特許 6376694 微生物燃料電池

(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】6376694

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】微生物燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20180813BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20180813BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20180813BHJP

   C02F 3/34 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/16

   H01M8/04 J

   H01M8/02

   C02F3/34 Z

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-225062(P2014-225062)

(22)【出願日】2014年11月5日

(65)【公開番号】特開2016-91805(P2016-91805A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年5月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】501203344

【氏名又は名称】国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100105050

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲田 公一

(72)【発明者】

【氏名】横山 浩

(72)【発明者】

【氏名】山下 恭広

(72)【発明者】

【氏名】石田 三佳

(72)【発明者】

【氏名】森岡 理紀

【審査官】 菊地 リチャード平八郎

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０７３２８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００３３７５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０３９４６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１８０２９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードと、
外気に接触し、かつ前記液体に直接接触するか、またはカチオン透過性を有する隔膜を挟んで隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、
前記液体に酸素を含む気体を間欠的に送り込む曝気装置と、
を有する、微生物燃料電池。

【請求項2】

容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードと、
カチオン透過性を有する隔膜と、
外気に接触し、かつ前記隔膜を挟んで前記液体に隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、
前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、
を有し、
前記隔膜および前記カソードは、一体化されて膜電極接合体を構成しており、
前記膜電極接合体は、前記隔膜が前記液体に接触し、前記カソードが外気に接触するように、前記液体の表面に浮いており、
前記アノードは、前記液体の中に浮いている、
微生物燃料電池。

【請求項3】

容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードと、
カチオン透過性を有する隔膜と、
外気に接触し、かつ前記隔膜を挟んで前記液体に隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、
前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、
を有し、
前記アノード、前記隔膜および前記カソードは、一体化されて膜電極接合体を構成しており、
前記膜電極接合体は、前記アノードが前記液体に接触し、前記カソードが外気に接触するように、前記液体の表面に浮いている、
微生物燃料電池。

【請求項4】

容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードと、
外気に接触し、かつ前記液体に直接接触するか、またはカチオン透過性を有する隔膜を挟んで隣接するように前記液体の表面に浮いている、ガス透過性を有するカソードと、
前記アノードおよび前記カソードを前記液体の中または表面に浮かすための浮きと、
前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、
を有する、微生物燃料電池。

【請求項5】

前記曝気装置が前記液体に前記気体を間欠的に送り込むことで、前記液体において好気状態と嫌気状態とが繰り返され、前記液体中の窒素が除去される、請求項１に記載の微生物燃料電池。

【請求項6】

前記気体は、空気である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項7】

前記曝気装置は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流に応じて前記気体を送り込む量を調整する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項8】

前記曝気装置は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流により駆動する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項9】

前記膜電極接合体は、前記液体の表面に対して傾斜するように配置されている、請求項２または請求項３に記載の微生物燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微生物燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

畜産農家にとって、畜舎から出る廃水の処理は、多大なコストおよび労力を要するため、大きな負担となっている。同様に、都市部における下水の処理も、多大なコストおよび労力を要する。一方、微生物燃料電池は、微生物による有機物の酸化によって電気エネルギーを生産できるだけでなく、有機廃棄物の分解処理も同時に行うことができる。このため、微生物燃料電池は、畜舎における廃水処理や都市部における下水の浄化処理などの様々な用途において有用な新技術として期待されている。

【0003】

微生物燃料電池は、２槽型と１槽型とに大別される。２槽型の微生物燃料電池は、カチオン透過性を有する隔膜で互いに仕切られているアノード槽およびカソード槽を有する。２槽型の微生物燃料電池では、カソード槽内にフェリシアン化カリウム（鉄化合物イオン）や酸素、鉄イオン、硝酸イオン、硫酸イオンなどの電子を受容可能な物質が必要である。

【0004】

一方、１槽型の微生物燃料電池では、カソード槽の代わりに、エアカソードとも称されるガス透過性を有するカソードが使用される（例えば、非特許文献１参照）。図１は、アノードとカソードとが別体の１槽型の微生物燃料電池の断面模式図であり、図２は、アノードとカソードとが一体の１槽型の微生物燃料電池の断面模式図である。図１および図２に示されるように、微生物燃料電池１０は、容器１１と、容器１１内に収容された有機物および電子供与微生物１２を含む液体（燃料）１３と、液体１３に接触するように配置されたアノード１４と、液体１３に接触するように配置されたカチオン透過性を有する隔膜１５と、隔膜１５を挟んで液体１３に隣接するように配置され、かつ外気とも接触するカソード（エアカソード）１６とを有する。カソード１６は、隔膜１５と、または隔膜１５およびアノード１４と膜電極接合体１７を構成し、容器１１の壁面の一部を構成する。このような１槽型の微生物燃料電池は、２槽型の微生物燃料電池と比較して、微生物による反応が起こる槽（アノード槽）とは別のカソード槽を必要としない点で優れている。

