授質子(H⁺ )到離子透過性非導電膜2。 　　[0016] 正極室3內為空室，從氣體流入口7導入含氧氣體(於本實施型態為空氣)，由氣體流出口8經過排出配管25流出排放氣體。 　　[0017] 在多孔質材料構成的負極6担持著微生物。於負極室4，由流入口4a導入負極溶液L，由流出口4b排出廢液。又，負極室4內為缺氣性。 　　[0018] 負極室4內的負極溶液L透過循環去口9、循環配管10、循環用泵11及循環回口12進行循環。於此循環配管10，設有測定從負極室4流出的液體的pH值之pH計14，同時被連接著氫氧化鈉水溶液等添加鹼用配管13，以使負極溶液L的pH值成為7～9的方式，因應需要而添加鹼。 　　[0019] 在正極室3內產生的凝縮水，由未圖示的凝縮水流出口排掉。 　　[0020] 藉由產生於正極5與負極6之間的起電力，電流透過端子20，22流至外部電阻21。 　　[0021] 藉由在正極室3，通氣以包含氧與二氧化碳與水蒸氣的好氣性生物處理排放氣體，而且因應需要使泵11動作使負極溶液L循環，使得在負極室4內，進行之反應。此電子e^- 經過負極6、端子22H⁺ 、外部電阻21、端子20往正極5流去。 　　[0022] 在前述反應產生的質子，通過離子透過性非導電膜2往正極5移動。在正極5，進行之反應。 　　[0023] 藉由在負極室4進行根據微生物之水的分解反應產生CO₂ ，使pH值降低。在此，較佳為以使pH計14檢測出的pH值成為7～9的方式對負極溶液L添加鹼。此鹼，可以對負極室6直接添加，亦可藉由添加於循環水而使負極室6內之全區域沒有部份偏濃地保持pH值7～9。 　　[0024] 格利值1,000sec/100mL以上之離子透過性非導電膜2，較佳為使用紙、織布或不織布。格利值藉由日本工業標準JIS P8117：2009來測定。格利值，顯示膜的厚度方向之空氣穿透難易度，廣泛使用於表示紙等的透氣度之試驗方法。以施加一定壓力時，透過一定體積(100mL)的空氣所需要的時間(sec)來表示，數值越小表示越容易通過，數值越大表示越難通過。亦即，其數值小者意味著膜的厚度方向之連通性佳，其數值越大者意味著膜的厚度方向之連通性很差。連通性，為厚度方向之孔的連接程度。 　　[0025] 在格利值低，亦即空氣容易透過的離子透過性膜，由陰極透過陽極，正極的空氣(氧)量變多，在陽極，正極會引起好氧反應導致的有機物分解，使發電效率降低。另一方面，在格利值高，亦即空氣不易透過的離子透過性膜，在陽極，正極難以產生好氣反應，可以使發電反應效率提高。 　　[0026] 又，離子透過性膜，係接於包含保持在負極室的微生物及電子供給體之液，為了效率佳地使液中的離子透過至空氣陰極，以具有親水性(容易為水所濕潤，不形成水滴，不撥水)為較佳。例如，以聚烯烴、玻璃、二氧化矽等水之接觸角為90°以下的物質所製成之紙、織布或不織布，或者以前述物質表面加工之膜(紙、織布或不織布)為佳。 　　[0027] 作為構成紙、織布、不織布之非導電性材料，具體而言以聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚醚碸(PES)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、纖維素、醋酸纖維素等為適切。為了使質子容易透過，離子透過性非導電膜以厚度為10μm～1000μm，特別是25～100μm程度之較薄者為佳。 　　[0028] 其次，說明此微生物發電裝置之微生物、負極溶液等以外，負極及正極之適切的材料等。 　　[0029] 藉著使含有於負極溶液L而產生電能的微生物，只要是具有電子供給體的機能者即可，沒有特別限制。例如可以舉出屬於Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及Proteus(Proteus vulgaris)之各屬的細菌、絲狀菌、酵母等。