(57)【要約】【課題】カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能な微生物燃料電池を提供する。【解決手段】有機汚染物質を含有する排水W1から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池１であって、燃料電池本体２と、酸化装置13と、循環手段14と、水素イオン供給手段21とを具備する。水素イオン供給手段21は、カソード溶液W2および酸溶液W4が供給され、陽イオン交換膜26によって酸溶液W4の水素イオンをカソード溶液W2へ供給する拡散透析セル23を有する。そして、水素イオン供給手段21が拡散透析セル23を有するため、カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、
アノードを前記排水に浸漬したアノード室と、カソードをカソード溶液に浸漬したカソード室と、これらアノード室とカソード室との間に位置し前記アノード室側から前記カソード室側へ陽イオンを透過可能な隔膜とを有する燃料電池本体と、
前記カソード室のカソード溶液中の鉄イオンを２価から３価に酸化する酸化装置と、
この酸化装置で鉄イオンを酸化したカソード溶液を貯留するカソード溶液貯留部を有し、このカソード溶液貯留部から前記カソード室へカソード溶液を循環する循環手段と、
前記カソード溶液貯留部のカソード溶液へ水素イオンを供給する水素イオン供給手段とを具備し、
前記水素イオン供給手段は、カソード溶液および酸溶液が供給され陽イオン交換膜によって前記酸溶液の水素イオンを前記カソード溶液へ供給する拡散透析セルを有する
ことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
水素イオン供給手段は、拡散透析セルと、この拡散透析セルへ酸溶液を供給する酸溶液供給部とを有し、
前記酸溶液供給部は、前記酸溶液を貯留する酸溶液貯留部と、余剰な酸溶液を前記拡散透析セルから前記酸溶液貯留部へ排出するための排出部とを有する
ことを特徴とする請求項１記載の微生物燃料電池。
【請求項３】
拡散透析セルは、カソード溶液が通過するカソード溶液フローセルと、酸溶液が通過する酸溶液フローセルと、これらカソード溶液フローセルと酸溶液フローセルとの間に位置し前記酸溶液フローセル側から前記カソード溶液フローセル側へ陽イオンを透過可能な陽イオン交換膜とを有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の微生物燃料電池。
【請求項４】
水素イオン供給手段は、カソード溶液貯留部のカソード溶液のｐＨを計測するｐＨ計測手段と、このｐＨ計測手段の計測結果に応じて拡散透析セルへの前記カソード溶液および酸溶液の供給状態を調整する供給調整手段とを有し、
前記供給調整手段は、前記カソード溶液のｐＨが所定の値より高い場合には前記拡散透析セルへ前記カソード溶液および前記酸溶液を供給し、
前記カソード溶液のｐＨが所定の値より低い場合には前記拡散透析セルへの前記カソード溶液および前記酸溶液の少なくとも一方の供給を停止し、供給停止した溶液を前記拡散透析セルから排出する
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一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、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、微生物燃料電池では、電極（アノード）上に嫌気性微生物膜を生成し、嫌気性微生物が有機汚染物質を分解する過程で生じる電子をアノードに集めて外部回路に取り出す。この取り出された電子は外部回路を経由して対電極であるカソードに移動する。そして、カソードに移動した電子が、電子受容体である酸素分子および水素イオンと反応して水を生成する。
【０００３】
アノードとカソードとは、例えばイオン交換膜等の隔膜によって分離されており、嫌気性微生物の有機汚染物質分解過程で生成した水素イオンがアノード側からカソード側へ隔膜を透過して移動することにより、電気回路が構成される。
【０００４】
このような微生物燃料電池には、水中に没したカソードを有する二室型と、空気中に曝したカソード（エアカソード）を有する一室型とがある。
【０００５】
二室型では、酸素供給のために曝気が必要であるという欠点があるため、一般的には一室型が実用上有利であると考えられ、研究開発も進められている。
【０００６】
微生物燃料電池の発電効率に影響する因子は種々考えられるが、影響因子の１つとしてカソード反応がある。
【０００７】
