(57)【要約】【課題】第１および第２チャンバを画定する電池ハウジングを備える微生物燃料電池を提供することである。【解決手段】本発明に係る微生物燃料電池１０は、バイオマスを含む流体を収容するように構成された第１チャンバ１４および酸素処理した流体を収容するように構成された第２チャンバ１６を画定する電池ハウジング１２と、第２チャンバ１６に挿入された陰極２２と、第１端部から第２端部に延在し外表面を有する整列した複数のファイバ４５を有する電極アセンブリ２０を備え、電極アセンブリ２０は、ファイバ４５の第１端部からファイバ４５の第１および第２端部の中間位置に延在する陽極セグメント１８を備え、陽極セグメント１８は、第１チャンバ１４に挿入され、陽極セグメント１８のファイバ４５の外表面にバイオフィルム５８が取り付けられたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを含む流体を収容するように構成された第１チャンバおよび酸素処理した流体を収容するように構成された第２チャンバを画定する電池ハウジングと、
前記電池ハウジング第２チャンバに挿入された陰極と、
第１端部から第２端部に延在し外表面を有する整列した複数のファイバを有する電極アセンブリを備える微生物燃料電池であって、
前記電極アセンブリは、前記ファイバの第１端部から前記ファイバの第１および第２端部の中間位置に延在する陽極セグメントを備え、
前記陽極セグメントは、前記電池ハウジング第１チャンバに挿入され、前記陽極セグメントの前記ファイバの前記外表面にバイオフィルムが取り付けられたことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の微生物燃料電池において、
前記電極アセンブリは、さらに、前記ファイバの前記第２端部から前記中間位置に延在する結合セグメントを備え、
前記結合セグメントの前記ファイバの前記外表面には、バインダが含浸又は被覆されることを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の微生物燃料電池において、
前記結合セグメントと前記電池ハウジングの間に配置されたシール装置をさらに備え、
前記結合セグメント、シール装置および電池ハウジングが液密境界を画定することを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項４】
請求項２に記載の微生物燃料電池において、
前記電池ハウジング内に配置したプロトン交換膜をさらに備え、
前記プロトン交換膜は、内部を前記第１および第２チャンバに分割することを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の微生物燃料電池において、
バイオマスを含有する第１流体流が流入するように構成された第１チャンバ入口と前記第１流体流が流出するように構成された第１チャンバ出口と、
酸素を含有する第２流体流が流入するように構成された第２チャンバ入口と前記第２流体流が流出するように構成された第２チャンバ出口と、
をさらに備えることを特徴とする微生物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、生物系における化合物の電気分解により動作可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自然環境下で自由に入手可能な生体物質を利用した動力源による電力供給を目的とした技術に関心が寄せられてきた。そのような技術の１つとして、微生物燃料電池（ＭＦＣ）があり、これは有機性廃棄物を分解し、その化学結合エネルギを電気と水素に変換することにより排水をより効率的に処理する手段として開発されてきた。Environmental Science & Technologyの２００４年５月号によれば、アメリカでは４６兆リットルの家庭用排水を処理するのに年間２５０億ドルを費やしている。しかも、主として曝気に必要な電力がアメリカ国内で使用される電力の１．５％を占めている。他国でも同様の統計が見られる。
【０００３】
