JP2017228410A - Electrode and microbial fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極、及び当該電極を用いた微生物燃料電池を提供する。【解決手段】電極(10)は、導電体層(1)と、導電体層の一方の面に設けられ、厚さが1.0mm〜40mmである多孔質体層(2)と、導電体層における多孔質体層側の面(1a)と反対側の面(1b)に設けられた撥水層(3)とを備える。微生物燃料電池(100)は、電極(10)からなる正極(10A)と、微生物を保持する負極(20)と、電解液(70)とを備え、多孔質体層及び負極が電解液に浸漬され、撥水層の少なくとも一部が気相(90)に露出している。【選択図】図1An electrode capable of suppressing oxygen consumption by an aerobic microorganism and effectively performing an oxygen reduction reaction, and a microbial fuel cell using the electrode are provided. An electrode (10) includes a conductor layer (1), a porous body layer (2) having a thickness of 1.0 mm to 40 mm provided on one surface of the conductor layer, and a conductor. A water repellent layer (3) provided on the surface (1a) on the porous body layer side and the surface (1b) on the opposite side of the layer. The microbial fuel cell (100) includes a positive electrode (10A) composed of an electrode (10), a negative electrode (20) holding microorganisms, and an electrolytic solution (70), and the porous body layer and the negative electrode are immersed in the electrolytic solution. Thus, at least a part of the water repellent layer is exposed to the gas phase (90). [Selection] Figure 1
Description
本発明は、電極及び微生物燃料電池に関する。詳細には本発明は、廃水を浄化し、かつ、電気エネルギーを生成することが可能な電極、及びそれを用いた微生物燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode and a microbial fuel cell. Specifically, the present invention relates to an electrode capable of purifying waste water and generating electric energy, and a microbial fuel cell using the electrode.
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、生活廃水や工場廃水に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。ただ、微生物が発する電力が非常に小さく、出力される電流密度が低いため、更なる改良が必要である。 In recent years, microbial fuel cells that generate electricity using biomass have attracted attention as sustainable energy. A microbial fuel cell is a wastewater treatment apparatus that converts the chemical energy of an organic substance contained in domestic wastewater or factory wastewater into electrical energy and oxidizes and decomposes the organic substance. The microbial fuel cell is characterized by little generation of sludge and low energy consumption. However, since the power generated by microorganisms is very small and the output current density is low, further improvement is necessary.
このような微生物燃料電池としては、次のような特許文献1に記載のものが開示されている。当該微生物燃料電池は、電解液を保持する電解槽と、電解槽の槽内部に配置されるアノードと、電解槽の槽体部に配置され、一面が槽外部の空気と接触し、他面が電解液と接触するカソードとを備えている。当該電解槽は、電解液の他に、微生物、及び当該微生物による酸化分解の基質を保持している。微生物としては、Geobacter属、Shewanella属等の嫌気性微生物が開示されている。そして、カソードは電子伝導性及びガス透過性を有する電極基材を含んでなり、電極基材における空気と接触する一面にはシリコーンを含有してなる止水層が形成され、電極基材の他面にはカソード触媒が担持された触媒層が形成されている。特許文献1の微生物燃料電池では、微生物が基質を酸化・分解して電子とプロトンを生成した後、アノードから外部回路を通じて供給される電子と、電解液中のプロトンと、電解槽の槽外部から供給される酸素とがカソードの触媒層で反応する。
As such a microbial fuel cell, the thing of the following
ここで、微生物燃料電池の電解液には、上述のような嫌気性微生物に加え、増殖に酸素を必要とする好気性微生物も含まれていることが多い。そして、好気性微生物は酸素を必須とするため、酸素濃度が高い止水層と電極基材との界面近傍に存在している。 Here, in addition to the above-mentioned anaerobic microorganisms, the microbial fuel cell electrolyte often contains aerobic microorganisms that require oxygen for growth. And since an aerobic microorganism makes oxygen essential, it exists in the interface vicinity of the water stop layer and electrode base material with high oxygen concentration.
上述のように、特許文献1の微生物燃料電池では、止水層と電極基材との界面近傍に好気性微生物が存在しているため、当該界面の近傍で好気性微生物により酸素が消費されてしまう。その結果、電極基材よりも電解槽内部に配置されている触媒層に酸素が十分に到達しないため、酸素還元反応がなされなくなり、安定的に電気エネルギーが得られないという問題があった。
As described above, in the microbial fuel cell of
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極、及び当該電極を用いた微生物燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. An object of the present invention is to provide an electrode capable of suppressing oxygen consumption by aerobic microorganisms and effectively performing an oxygen reduction reaction, and a microbial fuel cell using the electrode.
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る電極は、導電体層と、導電体層の一方の面に設けられ、厚さが1.0mm〜40mmである多孔質体層と、導電体層における多孔質体層側の面と反対側の面に設けられた撥水層とを備える。 In order to solve the above-described problems, an electrode according to the first aspect of the present invention includes a conductor layer and a porous body layer provided on one surface of the conductor layer and having a thickness of 1.0 mm to 40 mm. And a water repellent layer provided on the surface opposite to the surface on the porous body layer side of the conductor layer.
本発明の第二の態様に係る微生物燃料電池は、上記電極からなる正極と、微生物を保持する負極と、電解液とを備え、多孔質体層及び負極が電解液に浸漬され、撥水層の少なくとも一部が気相に露出している。 A microbial fuel cell according to a second aspect of the present invention comprises a positive electrode comprising the above electrode, a negative electrode holding microorganisms, and an electrolytic solution, wherein the porous body layer and the negative electrode are immersed in the electrolytic solution, and the water repellent layer At least a part of is exposed to the gas phase.
本発明によれば、好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極及び微生物燃料電池を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the oxygen consumption by aerobic microorganisms can be suppressed and the electrode and microbial fuel cell which can perform an oxygen reductive reaction effectively can be obtained.
