WO2010073907A1 - 微生物発電方法及び微生物発電装置 - Google Patents

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WO2010073907A1
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WO
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positive electrode
electrode chamber
negative electrode
power generation
oxygen
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哲朗 深瀬
織田　信博
和也 小松
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Kurita Water Industries Ltd
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Kurita Water Industries Ltd
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    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a power generation method and apparatus utilizing a metabolic reaction of microorganisms.
  • the present invention relates to a microbial power generation method and apparatus for taking out reducing power obtained when an organic substance is oxidatively decomposed into microorganisms as electric energy.
  • Microbial power generation is a method of generating electricity by taking out electrical energy obtained when microorganisms assimilate organic matter.
  • microorganisms, organic matter assimilated by microorganisms, and an electron transfer medium are allowed to coexist in a negative electrode chamber in which a negative electrode is disposed.
  • the electron mediator enters the microorganism, receives the electrons generated by the microorganisms oxidizing the organic matter, and passes them to the negative electrode.
  • the negative electrode is electrically connected to the positive electrode via an external resistance (load), and the electrons transferred to the negative electrode move to the positive electrode via the external resistance (load) and are transferred to the electron acceptor in contact with the positive electrode.
  • a current flows between the positive electrode and the negative electrode due to such movement of electrons.
  • the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are separated by an alkali ion conductor made of a solid electrolyte, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are set to pH 7 with a phosphate buffer (buffer), and the phosphate buffer (cathode) in the positive electrode chamber is set. It is described that power is generated by blowing air into the liquid.
  • a porous body is installed as a positive electrode plate so as to be in contact with an electrolyte membrane that partitions a positive electrode chamber and a negative electrode chamber, air is circulated through the positive electrode chamber, and air and liquid are admitted in the voids of the porous body. It is described to make contact with.
  • the positive electrode that circulates air in the positive electrode chamber and uses oxygen in the air as an electron acceptor may be referred to as an “air cathode”.
  • a microbial power generation apparatus using an air cathode has the advantage that no catholyte is required and that air only needs to be circulated through the positive electrode chamber, and that aeration into the catholyte is not necessary.
  • JP 2000-133326 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-342412 JP 2006-331706 A
  • the power generation efficiency is as small as 50 to 150 W / m 3 per 1 m 3 of the negative electrode, and further improvement of the power generation efficiency is desired.
  • An object of the present invention is to provide a microbial power generation method and a microbial power generation apparatus that can improve the power generation efficiency of a microbial power generation apparatus with simple and inexpensive means.
  • the microorganism power generation method includes a negative electrode chamber that has a negative electrode and holds a liquid containing a microorganism and an electron donor, and is separated from the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation method for generating power by supplying an oxygen-containing gas to a positive electrode chamber of a microbial power generation apparatus including a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane the oxygen-containing gas generates biological treatment exhaust gas. It is characterized by including.
  • the microbial power generation method of the second aspect is characterized in that, in the first aspect, an aerobic biological treatment exhaust gas is supplied to the positive electrode chamber as the oxygen-containing gas.
  • the microbial power generation method of the third aspect is characterized in that, in the first aspect, air and anaerobic biological treatment exhaust gas are supplied to the positive electrode chamber as the oxygen-containing gas.
  • the microbial power generation method of the fourth aspect has a negative electrode, and is separated from a negative electrode chamber holding a liquid containing microorganisms and an electron donor, and the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation method for generating power by supplying an oxygen-containing gas to a positive electrode chamber of a microbial power generation device including a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane the oxygen-containing method supplied to the positive electrode chamber Carbon dioxide and water vapor are introduced into the gas.
  • the microbial power generation method according to the fifth aspect is characterized in that, in the fourth aspect, air is introduced into the positive electrode chamber together with carbon dioxide gas after aeration by aeration in a water tank.
  • the microorganism power generation device of the sixth aspect has a negative electrode, and is separated from a negative electrode chamber holding a liquid containing microorganisms and an electron donor, and the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation apparatus including a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane and means for supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode chamber, means for introducing biological treatment exhaust gas into the positive electrode chamber is provided. It is characterized by that.
  • the microorganism power generation apparatus is the microorganism power generation apparatus according to the sixth aspect, further comprising means for introducing an aerobic biological treatment exhaust gas into the positive electrode chamber.
  • the microorganism power generation apparatus is characterized in that, in the sixth aspect, there is provided means for introducing air and anaerobic biological treatment exhaust gas into the positive electrode chamber.
  • the microorganism power generation device of the ninth aspect has a negative electrode, and is separated from a negative electrode chamber holding a liquid containing microorganisms and an electron donor, and the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation apparatus comprising a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane and means for supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode chamber, carbon dioxide gas is added to the oxygen-containing gas supplied to the positive electrode chamber.
  • a means for introducing water vapor is provided.
