特許 5774485 バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルにおいて使用するための電極、ならびにそのような電極を用いたバクテリア燃料電池およびバクテリア電解セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5774485

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルにおいて使用するための電極、ならびにそのような電極を用いたバクテリア燃料電池およびバクテリア電解セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20150820BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20150820BHJP

   H01M 8/24 20060101ALI20150820BHJP

   H01M 8/04 20060101ALI20150820BHJP

   C02F 1/461 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/16

   H01M4/86 M

   H01M4/86 B

   H01M8/24 E

   H01M8/04 L

   C02F1/46 101C

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-533933(P2011-533933)

(86)(22)【出願日】2009年11月1日

(65)【公表番号】特表2012-507828(P2012-507828A)

(43)【公表日】2012年3月29日

(86)【国際出願番号】IL2009001017

(87)【国際公開番号】WO2010049936

(87)【国際公開日】20100506

【審査請求日】2012年10月29日

(31)【優先権主張番号】61/198,027

(32)【優先日】2008年10月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/182,727

(32)【優先日】2009年5月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】511107843

【氏名又は名称】エメフシー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100080791

【弁理士】

【氏名又は名称】高島 一

(74)【代理人】

【識別番号】100125070

【弁理士】

【氏名又は名称】土井 京子

(74)【代理人】

【識別番号】100136629

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 光宜

(74)【代理人】

【識別番号】100121212

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 弥栄子

(74)【代理人】

【識別番号】100122688

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100117743

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 美由紀

(72)【発明者】

【氏名】シェクター、ロネン イツァーク

(72)【発明者】

【氏名】レヴィ、イタン バルチ

(72)【発明者】

【氏名】エシェド、リオール

【審査官】 ▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２５９２１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００４８５７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−１４５８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１７３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９５４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Shun'ichi ISHII et al.，Methanogenesis versus Electrogenesis: Morphological and Phylogenetic Comparisons of Microbial Commun，Biosci. Biotechnol. Biochem.，２００８年 ２月 ７日，72 (2)，286-294

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／１６

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルのうちの少なくとも一つにおいて使用するための電極であって、当該電極は、
電気回路中に電気的に連結されるように配置された金属製導電体を有し、該金属製導電体は、銅もしくは銅合金、または、アルミニウムもしくはアルミニウム合金によって形成されており、かつ、
該金属製導電体を包囲する導電性コーティングを有し、該導電性コーティングは、前記電池中のまたはセル中の液体と該導電体とを互いから相互に遮断するように機能するものである、
前記電極。

【請求項2】

当該電極はまた、少なくとも一つの表面を有し、該表面は、その表面上での生物膜の成長に適しており、浄化されるべき液体と液体連絡しており、かつ、該導電性コーティングを通じて該金属製導電体と電気的に連絡している、請求項１記載の電極。

【請求項3】

生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、多数の細長いエレメントの円柱状表面によって定められており、それら細長いエレメントは、上記金属製導電体から外側に向かって概して放射状に延びており、
該金属製導電体は、該導電性コーティングによってコーティングされ、かつ、自体の長手方向の延伸に沿って、多数の細長いエレメントのうちの複数の物を束にして保持するように捩れており、かつ、
該多数の細長いエレメントは繊維を有してなり、かつ、該繊維はグラファイト繊維または導電性プラスチックから形成されている、
請求項２記載の電極。

【請求項4】

生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、導電性コーティングの表面を覆う布地によって定められている、請求項２記載の電極。

【請求項5】

金属製導電体が、ワイヤー格子の形態、孔のあいた平坦なエレメントの形態、または、概して平行なワイヤーのアレイの形態になっている、請求項１記載の電極。

【請求項6】

金属製導電体が、銅またはアルミニウムから形成されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の電極。

【請求項7】

導電性コーティングが、導電性プラスチックから形成されている、請求項１〜６のいずれか１項記載の電極。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への参照
2008年10月30日に出願された、Electrodes For Microbial Fuel Cells And Microbial Electrolysis Cellsというタイトルの、出願人の同時係属の米国仮特許出願シリアル番号第61/198,027号を参照する。その開示は参照することにより本明細書に組み込まれ、その優先権を、37 CFR 1.78(a)(4)および(5)(i)に従って、本願で主張する。

【0002】

2009年5月31日に出願された、Microbial Fuel Cellsというタイトルの、出願人の同時係属の米国仮特許出願シリアル番号第61/182,727号を参照する。その開示は参照することにより本明細書に組み込まれ、その優先権を、37 CFR 1.78(a)(4)および(5)(i)に従って、本願で主張する。

