(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔膜によって分離されたアノード槽とカソード槽を有する微生物燃料電池であって、
前記アノード槽の構成が、アノード電極並びに液中に油分、電子伝達物質及び油分を分散、分解できる微生物を懸濁した電解質溶液から構成され、
前記カソード槽の構成が、カソード電極及び触媒を溶解させた電解質溶液から構成され、
前記隔膜がイオン透過性隔膜であり、
前記油分が、鉱物油（石油を含む）、石炭を変換して得られる油分、天然ガスやバイオガスを利用して合成した油分及び高分子ポリマーを熱分解処理して得られる油分のうちのいずれか１以上であり、
前記微生物が、糖脂質であるサクシノイルトレハロースリピッド及び／又はマンノシルエリスリトールリピッドを分泌する放線菌ロドコッカス属の細菌であり、
前記油分と前記微生物をあらかじめ混合して、油分を分散させた状態で前記アノード槽に供給される
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、概して微生物燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、油分利用型の微生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策として、効率のよいエネルギーシステムとして燃料電池の開発が進んでいる。現状の燃料電池の直接の燃料は水素であるので、現状で安価にエネルギーとして利用可能な化石燃料である石油や天然ガスを利用する場合は、触媒反応で改質して水素に変換する必要がある。
【０００３】
改質せず直接有機物から電気エネルギーを獲得するための燃料電池システムとして、単糖やアルコールを燃料として、酵素触媒を用いた燃料電池が開発されて注目されている。それら有機物を直接利用できる酵素利用型の燃料電池では、酵素反応による燃料の酸化還元反応のみがエネルギーとして取り出せるので、有機物が燃焼したときに得られるエネルギーと比較して、格段に少ないエネルギーしか取り出せない。
【０００４】
この問題に対しては、特許文献１及び２が開示するように、有機物を複数の酵素系を利用し、有機物を代謝して、エネルギーを得る微生物を、酵素触媒の代わりに用いた微生物燃料電池が検討されている。微生物燃料電池を運転させる上で燃料源とする有機材料の具体例には、主たる材料としては、酢酸等の低分子量カルボン酸、グルコース等のような単糖類やエタノール等の脂肪族アルコールを対象とした検討が開示されており、それらは水に溶解して燃料として利用することを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８８１９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５９１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微生物燃料電池の燃料として利用する有機物は、水溶液または水懸濁試料として、燃料電池に供給するが、例えば、燃料として利用されている糖は、燃料電池に供給する場合に、高濃度の水溶液となると、微生物の代謝活動に悪影響を及ぼすことが懸念される。アルコールでは、さらに、微生物に含まれる酵素活性にダメージを与えることが懸念される。
【０００７】
燃料成分である糖やアルコールなどを水に溶解して燃料とするため、糖やアルコールが本来持つエネルギー密度を低くして適用しなければならず、燃料貯蔵の容器は、その溶解希釈する分が大きな容積となる。
【０００８】
また、それら微生物燃料電池の燃料として利用する有機物は、環境中に普遍的に存在する微生物により容易に分解されうる物質であるので、保管中に環境中から混入した微生物により分解されることが懸念され、それら有機材料を、使用するまでに保管するためには、保管容器などに、環境中からの微生物の混入を防止したり、保管容器・貯蔵容器を事前に殺菌処理したりすること、その保管容器・貯蔵容器に新たに燃料となる有機材料を補給した後も環境中からの微生物の混入を防止あるいは、混入した微生物の殺菌処理が必要であるので、システムとしては、経済的負荷が大きくなる。
【０００９】