  • the microorganism power generation device is the ninth aspect, wherein the means for introducing carbon dioxide gas and water vapor into the oxygen-containing gas supplied to the positive electrode chamber aerated by aeration of the air through the water tank, It is a means introduced into the positive electrode chamber.
  • the power generation efficiency of the microbial power generation apparatus can be increased by a simple and inexpensive means of introducing biological treatment exhaust gas into the positive electrode chamber.
  • the present inventors have introduced an acidic gas into the oxygen-containing gas supplied to the positive electrode chamber.
  • a patent application was filed based on the finding that it promotes the movement of Na + and K + ions by the pH neutralization action, thereby improving the power generation efficiency (Japanese Patent Application No. 2008-280104, hereinafter referred to as “prior application”).
  • this acidic gas it is preferable to use carbon dioxide gas because it is inexpensive, has high safety, and has no problem of equipment corrosion.
  • the power generation efficiency can be further increased by further introducing water vapor into the oxygen-containing gas supplied to the positive electrode chamber.
  • water vapor promotes ion permeation of the ion permeable non-conductive membrane. That is, it is known that ion permeable non-conductive membranes such as ion exchange membranes change in ion permeability depending on the moisture content. If the moisture content is small, the ion permeability decreases.
  • biological treatment exhaust gas such as activated sludge process biological treatment exhaust gas contains sufficient oxygen and further contains carbon dioxide gas generated by wastewater treatment, so the concentration of carbon dioxide gas is high, and in addition, high humidity It contains a sufficient amount of water vapor.
  • the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas is high, which is suitable as a gas to be supplied to the positive electrode chamber.
  • an air diffuser with high oxygen dissolution efficiency such as a fine bubble diffuser pipe, which has been widely used for the purpose of energy saving in recent years, because the carbon dioxide concentration in the exhaust gas becomes high.
  • anaerobic biological treatment exhaust gas does not contain oxygen, but has a high carbon dioxide concentration, high humidity, and a high water vapor amount. Therefore, even anaerobic biological treatment exhaust gas can be effectively used as a positive electrode chamber supply gas by using it mixed with an oxygen-containing gas such as air. Therefore, in most cases, biological treatment facilities that emit biological treatment exhaust gas are installed close to the biological power generation facility at the site where bioelectric power generation is performed using wastewater or organic waste as an energy source. It is also advantageous in terms of gas transportation.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the microbial power generation method and apparatus of the present invention.
  • the layered body 1 is partitioned into a positive electrode chamber 3 and a negative electrode chamber 4 by an ion-permeable non-conductive film 2.
  • a positive electrode 5 is disposed in the positive electrode chamber 3 so as to be in contact with the ion-permeable nonconductive film 2.
  • a negative electrode 6 made of a conductive porous material is disposed in the negative electrode chamber 4.
  • the negative electrode 6 is in contact with the ion permeable non-conductive membrane 2 directly or through a microbial membrane of about 1 to 2 layers. If the ion permeable non-conductive membrane 2 is a cation permeable membrane, Proton (H + ) can be transferred from the negative electrode 6 to the ion-permeable non-conductive membrane 2.
  • the inside of the positive electrode chamber 3 is an empty chamber, and an oxygen-containing gas (in this embodiment, an aerobic biological treatment exhaust gas) is introduced from the gas inlet 7, and the exhaust gas flows out from the gas outlet 8 through the exhaust pipe 25. .
  • an oxygen-containing gas in this embodiment, an aerobic biological treatment exhaust gas
  • a cation permeable membrane is suitable as described later, but other materials may be used.
  • Microorganisms are supported on the negative electrode 6 made of a porous material.
  • the negative electrode solution 4 is introduced into the negative electrode chamber 4 from the inlet 4a, and the waste liquid is discharged from the outlet 4b.
  • the inside of the negative electrode chamber 4 is anaerobic.
  • the negative electrode solution L in the negative electrode chamber 4 is circulated through the circulation outlet 9, the circulation pipe 10, the circulation pump 11, and the circulation return port 12.
  • the circulation pipe 10 is provided with a pH meter 14 for measuring the pH of the liquid flowing out from the negative electrode chamber 4, and connected with an alkali addition pipe 13 such as an aqueous sodium hydroxide solution, so that the pH of the negative electrode solution L is 7 An alkali is added as necessary so that it becomes ⁇ 9.
  • the condensed water generated in the positive electrode chamber 3 is drained from a condensed water outlet (not shown).
  • the aerobic biological treatment exhaust gas containing oxygen, carbon dioxide gas and water vapor is passed through the positive electrode chamber 3, and the negative electrode solution L is circulated by operating the pump 11 as necessary.
  • the reaction proceeds.
  • This electron e ⁇ flows to the positive electrode 5 through the negative electrode 6, the terminal 22, the external resistor 21, and the terminal 20.
