(57)【要約】【課題】対象となる有機性排水に有用な微生物種の選定とその増殖促進が可能になり、微生物燃料電池としての能力を安定化することができる微生物燃料電池の測定方法、安定化方法および駆動方法、並びに微生物燃料電池を提供することにある。【解決手段】排水処理漕３内の汚泥含有水９に参照電極３１とアノード３２と対極３３を浸漬し、これらの電極にポテンシオスタット３０を接続する。そして、アノード３２にポテンシオスタット３０から電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、汚泥含有水９に含まれる有用微生物種を特定する。また、その有用微生物種からの電子移動に関わる電位にアノード３２の電位を維持する。その後、有用微生物種が十分増殖した段階で、ポテンシオスタット３０からアノード３２を電気的に切り離し、カソード６とアノード３２を接続し、発電する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水処理漕内の汚泥含有水に浸漬したアノードと、それに接続されるカソードを備える微生物燃料電池の測定方法であって、
前記アノードの近傍に設けられる参照電極と、
前記アノードに対向して設けられる対極と、
前記アノード、参照電極および対極に接続されるポテンシオスタットとを備え、
前記アノードに対して前記ポテンシオスタットから電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、前記汚泥含有水に含まれる微生物であって微生物燃料電池の駆動に供する有用微生物種からの電子移動に関わる電位を測定する、微生物燃料電池の測定方法。
【請求項２】
排水処理漕内の汚泥含有水に浸漬したアノードと、それに接続されるカソードを備える微生物燃料電池の安定化方法であって、
前記アノードの近傍に設けられる参照電極と、
前記アノードに対向して設けられる対極と、
前記アノード、参照電極および対極に接続されるポテンシオスタットとを備え、
前記アノードに対して前記ポテンシオスタットから電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、前記汚泥含有水に含まれる微生物であって微生物燃料電池の駆動に供する有用微生物種からの電子移動に関わる電位を測定し、
前記アノードの電位を該電位のうちから選択した一の電位に維持する、微生物燃料電池の安定化方法。
【請求項３】
請求項２において前記アノードおよびカソードの接続間に設けられる第一のスイッチと、
前記ポテンシオスタットおよびアノードの接続間に設けられる第二のスイッチとを更に備え、
前記第一のスイッチをＯＮ、前記第二のスイッチをＯＦＦとするときに、発電が可能となる微生物燃料電池の駆動方法。
【請求項４】
排水処理漕内の汚泥含有水に浸漬したアノードと、それに接続されるカソードを備える微生物燃料電池の安定化方法であって、
前記アノードの近傍に設けられる参照電極と、
前記アノードおよび参照電極に接続される直流電源とを備え、
前記アノードに対して前記直流電源から電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、前記汚泥含有水に含まれる微生物であって微生物燃料電池の駆動に供する有用微生物種からの電子移動に関わる電位のうちから選択した一の電位に維持する、微生物燃料電池の安定化方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の微生物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微生物燃料電池は、燃料として有機性排水などの溶液中の有機物を使用し、アノードとカソードを備える各々の室と、それら電極間に対し、微生物の代謝作用により生じた電子を移動させることで発電を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１に示すように、従来の微生物燃料電池１００は、一般的には反応槽１（汚泥含有水９が充填されている排水処理槽（兼アノード室）３と水１０が充填されているカソード室４からなる）と、プロトン交換膜（ＰＥＭ）２と、アノード５と、カソード６と、負荷抵抗８を含む導線７の外部回路と、ブロワ１１で構成されている。
【０００４】
従来の微生物燃料電池１００は、ＰＥＭ２によって反応槽１が排水処理槽（兼アノード室）３とカソード室４に二分され、各々の室の充填液にアノード５とカソード６を浸漬させている。排水処理槽（兼アノード室）３には、燃料となる有機性排水などの溶液中の有機物と、それを摂食する微生物１２が混在した汚泥含有水９が充填されている。また、カソード室４には水１０が充填されており、ブロワ１１により酸素がカソード室４に供給されるしくみになっている。更に、カソード室４にフェリシアン化物等を添加する、または、水溶液中の酸素ではなく空気中の酸素をカソードに直に晒す等の工夫を加えたタイプもあるが、ここでは上記の一般的なタイプで説明する。
【０００５】
排水処理槽（兼アノード室）３の汚泥含有水９に含まれる微生物１２は、同液中に混在する有機物を摂食し分解するが、その代謝過程で細胞内に電子１４が生成する。この電子１４を何らかの方法で、細胞外の外部電極であるアノード５に移し、更に自然進行的に細胞から排出されるプロトン１５をＰＥＭ２を介してカソード６（Ｐｔ等の触媒を含有させることが多い）に移すことで、
（１）アノード５から外部回路を経由してカソード６に到着した電子１４と、
