WO2009081730A1

WO2009081730A1 - 微生物発電装置

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Publication number: WO2009081730A1
Application number: PCT/JP2008/072385
Authority: WO
Inventors: Tetsuro Fukase; Nobuhiro Orita
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd.
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-07-02
Also published as: CN101897069A; US8828567B2; JP5458489B2; JP2009152091A; KR20100095553A; KR101560425B1; US20100330397A1; CN101897069B

Abstract

　微生物を保持する第１の導電性充填材２１を、通水性を有するブロック状の多孔体（例えば厚さ３～２０ｍｍ程度のグラファイトシート）で構成する。第１の導電性充填材２１はアノード室１１内でその内部形状とほぼ同一形状となるようにすることによりアノード室１１内全体に存在させる。これにより、電子供与体を含みアノード室１１に供給される原液のショートパスを防止し、原液が多孔性の第１の導電性充填材２１を通って微生物に供給されるようにすることによって、アノード室１１全体に微生物が増殖できるようになる。また、好ましくはスペーサ１８のような部材を用いて、アノード室１１とカソード室１２とを隔てる非導電膜１５とカソード室１２に配置される第２の導電性充填材２２とを互いに密着させる。同様に第１の導電性充填材２１も非導電膜１５と密着させることが好ましい。

Description

微生物発電装置

　本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電装置に関する。本発明は特に、有機物を微生物に酸化分解させる際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出す微生物発電装置に関する。

　近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、微生物発電の技術開発も進められている。微生物発電は、微生物が有機物を資化する際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出すことにより発電する方法である。

　一般的に、微生物発電では負極が配置されたアノード室内に、微生物、微生物に資化される有機物を共存させる。また場合によっては、電子伝達媒体（電子メディエータ）は微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。負極は正極と電気的に導通されており、負極に渡された電子は正極に移動して、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が生じ、電気エネルギーが得られる。

　微生物発電では、電子メディエータが微生物体から直接、電子を取り出すため、理論上のエネルギー変換効率は高い。しかし、実際のエネルギー変換効率は低く、発電効率の向上が求められている。そこで、発電効率を高めるため、電極の材料や構造、電子メディエータの種類、および微生物種の選択等について様々な検討および開発が行われている（例えば特許文献１、非特許文献１）。特許文献１では、電子メディエータと結合する化学結合する官能基を導入したアノードを用いることにより、発電効率を向上させる。

特開２００７－９５４７０号公報 P.　Aelterman　er　al.,2006　ENVIRONMENTAL　SCIENCE　&　TECHNOLOGY　vol.40,　No.10　3388-3394

　特許文献１では、微生物が電子供与体（有機物）を酸化する際に生成される電子は、電子メディエータを介してアノードに取り出される。このため、アノード室には、電子供与体のみならず電子メディエータを含む原液を供給する必要がある。また、アノードに官能基を導入する加工が必要であるため、アノードの製造コストが高くなる。よって、コスト増加を招かず発電効率を向上させる新たな技術が求められている。また、メディエータの種類によっては、微生物毒性を有し、微生物反応に悪影響を及ぼす恐れもある。

　本発明者らは、微生物を保持する導電性充填材をアノード室内全体に存在させ、アノード室内で原液がショートパスすることを防止することが、微生物発電の効率向上に寄与することを見出した。また、アノード室とカソード室とを隔てる非導電膜を、アノード室とカソード室とにそれぞれ配置される電極と密着させることで微生物反応により生じる電子およびプロトン（Ｈ^＋）の移動を促進し、発電効率を向上させられることを見出した。具体的には、本発明は以下を提供する。