以下、本実施形態に係る電極、及び当該微生物燃料電池について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the electrode according to the present embodiment and the microbial fuel cell will be described in detail. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
[第一実施形態の電極]
本実施形態に係る電極は、図1に示すように、導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに設けられた多孔質体層2と、導電体層1における多孔質体層2側の面1aと反対側の面1bに設けられた撥水層3とを備えている。
[Electrode of First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the electrode according to the present embodiment includes a
(導電体層)
電極10における導電体層1は、導電性及び酸素透過性を有している。電極10にこのような導電体層1を設けることで、後述する局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路110との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、導電体層1には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電極10に導電体層1を設けることにより、電子が外部回路110から導電体層1を通じて触媒に移動し、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
(Conductor layer)
The
電極10では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層3及び導電体層1を効率よく透過して触媒に供給され、水素イオンが導電体層1を効率よく透過して触媒に供給されることが好ましい。そのため、導電体層1は、撥水層3と対向する面1bから反対側の面1aにかけて、酸素及び水素イオンが透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、導電体層1の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、導電体層1に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
In the
導電体層1を構成する導電性材料は、高い導電性が確保できるならば特に限定されない。ただ、導電性材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一つの導電性金属からなることが好ましい。これらの導電性金属は、高い耐食性及び導電性を備えているため、導電体層1を構成する材料として好適に用いることができる。
The conductive material constituting the
導電性材料は、炭素材料であってもよい。炭素材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、導電性材料は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる一つからなるものであってもよく、これらを複数積層してなる積層体でもよい。炭素繊維の不織布であるカーボンペーパー及びカーボンフェルト、炭素繊維の織布であるカーボンクロス、並びに黒鉛からなる黒鉛シートは、高い耐食性を有し、かつ、電気抵抗率が金属材料と同等であるため、耐久性と導電性を両立することが可能となる。 The conductive material may be a carbon material. As the carbon material, for example, at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth, and graphite sheet can be used. Further, the conductive material may be made of one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth and graphite sheet, or may be a laminate formed by laminating a plurality of these. Carbon paper and carbon felt, which are carbon fiber nonwoven fabrics, carbon cloth, which is carbon fiber woven fabric, and graphite sheets made of graphite have high corrosion resistance and electrical resistance equivalent to that of metal materials. It becomes possible to achieve both durability and conductivity.
なお、上述の黒鉛シートは、次のようにして得ることができる。まず、天然黒鉛を酸によって化学処理を施し、黒鉛のグラフェン層の層間へ挿入物を形成する。次に、これを高温で急速加熱することで、層間挿入物の熱分解によるガス圧でグラフェン層間が押し広がった膨張黒鉛が得られる。そして、この膨張黒鉛を加圧し、ロール圧延することにより、黒鉛シートが得られる。このようにして得られた黒鉛シートを導電体層1として用いた場合、黒鉛におけるグラフェン層が積層方向Xに垂直な方向YZに沿って配列している。そのため、導電体層1と外部回路110との間の導電性を高め、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
The above graphite sheet can be obtained as follows. First, natural graphite is chemically treated with an acid to form an insert between the graphite graphene layers. Next, this is rapidly heated at a high temperature to obtain expanded graphite in which the graphene interlayer is pushed and expanded by the gas pressure due to the thermal decomposition of the intercalated insert. Then, the expanded graphite is pressurized and roll-rolled to obtain a graphite sheet. When the graphite sheet thus obtained is used as the
(触媒)
導電体層1には、触媒が担持されていることが好ましい。また、当該触媒は酸素還元触媒であることが好ましい。触媒が酸素還元触媒であることにより、撥水層3によって導電体層1へ移送された酸素と水素イオンとの反応速度をより高め、酸素の還元反応効率を向上させることができるので、より効率的な液体処理を実現することが可能となる。
(catalyst)
It is preferable that a catalyst is supported on the
触媒は、導電体層1の表面に担持されていることが好ましい。つまり、導電体層1における多孔質体層2側の面1aに担持されていてもよく、また撥水層3側の面1bに担持されていてもよい。さらに触媒は、導電体層1の内部に担持されていてもよい。そして、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を促進する観点から、導電体層1と触媒は電気的に接続していることが好ましく、導電体層1と触媒とが接触していることが好ましい。
The catalyst is preferably supported on the surface of the
触媒は、結着剤を用いて導電体層1の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電体層1の表面及び細孔内部から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。このような結着剤としては、粒子同士を結着できれば特に限定されない。結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)及びナフィオンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。
The catalyst may be supported on the surface of the
酸素還元触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The oxygen reduction catalyst is preferably a carbon-based material doped with metal atoms. Although it does not specifically limit as a metal atom, Titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium It is preferably an atom of at least one metal selected from the group consisting of platinum, and gold. In this case, the carbon-based material exhibits excellent performance as a catalyst for promoting the oxygen reduction reaction. What is necessary is just to set suitably the quantity of the metal atom which carbonaceous material contains so that carbonaceous material may have the outstanding catalyst performance.
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The carbon-based material is preferably further doped with one or more nonmetallic atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. What is necessary is just to set suitably the quantity of the nonmetallic atom doped by the carbonaceous material so that carbonaceous material may have the outstanding catalyst performance.
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。 The carbon-based material is based on a carbon source material such as graphite and amorphous carbon, for example, and the carbon source material is doped with a metal atom and one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Can be obtained.
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料は、特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子が鉄のみであってもよい。 A combination of a metal atom and a nonmetal atom doped in the carbon-based material is appropriately selected. In particular, it is preferable that the nonmetallic atom contains nitrogen and the metallic atom contains iron. In this case, the carbonaceous material can have a particularly excellent catalytic activity. The nonmetallic atom may be only nitrogen. Further, the metal atom may be only iron.
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料は特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。 The nonmetallic atom may contain nitrogen, and the metallic atom may contain at least one of cobalt and manganese. Also in this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The nonmetallic atom may be only nitrogen. Further, the metal atom may be only cobalt, only manganese, or only cobalt and manganese.
酸素還元触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、800℃以上1000℃以下の温度で、45秒以上600秒未満加熱する。これにより、酸素還元触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。 A carbon-based material configured as an oxygen reduction catalyst can be prepared as follows. First, for example, a mixture containing a nonmetallic compound containing at least one nonmetal selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur, and phosphorus, a metal compound, and a carbon source material is prepared. And this mixture is heated at the temperature of 800 degreeC or more and 1000 degrees C or less for 45 second or more and less than 600 second. Thereby, the carbonaceous material comprised as an oxygen reduction catalyst can be obtained.
炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩;酢酸塩などの有機金属塩;無機金属塩の水和物;及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄(III)を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が5〜30質量%の範囲内となるように設定することが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲内となるように設定することがより好ましい。 As the carbon source material, for example, graphite or amorphous carbon can be used as described above. Further, the metal compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a metal atom capable of coordinating with a nonmetal atom doped in the carbon source material. Metal compounds include, for example, metal chlorides, nitrates, sulfates, bromides, iodides, fluorides, etc .; inorganic metal salts such as acetates; inorganic metal salt hydrates; and organic metal salts At least one selected from the group consisting of hydrates can be used. For example, when graphite is doped with iron, the metal compound preferably contains iron (III) chloride. Moreover, when graphite is doped with cobalt, the metal compound preferably contains cobalt chloride. When the carbon source material is doped with manganese, the metal compound preferably contains manganese acetate. The amount of the metal compound used is preferably set so that, for example, the ratio of the metal atom in the metal compound to the carbon source material is in the range of 5 to 30% by mass, and the ratio is in the range of 5 to 20% by mass. It is more preferable to set so as to be within.
