特開 2023-165357 微生物燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023165357

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】微生物燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20231108BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M8/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022076291

(22)【出願日】2022-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(71)【出願人】

【識別番号】506150146

【氏名又は名称】ビフレステック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(74)【代理人】

【識別番号】100195877

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻木 伸一郎

(72)【発明者】

【氏名】直井 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】沖田 尚久

(72)【発明者】

【氏名】松村 圭祐

(72)【発明者】

【氏名】直井 和子

(72)【発明者】

【氏名】太田 謙一

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA01

5H126BB00

5H126GG18

(57)【要約】

【課題】 溶存酸素量の多い環境に設置されても期待される電力が得られるまでの時間が短い微生物燃料電池を提供すること。
【解決手段】 微生物燃料電池は、負極と正極とイオン伝導体と嫌気性条件生成・維持層（嫌気性層）とを備え、負極と正極とはイオン伝導体を介して接続され、嫌気性層は、負極の、有機物が供給される側の面を覆い、嫌気性層は、有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下である。
実験：
第１セルと第２セルとの間の接続管は嫌気性層で隔てられ、第１、第２セルはそれぞれ第１、第２の上部開口を含み、第１の上部開口は開放されて第１セルは大気に常時曝され、第２セルは純水で満たされ、第２の上部開口は開放されて純水は大気に曝され、酸素が飽和量溶け込んだ純水の溶存酸素量（ＤＯ１）を測定し、純水を窒素ガスバブリングし、第２の上部開口を閉じ、２５時間経過後、純水の溶存酸素量（ＤＯ２）を測定する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

負極と、正極と、イオン伝導体と、嫌気性条件生成・維持層とを備え、
前記負極と前記正極とは、前記イオン伝導体を介して接続され、
前記嫌気性条件生成・維持層は、前記負極の、有機物が供給される側の面の少なくとも一部を覆い、
前記嫌気性条件生成・維持層は、前記有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下であることを特徴とする微生物燃料電池。
実験：
第１セルと第２セルとの間の接続管（内径：３．３ｃｍ）は、前記嫌気性条件生成・維持層で隔てられ、
前記第１セルは第１の上部開口を含み、前記第２セルは第２の上部開口を含み、
前記第１の上部開口は常時開放されて、前記第１セルは大気に常時曝され、
前記第２セルは、前記第２の上部開口以外の開口は閉じられて純水で満たされ、前記第２の上部開口は開放されて前記純水は大気に曝され、酸素が飽和量溶け込んだ前記純水の溶存酸素量（ＤＯ１）を測定し、
前記純水を窒素ガスバブリングして溶存酸素を脱気し、前記第２の上部開口を閉じ、２５時間経過後、前記純水の溶存酸素量（ＤＯ２）を測定する。

【請求項2】

請求項１に記載の微生物燃料電池において、
前記嫌気性条件生成・維持層が好気性微生物、脱酸素剤、酸素透過抑制フィルター、吸水性ポリマー又は土を含むことを特徴とする微生物燃料電池。

【請求項3】

請求項１に記載の微生物燃料電池において、
前記嫌気性条件生成・維持層が、前記負極の、前記有機物が供給される側の面の全部を覆うことを特徴とする微生物燃料電池。

【請求項4】

請求項１に記載の微生物燃料電池において、
筒状保持体をさらに備え、
前記嫌気性条件生成・維持層と、前記負極と、前記イオン伝導体と、前記正極とが、前記筒状保持体の内側にて一端から他端に向かって順に配置されることを特徴とする微生物燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、微生物燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、嫌気性の電流生産微生物を利用した微生物燃料電池が知られている。微生物燃料電池では、負極近傍に生息する電流生産微生物が、代謝過程で糖類や有機酸といった有機物（電子供与体）と水を取り込み、二酸化炭素、プロトン及び電子を発生させ、負極に電子を供与する（反応式１）。電子は負極から外部回路を経て正極に伝達される。正極では酸素（電子受容体）とプロトンが電子を受け取って水が生成される（反応式２）。これらの一連の反応によって微生物燃料電池は電力が得られる。
負極：有機物＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ （反応式１）
正極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ （反応式２）