一室型の微生物燃料電池は、カソード反応における酸素供給を促進させることができるという利点があるが、アノード室とカソードとを隔てるイオン交換膜のアノード室側に水圧がかかるのに対し、カソード側には水圧がかからないため、イオン交換膜自体がアノード室側からの水圧を支えることになり、大型化が困難であった。
【０００８】
一方、二室型の微生物燃料電池では、イオン交換膜の両面に水圧がかかるため、強度の高いイオン交換膜を用いる必要がなく、システムを大型化しやすいという利点があるが、カソードへの酸素の供給が溶存酸素によるため、溶存酸素の飽和溶解度の制限により、電子受容体である溶存酸素濃度を高めることが困難であり、結果的にカソード反応が発電効率を低下させる要因となっていた。
【０００９】
そこで、例えば特許文献１に示すように、カソード溶液における電子受容体として鉄（III）イオンを用い、かつ、ｐＨ中性付近での溶解度を向上させるために鉄（III）キレート化合物を用いることで、カソード溶液の電子受容体濃度を高濃度化する技術が知られている。
【００１０】
この特許文献１の微生物燃料電池では、電子受容後、鉄（III）キレート化合物は、鉄（II）キレート化合物に変化するため、その鉄（II）キレート化合物を散水ろ床型鉄酸化槽である酸化装置を用いて、Ｆｅ２＋−ＥＤＴＡ＋０．２５Ｏ２＋Ｈ＋→Ｆｅ３＋−ＥＤＴＡ＋０．５Ｈ２Ｏの式で示すように反応させ、鉄（III）キレート化合物に変換して、再利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１６−１６２６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の特許文献１の構成では、長期にわたって運転した場合に、上記の式で示すように、鉄（II）キレート化合物から鉄（III）キレート化合物に変換する際に水素イオン（Ｈ＋）が消費されるため、例えば酸性のｐＨ調整液をカソード溶液に供給する等して、変換の際に消費されたＨ＋をカソード溶液に随時供給する必要があった。
【００１３】
しかし、その際に酸に含まれる陰イオン（塩）がカソード溶液中に蓄積して、発電効率が徐々に低下するという問題が存在した。
【００１４】
そこで、カソード溶液中に陰イオンが蓄積しにくく、長期にわたって安定して運転可能な微生物燃料電池が求められていた。
【００１５】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能な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】
【００１６】
請求項１に記載された微生物燃料電池は、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、アノードを前記排水に浸漬したアノード室と、カソードをカソード溶液に浸漬したカソード室と、これらアノード室とカソード室との間に位置し前記アノード室側から前記カソード室側へ陽イオンを透過可能な隔膜とを有する燃料電池本体と、前記カソード室のカソード溶液中の鉄イオンを２価から３価に酸化する酸化装置と、この酸化装置で鉄イオンを酸化したカソード溶液を貯留するカソード溶液貯留部を有し、このカソード溶液貯留部から前記カソード室へカソード溶液を循環する循環手段と、前記カソード溶液貯留部のカソード溶液へ水素イオンを供給する水素イオン供給手段とを具備し、前記水素イオン供給手段は、カソード溶液および酸溶液が供給され陽イオン交換膜によって前記酸溶液の水素イオンを前記カソード溶液へ供給する拡散透析セルを有するものである。
【００１７】
請求項２に記載された微生物燃料電池は、請求項１記載の微生物燃料電池において、水素イオン供給手段は、拡散透析セルと、この拡散透析セルへ酸溶液を供給する酸溶液供給部とを有し、前記酸溶液供給部は、前記酸溶液を貯留する酸溶液貯留部と、余剰な酸溶液を前記拡散透析セルから前記酸溶液貯留部へ排出するための排出部とを有するものである。
【００１８】
請求項３に記載された微生物燃料電池は、請求項１または２記載の微生物燃料電池において、拡散透析セルは、カソード溶液が通過するカソード溶液フローセルと、酸溶液が通過する酸溶液フローセルと、これらカソード溶液フローセルと酸溶液フローセルとの間に位置し前記酸溶液フローセル側から前記カソード溶液フローセル側へ陽イオンを透過可能な陽イオン交換膜とを有するものである。
【００１９】
