(57)【要約】【課題】二酸化炭素を排出することのない微生物燃料電池を提供する。【解決手段】微生物を収容する第１の槽２と、プロトン透過膜３を介して隣接する第２の槽４と、第１の槽２に配設された第１の電極５と、第２の槽４に配設された第２の電極６とを備える微生物燃料電池１において、光触媒電極１２を備える第３の槽９と、プロトン透過膜１０を介して隣接し対極１３を備える第４の槽１１と、第１の槽２で生成する二酸化炭素を第４の槽１１に供給する二酸化炭素供給手段１６と、第２の槽４で生成する水を第３の槽９に供給する水供給手段８と、第３の槽９で生成する酸素を第２の槽４に供給する酸素供給手段１７とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を分解して二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する微生物を収容する第１の槽と、第１のプロトン透過膜を介して該第１の槽に隣接する第２の槽と、該第１の槽に配設された第１の電極と、該第２の槽に配設されると共に第１の電極と電気的に接続され水を生成する第２の電極とを備える微生物燃料電池において、
受光することにより水を分解して酸素とプロトンと電子とを生成する光触媒電極を備える第３の槽と、
第２のプロトン透過膜を介して該第３の槽に隣接し該光触媒電極と電気的に接続された対極を備える第４の槽と、
該第１の槽で生成する二酸化炭素を該第４の槽に供給する二酸化炭素供給手段と、
該第２の槽で生成する水を該第３の槽に供給する水供給手段と、
該第３の槽で生成する酸素を該第２の槽に供給する酸素供給手段とを備えることを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の微生物燃料電池において、前記第３の槽は、隔膜を介して前記第２の槽に隣接す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、微生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微生物が生成するプロトンを燃料として発電を行う燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記微生物燃料電池は、有機物を分解する微生物を収容する第１の槽と、プロトン透過膜を介して該第１の槽に隣接する第２の槽とを備え、各槽には電極が配設された構成となっている。
【０００４】
前記微生物燃料電池では、前記第１の槽に前記微生物の基質となる有機物として、ヘドロ、汚泥等を供給する一方、前記第２の槽にはエアレーション等の手段により酸素を供給する。このようにすると、前記第１の槽では、前記微生物が前記有機物を分解して、二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。
【０００５】
前記プロトンは、前記プロトン透過膜を介して前記第２の槽に移動し、該第２の槽に配設されている電極から電子を受け取ると共に、酸素と反応することにより水を生成する。また、前記電子は第１の槽に配設されている電極に集電される。
【０００６】
そこで、前記第１の槽と前記第２の槽とに配設された各電極を導線により接続すると、前記第１の槽をアノードとし、前記第２の槽をカソードとする燃料電池が形成され、該導線により電流を取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２１８６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の微生物燃料電池では、微生物が有機物を分解する際に生成する二酸化炭素はそのまま大気中に排出されるので、地球温暖化ガスとして環境負荷になるという不都合がある。
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、二酸化炭素を排出することのない微生物燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明の微生物燃料電池は、有機物を分解して二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する微生物を収容する第１の槽と、第１のプロトン透過膜を介して該第１の槽に隣接する第２の槽と、該第１の槽に配設された第１の電極と、該第２の槽に配設されると共に第１の電極と電気的に接続され水を生成する第２の電極とを備える微生物燃料電池において、受光することにより水を分解して酸素とプロトンと電子とを生成する光触媒電極を備える第３の槽と、第２のプロトン透過膜を介して該第３の槽に隣接し該光触媒電極と電気的に接続された対極を備える第４の槽と、該第１の槽で生成する二酸化炭素を該第４の槽に供給する二酸化炭素供給手段と、該第２の槽で生成する水を該第３の槽に供給する水供給手段と、該第３の槽で生成する酸素を該第２の槽に供給する酸素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の微生物燃料電池では、まず、前記第１の槽に前記微生物の基質となる有機物を供給する。このようにすると、前記第１の槽では、前記微生物が前記有機物を分解して、二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。
【００１２】
