(57)【要約】【課題】発電能力の経時劣化が小さく、高効率で内部抵抗が低い微生物燃料電池を提供する。【解決手段】嫌気性微生物により分解される基質が収容される基質槽１２と、嫌気性微生物の培地を収容する反応槽１４とが、陰極１６により分離され、基質を分解して電子を放出する嫌気性微生物が陰極１６の反応槽１４側に担持されている。また、反応槽１４の、陰極１６とは異なる領域に、ガス透過性を有する陽極１８が設けられている。基質槽１２から陰極１６を反応槽１４側に透過した基質を嫌気性微生物が分解し、陰極１６に電子を放出する。電子は、陰極１６から外部回路を介して陽極１８に移動する。また、上記基質の分解により発生する水素イオンは、培地中を陽極１８まで移動する。陽極１８では、水素イオンに電子を渡し、陽極１８を透過してきた酸素を還元し、水を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気性微生物により分解される基質が収容される基質槽と、
前記嫌気性微生物の培地を収容する反応槽と、
前記基質槽と前記反応槽とを分離し、前記基質を分解して電子を放出する嫌気性微生物が前記反応槽側に担持された陰極と、
前記反応槽の、前記陰極とは異なる領域に設けられ、酸素含有ガスの透過性を有する陽極と、
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に記載の微生物燃料電池において、前記基質と酸素とが異なる方向から供給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１または請求項２に記載の微生物燃料電池において、前記陰極の前記基質槽側に、前記基質の透過速度を制御する透過速度制御層が備えられたことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の微生物燃料電池において、前記陽極には、好気性微生物が担持されてい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、微生物燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微生物が有機物等の基質を分解する際に、電極（導電体）に電子を放出する性質（細胞外電子伝達能）を利用した微生物燃料電池が提案されている。ここで、細胞外電子伝達能とは、金属イオンやその酸化物を電子受容体として利用しこれらを還元する一連の流れによって、生命活動に必要なエネルギーを獲得する能力をいう。
【０００３】
このような微生物燃料電池の例として、例えば下記特許文献１には、一対の電極と、電極を電気的に接続する外部回路と、一対の電極を分離する隔膜とを備え、陰極側に微生物を培養した培養液及び微生物に養分を供給する燃料としての有機物が注入される構成が開示されている。なお、上記隔膜は、カチオン交換膜等のプロトン（Ｈ＋）を選択的に透過するように構成された膜である。
【０００４】
また、下記非特許文献１には、上記特許文献１の構成のうち隔膜を省略し、一つの槽に陽極及び陰極を配置した微生物燃料電池の構成が開示されている。この構成によれば、イオンの移動性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１８６９０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Electricity generation using anair-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of aproton-exchange membrane. Liu,H.,Logan,B.E.(2004). Environmental Science &Technology,38,4040-4046
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載された微生物燃料電池は、陰極と陽極が隔膜により分離されているので、これらの電極間を外部回路を介して電子（電流）が流れる際に、これとは反対のイオン移動が隔膜を介して発生するが、隔膜をプロトンが透過する際の抵抗により陰極側の水素イオン濃度が上昇し、陰極側のｐＨが低下する。このため、微生物の活性が低下するので、微生物燃料電池の発電能力が動作時間の経過とともに低下するという問題があった。
【０００８】
また、上記非特許文献１に記載された隔膜を省略した微生物燃料電池では、特許文献１のようなｐＨの変動の問題は解消できるが、陽極付近において燃料としての有機物が酸化されて消費され、燃料電池としての効率が低下するという問題があった。さらに、陽極及び陰極が配置された槽内のイオン強度が低下しやすく、内部抵抗が高くなるという問題もあった。
【０００９】