（２）排水処理槽（兼アノード室）３の液中からＰＥＭ２を通過して、カソード６に辿り着いたプロトン１５と、
（３）カソード６に供給される酸素と、
が反応し、Ｈ２Ｏを生成するルートが形成されることで、発電が行われる。
これが一般的な微生物燃料電池の原理である。
【０００６】
ただし、排水処理槽（兼アノード室）３内での有機物分解反応に伴い微生物細胞内で生成した電子は、一般的には細胞内で（酸素等の電子受容体等に）消費され、細胞外には排出されないことから、従来は、細胞内外を自由に移動可能な電子メディエーター１３（例えば、ニュートラルレッド・チオニン等）を人為的に添加することで、強制的に細胞内電子をアノード５に移送させる方法を用いることが多かった。しかし、このような電子メディエーター１３は、毒性を有したり、高価であったりすることから、スケールアップには不向きであるといわれてきた。
【０００７】
そして、その後の研究で、微生物種によっては、細胞外の外部電極に直接的に電子を移動させることが可能なことが発見され、現在では、多くの種（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ属、
Ｇｅｏｂａｃｔｏｒ属など）にその能力があることが報告されている。また、その能力の大小を無視すれば、特に限定された地域・場所ではなく、広範囲に生息する種も存在することが明らかとなり、図２に示すような電子メディエーターレスタイプの微生物燃料電池の研究も盛んに行われるようになってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１３３３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの微生物燃料電池に関する従来の技術報告はいずれも実験室レベルの技術に関するものであり、実規模の下水・排水施設への適用例はほとんど報告されていない。そのため、実規模レベルへのスケールアップに当たっては、今後さまざまな課題が浮上することが予想される。その中でも特に重要課題として挙げられるのは、以下の３点である。
（１）排水種に応じた適正な微生物種の選定が難しいこと
（２）装置設置後のスタートアップや、メンテナンス後の再起動時等の過渡期には所定の発電能が現れず、安定した発電効率が得られるまでには相当の期間を要すること
（３）急激な処理条件の変化に伴い、発電効率が不安定になること
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、そのための微生物燃料電池の測定方法、安定化方法および駆動方法、並びに微生物燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕
本発明の微生物燃料電池の測定方法は、上記の課題を解決するために、排水処理漕内の汚泥含有水に浸漬したアノードと、それに接続されるカソードを備える微生物燃料電池の測定方法であって、前記アノードの近傍に設けられる参照電極と、前記アノードに対向して設けられる対極と、前記アノード、参照電極および対極に接続されるポテンシオスタットとを備え、前記アノードに対して前記ポテンシオスタットから電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、前記汚泥含有水に含まれる微生物であって微生物燃料電池の駆動に供する有用微生物種からの電子移動に関わる電位を測定することを特徴としている。
【００１２】
〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法〕
また、本発明の微生物燃料電池の安定化方法は、上記の課題を解決するために、排水処理漕内の汚泥含有水に浸漬したアノードと、それに接続されるカソードを備える微生物燃料電池の安定化方法であって、前記アノードの近傍に設けられる参照電極と、前記アノードに対向して設けられる対極と、前記アノード、参照電極および対極に接続されるポテンシオスタットとを備え、前記アノードに対して前記ポテンシオスタットから電圧を印加し、該電圧を変化させることにより得られるボルタモグラムのピーク波形から、前記汚泥含有水に含まれる微生物であって微生物燃料電池の駆動に供する有用微生物種からの電子移動に関わる電位を測定し、前記アノードの電位を該電位のうちから選択した一の電位に維持することを特徴としている。
【００１３】
また、前記〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕を行う際には、アノード‐カソード間に介在する第一スイッチ３４をＯＦＦすることによりアノード‐カソード間を電気的に遮断し、第二スイッチ３５のみをＯＮにすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕により、
ａ）対象となる有機性排水に適した有用微生物種の存在確認とその選定
が可能となる。
【００１５】
また、この発明による前記〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法〕により、
ｂ）有用微生物種のアノード室での増殖促進によるスタートアップ・再起動時間の短縮
ｃ）急激な処理条件の変化に伴う発電効率の不安定性解消
が可能となる。
【００１６】
また、〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法〕により、以下の更なる効果をも奏する。
ｄ）有機物除去能制御（電極間での電子移動のコントロールによる）