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、1,2−ビス(ジエチルホスフィノエタン)、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、1:1〜1:2の範囲内となるように設定ことが好ましく、1:1.5〜1:1.8の範囲内となるように設定することがより好ましい。 As described above, the nonmetallic compound is preferably at least one nonmetallic compound selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Non-metallic compounds include, for example, pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, ethylenediamine, octylboronic acid, 1,2-bis (diethylphosphinoethane), triphenyl phosphite, benzyldisal At least one compound selected from the group consisting of fido can be used. The amount of the nonmetallic compound used is appropriately set according to the amount of the nonmetallic atom doped into the carbon source material. The amount of the nonmetallic compound used is preferably set so that the molar ratio of the metal atom in the metal compound to the nonmetallic atom in the nonmetallic compound is within the range of 1: 1 to 1: 2. : It is more preferable to set it within the range of 1.5 to 1: 1.8.
酸素還元触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度(例えば60℃)で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。 A mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source raw material when preparing a carbon-based material configured as an oxygen reduction catalyst is obtained, for example, as follows. First, a carbon source material, a metal compound, and a nonmetal compound are mixed, and if necessary, a solvent such as ethanol is added to adjust the total amount. These are further dispersed by an ultrasonic dispersion method. Subsequently, after heating them at an appropriate temperature (for example, 60 ° C.), the mixture is dried to remove the solvent. Thereby, the mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source raw material is obtained.
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は800℃以上1000℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は45秒以上600秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、50℃/s以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上させる。 Next, the obtained mixture is heated, for example, under a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere. Thereby, a non-metallic atom is doped to a carbon source raw material, and also a metallic atom is doped by the coordinate bond of a non-metallic atom and a metallic atom. The heating temperature is preferably in the range of 800 ° C. to 1000 ° C., and the heating time is preferably in the range of 45 seconds to less than 600 seconds. Since the heating time is short, the carbon-based material is efficiently produced, and the catalytic activity of the carbon-based material is further increased. In the heat treatment, the temperature rising rate of the mixture at the start of heating is preferably 50 ° C./s or more. Such rapid heating further improves the catalytic activity of the carbon-based material.
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで30分間分散させ、その後この炭素系材料を2M硫酸中に入れて、80℃で3時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。 Further, the carbon-based material may be further subjected to acid cleaning. For example, the carbon-based material may be dispersed in pure water with a homogenizer for 30 minutes, and then the carbon-based material may be placed in 2M sulfuric acid and stirred at 80 ° C. for 3 hours. In this case, elution of the metal component from the carbon-based material can be suppressed.
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。 By such a production method, a carbon-based material having a significantly low content of inert metal compounds and metal crystals and high conductivity can be obtained.
(撥水層)
図1に示すように、電極10は、導電体層1における多孔質体層2と接する面1aと反対側の面1bに撥水層3を設けている。撥水層3は、撥水性を有しているため、電極10を微生物燃料電池の正極として用いた場合、廃水槽80の内部に保持された液相としての電解液70と気相90とを分離する。そして、撥水層3を設けることで、電解液70が気相90側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
(Water repellent layer)
As shown in FIG. 1, the
撥水層3は、酸素を含む気相90と接触しており、気相90中の酸素を拡散する。そして、撥水層3は、導電体層1の面1bに対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層3は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、撥水層3が撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層3の内部に電解液70が染み込み難いため、撥水層3における気相90と接触する面3bから導電体層1と対向する面3aにかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
The
撥水層3は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層3を構成する材料は、撥水性を有し、気相90中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層3を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチルセルロース、ポリ−4−メチルペンテン−1、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン(PDMS)からなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、撥水層3は、撥水層3及び導電体層1の積層方向Xに複数の貫通孔を有することが好ましい。
The
撥水層3は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層3を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
The
図1に示す電極10において、導電体層1の面1bに効率的に酸素を供給するために、撥水層3は、接着剤を介して導電体層1と接合していることが好ましい。つまり、撥水層3の面3aは、対向する導電体層1の面1bと接着剤を介して接合していることが好ましい。これにより、導電体層1の面1bに対し、拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層3と導電体層1との間の接着性を確保する観点から、撥水層3と導電体層1との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層3と導電体層1との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素を導電体層1に供給する観点から、接着剤は撥水層3と導電体層1との間の全面に設けられていることがより好ましい。
In the
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。 The adhesive preferably has oxygen permeability, and includes at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, methacrylic acid-styrene copolymer, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, and silicone. Resin can be used.
