JP2011049068A - Bio-fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】負極のみならず、正極にも微生物処後の処理液を供給することで、生物由来のエネルギーをより有効に活用できるバイオ燃料電池を提供すること。
【解決手段】セパレータを介して正極と負極とを備え、正極に供給されるバイオ活物質含有液が、好気性の微生物処理後の処理液であって、負極に供給されるバイオ活物質含有液が、嫌気性の微生物処理後の処理液であることを特徴とし、好ましくは、セパレータを介して正極室と負極室とが隣設し、それぞれの極室はバイオ活物質含有液の流入口及び流出口を備え、該正極室はバイオ活物質に浸漬された正極を備え、該負極室はバイオ活物質に浸漬された負極を備えて成るバイオ燃料電池。
【選択図】 図１The present invention provides a biofuel cell that can utilize biological energy more effectively by supplying a treatment liquid after microbial treatment not only to the negative electrode but also to the positive electrode.
A bioactive material-containing liquid that is provided with a positive electrode and a negative electrode via a separator and is supplied to the positive electrode is a treatment liquid after aerobic microorganism treatment, and the bioactive material-containing liquid supplied to the negative electrode Is a treatment liquid after anaerobic microorganism treatment, preferably, a positive electrode chamber and a negative electrode chamber are arranged adjacent to each other via a separator, and each of the electrode chambers has an inlet for a bioactive material-containing liquid and A biofuel cell comprising an outlet, the positive electrode chamber comprising a positive electrode immersed in a bioactive material, and the negative electrode chamber comprising a negative electrode immersed in the bioactive material.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、生物由来のエネルギーをより有効に活用できるバイオ燃料電池に関する。 The present invention relates to a biofuel cell that can utilize biological energy more effectively.
昨今、バイオ燃料電池は、次世代型バイオエネルギー回収プロセスとして注目を集めている。 Recently, biofuel cells are attracting attention as a next-generation bioenergy recovery process.
従来のバイオ燃料電池では、微生物処理後の処理液を負極に供給し、酸素を含む空気を正極に供給し、発電を行っていた。例えば、特許文献１には、微生物による嫌気性処理であるメタン発酵プロセスにおいて、水素生成に供される電子をバイオ燃料電池の負極に供給することによって発電する方法が開示されているが、正極には空気極が用いられ、曝気により酸素が提供されている。 In a conventional biofuel cell, power is generated by supplying a treatment liquid after microbial treatment to the negative electrode and supplying air containing oxygen to the positive electrode. For example, Patent Document 1 discloses a method of generating electric power by supplying electrons used for hydrogen generation to a negative electrode of a biofuel cell in a methane fermentation process that is an anaerobic treatment by microorganisms. The air electrode is used, and oxygen is provided by aeration.
本発明の課題は、負極のみならず、正極にも微生物処後の処理液を供給することで、生物由来のエネルギーをより有効に活用できるバイオ燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a biofuel cell that can utilize biological energy more effectively by supplying a treatment liquid after microbial treatment not only to the negative electrode but also to the positive electrode.
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。 Other problems of the present invention will become apparent from the following description.
上記課題は、以下の各発明によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions.
（請求項１）
セパレータを介して正極と負極とを備え、正極に供給されるバイオ活物質含有液が、好気性の微生物処理後の処理液であって、負極に供給されるバイオ活物質含有液が、嫌気性の微生物処理後の処理液であることを特徴とするバイオ燃料電池。
(Claim 1)
A bioactive material-containing liquid that is provided with a positive electrode and a negative electrode via a separator and is supplied to the positive electrode is a treatment liquid after aerobic microorganism treatment, and the bioactive material-containing liquid supplied to the negative electrode is anaerobic A biofuel cell, characterized in that it is a treatment solution after microbial treatment.
（請求項２）
セパレータを介して正極室と負極室とが隣設し、
それぞれの極室はバイオ活物質含有液の流入口及び流出口を備え、
該正極室はバイオ活物質に浸漬された正極を備え、
該負極室はバイオ活物質に浸漬された負極を備えて成ることを特徴とする請求項１記載のバイオ燃料電池。
(Claim 2)
The positive electrode chamber and the negative electrode chamber are adjacent to each other through a separator,
Each polar chamber has an inlet and an outlet for the liquid containing the bioactive material,
The positive electrode chamber includes a positive electrode immersed in a bioactive material,
The biofuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode chamber includes a negative electrode immersed in a bioactive material.