請求項４に記載された微生物燃料電池は、請求項１ないし３いずれか一記載の微生物燃料電池において、水素イオン供給手段は、カソード溶液貯留部のカソード溶液のｐＨを計測するｐＨ計測手段と、このｐＨ計測手段の計測結果に応じて拡散透析セルへの前記カソード溶液および酸溶液の供給状態を調整する供給調整手段とを有し、前記供給調整手段は、前記カソード溶液のｐＨが所定の値より高い場合には前記拡散透析セルへ前記カソード溶液および前記酸溶液を供給し、前記カソード溶液のｐＨが所定の値より低い場合には前記拡散透析セルへの前記カソード溶液および前記酸溶液の少なくとも一方の供給を停止し、供給停止した溶液を前記拡散透析セルから排出するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水素イオン供給手段が、陽イオン交換膜を用いて酸溶液の水素イオンをカソード溶液へ供給する拡散透析セルを有するため、カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る微生物燃料電池においてカソード溶液のｐＨが所定の値より高い場合の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】同上微生物燃料電池においてカソード溶液のｐＨが所定の値より低い場合の構成を模式的に示す説明図である。
【図３】微生物燃料電池の実施例および比較例における電流密度の経時変化を示すグラフである。
【図４】微生物燃料電池の実施例および比較例における電気伝導率の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１において、１は微生物燃料電池であり、この微生物燃料電池１は、燃料電池本体２に排水供給ポンプ３を介して供給した有機汚染物質を含有する排水W1から、電気エネルギーを取り出すものである。
【００２４】
微生物燃料電池１は、排水供給ポンプ３を介して供給した排水W1に一方の電極であるアノード４を浸漬したアノード室５と、カソード溶液W2に他方の電極であるカソード６を浸漬したカソード室７と、これらアノード室５とカソード室７との間に位置しアノード室５側からカソード室７側へ陽イオンを透過可能な隔膜としての陽イオン交換膜８とを備える、いわゆる二室型の構成である。
【００２５】
アノード４は、導電性部材にて板状に形成しており、アノード室５を満たすように収容された排水W1に浸漬した状態で、一方側の面が陽イオン交換膜８に接触し、他方側の面が排水W1を収容するアノード室５の内面の一部となるように設置する。
【００２６】
また、アノード４の他方側の面には、排水W1に含有する有機汚染物質を嫌気分解する図示しない嫌気性微生物膜を形成する。この嫌気性微生物膜は、各種の嫌気性微生物を担持し、排水W1中の有機汚染物質を分解する。
【００２７】
カソード６は、導電性部材にて板状に形成しており、カソード室７を満たすように収容されたカソード溶液W2に浸漬した状態で、一方側の面が陽イオン交換膜８に接触し、他方側の面がカソード溶液W2を収容するカソード室７の内面の一部となるように設置する。
【００２８】
カソード溶液W2は、３価の鉄イオンと配位座が４座以上のカルボン酸系キレート剤とを含む溶液である。カソード溶液W2におけるカルボン酸系キレート剤は、３価の鉄イオンと結合してキレート化合物を形成する。また、形成されたキレート化合物が陽イオン交換膜を介してアノード室５側に漏出することを防止するために、カソード溶液W2におけるカルボン酸系キレート剤は、配位座が４座以上であることが好ましく、特にエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）であることが好ましい。また、カソード溶液W2のｐＨは、９以下となるように制御することが好ましい。
【００２９】
なお、カソード室７では、カソード溶液W2にカソード６が浸漬している必要があるため、例えば上向流式や流路構造等のようにカソード溶液W2が短絡しない構成とする。
【００３０】
これらアノード４およびカソード６は、外部回路11に電気的に接続している。なお、外部回路11としては、任意の回路を接続できる。
【００３１】
そして、アノード室５において排水W1の有機汚染物質を嫌気分解する過程で生じた電子をアノード４に集電する。集電した電子はアノード４から外部回路11を通ってカソード６へ移動する。また、有機汚染物質を嫌気分解する過程で生じた水素イオンは、陽イオン交換膜８を透過してカソード室７側へ移動する。
【００３２】
カソード室７では、カソード溶液W2中の３価の鉄イオン（鉄（III）イオン）が外部回路11を介して移動した電子を受け取り、２価の鉄イオン（鉄（II）イオン）になる。
【００３３】
ここで、カソード室７で生成した２価の鉄イオンは、カソード反応に寄与しないため、カソード室７における電子受容体濃度を低下させないように、カソード溶液供給手段12により、３価の鉄イオンを含んだ状態のカソード溶液W2を連続供給する。
【００３４】