【0003】

例えば、特許文献１は、筒状の保持体の内壁面の下部と上部にそれぞれ負極と正極を設置した微生物燃料電池を開示する。この微生物燃料電池の負極は有機物及び嫌気性微生物を含む泥層（ヘドロ層）に配置され、正極は泥層の上に存在する水層に配置される。また、特許文献２は、開口部を有する筒状保持体と、筒状保持体の外表面に設けられる負極と、筒状保持体の内部に設けられる正極とを有し、負極と正極とは開口部とイオン伝導体を介して接続される微生物燃料電池を開示する。この微生物燃料電池は、嫌気性の電流発生菌（電流生産微生物）を含む土や泥に突き立てるだけで容易に設置ができ、かつ、自然の生態系から半永久的に電力を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－８４５４１号公報

【特許文献2】特開２０１６－５４０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１、２のいずれの微生物燃料電池も、反応式１による発電には、負極近傍の電流生産微生物に有機物を供給しなければならないため、負極は外界に対して開放されている。

【0006】

微生物燃料電池が溶存酸素量の多い環境に設置されると、電流生産微生物は嫌気性であるため、なかなか活性化せず、期待される電力が得られるまでに時間を要することがある。

【0007】

本開示は上記実状を鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、溶存酸素量の多い環境に設置されても期待される電力が得られるまでの時間が短い微生物燃料電池を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一の態様は、
負極と、正極と、イオン伝導体と、嫌気性条件生成・維持層とを備え、
前記負極と前記正極とは、前記イオン伝導体を介して接続され、
前記嫌気性条件生成・維持層は、前記負極の、有機物が供給される側の面の少なくとも一部を覆い、
前記嫌気性条件生成・維持層は、前記有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下であることを特徴とする微生物燃料電池に関する。
実験：
第１セルと第２セルとの間の接続管（内径：３．３ｃｍ）は、前記嫌気性条件生成・維持層で隔てられ、
前記第１セルは第１の上部開口を含み、前記第２セルは第２の上部開口を含み、
前記第１の上部開口は常時開放されて、前記第１セルは大気に常時曝され、
前記第２セルは、前記第２の上部開口以外の開口は閉じられて純水で満たされ、前記第２の上部開口は開放されて前記純水は大気に曝され、酸素が飽和量溶け込んだ前記純水の溶存酸素量（ＤＯ１）を測定し、
前記純水を窒素ガスバブリングして溶存酸素を脱気し、前記第２の上部開口を閉じ、２５時間経過後、前記純水の溶存酸素量（ＤＯ２）を測定する。

【0009】

上記実験のＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下である嫌気性条件生成・維持層が、負極の、有機物が供給される側の面の少なくとも一部を覆うことにより、その部分の溶存酸素量が比較的短時間に低減され、電流生産微生物を活性化することができるため、溶存酸素量の多い環境に設置されても期待される電力が得られるまでの時間が短い微生物燃料電池を提供することができる。

【0010】

本開示の一の態様では、
前記嫌気性条件生成・維持層が好気性微生物、脱酸素剤、酸素透過抑制フィルター、吸水性ポリマー又は土を含むことが好ましい。

【0011】

好気性微生物や脱酸素剤によって溶存酸素が消費され、また、酸素透過抑制フィルター、吸水性ポリマー又は土によって酸素の透過が抑制されるため、その部分の溶存酸素量がさらに短時間に低減、電流生産微生物が活性化され、期待される電力が得られるまでの時間をさらに短縮することができる。

【0012】

本開示の一の態様では、
前記嫌気性条件生成・維持層が、前記負極の、前記有機物が供給される側の面の全部を覆うことが好ましい。

【0013】

嫌気性条件生成・維持層で覆われる部分が増えるため、溶存酸素量がさらに短時間に低減、電流生産微生物が活性化され、期待される電力が得られるまでの時間をさらに短縮することができる。

【0014】

本開示の一の態様では、
筒状保持体をさらに備え、
前記嫌気性条件生成・維持層と、前記負極と、前記イオン伝導体と、前記正極とが、前記筒状保持体の内側にて一端から他端に向かって順に配置されることが好ましい。

【0015】

筒状保持体を土等に埋め込んで設置すると、筒状保持体の一端から嫌気性条件生成・維持層を透過して負極に有機物が供給され、筒状保持体の他端から正極に酸素が供給され、発電を行うことができる。筒状保持体に収納されたユニットとして微生物燃料電池を取り扱うことができるため、設置や配線が簡単である。したがって、複数の微生物燃料電池を直列や並列に接続して起電力を増やすことも容易である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】微生物燃料電池の一実施形態を示す。