【0003】

発明の分野
本発明は、概してはバイオ電気化学(bioelectric chemical)デバイスに関し、より詳細には、バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルに関する。

【背景技術】

【0004】

発明の背景
次の刊行物は、当該技術分野の現状を表すものと確信する。
Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology, Bruce E. Logan et al., Environ. Sci. Technol., 40(17), 5181-5192, 2006
Microbial Fuel Cells - Challenges and Applications, Bruce E. Logan & John M. Regan, Environ Sci. Tech., Vol. 40, 17
Stefano Freguia, Korneel Rabaey, Zhiguo Yuan, Jurg Keller, Non-catalyzed cathodic oxygen reduction at graphite granules in microbial fuel cells, Electrochimica Acta 53 (2007) 598-603
Hong Liu et al., Quantification of the internal resistance distribution in microbial fuel cells, Environmental Science and Technology
米国特許出願公開第20070259217号

【発明の概要】

【0005】

発明の要旨
本発明は、改善されたバイオ電気化学デバイスの提供を目的とし、より詳細には、改善されたバクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルの提供を目的とする。

【0006】

よって、本発明の好ましい実施形態に従ってバクテリア燃料電池が提供され、当該バクテリア燃料電池は、複数のアノードおよび複数のカソードを有し、該複数のアノードおよび該複数のカソードは、浄化されるべき液体と液体連絡(liquid communication)しており、該複数のアノードおよび該複数のカソードはそれぞれ、電気回路中に負荷を渡って電気的に連結されるように配置された金属製導電体を有し、かつ、少なくとも該金属製導電体と該浄化されるべき液体との間に導電性コーティングを有し、該導電性コーティングは、該液体と該導電体とを互いから相互に遮断するように機能するものである。

【0007】

また、本発明の別の好ましい実施形態に従ってバクテリア燃料電池が提供され、当該バクテリア燃料電池は、複数のアノードと複数のカソードを有し、これらアノードとカソードは、浄化されるべき液体と液体連絡しており、該複数のアノードと該複数のカソードは、それぞれ、電気回路中に負荷を渡って電気的に連結されるように配置された金属製導電体を有し、かつ、少なくとも該金属製導電体と該浄化されるべき液体との間に導電性コーティングを有し、該導電性コーティングは、該液体と該導電体とを互いから相互に遮断するように機能するものであり、該カソードの少なくとも二つは、互いに隣り合って配置され、かつ、酸素含有ガスで満たされた間隙によって互いから分離されている。

【0008】

本発明の好ましい実施形態によれば、当該バクテリア燃料電池はまた、少なくとも一つの表面を有し、該表面は、その表面上での生物膜の成長に適しており、上記浄化されるべき液体と液体連絡しており、かつ、上記導電性コーティングを通じて金属製導電体と電気的に連絡している。好ましくは、生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、導電性コーティングの表面を覆う布地(fabric)によって定められている。

【0009】

本発明の好ましい実施形態によれば、金属製導電体は、コーティングされた金属製導電体であり、かつ、該導電性コーティングは、該金属製導電体上に形成された導電性のコーティングを有してなる。付加的または代替的には、該導電性コーティングは、導電性シートを有する。

【0010】

好ましくは、複数のカソードのうちの少なくとも一つの該導電性コーティングが、水透過性の導電性シートを有してなる。

【0011】

好ましくは、複数のカソードのうちの少なくとも一つのコーティングされた金属製導電体が、水透過性である。

【0012】

好ましくは、該複数のカソードのうちの少なくとも一つが、取付け層(attachment layer)を有する。より好ましくは、該取付け層は、プラスチックの布地から形成されている。

【0013】

本発明の好ましい実施形態によれば、複数のアノードおよび複数のカソードに孔が形成されており、かつ、当該バクテリア燃料電池が、隣り合った該カソード同士の間に定めされた導通路(conduit)を有し、かつ、隣り合った該カソードと該アノードとの間に定められた体積部分（volumes）を有し、該体積部分は、該複数のアノードと該複数のカソードに、該浄化されるべき液体の連絡を提供し、該孔は、該導通路と該体積部分との間に該浄化されるべき液体の連絡を提供する。

【0014】

本発明の好ましい実施形態によれば、複数のアノードおよび複数のカソードが、エンボス加工されたエレメントとして形成されている。好ましくは、該複数のアノードおよび複数のカソードが、一緒に密封されている。