上記課題に対して、燃料の有機物として、油分を直接利用できれば、エネルギー密度の課題や、貯蔵保管などの課題に対して有効であると考えられるが、油分は電気絶縁性の物質であり、また、油分中をイオン伝導させることは難しいという別の大きな課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、以下に示す発明を完成するに至った。
【００１１】
〔１〕隔膜によって分離されたアノード槽とカソード槽を有する微生物燃料電池であって、前記アノード槽の構成が、アノード電極並びに液中に油分、電子伝達物質及び油分を分散、分解できる微生物を懸濁した電解質溶液から構成され、前記カソード槽の構成が、カソード電極および触媒を溶解させた電解質溶液から構成され、前記隔膜がイオン透過性隔膜であることを特徴とする微生物燃料電池。
【００１２】
〔２〕前記油分が、石油などの鉱物油、石炭を変換して得られる油分、天然ガスやバイオガスなどを利用して合成した油分、植物動物由来の油分、プラスチックなどの高分子ポリマーを熱分解処理して得られる油分、または、炭化水素を含む油分のうちのいずれか１以上であることを特徴とする前記〔１〕に記載の燃料電池。
【００１３】
〔３〕前記微生物が、前記油分を分解できる微生物、または、油分に含まれる芳香族炭化水素を分解できる微生物、または、それらの混合した微生物であり、
かつ、前記微生物または前記微生物の分泌物が、油分分散機能を有することを特徴とする前記〔１〕または前記〔２〕に記載した微生物燃料電池。
【００１４】
〔４〕前記微生物がロドコッカス属またはゴルドニア属の細菌であることを特徴とする前記〔１〕から前記〔３〕のいずれかに記載の微生物燃料電池。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の微生物燃料電池によれば、燃料として油を用いることができ、かつ、油が持つ化学エネルギーを電気エネルギーとして引き出せるので、燃料である有機物を水に溶解して、水溶液とする操作が不要であり、かつ、エネルギー密度が高い油を利用できるので、燃料電池に燃料を供給するための燃料の保管を行う燃料の貯蔵容器の容積を小さくすることできる。
【００１６】
また、本発明の微生物燃料電池の燃料である油は、糖やアルコールのように、環境中の雑菌により分解、変質することが起きにくく、燃料の保管や、燃料の補給操作などにおいて、滅菌処理や雑菌の除去のための清浄化操作などの特段の管理や操作を行わず、発電を行うことができる。
【００１７】
自動車などの移動体に適用すれば、エンジン起動時にバッテリーなどで起動電力が得られない場合においても、エンジンに用いる油燃料があれば、本発明の微生物燃料電池を用いて、エンジン起動用の電力を得ることができる。
【００１８】
本発明の微生物燃料電池によれば、油を分解する微生物を用いることで、燃料電池の燃料として、石油などの鉱物油、または、石炭を変換して得られる油分、または、天然ガスやバイオガスなどを利用して合成した油分、または、植物動物由来の油分、または、プラスチックなどの高分子ポリマーを熱分解処理して得られる油分や、それら油分に含まれている芳香族炭化水素などの炭化水素など多様な有機物を燃料として利用することができる。
【００１９】
本発明の微生物燃料電池によれば、微生物の油の変換反応を利用するものであるので、常温以下の温度域での発電が可能となり、特段の加温、加熱操作や、それらのための装置、および、熱エネルギーが不要であるので、システム構成がシンプルにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】油利用型微生物燃料電池の模式図である。
【図２】実施例における評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態にかかる微生物燃料電池は、液体燃料としての油を燃料として利用できるものであり、その油分を電解質溶液中に乳化、分散、分解できる微生物を利用するものであって、セルの構造が隔膜によって分離されたアノード槽とカソード槽からなっている。
前記アノード槽には、アノード電極が設置され、液中に油分、電子伝達物質および油分を分解する微生物を懸濁している状態の電解質液が満たされている。
また、前記カソード槽には、カソード電極が設置され、触媒が溶解した状態の電解質液が満たされている。
そして、アノード槽とカソード層は、イオン透過性の隔膜で分離されている。
【００２２】