  • Proton H + generated by the above reaction moves to the positive electrode 5 through the cation permeable membrane of the ion permeable nonconductive membrane 5A.
  • O 2 + 4H + + 4e ⁇ ⁇ 2H 2 O The reaction proceeds.
  • H 2 O produced by this positive electrode reaction is condensed to produce condensed water.
  • K + , Na + and the like that have permeated through the cation permeable membrane of the ion permeable non-conductive membrane 2 are dissolved, so that in the conventional microbial power generation device that ventilates air as an oxygen-containing gas.
  • the condensed water has a high alkalinity of about pH 9.5 to 12.5.
  • the pH of this condensed water is 7.5 by neutralization with carbon dioxide gas. ⁇ 9 or so.
  • alkali is added to the negative electrode solution L so that the pH detected by the pH meter 14 is preferably 7-9.
  • This alkali may be added directly to the negative electrode chamber 6, but by adding it to the circulating water, the entire area in the negative electrode chamber 6 can be maintained at a pH of 7 to 9 without partial bias.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a microbial power generation apparatus according to a particularly preferred embodiment of the present invention.
  • two ion-permeable non-conductive membranes 31 and 31 are arranged in parallel to each other in a substantially rectangular parallelepiped tank 30 so that the ion permeation can be achieved.
  • a negative electrode chamber 32 is formed between the conductive nonconductive films 31 and 31, and two positive electrode chambers 33 and 33 are formed by separating the negative electrode chamber 32 and the ion permeable nonconductive film 31 from each other. .
  • a negative electrode 34 made of a porous material is disposed in the negative electrode chamber 32 so as to be in contact with each ion-permeable non-conductive film 31 directly or through a biofilm of about one to two layers.
  • the negative electrode 34 is preferably pressed lightly against the ion-permeable non-conductive films 31 and 31 with a pressure of 0.1 kg / cm 2 or less, for example.
  • a positive electrode 35 is disposed in contact with the ion permeable non-conductive film 31.
  • the positive electrode 35 is pressed against the ion permeable non-conductive film 31 by being pressed by the packing 36.
  • both may be welded or bonded with an adhesive.
  • a distribution space for biological treatment exhaust gas introduced as an oxygen-containing gas is a distribution space for biological treatment exhaust gas introduced as an oxygen-containing gas.
  • the positive electrode 35 and the negative electrode 34 are connected to an external resistor 38 via terminals 37 and 39.
  • the negative electrode solution L is introduced into the negative electrode chamber 32 from the inlet 32a, and the waste liquid flows out from the outlet 32b.
  • the inside of the negative electrode chamber 32 is anaerobic.
  • the negative electrode solution in the negative electrode chamber 32 is circulated through the circulation outlet 41, the circulation pipe 42, the circulation pump 43 and the circulation return port 44.
  • the oxygen-containing gas from the pipe 62 flows in from the gas inlet 51, and the exhaust gas flows out of the gas outlet 52 through the pipe 63.
  • an aerobic biological treatment exhaust gas is used as the oxygen-containing gas.
  • a negative electrode solution circulation pipe 42 is provided with a pH meter 47 and an alkali addition pipe 45 is connected thereto.
  • the pH of the negative electrode solution flowing out from the negative electrode chamber 32 is detected by a pH meter 47, and an alkali such as an aqueous sodium hydroxide solution is added so that this pH is preferably 7-9.
  • an aerobic biological treatment exhaust gas containing oxygen, carbon dioxide gas and water vapor is circulated in the positive electrode chamber 33, and the negative electrode solution is circulated in the negative electrode chamber 32, preferably the negative electrode solution is circulated.
  • a potential difference is generated between the positive electrode 35 and the negative electrode 34, and a current flows through the external resistor 38.
  • the microorganism that produces electric energy by being contained in the negative electrode solution L is not particularly limited as long as it has a function as an electron donor.
  • sludge containing such microorganisms activated sludge obtained from biological treatment tanks that treat organic matter-containing water such as sewage, microorganisms contained in effluent from the first sedimentation basin of sewage, anaerobic digested sludge, etc.
  • the microorganism can be held in the negative electrode by supplying to the chamber.
  • the amount of microorganisms retained in the negative electrode chamber is preferably high, and for example, the microorganism concentration is preferably 1 to 50 g / L.
  • the negative electrode solution L a solution that holds microorganisms or cells and has a composition necessary for power generation is used.
  • the negative electrode side solution includes energy required for metabolism in the respiratory system such as bouillon medium, M9 medium, L medium, Malt Extract, MY medium, and nitrifying bacteria selection medium.
  • a medium having a composition such as a source and nutrients can be used.
  • organic waste such as sewage, organic industrial wastewater, and garbage can be used.
  • the negative electrode solution L may contain an electron mediator in order to make it easier to extract electrons from microorganisms or cells.