（請求項３）
前記好気性の微生物処理後の処理液が、活性汚泥又は活性汚泥上澄水であることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオ燃料電池。
(Claim 3)
The biofuel cell according to claim 1 or 2, wherein the treatment liquid after the aerobic microorganism treatment is activated sludge or activated sludge supernatant water.
（請求項４）
前記嫌気性の微生物処理後の処理液が、メタン発酵処理によって発生する消化液であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のバイオ燃料電池。
(Claim 4)
The biofuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the treatment solution after the anaerobic microorganism treatment is a digestion solution generated by a methane fermentation treatment.
（請求項５）
正負極の少なくとも１つが、多孔質炭素及び／又は炭素繊維集合体であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のバイオ燃料電池。
(Claim 5)
The biofuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of the positive and negative electrodes is porous carbon and / or a carbon fiber aggregate.
本発明によると、負極のみならず、正極にも微生物処後の処理液を供給することで、生物由来のエネルギーをより有効に活用できるバイオ燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the biofuel cell which can utilize biological energy more effectively can be provided by supplying the process liquid after microorganisms processing not only to a negative electrode but to a positive electrode.
まず、本発明のメカニズムについて説明する。 First, the mechanism of the present invention will be described.
燃料電池は、負極側に存在する電子供与体から、正極側に存在する電子受容体へと、電子を移動させることによって発電を行う。これら電子供与体及び電子受容体は、負極側及び正極側に随時供給される。 A fuel cell generates electricity by moving electrons from an electron donor existing on the negative electrode side to an electron acceptor existing on the positive electrode side. These electron donor and electron acceptor are supplied to the negative electrode side and the positive electrode side as needed.
電子供与体と電子受容体はそれぞれ異なる酸化還元電位を有し、さらに、電子供与体は電子受容体よりも低い酸化還元電位を有する。 The electron donor and the electron acceptor have different redox potentials, and the electron donor has a lower redox potential than the electron acceptor.
電子は、酸化還元電位の低い（還元力の強い）方から、高い（酸化力の強い）方へと移動するので、その結果、電流が発生する。 Electrons move from a low oxidation-reduction potential (high reduction power) to a high (strong oxidation power), and as a result, a current is generated.
従来の燃料電池においては、上記の電子受容体として酸素が用いられてきた。酸素は酸化還元電位が高く、また空気中に存在しているため、正極液に空気を曝気することで提供することができる。 In conventional fuel cells, oxygen has been used as the electron acceptor. Oxygen has a high oxidation-reduction potential and is present in the air, so that it can be provided by aerating air to the cathode solution.
従来のバイオ燃料電池においても同様に、正極に酸素を供給する方法が用いられてきた。 Similarly, a method of supplying oxygen to the positive electrode has been used in conventional biofuel cells.
本発明のバイオ燃料電池においては、負極に酸化還元電位の低いバイオ活物質を供給し、正極に酸化還元電位の高いバイオ活物質を提供する。 In the biofuel cell of the present invention, a bioactive material having a low redox potential is supplied to the negative electrode, and a bioactive material having a high redox potential is provided to the positive electrode.
本明細書において、バイオ活物質とは、例えば炭素電極等に活性な、バイオ（微生物）由来の細胞外酸化還元物質であり、例えば、ヒドロキノン−キノン系の酸化還元対で構成される。具体的には、微生物の代謝による生成物であり、更に、微生物本体もまた細胞内、及び細胞表面に酸化還元活性物質を有するためこれに含める。 In this specification, the bioactive material is a bio (microorganism) -derived extracellular redox material that is active on, for example, a carbon electrode, and is composed of, for example, a hydroquinone-quinone redox pair. Specifically, it is a product of microorganism metabolism, and the microorganism main body is also included because it has a redox active substance in the cell and on the cell surface.
本発明のバイオ燃料電池では、負極において、酸化還元電位の低いバイオ活物質から電子が引き抜かれ、この電子が導線を介して正極へと移動して、酸化還元電位の高いバイオ活物質に提供されることによって発電が起こる。 In the biofuel cell of the present invention, in the negative electrode, electrons are extracted from the bioactive material having a low oxidation-reduction potential, and the electrons move to the positive electrode through the conductive wire and are provided to the bioactive material having a high oxidation-reduction potential. Power generation occurs.
図１は、本発明に係るバイオ燃料電池の一例を説明する概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a biofuel cell according to the present invention.