アノード槽に供給される油分は、石油などの鉱物油、石炭を変換して得られる油分、天然ガスやバイオガスなどを利用して合成した油分、植物動物由来の油分、プラスチックなどの高分子ポリマーを熱分解処理して得られる油分、または、炭化水素を含む油分のうちのいずれか１以上からなっている。
【００２３】
前記油分は、糖やアルコールなどに比較して、環境中の微生物による分解を受けにくく、特に、油分が鉱物油などの飽和炭化水素であれば、保管容器・貯蔵容器の事前の滅菌処理、および、それら容器に、新たに、補給しても、特段の滅菌処理などを必要としない。
【００２４】
該微生物燃料電池に用いる微生物は、油分を乳化し、水中に分散、分解できる微生物であって、好気的に利用できる微生物であっても、嫌気的に利用できる微生物であっても良く、また、１種類の微生物を用いても、複数種類の微生物を用いてもよい。
【００２５】
用いる微生物は、石油などの鉱物油、または、石炭を変換して得られる油分、または、天然ガスやバイオガスなどを利用して合成した油分、または、植物動物由来の油分、または、プラスチックなどの高分子ポリマーを熱分解処理して得られる油分などの油を、または、油に含まれる炭化水素を乳化し、分解できる微生物を用いてもよい。
【００２６】
用いる微生物は、油分分解菌として、土壌細菌であり、乾燥などの過酷な環境条件でも生存するような、ロドコッカス属またはゴルドニア属の細菌であることが好ましい。  
【００２７】
電子伝達物質としては、油分を分解する微生物から電子を受け取りアノードに電子を渡すことができる材料であればよく、具体的には、キノン類化合物や、メチルビオロゲンやメチレンブルーで構成できる。
【００２８】
前記の油分、電子伝達物質および微生物は、電解質液中に懸濁した状態でアノード槽中に存在する。これらのものを懸濁させる電解質溶液は、その液中で微生物が生存して油分を分解することができる電解質溶液であれば問題なく使用できるが、具体的には、リン酸ナトリウム水溶液、リン酸カリウム水溶液、トリス塩酸水等が通常用いられる。
【００２９】
該微生物燃料電池に用いるアノード電極の材料としては、電子伝達物質との接触面積が大きくとれる導電性の材料であればよく、具体的には、炭素材料や金属材料で構成できる。
【００３０】
一方、カソード槽に充填される電解質溶液は、普通アノード槽に用いられる電解質溶液と同じであれば問題なく使用できるが、具体的には、リン酸ナトリウム水溶液、リン酸カリウム水溶液、トリス塩酸水等が通常用いられる。そして、カソード槽の電解質溶液には、プロトン（Ｈ＋）を酸化する酸素を溶存させて置く必要があり、酸素の還元反応速度を増加させるために、触媒を溶解させておくことが好ましい。カソード槽での反応は、酸素が存在すれば触媒が存在しなくても反応はするが、この反応の活性化エネルギーが大きいため極めて遅い速度でしか生じず、電池として使用するためには触媒を添加しておくのが好ましい。
【００３１】
前記触媒としては、隔膜を介して伝導したイオンと、カソード側から供給される電子と反応するものであればよく、その代表的な物質は、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどである。
【００３２】
そして、カソード電極の材料としては、触媒との接触面積が大きくとれる導電性の材料であればよく、具体的には、炭素材料や金属材料で構成できる。
【００３３】
アノード槽とカソード槽を分離する隔膜は、アノード槽電解質液側からカソード槽電解質液側に、プロトンなどの正電荷を持つイオンが通過できる特性を有する材料であればよく、具体的には、ナフィオン(登録商標)などの膜材料で構成することができる。
【００３４】
以上、本発明の微生物燃料電池の具体的な構成を説明したが、続いて、上記構成による微生物燃料電池の動作について説明する。
【００３５】
本発明の微生物燃料電池は、アノード槽に油分、電子伝達物質および微生物を懸濁させた電解質液中を充填し、カソード槽に酸素を溶存させた電解質を充填して、バッチ反応させて燃料電池として作動させることができる。一方、アノード槽とカソード槽にそれぞれの電解質溶液を連続して供給して燃料電池として作動させることができる。
【００３６】
本発明の微生物燃料電池のアノード槽においては、油分は、微生物または、微生物の分泌物など油分乳化、分散能を有する成分により、アノード槽内で電解質溶液中に分散された状態に保たれる。