  • the electron mediator include compounds having a thionin skeleton such as thionine, dimethyldisulfonated thionine, new methylene blue and toluidine blue-O, and 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone such as 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone.
  • Examples include compounds having a skeleton, brilliant cresyl blue, garocyanine, resorufin, alizarin brilliant blue, phenothiazinone, phenazine esosulphate, safranin-O, dichlorophenolindophenol, ferrocene, benzoquinone, phthalocyanine, or benzyl viologen and their derivatives. be able to.
  • the negative electrode solution L may contain a phosphate buffer as necessary.
  • the negative electrode solution L contains an organic substance.
  • the organic substance is not particularly limited as long as it can be decomposed by microorganisms. For example, water-soluble organic substances, organic fine particles dispersed in water, and the like are used.
  • the negative electrode solution may be organic wastewater such as sewage and food factory effluent.
  • the organic substance concentration in the negative electrode solution L is preferably as high as about 100 to 10,000 mg / L in order to increase the power generation efficiency.
  • the biological treatment exhaust gas distributed to the positive electrode chamber may be an aerobic biological treatment exhaust gas containing oxygen, carbon dioxide gas and water vapor, or an anaerobic biological treatment exhaust gas containing carbon dioxide gas and water vapor.
  • composition of these biological treatment exhaust gas varies widely depending on the location where it is generated, but normally, in an aerobic biological treatment exhaust gas, the O 2 concentration: 15 to 19 vol%, the CO 2 concentration 1 to 5 vol%
  • the anaerobic biological treatment exhaust gas has a CO 2 concentration of 20 to 40% by weight and a humidity of 95 to 100%.
  • the present invention can also be carried out by further supplying carbon dioxide gas and water vapor to the oxygen-containing gas in a microbial power generation apparatus that supplies an oxygen-containing gas such as air to the positive electrode chamber.
  • the gas can be supplied as saturated vapor pressure at that temperature by aeration of the gas supplied to the positive electrode chamber by aeration in a water tank.
  • exhaust gas from the positive electrode chamber may be deoxygenated as necessary and then vented to the negative electrode chamber to be used for purging dissolved oxygen from the negative electrode solution L.
  • the ion permeable non-conductive membrane may be any ion permeable membrane such as a non-conductive and ion permeable cation permeable membrane or anion permeable membrane, and various ion exchange membranes and reverse osmosis membranes may be used.
  • a cation exchange membrane having a high proton selectivity or an anion exchange membrane can be suitably used.
  • the cation exchange membrane Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont Co., Ltd. or a cation exchange membrane manufactured by Astom Co., Ltd.
  • a CMB film or the like can be used.
  • an anion exchange membrane As an anion exchange membrane, an anion exchange membrane made by Astom, an anion electrolyte membrane made by Tokuyama, etc. are suitable.
  • the ion-permeable non-conductive film is preferably thin and strong. Usually, the film thickness is preferably about 30 to 300 ⁇ m, particularly about 30 to 200 ⁇ m. It is preferable to use a cation exchange membrane as the ion permeable non-conductive membrane because the carbon dioxide gas introducing effect of the present invention is effectively exhibited. Moreover, it is preferable to use an anion exchange membrane from the surface of the improvement effect of ion permeability by water vapor.
  • the negative electrode is preferably a porous body having a large surface area, a large number of voids, and water permeability so that many microorganisms can be retained.
  • Specific examples include a conductive material sheet having a roughened surface and a porous conductor (for example, graphite felt, expanded titanium, expanded stainless steel, etc.) in which the conductive material is made into a felt-like porous sheet. .
  • a plurality of sheet-like conductors may be laminated to form a negative electrode.
  • the same kind of conductor sheets may be laminated, or different kinds of conductor sheets (for example, a graphite sheet having a rough surface and a graphite felt) may be laminated.
  • the total thickness of the negative electrode is preferably 3 mm or more and 40 mm or less, particularly about 5 to 20 mm.
  • a negative electrode is constituted by a laminated sheet, it is preferable to orient the laminated surface in a direction connecting the liquid inlet and outlet so that the liquid flows along a mating surface (laminated surface) between the sheets.
  • the negative electrode chamber may be divided into a plurality of compartments, and the pH of the liquid in the negative electrode compartment may be adjusted after suppressing the pH drop in each compartment by connecting the compartments in series. If the negative electrode chamber is divided, the amount of organic matter decomposition in each of the compartments is reduced, and as a result, the amount of carbon dioxide gas produced is also reduced, so that the pH drop in each of the compartments can be reduced.
  • the positive electrode preferably has a conductive base material and an oxygen reduction catalyst supported on the conductive base material.
  • any material may be used as long as it has high electrical conductivity, high corrosion resistance, sufficient electrical conductivity and corrosion resistance even when the thickness is small, and further has mechanical strength as the conductive base material.