図１において、１は電気化学反応により発電を行う電気化学的リアクターである。電気化学的リアクター１は、負極室２、正極室３を備え、各室にはそれぞれ異なる酸化還元電位を有するバイオ活物質含有液が供給され、該バイオ活物質含有液には、４、５で示される負極、正極が浸漬される。 In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an electrochemical reactor that generates power by an electrochemical reaction. The electrochemical reactor 1 includes a negative electrode chamber 2 and a positive electrode chamber 3, each of which is supplied with a bioactive material-containing liquid having different oxidation-reduction potentials. The negative electrode and positive electrode shown are immersed.
電気化学的リアクターは、炭素によって導電性を発現させる複極仕切板によって構成されていることが好ましい。 It is preferable that the electrochemical reactor is constituted by a bipolar separator that develops conductivity by carbon.
本発明において、正負極は、多孔質炭素、及び／又は、炭素繊維集合体によって与えられることが好ましい。 In the present invention, the positive and negative electrodes are preferably provided by porous carbon and / or carbon fiber aggregates.
上記多孔質炭素としては市販されている燃料電池電極などの多孔質極板状等が例示でき、炭素繊維集合体としては、カーボンクロスやカーボンフェルトなどが例示できる。窒素ガスを用いるＢＥＴ比表面積が、１ｍ２／ｇ程度以上の導電性炭素繊維を用いることがより好ましい。 Examples of the porous carbon include a porous electrode plate such as a commercially available fuel cell electrode, and examples of the carbon fiber aggregate include carbon cloth and carbon felt. It is more preferable to use conductive carbon fibers having a BET specific surface area of about 1 m 2 / g or more using nitrogen gas.
このように比表面積が大きい電極を用いることで、高い発電量を得ることができる。 By using an electrode having a large specific surface area in this way, a high power generation amount can be obtained.
カーボンクロスやカーボンフェルトなどの炭素繊維集合体は、セルロース、ポリアクリルニトリル、ピッチ系などの炭素原子を含む繊維を用いて形成した織布又は不織布を、好ましくは１２００℃以上、より好ましくは１５００℃以上で空気を遮断して焼成し、炭素質化あるいはグラファイト質化して導電性を付与することによって得られる。 The carbon fiber aggregate such as carbon cloth or carbon felt is preferably a woven fabric or a non-woven fabric formed using fibers containing carbon atoms such as cellulose, polyacrylonitrile, pitch-based, etc., preferably 1200 ° C. or more, more preferably 1500 ° C. In the above manner, it is obtained by firing while blocking air, and carbonizing or graphitizing to impart conductivity.
更に、炭素繊維表面を、酸化処理等によって処理し、水素あるいは酸素過電圧を向上させて用いることも好ましい。 Furthermore, it is also preferable to treat the carbon fiber surface by oxidation treatment or the like to improve hydrogen or oxygen overvoltage.
負極室２と正極室３は、セパレータ６を介して結合されてもよく、セパレータとしては、水素イオン交換膜等のイオン交換膜を好適に用いることができる。 The negative electrode chamber 2 and the positive electrode chamber 3 may be coupled via a separator 6, and an ion exchange membrane such as a hydrogen ion exchange membrane can be suitably used as the separator.
７に示される負極液循環手段において、７００は負極液タンクであり、例えば図示しない嫌気性処理槽からポンプ及び送液管により送液されたバイオ活物質含有液を負極液として蓄える。この負極液は、ポンプ７０１によって、配管７０２を介して負極室２が備える流入口より負極室２に供給される。 In the negative electrode liquid circulation means shown in FIG. 7, reference numeral 700 denotes a negative electrode liquid tank, which stores, for example, a bioactive material-containing liquid fed from a not-shown anaerobic treatment tank by a pump and a liquid feed pipe as a negative electrode liquid. The negative electrode solution is supplied to the negative electrode chamber 2 from the inlet provided in the negative electrode chamber 2 via the pipe 702 by the pump 701.
８に示される正極液循環手段において、８００は正極液タンクであり、例えば図示しない好気性処理槽からポンプ及び送液管により送液されたバイオ活物質含有液を正極液として蓄える。この正極液は、ポンプ８０１によって、配管８０２を介して正極室３が備える流入口より正極室３に供給される。 In the positive electrode liquid circulation means shown in FIG. 8, reference numeral 800 denotes a positive electrode liquid tank, which stores, for example, a bioactive material-containing liquid fed from a not-shown aerobic treatment tank by a pump and a liquid feed pipe as a positive electrode liquid. This positive electrode solution is supplied to the positive electrode chamber 3 from the inlet provided in the positive electrode chamber 3 via the pipe 802 by the pump 801.