【0015】

またさらに本発明の別の好ましい実施形態に従ってバクテリア電解セルが提供され、当該バクテリア電解セルは、複数のアノードと複数のカソードを有し、これらアノードとカソードは、タンク中の浄化されるべき液体と液体連絡しており、該タンクは、浄化されるべき水を受け入れるための入口と、浄化された水の出力のための出口と、水素ガスのための出口を有し、前記複数のアノードと複数のカソードは、電気回路を通じて電源を渡って接続されており、該アノードおよびカソードの少なくとも一つは、電気回路中に電気的に連結されるように配置された金属製導電体を有し、かつ、少なくとも該金属製導電体と該セル中の液体との間に導電性コーティングを有し、該導電性コーティングは、該液体と該導電体とを互いから相互に遮断するように機能する。

【0016】

本発明の好ましい実施形態によれば、当該バクテリア電解セルはまた、少なくとも一つの表面を有し、該表面は、その表面上での生物膜の成長に適しており、該浄化されるべき液体と液体連絡しており、かつ、該導電性コーティングを通じて該金属製導電体と電気的に連絡している。

【0017】

本発明の好ましい実施形態によれば、該複数のカソードのそれぞれはまた、該導電性コーティングに隣接した酸素透過性かつ液体不透過性の層を有し、該酸素透過性かつ液体不透過性の層が、酸素含有ガスに曝されている。好ましくは、該酸素透過性かつ液体不透過性の層は、導電性シートを有する。代替的には、該酸素透過性かつ液体不透過性の層は、シリコーンゴムから形成されている。

【0018】

好ましくは、該複数のアノードのうちの少なくとも一つの該金属製導電体は、箔(foil)の形態になっている。

【0019】

好ましくは、該金属製導電体は、ワイヤー格子の形態になっている。代替的には、該金属製導電体は、孔のあいた(perforated)平坦なエレメントの形態になっている。代替的には、該金属製導電体は、概して平行なワイヤーのアレイの形態になっている。

【0020】

また、本発明の別の好ましい実施形態に従って、バクテリア燃料電池およびバクテリア電解セルのうちの少なくとも一つにおいて使用するための電極が提供され、当該電極は、電気回路中に電気的に連結されるように配置された金属製導電体を有し、かつ、該電極は、少なくとも該金属製導電体と該電池中のまたは該セル中の液体との間に導電性コーティングを有し、該導電性コーティングは、該液体と該導電体とを互いから相互に遮断するように機能する。

【0021】

本発明の好ましい実施形態によれば当該電極は、少なくとも一つの表面を有し、該表面は、その表面上での生物膜の成長に適しており、浄化されるべき液体と液体連絡しており、かつ、該導電性コーティングを通じて該金属製導電体と電気的に連絡している。

【0022】

好ましくは、該導電性コーティングは、その表面上での生物膜の成長に適している。

【0023】

本発明の好ましい実施形態によれば、生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、多数の細長いエレメントの円柱状表面によって定められており、該細長いエレメントは、導電性プラスチックから形成され、かつ、該コーティングされた金属製導電体から外側に向かって概して放射状に延びている。好ましくは、該コーティングされた金属製導電体は捩れており、自体の長手方向の延伸に沿って、多数の細長いエレメントのうちの複数の物を束にして保持している。好ましくは、それら細長いエレメントは、非金属の導電体であり、該非金属の導電体は、該コーティングされた金属製導電体よりも小さい電気伝導度を有する。好ましくは、該細長いエレメントは、導電性プラスチックから形成されている。代替的には、該細長いエレメントは、グラファイト繊維から形成されている。

【0024】

本発明の好ましい実施形態によれば、生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、複数の翼板のエレメントによって定められ、該複数の翼板のエレメントは、導電性プラスチックから形成され密でないように巻かれた螺旋状エレメントによって包囲されており、かつ、該翼板のエレメントは、該コーティングされた金属製導電体から外側に向かって概して放射状に延びている。

【0025】

本発明の好ましい実施形態によれば、生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、該コーティングされた金属製導電体の周辺にある導電性プラスチックから形成された円柱状のエレメントによって定められている。

【0026】

好ましくは、コーティングされた金属製導電体がワイヤーの形態になっている。代替的には、コーティングされた金属製導電体がケーブルの形態になっている。代替的には、コーティングされた金属製導電体がロッド（棒）の形態になっている。

【0027】

本発明の好ましい実施形態によれば、生物膜の成長に適した上記少なくとも一つの表面が、導電性コーティングの表面を覆う布地によって定められている。

【0028】

本発明の好ましい実施形態によれば、導電性コーティングは、導電性シートを有してなる。

【0029】

好ましくは、金属製導電体が箔の形態になっている。代替的には、金属製導電体がワイヤー格子の形態になっている。代替的には、金属製導電体が、孔のあいた平坦なエレメントの形態になっている。代替的には、金属製導電体が、概して平行なワイヤーのアレイの形態になっている。