このとき、前記プロトンは前記第１のプロトン透過膜を介して前記第２の槽に移動し、前記電子は前記第１の電極から前記第２の電極に送られる。前記第２の槽では、前記プロトンが前記第２の電極から電子を受け取ると共に、酸素と反応して水を生成する。
【００１３】
そこで、本発明の微生物燃料電池では、前記第１の槽で生成する二酸化炭素を前記二酸化炭素供給手段を介して前記第４の槽に供給すると共に、前記第２の槽で生成する水を前記水供給手段を介して前記第３の槽に供給する。
【００１４】
次に、前記第３の槽では、前記光触媒電極が受光することにより、前記水供給手段により供給される水を分解して酸素とプロトンと電子を生成する。このとき、前記プロトンは前記第２のプロトン透過膜を介して前記第４の槽に移動し、前記電子は前記光触媒電極から前記対極に送られる。また、前記酸素は前記酸素供給手段を介して前記第２の槽に供給される。
【００１５】
そして、前記第４の槽では、前記プロトンが前記第２の電極から電子を受け取ると共に、前記二酸化炭素供給手段より供給される二酸化炭素を還元して有機物を生成する。前記有機物は化学品として純度が高いので、本発明の微生物燃料電池の副生成物として利用することができる。
【００１６】
この結果、本発明の微生物燃料電池によれば、二酸化炭素を排出することなく運転することができ、副生成物として該二酸化炭素由来の高純度の有機物を得ることができる。
【００１７】
ここで、光触媒により水を分解して得られたプロトンと電子とを用い、二酸化炭素を還元して有機物を得ることは公知である（特開２００４−３４４７２０号公報参照）。しかし、光触媒により水を分解するときには、該水の純度が高いことが必要とされ、前記プロトンと電子とを用い、二酸化炭素を還元して有機物を得るときにも、該二酸化炭素の純度が高いことが必要とされる。
【００１８】
このとき、本発明の微生物燃料電池によれば、前記水及び二酸化炭素は該微生物燃料電池における化学反応により得られたものであり、極めて高い純度を備えている。従って、前記光触媒電極及び対極による前記有機物の生成を有利に行うことができる。
【００１９】
また、前記第３の槽で生成する酸素も、前記光触媒電極における化学反応により得られたものであり極めて高い純度を備えている。従って、前記酸素を前記酸素供給手段を介して前記第２の槽に供給することにより、該第２の槽における水の生成を有利に行うことができる。
【００２０】
本発明の微生物燃料電池において、前記第１の槽及び前記第２の槽と、前記第３の槽及び第４の槽とは別体に設けられていてもよいが、前記第３の槽は、隔膜を介して前記第２の槽に隣接して設けられていることが好ましい。前記第２の槽と前記第３の槽とが前記隔膜を介して連続していることにより、該第２の槽で生成した水は該隔膜を介して該第３の槽に移動することができる。従って、装置構成を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の微生物燃料電池の一構成例を示す説明的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の微生物燃料電池１は、微生物を収容する第１の槽としての微生物槽２と、プロトン透過膜３を介して微生物槽２に隣接する第２の槽としての水槽４とを備えている。微生物槽２と水槽４とにはそれぞれ第１、第２の電極としての電極５，６が配設されており、電極５，６は外部回路を構成する導線７により接続されている。また、導線７の途中には負荷７ａが設けられている。
【００２４】
また、微生物燃料電池１は、隔膜８を介して水槽４に隣接する第３の槽としての光触媒槽９と、プロトン透過膜１０を介して光触媒槽９に隣接する第４の槽としての有機物槽１１とを備えている。光触媒槽９には光触媒電極１２が配設され、有機物槽１１には対極１３が配設されており、光触媒電極１２と対極１３とは導線１４により接続されている。また、有機物槽１１は有機物取出導管１５を備えている。
【００２５】
さらに、微生物燃料電池１は、微生物槽２から有機物槽１１に二酸化炭素を供給する二酸化炭素導管１６と、光触媒槽９から水槽４に酸素を供給する酸素導管１７とを備えている。
【００２６】
微生物槽２に収容されている微生物は、有機物を分解して二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する微生物であればよく、例えば、Shewanella属、Geobacter属等の細菌等の嫌気性微生物を用いることができる。微生物槽２は、前記微生物と共に水が収容されていてもよく、イオンが移動できる程度の水分を含む土壌が収容されていてもよい。
【００２７】
前記有機物としては、前記微生物の基質となるものであればどのようなものでもよいが、ヘドロ、汚泥等の廃棄物を用いることにより、該微生物に該廃棄物の処理を行わせることができ、好都合である。
【００２８】
微生物槽２に配設される電極５としては、前記微生物の担体となると共に集電体として作用するものであればどのような材料からなるものでもよい。このような電極５として、例えば、竹炭、カーボンフェルト、グラファイトフェルト等からなるものを挙げることができる。
【００２９】
プロトン透過膜３，１０としては、ナフィオン（デュポン社製、商品名）、アシプレックス（旭化成株式会社製、商品名）、フレミオン（旭硝子株式会社製、商品名）等のそれ自体公知のものを用いることができる。
【００３０】
水槽４に配設される電極６としては、Ｐｔ、Ｃｏ等からなるものを挙げることができる。また、水槽４に収容される液体は、イオン伝導性を備える液体であればどのような液体であってもよく、このような液体として例えば、水（Ｈ２Ｏ）等を挙げることができる。