【0005】

微生物燃料電池は、電子供与微生物が嫌気条件下において有機物を分解する際にアノードを最終電子受容体として使用することを利用する。このように、微生物燃料電池は、電子供与微生物による嫌気処理を利用するため、１槽型の微生物燃料電池の容器内は、嫌気状態に保持されることが必須であると考えられている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Hong Liu, and Bruce E. Logan, "Electricity Generation Using an Air-Cathode Single Chamber Microbial Fuel Cell in the Presence and Absence of a Proton Exchange Membrane", Environ. Sci. Technol., Vol. 38, pp. 4040-4046.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前述のとおり、微生物燃料電池は、発電だけでなく廃水中の有機物を分解して浄化処理を行うことも期待されている。しかしながら、従来の微生物燃料電池は、活性汚泥法などに比べて有機物の分解能力が低い。このため、有機物の分解能力が高い微生物燃料電池の開発が期待されている。さらに、廃水の浄化では廃水中の窒素の除去も重要であるが、従来の微生物燃料電池は、嫌気状態で動作させるため窒素を除去することができない。

【0008】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、有機物の分解能力が高く、かつ窒素除去も可能な１槽型の微生物燃料電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、驚くべきことに、１槽型の微生物燃料電池において曝気を行っても発電を継続できることを見出した。さらに、本発明者らは、１槽型の微生物燃料電池において曝気を行うことにより有機物の分解能力が顕著に高まり、かつ窒素除去も行われることを見出した。そして、本発明者らは、これらの知見にさらに検討を加えて本発明を完成させた。

【0010】

すなわち、本発明は、以下の微生物燃料電池に関する。

【0011】

［１］容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触するように配置されたアノードと、外気に接触し、かつ前記液体に直接接触するか、またはカチオン透過性を有する隔膜を挟んで隣接するように配置された、ガス透過性を有するカソードと、前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、を有する、微生物燃料電池。
［２］前記曝気装置は、前記液体に前記気体を間欠的に送り込む、［１］に記載の微生物燃料電池。
［３］前記曝気装置が前記液体に前記気体を間欠的に送り込むことで、前記液体において好気状態と嫌気状態とが繰り返され、前記液体中の窒素が除去される、［２］に記載の微生物燃料電池。
［４］前記気体は、空気である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
［５］前記曝気装置は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流に応じて前記気体を送り込む量を調整する、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
［６］前記曝気装置は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流により駆動する、［１］〜［５］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
［７］前記カソードは、前記液体の表面に浮いている、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
［８］前記隔膜および前記カソードは、一体化されて膜電極接合体を構成しており、前記膜電極接合体は、前記隔膜が前記液体に接触し、前記カソードが外気に接触するように、前記液体の表面に浮いており、前記アノードは、前記液体の中に浮いている、［７］に記載の微生物燃料電池。
［９］前記アノード、前記隔膜および前記カソードは、一体化されて膜電極接合体を構成しており、前記膜電極接合体は、前記アノードが前記液体に接触し、前記カソードが外気に接触するように、前記液体の表面に浮いている、［７］に記載の微生物燃料電池。
［１０］前記膜電極接合体は、前記液体の表面に対して傾斜するように配置されている、［８］または［９］に記載の微生物燃料電池。
［１１］前記アノードおよび前記カソードを前記液体の中または表面に浮かすための浮きをさらに有する、［７］〜［１０］のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、有機物の分解能力が高く、かつ窒素除去も可能な微生物燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】アノードとカソードとが別体の従来の微生物燃料電池の断面模式図である。

【図2】アノードとカソードとが一体の従来の微生物燃料電池の断面模式図である。

【図3】実施の形態に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。

【図4】実施の形態の変形例に係る微生物燃料電池の構成を示す断面模式図である。

【図5】図５Ａは、実施の形態に係る微生物燃料電池における酸化還元電位（ＯＲＰ）の経時的変化を示すグラフであり、図５Ｂは、間欠曝気式活性汚泥槽における酸化還元電位の経時的変化を示すグラフである。