【0030】

好ましくは、金属製導電体が、銅またはアルミニウムから形成されている。好ましくは、該導電性コーティングが導電性プラスチックから形成されている。

【図面の簡単な説明】

【0031】

本発明は、図面とあわせて解釈される以下の詳細な説明からより十分に理解および解釈されるであろう。

【0032】

【図1】図１は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア燃料電池の単純化した図である。

【図2A】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄは、バクテリア燃料電池においておよびバクテリア電解セルにおいて有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、電極の４つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図2B】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄは、バクテリア燃料電池においておよびバクテリア電解セルにおいて有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、電極の４つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図2C】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄは、バクテリア燃料電池においておよびバクテリア電解セルにおいて有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、電極の４つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図2D】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄは、バクテリア燃料電池においておよびバクテリア電解セルにおいて有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、電極の４つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図3】図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、バクテリア燃料電池において有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、カソードの３つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図4】図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、バクテリア燃料電池において有用な、本発明の別の好ましい実施形態に従って構成され機能する、カソードの３つの代替的な実施形態の単純化した図である。

【図5】図５Ａおよび５Ｂは、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア燃料電池の単純化したそれぞれ側面図および上面図である。

【図6】図６は、バクテリア燃料電池において、およびバクテリア電解セルにおいて有用である、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する電極の単純化した絵画図である。

【図7】図７は、バクテリア燃料電池において有用な、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する電極の単純化した絵画図である。

【図8】図８は、バクテリア燃料電池において有用な、本発明の別の好ましい実施形態に従って構成され機能するカソードの単純化した図である。

【図9】図９Ａおよび９Ｂは、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア電解セルの単純化したそれぞれ側面図および上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

好ましい実施形態の詳細な説明
ここで図１を参照する。図１は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア燃料電池の単純化した図であって、当該バクテリア燃料電池は、複数のアノード１００（それぞれ文字Ａで示す）と複数のカソード１０２（それぞれ文字Ｃで示す）を有しており、これらは、工業廃水といったような浄化されるべき液体１０４と液体連絡した状態になってる。図１の実施形態では、浄化されるべき水は、入口１０５において供給され、該入口１０５は、アノード１００とカソード１０２とに形成された孔(aperture)を通じて、および、隣り合ったカソード同士の間に定められた導通路１０６を通じて、隣り合ったアノード１００とカソード１０２との間に定められた一連の体積部分１０７と連通しており（これらは、エラストマーのシール（図示せず）などによって一緒に密封されている）、かつ、出口１０８と連通している。

【0034】

本発明の好ましい実施形態にでは、アノードとカソードは、従来の平板熱交換器(plate heat exchanger)で用いられるものと形状が類似した、エンボス加工されたエレメントとして形成されていてもよい。そのような構造の例は、米国特許第4,014,385号、第3,792,730号、第3,731,737号、第3,661,203号、第2,787,446号、および第2,550,339号に示されており、それらの開示は参照することにより本明細書に組み込まれる。

【0035】

本発明の好ましい実施形態によれば、複数のアノード１００と複数のカソード１０２は、それぞれに、導電性コーティングによって包囲された金属製導電体を有する。

【0036】

各アノード１００の構造が拡大図１０９に示されている。図では、参照数字１１０で示されている金属導体（好ましくは、銅またはアルミニウム）が、導電性コーティングによって包囲されていることが分かる。

【0037】

図示した実施形態では、該導電性コーティングは、一対の液体不透過性の導電性プラスチックシート１１２をラミネートして金属導体１１０を包むことによって実現されている。好ましくは、該シート１１２は、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどのプラスチックから形成され、該プラスチックは、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜられて、導電性プラスチックシートを生成している。

【0038】

生物膜(biofilm)の成長は、シート１１２の外側表面上に支持されることが好ましい。オプション的には、該シート１１２の少なくとも一方の外側表面上に、生物膜成長支持体１１６が設けられてもよい。該生物膜成長支持体１１６は、布地であってよく、該布地は、ポリエステルまたは他の好適な材料から形成されていることが好ましい。

【0039】

アノード１００の様々のエレメントの典型的な厚さは次の通りである。
導体１１０ −− ２０〜２００ミクロン
シート１１２ −− ５０〜４００ミクロン
生物膜成長支持体１１６ −− １０〜５０ミクロン