正負極室における液の流れは、それぞれ上向流乃至下降流であってもよく、更に、互いに並流乃至向流であってもよく、適宜設定できる。 The flow of the liquid in the positive and negative electrode chambers may be an upward flow or a downward flow, respectively, and may be a parallel flow or a counter flow, and can be set as appropriate.
負極室は、流出口を備え、供給された負極液を該流出口より流出する。流出した負極液は、配管７０３を介して負極液タンク７００に返送される。 The negative electrode chamber includes an outflow port, and the supplied negative electrode liquid flows out from the outflow port. The negative electrode liquid that has flowed out is returned to the negative electrode liquid tank 700 via the pipe 703.
正極室は、流出口を備え、供給された正極液を該流出口より流出する。流出した正極液は、配管８０３を介して正極液タンク８００に返送される。 The positive electrode chamber has an outlet, and the supplied positive electrode solution flows out from the outlet. The cathode solution that has flowed out is returned to the cathode solution tank 800 via the pipe 803.
本発明において、正極液及び負極液として正負極に供給されるそれぞれのバイオ活物質含有液は、異なる酸化還元電位を有するバイオ活物質を有し、且つ、正極液が含むバイオ活物質は、負極液が含むバイオ活物質よりも高い酸化還元電位を有する。 In the present invention, each of the bioactive material-containing liquids supplied to the positive and negative electrodes as the positive electrode solution and the negative electrode solution has bioactive materials having different oxidation-reduction potentials, and the bioactive material included in the positive electrode solution is a negative electrode It has a higher redox potential than the bioactive material contained in the liquid.
電子は、酸化還元電位の低い（還元力の強い）方から、高い（酸化力の強い）方へと移動するので、図１に示したバイオ燃料電池において、正極と負極とを外部回路において導線で接続すると、電子が負極から正極へと移動し、電流が流れる。 Electrons move from a low oxidation-reduction potential (strong reduction power) to a high (strong oxidation power) direction, so that in the biofuel cell shown in FIG. When connected at, electrons move from the negative electrode to the positive electrode, and current flows.
本発明において、バイオ活物質を含有する液であるバイオ活物質含有液としては、微生物処理後の処理液を好適に用いることができる。 In the present invention, as a bioactive material-containing liquid that is a liquid containing a bioactive material, a treatment liquid after microbial treatment can be suitably used.
また、各バイオ活物質含有液はそれぞれ異なる微生物処理後の処理液であることが好ましい。さらに、各バイオ活物質含有液は、酸化還元電位の差を有していれば、それぞれ複数の微生物処理後の処理液を混合したものであってもよい。 Moreover, it is preferable that each bioactive material containing liquid is a process liquid after each different microorganism treatment. Furthermore, as long as each bioactive material-containing liquid has a difference in oxidation-reduction potential, a plurality of treatment liquids after treatment with microorganisms may be mixed.
本発明において、負極に供給されるバイオ活物質含有液としては、微生物処理における嫌気性処理後の処理液を用いることが好ましく、メタン発酵後の処理液をより好適に用いることができ、例えば、搾乳牛等の糞尿のメタン発酵消化液、生ゴミ等の有機性廃棄物のメタン発酵消化液等が挙げられる。 In the present invention, the bioactive material-containing liquid supplied to the negative electrode is preferably a treatment liquid after anaerobic treatment in microbial treatment, and more preferably a treatment liquid after methane fermentation. Examples include methane fermentation digestive juice of manure such as milking cows, and methane fermentation digestive juice of organic waste such as raw garbage.
一方、本発明において、正極に供給されるバイオ活物質含有液としては、微生物処理における好気性処理後の処理液を用いることが好ましく、活性汚泥、及び、活性汚泥上澄水をより好適に用いることができ、例えば、標準活性汚泥法やバイオフィルム法等における微生物処理上澄水等が挙げられる。 On the other hand, in the present invention, the bioactive material-containing liquid supplied to the positive electrode is preferably a treatment liquid after aerobic treatment in microbial treatment, and more preferably activated sludge and activated sludge supernatant water. For example, microbially treated supernatant water in a standard activated sludge method or a biofilm method can be used.
負極に供給されるバイオ活物質含有液として、微生物処理における嫌気性処理後の処理液を、正極に供給されるバイオ活物質含有液として、微生物処理における好気性処理後の処理液を用いるという発明は、本発明者の以下の知見により完成されたものである。 Invention of using a treatment liquid after anaerobic treatment in microbial treatment as the bioactive material-containing liquid supplied to the negative electrode, and a treatment liquid after aerobic treatment in the microbial treatment as the bioactive material-containing liquid supplied to the positive electrode Is completed by the following knowledge of the present inventors.