【図6】図６は、実施の形態に係る微生物燃料電池における、カソードの単位面積当たりの出力密度の経時的変化を示すグラフである。

【図7】図７は、実施の形態に係る微生物燃料電池および間欠曝気式活性汚泥槽における混合液の化学的酸素要求量の測定結果を示すグラフである。

【図8】図８は、実施の形態に係る微生物燃料電池および間欠曝気式活性汚泥槽における混合液の窒素濃度の測定結果を示すグラフである。

【図9】図９は、実施の形態に係る微生物燃料電池における、カソードの単位面積当たりの出力密度の経時的変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、隔膜およびカソードを含む膜電極接合体（ＭＥＡ）が有機物（燃料）および電子供与微生物を含む液体の上に浮いており、アノードが前記液体の中に浮いている微生物燃料電池について説明する。

【0015】

（微生物燃料電池の構成）
図３は、本発明の一実施の形態に係る微生物燃料電池１００の構成を示す断面模式図である。図３に示されるように、微生物燃料電池１００は、容器１１０、液体１２０、アノード１３０、膜電極接合体１４０、浮き１５０および曝気装置１６０を有する。液体１２０は、有機物および電子供与微生物１２２を含む。膜電極接合体１４０は、隔膜１４２およびカソード１４４を含む。曝気装置１６０は、ポンプ１６２、散気管１６４および制御部１６６を含む。また、アノード１３０とカソード１４４は、外部回路を構成する導線１７０により電気的に接続されており、ポンプ１６２は、制御部１６６を介して導線１７０に電気的に接続されている。

【0016】

容器１１０は、微生物燃料電池１００の本体部を構成し、液体１２０を収容する。容器１１０の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、従来の１槽型の微生物燃料電池（図１および図２参照）とは異なり、カソード１４４（またはカソード１４４を含む膜電極接合体１４０）が容器１１０の壁面の一部を構成するということはない。このため、液体１２０の圧力の増大によるカソード１４４の破壊を考慮することなく、容器１１０を大きくすること、すなわち微生物燃料電池１００をスケールアップすることができる。

【0017】

液体１２０は、容器１１０内に収容されており、燃料となる有機物および電子供与微生物１２２を含む。通常、液体１２０は、１種または２種以上の電解質を含有する水溶液である。電解質の種類は、水中で電離可能な物質であれば特に限定されない。電解質の例には、ＮａＨ_２ＰＯ_４／Ｎａ_２ＨＰＯ_４、ＫＨ_２ＰＯ_４／Ｋ_２ＨＰＯ_４、ＮａＣＯ_３／ＮａＨＣＯ_３、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮＨ_４Ｃｌなどが含まれる。また、液体１２０には、必要に応じて電子メディエータや導電性微粒子などの電子伝達性介在物質をさらに添加してもよい。

【0018】

液体１２０中の電子供与微生物１２２のうち、少なくとも一部の電子供与微生物１２２は、アノード１３０に担持されている。すなわち、アノード１３０は、電子供与微生物１２２を高密度で保持する担体としても機能する。電子供与微生物１２２の種類は、１種であってもよいし、２種以上であってもよい。有機廃水や汚泥などを燃料として使用する場合は、外部から電子供与微生物を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物をそのまま利用することができる。たとえば、シュードモナスやジオバクターなどは、土壌や淡水、海水などの自然環境の至るところに生息しているため、有機廃水や汚泥などを燃料とすれば、外部から添加することなく利用できる。

【0019】

燃料となる有機物の種類は、電子供与微生物１２２が代謝可能であれば、特に限定されない。燃料となる有機物としては、アルコールや単糖類、多糖類、タンパク質などの有用資源だけでなく、農産業廃棄物や有機廃液、し尿、汚泥、食物残渣などの未利用資源（有機性廃棄物）も使用することができる。燃料となる有機物は、電子供与微生物１２２の維持および増殖のため、また微生物燃料電池１００を連続して稼働させるため、必要に応じて追加される。