近年、排水の主成分である有機化合物の化学結合に含まれる化学エネルギを電力源とする微生物燃料電池を使用した電力生成について研究者たちが実現の可能性を示している。特殊陽極、簡素陰極および適切なプロトン交換膜（ＰＥＭ）を備えた実験室規模の微生物燃料電池リアクタを使用して微生物燃料電池の陽極および陰極の濡れ部分を分離し、３０ワット／立方メートルのエネルギ密度を生成した。
【０００４】
この方法では、特殊陽極上のバイオフィルムに生存するバクテリアを使用して有機物を分解し、電子とプロトンに分離する。分離された電子とプロトンは、前者は外部ワイヤにより、後者は一般に電気を通さない物質である電解質による拡散により、陰極とへ移動する。電力生成を行う微生物燃料電池では、プロトンと電子は陰極で酸素と結合して水を生成する。このようにして電子を消費することにより、反応を引き起こす化学結合源（つまり有機性廃棄物）が存在する限り、より多くの電子を陽極から陰極へと移動し続けることができる。
【０００５】
最初の微生物燃料電池では、陽極電極表面積１平方メートル当たり１〜４０ミリワット（ｍＷ／ｍ2）の電力が生成された。近年、研究者たちはこの値を１０倍以上に増加させることに成功し、生活排水の使用では５００ｍＷ／ｍ2まで、グルコースと空気で成る代用排水の使用では１，５００ｍＷ／ｍ2までの範囲で電力生成が可能であることを実証した。この後者の出力密度が実証されたことにより、収益率の高い商用電力生成を可能にする上での技術的要求事項に関して多くの議論が持ち上がった。つまり、この技術を商用規模で魅力あるものとするためには、この出力電力密度を少なくともあと１０倍に高める必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
今日、微生物燃料電池の商用転換にはいくつかの課題が存在する。例えば、現在の実験室規模のプロトタイプで使用する材料は、商用システムでの使用に耐えるほど頑丈、強靭ではない。さらに、実験用の微生物燃料電池は今のところサイズも小さく、低出力密度を補うためには、かなりの大型化が必要であるが、そのためには陽極−陰極間の距離を大幅に広げざるを得ず、それにより陽極から陰極への水素の伝播速度が遅くなり、さらなる効率の低下を招くことになる。商用ベースに乗せるには、出力密度をこれまでの最大達成値８，５００ｍＷ／ｍ2の２倍以上に伸ばす必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、第１および第２チャンバを画定する電池ハウジングを備える微生物燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１チャンバは、バイオマスを含む流体を収容するよう構成している。第２チャンバは、酸素処理された流体を収容するよう構成している。陰極は、電池ハウジング第２チャンバへ延在し、電極アセンブリの陽極セグメントは、電池ハウジング第１チャンバへ延在する。電極アセンブリは、実質的に整列した複数のファイバを有する。陽極セグメントは、ファイバの第１端部からファイバの第１および第２端部の中間位置へと延在する。陽極セグメントのファイバの外表面には、バイオフィルムを取り付けるよう構成している。
【０００９】
また、電極アセンブリは、ファイバの第２端部から中間位置へと延在する結合セグメントを含む。結合セグメントのファイバの外表面には、バインダを含浸又は被覆する。
【００１０】
微生物燃料電池は、結合セグメントと電池ハウジングの間に配置したシール装置をさらに備える。結合セグメント、シール装置および電池ハウジングにより、液密境界が画定される。
【００１１】
電池ハウジング内に配置したプロトン交換膜により、内部を第１および第２チャンバに分割する。
【００１２】
微生物燃料電池は、さらに、バイオマスを含有する第１流体流が流入するよう構成した第１チャンバ入口と、前記第１流体流が流出するよう構成した第１チャンバ出口を備える。また、少なくとも１つの第２チャンバ入口に酸素を含有する第２流体流が流入し、少なくとも１つの第２チャンバ出口から前記第２流体流が流出するよう構成している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態における微生物燃料電池の概略図である。