【0040】

アノード１００の４つの代替的な実施形態が図２Ａ〜２Ｄに示されている。図２Ａでは、導体１１０は箔の形態になっており、参照数字１２０で示されている。図２Ｂでは導体１１０はワイヤー格子の形態になっており、参照数字１２２で示されている。図２Ｃでは、導体１１０は孔のあいた平坦なエレメント（要素）であり、参照数字１２４で示されている。図２Ｄでは、導体１１０は概して平行なワイヤーのアレイの形態になっており、参照数字１２６で示されている。

【0041】

各カソード１０２の構造の一つの実施形態が拡大図１２８に示されている。孔のあいた金属導体１３０（好ましくは、銅またはアルミニウム）が導電性コーティングによって取り囲まれていることが分かる。

【0042】

図示した実施形態では、該導電性コーティングは、液体不透過性の導電性プラスチックを用いて金属導体１３０をコーティングし、かつ、該導電性プラスチックによって形成された孔のあいたシート１３２で、該コーティングされた金属導体の液体に面した側を覆うことによって実現されていることが好ましい。好ましくは、該導電性プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどのプラスチックを、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜることによって形成されている。

【0043】

生物膜の成長は、コーティングされた導体１３０およびシート１３２の外側表面上に支持されることが好ましい。オプション的には、生物膜成長支持体１３６がシート１３２の少なくとも一方の外側表面上に設けられてもよい。生物膜成長支持体１３６は、布地であってよく、該布地は、ポリエステルまたは他の好適な材料から形成されていることが好ましい。

【0044】

孔のあいた導電性コーティングされた金属導体１３０の、反対側にある空気に面した側(air-facing side)には、オプション的な取付け層１３８が設けられていることが好ましく、該取付け層は、典型的には、ポリエステルなどのプラスチックから形成された織布または不織布を有してなる。該取付け層１３８の外側には、液体不透過性かつ酸素透過性の層１４０が設けられていることが好ましく、該層１４０は、シリコーンゴムから形成されていることが好ましい。該取付け層１３８は、コーティングされた導体１３０への酸素透過性の層１４０の取付け（アタッチメント）を補助する。酸素透過性の層１４０の外側には、機械的な支持層１４２が設けられていてもよく、該支持層は、比較的剛性を持ったプラスチックの格子であることが好ましい。

【0045】

拡大図１２８に示すカソード１０２の様々なエレメントの典型的な厚さは次の通りである。
孔のあいたコーティングされた導体１３０ −− １００〜６００ミクロン
孔のあいたシート１３２ −− ５０〜４００ミクロン
生物膜成長支持体１３６ −− １０〜５０ミクロン
取付け層１３８ −− １０〜５０ミクロン
酸素透過性かつ液体不透過性の層１４０ −− ５０〜５００ミクロン
機械的な支持層１４２ −− １００〜２０００ミクロン

【0046】

拡大図１２８に示すカソードの該実施形態のうちの３つの代替的な実施形態を図３Ａ〜３Ｃに示す。図３Ａでは、孔のあいた導体１３０は、ワイヤー１４４を有するワイヤー格子の形態になっており、全てのワイヤー１４４は、拡大図１４８に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１４６によってコーティングされている。図３Ｂでは、孔のあいた導体１３０は、孔のあいた平坦な金属製エレメント１５０を有しており、該エレメントの表面の全ては、拡大図１５４に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１５２によってコーティングされている。図３Ｃでは、孔のあいた導体１３０は、概して平行なワイヤー１５６のアレイの形態になっており、全てのワイヤー１５６は、拡大図１６０に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１５８によってコーティングされている。

【0047】

各カソード１０２の構造の別の実施形態が拡大図１６８に示されている。孔のあいた金属導体１７０（好ましくは、銅またはアルミニウム）は、導電性コーティングによって包囲されていることが分かる。

【0048】

図示した実施形態では、該導電性コーティングは、好ましくは、液体不透過性の導電性プラスチックにて該金属導体１７０をコーティングすることによって、かつ、導電性プラスチックから形成された酸素透過性かつ液体不透過性のシート１７２にて、該コーティングされた金属導体を液体に面した側を包囲することによって、実現されていることが好ましい。好ましくは、該導電性プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどのプラスチックを、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜることによって形成されたものである。

【0049】

生物膜の成長は、導電性シート１７２の外側表面上に支持されることが好ましい。オプション的には、該生物膜成長支持体１７６が、シート１７２の少なくとも一方の外側表面上に設けられてもよい。該生物膜成長支持体１７６は、布地であってよく、該布地は、ポリエステルまたは他の好適な材料から形成されていることが好ましい。