　（１）　微生物を保持し電子供与体を含む原液が供給されるアノード室と、
　電子受容体が供給されるカソード室と、
　対向する第１の面および第２の面を有し、前記アノード室と前記カソード室との間に配置される非導電膜と、
　前記非導電膜の前記第１の面に密着して広がる凹凸を有する粗面を有し、前記アノード室の内部と略同一形状とされた多孔体で構成され前記アノード室内に配置された第１の導電性充填材と、
　前記非導電膜の前記第２の面と密着して広がる凹凸を有する粗面を有する第２の導電性充填材と、を含む微生物発電装置。
　（２）　前記第１の導電性充填材の前記粗面と前記非導電膜の前記第１の面の間に微生物層が形成され、
　前記原液は前記多孔体内を通って移動して前記微生物層に供給される（１）に記載の微生物発電装置。
　（３）　前記第１の導電性充填材および前記第２の導電性充填材は、それぞれの前記粗面の凹凸が維持された状態で、前記非導電膜に押しつけられ密着させられている（１）に記載の微生物発電装置。
　（４）　前記第１の導電性充填材は、０．０１ｇ／ｃｍ^２以上１００ｇ／ｃｍ^２以下で加圧されて前記非導電膜に密着させられている（３）に記載の微生物発電装置。
　（５）　前記第１の導電性充填材は弾性を有し、前記アノード室内部形状より大きく成形され、圧縮されて前記アノード室に充填される（４）に記載の微生物発電装置。
　（６）　前記非導電膜と前記第１の導電充填材とは、締付部材によって圧接されるか、または前記アノード室内にスペーサを挟み込んで圧接される（４）に記載の微生物発電装置。
　（７）　前記第１の導電性充填材は、フェルト、グラファイト、チタンまたはステンレスの少なくともいずれか一つを材料とする多孔性シート、発泡体または同一の多角形を並べた多孔体のいずれかによって形成される（１）に記載の微生物発電装置。
　（８）　前記第１の導電性充填材は厚さが３ｍｍ以上４０ｍｍ以下の板状に成形された立体である（１）に記載の微生物発電装置。
　（９）　前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトフェルトシートを貼り合わせて構成された積層体である（８）に記載の微生物発電装置。
　（１０）　前記積層体は、導電性接着剤で接着されて貼り合わされる（９）に記載の微生物発電装置。
　（１１）　前記第２の導電性充填材は、板状に形成された立体である（１）に記載の微生物発電装置。
　（１２）　前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体である（１１）に記載の微生物発電装置。
　（１３）　前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体に白金、マンガンまたはコバルトを担持させた立体である（１１）に記載の微生物発電装置。
　（１４）　前記原液は、窒素源およびリン源を含む（１）に記載の微生物発電装置。
　（１５）　前記原液は、電子メディエータを含まない（１４）に記載の微生物発電装置。
　（１６）　前記原液は、有機物濃度１００ｍｇ／Ｌ以上１０，０００ｍｇ／Ｌ以下である（１５）に記載の微生物発電装置。
　（１７）　前記アノード室は、官能基を含まない（１）に記載の微生物発電装置。
　（１８）　前記アノード室は、微生物濃度１ｇ／Ｌ以上の微生物を保持する（１７）に記載の微生物発電装置。
　（１９）　前記アノード室は、前記原液が流入する流入口及び前記原液が流出する流出口を備える一対の壁面を有し、
　複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体から成る前記第１の導電性充填材が、積層面を前記壁面に対して直交するように配置される（１）に記載の微生物発電装置。
　（２０）　前記非導電膜はカチオン透過膜またはアニオン透過膜である（１）に記載の微生物発電装置。

　本発明によれば、微生物発電の発電効率を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の全体模式図。前記微生物発電装置のＸ－Ｘ線での断面図。前記微生物発電装置の一部拡大図。試験に用いた微生物発電装置の構成図。

　以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。以下の図において、同一部材には同一符号を付し、説明を省略または簡略化する。図面は発明の構成を模式的に示すものであり、構成の一部を省略または簡略化しており、寸法も実際の装置とは必ずしも同一ではない。

　図１は、本発明の一実施形態に係る微生物発電装置１の概要を示す斜視図である。図２は発電装置１のＸ－Ｘ線での切断面模式図、図３は、図２の一部拡大図である。発電装置１は、２つのアノード室１１の間に１つのカソード室１２を配置した構成とされている。アノード室１１とカソード室１２の間には、非導電膜１５が配置されている。

　非導電膜１５としては、プロトン選択性の高いカチオン透過膜を好適に使用でき、例えばデュポン株式会社製ナフィオン（登録商標）等が使用できる。非導電膜１５は、薄くて丈夫であることが好ましい。また、アニオン選択性のアニオン透過膜も使用できる。