【図2】実験装置を示す。

【図3】実験装置を示す。

【図4】実験装置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本開示の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成のすべてが本開示の解決手段として必須であるとは限らない。

【0018】

図１は本開示の微生物燃料電池１０の一実施形態を示す。微生物燃料電池１０は、負極１１と、正極１２と、イオン伝導体１３と、嫌気性条件生成・維持層１４と、筒状保持体１５とを備える。嫌気性条件生成・維持層１４と、負極１１と、イオン伝導体１３と、正極１２とが、筒状保持体１５の内側にて一端から他端に向かって順に配置される。負極１１と正極１２とは、イオン伝導体１３を介して接続され、嫌気性条件生成・維持層１４は、負極１１の、有機物が供給される側の面の全部を覆う。なお、嫌気性条件生成・維持層１４は、負極１１の、有機物が供給される側の面の少なくとも一部を覆えばよい。嫌気性条件生成・維持層１４は、有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下である。

【0019】

微生物燃料電池１０の一端が土や泥の中に設置されると、土や泥の中の有機物が水の流れに従って筒状保持体１５の一端から嫌気性条件生成・維持層１４を透過して負極１１に供給される。負極１１近傍に生息する電流生産微生物が反応式１に従って二酸化炭素、プロトン及び電子を発生させ、負極１１に電子を供与する。電子は、負極１１から負極リード線１６を経て外部回路に伝達され、さらに、外部回路から正極リード線１７を経て正極１２に伝達される。電流生産微生物が発生させたプロトンは、イオン伝導体１３を介して正極１２に伝達される。筒状保持体１５の他端は大気に開放され、他端から正極１２に酸素が供給される。正極１２では酸素（電子受容体）とプロトンが電子を受け取り、反応式２に従って水が生成される。

【0020】

負極１１としては、電流生産微生物が生息しやすい表面構造を持ち、導電性を有するものが好ましい。材料としては、例えば、カーボン、ステンレス鋼、鉄、チタン、白金、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、ルテニウム等及びこれらの合金、並びに、酵素や微生物を電極触媒としたバイオカソード及びこれらとカーボンを複合化した物質等を用いることができる。形態としては、例えば、シート、ブラシ、メッシュ等の平面状、フェルト、不織布等の綿状及びロッド等の棒状のものを用いることができる。電流生産微生物を予め負極１１表面で集積培養させておいてもよい。

【0021】

正極１２としては、大気との接触面積が広く、導電性を有するものが好ましい。材料としては、例えば、カーボン、ステンレス鋼、鉄、チタン、白金、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、ルテニウム等及びこれらの合金、並びに、鉄フタロシアニン系有機金属錯体等の非白金触媒、酵素や微生物を電極触媒としたバイオカソード及びこれらとカーボンを複合化した物質等を用いることができる。形態としては、シート、ブラシ、メッシュ等の平面状、フェルト、不織布等の綿状及びロッド等の棒状のものを用いることができる。

【0022】

イオン伝導体１３は、電流生産微生物が発生させたプロトンを正極１２に伝達する。材料としては、例えば、多孔質膜、デュポン製ナフィオン等のイオン交換高分子膜、アラミド不織紙、セルロース繊維、和紙及びガラス繊維等の繊維、塩化ナトリウムや塩化カリウム等のイオン性塩を含有させた電解質溶液、ゲル（寒天等）及び土壌、並びに、水等を用いることができる。

【0023】

嫌気性条件生成・維持層１４は、有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が８０％以下であり、好ましくは７５％以下であり、より好ましくは６５％以下であり、さらに好ましくは５５％以下であり、特に好ましくは５１％以下である。ＤＯ２／ＤＯ１が小さいほど、負極１１の、嫌気性条件生成・維持層１４に覆われる面では溶存酸素量が短時間に低減され、電流生産微生物を活性化することができるため、微生物燃料電池１０を溶存酸素量の多い環境に設置しても期待される電力が得られるまでの時間を短縮することができる。嫌気性条件生成・維持層１４は、有機物を透過し、かつ、下記実験を行うと、ＤＯ２／ＤＯ１が小さければ、材料や形態は特に限定されない。ＤＯ２／ＤＯ１を小さくする方法としては、酸素の消費と、酸素の透過抑制がある。前者の嫌気性条件生成・維持層１４は、例えば、好気性微生物又は脱酸素剤等を含んでもよい。後者の嫌気性条件生成・維持層１４は、例えば、窒素ガスや二酸化炭素ガスを吹きつけて脱気した土、酸素透過抑制フィルター、吸水性ポリマー又は土（腐植物質・フミン質）等を含んでもよい。好気性微生物や脱酸素剤は、単体で嫌気性条件生成・維持層１４に含まれてもよいし、土、溶液又はゲル等に添加されて嫌気性条件生成・維持層１４に含まれてもよい。脱酸素剤としては、例えば、二価の鉄イオン（ＦｅＯ）、アスコルビン酸、シュウ酸等の還元剤を用いることができる。酸素透過抑制フィルターとしては、例えば、透析管を用いることができる。