【００３７】
燃料としての油分を当該微生物燃料電池に供給するに際して、微生物または、微生物の分泌物など油分分散能を有する成分と混合して、あらかじめ、油分を分散させておくことが好ましい。そうすることにより微生物燃料電池の作動開始時間を短縮することができ、より高出力を得ることができる。
【００３８】
一方、油分と微生物を別々にアノード槽に供給しても良い。この場合、油分と微生物は当初は完全に均一状態にはなっていないが、微生物が油分を資化するにつれて本発明に用いる微生物または微生物の分泌物が持つ油分乳化、分散能成分により、油分が電解質溶液中に分散された状態になり、反応が進む。
【００３９】
ここで、油分乳化、分散能を持つ微生物としては前記したロドコッカス属またはゴルドニア属の細菌等があり、微生物の分泌物で油分を分散させる成分としては、サクシノイルトレハロースリピッド、マンノシルエリスリトールリピッド等の糖脂質がある。
【００４０】
さらに、本発明においては、油分が電解質溶液中に均一に分散した状態においては油分の表面を微生物が覆う状態で電解質溶液中に油分が分散されるので、溶液中のイオン伝導を妨げることなく燃料である油分を分散させていることが特徴である。
【００４１】
本発明の微生物燃料電池においては、アノード槽内で燃料として供給された油分が、微生物の細胞内にある酵素を利用して変換され、脂肪酸となり細胞内でβ-酸化経路を経て、アセチルＣｏＡに変換される過程において、ＮＡＤ＋（酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）がプロトンともにＮＡＤＨ（還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）に還元され、電子が得られる。その変換により得られた還元力による電子は、電子伝達物質を介して、アノード電極に渡される。
【００４２】
一方、電子を供与したＮＡＤＨは細胞内でＮＡＤ＋となり、プロトンを放出する。その放出されたプロトンは、濃度勾配により隔膜を構成するイオン透過性膜を透過して、カソード槽内の電解質溶液中に移動する。
【００４３】
以上、アノード槽での電子とプロトンが発生するメカニズムについて述べたが、次にカソード槽での反応について述べる。
【００４４】
アノード槽で発生した電子はアノード電極から外部負荷を通りカソード槽に移動する。一方、プロトンは、隔膜を透過してカソード槽内に移動する。
カソード槽内では、電子、プロトンおよび電解質溶液中の酸素が、４電子還元反応により水となる。
【００４５】
このカソード槽での反応は、触媒を存在させることにより、反応速度を大きくすることができる。
【００４６】
上記したアノード槽内でのプロトンと電子の生成およびカソード槽内でのプロトン、電子と酸素による水の生成により電池回路を形成することができる。
【００４７】
以下、図１を用いて、本発明の微生物燃料電池の一実施形態例をより具体的に説明する。
【００４８】
前記した方法によりアノード槽９内の電解質溶液中に分散した油滴３は、油分を分散、分解できる微生物２によって代謝され、その過程において油分の持つ化学エネルギーはＮＡＤＨなどの酸化還元物質として変換され細胞内に蓄えられる。
アノード槽９内の酸化型電子伝達物質４は、細胞内ＮＡＤＨより、電子を受け取り還元型電子伝達物質５となる。一方、電子を供与したＮＡＤＨは細胞内でＮＡＤ＋となり、プロトンを放出する。放出されたプロトンは、濃度勾配により隔膜を構成するイオン透過性膜を透過して、カソード槽内の電解質溶液中に移動する。
還元型電子伝達物質５は、アノード電極６に接触することで、電極に電子を供与し、再び酸化型電子伝達物質４に戻る。
【００４９】
電子はアノード電極６から外部負荷８を通り、カソード槽１０内電解質溶液中に溶解した触媒であるヘキサシアノ鉄(III)酸イオンをヘキサシアノ鉄(II)酸イオンに還元する。還元されたヘキサシアノ鉄(II)酸イオンは、カソード電極７上で隔膜１を透過したプロトンおよび、カソード槽1０内の電解質溶液中の酸素と反応し水となることで電池回路を形成する。
【実施例】
【００５０】
実施例−油を燃料とする燃料電池の出力
【００５１】
油分分解微生物として、鉱物油と動物植物油を分解できる放線菌ロドコッカス属の細菌であり、かつ、油分を分散させる成分（サクシノイルトレハロースリピッド、マンノシルエリスリトールリピッド等の糖脂質）を培養液中に分泌する細菌を用いた。