カソード溶液供給手段12は、カソード室７からカソード反応が進行した後のカソード溶液である流出液W3を導入して液中の２価の鉄イオンを酸化する酸化装置13と、酸化装置13で２価の鉄イオンを酸化した３価の鉄イオンを含有するカソード溶液W2をカソード室７へ循環する循環手段14とを有している。
【００３５】
酸化装置13は、カソード室７に接続した筒状の酸化装置本体としての酸化槽15内に、流出液W3を表面張力等で保持可能な粒状の充填体16を充填して形成したろ床層17を有する。
【００３６】
また、酸化槽15上部の流入口を通って、カソード室７からの流出液W3が酸化槽15内へ流入する。
【００３７】
さらに、酸化槽15下部の流出口を通って、酸化槽15で酸化したカソード溶液W2が酸化槽15から流出する。
【００３８】
そして、酸化装置13では、カソード室７からの流出液W3を流入口から滴下し、この流出液W3が充填体16を伝うように保持されながらろ床層17を下方へ流下する。また、ろ床層17を通過する際には大気中の酸素によって酸化反応が起こり、流出液W3中の鉄イオンが２価から３価へ酸化される。すなわち、酸化槽15のろ床層17では、４Ｆｅ２＋＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→４Ｆｅ３＋＋４ＯＨ−の式で示す酸化反応が進行する。また、このようにろ床層17を通過して鉄イオンが３価に酸化したカソード溶液W2は流出口から流出して循環手段14へ流入する。
【００３９】
なお、カソード室７からの流出液W3の酸化槽15への散水負荷の下限値は、散水負荷の低負荷条件で実用化されている標準散水ろ床法の適用条件に基づいて決定することが好ましい。すなわち、標準散水ろ床法の散水負荷は、１〜３ｍ３／ｍ２・日であり、通常のろ床厚は１．５〜２ｍである。よって、ろ床厚を２ｍとすると、ろ床の容積１ｍ３あたりの散水負荷は、０．５〜１．５ｍ３／ｍ３・日となるため、その下限値を適用することが好ましい。
【００４０】
一方、散水負荷の上昇に伴い、キレート剤の異なる全てのカソード溶液において酸化効率が徐々に低下するため、実用的な散水負荷の上限値としては、４０ｍ３／ｍ３・日が好ましい。
【００４１】
よって、具体的な酸化槽15への散水負荷は、ろ床層17の容積１ｍ３あたり０．５ｍ３／ｍ３・日以上４０ｍ３／ｍ３・日以下が好ましい。
【００４２】
循環手段14は、酸化槽15から流出口を通って流出する酸化後のカソード溶液W2を貯留するタンクであるカソード溶液貯留部18と、このカソード溶液貯留部18のカソード溶液W2をカソード室７へ供給するカソード溶液供給ポンプ19とを有している。
【００４３】
そして、酸化装置13からのカソード溶液W2は、カソード溶液貯留部18に一旦貯留し、カソード溶液供給ポンプ19によってカソード室７へ所定量ずつ連続供給する。
【００４４】
ここで、酸化槽15における酸化反応では、水酸化物イオンも生成するため、酸化槽15からカソード溶液貯留部18へカソード溶液W2を供給すると、カソード溶液貯留部18中に水酸化物イオンが増加しカソード溶液W2のｐＨが徐々に上昇する。
【００４５】
そこで、微生物燃料電池１には、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2へ水素イオンのみを供給することにより、カソード溶液W2の水酸化物イオンによるｐＨの上昇を防止し、かつ、上記反応によるカソード溶液貯留部18での陰イオンの蓄積を防止する水素イオン供給手段21が設けられている。
【００４６】
水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18からのカソード溶液W2に、酸溶液供給部22からの塩酸等の酸溶液W4の水素イオンを選択的に供給する拡散透析セル23を有している。
【００４７】
拡散透析セル23は、カソード溶液W2が通過するカソード溶液フローセル24と、酸溶液W4が通過する酸溶液フローセル25と、これらカソード溶液フローセル24と酸溶液フローセル25との間に位置し酸溶液フローセル25側からカソード溶液フローセル24側へ陽イオンを選択的に透過可能な陽イオン交換膜26とを有している。
【００４８】
そして、例えばチューブポンプ等であるポンプ27の駆動によってカソード溶液W2および酸溶液W4が拡散透析セル23に供給され、カソード溶液W2がカソード溶液フローセル24を通過し、酸溶液W4が酸溶液フローセル25を通過する際に、酸溶液W4の水素イオンが陽イオン交換膜26を透過（拡散移動）してカソード溶液W2に供給される。また、水素イオンが供給されたカソード溶液W2は、カソード溶液貯留部18へ返送され、カソード溶液貯留部18内のカソード溶液W2は撹拌機28によって撹拌されている。
【００４９】