【0024】

図２～４を用いて、実験の内容を説明する。実験装置２０は、第１セル２１と、第２セル２２と、内径：３．３ｃｍの接続管２３と、嫌気性条件生成・維持層１４とを備える。第１セル２１と第２セル２２と接続管２３とはいわゆるＨ型セルを構成し、第１セル２１と、第２セル２２との間の接続管２３は、嫌気性条件生成・維持層１４で隔てられる。第１セル２１は第１の上部開口２４を含み、第２セル２２は第２の上部開口２５を含む。第１の上部開口２４は常時開放されて、第１セル２１は大気に常時曝される。第２セル２２は、第２の上部開口２５以外の開口は閉じられて純水２６で満たされる。第２の上部開口２５は開放されて純水２６は大気に曝され（図２）、酸素が飽和量溶け込んだ純水２６の溶存酸素量（ＤＯ１）を溶存酸素計で測定する。その後、純水２６を窒素ガスバブリングして溶存酸素を脱気し（図３）、第２の上部開口２５をフタ２７で閉じる（図４）。大気は第１の上部開口２４、第１セル２１、接続管２３を通して嫌気性条件生成・維持層１４と接するため、酸素は嫌気性条件生成・維持層１４を透過して第２セル２２内の純水２６に徐々に溶け込む。２５時間経過後、純水２６の溶存酸素量（ＤＯ２）を溶存酸素計で測定する。

【0025】

上記の実験の実施例として、何も装入されない透析管を嫌気性条件生成・維持層１４に用いた場合（実施例１）と、好気性微生物を含む土が装入された透析管を嫌気性条件生成・維持層１４に用いた場合（実施例２）の結果を表１に示す。比較例として、接続管２３を透過性のないフタで遮蔽し、かつ、第２セル２２の第２の上部開口２５を常時開放した、つまり、フタ２７で閉じなかった場合（比較例）の結果を表１に示す。

【表1】

【0026】

比較例は、第２の上部開口２５を透過して酸素が第２セル２２内の純水２６に溶け込むため、２５時間経過後の溶存酸素量が飽和量の９６％まで上昇した。一方、実施例１は、２５時間経過後の溶存酸素量を飽和量の７４％程度に抑えることができた。これは、透析管を透過して酸素が第２セル２２内の純水２６に徐々に拡散したためと考えられる。実施例２は、２５時間経過後の溶存酸素量を飽和量の５０％程度まで抑えることができた。これは、嫌気性条件生成・維持層１４に含まれる好気性微生物が酸素を消費したためと考えられる。この嫌気性条件生成・維持層１４は、透析管を用いているため、電流生産微生物に供給される有機物を透過し、かつ、好気性微生物を保持することができる。したがって、この嫌気性条件生成・維持層１４で負極１１の、有機物が供給される側の面の少なくとも一部を覆った微生物燃料電池１０を用いると、その部分の溶存酸素量が比較的短時間に低減され、電流生産微生物を活性化することができ、溶存酸素量の多い環境に設置されても期待される電力が得られるまでの時間を短縮することができる。

【0027】

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本開示の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本開示の範囲に含まれる。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、本実施形態の構成も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0028】

１０ 微生物燃料電池、１１ 負極、１２ 正極、１３ イオン伝導体、１４ 嫌気性条件生成・維持層、１５ 筒状保持体、１６ 負極リード線、１７ 正極リード線、２０ 実験装置、２１ 第１セル、２２ 第２セル、 ２３ 接続管、２４ 第１の上部開口、２５ 第２の上部開口、２６ 純水、２７ フタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】