  • graphite paper, graphite felt, graphite cloth, stainless mesh, titanium mesh, etc. can be used. Of these, graphite paper, graphite felt, graphite cloth, etc., particularly in terms of durability and ease of processing.
  • a graphite-based substrate such as graphite is preferable, and graphite paper is particularly preferable.
  • These graphite base materials may be those made hydrophobic by a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the thickness of the conductive base material of the positive electrode is about 20 to 3000 ⁇ m because oxygen permeation deteriorates if it is too thick, and if it is too thin, required properties such as strength required for the base material cannot be satisfied. Is preferred.
  • oxygen reduction catalyst in addition to noble metals such as platinum, metal oxides such as manganese dioxide are preferred because they are inexpensive and have good catalytic activity, and the supported amount is 0.01 to 2.0 mg / it is preferable that the cm 2.
  • a negative electrode was formed by stacking and filling two 1 cm thick graphite felts into a 7 cm ⁇ 25 cm ⁇ 2 cm (thickness) negative electrode chamber.
  • a positive electrode chamber was formed on the negative electrode through a cation exchange membrane (trade name (registered trademark) “Nafion 115” manufactured by DuPont Co., Ltd.) as an ion-permeable non-conductive membrane.
  • the positive electrode chamber has a size of 7 cm ⁇ 25 cm ⁇ 0.5 cm (thickness), a Pt catalyst (Pt-supported carbon black, Pt content 50% by weight) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., and a 5% Nafion (registered trademark) solution (DuPont).
  • the liquid dispersed in PTFE was applied to a 160 ⁇ m thick carbon paper (manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) treated with PTFE to make the Pt adhesion amount 0.4 mg / cm 2, and dried at 50 ° C.
  • the product obtained as described above was used as a positive electrode and adhered to the cation exchange membrane.
  • a stainless steel wire was bonded to the negative electrode graphite felt and the positive electrode carbon paper with a conductive paste to form an electrical lead wire and connected with a resistance of 2 ⁇ .
  • the pH was maintained at 7.5, and a negative electrode solution containing 1000 mg / L of acetic acid, phosphoric acid and ammonia was passed.
  • This negative electrode solution was previously heated to 35 ° C. in a separate water tank, and the temperature of the negative electrode chamber was increased to 35 ° C. by passing the liquid heated in this water tank through the negative electrode chamber at 10 mL / min.
  • the effluent of another microbial power generation device was passed as an inoculum.
  • the positive electrode chamber was aerated with normal temperature dry air at a flow rate of 0.5 L / min. As a result, the power generation amount became almost constant three days after the start of the flow of the negative electrode solution, and the power generation amount per 1 m 3 of the negative electrode was 140 W (power generation efficiency 140 W / m 3 ).
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 1, power was generated in the same manner except that carbon dioxide was introduced into the air supplied to the positive electrode chamber from a carbon dioxide cylinder at 1 mL / min (0.2% with respect to air). The power generation efficiency began to improve further, and the power generation efficiency became 180 W / m 3 after 5 minutes.
  • Example 1 In Comparative Example 2, the air supplied to the positive electrode chamber was introduced into a 2 L sealed water tank containing 1.5 L of pure water, aerated for 4 minutes, and then introduced into the positive electrode chamber together with carbon dioxide gas. When power generation was performed, the power generation efficiency increased to 210 W / m 3 . In Example 1, air was aerated in a water tank, so that the air humidity was 97%.
  • Example 2 In Comparative Example 1, instead of air, aerobic biological treatment exhaust gas in a laboratory wastewater treatment plant (fluidized bed biological treatment tank with a capacity of 40 m 3 , BOD load 0.5 kg / m 3 ⁇ day exhaust gas (O 2 concentration: 19.8% by volume, CO 2 concentration: 1.3% by volume, and humidity 99%) were generated in the same manner except that the positive electrode chamber was ventilated. As a result, a power generation efficiency of 255 W / m 3 was obtained.
  • a laboratory wastewater treatment plant fluidized bed biological treatment tank with a capacity of 40 m 3 , BOD load 0.5 kg / m 3 ⁇ day exhaust gas (O 2 concentration: 19.8% by volume, CO 2 concentration: 1.3% by volume, and humidity 99%) were generated in the same manner except that the positive electrode chamber was ventilated.
  • a power generation efficiency of 255 W / m 3 was obtained.
  • Example 3 In Comparative Example 1, instead of air, a UASB apparatus (10 cm diameter, 60 cm height, synthetic substrate of methanol, load 30 kg-COD Cr / m 3 / day) biobus (CO 2 concentration 32 vol%, humidity 99%) ) When power generation was performed in the same manner except that a mixed gas of 200 mL / min and 400 mL / min of air was passed through the positive electrode chamber, a power generation efficiency of 248 W / m 3 was obtained.