　各アノード室１１は略直方体状であり、第１の導電性充填材２１が内部に配置されている。第１の導電性充填材２１は、導電性材料（グラファイト、チタン、およびステンレス等）で構成された立体で、アノード室１１内では、その全体形状がアノード室１１の内部とほぼ同一となるようにされている。第１の導電性充填材２１は、厚みが３ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に５～２０ｍｍ程度であることが好ましく、多孔質で、全体に形成された空隙の大きさは直径が０．０１～１ｍｍ程度であることが好ましい。

　このような第１の導電性充填材２１としては、導電性材料で構成された多孔性シート（例えばグラファイトフェルト）、導電性材料で構成された発泡体、導電性材料で構成され同一の多角形（例えば四角形、六角形、八角形等）を並べた形状の多孔性の立体（例えば格子やハニカム）が挙げられる。多孔性シートは、複数枚を導電性接着剤等で接着して第１の導電性充填材２１としてもよい。

　各アノード室１１には、このような第１の導電性充填材２１が配置され、その内部全体に第１の導電性充填材２１を存在させる。第１の導電性充填材１１は、アノード室１１内部形状と実質的に同一の大きさとすることでアノード室１１全体に第１の導電性充填材１１が存在するようにしてもよい。また、グラファイトフェルトのような弾性を有する導電性充填材をアノード室１１内部形状より若干、大きくしてアノード室１１に押し込むようにしてもよい。さらに、アノード室１１より若干、小さな導電性充填材をアノード室１１に配置し、スペーサを隙間に挟み込むことでアノード室１１の内部を狭めることでアノード室１１全体に第１の導電性充填材２１が存在するようにしてもよい。

　第１の導電性充填材２１は、その表面および内部に微生物を保持する。アノード室１１に供給された原液は、多孔性の第１の導電性充填材２１を通ってアノード室１１内を移動し、第１の導電性充填材２１に保持された微生物に電子供与体（有機物）を供給することになる。換言すれば、本発明では導電性充填材２１が存在していない空間を原液が通る現象（ショートパス）が実質的に起こらないように構成されている。

　アノード室１１内では、微生物は主として第１の導電性充填材２１に保持された状態で電子供与体から電子を取り出す微生物反応を行う。このようにショートパスを防止すれば原液が微生物に利用されずに流出することが防止され、原液は多孔性の第１の導電性充填材２１の内部を通って拡散して微生物に供給されるので、微生物発電の効率を上げることができる。

　本実施態様では、４枚のグラファイトフェルト２１Ａ～２１Ｄを張り合わせ、全体としてアノード室１１内とほぼ同じ形状の一枚の板状の多孔体となるようにしたものを第１の導電性充填材２１としている。第１の導電性充填材２１は、非導電膜１５と向かい合う面（以下、「接触面」）２１Ｆが非導電膜１５の第１の面１５Ａと全面に渡って密着させられている。第１の導電性充填材２１の接触面２１Ｆと非導電膜１５の第１の面１５Ａとを全面的に互いに密着させるため、第１の導電性充填材２１は接触面が湾曲しない真っ直ぐな平面をなす平板状であることが好ましい。本実施態様では、最外層にあるグラファイトフェルトの一つであるグラファイトフェルト２１Ｄの片側面が接触面２１Ｆとなっており、その面は湾曲しない平面で粗である。

　第１の導電性充填材２１の接触面２１Ｆと非導電膜１５の第１の面１５Ａとは、軽い圧力（０．０１～１００ｇ／ｃｍ^２程度、特に０．１～１０ｇ／ｃｍ^２程度）がかかった状態で第１の導電性充填材が非導電膜１５に押しつけられるようにして互いに密着されていることが好ましい。例えば第１の導電性充填材２１と非導電膜１５とは、ネジやクリップのような締付部材を用いて圧接してもよい。あるいは、アノード室１１内にスペーサを挟み込んだり第１の導電性充填材２１をアノード室内より若干大きくしてアノード室１１に押し込むようにしたりしてもよい。この程度の圧着であれば、電子供与体の存在下、第１の導電性充填材２１と非導電膜１５との間には十分な量の微生物が付着できる。多孔質で表面が粗な導電性充填材の表面の微小な凹凸が維持された状態で両者が密着されるようにするとさらによい。すなわち、第１の導電性充填材２１と非導電膜１５とを、接着剤のような流動性材料を用いて一体化して（すなわち接着して）導電性充填材の表面の凹凸を埋めることは好ましくない。