【００５２】
セル筐体は、アノード槽容量１０ｍＬ、カソード槽容量１０ｍＬとし、隔膜（ナフィオン１１７，面積を1２ｃｍ２）で二槽を分離するように組み上げた。
【００５３】
アノードおよびカソードの電極材にはカーボンペーパーを使用し、電極表面積を１７．５ｃｍ２とし、各槽に設置した。
【００５４】
電子伝達物質として、メチレンブルーを使用し、アノード槽内にて電解質溶液（５０ｍＭリン酸ナトリウム水溶液，ｐＨ７）に５ｍＭとなるように溶解させた。
【００５５】
油分分解菌であるロドコッカス属菌を菌濃度１０9  ＣＦＵ/ｍｌとなるようにアノード槽内電解質溶液中に懸濁した。
【００５６】
油分分解菌であるロドコッカス属菌を添加した微生物燃料電池の燃料は、植物由来の食用油を用い、アノード槽内に２００ｍg/ｌとなるように添加した。
【００５７】
カソード槽内の電解質溶液（５０ｍＭリン酸ナトリウム水溶液）中にヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを２０ｍＭとなるように溶解させた。
【００５８】
アノード槽内で油分を分散させるため微生物、電子伝達物質、油分を含んだ電解質溶液を5分間攪拌した。
【００５９】
撹拌した３０分後に出力特性を評価した。
【００６０】
燃料電池の発電特性評価としては、ポテンショ-ガルバノスタット（北斗電工  製品  型番ＨＡ−１５１）を用いて、開回路電圧から０．２Ｖまで速度０．５ｍＶ／ｓｅｃで走引してＩ−Ｐ曲線を求めた。
【比較例】
【００６１】
比較例−グルコースを燃料とする燃料電池の出力
比較例として、微生物にパン酵母（サッカロミセス・セレビシエ）を用い、燃料にグルコースを用いた微生物燃料電池の出力結果を図２に併せて示す。
【００６２】
実施例と同じ構成のセル（アノード槽容量１０ｍＬ，カソード槽容量１０ｍＬ、隔膜で分離）を組み上げて、同様に出力特性を評価した。
【００６３】
酵母を添加した微生物燃料電池の燃料は、グルコースを用い、アノード槽内電解質溶液に０．５Ｍとなるように添加した。
【００６４】
パン酵母を菌濃度１０７  ＣＦＵ/ｍｌとなるようにアノード槽内電解質溶液中に懸濁した。
【００６５】
カソード槽内の電解質溶液（５０ｍＭリン酸ナトリウム水溶液）中にヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを２０ｍＭとなるように溶解させた。
【００６６】
アノード槽内で微生物、電子伝達物質、グルコースを含んだ電解質溶液を5分間攪拌した。
【００６７】
撹拌した３０分後に出力特性を評価した。
【００６８】
前記の実施例と比較例の結果を合わせて、図２に油分分解微生物であるロドコッカスを用いた燃料電池のＩ−Ｐ曲線と酵母を用いた燃料電池のＩ−Ｐ曲線を示した。
【００６９】
図２から判るように、油分分解微生物であるロドコッカスを用いた燃料電池は、電気出力が得られるとともに、比較例の酵母の燃料電池と同等の出力特性を示した。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によって提供される燃料電池は、電力を必要する様々な用途に有用である。用途としては、自動車、トラック、オートバイ等の移動体が例示され、特に、起動用のバッテリーが放電して機能しない状態であっても、移動体の燃料タンク内にある油を利用して電力を得て、移動体エンジンの起動に利用できる。
【００７１】
携帯電話、パソコン、オディオプレーヤー、ゲーム機、デジタルカメラなどの電子デバイスを搭載した機器や、住宅用の発電装置・石油利用の燃料電池や船舶・航空機などが例示される。
【００７２】
また、電源供給のための電線を配置することが困難な場所や、遠隔地において、電力を必要とする場所での電力供給が例示される。
【００７３】
また、人体・皮膚表面など４０℃以上の温度では悪影響がでるような場所・箇所での電力供給が例示される。
【符号の説明】
【００７４】
１  隔膜
２  微生物
３  分散した油滴
４  酸化型電子伝達物質
５  還元型電子伝達物質
６  アノード電極
７  カソード電極
８  外部回路
９  アノード槽
１０  カソード槽
【図１】
0005443942.tif 000002
【図２】
0005443942.tif 000003