  • the power generation efficiency can be improved by introducing carbon dioxide gas and water vapor into the oxygen-containing gas supplied to the positive electrode chamber, or by using biological treatment exhaust gas as the oxygen-containing gas.

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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

【課題】簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させる。 【解決手段】槽体３０内に２枚の板状のカチオン交換膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該カチオン交換膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該カチオン交換膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。正極室３３に酸素含有ガスを流通させ、負極室に負極溶液Ｌを供給し、好ましくは負極溶液を循環させる。正極室３３に供給される酸素含有ガスとして生物処理排ガスを用いる。生物処理排ガス中の炭酸ガスでＮａ＋，Ｋ＋イオンの移動を促進すると共に水蒸気によりイオン透過性を高め、これにより、発電効率を高めることができる。

Description

微生物発電方法及び微生物発電装置
　本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電方法及び装置に関する。本発明は特に、有機物を微生物に酸化分解させる際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出す微生物発電方法及びその装置に関する。
　近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、微生物発電の技術開発も進められている。微生物発電は、微生物が有機物を資化する際に得られる電気エネルギーを取り出すことにより発電する方法である。
　一般的に、微生物発電では負極が配置された負極室内に、微生物、微生物に資化される有機物、及び電子伝達媒体（電子メディエータ）を共存させる。電子メディエータは微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。負極は外部抵抗（負荷）を介して正極と電気的に導通しており、負極に渡された電子は外部抵抗（負荷）を介して正極に移動し、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が流れる。
　微生物発電では、電子メディエータが微生物体から直接、電子を取り出すため、理論上のエネルギー変換効率は高い。しかし、実際のエネルギー変換効率は低く、発電効率の向上が求められている。そこで、発電効率を高めるため、電極の材料や構造、電子メディエータの種類、及び微生物種の選択等について様々な検討及び開発が行われている（例えば特許文献１、特許文献２）。
　特許文献１には、正極室と負極室とを固体電解質よりなるアルカリイオン導電体で隔て、正極室内及び負極室内をリン酸緩衝液（バッファ）でｐＨ７とし、正極室内のリン酸緩衝液（カソード液）に空気を吹き込んで発電を行うことが記載されている。
　特許文献２には、正極室と負極室とを区画する電解質膜に接するように、正極板として多孔質体を設置し、正極室に空気を流通させ、多孔質体の空隙中で空気と液とを接触させることが記載されている。以下、このように正極室内に空気を流通させ、空気中の酸素を電子受容体として利用する正極を「エアーカソード」と称す場合がある。
　エアーカソードを用いる微生物発電装置であれば、カソード液が不要で、また、正極室に単に空気を流通させるのみで良く、カソード液中への曝気の必要がないといった利点がある。
　従来、エアーカソードを用いた微生物発電装置における発電効率の向上を目的として、
１）負極のメディエーター（例えば特許文献３）
２）負極室のｐＨ調整
３）正極触媒の種類や触媒活性成分の担持方法
４）正極の形状
などについての検討がなされている。
特開２０００－１３３３２６号公報 特開２００４－３４２４１２号公報 特開２００６－３３１７０６号公報
　従来の微生物発電装置では、発電効率が負極１ｍ３あたり５０～１５０Ｗ／ｍ３と小さく、更なる発電効率の向上が望まれている。
　本発明は、簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させることができる微生物発電方法及び微生物発電装置を提供することを目的とする。
　第１態様の微生物発電方法は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室とを備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、該酸素含有ガスが生物処理排ガスを含むことを特徴とする。
　第２態様の微生物発電方法は、第１態様において、該酸素含有ガスとして好気性生物処理排ガスを正極室に供給することを特徴とする。
　第３態様の微生物発電方法は、第１態様において、該酸素含有ガスとして空気と嫌気性生物処理排ガスとを該正極室に供給することを特徴とする。
　第４態様の微生物発電方法は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室とを備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入することを特徴とする。