(多孔質体層)
本実施形態に係る電極10は、図1に示すように、導電体層1の一方の面1aに積層された多孔質体層2を備えている。図1において、導電体層1の面1aと多孔質体層2の面2bとは互いに接触している。
(Porous body layer)
As shown in FIG. 1, the
電極10において、多孔質体層2の厚さtは1.0mm〜40mmである。つまり、導電体層1、多孔質体層2及び撥水層3の積層方向Xに沿った多孔質体層2の厚さtは、1.0mm〜40mmである。多孔質体層2の厚さtが1.0mm〜40mmであることにより、電解液70に含まれる好気性微生物が多孔質体層2の内部に侵入し、導電体層1及び撥水層3の界面近傍に存在することを抑制することが可能となる。なお、多孔質体層2の厚さtは1.5mm〜10mmであることがより好ましい。多孔質体層2の厚さtが1.5mm〜10mmであることにより、好気性微生物の多孔質体層2の内部への侵入を抑制しつつも水素イオンの透過率を高め、導電体層1へ水素イオンを効率的に到達させることが可能となる。
In the
多孔質体層2は、電解液70及び水素イオンを透過する細孔を多数有している。なお、多孔質体層2は、面2aから反対側の面2bにかけて連続した細孔を有していることが好ましい。これにより、面2aから細孔の内部に電解液70が侵入し、電解液70を通じて水素イオンが導電体層1に到達することが可能となる。なお、多孔質体層2における細孔の孔径は電解液70及び水素イオンが透過できるならば特に限定されないが、例えば0.5μm以上であることが好ましい。多孔質体層2における細孔の孔径が0.5μm以上であることにより、水素イオンを十分に透過し、発電効率を高めることが可能となる。なお、多孔質体層2における細孔の孔径の上限は特に限定されないが、例えば1.0mmとすることができる。多孔質体層2における細孔の孔径は、例えば水銀圧入法により測定することができる。
The
多孔質体層2は、導電体であってもよく、電気絶縁体であってもよい。ただ、多孔質体層2は電気絶縁体であることが好ましい。多孔質体層2が電気絶縁体であることにより、後述するように、電極10を微生物燃料電池に用いた場合、イオン移動層30が不要となるため、微生物燃料電池の薄膜化及び電池構造の簡略化を図ることが可能となる。
The
多孔質体層2を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンなどの樹脂材料、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー及びカーボンフェルトなどの炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。なお、多孔質体層2は、合成樹脂によって形成されていることが好ましい。合成樹脂からなることにより、電気絶縁性を容易に確保することが可能となる。
Examples of the material constituting the
多孔質体層2としては、織布構造のシート、不織布構造のシート、及び連続発泡体構造のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、多孔質体層2は複数のシートを積層した積層体でもよい。ただ、多孔質体層2は不織布からなることが好ましい。多孔質体層2として、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、水素イオンが導電体層1の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。
As the
ここで、多孔質体層2は導電体層1とは別部材として構成されており、導電体層1のシートと多孔質体層2のシートとを接合することにより、電極10を形成している。導電体層1の面1aと多孔質体層2の面2bとは圧着することにより接合されていてもよく、また接着剤を介して接合されていてもよい。接着剤としては、上述の導電体層1と撥水層3とを接合するための接着剤を用いることができる。
Here, the
導電体層1における酸素還元触媒が担持された部分は、多孔質体層2によって封止されていることが好ましい。具体的には、図2に示すように、導電体層1の一方の面1aに多孔質体層2が積層され、導電体層1における他方の面1bに撥水層3が積層されている。図2では、撥水層3は導電体層1の面1bの全面に設けられているが、多孔質体層2は導電体層1の上部には設けられていない構成となっている。そして、多孔質体層2における面2aの外周部2c、上面2d,側面2e及び底面2fは、封止材料4を用いて封止されている。さらに、導電体層1における多孔質体層2との接合部位の外周部1c、側面1e及び底面1fも封止材料4により封止されている。このように、導電体層1における酸素還元触媒が担持された部分が、多孔質体層2及び封止材料4によって封止されていることにより、導電体層1の側面1e及び底面1fから導電体層1の内部に好気性微生物が侵入することを抑制できる。その結果、好気性微生物が導電体層1及び撥水層3の界面近傍で増殖することを防ぐことが可能となる。
The portion of the
封止材料4は、少なくとも好気性微生物が通過しない材料からなることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。
The sealing
上述のように、図2では、多孔質体層2は導電体層1の上部には設けられていないが、撥水層3と同様に、多孔質体層2は導電体層1の面1aの全面に設けられていてもよい。ただ、電極10を微生物燃料電池に使用する場合、導電体層1において電解液70中に浸漬される部分のみが、多孔質体層2によって封止されていればよい。
As described above, in FIG. 2, the
多孔質体層2は、上述の触媒を担持していてもよい。ただ、多孔質体層2は電気絶縁体であることが好ましいこと、さらに後述するように、局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路110との間で導通させる必要があることから、多孔質体層2には触媒を担持しないことが好ましい。
The
本実施形態の電極10における多孔質体層2の作用について説明する。電極10を微生物燃料電池の正極に用いた場合、電極10の導電体層1及び多孔質体層2が電解液70に浸漬され、撥水層3の面3bの少なくとも一部が気相90に露出する。そして、気相90に露出した撥水層3を透過して導電体層1に酸素が到達するため、多孔質体層2が存在しない場合には、電解液70中の好気性微生物は導電体層1を通過して、導電体層1と撥水層3との界面近傍で増殖してしまう。その結果、導電体層1と撥水層3との界面近傍で好気性微生物により酸素が消費されてしまうため、導電体層1に担持された触媒に酸素が十分に供給されず、酸素還元反応が生じ難くなってしまう。
The effect | action of the
これに対し、導電体層1に多孔質体層2を積層した場合、電解液70中には好気性微生物の餌となる有機物が含まれるため、図3に示すように、多孔質体層2における電解液70中に露出した面2aには、微生物膜11が形成される。つまり、好気性微生物が有機物を消費して繁殖し、多孔質体層2の面2aに、好気性微生物が集合してなる微生物膜11が形成される。好気性微生物は、酸素が供給される気相90側へ進行しようするが、微生物膜11中の好気性微生物によって有機物は消費され、多孔質体層2の内部に侵入する有機物は減少してしまう。さらに、多孔質体層2の厚さを大きくすることにより、有機物が導電体層1側へ移動し難くなり、導電体層1と多孔質体層2の界面よりも導電体層1側では好気性微生物が増殖できなくなる。その結果、導電体層1と撥水層3との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制され、導電体層1に担持された触媒に酸素を十分に供給し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能となる。
On the other hand, when the
このように、本実施形態に係る電極10は、導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに設けられ、厚さtが1.0mm〜40mmである多孔質体層2と、導電体層1における多孔質体層2側の面1aと反対側の面1bに設けられた撥水層3とを備える。さらに、酸素還元触媒が導電体層1に担持されていることが好ましい。このような構成により、導電体層1と撥水層3との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制される。そのため、電極10を用いた微生物燃料電池は発電性能の低下が抑制され、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
Thus, the
[微生物燃料電池]
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池について説明する。本実施形態の微生物燃料電池100は、図4及び図5に示すように、微生物を保持する負極20と、上述の電極10からなる正極10Aとを備える。また、微生物燃料電池100は、正極10Aと負極20との間に設けられ、水素イオン透過性を有するイオン移動層30をさらに備えている。
[Microbial fuel cell]
Next, the microbial fuel cell according to this embodiment will be described. As shown in FIGS. 4 and 5, the
(負極)
本実施形態における負極20は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液70中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、本実施形態の負極20は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。
(Negative electrode)
The
本実施形態の負極20は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極20の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがイオン移動層30の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極20の導電体シートは、正極10A、イオン移動層30及び負極20の積層方向X、つまり厚さ方向に連続した空間(空隙)を有していることが好ましい。