本発明の目的は、発電能力の経時劣化が小さく、高効率で内部抵抗が低い微生物燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、微生物燃料電池であって、嫌気性微生物により分解される基質が収容される基質槽と、前記嫌気性微生物の培地を収容する反応槽と、前記基質槽と前記反応槽とを分離し、前記基質を分解して電子を放出する嫌気性微生物が前記反応槽側に担持された陰極と、前記反応槽の、前記陰極とは異なる領域に設けられ、酸素含有ガスの透過性を有する陽極と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記微生物燃料電池において、前記基質と酸素とは異なる方向から供給されるのが好適である。
【００１２】
また、上記微生物燃料電池において、前記陰極の前記基質槽側に、前記基質の透過速度を制御する透過速度制御層が備えられていてもよい。
【００１３】
また、上記微生物燃料電池において、前記陽極には、好気性微生物が担持されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電能力の経時劣化が小さく、高効率で内部抵抗が低い微生物燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態にかかる微生物燃料電池の構成例を示す図である。
【図２】実施例にかかる微生物燃料電池の電圧値、電流密度及び電力密度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１７】
図１には、本実施形態にかかる微生物燃料電池の構成例の断面図が示される。図１において、微生物燃料電池１０は、基質槽１２、反応槽１４、陰極１６、陽極１８及び透過速度制御層２０を含んで構成されている。
【００１８】
基質槽１２は、嫌気性微生物により分解される基質が収容される。この基質は、陰極１６を透過して反応槽１４に供給される。基質としては、微生物が分解できる物質であれば、有機物、無機物のいずれも使用することができる。また、陰極１６を透過できるものであれば液体状、気体状のいずれであってもよい。有機物としては、例えばエタノール、グルコース、メタン等が挙げられ、無機物としては、例えば水素等が挙げられる。
【００１９】
反応槽１４は、陰極１６により基質槽１２と分離されており、嫌気性微生物の培地を収容している。培地としては、微生物の活動を可能とし、イオンの伝播ができる物質あれば限定されないが、以下の物を例示できる。
【００２０】
液体培地として、例えば以下の物質の全部または一部を含む混合物の水溶液があげられる。なお、括弧内に濃度をｍｇ／ｌ単位で示す。ＮＨ４Ｃｌ（２００）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（２００）、ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ（１５０）、ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（１０）、ＮａＣｌ（２９２５）、ＫＨ２ＰＯ４（４６１）、Ｎａ２ＨＰＯ４（９３９）、ＡｌＫ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ（０．２）、Ｈ３ＢＯ３（０．０２）、ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（０．３）、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ（０．３）、ＭｎＣｌ２・５Ｈ２Ｏ（０．５）、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ（０．２）、ＺｎＣｌ２（０．２）、Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．１）、Ｎａ２ＳｅＯ３（０．１）、ＮａＷＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．０５）。
【００２１】
半固体（ジェル状）の培地としては、上記の液体培地に寒天等を加えた物が挙げられる。なお、液体培地として海水も利用可能である。
【００２２】
陰極１６は、導電性を有するとともに、基質槽１２と反応槽１４とを分離しつつ、基質槽１２から反応槽１４に基質を透過する。この場合、基質の透過速度を調整するために、陰極１６には適宜な大きさの孔が形成されるのが好適である。基質の透過速度を調整することにより、後述する嫌気性微生物の適度な培養を可能とし、陰極１６からの嫌気性微生物層の剥離を防止できる。なお、基質の透過速度は、後述する透過速度制御層２０により調整してもよい。陰極１６の材料としては、例えばカーボン繊維（不織布、織布）、グラファイト薄膜、粒子状炭素、ステンレスや他の金属の網等が挙げられる。また、陰極１６の反応槽１４側の面には、基質を分解する嫌気性微生物２２が層状に担持されている。この嫌気性微生物２２により、例えば基質としての有機物が分解され、水素イオンが発生するとともに、陰極１６に電子が渡される。このような嫌気性微生物２２としては、上記基質を分解して電子を放出するものであれば特に限定されないが、例えば細胞膜に局在化したシトクロムを介して体外に電子を放出する能力を有するShewanella loihica及びShewanella oneidensisのようなShewanella属、Geobacter属等の微生物やそれらを含む混合微生物叢が挙げられる。