【００３１】
水槽４と光触媒槽９との間に配設される隔膜８としては、例えば半透膜を用いることができる。
【００３２】
光触媒槽９に配設される光触媒電極１２としては、光触媒からなる電極であればどのようなものであってもよく、例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３等の光触媒からなるものを挙げることができる。また、光触媒槽９に収容される液体は、イオン伝導性を備える液体であればどのような液体であってもよく、このような液体として例えば、水（Ｈ２Ｏ）等を挙げることができる。
【００３３】
有機物槽１１に配設される対極１３としては、Ｐｔ、Ｃｏ等からなるものを挙げることができる。また、有機物槽１１に収容される液体は、イオン伝導性を備える液体であればどのような液体であってもよく、このような液体として例えば、水（Ｈ２Ｏ）等を挙げることができる。
【００３４】
次に、本実施形態の微生物燃料電池１の作動について説明する。
【００３５】
微生物燃料電池１では、まず、微生物槽２において、図示しない基質供給手段により微生物槽２に供給される前記有機物を前記微生物が分解して、二酸化炭素、プロトン及び電子を生成する。前記プロトンは、プロトン透過膜３を介して水槽４に移動する。また、前記電子は、電極５から導線７を介して取出され、水槽４の電極６に供給される。また、前記二酸化炭素は、二酸化炭素導管１６を介して有機物槽１１に供給される。
【００３６】
次に、水槽４において、微生物槽２からプロトン透過膜３を介して供給された前記プロトンが、電極６において前記電子を受け取ると共に、酸素と反応して水を生成する。前記酸素は、後述のように光触媒槽９から酸素導管１７を介して供給されるものが用いられる。前記水は、前記半透膜等の隔膜８を透過して、光触媒槽９に移動する。
【００３７】
次に、光触媒槽９に光線を照射すると、該光線を光触媒電極１２が受光し、前記光触媒の触媒作用により水を分解して、次式（１）のように酸素、プロトン及び電子を生成する。
【００３８】
Ｈ２Ｏ  →  １／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ・・・（１）
ここで、水槽４から隔膜８を介して光触媒槽９に移動する水は、水槽４の電極６における化学反応により生成したものであるので、極めて高い純度を有しており、前記光触媒の触媒作用による水の分解に有利に用いることができる。
【００３９】
光触媒槽９で生成した前記プロトンは、プロトン透過膜１０を介して有機物槽１１に移動する。また、前記電子は、光触媒電極１２から導線１４を介して取出され、有機物槽１１の対極１３に供給される。また、前記酸素は、酸素導管１７を介して水槽４に供給される。ここで、酸素導管１７を介して水槽４に供給される前記酸素は、光触媒槽９の光触媒電極１２における化学反応により生成したものであるので、極めて高い純度を有しており、水槽４における水の生成に有利に用いることができる。
【００４０】
次に、有機物槽１１において、光触媒槽９からプロトン透過膜１０を介して供給された前記プロトンが、対極１３において前記電子を受け取ると共に、二酸化炭素導管１６を介して供給される二酸化炭素と反応する。この結果、次式（２）に示すように、前記二酸化炭素が還元され、有機物として、例えば、蟻酸を生成する。
【００４１】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  ＣＯ２  →  ＨＣＯＯＨ      ・・・（２）
前記蟻酸は対極１３における化学反応により生成したものであるので、極めて高い純度を有しており、有機物取出導管１５から取出され、例えば、燃料電池の燃料として用いることができる。固体高分子型燃料電池等の燃料電池の燃料としては、一般に水素が用いられるが、水素は常温で気体であるためその貯蔵方法が限定されており、漏洩することなく大量に貯蔵することが困難とされている。これに対して、蟻酸は液体であり、保存性、輸送性に優れている上、二酸化炭素等との反応により容易に水素を生成することができるので、燃料電池の燃料として注目されている。
【００４２】
上述のように、本実施形態の微生物燃料電池によれば、二酸化炭素を排出することなく運転することができる上、副生成物として該二酸化炭素を用いて高純度の蟻酸等の有機物を得ることができる。
【００４３】
尚、本実施形態では、水槽４に隔膜８を介して光触媒槽９を隣接して配設するようにしている。しかし、微生物槽２及び水槽４を備えるユニットと、光触媒槽９及び有機物槽１１を備えるユニットとをそれぞれ独立に設け、水槽４から光触媒槽９に水を供給する水導管を別途設けるようにしてもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、有機物槽１１において蟻酸を生成させるようにしているが、対極１３に触媒を担持させること等により、エタノール等の他の有用な有機物を生成させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…微生物燃料電池、  ２…微生物槽（第１の槽）、  ４…水槽（第２の槽）、  ９…光触媒槽（第３の槽）、  １１…有機物槽（第４の槽）。
【図１】
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