【0020】

アノード１３０は、液体１２０に接触するように配置される。本実施の形態では、アノード１３０は、導線１７０を介して浮き１５０により支持されており、液体１２０中に浮いている（浸漬されている）。アノード１３０の素材および形状は、特に限定されず、電子供与微生物１２２の付着性や電子供与微生物１２２からの電子伝達度などに応じて適宜選択されうる。アノード１３０の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。アノード１３０の形状の例には、クロスなどの平面形状や、ブラシ状や棒状、粒状などの立体形状が含まれる。アノード１３０の例には、カーボンペーパーやグラファイト板、カーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、カーボンブラシ、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。

【0021】

膜電極接合体１４０は、カチオン透過性を有する隔膜１４２と、ガス透過性を有するカソード１４４とを含む。隔膜１４２およびカソード１４４は、一体化されて膜電極接合体１４０を構成している。膜電極接合体１４０は、隔膜１４２が液体１２０に接触し、カソード１４４が外気に接触するように配置される。本実施の形態では、円環形状の浮き１５０の貫通孔を塞ぐように浮き１５０の下側に隔膜１４２が固定されており、浮き１５０の貫通孔内において隔膜１４２上にカソード１４４が積層されている。その結果、膜電極接合体１４０は、液体１２０の表面に浮いている。膜電極接合体１４０は、液体１２０の表面（液面）と平行となるように配置されていてもよいが、隔膜１４２の下に気泡が留まることを抑制するために液体１２０の表面（液面）に対して傾斜するように配置されていることが好ましい（図３参照）。

【0022】

隔膜１４２は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、液体１２０とカソード１４４との間に配置されている。前述のとおり、本実施の形態では、円環形状の浮き１５０の貫通孔を塞ぐように浮き１５０の下側に隔膜１４２が固定されている。隔膜１４２の種類は、カチオンを選択的に透過させることができれば、特に限定されない。隔膜１４２の例には、プロトン交換膜が含まれる。プロトン交換膜は、プロトン伝導性のイオン交換高分子電解質からなる膜である。プロトン交換膜の素材の例には、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、有機／無機複合化合物が含まれる。パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂は、例えば、スルホ基および／またはカルボキシル基を有するパーフルオロビニルエーテルを基礎とする重合単位と、テトラフルオロエチレンを基礎とする重合単位とを含む共重合体を含む。そのようなフッ素イオン交換樹脂としては、ナフィオン（登録商標）が知られている。また、有機／無機複合化合物は、炭化水素系高分子（例えばポリビニルアルコール）および無機化合物（例えばタングステン酸）が複合化した化合物からなる物質である。これらの素材からなる膜は、市販されている。

【0023】

カソード（エアカソード）１４４は、隔膜１４２を挟んで液体１２０と隣接するように配置されている。前述のとおり、本実施の形態では、円環形状の浮き１５０の貫通孔内において隔膜１４２上にカソード１４４が積層されている。カソード１４４の素材および形状は、ガス透過性および導電性を両立できれば特に限定されない。カソード１４４の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。カソード１４４の例には、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。また、これらの表面に、プラチナや活性炭などの酸素還元触媒を担持させてもよい。

【0024】

浮き１５０は、液体１２０の表面（液面）に浮いており、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４を直接または間接的に支持している。その結果、アノード１３０は、液体１２０の中に浮いており、隔膜１４２およびカソード１４４は、液体１２０の表面に浮いている。すなわち、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４と、浮き１５０とは、一つの浮遊体を構成する。浮き１５０の素材および形状は、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４を液体１２０の中または表面に浮かすことができれば特に限定されない。たとえば、浮き１５０は、発泡スチロールなどの発泡プラスチックや、樹脂や金属などからなる中空構造体などである。本実施の形態では、浮き１５０は、円環形状の発泡プラスチックである。

【0025】

曝気装置１６０は、ポンプ１６２、散気管１６４および制御部１６６を含む。曝気装置１６０は、液体１２０に酸素を含む気体を送り込む。本実施の形態では、曝気装置１６０は、液体１２０に空気１６８を送り込む。曝気装置１６０は、外部から供給される電力により駆動されてもよいし、微生物燃料電池１００の発電により得られる電力により駆動されてもよい。本実施の形態では、曝気装置１６０は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流（すなわち微生物燃料電池１００の発電により得られる電力）により駆動される。