【００２３】
陽極１８は、反応槽１４の、陰極１６とは異なる領域に設けられ、ガス透過性を有するガス透過性電極となっている。ここで、陰極１６とは異なる領域とは、例えば微生物燃料電池１０が円柱形状の場合に、その両端部に陰極１６と陽極１８とを設けること、微生物燃料電池１０が直方体形状の場合に、異なる面（例えば対向面）に陰極１６と陽極１８とを設けること、等が挙げられるが、これらには限定されない。例えば、陰極１６の基質の透過方向（供給方向）と陽極１８のガス透過方向とが異なるように陰極１６と陽極１８とを配置するのが好適である。
【００２４】
また、本実施形態では、陽極１８を空気または酸素濃度を高めた空気が反応槽１４内に透過するように構成されている。陽極１８を透過した空気中の酸素は、陽極１８から電子を受け取った水素イオンと反応して、水に還元される。陽極１８の材料としては、例えば水密性のある薄膜状（織布等）カーボン、水に接する面にナノカーボン粒子を塗布した織布や紙や薄膜、水に接する面に金属触媒を塗布した織布や紙や薄膜、気体に接する部分に金属網等を付着させた織布や紙や薄膜等が挙げられる。また、陽極１８の反応槽１４側の面には、好気性の微生物を担持してもよい。好気性の微生物（好気性微生物２４）が、酸素の陽極還元の触媒となり、酸素還元の効率を向上させるからである。このような好気性微生物２４としては、例えばSphingobacterium, Acinetobacterium sp.、Acinetobacter sp.等が挙げられる。
【００２５】
透過速度制御層２０は、陰極１６の基質槽１２側に設けられ、陰極１６を透過する基質の透過速度を調整する。透過速度制御層２０は、陰極１６の面に接していてもよいし、陰極１６と適宜な間隔を空けて配置されていてもよい。透過速度制御層２０の材料としては、例えばシリコン、ナイロン、ポリエチレン等の網状膜を挙げることができる。また、透過速度制御層２０の厚さは、気体状基質の場合例えば１ｍｍ程度、液体状基質の場合例えば０．５ｍｍ程度であるが、必要な透過速度、基質の種類等により適宜調整する。
【００２６】
なお、図１において、基質槽１２の陰極１６とは反対側の端部から透過速度制御層２０までの長さをＬ１とし、陽極１８から透過速度制御層２０までの長さをＬ２としているが、これらの長さＬ１、Ｌ２については実施例で説明する。
【００２７】
次に、図１に示された微生物燃料電池１０の動作を説明する。反応槽１４に上記培地を収容し、陰極１６の反応槽１４側の面に上記嫌気性微生物２２を培養する。この状態で、基質槽１２から液体状または気体状の基質を陰極１６を介して反応槽１４側に透過させる。この場合、上記透過速度制御層２０により基質の透過速度を制御してもよい。また、陽極１８からは、反応槽１４側に空気を透過させる。
【００２８】
陰極１６を透過した基質は、陰極１６の反応槽１４側の表面に担持された嫌気性微生物２２により分解される。この際に、嫌気性微生物２２は陰極１６に対して電子を放出する。陰極１６に放出された電子は、負荷２６として示される外部回路を移動し、陽極１８に到達する。
【００２９】
一方、陰極１６において、基質が嫌気性微生物２２により分解される際に発生した水素イオンは、培地中を陽極１８の方向に移動する。陽極１８に到達した水素イオンは、陽極１８から電子を受け取り、陽極１８を透過してきた空気中の酸素と反応して、酸素を水に還元する。この際に、上述した好気性微生物２４を還元反応の触媒として使用してもよい。
【００３０】
以上の動作により、陰極１６で発生した電子が負荷２６を介して陽極１８に流れるので、微生物燃料電池１０から外部回路に電流を流すことができる。
【００３１】
本実施形態では、陰極１６と陽極１８とを隔てる隔膜を不要とできるので、陰極１６側のｐＨの低下を回避できるとともに、陽極１８における基質の浪費を回避できる。さらに、陰極１６を介して嫌気性微生物２２に常に基質を供給することができる。このため、発電能力の経時劣化が小さく、高効率で内部抵抗が低い微生物燃料電池を実現できる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の具体例を実施例として説明する。ただし、本発明は、以下に述べる実施例に限定されるものではない。
【００３３】