ここで、水素イオン供給手段21は、長期運転におけるカソード溶液貯留部18での陰イオンの蓄積を抑制しカソード溶液W2のｐＨの上昇を防止することを目的としたものであるため、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨに応じて運用することが好ましい。
【００５０】
そこで、水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨを計測する図示しないｐＨ計測手段と、このｐＨ計測手段で計測したｐＨにより拡散透析セルへのカソード溶液W2および酸溶液W4の供給状態を調整する図示しない供給調整手段としての制御部とを有している。
【００５１】
また、酸溶液供給部22は、酸溶液W4を貯留する酸溶液貯留部31と、余剰な酸溶液W4を拡散透析セル23から酸溶液貯留部31へ排出するための排出部32とを有している。
【００５２】
排出部32は、ポンプ27と酸溶液フローセル25との間に設けられた経路切替手段としての三方電磁弁33と、この三方電磁弁33を介して酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31へ酸溶液を排出するための経路となる排出ライン34とを有している。
【００５３】
そして、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨが所定の値（例えばｐＨ７）より高い場合には、供給調整手段は、図１に示すように、制御部によって三方電磁弁33を制御し、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を開通し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を閉塞した供給状態とする。この供給状態では、ポンプ27が稼動し、拡散透析セル23にカソード溶液W2および酸溶液W4の両方を供給するため、陽イオン交換膜26を介して酸溶液W4からカソード溶液W2へ水素イオンが供給され、その水素イオンが供給されたカソード溶液W2をカソード溶液貯留部18へ返送することで、ｐＨが低下する。
【００５４】
一方、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨが所定の値（例えばｐＨ７）より低い場合には、供給調整手段は、図２に示すように、制御部によって三方電磁弁33を制御し、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を閉塞し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を開通した排出状態とする。すなわち、排出状態では、ポンプ27が停止し、酸溶液フローセル25への酸溶液W4の供給が停止されるとともに、酸溶液フローセル25内に残存した酸溶液W4を重力によって排出ライン34を通って酸溶液貯留部31へ排出する。
【００５５】
また、このような排出状態では、酸溶液フローセル25内への酸溶液W4が排出されるため、ｐＨが所定の値より低くなったカソード溶液W2に対して酸溶液W4からの過剰な水素イオンの供給が遮断される。
【００５６】
なお、拡散透析セル23への供給状態を切り替える基準となる上記ｐＨの所定の値としては、カソード溶液W2からアノード室５への水素イオンの逆拡散防止の観点からｐＨが酸性に偏るのが不適切であること、および、鉄イオンの水酸化物沈殿生成抑制の観点からｐＨがアルカリ性に偏るのが不適切であることから、６．０以上９．０以下の範囲が好ましく、７．０に近いほどより好ましい。
【００５７】
供給調整手段は、上述のようにカソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨが所定の値より低い場合に拡散透析セル23へ酸溶液W4の供給を停止する構成には限定されず、拡散透析セル23へのカソード溶液W2の供給を停止する構成や、拡散透析セル23へのカソード溶液W2および酸溶液W4の両方の供給を停止する構成等にしてもよい。
【００５８】
また、排出部32は、三方電磁弁33が設けられた構成には限定されず、拡散透析セル23の余剰な酸溶液W4を酸溶液貯留部31へ排出できる構成であればよい。
【００５９】
さらに、ポンプ27は、単独でカソード溶液W2および酸溶液W4の両方を拡散透析セル23に供給しているが、それぞれ独立した２つのポンプによって供給する構成としてもよい。
【００６０】
次に、上記一実施の形態の動作等を説明する。
【００６１】