【0026】

曝気装置１６０は、液体１２０に空気１６８を連続的に送り込んでもよいが、発電能力と有機物の分解能力とのバランスを容易に調整する観点からは、液体１２０に空気１６８を間欠的に送り込むことが好ましい。曝気装置１６０が液体１２０に空気１６８を間欠的に送り込む場合、曝気状態の時間および無曝気状態の時間は、微生物燃料電池１００の発電能力や有機物の分解能力、液体１２０に含まれる有機物の濃度などに応じて適宜調整される。たとえば、液体１２０に含まれる有機物の濃度が濃い場合は、１回あたりの曝気時間は３０分〜４時間程度であり、１回あたりの無曝気時間は１〜１２時間程度である。有機物が十分に分解されて、液体１２０が浄化された場合は、微生物燃料電池１００の発電により得られる電力は低下する。つまり、液体１２０中の有機物の濃度は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流により検出することができる。したがって、曝気装置１６０は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流に応じて、空気１６８を送り込む量を調整してもよい。たとえば、液体１２０の生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）が２０００ｍｇ／Ｌ超のときに相当する電流の場合、１回あたりの曝気時間を３時間程度とし、１回あたりの無曝気時間を３時間程度とすればよい。ＢＯＤが５００〜２０００ｍｇ／Ｌのときに相当する電流の場合は、１回あたりの曝気時間を２時間程度とし、１回あたりの無曝気時間を４時間程度とすればよい。ＢＯＤが５０〜５００ｍｇ／Ｌのときに相当する電流の場合は、１回あたりの曝気時間を１時間程度とし、１回あたりの無曝気時間を５時間程度とすればよい。また、ＢＯＤが５００ｍｇ／Ｌ未満のときに相当する電流の場合は、曝気を行わなくてもよいが、窒素濃度が高い場合は、曝気して硝化反応を促進させてもよい。この場合、硝化反応の後、汚水の原水を電子供与体として容器１１０内に少量投入して脱窒反応を起こさせることで、窒素除去をすることができる。

【0027】

ポンプ１６２は、制御部１６６の制御下において外部から取り込んだ空気を散気管１６４に送り込む。ポンプ１６２の種類は、特に限定されず、必要とされる空気吐出量などに応じて適宜選択されうる。

【0028】

散気管１６４は、ポンプ１６２から送り込まれた空気を液体１２０内に放出する。液体１２０への酸素溶解効率を高めたい場合は、散気管１６４は、微細化した気泡を放出する。散気管１６４の形状および構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。散気管１６４の例には、メッシュを取り付けた管やメンブレンチューブなどが含まれる。

【0029】

制御部１６６は、予め設定された条件で曝気するようにポンプ１６２の動作を制御する。たとえば、間欠的に曝気を行う場合、制御部１６６は、所定の時間だけ動作するようにポンプ１６２を制御する。また、前述のとおり、制御部１６６は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流に応じてポンプ１６２を制御してもよい。曝気装置１６０による曝気は、液体１２０中の有機物の分解を促進するために行われるため、液体１２０中の有機物の濃度が低下した場合は曝気する必要はなく、発電能力を向上させる観点からは嫌気状態にするために曝気をしない方が却って好ましいことがある。このような場合、制御部１６６は、電流の低下を検出したときにポンプ１６２の動作を止めてもよい。このようにすることで、ポンプ１６２による電力消費を抑制することもできる。

【0030】

（微生物燃料電池の動作）
次に、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００の動作について説明する。

【0031】

本実施の形態に係る微生物燃料電池１００を稼働させると、容器１１０内において、電子供与微生物１２２により有機物（例えば酢酸）が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、隔膜１４２を透過してカソード１４４表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード１３０で回収されて、外部回路を経由してカソード１４４に移動する。また、カソード１４４は通気性を有するため、カソード１４４表面には酸素も存在する。このような状況において、カソード１４４表面では、水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。したがって、容器１１０内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、外部回路に電力を連続して供給することができる。

【0032】

本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、稼働中に曝気することを主たる特徴とする。上記メカニズムによる発電は嫌気処理を利用するため、従来の微生物燃料電池では、液体中が嫌気状態（溶存酸素がほとんど無い状態）となるようにされていた。一方、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、有機物の分解能力を向上させるために、連続的に、好ましくは間欠的に曝気して液体１２０中の溶存酸素濃度をある程度上昇させる。このように曝気することで、嫌気処理による発電および有機物の分解に加えて、好気処理による有機物の分解も行うことができる。結果として、従来の微生物燃料電池や間欠曝気による活性汚泥法（間欠曝気式活性汚泥法）よりも効率的に有機物を分解することができる（図７参照）。なお、この後実施例で示すように、本発明者らの実験によれば、間欠的に曝気を行っても電子供与微生物１２２が死滅せずに発電を継続できること（図６参照）に加え、曝気条件によっては曝気をすることにより発電能力が向上することもあること（図９参照）がわかっている。