【0050】

孔のあいた導電性コーティングされた金属導体１７０について、反対側にある空気に面した側には、機械的な支持層１７８がオプション的に設けられてもよく、該支持層は、比較的剛性を持ったプラスチックの格子であることが好ましい。

【0051】

拡大図１６８に示すカソード１０２の様々なエレメントの典型的な厚さは、次の通りである。
孔のあいたコーティングされた導体１７０ −− １００〜６００ミクロン
酸素透過性のシート１７２ −− ５０〜４００ミクロン
生物膜成長支持体１７６ −− １０〜５０ミクロン
機械的な支持層１７８ −− １００〜２０００ミクロン

【0052】

拡大図１６８に示すカソードの該実施形態のうちの３つの代替的な実施形態が、図４Ａ〜４Ｃに示されている。図４Ａでは、孔のあいた導体１７０はワイヤー格子の形態になっており、該ワイヤー格子はワイヤー１８０を有してなり、全てのワイヤー１８０は、拡大図１８４に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１８２によってコーティングされている。図４Ｂでは、孔のあいた導体１７０は、孔のあいた平坦な金属製エレメント１８６を有してなり、該エレメントの表面の全ては、拡大図１９０に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１８８によってコーティングされている。図４Ｃでは、孔のあいた導体１７０は、概して平行なワイヤー１９２のアレイの形態になっており、該ワイヤー１９２の全ては、拡大図１９６に見られるように、液体不透過性の導電性コーティング１９４によってコーティングされている。

【0053】

図１に見られるように、全てのアノード１００と全てのカソード１０２は、負荷１９７を渡る電気回路中で電気的に連結されている。図１の当該バクテリア燃料電池では、ＣＯＤで示されている液体１０４中の有機物質は、ジオバクターおよびシュワネラなどの電気発生性(electrogenic)のバクテリアによって酸化される。該電気発生性のバクテリアは、典型的には生物膜１９８中に存在し、該生物膜は、アノード１００上に設けられた生物膜成長支持体１１６（拡大図１０９）によって支持されていることが好ましい。

【0054】

この酸化により、ＣＯ₂、プロトン、および電子が生じる。プロトンは、カソード１０２に向かって液体１０４を通じて拡散し、電子は、該バクテリアによってアノード１００に供給され、アノードから電気回路を通じてカソード１０２に移動する。

【0055】

カソード１０２では、大気中の酸素Ｏ₂が、層１４０（拡大図１２８）または１７２（拡大図１６８）といった酸素透過性の層を通過して、層１３２（拡大図１２８）または１７２（拡大図１６８）といったカソード上の導電性プラスチック層へと浸透する。該導電性プラスチック層の水に面した側において、酸素Ｏ₂はプロトンおよび電子と反応し、水Ｈ₂Ｏを生成する。この反応は典型的には触媒を必要とする。該触媒は生物膜１９９によって提供されることが好ましく、該生物膜は、好ましくはカソード１０２上に設けられている生物膜成長支持体１３６（拡大図１２８）または１７６（拡大図１６８）によって支持されていることが好ましい。

【0056】

図１の該バクテリア燃料電池の作動が、このように、電力と、有機物質を有する液体の浄化との両方を提供することが理解され得る。

【0057】

ここで図５Ａおよび５Ｂを参照する。図５Ａおよび５Ｂは、本発明のまた別の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア燃料電池の単純化した側面図および上面図であって、当該バクテリア燃料電池は、多数のアノード３００を含んでおり、該アノードは、多数のカソード３０２の間に差し入れられて点在しており、工業廃水などの浄化されるべき液体３０４と液体連絡している。それら複数のアノード３００と複数のカソード３０２は、タンク３０６内に位置し、該タンクは、浄化されるべき水を受け入れるための入口３０８、および、浄化された水の出力のための出口３０９を有している。該タンク３０６内での水３０４の循環は、好適な撹拌機またはポンプ（図示せず）によって提供されることが好ましい。低い圧力の大気の酸素Ｏ₂が、ファン（図示せず）によってカソード３０２の内部を通過するよう送られることが好ましい。