The
当該導電体シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極20の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
The conductor sheet may be a metal plate having a plurality of through holes in the thickness direction. Therefore, as a material constituting the conductor sheet of the
負極20の導電体シートとして、正極10Aで使用する黒鉛シートを用いてもよい。また、負極20は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、正極10A、イオン移動層30及び負極20の積層方向Xに垂直な方向YZの面に沿って配列していることが好ましい。グラフェン層がこのように配列していることにより、積層方向Xの導電性よりも、積層方向Xに垂直な方向YZの導電性が向上する。そのため、負極20の局部電池反応により生成した電子を外部回路へ導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
As the conductor sheet of the
負極20に担持される微生物としては、電解液70中の有機物、又は窒素を含む化合物を分解する微生物であれば特に限定されないが、例えば増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液70中の有機物を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
The microorganism supported on the
負極20に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
The anaerobic microorganism held in the
負極20に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極20に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質(extracellular polymeric substance、EPS)とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極20に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極20表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
Anaerobic microorganisms may be held on the
(正極)
本実施形態の微生物燃料電池100は、上述の電極10からなる正極10Aを備えている。そして、正極10Aの多孔質体層2の面2a側にイオン移動層30が設けられる。
(Positive electrode)
The
(イオン移動層)
本実施形態の微生物燃料電池100は、正極10Aと負極20との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層30をさらに備える。そして、図1及び図2に示すように、負極20は、イオン移動層30を介して正極10Aと隔てられている。イオン移動層30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10A側へ移動させる機能を有している。
(Ion moving layer)
The
イオン移動層30としては、例えばイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のNAFION(登録商標)、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン(登録商標)及びセレミオン(登録商標)を用いることができる。
As the
また、イオン移動層30として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層30は、負極20から正極10Aへ水素イオンが移動するための空間(空隙)を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層30は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層30は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、イオン移動層30の細孔径は、負極20から正極10Aに水素イオンが移動できれば特に限定されない。
Further, a porous membrane having pores through which hydrogen ions can permeate may be used as the
上述のように、イオン移動層30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10A側へ移動させる機能を有する。そのため、例えば、負極20と正極10Aとが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極20から正極10Aへ移動することができる。そのため、本実施形態の微生物燃料電池100において、イオン移動層30は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層30を設けることにより、負極20から正極10Aへ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層30を設けることが好ましい。
As described above, the
図4及び図5に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池100は、正極10A、負極20及びイオン移動層30からなる複数の電極接合体40を備えている。微生物燃料電池100では、図5に示すように、イオン移動層30の一方の面30aに負極20が接触するように配置されており、イオン移動層30の面30aと反対側の面30bに正極10Aが接触するように配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図6に示すように、2枚の電極接合体40は、正極10A同士が対向するように、カセット基材50を介して積層されている。カセット基材50は、正極10Aにおける面10aの外周部に沿うU字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材50は、2本の第一柱状部材51の底面を第二柱状部材52で連結した枠部材である。そして、カセット基材50の側面53は、正極10Aの面10aの外周部と接合されており、正極10Aの面10aの外周部からカセット基材50の内部に電解液70が漏出することを抑制できる。
As shown in FIG. 6, the two
そして、図5に示すように、2枚の電極接合体40とカセット基材50とを積層してなる燃料電池ユニット60は、大気と連通した気相90が形成されるように、廃水槽80の内部に配置される。廃水槽80の内部には被処理液である電解液70が保持されており、正極10A、負極20及びイオン移動層30は電解液70に浸漬されている。
Then, as shown in FIG. 5, the
上述のように、正極10Aの撥水層3は撥水性を有する。そのため、廃水槽80の内部に保持された電解液70とカセット基材50の内部とは隔てられ、2枚の電極接合体40とカセット基材50とにより形成された内部空間は気相90となっている。そして、図5に示すように、正極10A及び負極20は、それぞれ外部回路110と電気的に接続されている。
As described above, the
次に、本実施形態の微生物燃料電池100の作用について説明する。上述の電極10、負極20及びイオン移動層30からなる電極接合体40が電解液70に浸漬された場合、正極10Aの多孔質体層2及び負極20が電解液70に浸漬され、撥水層3の少なくとも一部が気相90に露出している。また、この際、正極10Aの導電体層1も電解液70に浸漬される。
Next, the operation of the
微生物燃料電池100の動作時には、負極20に、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液70を供給し、正極10Aに空気を供給する。この際、空気は、カセット基材50の上部に設けられた開口部を通じて連続的に供給される。
During operation of the
そして、正極10Aでは、撥水層3を透過して導電体層1に酸素が拡散する。負極20では、微生物の触媒作用により、電解液70中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、イオン移動層30を透過して正極10A側へ移動する。さらに水素イオンは、正極10A中の多孔質体層2を透過して、導電体層1に到達する。また、生成した電子は負極20の導電体シートを通じて外部回路110へ移動し、さらに外部回路110から正極10Aの導電体層1に移動する。そして、水素イオン及び電子は、導電体層1中の触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路110によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
In the
ここで、電解液70には、上述の嫌気性微生物に加え、増殖に酸素を必要とする好気性微生物も含まれている。正極10Aは、導電体層1に多孔質体層2を積層していることから、図3に示すように、多孔質体層2の面2aには微生物膜11が形成される。好気性微生物は、酸素が供給される気相90側へ進行しようするが、微生物膜11中の好気性微生物によって有機物は消費され、多孔質体層2の内部に侵入する有機物は減少してしまう。さらに、多孔質体層2が所定の厚さを有しているため、有機物が導電体層1側へ移動し難くなり、導電体層1と多孔質体層2の界面よりも導電体層1側では好気性微生物が増殖できなくなる。その結果、導電体層1と撥水層3との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制され、酸素還元反応を効率的に行うことが可能となる。