【図２】図１に示す微生物燃料電池の電極アセンブリの拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を用いて、本発明に係る実施形態における微生物燃料電池１０について以下詳細に説明する。ここで、ファイバとは、所定の導電率を有する非金属ファイバを意味する。また、バインダ、バインダ樹脂又は樹脂とは、ファイバを固定し、１つ以上の機械的又は構造的特徴を提供可能なマトリクス材を意味する。また、バイオマスとは、液体内で懸濁又は溶解したときに電子とプロトンに分離可能な有機物であれば特に限定されない。また、バイオフィルムとは、バイオマスからプロトンと電子を分離可能である媒体又は触媒であれば特に限定されない。
【００１５】
図１は、微生物燃料電池１０の概略図である。電池ハウジング１２は、プロトン交換膜１７により、第１、第２チャンバ１４、１６に分割されている。電極アセンブリ２０の陽極セグメント１８は、第１チャンバ１４の内部に向かって下方へ延在し、陰極２２は、第２チャンバ１６の内部に向かって下方へ延在している。第１チャンバ入口２４は、排水源（図示せず）に接続されており、バイオマス２８を含有する排水流２６が流入する。第１チャンバ出口３０からは、第１チャンバ１４の処理水３２が流出する。第２チャンバ入口３４は、新水源に接続され、酸素処理された新水流３６が流入する。第２チャンバ出口３８からは、第２チャンバ１６から低酸素新水４０が流出する。流出した低酸素新水４０を酸素処理し、第２チャンバ入口３４に再循環してもよい。第１、第２チャンバ１４、１６を分離するプロトン交換膜１７は、第２チャンバ１６内の酸素分子が第１チャンバ１４へ拡散するのを防ぐと共に、プロトンおよび水素分子の通過を可能にする。また、プロトン交換膜１７は、電池１０の第１チャンバ１４内の排水流２６に固形物が存在する場合には、その流出を防ぐ。電極アセンブリ２０および陰極２２から伸びる導電体４２、４２´は、負荷４４に接続され、後述する電気回路を形成する。微生物燃料電池により動力供給される負荷４４は、例えば、排水流および新水流を提供するポンプを含んでもよい。
【００１６】
図２に示すように、ロッド状の電極アセンブリ２０は、第１端部４６から第２端部４８へと伸びる整列した複数のファイバ４５を備える。陽極セグメント１８は、第１端部４６から第１および第２端部４６、４８間に配置した中間位置５２へ延在し、結合セグメント５４は、中間位置５２から第２端部４８へ延在する。結合セグメント５４において、ファイバ４５は、適切なバインダ樹脂５６で浸潤又は被覆されている。陽極セグメント１８において、ファイバ４５は、実質的に非結合の状態にあり、結合セグメント５４から自由に伸びている。ここで、非結合ファイバとは、バインダにより浸潤又は被覆されていない状態のファイバを意味し、各非結合ファイバの外側表面は、非結合ファイバの長さ方向に沿ってバイオフィルムで覆ってもよい。陽極セグメント１８における自由な非結合ファイバ４５の大表面領域は、微生物燃料電池１０の動作中にバイオフィルム５８で被覆される。バイオフィルム５８内のバクテリアと排水流２６内のバイオマス２８との化学反応によりバイオマス２８は分解され、それにより電力が生成される。
【００１７】
例えば、ファイバ４５の本数は、約２〜約１００００本、約１００〜約６０００本、又は約５００本〜約３０００本である。各ファイバ４５は、通常、約１〜１０ミクロンの範囲の直径を有する。陽極セグメント１８における自由な状態のファイバ４５の長さは約１ｃｍ〜１００ｍ以上である。
【００１８】
ファイバ４５としては、一例をあげると、充填剤入り又は無しの紡織繊維、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、第４アンモニウム化合物、窒化ホウ素、イオン性塩および導電性繊維の小片等の適切な導電性フィラーを含有するポリエステル、レーヨン、ポリプロピレンおよびナイロン等の合成繊維などを用いることができる。多くの場合、ファイバには、高伸張性や曲げ強度が要求される。好適なファイバの一例としては、ポリマーマトリクス内に複数の炭素繊維を備えたＣａｒｂｏｎＣｏｎＸ（ゼロックス）がある。この炭素繊維は、単一又は多重壁のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ストランドからなるカーボンナノフィラメントである。
【００１９】