つまり、本発明は、微生物の好気性処理後の処理液は酸化還元電位の高いバイオ活物質を含み、微生物の嫌気性処理後の処理液は酸化還元電位が低いバイオ活物質を含むことを利用したエネルギー回収システムである。 That is, the present invention utilizes the fact that the treatment solution after the aerobic treatment of the microorganism contains a bioactive material having a high oxidation-reduction potential, and the treatment solution after the anaerobic treatment of the microorganism contains a bioactive material having a low oxidation-reduction potential. Energy recovery system.
図２に、微生物処理後の処理液のサイクリックボルタングラムを示す。 FIG. 2 shows a cyclic voltammogram of the treatment liquid after the microorganism treatment.
図２中、（ａ）は、嫌気性処理後の処理液である搾乳牛糞尿メタン発酵消化液のサイクリックボルタングラムであり、約−０．５Ｖ付近に酸化還元電位を有することがわかる。また、（ｂ）は中程度の好嫌気性処理後の処理液である亜硝酸含有活性汚泥上澄水のサイクリックボルタングラムであり、約−０．１〜約＋０．１Ｖ付近に酸化還元電位を有することがわかる。さらに、（ｃ）は好気性処理後の処理液である活性汚泥のサイクリックボルタングラムであり、約＋０．６Ｖ付近に酸化還元電位を有することがわかる。 In FIG. 2, (a) is a cyclic voltammogram of the milking cow manure methane fermentation digestive liquid which is the processing liquid after anaerobic processing, and it turns out that it has a redox potential in the vicinity of about -0.5V. Moreover, (b) is a cyclic voltammogram of nitrite-containing activated sludge supernatant water, which is a treatment solution after a moderate anaerobic treatment, with a redox potential around about −0.1 to about + 0.1V. You can see that Furthermore, (c) is a cyclic voltammogram of activated sludge that is a treatment solution after aerobic treatment, and it is understood that it has a redox potential in the vicinity of about + 0.6V.
この様に、好気、又は嫌気状態が処理液の酸化還元電位に影響を及ぼす理由について、本発明者は以下のように考えている。 Thus, the present inventor considers the reason why the aerobic or anaerobic state affects the oxidation-reduction potential of the treatment liquid as follows.
微生物の細胞内呼吸は、いくつもの代謝物の連続的な酸化還元反応により形成され、各代謝物間の電位差に応じたエネルギーを取り出している。またこの連続的な酸化還元反応を進行させるためには、最終的な電子受容体が必要である。 Intracellular respiration of microorganisms is formed by continuous redox reactions of several metabolites, and energy corresponding to the potential difference between the metabolites is extracted. Moreover, in order to advance this continuous oxidation-reduction reaction, a final electron acceptor is required.
微生物の好気呼吸は、最終電子受容体として酸素を用いるため、高い酸化還元電位を有する代謝物の酸化還元反応を経て進行する。 Since aerobic respiration of microorganisms uses oxygen as a final electron acceptor, it proceeds via a redox reaction of a metabolite having a high redox potential.
一方、嫌気呼吸は、最終電子受容体として、酸素を用いず、有機物を用いている。嫌気呼吸の最終電子受容体として用いられる有機物の酸化力は、酸素に及ぶものではない。そのため、嫌気呼吸は、比較的低い酸化還元電位の範囲内で代謝物の酸化還元を行うことになる。 On the other hand, anaerobic breathing uses organic matter as the final electron acceptor without using oxygen. The oxidizing power of organic substances used as the final electron acceptor for anaerobic breathing does not extend to oxygen. For this reason, anaerobic respiration causes oxidation and reduction of metabolites within a relatively low redox potential range.
処理液は、上記代謝物や代謝反応における微生物細胞内外の酸化還元性物質（例えばキノン等の有機化合物や無機物）を含んでいる。 The treatment liquid contains the above-described metabolites and redox substances inside and outside the microorganism cells in the metabolic reaction (for example, organic compounds such as quinones and inorganic substances).
そのため、図２に示したように、好気性処理後の処理液の酸化還元電位は高く、嫌気性処理後の処理液の酸化還元電位は低くなる。 Therefore, as shown in FIG. 2, the oxidation-reduction potential of the treatment liquid after the aerobic treatment is high, and the oxidation-reduction potential of the treatment liquid after the anaerobic treatment is low.