図１に示された構成の微生物燃料電池１０を形成するために、内径Ｄ＝２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの２つの円筒容器の間に透過速度制御層２０を挟み込み、図１のＬ１＝Ｌ２＝３０ｍｍとした。また、透過速度制御層２０の反応槽１４側の近傍に陰極１６を配置して基質槽１２と反応槽１４とに分離し、反応槽１４の陰極１６に対向する端部に陽極１８を配置した。陰極１６及び陽極１８の面積は３．１４ｃｍ２である。なお、上記円筒容器の内、少なくとも基質槽１２となる側は有底円筒容器であり、底部が透過速度制御層２０とは反対の側となるように配置する。
【００３４】
反応槽１４内には、培地として、ＡｌＫ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ（０．２）、Ｈ３ＢＯ３（０．０２）、ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（０．３）、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ（０．３）、ＭｎＣｌ２・５Ｈ２Ｏ（０．５）、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ（０．２）、ＺｎＣｌ２（０．２）、Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．１）、Ｎａ２ＳｅＯ３（０．１）、ＮａＷＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．０５）、ＮａＯＨ（０．４）及び３６％ＨＣｌ水溶液０．８６ｍｌ／ｌの混合物（括弧内の数値はｍｇ／ｌ単位の濃度）の水溶液を充填し、微量の栄養塩類を添加した。なお、水溶液に使用した水は、通常の水道水である。水道水を使用しない場合には、適宜極微量の金属イオンを添加する。また、陰極１６の透過速度制御層２０とは反対側の面に嫌気性微生物２２を培養した。嫌気性微生物２２としては、東京都の下水から採取したものを使用した。基質槽１２には、基質として０．５質量％のエチルアルコールを充填した。
【００３５】
陰極１６には、５ミリ厚炭素繊維フェルト（トラスコ中山株式会社製カーボンフェルト  厚さ５．０ｍｍタイプ  ５０ＣＦ−１５）をステンレス網に貼り付けた複合電極を使用した。また、陽極１８には、カーボン繊維紙（Ｂａｌｌａｒｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ＢＭＰ）社製ＡＶ  Ｃａｒｂ  Ｐ７５Ｔ）にカーボンナノ粒子（Ｃａｂｏｔ社製  Ｂｌａｃｋ  Ｐｅａｒｌｓ  ２０００）７０％とＰＴＦＥ３０％を混合したものを塗布したものを使用した。また、透過速度制御層２０には、厚さ０．５ｍｍのシリコーン膜を使用した。
【００３６】
以上のようにして形成した微生物燃料電池１０を使用し、基質である０．５質量％のエチルアルコールを、透過速度制御層２０（シリコーン膜）に３８＋／−８×１０−６ｍ／時間の透過速度で透過させた。また、陽極１８を介して反応槽１４内に空気を透過させるが、透過速度は成りゆきとした。
【００３７】
この状態で４６日間稼働させ、負荷２６である抵抗器の両端の電圧値（電池の起電力：Ｖ）と電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）とを測定した。なお、電流密度は、負荷２６に流れる電流値を電極の面積（３．１４ｃｍ２）で除した値である。電圧値及び電流値の測定は、ナショナルインスツルメンツ（National Instruments）社製  ＮＩ  ＵＳＢ−６００８  data acquisition deviceにより行った。なお、引き続いて１００日経過するまで連続して稼働させたが、ほぼ上記動作状態を維持することができた。
【００３８】
図２（ａ）、（ｂ）には、上記測定結果が示される。図２（ａ）は、負荷２６の抵抗値を１０００Ωに一定とした場合の電圧値、電流密度及び電力密度（負荷２６で消費された電力を電極の面積で除した値：μＷ／ｃｍ２）の関係が示される。また、図２（ｂ）には、負荷２６の抵抗値を変化させた場合の、電圧値と電流密度との関係が示される。
【００３９】
図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例の微生物燃料電池１０は、連続稼働４６日目において、実用上問題ない起電力を発生しており、経時劣化が小さいことがわかる。また、使用した基質は、０．５質量％のエチルアルコールであり、発電効率が高いことがわかる。さらに、本実施例の微生物燃料電池の内部抵抗は８７２Ωと計算でき、低い値となっていた。
【符号の説明】
【００４０】
１０  微生物燃料電池、１２  基質槽、１４  反応槽、１６  陰極、１８  陽極、２０  透過速度制御層、２２  嫌気性微生物、２４  好気性微生物、２６  負荷。
【図１】
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【図２】
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