ｅ）汚泥発生量の低減（有機物除去能の制御による）
ｆ）カソード室での有用微生物増殖促進（アノードだけでなくカソードでも微生物を反応触媒として利用する場合）
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の微生物燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】従来の微生物燃料電池の構成を示す第二の形態の断面図である。
【図３】この発明の第一の実施の形態における微生物燃料電池の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の第二の実施の形態における微生物燃料電池の構成を示す断面図である。
【図５】この発明により得られるボルタモグラムの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕
まず、排水種に応じた適正な微生物種を選定するための測定方法について説明する。
図３は、本発明の第一の実施形態における微生物燃料電池３００の概念図である。図３に示すように、本発明の第一の実施形態における微生物燃料電池３００は、反応槽１（汚泥含有水９が充填されている排水処理槽（兼アノード室）３と水１０が充填されているカソード室４からなる）と、プロトン交換膜（ＰＥＭ）２と、参照電極３１と、アノード兼作用極３２と、カソード６と、負荷抵抗８を含む導線７の外部回路と、ブロワ１１と、ポテンシオスタット３０と、第一スイッチ３４と、第二スイッチ３５とで構成されている。
【００２０】
微生物燃料電池の排水処理槽（兼アノード室）３内に連続的に供給される有機性排水と微生物が混在した汚泥含有水９（微生物燃料電池の構成によってはＰＥＭレスで、アノード室とカソード室に分かれていないものもあるが、その場合はアノード近傍の汚泥含有水で構わない）に、第二スイッチ３５をＯＮにし、かつ、第一スイッチ３４をＯＦＦにした状態で、ポテンシオスタット３０に接続されたアノード兼作用極３２、対極３３、参照電極３１の３電極を浸漬させ、アノード兼作用極３２に対して、印加電圧を時間的に変化させ、その際の電流値を測定するボルタンメトリー法により、汚泥含有水９（すなわち、微生物群を含む懸濁液）からアノード兼作用極へ流れる電流特性（ボルタモグラム）を測定する。なお、排水処理槽（兼アノード室）３への汚泥の留め方に関しては、拘らない。
【００２１】
その結果、ボルタモグラムでは、例えば、図５に示すような特定の電位でピーク電流を示すような特性が得られるが、この情報により、対象となる汚泥含有水９中の微生物群に、
ａ）電子を外部電極へ受け渡す微生物種Ａが存在する
ｂ）その微生物種Ａが、電子を電極に移動させる時の電位がα（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）である
ことが示唆され、対象となる排水種に応じた適正な微生物種の存在を確認することができる。
【００２２】
また、ボルタモグラムの特性は、アノード室内に存在する有機排水種・処理温度・滞留時間等の条件変化に依存すると考えられるため、この測定方法は定期的に実施するのが好ましい。その結果、ボルタモグラムが過去のボルタモグラムと異なる特性を示す場合は、使用微生物種の置き換えが必要と判断し、後述する〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法１〕により人為的に有用微生物種の増殖促進を行うことが好ましい。なお、発電の効率が安定している時期には、特にこの操作は必要ない。
【００２３】
また、ボルタモグラムのピーク波形が複数出現した場合には、どのピーク（すなわち、微生物種）を選定しても電池としての機能は得られるが、最も高い電流値を示すピークを選定する方が発電の効率を上げやすい。
【００２４】
また、ボルタモグラムのピーク波形の検出感度が悪く、ピークが現れにくい場合は、アノードにメッシュ構造の材料を利用して高密度に微生物を担持させる工夫を加えたり、アノードに対する印加電圧の掃引速度を遅くしたりすることが好ましい。
【００２５】
〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法１〕
この実施形態にかかる構成は、前述した〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕の構成と同じである。
次に、以下の２点が可能となる方法について記述する。
ａ）装置設置後のスタートアップや、メンテナンス後の再起動時等の過渡期短縮
ｂ）急激な処理条件の変化に伴う発電効率の不安定性解消
図５に示すような特性の場合を例にとると、対象となった汚泥含有水９中の微生物群においては、α（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）の電位状態が、微生物Ａにとってアノード兼作用極に電子を渡し易い好適条件と言える。つまり、アノード兼作用極の電位を人為的にα（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）に維持することで微生物からの電子移動が促進されることが推測される。
【００２６】
また、前述した〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕の後、同ポテンシオスタットを利用して、アノードの電位状態を強制的にα（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）に維持することで、以下のａ〜ｃのプロセスが連鎖的に起こり、微生物燃料電池に有用な微生物Ａの増殖が促進されることが期待される。