　なお、アノード室内に導電性充填材として粒状のグラファイト等を充填すると、アノード室内の導電性充填材料と非導電膜との密着性が確保できず、アノード室内で原液がショートパスしやすくなる。よって、第１の導電性充填材としては、上述したとおりアノード室内においてその内部形状と略同一形状にできる成形物を用いる。ここで成形物には、導電性材料を発泡等させて所定の形状に成型した一体成形物のみならず、複数のシートを積層したような積層物も含まれるとする。

　上記第１の導電性充填材１１が配置されたアノード室１１には、電子供与体として微生物により酸化分解され電子が取り出される有機物（例えば酢酸）を含む原液が供給される。原液は、アノード室１１に形成された流入口から供給され、流入口の反対面に形成された流出口から排出される。

　電子供与体を含む原液としては、電子供与体となる有機物の他、微生物の栄養源である窒素源およびリン源を含むことが好ましい。原液としては、種々の有機性廃棄物や有機性廃水（下水や食品排水等）を利用できる。本発明では、比表面積が大きい導電性多孔体を非導電膜１５と密着させて微生物層を両者間に形成させ、原液が多孔体を通る過程で微生物に有機物（電子供与体）が供給されるように構成している。このような構成とすれば、微生物は電子を直接、負極に渡すと推定され、電子メディエータを不要とすることができる。

　微生物および有機物は特に限定されない。アノード室１１内での微生物反応は嫌気的条件で行うが、アノード室１１に保持される微生物種は特に限定されない。アノード室１１には、下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈殿池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種として供給し、微生物を保持させることができる。また、発電効率を高くするためには、アノード室１１内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１ｇ／Ｌ以上であることが好ましい。さらに、アノード室１１での微生物反応により酸化分解される電子供与体（有機物）もある程度、濃度が高い方が発電効率を高くできるため、アノード室１１に供給する流入液の有機物濃度は１００～１０，０００ｍｇ／Ｌ程度が好ましい。

　有機物は、微生物により酸化され、その際に発生する電子は第１の導電性充填材２１を負極としてアノード室１１外へ取り出される。第１の導電性充填材２１は、上述したとおり、導電性材料で構成された多孔体で、負極として機能する。第１の導電性充填材２１の厚みが３ｍｍ未満であると微生物の保持量が少なくなる。一方、第１の導電性充填材２１の厚みが４０ｍｍを超えると微生物反応で生じたプロトンの移動が律速になる。この結果、微生物発電には寄与しない微生物（硫酸還元菌やメタン発酵菌）がアノード室１１に優占しやすくなるため好ましくない。

　本実施形態では、一つの第１の導電性充填材２１を構成する４枚のグラファイトフェルト２１Ａ～Ｄは、アノード室の、流入口と流出口とが設けられた一対の壁面に対して並列に並んで壁面と直交するように配置されている。よって、流入口から供給された液は、各グラファイトフェルトの表面を伝うように向かい合うグラファイトフェルト同士の間を流れ、同時にグラファイトフェルト内部を通って拡散して微生物に供給される。微生物は、アノード室１１において、流入口から供給され流出口から流出する液中に含まれる有機物を電子供与体とする微生物反応を担う。

　微生物による有機物の酸化分解により得られた電子を取り出すため、各グラファイトフェルト２１Ａ～２１Ｄには、アノード引き出し線２３が接続されている。アノード引き出し線２３は、金属線等の導電性材料で構成される。アノード引き出し線２３は、導通線１７を介して後述するカソード引き出し線２４と電気的に接続されている。この構成により、アノード室１１で生成された電子は、第１の導電性充填材２１、アノード引き出し線２３、導通線１７、およびカソード引き出し線２４を経てカソード室１２に送られる。

　カソード室１２には、正極として機能する第２の導電性充填材２２が配置されている。第２の導電性充填材２２を構成する素材は、電子受容体の種類によって適宜、選択すればよい。例えば、酸素を電子受容体とする場合は白金を用いることが好ましく、例えばグラファイトフェルトを基材として白金、マンガンまたはコバルトを坦持させるとよい。電子受容体とする物質の種類によっては安価なグラファイト電極をそのまま（つまり、白金等の触媒金属を担持させずに）正極として使用してもよい。