Here, in addition to the anaerobic microorganisms described above, the
このように、本実施形態の微生物燃料電池100は、電極10からなる正極10Aと、微生物を保持する負極20と、電解液70とを備える。多孔質体層2及び負極20が電解液70に浸漬され、撥水層3の少なくとも一部が気相90に露出している。このような構成により、正極10Aにおいて好気性微生物による酸素消費阻害が生じ難くなることから、正極10Aにおける酸素還元特性を高め、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
As described above, the
正極10Aにおいて、多孔質体層2が電気絶縁性である場合、図7に示すように、微生物燃料電池100Aはイオン移動層30を設けなくてもよい。具体的には、微生物燃料電池100Aは、正極10A及び負極20からなる複数の電極接合体40Aを備えている。微生物燃料電池100Aでは、負極20の一方の面20aが、正極10Aにおける多孔質体層2の面2aと接触するように配置されている。そして、2枚の電極接合体40Aは、正極10A同士が対向するように、カセット基材50を介して積層されている。カセット基材50の側面53は、正極10Aの面10aの外周部と接合されている。また、2枚の電極接合体40Aとカセット基材50とを積層してなる燃料電池ユニット60Aは、気相90が形成されるように、廃水槽80の内部に配置され、正極10A及び負極20は電解液70に浸漬されている。
In the
正極10Aの多孔質体層2が電気絶縁性である場合、正極10Aの導電体層1と負極20とは多孔質体層2により絶縁されているため、イオン移動層30を介在させなくても、導電体層1と負極20との間の短絡を防ぐことができる。また、上述のように、多孔質体層2は水素イオンを透過し、導電体層1に水素イオンを到達させることができる。このように、多孔質体層2がイオン移動層30と同じ機能を果たすことができるため、イオン移動層30を設けなくてもよい。なお、図7では、負極20の一方の面20aが正極10Aにおける多孔質体層2の面2aと接触するように配置されているが、負極20の面20aと正極10Aの面2aとの間には空隙が存在していてもよい。
When the
本実施形態に係る負極20には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、廃水槽80内の電解液70は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極20への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
For example, the
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液70中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極20へと受け渡す。この結果、電解液70における有機物などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQDS)、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
Specifically, in the metabolic mechanism by anaerobic microorganisms, electrons are transferred between cells or with the final electron acceptor. When a mediator molecule is introduced into the
図6に示す燃料電池ユニット60は、2枚の電極接合体40とカセット基材50とを積層する構成となっている。しかし、本実施形態はこの構成に限定されない。例えば、カセット基材50の一方の側面53のみに電極接合体40を接合し、他方の側面は板部材で封止してもよい。また、図4乃至図6に示すカセット基材50は、上部の全体が開口しているが、内部に空気を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
The
廃水槽80は内部に電解液70を保持しているが、電解液70が流通するような構成であってもよい。例えば、図4及び図5に示すように、廃水槽80には、電解液70を廃水槽80に供給するための廃水供給口81と、処理後の電解液70を廃水槽80から排出するための廃水排出口82とが設けられていてもよい。そして、電解液70は、廃水供給口81及び廃水排出口82を通じて連続的に供給されることが好ましい。
The
廃水槽80内は、例えば分子状酸素が存在しない、又は分子状酸素が存在してもその濃度が極めて小さい嫌気性条件に保たれていることが好ましい。これにより、廃水槽80内で、電解液70を酸素と殆ど接触しないように保持することが可能となる。
It is preferable that the inside of the
[第二実施形態の電極]
次に、第二実施形態に係る電極について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態の電極と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
[Electrode of Second Embodiment]
Next, the electrode according to the second embodiment will be described in detail based on the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure as the electrode of 1st embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施形態の電極10Bは、図8に示すように、導電体層1と、導電体層1の一方の面1aに設けられ、厚さtが1.0mm〜40mmである多孔質体層2と、導電体層1における多孔質体層2側の面1aと反対側の面1bに設けられた撥水層3とを備える。そして、電極10Bでは、撥水層3の面3bにカセット基材50が配置されている。そして、カセット基材50の側面53は、撥水層3の面3bの外周部と接合されており、面3bの外周部からカセット基材50の内部に電解液70が漏出することを抑制している。なお、電極10Bでは、カセット基材50の一方の側面53のみに撥水層3を接合し、他方の側面は板部材54で封止している。
As shown in FIG. 8, the
図2に示す電極では、導電体層1における酸素還元触媒が担持された部分が多孔質体層2及び封止材料4によって封止されているため、導電体層1の側面1e及び底面1fから導電体層1の内部に好気性微生物が侵入することを抑制している。これに対し、本実施形態の電極10Bは封止材料4を用いず、導電体層1における酸素還元触媒が担持された部分が多孔質体層2で覆われている。つまり、導電体層1の面1aだけでなく、導電体層1、撥水層3及びカセット基材50における側面及び底面も多孔質体層2で覆われている。
In the electrode shown in FIG. 2, the portion of the
このように、導電体層1及び撥水層3が、内部に空間を有する箱状の多孔質体層2で覆われることによって、導電体層1の面1a、側面1e及び底面1fから導電体層1の内部に好気性微生物が侵入することを抑制できる。その結果、好気性微生物が導電体層1及び撥水層3の界面近傍で増殖することを防ぐことが可能となる。また、導電体層1及び撥水層3を多孔質体層2で覆ったとしても、カセット基材50により撥水層3の面3bには空気が十分に供給されるため、酸素還元反応を効率的に行うことが可能となる。
As described above, the
電極10Bを微生物燃料電池として使用することを想定した場合、導電体層1における電解液70中に浸漬される部分のみが、多孔質体層2によって封止されていればよい。そのため、電解液70の液面が多孔質体層2の上面2dよりも下であるならば、箱状の多孔質体層2の上面2dは開口した状態であってもよい。なお、多孔質体層2の上面2dと導電体層1、撥水層3及びカセット基材50との境界部を封止材料で封止する必要はないが、当該境界部を封止材料で封止してもよい。
When it is assumed that the
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
[実施例1]
本例の正極を次のように作製した。まず、導電体層としての黒鉛シートと撥水層としての撥水シートとをシリコーン接着剤で接合することにより、黒鉛シート/シリコーン接着剤/撥水シートからなる積層シートを作製した。黒鉛シートとしては、日立化成株式会社製カーボフィット(登録商標)を使用した。シリコーン接着剤としては、信越化学工業株式会社製の一液型RTVシリコーンゴムKE−3475を使用した。撥水シートとしては、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。
[Example 1]
The positive electrode of this example was produced as follows. First, a graphite sheet as a conductor layer and a water repellent sheet as a water repellent layer were joined with a silicone adhesive to produce a laminated sheet composed of graphite sheet / silicone adhesive / water repellent sheet. As the graphite sheet, Carbofit (registered trademark) manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. was used. As the silicone adhesive, a one-component RTV silicone rubber KE-3475 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. As the water repellent sheet, SELPORE (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used.