先述の通り、電子は、酸化還元電位の低い（還元力の強い）方から、高い（酸化力の強い）方へと移動するので、負極に嫌気性処理後の処理液を、正極に好気性処理後の処理液を用いた場合においても、発電が起こる。 As described above, electrons move from the one with a low redox potential (strong reducing power) to the one with high redox potential (strong oxidizing power), so that the treatment liquid after anaerobic treatment is applied to the negative electrode and the positive electrode is aerobic. Even when the treated liquid is used, power generation occurs.
上述のように、本発明者は、生物のエネルギー代謝から発生する酸化力を正極に提供し、電気エネルギー化する方法を鋭意検討し、本発明を完成させた。 As described above, the present inventor has intensively studied a method for providing the positive electrode with the oxidizing power generated from the energy metabolism of a living organism and converting it into electric energy, and has completed the present invention.
本発明においては、正負極の何れか一方、又は両方の電極と微生物とを直接接触させる態様も好ましい。電極と微生物を直接接触させた場合は、微生物の細胞内部や表面に存在する酸化還元活性物質を、電極により直接、又はメディエータを介して間接的に酸化還元できる。 In the present invention, an embodiment in which one or both of the positive electrode and the negative electrode are in direct contact with the microorganism is also preferable. When the electrode and the microorganism are brought into direct contact, the redox active substance present inside or on the surface of the microorganism can be oxidized or reduced directly by the electrode or indirectly via a mediator.
電極と微生物を直接接触させる方法としては、微生物処理後の処理液を濾過等の微生物分離手段に供さず、微生物を含有させたまま電極に供給すればよい。 As a method for bringing the electrode and the microorganism into direct contact, the treatment liquid after the microorganism treatment may be supplied to the electrode while containing the microorganism without being subjected to a microorganism separation means such as filtration.
更に、電極に微生物を担持させることにより、電極と微生物を直接接触させてもよい。微生物を含有した処理液に電極を浸漬するだけで、電極表面に微生物を担持させることができるが、より効率的に微生物を担持させる場合は、電極に炭素繊維集合体を用いることが好ましい。更に、あらかじめ電極表面に微生物を担持させて用いてもよい。 Furthermore, the electrode and the microorganism may be brought into direct contact by supporting the microorganism with the electrode. Microorganisms can be supported on the electrode surface simply by immersing the electrode in a treatment solution containing microorganisms. However, in order to more efficiently support microorganisms, it is preferable to use a carbon fiber aggregate for the electrodes. Further, microorganisms may be supported on the electrode surface in advance.
処理液が微生物由来の酸化還元活性物質を含む場合は、これが電子メディエータとして働くため、電極と微生物間の電子移動が促進される効果が得られる。また、前記微生物由来の酸化還元活性物質のみでは十分な電子移動が起こらない場合は、さらに電子の移動を促進するために別途メディエータを添加してもよい。 When the treatment liquid contains a redox active substance derived from a microorganism, it acts as an electron mediator, so that an effect of promoting electron transfer between the electrode and the microorganism can be obtained. In addition, when sufficient electron transfer does not occur with the microorganism-derived redox active substance alone, a mediator may be added separately to further promote electron transfer.
微生物反応において、微生物は、有用物質を生成するのと同時に、副生成物を生成、蓄積することがある。この副生成物は、有用物質の純度を下げるばかりか、環境汚染物質、又は、前記有用物質生成に対する阻害作用を有するものである場合も少なくない。 In microbial reactions, microorganisms may produce and accumulate by-products at the same time as producing useful substances. In many cases, this by-product not only lowers the purity of the useful substance, but also has an environmental pollutant or an inhibitory effect on the production of the useful substance.
本発明では、上記副生成物を生じる化学反応の過程において、反応の進行に必要な電子の授受を電極が阻害して、副生成物の生成を抑制する効果も得られる。 In the present invention, in the course of the chemical reaction that generates the by-product, the electrode inhibits the transfer of electrons necessary for the progress of the reaction, and the effect of suppressing the generation of the by-product is also obtained.
したがって、バイオ燃料電池に供された微生物処理後の処理液を、再び微生物処理槽に返送することは、有用物質の生成効率を高める上で、好ましいことである。 Therefore, it is preferable to return the processing solution after the microbial treatment provided to the biofuel cell to the microbial treatment tank again in order to increase the production efficiency of useful substances.