複数のセグメントを有する電極アセンブリ２０は、炭素繊維４５の連続したストランドをバインダ樹脂５６と結合して繊維分の豊富な合成物６０を形成する任意の適切な商用プルトルージョンプロセスを応用することにより形成することができる。一般的に、樹脂注入を行う箇所にプルトルージョン工具を挿入して、ファイバ塊への樹脂の流れを規則的に中断又は中止すると、ファイバ４５は樹脂５６と結合せず、乾燥したファイバ部分が前記工程を通して断続的に発生する。このように、連続したファイバ４５の長さに沿って、乾燥ファイバセグメントにより分離された樹脂浸潤セグメントが規則的に間隔あけて存在し、この乾燥ファイバセグメント部分を切断することにより、図２に示す電極構造を形成することができる。
【００２０】
バインダ５６としては、ポリマー、セラミック、ガラス又はその他適切な非金属を使用可能である。バインダ５６は、通常、ファイバを結合して必要な機械強度を与える熱可塑性又は熱硬化性のポリマーである。バインダ５６としては、一般的に、ファイバ４５の抵抗特性に影響を与えないものを選択する。適切なポリマーとしては、アクリル樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミド、ポリスチレン、ポリスルフォンおよびエポキシなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２１】
電極アセンブリ２０の結合セグメント５４は、固体であるため、結合セグメントと電池１０の壁面間にシール装置５７を配置することにより、このシール装置５７と一体に液体又は流体シールとして機能する。結合セグメント５４の一部は、任意の適切なコーティング手段によって、金、銅、ニッケル、錫、錫／鉛などの適切な金属で被覆してもよい。コーティング手段としては、電気分解メッキ、電解メッキ、真空蒸着、ガス蒸着又はその他蒸着などが挙げられる。また、結合セグメント５４の一部に、柱形状、ピン形状、鋤形状、穴形状など機械的な特徴を持たせることにより、従来の配線４２又は電源回路で一般的に使用される他の回路部材との接続部として使用することができる。
【００２２】
上述のように、電極アセンブリ２０の陽極セグメント１８は、作動時にバイオフィルム５８で被覆される大表面積の繊維状面を備える。バイオフィルム５８は、他のタンパク質に電子を伝達することで知られる特殊な酵素であるシトクロムと呼ばれる鉄還元バクテリアを含んでもよい。しかしながら、一般的には、排水流からのバクテリアは、陽極セグメントに堆積し、導電特性を有するバイオフィルム５８を形成する。バイオマス２８、バイオフィルム５８のバクテリア、および陽極セグメント１８の相互作用によって、電力源が形成される。電気を生み出す微生物燃料電池１０において、電解質膜１７を通るプロトン６２、および外部回路４２、４４、４２´を通る電子６４は、陰極２２にて酸素水流３６により運ばれた酸素と結合して、より多くの水分子を生成する。したがって、既存の電子６４が消費され、より多くの電子６４を回路４２、４４、４２´を通して陽極セグメント１８から陰極２２へと移動し続けることができる。
【００２３】
従来の微生物燃料電池は、出力密度が低く、バイオフィルムから陽極への電子伝達が非常に遅いという問題があることが研究により分かっていた。この低出力密度により微生物燃料電池が生成可能な電力量が制限されていた。単に微生物燃料電池を大型化するだけでは、電力生成を十分に増加することができなかった。出力密度は、主としてバイオフィルムの微生物と陽極面間のインターフェースに左右されるため、バイオフィルムの特性を改善しなければ、この問題を解決することは難しいと考えられてきた。しかしながら、陽極セグメント１８における自由な非結合ファイバ４５により、従来の微生物燃料電池の陽極と比較して、微生物燃料電池１０の大型化を伴わずに利用可能な表面積の著しい拡大が実現する。
【符号の説明】
【００２４】
１０  微生物燃料電池、１２  電池ハウジング、１４  第１チャンバ、１６  第２チャンバ、１８  陽極セグメント、２０  電極アセンブリ、２２  陰極、４５  ファイバ、４６  第１端部、４８  第２端部、５２  中間位置、５８  バイオフィルム。
【図１】
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【図２】
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