【0033】

また、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、好気処理も利用するため、嫌気処理のみを利用する従来の微生物燃料電池では不可能であった窒素の除去も可能である（図８参照）。たとえば、曝気装置１６０が液体１２０に空気１６８を間欠的に送り込んだ場合、液体１２０において好気状態と嫌気状態とが繰り返される。好気状態のときは、液体１２０に含まれるアンモニアは、硝酸へと酸化される。嫌気状態のときは、有機物から供給される電子を利用して硝酸からガス体の窒素への反応が促進され脱窒反応が起きる。したがって、畜舎や堆肥場などからの悪臭を含む空気を用いて曝気することで、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００を脱臭装置としても利用することが可能である。悪臭を含む空気を用いて曝気すると、アンモニアなどの悪臭成分は液体１２０に移り、好気処理と嫌気処理のサイクルにより無臭の窒素ガスに変換され脱臭される。

【0034】

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、曝気することにより嫌気処理および好気処理の両方を利用して、発電能力を維持しつつ、有機物の分解能力の向上と窒素の除去を実現している。すなわち、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、発電能力に加えて、従来の微生物燃料電池よりも高い浄化性能を有する。

【0035】

また、前述のとおり、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、液体１２０中の有機物濃度に応じて曝気時間を調整することも可能である。また、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、アノード１３０が電子供与微生物１２２を高濃度で担持しているため、微生物を担持する部材が無い間欠曝気式活性汚泥法よりも効率よく有機物を分解することもできる（図７参照）。また、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、好気処理だけでなく嫌気処理も利用するため、嫌気処理を利用しない活性汚泥法よりも余剰汚泥の発生量を低減することもできる。また、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００は、窒素除去および脱臭処理を行うこともできる（図８参照）。

【0036】

また、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４が容器１１０の壁面の一部を構成することなく液体１２０の中または表面に浮いている。このため、液体１２０の圧力の増大によるアノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４の破壊を考慮することなく、容器１１０を大きくすること、すなわち微生物燃料電池１００をスケールアップすることができる。また、液体１２０の量に関係なく、アノード１３０およびカソード１４４の全面が常に液体１２０と直接または隔膜１４２を介して接触することから、液体１２０の量の変化の影響を受けずに外部回路に電力を安定して出力することができる。

【0037】

さらに、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、液体１２０中に空気１６８を送り込む曝気装置１６０を設置するとともに、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４を取り付けられた浮き１５０を液体１２０の表面に浮かべるか、または取り出すだけで、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００を容易に設置または撤去することができる。したがって、本実施の形態に係る微生物燃料電池１００を既存の施設に導入することも容易である。

【0038】

なお、本実施の形態では、隔膜１４２およびカソード１４４を含む膜電極接合体１４０が液体１２０の表面に浮いており、アノード１３０が液体１２０の中に浮いている微生物燃料電池１００について説明したが、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４の位置はこれに限定されない。たとえば、液体透過性を有するアノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４が一体化されて膜電極接合体を構成しており、この膜電極接合体がアノード１３０が液体１２０に接触し、カソード１４４が外気に接触するように、液体１２０の表面に浮いていてもよい。この場合も、膜電極接合体は、液体１２０の表面（液面）に対して傾斜するように配置されることが好ましい。また、図４に示されるように、従来の１槽型の微生物燃料電池と同様に、容器１１０の壁面にアノード１３０およびカソード１４４を配置してもよい。この場合も、曝気装置１６０が、容器１１０内の液体１２０に酸素を含む気体（例えば空気１６８）を送り込むことは変わらない。

【0039】

また、本実施の形態では、アノード１３０およびカソード１４４を液体１２０の中または表面に浮かすための浮き１５０を有する微生物燃料電池１００について説明したが、浮き１５０は必須の構成要件ではない。たとえば、アノード１３０、隔膜１４２またはカソード１４４を中空構造とするなどしてこれら自身を浮くようにすれば、浮き１５０は無くてもよい。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、浮き１５０はあることが好ましい。