ａ）汚泥含有水中の微生物群のうち、微生物Ａの細胞内からの電子排出が促進される
ｂ）細胞内電子の消費に伴い、有機物から微生物Ａへの電子供給も促進される（すなわち、有機物分解が促進される）
ｃ）代謝のサイクルが速く回るため、微生物Ａの増殖が促進される
【００２７】
〔微生物燃料電池の駆動方法１〕
前述した〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕および〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法１〕の実施後、第一スイッチ３４をＯＮにし、第二スイッチ３５をＯＦＦにすることで、微生物燃料電池を駆動することができる。
【００２８】
なお、基本的に〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕および〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法１〕の操作は、例えば装置設置後のスタートアップ時など、アノード付近に存在する微生物の活性・存在量が不十分なときに行う操作であり、通常は、この〔微生物燃料電池の駆動方法１〕を実施することで、排水の有機物処理と発電を同時に行うことが可能となる。
【００２９】
また、第一スイッチ３４がＯＦＦの状態にある、〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕および〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法１〕の実施時は、いずれにおいても発電はなされないが、排水の有機物処理は問題なくなされる仕組みになっている。
【００３０】
以上の説明は、ポテンシオスタットの操作を手動で行うことを前提にしたが、自動演算処理装置（シーケンサやパソコンの類）を利用することで、自動で行うことも可能である。
【００３１】
（実施の形態２）
〔有用微生物種の増殖促進による安定化方法２および駆動方法２〕
図４は、本発明の第二の実施形態における微生物燃料電池４００の概念図である。
図４に示すように、本発明の第二の実施形態における微生物燃料電池４００は、反応槽１（汚泥含有水９が充填されている排水処理槽（兼アノード室）３と水１０が充填されているカソード室４からなる）と、プロトン交換膜（ＰＥＭ）２と、アノード４２と、参照電極４１と、カソード６と、負荷抵抗８を含む導線７の外部回路と、ブロワ１１と、直流電源４０とで構成されている。
【００３２】
電気容量の関係、あるいは、安定化に必要な期間が長期となる場合には、前記〔実施の形態１〕の〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕で使用したポテンシオスタットを有用微生物種の増殖促進による安定化に併用するのは好ましくなく、〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕で使用するポテンシオスタットとは別に、参照電極４１とアノード４２を接続した直流電源４０を用いて、参照電極電位４１を基準とした有用微生物種の増殖促進による安定化を行うことが好ましい。
【００３３】
また、その際は、実施の形態１による、〔有用微生物種の存在確認のための測定方法〕の後、アノード（兼作用極）をポテンシオスタットから電気的に切り離し、直流電源４０を使用し、参照電極４１を基準としてアノード４２の電位状態を強制的にα（Ｖ
ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）に維持することで、以下のａ〜ｃのプロセスが連鎖的に起こり、微生物燃料電池に有用な微生物Ａの増殖が促進されることが期待される。
ａ）汚泥含有水中の微生物群のうち、微生物Ａの細胞内からの電子排出が促進される
ｂ）細胞内電子の消費に伴い、有機物から微生物Ａへの電子供給も促進される（すなわち、有機物分解が促進される）
ｃ）代謝のサイクルが速く回るため、微生物Ａの増殖が促進される
【００３４】
また、微生物燃料電池４００の構成の場合は、直流電源からの電圧印加を行うことで、有用微生物種の増殖促進による安定化を行いながら、有機物処理と発電（すなわち、微生物燃料電池の駆動）が可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１００，２００，３００，４００ … 微生物燃料電池
１ … 反応槽
２ … プロトン交換膜（ＰＥＭ）
３ … 排水処理槽（兼アノード室）
４ … カソード室
５ … アノード
６ … カソード
７ … 導線
８ … 負荷抵抗
９ … 汚泥含有水
１０ … 水
１１ … ブロワ
１２ … 微生物
１３ … 電子メディエーター
１４ … 電子
１５ … プロトン
１６ … 水分子
３０ … ポテンシオスタット
３１ … 参照電極
３２ … アノード兼作用極
３３ … 対極
３４ … 第一のスイッチ
３５ … 第二のスイッチ
４０ … 直流電源
４１ … 参照電極
４２ … アノード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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