【0058】

図６をも参照すると、該図は、図５Ａおよび５Ｂのバクテリア燃料電池において有用な、アノード３００の好ましい実施形態を示している。図６に見られるように、中央の細長い金属導体３１０（これは、銅またはアルミニウムから形成されたワイヤー、ケーブル、またはロッドであることが好ましい。）が成型され、かつ、そこから複数の翼板(vane、ベーン）エレメント３１２が放射状に外へと延びており、該エレメント３１２が、導体３１０のために、液体不透過性の導電性コーティングを提供している。オプション的には、付加的な細長い導体３１４が、エレメント３１２の１つ以上の翼板３１６の放射方向の外端部に成形され、かつ該外端部から外側に延び、エレメント３１２は、導体３１４のために、液体不透過性の導電性コーティングを提供する。エレメント３１２は、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜられた、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどの液体不透過性導電性プラスチックから形成されることが好ましい。

【0059】

周囲の電極部分３１８は、翼板３１６の半径方向の外側端部の周りに位置することが好ましく、かつ、密でないように（loosely、ルーズに）巻いた螺旋状エレメントとして、導電性プラスチックから形成されていることが好ましく、それにより、エレメント３１２の表面との液体の比較的自由な流通が可能となる。エレメント３１２と周囲の電極部分３１８とは、押し出し法によって一体になったエレメントとして形成されていることが好ましい。エレメント３１２の表面の一部または全部、および電極部分３１８の表面の一部または全部が、炭素またはグラファイトから形成された導電性パウダーまたは導電性繊維（図示せず）でコーティングされていてもよい。エレメント３１２の表面および電極部分３１８の表面は、全体が、生物膜の成長を支持するように、ならびに、電気の生成および液体３０４の浄化を可能とするように作用することが好ましい。

【0060】

ここで図７を参照すると、該図は、図５Ａおよび５Ｂのバクテリア燃料電池において、とりわけアノード３００として有用な、電極組立て体（電極アセンブリー）を示している。図７に見られるように、該電極組立て体は、ブラシ状(brush-like)の構造を有することが好ましく、該構造では、多数の細長い導電性エレメント３５０が、ねじれた金属製導電体３５２によって保持され、かつ該金属製導電体３５２から外側に向かって概して放射状に延びており、該金属製導電体３５２は、液体不透過性の導電性コーティング３５４（好ましくは導電性プラスチック）でコーティングされている。導電性プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどのプラスチックを、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜることによって形成されていることが好ましい。

【0061】

エレメント３５０は、導電性プラスチックから形成されていることが好ましく、あるいは代替的には、グラファイト繊維であってもよい。ねじれた導体３５２は、銅またはアルミニウムなどの金属から形成されていることが好ましい。コーティングされた導体３５２の表面およびエレメント３５０の表面は、その全体が、生物膜の成長を支持するように、ならびに、図示されているように導体３５２が電気負荷に接続されているときに、電気の発生および液体３０４の浄化を可能とするように作用することが好ましい。

【0062】

好ましくは、エレメント３５０の半径方向外側の先端部は、隣り合った電極同士の間の意図せぬ短絡を防止するために、シリコーンゴム材料などの電気的に絶縁性の材料（図示せず）でコーティングされていてもよい。

【0063】

ここで図８を参照すると、該図は、図５Ａおよび５Ｂのバクテリア燃料電池において有用な好ましいカソード３０２を示している。カソード３０２は、円筒体３６０を有してなることが好ましく、該円筒体は、炭素またはグラファイトなどの導電性パウダーと混ぜられた、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＥＴなどの孔のあいたまたは多孔性の導電性プラスチックから形成されている。円筒体３６０の表面の一部または全部が、炭素またはグラファイトから形成された導電性パウダーまたは導電性繊維（図示せず）でコーティングされていてもよい。円筒体３６０の表面は、生物膜の成長を支持するように、ならびに、電気の発生および液体３０４の浄化を可能とするように作用することが好ましい。

【0064】

カソード３０２の外側表面には液体３０４が浸透し、また、カソード３０２の内側表面は、円筒体３６０の内側表面と並んで形成された液体不透過性かつ酸素透過性のコーティング３６２によって、液体３０４との接触から遮断される。コーティング３６２はシリコーンゴムから形成されていることが好ましい。１つ以上の細長い金属導体３６４（好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されたワイヤー、ケーブル、またはロッドである。）が、好ましくは、円筒体３６０中に成型され、かつ円筒体３６０から外側に延び、円筒体３６０が、導体３６４のために、液体不透過性の導電性コーティングを提供する。

【0065】

図５Ａおよび５Ｂに見られるように、全てのアノード３００および全てのカソード３０２が、負荷３２０を渡る電気回路中で電気的に結合されている。図５Ａおよび５Ｂのバクテリア燃料電池において、ＣＯＤで示されている液体３０４中の有機物質は、ジオバクターおよびシュワネラなどの電気発生性のバクテリアによって酸化される。該電気発生性のバクテリアは、典型的には、アノード３００上に支持されている生物膜３７０中に存在する。