微生物燃料電池１においては、排水供給ポンプ３によって有機汚染物質を含有した排水W1がアノード室５に流入し、アノード４に形成された嫌気性微生物膜により有機汚染物質を嫌気分解する。また、嫌気分解によって発生した電子は、アノード４で集電され、外部回路11を経由してカソード６へ移動する。
【００６２】
カソード室７では、カソード溶液W2中の電子受容体である３価の鉄イオンがアノード４からの電子を受け取ることにより２価の鉄イオンとなる。また、アノード室５から透過してきた水素イオンは、酸化槽15における酸化反応により生成する水酸化物イオンと反応して水を生成する。
【００６３】
また、アノード室５での嫌気分解によって生成した水素イオンが陽イオン交換膜８を透過してカソード室７側へ移動することにより、電気回路を構成する。
【００６４】
電子受容後にカソード反応が進行した後のカソード溶液である流出液W3は、カソード室７から酸化装置13へ導入して液中の２価の鉄イオンを酸化し、３価の鉄イオンを有するカソード溶液W2としてカソード溶液貯留部18へ供給する。
【００６５】
このような酸化装置13での酸化反応では、水酸化物イオンも生成するため、運転時間の経過にともなってカソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のｐＨが徐々に上昇する。
【００６６】
カソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のｐＨが７より高い場合には、カソード溶液貯留部18に接続された水素イオン供給手段21を、図１に示す供給状態とし、拡散透析セル23によってカソード溶液W2に酸溶液W4における水素イオンを選択的に供給して、その水素イオンが供給されたカソード溶液W2をカソード溶液貯留部18へ返送することで、ｐＨを低下させる。
【００６７】
このように酸溶液W4からカソード溶液W2に水素イオンが供給された際には、カソード溶液W2から酸溶液W4へナトリウムイオンやカリウムイオン等の陽イオンが拡散移動するため、酸溶液W4中のイオンバランスが保たれる。
【００６８】
また、カソード溶液W2中の陽イオンは、燃料電池本体２において排水W1中の陽イオンがカソード溶液へ拡散移動することによって供給される。
【００６９】
なお、酸溶液W4については、拡散透析セル23での拡散移動に伴って水素イオン濃度の減少と、塩の蓄積が生じるため、所定期間が経過した際に酸溶液貯留部31内の酸溶液W4を交換する必要があるが、例えば特許文献１等のキレート剤と比べて、酸溶液W4自体は極めて安価で、かつ、中和することで無害な中性塩溶液となり入手および廃棄等のコストも最小限に抑えることができる。
【００７０】
また一方、カソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のｐＨが７より低い場合には、カソード溶液W2に水素イオンを供給する必要がないため、カソード溶液貯留部18に接続された水素イオン供給手段21を、図２に示す排出状態とし、拡散透析セル23への酸溶液W4の供給を停止する。
【００７１】
なお、ｐＨが７より低い場合であっても、例えばポンプ27を停止しただけであると、拡散透析セル23に残存するカソード溶液W2と酸溶液W4との間で水素イオンの拡散移動が継続して拡散透析セル23内のカソード溶液W2のｐＨが低下するため、ポンプ27を稼動させた次稼動時にその拡散透析セル23内のカソード溶液W2がカソード溶液貯留部18に流入して、想定以上にカソード溶液貯留部18内のｐＨが低下してしまう可能性がある。
【００７２】
そのため、カソード溶液貯留部18のｐＨが７より低く、水素イオンを拡散移動させる必要がない場合には、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を閉塞し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を開通した排出状態として、拡散透析セル23内に残存している余剰な酸溶液W4を排出部32により酸溶液貯留部31へ排出する構成が好ましい。
【００７３】
そして、上記微生物燃料電池によれば、水素イオン供給手段21によって、カソード溶液W2中の陰イオンの蓄積を防止できるため、陰イオンの蓄積による発電効率の低下を防止でき、長期にわたって安定して運転可能である。
【００７４】
また、酸溶液供給部22は、拡散透析セル23内に残存する余剰な酸溶液W4を排出する排出部32を有するため、カソード溶液W2への水素イオンの供給が不要な場合に、拡散透析セル23内における水素イオンの拡散移動を必要に応じてより正確に停止でき、水素イオン供給手段21によってカソード溶液貯留部18内のｐＨをより適切に調整できる。
【００７５】