この積層シートの黒鉛シート上に酸素還元触媒の分散液を滴下し、乾燥させた。そして、酸素還元触媒を滴下した部分に、厚みが0.18mm、密度が15g/m2であるポリエチレン及びポリプロピレンからなる混紡の不織布を10枚積層し、膜厚が1.8mmの多孔質体層を形成した。なお、当該不織布としては、パシフィック技研株式会社のポリオレフィン不織布♯210を使用した。なお、不織布の周囲は、エポキシ樹脂を用いて図2に示すように封止した。このようにして本例の正極を得た。 A dispersion of the oxygen reduction catalyst was dropped onto the graphite sheet of the laminated sheet and dried. A porous material layer having a thickness of 1.8 mm is formed by laminating 10 non-woven fabrics made of polyethylene and polypropylene having a thickness of 0.18 mm and a density of 15 g / m 2 on the portion where the oxygen reduction catalyst is dropped. Formed. As the nonwoven fabric, polyolefin nonwoven fabric # 210 of Pacific Giken Co., Ltd. was used. The periphery of the nonwoven fabric was sealed with an epoxy resin as shown in FIG. Thus, the positive electrode of this example was obtained.
なお、酸素還元触媒は次のように調製した。まず、容器内に、3gのカーボンブラック、0.1Mの塩化鉄(III)水溶液、及び0.15Mのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックECP600JDを使用した。0.1M塩化鉄(III)水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が10質量%になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで全量を9mLに調製した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で60℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄(III)、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。 The oxygen reduction catalyst was prepared as follows. First, 3 g of carbon black, 0.1 M iron (III) chloride aqueous solution, and 0.15 M pentaethylenehexamine ethanol solution were placed in a container to prepare a mixed solution. As carbon black, Ketjen Black ECP600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd. was used. The amount of 0.1M iron (III) chloride aqueous solution used was adjusted so that the ratio of iron atoms to carbon black was 10% by mass. The total amount was adjusted to 9 mL by further adding ethanol to the mixture. And this liquid mixture was ultrasonically disperse | distributed, and it was dried at the temperature of 60 degreeC with the dryer. As a result, a sample containing carbon black, iron (III) chloride, and pentaethylenehexamine was obtained.
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を、900℃の炉に入れてから45秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に3秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を300℃/sに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却させた。これにより、酸素還元触媒を得た。また、酸素還元触媒の分散液は、粉末状の酸素還元触媒0.35g、PTFE分散液0.35mL、イオン交換水2mLを混合することにより調製した。 And this sample was packed in the one end part of a quartz tube, and the inside of this quartz tube was substituted by argon subsequently. The quartz tube was pulled out 45 seconds after being placed in a furnace at 900 ° C. When the quartz tube was inserted into the furnace, the quartz tube was inserted into the furnace over 3 seconds to adjust the rate of temperature rise of the sample at the start of heating to 300 ° C./s. Subsequently, the sample was cooled by flowing argon gas through the quartz tube. Thereby, an oxygen reduction catalyst was obtained. The oxygen reduction catalyst dispersion was prepared by mixing 0.35 g of a powdery oxygen reduction catalyst, 0.35 mL of PTFE dispersion, and 2 mL of ion-exchanged water.
次に、上述のようにして得られた正極を用いて微生物燃料電池を作製した。まず、上述のようにして得られた正極と、嫌気性微生物を保持したカーボンフェルトからなる負極とを使用して、電極接合体を作製した。 Next, a microbial fuel cell was produced using the positive electrode obtained as described above. First, an electrode assembly was prepared using the positive electrode obtained as described above and a negative electrode made of carbon felt holding anaerobic microorganisms.
そして、得られた電極接合体を用いて、図7に示す微生物燃料電池を作製した。なお、廃水槽の容量は300ccとした。また、電解液は全有機炭素(TOC)が800mg/Lのモデル廃液を使用し、電解液の液温は30℃とした。さらに、電解液の水理学的滞留時間が24時間となるように、廃水槽への流入量を調整した。 And the microbial fuel cell shown in FIG. 7 was produced using the obtained electrode assembly. The capacity of the waste water tank was 300 cc. Moreover, the electrolyte solution used the model waste liquid whose total organic carbon (TOC) is 800 mg / L, and the liquid temperature of the electrolyte solution was 30 degreeC. Furthermore, the amount of inflow into the wastewater tank was adjusted so that the hydraulic retention time of the electrolyte was 24 hours.
得られた微生物燃料電池を40日間運転させ、出力特性の変化を調べた。評価結果を図9に示す。図9に示すように、微生物燃料電池の立ち上げには1週間程度を要し、徐々に出力が向上した。そして、本例の燃料電池の最大出力は152mW/m2であった。なお、正極、負極及びカセット基材からなる燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は、317mW/cm3であった。また、燃料電池ユニットにおける多孔質体層を除いたものの厚さは3mmであった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は1.37mW/m2となり、良好な出力特性を得た。 The obtained microbial fuel cell was operated for 40 days, and the change in output characteristics was examined. The evaluation results are shown in FIG. As shown in FIG. 9, it took about one week to start up the microbial fuel cell, and the output gradually improved. The maximum output of the fuel cell of this example was 152 mW / m 2 . The maximum output per volume of the fuel cell unit composed of the positive electrode, the negative electrode, and the cassette base material was 317 mW / cm 3 . Further, the thickness of the fuel cell unit excluding the porous body layer was 3 mm. The amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of start-up was 1.37 mW / m 2 , and good output characteristics were obtained.
[実施例2]
不織布の積層枚数を20枚とし、膜厚が3.6mmの多孔質体層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
[Example 2]
A microbial fuel cell of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated nonwoven fabrics was 20 and a porous layer having a thickness of 3.6 mm was formed.
得られた微生物燃料電池を実施例1と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図9に示すように、本例の燃料電池の最大出力は131mW/m2であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は198mW/cm3であった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は0.93mW/m2となり、良好な出力特性を得た。 The obtained microbial fuel cell was operated under the same conditions as in Example 1, and changes in output characteristics were examined. As shown in FIG. 9, the maximum output of the fuel cell of this example was 131 mW / m 2 , and the maximum output per volume of the fuel cell unit was 198 mW / cm 3 . The amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of start-up was 0.93 mW / m 2 , and good output characteristics were obtained.
[実施例3]
不織布の積層枚数を50枚とし、膜厚が9.0mmの多孔質体層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
[Example 3]
A microbial fuel cell of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated nonwoven fabrics was 50 and a porous layer having a thickness of 9.0 mm was formed.
得られた微生物燃料電池を実施例1と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図9に示すように、本例の燃料電池の最大出力は93mW/m2であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は77.5mW/cm3であった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は0.71mW/m2となり、良好な出力特性を得た。 The obtained microbial fuel cell was operated under the same conditions as in Example 1, and changes in output characteristics were examined. As shown in FIG. 9, the maximum output of the fuel cell of this example was 93 mW / m 2 , and the maximum output per volume of the fuel cell unit was 77.5 mW / cm 3 . The amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of startup was 0.71 mW / m 2 , and good output characteristics were obtained.