【0066】

この酸化によりＣＯ₂、プロトン、および電子が生じる。プロトンは、カソード３０２に向かって液体３０４を通じて拡散し、電子は、該バクテリアによってアノード３００に供給され、アノード３００から電気回路を通じてカソード３０２に移動する。

【0067】

カソード３０２では、大気中の酸素Ｏ₂が、層３６２（図８）といった酸素透過性の層を通過して、層３６０といったカソード上の導電性プラスチック層に浸透する。導電性プラスチック層３６０の水に面した側において、酸素Ｏ₂はプロトンおよび電子と反応し、水Ｈ₂Ｏを生成する。この反応は典型的には触媒を必要とする。該触媒は生物膜３７２によって提供されることが好ましく、生物膜３７２は、好ましくはカソード３０２上に存在する。

【0068】

このように、図５Ａおよび５Ｂのバクテリア燃料電池の動作について、電力と、有機物質を有する液体の浄化との両方を提供することが理解され得る。

【0069】

図１〜８を参照して上に示して説明した類型のバクテリア燃料電池のうちの複数のものを、直列的におよび／または並列的に、液体的および電気的の両方で相互接続してもよいことが理解される。並列的な相互接続は、浄化される水の体積を増加させ、電流出力の増加を提供し、一方、直列的な相互接続は、浄化の程度を増大させ、電圧出力の増加を提供する。並列的および直列的な接続の様々な組み合わせが、最適な水の処理および電力生成を提供するために有利に利用され得る。

【0070】

ここで図９Ａおよび９Ｂを参照する。図９Ａおよび９Ｂは、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するバクテリア電解セルの、単純化したそれぞれ側面図および上面図である。

【0071】

図９Ａおよび９Ｂのバクテリア電解セルは、多数のアノード４００を有しており、該アノードは、多数のカソード４０２の間に差し入れられて点在しており、工業廃水などの浄化されるべき液体４０４と液体連絡している。アノード４００およびカソード４０２は、タンク４０６内に位置し、該タンクは、浄化されるべき水を受け入れるための入口４０８、および、浄化された水の出力のための出口４０９を有している。タンク４０６内での水４０４の循環は、好適な撹拌機またはポンプ（図示せず）によって提供されることが好ましい。

【0072】

示されているように、アノード４００およびカソード４０２は構造的に同一であってもよいことが理解される。そのような場合、アノード４００とカソード４０２とは、電気的な接続によってのみ、互いに区別される。従って、アノード４００とカソード４０２は、それぞれに、図２Ａ〜２Ｄに示すタイプのものであってもよいし、あるいは図６に示すタイプのものであってもよいし、あるいは図７に示すタイプのものであってもよいし、あるいは任意の他の好適な構成のものであってもよい。好ましくは、アノード４００は図６に示すタイプのものであり、かつカソードは図７に示すタイプのものであるか、あるいは、その反対である。

【0073】

図９Ａおよび９Ｂに見られるように、全てのアノード４００と全てのカソード４０２は、電源４２０を渡る電気回路中で電気的に結合されている。図９Ａおよび９Ｂのバクテリア電解セルでは、ＣＯＤで示されている液体４０４中の有機物質は、ジオバクターおよびシュワネラなどの電気発生性のバクテリアによって酸化される。該電気発生性のバクテリアは、典型的には、アノード４００上に支持されている生物膜４３０に存在する。

【0074】

この酸化によりＣＯ₂、プロトン、および電子が生じる。プロトンは、カソード４０２に向かって液体４０４を通じて拡散し、電子は、該バクテリアによってアノード４００に供給され、該アノードから電気回路を通じてカソード４０２に移動する。

【0075】

カソード４０２では、プロトンは、電源４２０により電気回路によって動かされる電子によって水素ガスＨ２に還元される。タンク４０６を覆うカバー４４０によって定められた上部空間内に水素ガスおよびＣＯ₂が蓄積され、出口４４２において取り出され、そして好適な方法で分離される。

【0076】

図９Ａおよび９Ｂのバクテリア電解セルの動作が、従来法よりも低いレベルの電力消費で水素ガスの生成を提供し、かつ有機物質を有する液体の浄化を提供することが理解され得る。

【0077】

上に具体的に示して説明したものに本発明は限定されないことを当業者は理解するであろう。本発明の範囲はむしろ、上述した様々な特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせの両方、ならびに、上述の説明を読んだ当業者が想起するであろう、先行技術にはない改良および変形を含む。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】