　第２の導電性充填材２２にはカソード引き出し線２４が接続されている。また、第２の導電性充填材２２は、非導電膜１５の第２の面１５Ｂと全面に渡って密着させられている。第２の導電性充填材２２は、非導電膜１５に面する面が粗で第２の面１５Ｂに密着するよう、第１の導電性充填材２１と同様に湾曲しない真っ直ぐな平面を有する平板状であることが好ましい。本実施態様では、第２の導電性充填材２２は、一枚のグラファイトフェルトで構成され、その厚さは２～５ｍｍ、特に３ｍｍ程度であり、第２の導電性充填材２２に面する面は、微小な凹凸を有する粗な面で、湾曲しない平面である。

　第２の導電性充填材２２は、非導電膜１５とできるだけ密に接していることが好ましい。第２の導電性充填材２２と非導電膜１５とを密着させることで、非導電膜１５を介してアノード室１１からＨ^＋を移動させてカソード室１２で還元する反応を促進できる。第２の導電性充填材２２と非導電膜１５とを密着させるため、両者を締付部材で挟んで密着させてもよく、溶着や接着剤の塗布等によって接着してもよい。また、カソード室１２内にスペーサを挟み込んだり、第２の導電性充填材２２をアノード室内より若干大きくしてカソード室１２に押し込むようにしたりしてもよい。カソード室１２での還元反応は微生物反応を利用して行ってもよいが、微生物を利用しない場合は、カソード室１２に微生物を保持する必要がない。このため、第２の導電性充填材２２は接着剤等を用いて非導電膜１５と接着してもよい。

　第２の導電性充填材２２は、少なくとも非導電膜１５と接する面が微小な凹凸が形成された粗面であることが好ましい。導電性材料で構成された多孔体（例えばグラファイトフェルト）は、全体に空隙が形成され表面は空隙由来の微小な凹凸のある粗面であり、正極溶液が多孔体内部を通って拡散するため、第１の導電性充填材２１としてのみならず第２の導電性充填材２２としても好適に使用できる。

　本実施態様では、カソード室１２には電子受容体としてヘキサシアノ酸鉄（ＩＩ）カリウム（フェリシアン化カリウム）を含む液（正極溶液）を供給することとし、正極として機能する第２の導電性充填材２２としては、グラファイトフェルトを使用している。電子受容体としては他にマンガン、鉄、および硝酸等を用いてもよく、この場合もカソードとしてはグラファイトフェルトのような多孔性のグラファイトを使用するとよい。

　アノード室１１では、電子供与体となる有機物と、好ましくは微生物の栄養源とを含む原液を供給し、アノード室１１内の液のｐＨを７以上９以下に維持して微生物反応により電子とプロトンとを生成させる。アノード室１１の温度条件は常温から中高温、具体的には１０℃～７０℃程度とすることが好ましい。電子供与体として酢酸が用いられる場合であれば、下記化学式に示す反応により二酸化炭素、Ｈ^＋、および電子が生成される。
[化学式１]
ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋２Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ_２＋８Ｈ^＋＋８ｅ^－

　生成されたＨ^＋は、カチオンを透過させる非導電膜１５を通ってカソード室１２に移動させる。一方、カソード室１２には、正極溶液として電子受容体（例えばフェリシアン化カリウム）を１０～２００ｍＭ程度、含み、リン酸バッファを含む液を供給し、電子とプロトンと電子受容体とを反応させる。カソード室１２には正極溶液に代えて酸素を含むガスを通気してもよく、リン酸バッファを充填して酸素を吹き込んで酸素を電子受容体として電子およびプロトンと反応させてもよい。

　電子受容体としてフェリシアン化カリウムを用いる場合は、カソード室１２では下記化学式による還元反応により電子とプロトンが消費される。
[化学式２]
８Ｆｅ（ＣＮ）_６ ^３－＋８ｅ^－＋８Ｈ^＋→８ＦｅＨ（ＣＮ）_６ ^３－

　正極として例えば白金を使用する等して酸素を電子受容体とするような場合であれば、下記化学式による還元反応を行わせてもよい。
[化学式３]
２Ｏ_２＋８Ｈ^＋＋８ｅ^－→４Ｈ_２Ｏ