また、本発明の他の態様として、正負極室のいずれか、又は、両方が、微生物処理槽を兼ねている態様も示すことができる。 In addition, as another aspect of the present invention, an aspect in which either or both of the positive and negative electrode chambers also serve as a microorganism treatment tank can be shown.
この場合は、上述の処理液を再び微生物処理槽に返送する工程を設けることなく、それと同等か、それ以上の効果を得ることができる。 In this case, an effect equal to or higher than that can be obtained without providing a step of returning the above-described treatment liquid to the microorganism treatment tank again.
この態様において、微生物は処理液中に拡散させてもよいし、正負極の表面に担持させてもよい。 In this embodiment, the microorganism may be diffused in the treatment liquid or may be supported on the surfaces of the positive and negative electrodes.
従来のバイオ燃料電池の多くは、微生物反応により生成した水素ガス及び溶存酸素を利用するものが主であったが、これに対して本発明のバイオ燃料電池は、水素ガス及び溶存酸素を介さずに、負極のバイオ活物質から直接電子を回収し、これを正極のバイオ活物質に直接提供することができるため、極めて高い効率で電気エネルギーを得ることができる。 Most of the conventional biofuel cells mainly use hydrogen gas and dissolved oxygen produced by microbial reaction, whereas the biofuel cell of the present invention does not involve hydrogen gas and dissolved oxygen. In addition, since electrons can be directly recovered from the negative electrode bioactive material and provided directly to the positive electrode bioactive material, electrical energy can be obtained with extremely high efficiency.
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to such examples.
（実施例１）
正極に活性汚泥（ＭＬＳＳ３５００ｍｇ／Ｌ程度）、負極に搾乳牛糞尿メタン発酵消化液をそれぞれ電解液として用い、図３に示すような電解液流通型の小型バイオ燃料電池を作成した。
Example 1
Activated sludge (MLSS of about 3500 mg / L) was used as the positive electrode, and milking cow manure methane fermentation digestive juice was used as the electrolyte for the negative electrode, and an electrolyte flow type small biofuel cell as shown in FIG. 3 was created.
図３において、１１は負極であり、１２は正極であり、共にポーラスカーボン電極から成り、図面における縦方向に電極横断する図示しない溝状の切り欠きを有する。両電極に挟持されたセパレータ１３としては、通常、固体高分子型燃料電池に用いられるイオン交換膜や孔径の小さい微多孔膜等を用いることができ、内部短絡を防ぐ点からイオン交換膜が好ましい。この膜と電極の接合は、単なる圧着でよい。 In FIG. 3, 11 is a negative electrode and 12 is a positive electrode, both of which are made of porous carbon electrodes, and have groove-shaped notches (not shown) that cross the electrodes in the vertical direction in the drawing. As the separator 13 sandwiched between both electrodes, an ion exchange membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, a microporous membrane having a small pore diameter, or the like can be used, and an ion exchange membrane is preferable from the viewpoint of preventing an internal short circuit. . This membrane and electrode may be joined by simple pressure bonding.
また、図３中、１４は集電シートであり、ここではカーボンプレートを用いた。１５はリード用銅板であり、図示しない外部回路を経て両極のリード用銅板は接続される。その外側には、押さえ板１６が配置される。 Moreover, in FIG. 3, 14 is a current collection sheet | seat and the carbon plate was used here. Reference numeral 15 denotes a lead copper plate, and the lead copper plates of both poles are connected through an external circuit (not shown). A pressing plate 16 is disposed on the outer side.
さらに、両極は、１７から２０に示す液体の流路に接触している。 Further, both poles are in contact with liquid flow paths indicated by 17 to 20.
１７、１８はそれぞれ、負極、正極に提供される微生物処後の処理液であり、両極の電極表面に形成された前記溝状の切り欠きを流路として流れる。 Reference numerals 17 and 18 denote treatment liquids after the microorganism treatment provided to the negative electrode and the positive electrode, respectively, and flow using the groove-shaped notches formed on the electrode surfaces of both electrodes as flow paths.
１９と２０は、加湿用水溶液又は水である。これら液体の漏れを防ぐために、図示しないスペーサーが適宜設けられてもよい。 19 and 20 are humidifying aqueous solutions or water. In order to prevent leakage of these liquids, a spacer (not shown) may be provided as appropriate.
また、図１に示す小型燃料電池は、これら液体を電極に供給、排出、循環する手段を有する。 The small fuel cell shown in FIG. 1 has means for supplying, discharging, and circulating these liquids to and from the electrode.