[実施例4]
不織布の積層枚数を200枚とし、膜厚が36mmの多孔質体層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
[Example 4]
A microbial fuel cell of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated nonwoven fabrics was 200 and a porous layer having a thickness of 36 mm was formed.
得られた微生物燃料電池を実施例1と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図9に示すように、本例の燃料電池の最大出力は35mW/m2であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は8.97mW/cm3であった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は0.23mW/m2となり、良好な出力特性を得た。 The obtained microbial fuel cell was operated under the same conditions as in Example 1, and changes in output characteristics were examined. As shown in FIG. 9, the maximum output of the fuel cell of this example was 35 mW / m 2 , and the maximum output per volume of the fuel cell unit was 8.97 mW / cm 3 . The amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of startup was 0.23 mW / m 2 , and good output characteristics were obtained.
[比較例1]
不織布の積層枚数を1枚とし、膜厚が0.18mmの多孔質体層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
[Comparative Example 1]
A microbial fuel cell of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated nonwoven fabrics was one and a porous layer having a thickness of 0.18 mm was formed.
得られた微生物燃料電池を実施例1と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図9に示すように、本例の燃料電池の最大出力は251mW/m2であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は789mW/cm3であった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は7.36mW/m2となった。このことから、本例の微生物燃料電池は、最大出力は高いものの、経時的な出力低下量は大きく増加した。 The obtained microbial fuel cell was operated under the same conditions as in Example 1, and changes in output characteristics were examined. As shown in FIG. 9, the maximum output of the fuel cell of this example was 251 mW / m 2 and the maximum output per volume of the fuel cell unit was 789 mW / cm 3 . Then, the amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of start-up was 7.36 mW / m 2 . Therefore, although the maximum output of the microbial fuel cell of this example was high, the amount of output decrease with time increased greatly.
[比較例2]
不織布の積層枚数を5枚とし、膜厚が0.9mmの多孔質体層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
[Comparative Example 2]
A microbial fuel cell of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated nonwoven fabrics was 5, and a porous body layer having a thickness of 0.9 mm was formed.
得られた微生物燃料電池を実施例1と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図9に示すように、本例の燃料電池の最大出力は198mW/m2であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は508mW/cm3であった。そして、立ち上げ完了時点から40日経過後時点での1日あたりの出力低下量は4.57mW/m2となった。このことから、本例の微生物燃料電池は、最大出力は高いものの、経時的な出力低下量は大きく増加した。 The obtained microbial fuel cell was operated under the same conditions as in Example 1, and changes in output characteristics were examined. As shown in FIG. 9, the maximum output of the fuel cell of this example was 198 mW / m 2 , and the maximum output per volume of the fuel cell unit was 508 mW / cm 3 . Then, the amount of decrease in output per day after 40 days from the completion of startup was 4.57 mW / m 2 . Therefore, although the maximum output of the microbial fuel cell of this example was high, the amount of output decrease with time increased greatly.
実施例1乃至4より、厚さが1.0mm〜40mmである多孔質体層を設けることにより、好気性微生物によって正極の酸素還元能が阻害されることなく、高出力を実現する微生物燃料電池が得られることが分かる。なお、燃料電池ユニットの体積当たりの出力を鑑みると、多孔質体層の厚さが40mmを超えると、体積当たりの最大出力は限りなくゼロに漸近していくため、多孔質体層の厚さは40mm以下であることが好ましい。また、好気性微生物による正極の酸素還元能の阻害を防ぎつつも、燃料電池ユニットの体積当たりの出力を高める観点から、多孔質体層の厚さは1.5mm〜10mmであることがより好ましい。 From Examples 1 to 4, by providing a porous layer having a thickness of 1.0 mm to 40 mm, a microbial fuel cell that achieves high output without inhibiting the oxygen reduction ability of the positive electrode by aerobic microorganisms It can be seen that In view of the output per volume of the fuel cell unit, if the thickness of the porous body layer exceeds 40 mm, the maximum output per volume gradually approaches zero, so the thickness of the porous body layer Is preferably 40 mm or less. The thickness of the porous body layer is more preferably 1.5 mm to 10 mm from the viewpoint of increasing the output per volume of the fuel cell unit while preventing the aerobic microorganism from inhibiting the oxygen reducing ability of the positive electrode. .
一般的に、微生物燃料電池は、正極と負極との間の距離が増大することで出力低下するため、従来は、いかに正極と負極との間の距離を縮小するかが重要であった。しかしながら、従来の技術常識に反して、多孔質体層を用いて正極と負極との間の距離をある程度増大させたほうが、長期的には出力が低下せず、高出力が維持できることが分かり、本実施形態の発明を完成するに至った。 In general, since the output of a microbial fuel cell decreases as the distance between the positive electrode and the negative electrode increases, conventionally, it has been important to reduce the distance between the positive electrode and the negative electrode. However, contrary to conventional technical common sense, it is understood that if the distance between the positive electrode and the negative electrode is increased to some extent using the porous body layer, the output does not decrease in the long term, and a high output can be maintained. The invention of this embodiment has been completed.
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、導電体層1、多孔質体層2及び撥水層3を備えた電極10並びに負極20、イオン移動層30は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、燃料電池の大きさ、並びに所望の発電性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば任意に変更することができる。
Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present embodiment. Specifically, in the drawing, the
1 導電体層
2 多孔質体層
3 撥水層
4 封止材料
10,10B 電極
10A 正極
20 負極
30 イオン移動層
70 電解液
90 気相
100,100A 微生物燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記導電体層の一方の面に設けられ、厚さが1.0mm〜40mmである多孔質体層と、
前記導電体層における前記多孔質体層側の面と反対側の面に設けられた撥水層と、
を備える電極。 A conductor layer;
A porous body layer provided on one surface of the conductor layer and having a thickness of 1.0 mm to 40 mm;
A water repellent layer provided on a surface opposite to the surface on the porous body layer side in the conductor layer;
Electrode.
微生物を保持する負極と、
電解液と、
を備え、
前記多孔質体層及び前記負極が前記電解液に浸漬され、前記撥水層の少なくとも一部が気相に露出している、微生物燃料電池。 A positive electrode comprising the electrode according to claim 1;
A negative electrode holding microorganisms;
An electrolyte,
With
The microbial fuel cell, wherein the porous body layer and the negative electrode are immersed in the electrolytic solution, and at least a part of the water repellent layer is exposed to the gas phase.
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