　このような反応によりアノード室１１で生成された電子は負極として機能する第１の導電性充填材２１から取り出され、アノード引き出し線２３とカソード引き出し線２４とを介して第２の導電性充填材２２側に送られる。この過程で第１の導電性充填材２１（負極）と第２の導電性充填材２２（正極）との間に電流が流れ、発電することができる。

［実施例１］
　実施例１として図４に示す微生物発電装置２を作成した。発電装置２は、２つの正極用第２の導電性充填材２２で１つの負極用の第１の導電性充填材２１を挟む構成とし、全体で容積１０５０ｍＬ、アノード室１１の容積は７００ｍＬ、各カソード室１２の容積は１７５ｍＬとした。発電装置２には、アノード室１１からの排出液を循環させる循環槽を備える循環路３０を設け、循環路を流れる液のｐＨを調整するｐＨ調整手段３１を設置して、アノード室１１内の液のｐＨが７以上９以下に保たれるようにした。ｐＨ調整手段３１としては、アルカリ注入装置を用いた。

　第１の導電性充填材２１は、発電装置１と同様に厚さ１ｃｍのグラファイトフェルト（東洋カーボン株式会社製）４枚を導電性接着剤で張り合わせて構成した。接着剤は、グラファイトフェルトの面に部分的に（面全体の１０％程度）に塗布すること（いわゆる「ベタ塗り」を避けること）で、互いに向かい合うグラファイトフェルトの面の微小な凹凸が接着剤で埋められてしまわないようにした。

　各グラファイトフェルトは大きさが２５０ｍｍ×７０ｍｍの長方形状であり、両表面は粗面である。第１の導電性充填材２１は全体の体積が７００ｃｍ^３で、アノード室１１内とほぼ同一形状とされ、アノード室１１内には空間が実質的に存在しない。よって、アノード室１１に供給された液は第１の導電性充填材２１を通って流れ、ショートパスは実質的に起こらない。アノード室１１には種菌として下水処理場の生物処理槽から採取した活性汚泥を添加して培養し各グラファイトフェルト表面に微生物を付着させた。これにより、アノード室１１内には４層のグラファイトフェルト層と５層の微生物層１６とが形成され、アノード１１室内の微生物濃度は約２，２００ｍｇ／Ｌであった。

　一方、正極用の第２の導電性充填材２２はそれぞれ、厚さ３ｍｍのグラファイトフェルト１枚で構成した。第２の導電性充填材２２は、厚さが異なる以外は負極用のグラファイトフェルトと同様の構成であり、両表面は粗面である。

　負極用の第１の導電性充填材２１と正極用の第２の導電性充填材２２との間には非導電膜１５としてカチオン透過膜（デュポン株式会社製　商品名「ナフィオン」）を配置した。アノード室１１には厚さ５ｍｍのハニカムスペーサ（図では省略）を入れ、第１の導電性充填材２１を非導電膜１５に押しつけるようにして非導電膜と密着させた。第２の導電性充填材２２も、厚さ５ｍｍのハニカムスペーサ１８を用いて第２の導電性充填材２２を非導電膜１５に押しつけるようにして非導電膜１５と密着させた。

　カソード室１２には、第２の導電性充填材２２の表面のうち非導電膜１５と接する側と反対側に、正極溶液が通液される液室２６を設けた。液室には、電子受容体として５０ｍＭのフェリシアン化カリウムとリン酸バッファとを含む正極溶液を７０ｍＬ／ｍｉｎの流入量となるように供給した。一方、アノード室１１には、１，０００ｍｇ／Ｌの濃度の酢酸と、５０ｍＭの濃度のリン酸バッファ、および塩化アンモニウムとを含む原液を７０ｍＬ／ｍｉｎの流入量で供給した。

　第１の導電性充填材２１にはアノード引き出し線２３を接続し、第２の導電性充填材２２にはカソード引き出し線２４を接続し、アノード引き出し線２３とカソード引き出し線２４とを電気的に導通させた。アノード引き出し線２３とカソード引き出し線２４とはステンレス製針金で構成した。

　上記条件で微生物発電を行ったところ、発生した電圧は３１０ｍＶ、電流は１１２０ｍＡであった。すなわち、アノード単位容積当りの発電量は、４９６Ｗ／ｍ^３であった。このとき、回路の抵抗は、０．５Ωであった。