作為含這樣的微生物的汙泥可以把處理下水道等的含有機物水之生物處理槽所得到的活性污泥、由下水道的最初沉澱池之流出水所含有的微生物、嫌氣性消化汙泥等作為植種，供給至負極室，使微生物保持於負極。為了提高發電效率，保持於負極室內的微生物量以高濃度為佳，例如微生物濃度以1～50g/L為佳。 　　[0030] 負極溶液L，使用保持微生物或細胞，且具有發電必要的組成之溶液。例如，進行呼吸系的發電的場合，負極側之溶液，可以利用肉湯培養基(broth medium)、M9培養基、L培養基、Malt Extract、MY培養基、硝化菌選擇培養基等進行呼吸系的代謝所必要的具有能量源或營養素等的組成之培養基。此外，可以使用下水道水、有機性產業廢水、生垃圾等有機性廢棄物。 　　[0031] 負極溶液L中，為了更容易由微生物或細胞取出電子，亦可含有電子介質(mediator)。作為此電子介質，例如可以舉出硫堇(thionine)、二甲基二磺化硫堇、新甲基藍、甲苯胺藍-O等具有硫堇骨架的化合物、2-羥基-1,4-萘醌等具有2-羥基-1,4-萘醌骨架的化合物、亮甲酚藍、花青(gallocyanine)、試鹵靈(resorufin)、茜素亮藍、Phenothiazinone、吩嗪eso硫酸鹽、番紅-O、二氯苯酚靛酚、二茂鐵、苯醌、酞菁、或是芐基紫羅鹼及這些的衍生物等。 　　[0032] 進而，使微生物的發電機能增大的材料，例如維生素C那樣的抗氧化劑、或是僅使微生物中特定的電力傳達系統或物質傳達系統發生作用的機能增大材料溶解的話，可以效率更佳地獲得電力所以較佳。 　　[0033] 負極溶液L因應需要使含有磷酸緩衝液亦可。 　　[0034] 負極溶液L係含有機物者。作為此有機物，只要是藉由微生物分解者即可，沒有特別限制，例如使用水溶性有機物，分散於水中的有機物微粒子等。負極溶液，亦可為下水道水、食品工廠排水等有機性廢水。負極溶液L中的有機物濃度，為了提高發電效率以100～10000mg/L程度之高濃度為佳。 　　[0035] 做為使流通至正極室的氣體以空氣為佳，只要含有氧即可，不以此為限。 　　[0036] 負極，以可以保持多量微生物的方式，採被形成為表面積大空隙多具有通水性的多孔體為佳。具體而言，可以舉出至少表面為粗糙的導電性物質之薄板或者使導電性物質成為氈狀或其他多孔性薄板之多孔性導電體(例如石墨氈、發泡鈦、發泡不銹鋼等)。 　　[0037] 這樣的多孔質的負極直接或者中介著微生物層而抵接於離子透過性非導電膜的場合，可以不使用電子媒質，而以藉著微生物反應產生的電子可跨到負極的方式，不採用電子媒質。 　　[0038] 亦可為層積複數薄片狀導電體之負極。在此場合，層積同種導電體薄板亦可，層積不同種類的導電體薄板彼此(例如石墨氈與具有粗糙面的石墨薄板)亦可。 　　[0039] 負極全體的厚度為3mm以上40mm以下，特別為5～20mm程度為佳。藉由層積薄板構成負極的場合，沿著薄板彼此的貼合面(層積面)使液體流通的方式，使層積面配向於連接液的流入口語流出口的方向上為佳。 　　[0040] 正極，以具有導電性基材，與被担持於該導電性基材的氧還原觸媒為佳。 　　[0041] 作為導電性基材，只要導電性高、耐蝕性高、厚度薄但具有充分的導電性與耐蝕性，進而具有作為導電性基材之機械強度者即可，沒有特別限制，可以使用石墨紙、石墨氈、石墨布、不銹鋼網目、鈦網目等，其中特別有耐久性與加工容易性的觀點來看，以石墨紙、石墨氈、石墨布等石墨系基材為佳，特別是石墨紙更佳。又，這些石墨系基材亦可藉由聚四氟乙烯(PTFE)等氟樹脂來疎水化。 　　[0042] 正極導電性基材的厚度，若是太厚會使氧的透過變差，太薄的話無法滿足基材所必要的強度等要求特性，所以20～3000μm程度為佳。 　　[0043] 作為氧還原觸媒，除了白金等貴金屬以外，由於廉價且觸媒活性良好，以二氧化錳等金屬氧化物為適宜，其担持量以0.01～2.0mg/cm² 程度為佳。 [實施例] 　　[0044] 以下，說明實施例及比較例。 　　[0045] 在以下之實施例與比較例，使用具有以下構造的微生物發電裝置，離子透過性膜使用不同種類的。 　　[0046] ＜微生物發電裝置的構造＞ 　　於7cm×25cm×2cm(厚度)之負極室，重疊2片厚度1cm的石墨氈填充形成負極。對此負極，中介著離子透過性非導電膜形成正極室。正極室為7cm×25cm×0.5cm(厚度)，在以PTFE進行撥水處理的厚度160μm的碳紙(TORAY公司製造)，使5重量百分比之田中貴金屬公司製造的鉑觸媒(擔持鉑的碳黑，含鉑量50重量百分比)分散於Nafion®(登錄商標)溶液(杜邦公司製造)之液體，以附著量成為0.4mg/cm² 的方式塗布，在50℃乾燥而得者作為正極，使與前述膜密接。於負極之石墨氈與正極之碳紙，以導電糊連接不銹鋼線作為電氣拉出線，以2Ω的電阻連接。 　　[0047] 於負極室，維持pH值於7.5，通液以含醋酸1,000mg/L與磷酸及氨的負極溶液。此負極溶液，藉由預先在其他水槽加溫至35℃之後以10mL/min往負極室通液，把負極室的溫度加溫至35℃。又，在負極溶液之通液之前，把其他微生物發電裝置之流出液通液以培植細菌。於正極室，使常溫之空氣以0.5L/min之流量通氣。 　　[0048] 離子透過性非導電膜，如以下所述使用格利值80sec/100mL(比較例1)、600sec/100mL(比較例2)、1200sec/100mL(實施例1)或4500sec/100mL(實施例2)之聚烯烴(聚丙烯)製造的不織布(厚度30～40μm)等4個系列分別運轉了1個月。結果如下所述。 　　[0049] [比較例1] (格利值80sec/100mL) 　　負極溶液開始通液之後起未見到發電量的上升，在1個月的期間，負極室每1m³ 之發電量在0.2～0.5W(0.2～0.5W/m³ )之範圍變遷。 　　[0050] [比較例2] (格利值600sec/100mL) 　　負極溶液開始通液起發電量雖有上升，但5日後達到30W/m³ 之峰值後下降，10日以後變遷10W/m³ 左右之量。 　　[0051] [實施例1] (格利值1,200sec/100mL) 　　負極溶液開始通液起發電量上升，5日後達到200W/m³ 之後，跨越約2周，變遷170～210W/m³ 之量，1個月後也還維持150W/m³ 之量。 　　[0052] [實施例2] (格利值4,500sec/100mL) 　　負極溶液開始通液起發電量上升，7日後達到180W/m³ 後，直到1個月後在160～180W/m³ 之範圍安定變遷。 　　[0053] 由以上結果，可認為藉由使用格利值1,000sec/100mL以上之不織布，可以使高的發電量跨長期間安定地維持。 　　[0054] 以上使用特定的型態詳細地說明了本發明，但對於熟悉該項技藝者而言顯然可以在沒有脫離本發明的意圖與範圍的前提下進行種種的變更。 　　本申請案係根據2017年3月24日提出申請的日本專利申請案特願2017-059220而主張優先權，在此藉由引用而援用其所有內容。

[0055]

1‧‧‧槽體

2‧‧‧離子透過性非導電膜

3‧‧‧正極室

4‧‧‧負極室

5‧‧‧正極

6‧‧‧負極

[0012] 圖1係相關於本發明之一實施型態之微生物發電裝置的剖面模式圖。

Claims (2)

1. 一種微生物發電裝置，係具備具有負極，保持含微生物及電子供給體之液的負極室，以及對該負極室中介著離子透過性非導電膜而隔開，具有接於該離子透過性非導電膜之空氣陰極的正極室；其特徵為 　　前述離子透過性非導電膜為格利值1,000sec/100mL以上之親水性非導電膜。
2. 如申請專利範圍第1項之微生物發電裝置，其中 　　前述離子透過性非導電膜，係由非導電性物質所構成的紙、織布、或不織布。