処理液１９、２０の循環は、それぞれチューブポンプにより行った。チューブポンプの流量は共に３ｍＬ／ｍｉｎとし、温度は共に１８℃とした。 The processing liquids 19 and 20 were circulated by tube pumps, respectively. Both the flow rates of the tube pumps were 3 mL / min, and the temperature was 18 ° C.
回路を閉じ、発電量が安定したところで発電量を測定した結果、０．６Ｖの回路電圧下において０．３ｍＡの電流が観察された。 As a result of measuring the power generation amount when the circuit was closed and the power generation amount was stable, a current of 0.3 mA was observed under a circuit voltage of 0.6V.
（実施例２）
負極電解液に亜硝酸含有活性汚泥上澄水を用いること以外は実施例１と同様にして発電量を測定したところ、０．３Ｖの回路電圧下において０．２ｍＡの電流が観察された。
(Example 2)
When the amount of power generation was measured in the same manner as in Example 1 except that nitrous acid-containing activated sludge supernatant was used as the negative electrode electrolyte, a current of 0.2 mA was observed under a circuit voltage of 0.3 V.
（実施例３）
正極電解液に亜硝酸含有活性汚泥上澄水を、負極電解質にアンモニア含有活性汚泥上澄水を用いること以外は実施例１と同様にして発電量を測定したところ、０．３Ｖの回路電圧下において０．２ｍＡの電流が観察された。
(Example 3)
The amount of power generation was measured in the same manner as in Example 1 except that nitrous acid-containing activated sludge supernatant was used for the positive electrode electrolyte and ammonia-containing activated sludge supernatant was used for the negative electrode electrolyte. A current of .2 mA was observed.
（実施例４）
負極電解液にアンモニア含有搾乳牛糞尿メタン発酵消化液を用いること以外は実施例１と同様にして発電量を測定したところ、０．７Ｖの回路電圧下において０．４ｍＡの電流が観察された。
Example 4
When the amount of power generation was measured in the same manner as in Example 1 except that ammonia-containing milking cow manure methane fermentation digestive juice was used as the negative electrode electrolyte, a current of 0.4 mA was observed under a circuit voltage of 0.7 V.
＜評価＞
実施例１、及び、実施例４の結果より、好気性処理後の処理液を正極に、嫌気性処理後の処理液を負極に用いることで、大きな発電量が得られることが分かる。
<Evaluation>
From the results of Example 1 and Example 4, it can be seen that a large amount of power generation can be obtained by using the treatment liquid after the aerobic treatment as the positive electrode and the treatment liquid after the anaerobic treatment as the negative electrode.
亜硝酸含有活性汚泥上澄水は、中程度の好嫌気性処理であり、酸化還元電位を好気、嫌気性処理後の処理液の中間に有するため、実施例２において負極に、実施例３において正極に供給した場合、いずれの場合においても発電が確認された。 Nitrous acid-containing activated sludge supernatant water is a moderately anaerobic treatment and has an oxidation-reduction potential in the middle of the treatment liquid after aerobic and anaerobic treatment. When supplied to the positive electrode, power generation was confirmed in all cases.
１：電気化学的リアクター
２：負極室
３：正極室
４：負極
５：正極
６：セパレータ
７：負極液循環手段
７００：負極液タンク
８：正極液循環手段
８００：正極液タンク
１１：負極
１２：正極
１３：セパレータ
１４：集電シート
１５：リード用銅板
１６：押さえ板
1: Electrochemical reactor 2: Negative electrode chamber 3: Positive electrode chamber 4: Negative electrode 5: Positive electrode 6: Separator 7: Negative electrode liquid circulation means 700: Negative electrode liquid tank 8: Positive electrode liquid circulation means 800: Positive electrode liquid tank 11: Negative electrode 12: Positive electrode 13: Separator 14: Current collecting sheet 15: Copper plate for lead 16: Holding plate
Claims (5)
それぞれの極室はバイオ活物質含有液の流入口及び流出口を備え、
該正極室はバイオ活物質に浸漬された正極を備え、
該負極室はバイオ活物質に浸漬された負極を備えて成ることを特徴とする請求項１記載のバイオ燃料電池。 The positive electrode chamber and the negative electrode chamber are adjacent to each other through a separator,
Each polar chamber has an inlet and an outlet for the liquid containing the bioactive material,
The positive electrode chamber includes a positive electrode immersed in a bioactive material,
The biofuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode chamber includes a negative electrode immersed in a bioactive material.
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