　第５態様の微生物発電方法は、第４態様において、該正極室に、空気を水槽に通気して曝気した後、炭酸ガスと共に導入することを特徴とする。
　第６態様の微生物発電装置は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、該正極室に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた微生物発電装置において、該正極室に生物処理排ガスを導入する手段を設けたことを特徴とする。
　第７態様の微生物発電装置は、第６態様において、該正極室に好気性生物処理排ガスを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。
　第８態様の微生物発電装置は、第６態様において、該正極室に空気と嫌気性生物処理排ガスとを導入する手段を有することを特徴とする。
　第９態様の微生物発電装置は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、該正極室に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた微生物発電装置において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段を設けたことを特徴とする。
　第１０態様の微生物発電装置は、第９態様において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段が、空気を水槽に通気して曝気した後、炭酸ガスと共に該正極室に導入する手段であることを特徴とする。
　本発明においては、正極室に生物処理排ガスを導入するという簡易かつ安価な手段で、微生物発電装置の発電効率を高めることができる。
　即ち、本発明者らは、微生物発電装置の発電効率を向上させるべく鋭意検討した結果、正極室に供給する酸素含有ガスに、酸性ガスを導入すると、酸性ガスによるイオン透過性非導電性膜のｐＨ中和作用でＮａ＋，Ｋ＋イオンの移動を促進し、これにより、発電効率を向上させることができることを見出し先に特許出願した（特願２００８－２８０１０４。以下「先願」という。）。この酸性ガスとしては、炭酸ガスを用いることが安価でありかつ安全性が高く、設備腐食の問題等もないことから好ましい。
　そして、この先願の発明に基き、更に検討した結果、正極室に供給する酸素含有ガスに更に水蒸気を導入することにより、より一層発電効率を高めることができることを見出した。
　この水蒸気による発電効率の向上効果の作用機構の詳細は明らかではないが、水蒸気が、イオン透過性非導電性膜のイオン透過を促進することが推定される。即ち、イオン交換膜等のイオン透過性非導電性膜は、水分含有率によってイオン透過性が変化することが知られており、水分量が少ないとイオン透過性が低下する。特に、イオン透過性非導電性膜としてアニオン交換膜を使用する場合、生物発電でのイオンの透過には、正極での水の解離が必要であり、正極室への一定量の水の供給がイオンの透過のみならず、水酸イオンの生成にも有効に作用すると考えられる。従って、正極室への水蒸気の導入は、この正極での水の解離のために有効となる。
　第４，５態様及び第９，１０態様に係る発明はこのような知見に基いて達成されたものである。
　このように、正極室に供給する酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入すると発電効率を大幅に高めることができるが、通常、生物発電を実施する現場（廃水処理場、生ごみ処理場など）には炭酸ガス供給源はなく、また、液化炭酸ガス等は高価であるため経済的に不利である。また、水蒸気供給のための加湿も手間がかかる。
　これに対して、活性汚泥法生物処理排ガス等の生物処理排ガスは、十分な酸素を含み、さらに、廃水処理により生成した炭酸ガスを含んでいるため炭酸ガスの濃度が高く、その上、高湿度で十分量の水蒸気を含む。
　特に、活性汚泥曝気槽のｐＨを中性から弱酸性で運転した場合、排ガスの炭酸ガス濃度が高くなり、正極室に供給するガスとして好適である。
　また、近年、省エネを目的に適用が広まっている微細気泡散気管等、酸素溶解効率の高い散気装置を使用すると、排ガス中の炭酸ガス濃度が高くなり、より好ましい。
　一方、嫌気性生物処理排ガスは酸素を含まないが、炭酸ガス濃度が高く、また、高湿で水蒸気量も高い。従って、嫌気性生物処理排ガスであっても、空気等の酸素含有ガスと混合して用いることにより、正極室供給ガスとして有効に用いることができる。
　しかして、生物処理排ガスを排出する生物処理設備は、廃水や有機性廃棄物をエネルギー源とする生物発電を実施する現場には、ほとんどの場合、生物発電設備に近接して併設されることから、ガスの輸送という面でも有利である。
　第１態様～第３態様及び第６態様～第８態様に係る発明は、このような知見に基いて達成されたものである。
本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。
　以下、図面を参照して本発明の微生物発電方法及び微生物発電装置の実施の形態を詳細に説明する。
　第２図は本発明の微生物発電方法及び装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。
　第２図の微生物発電装置にあっては、層体１内がイオン透過性非導電性膜２によって正極室３と負極室４とに区画されている。正極室３内には、イオン透過性非導電性膜２に接するように正極５が配置されている。
　負極室４内には、導電性多孔質材料よりなる負極６が配置されている。この負極６は、イオン透過性非導電性膜２に直に、又は１～２層程度の微生物の膜を介して接しており、イオン透過性非導電性膜２がカチオン透過膜であれば、負極６からイオン透過性非導電性膜２にプロトン（Ｈ＋）が受け渡し可能となっている。