［実施例２］
　実施例２では、実施例１で用いた第１の導電性充填材の代わりに、１枚のグラファイトフェルト（厚さ３ｍｍ）を単独で第１の導電性充填材として用いた。これに合わせ、アノード室１１の大きさを５２．５ｍＬにして第１の導電性充填材として用いるグラファイトフェルトがアノード室全体に充填されるようにした。その他の条件は実施例１と同じにして微生物発電を行ったところ、発生した電圧は３０５ｍＶ、電流は６１０ｍＡであった。このとき、回路の抵抗は、０．５Ωであった。

［比較例１］
　比較例１として、実施例２で用いた厚さ３ｍｍのグラファイトフェルト１枚を容積７００ｍＬのアノード室（実施例１のアノード室と同じ大きさのアノード室）に配置した。また、第２の導電性充填材と非導電膜とを挟むスペーサを取り外した。その他の条件は実施例１と同じにして微生物発電を行ったところ、発生した電圧は３１０ｍＶ、電流は１５．５ｍＡであった。このとき、回路の抵抗は、２０Ωであった。

　上述した通り、本発明によれば、微生物を利用して高い発電効率で発電できることが示された。

　本発明は、微生物を利用した発電に用いることができる。

Claims

　微生物を保持し電子供与体を含む原液が供給されるアノード室と、
　電子受容体が供給されるカソード室と、
　対向する第１の面および第２の面を有し、前記アノード室と前記カソード室との間に配置される非導電膜と、
　前記非導電膜の前記第１の面に密着して広がる凹凸を有する粗面を有し、前記アノード室の内部と略同一形状とされた多孔体で構成され前記アノード室内に配置された第１の導電性充填材と、
　前記非導電膜の前記第２の面と密着して広がる凹凸を有する粗面を有する第２の導電性充填材と、を含む微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材の前記粗面と前記非導電膜の前記第１の面の間に微生物層が形成され、
　前記原液は前記多孔体内を通って移動して前記微生物層に供給される請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材および前記第２の導電性充填材は、それぞれの前記粗面の凹凸が維持された状態で、前記非導電膜に押しつけられ密着させられている請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材は、０．０１ｇ／ｃｍ^２以上１００ｇ／ｃｍ^２以下で加圧されて前記非導電膜に密着させられている請求項３に記載の微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材は弾性を有し、前記アノード室内部形状より大きく成形され、圧縮されて前記アノード室に充填される請求項４に記載の微生物発電装置。
　前記非導電膜と前記第１の導電充填材とは、締付部材によって圧接されるか、または前記アノード室内にスペーサを挟み込んで圧接される請求項４に記載の微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材は、フェルト、グラファイト、チタンまたはステンレスの少なくともいずれか一つを材料とする多孔性シート、発泡体または同一の多角形を並べた多孔体のいずれかによって形成される請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記第１の導電性充填材は、厚さが３ｍｍ以上４０ｍｍ以下の板状に成形された立体である請求項１に記載の微生物発電装置。
前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトフェルトシートを貼り合わせて構成された積層体である請求項８に記載の微生物発電装置。
　前記積層体は、導電性接着剤で接着されて貼り合わされる請求項９に記載の微生物発電装置。
　前記第２の導電性充填材は、板状に形成された立体である請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体である請求項１１に記載の微生物発電装置。
　前記立体は、多孔性グラファイトの一体成形体、または複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体に白金、マンガンまたはコバルトを担持させた立体である請求項１１に記載の微生物発電装置。
　前記原液は、窒素源およびリン源を含む請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記原液は、電子メディエータを含まない請求項１４に記載の微生物発電装置。
　前記原液は、有機物濃度１００ｍｇ／Ｌ以上１０，０００ｍｇ／Ｌ以下である請求項１５に記載の微生物発電装置。
　前記アノード室は、官能基を含まない請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記アノード室は、微生物濃度１ｇ／Ｌ以上の微生物を保持する請求項１７に記載の微生物発電装置。
　前記アノード室は、前記原液が流入する流入口及び前記原液が流出する流出口を備える一対の壁面を有し、
　複数の多孔性グラファイトシートを貼り合わせて構成された積層体から成る前記第１の導電性充填材が、積層面を前記壁面に対して直交するように配置される請求項１に記載の微生物発電装置。
　前記非導電膜はカチオン透過膜またはアニオン透過膜である請求項１に記載の微生物発電装置。