さらに、水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨが７より高い場合に拡散透析セル23へカソード溶液W2および酸溶液W4を供給し、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のｐＨが７より低い場合に拡散透析セル23へカソード溶液W2および酸溶液W4の少なくとも一方の供給を停止するため、カソード溶液貯留部18内のｐＨに応じて運転することでより効率的に陰イオンの蓄積を防止できる。
【実施例】
【００７６】
以下、本実施例および比較例について説明する。
【００７７】
図１および図２に示す構成の微生物燃料電池１（実施例）と、拡散透析セル23が設けられていない従来の構成の微生物燃料電池（比較例）について、経過日数による発生電流密度、および、電気伝導率の変化を測定して、発電状況を確認した。
【００７８】
実施例および比較例のいずれも、燃料電池本体２については、アノード室５側は、容積が８６７ｍＬで、供給する排水モデルの原水（龍谷大学実下水）の供給量を３．６ｍＬ／分とし、滞留時間を４時間とし、カソード室７側は、容積が７０．１ｍＬで、酸化槽15への散水負荷を６．８８ｍ３／ｍ３・日となるように運転した。
【００７９】
なお、燃料電池本体２のアノード４およびカソード６の有効電極面積はいずれも２００ｃｍ２である。
【００８０】
拡散透析セル23は、１枚の陽イオン交換膜26（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｎｅ−１１１０、有効面積３２．２ｃｍ２）を介して、カソード溶液W2（ＦｅＣｌ３：５ｍＭ、Ｎａ２ＥＤＴＡ１０ｍＭ含有、ＮａＯＨにてｐＨを７に調整）と、酸溶液W4（塩酸２０ｍＭ）とが接するフローセル構造となっており、酸溶液W4からカソード溶液W2へ濃度拡散により水素イオンが移動する。
【００８１】
また、カソード溶液貯留部18および酸溶液貯留部31の容積はいずれも８００ｍＬである。
【００８２】
さらに、拡散透析セル23のカソード溶液フローセル24および酸溶液フローセル25は、幅２．８ｃｍ、高さ１１．５ｃｍ、厚み０．５ｃｍ（有効容積１６．１ｃｍ３）であり、チューブポンプであるポンプ27を用いてカソード溶液W2および酸溶液W4をそれぞれ１．５ｍＬ／分の流量で通液した。
【００８３】
拡散透析セル23を用いない比較例は、ｐＨセンサに基づいて、ポンプによって酸（１０Ｎ硫酸）を直接カソード溶液貯留部18に添加することで、ｐＨを調整する構成とした。
【００８４】
これら実施例および比較例での発電状況について、電流密度の経時変化を図３に示す。この図３に示す実験結果から、実施例の方が比較例に比べて電流密度が上昇し、所定期間経過後も安定した発電が継続していることが確認できる。
【００８５】
また、カソード溶液W2の電気伝導率の経時変化を図４に示す。この図４に示すように、比較例においては電気伝導率が経時的に上昇し、陰イオンの蓄積による影響が確認されたが、実施例においては電気伝導率が低い値を維持し、陰イオンの蓄積による影響が確認されなかった。
【００８６】
さらに、ＩＣＰ発光分光分析により上述の実験終了後のカソード溶液W2中の鉄濃度を測定したところ、比較例では２４４ｍｇ／Ｌであったのに対し、実施例では２５７ｍｇ／Ｌという結果だった。
【００８７】
実験開始当初の鉄濃度は５ｍＭ（２７９ｍｇ／Ｌ）であり、添加した酸や水の浸透による希釈効果を考慮すれば、鉄の流出がほとんど起こっていないと考えられる。
【００８８】
したがって、実施例では、拡散透析セル23によるｐＨ制御により、カソード溶液W2への陰イオンの蓄積を抑制しつつ、微生物燃料電池１が継続的に安定して運転可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００８９】
１    微生物燃料電池
２    燃料電池本体
４    アノード
５    アノード室
６    カソード
７    カソード室
８    隔膜としての陽イオン交換膜
13    酸化装置
14    循環手段
18    カソード溶液貯留部
21    水素イオン供給手段
22    酸溶液供給部
23    拡散透析セル
24    カソード溶液フローセル
25    酸溶液フローセル
26    陽イオン交換膜
31    酸溶液貯留部
32    排出部
W1    排水
W2    カソード溶液
W3    カソード溶液としての流出液
W4    酸溶液
【図１】
2019033057.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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