【0040】

また、本実施の形態では、隔膜１４２を有する微生物燃料電池１００について説明したが、隔膜１４２は必須の構成要件ではない。すなわち、カソード１４４は、アノード１３０と接触してはいけないが、液体１２０には直接接触していてもよい。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、隔膜１４２はあることが好ましい。

【0041】

以下、実施例を参照して本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

【実施例】

【0042】

［実験１］
本実験では、上記実施の形態に係る微生物燃料電池（図３参照）を作製し、その発電特性および有機物分解特性を評価した。本実験では、間欠的に曝気を行った。

【0043】

１．微生物燃料電池の作製
（１）アノードの作製
１０×９ｃｍのカーボンクロス１枚および１０×３ｃｍのカーボンクロス２枚を、結束バンドを用いて導線に固定することで、アノードを作製した。

【0044】

（２）膜電極接合体の作製
粒子径３０〜４０ｎｍの導電性カーボン粉末（Vulcan XC-72；CABOT社）１６ｍｇ、粒子径２〜３ｎｍのプラチナ粉末（田中貴金属工業株式会社）１６ｍｇ、イオン伝導性ポリマー溶液（ナフィオン（登録商標）を５質量％含む溶液）０.３２ｍＬを混合して、ペーストを作製した。得られたペーストをテフロン（登録商標）シート（直径７.０ｃｍ）の面上に均一に塗布し乾燥させて、触媒層を形成した。プロトン交換膜（Nafion-117；直径１１ｃｍ）に触媒層が接触するように、触媒層を形成したテフロンシートをプロトン交換膜上に積層した状態で、ホットプレス機を用いてプレス（１２０℃、１０分間）することで、触媒層（厚み約１００μｍ）をプロトン交換膜に転写した。

【0045】

次いで、テフロン加工済みのカーボンクロス（直径７.０ｃｍ）に前述のイオン伝導性ポリマー溶液０.８ｍＬを塗布した。さらに、その上に前述のプロトン交換膜を、イオン伝導性ポリマー溶液に触媒層が接触するように積層した状態で、前述と同様の条件でプレスして圧着させることで、カソードおよび隔膜を含む膜電極接合体を作製した。

【0046】

（３）培地の調製
以下の表に示される添加物を蒸留水に加えて、培地（電解質溶液）を調製した。

【表1】

【0047】

（４）微生物燃料電池の作製
容器として、プラスチック製の容量２Ｌのビーカーを準備した。ビーカー内の底部には、ポンプ（空気吐出量：１.７〜２.０Ｌ／分）に接続された散気管を配置した。前述の培地と、電子供与微生物および燃料としての活性汚泥とを４：１の割合で混合した。得られた混合液１.５Ｌを、ビーカー内に導入した。

【0048】

発泡スチロールからなる円環形状の浮き（外径１０ｃｍ×内径７ｃｍ×高さ５ｃｍ）にアノードおよび膜電極接合体（プロトン交換膜およびカソード）を固定した。アノードは、導線を介して浮きに固定した（図３参照）。

【0049】

ビーカー内の混合液に浮きを浮かべることで、ビーカー内にアノードおよび膜電極接合体を設置した。アノードは、混合液中に浮いた状態となり、カソードは、外気と接触した状態となった。また、膜電極接合体は、混合液の液面に対して傾斜していた。アノードおよびカソードを外部の電力計と接続した。

【0050】

２．微生物燃料電池の評価
作製した上記実施の形態に係る微生物燃料電池の発電特性および浄化特性を評価した。また、比較のため、同じ容器、ポンプ、散気管および混合液を用いて間欠曝気式活性汚泥法を行う反応槽（以下「間欠曝気式活性汚泥槽」という）を作製し、浄化特性を評価した。

【0051】

室温において、曝気１時間および無曝気５時間のサイクルで実施の形態に係る微生物燃料電池を稼働させて、１分ごとに電力を測定し、カソードの単位面積当たりの出力密度を算出した。同時に、混合液の酸化還元電位（ＯＲＰ）も測定した。また、１日ごとに混合液の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を測定した。また、稼働してから４日目に、混合液の全窒素（ＴＮ）の濃度を測定した。比較のため、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池についても、化学的酸素要求量の測定および混合液の全窒素濃度の測定を行った。

【0052】

同様に、室温において、曝気１時間および無曝気５時間のサイクルで間欠曝気式活性汚泥槽を稼働させて、１分ごとに混合液の酸化還元電位を測定した。また、１日ごとに混合液の化学的酸素要求量を測定した。また、稼働してから４日目に、混合液の全窒素の濃度を測定した。

【0053】

図５Ａは、実施の形態に係る微生物燃料電池における酸化還元電位（ＯＲＰ）の経時的変化を示すグラフであり、図５Ｂは、間欠曝気式活性汚泥槽における酸化還元電位の経時的変化を示すグラフである。これらのグラフから、実施の形態に係る微生物燃料電池および間欠曝気式活性汚泥槽のいずれにおいても、曝気により酸化還元電位が正の値まで上昇しており、好気状態になっていることがわかる。

【0054】

図６は、実施の形態に係る微生物燃料電池における、カソードの単位面積当たりの出力密度の経時的変化を示すグラフである。このグラフから、間欠的に曝気を行っても、実施の形態に係る微生物燃料電池が発電を継続できることがわかる。また、時間の経過と共に有機物の濃度が低減することによる出力密度の低下および出力波形の変化が生じることもわかる。

【0055】

図７は、実施の形態に係る微生物燃料電池および間欠曝気式活性汚泥槽における混合液の化学的酸素要求量の測定結果を示すグラフである。このグラフでは、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池の測定結果も示している。このグラフから、本発明に係る微生物燃料電池は、間欠曝気式活性汚泥槽よりも速く有機物を分解できることがわかる。これは、電子供与微生物を含む様々な微生物が高密度でアノードに付着することにより、容器内に微生物が高濃度に保持されたことと、さらには曝気により混合液中の有機物と電子供与微生物が効率よく接触できたためと考えられる。また、本発明に係る微生物燃料電池は、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池よりも顕著に速く有機物を分解できることもわかる。

【0056】

図８は、実施の形態に係る微生物燃料電池および間欠曝気式活性汚泥槽における混合液の窒素濃度の測定結果を示すグラフである。このグラフでは、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池の測定結果も示している。このグラフから、本発明に係る微生物燃料電池は、間欠曝気式活性汚泥槽と同様に混合液中の窒素を除去できることがわかる。また、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池では、窒素を除去できないこともわかる。これは、曝気処理を行わずに稼働させた微生物燃料電池では、常に嫌気状態であり、好気状態で生じるアンモニア酸化反応（硝化）が生じず、脱窒反応も生じないためであると考えられる。このことから、微生物燃料電池において（間欠）曝気を行うことにより、窒素の除去が促進されることがわかる。

【0057】

［実験２］
本実験では、実験１と異なる条件で稼働させたときの微生物燃料電池の発電特性を評価した。

【0058】

１．微生物燃料電池の作製
本実験では、空気吐出量が１.１Ｌ／分のポンプを用いたこと、および異なる組成の培地を用いたことを除いては、実験１で作製した微生物燃料電池と同じ構成の微生物燃料電池を作製した。培地（電解質溶液）は、以下の表に示される添加物を蒸留水に加えることで調製した。

【表2】

【0059】

２．微生物燃料電池の評価
室温において、曝気２時間および無曝気４時間のサイクルで実施の形態に係る微生物燃料電池を動作させて、１分ごとに電力を測定し、カソードの単位面積当たりの出力密度を算出した。

【0060】

図９は、実施の形態に係る微生物燃料電池における、カソードの単位面積当たりの出力密度の経時的変化を示すグラフである。このグラフでは、曝気を行った時期を矢印で示している。このグラフから、培地に含まれる有機物の組成や曝気の条件などによっては、曝気を行うことにより発電の出力が増大することがわかる。この理由は不明であるが、一つの可能性として、弱い曝気により混合液が適度に撹拌されたり、アノードに付着した阻害物が除去されたりしたことが考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明に係る微生物燃料電池は、発電能力を維持しつつ有機物の分解能力が高いため、例えば畜舎における廃水処理や都市部における下水の浄化処理などにおいて有用である。

【符号の説明】

【0062】

１０ 微生物燃料電池
１１ 容器
１２ 電子供与微生物
１３ 液体
１４ アノード
１５ 隔膜
１６ カソード（エアカソード）
１７ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１００ 微生物燃料電池
１１０ 容器
１２０ 液体
１２２ 電子供与微生物
１３０ アノード
１４０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１４２ 隔膜
１４４ カソード（エアカソード）
１５０ 浮き
１６０ 曝気装置
１６２ ポンプ
１６４ 散気管
１６６ 制御部
１６８ 空気
１７０ 導線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】