　正極室３内は、空室であり、ガス流入口７から酸素含有ガス（本実施例においては、好気性生物処理排ガス）が導入され、ガス流出口８から排出配管２５を経て排ガスが流出する。
　正極室３と負極室４とを仕切るイオン透過性非導電性膜２としては、後述する通り、カチオン透過膜が好適であるが、その他のものであっても良い。
　多孔質材料よりなる負極６に微生物が担持されている。負極室４には流入口４ａから負極溶液Ｌを導入し、流出口４ｂから廃液を排出させる。なお、負極室４内は嫌気性とされる。
　負極室４内の負極溶液Ｌは循環往口９、循環配管１０、循環用ポンプ１１及び循環戻口１２を介して循環される。この循環配管１０には、負極室４から流出してきた液のｐＨを測定するｐＨ計１４が設けられると共に、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ添加用配管１３が接続され、負極溶液ＬのｐＨが７～９となるように、必要に応じてアルカリが添加される。
　正極室３内で生じた凝縮水は、図示しない凝縮水流出口から排水される。
　正極５と負極６との間に生じた起電力により、端子２０，２２を介して外部抵抗２１に電流が流れる。
　正極室３に、酸素と炭酸ガスと水蒸気とを含む好気性生物処理排ガスを通気すると共に、必要に応じポンプ１１を作動させて負極溶液Ｌを循環させることにより、負極室４内では、
　　　　　（有機物）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ＋＋ｅ－
なる反応が進行する。この電子ｅ－が負極６、端子２２、外部抵抗２１、端子２０を経て正極５へ流れる。
　上記反応で生じたプロトンＨ＋は、イオン透過性非導電性膜５Ａのカチオン透過膜を通って正極５に移動する。正極５では、
　　　　　Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２Ｏ
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＨ２Ｏは凝縮して凝縮水が生じる。この凝縮水には、イオン透過性非導電性膜２のカチオン透過膜を透過してきたＫ＋，Ｎａ＋などが溶け込み、これにより酸素含有ガスとして空気を通気する従来の微生物発電装置にあっては、凝縮水がｐＨ９．５～１２．５程度の高アルカリ性となるが、本発明では炭酸ガスを含む生物処理排ガスを通気するため、炭酸ガスによる中和作用でこの凝縮水のｐＨは７．５～９程度となる。
　即ち、イオン透過性非導電性膜２として例えばカチオン透過膜を用いた場合、負極６で生成した電子は端子２２、外部抵抗２１、端子２０を経て正極５へ流れる一方で、プロトンとともに負極６に導入される負極溶液Ｌ中のＮａ＋，Ｋ＋がイオン透過性非導電性膜２のカチオン透過膜を透過して正極室３に移動する。この場合、正極室３に通気するガスが炭酸ガスを含むことによるｐＨ中和作用によって、Ｎａ＋，Ｋ＋の移動を促進していると推定され、これにより発電効率の向上が図れる。
　また、このイオン透過性非導電性膜５ＡのプロトンＨ＋やＫ＋，Ｎａ＋の透過に際して、正極室３に十分量の水蒸気が導入されていることにより、イオン透過性非導電性膜５Ａのイオン透過性が高められることでも、これらの移動が促進され、発電効率のより一層の向上が図れる。
　負極室４では、微生物による水の分解反応によりＣＯ２が生成することにより、ｐＨが低下しようとする。そこで、ｐＨ計１４の検出ｐＨが好ましくは７～９となるようにアルカリが負極溶液Ｌに添加される。このアルカリは、負極室６に直接に添加されてもよいが、循環水に添加することにより、負極室６内の全域を部分的な偏りなしにｐＨ７～９に保つことができる。
　第１図は本発明の特に好ましい形態に係る微生物発電装置の概略的な断面図である。
　第１図の微生物発電装置にあっては、略直方体形状の槽体３０内に２枚の板状のイオン透過性非導電性膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該イオン透過性非導電性膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該イオン透過性非導電性膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。
　負極室３２内には、各イオン透過性非導電性膜３１と直に、又は１層～２層程度の生物膜を介して接するように、多孔質材料よりなる負極３４が配置されている。負極３４は、イオン透過性非導電性膜３１，３１に対し軽く、例えば０．１ｋｇ／ｃｍ２以下の圧力で、押し付けられるのが好ましい。
　正極室３３内には、イオン透過性非導電性膜３１と接して正極３５が配置されている。この正極３５は、パッキン３６に押圧されてイオン透過性非導電性膜３１に押し付けられている。正極３５とイオン透過性非導電性膜３１との密着性を高めるために、両者を溶着したり、接着剤で接着してもよい。
　正極３５と槽体３０の側壁との間は、酸素含有ガスとして導入される生物処理排ガスの流通スペースとなっている。
　この正極３５及び負極３４は、端子３７，３９を介して外部抵抗３８に接続されている。
　負極室３２には、流入口３２ａから負極溶液Ｌが導入され、流出口３２ｂから廃液が流出する。負極室３２内は嫌気性とされる。
　負極室３２内の負極溶液は、循環往口４１、循環配管４２、循環ポンプ４３及び循環戻口４４を介して循環される。各正極室３３には、配管６２からの酸素含有ガスがガス流入口５１から流入し、排ガスがガス流出口５２から配管６３を経て流出する。酸素含有ガスとして本実施例では好気性生物処理排ガスが用いられている。
　負極溶液の循環配管４２に、ｐＨ計４７が設けられると共に、アルカリ添加用配管４５が接続されている。負極室３２から流出する負極溶液のｐＨをｐＨ計４７で検出し、このｐＨが好ましくは７～９となるように水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリが添加される。
　この第１図の微生物発電装置においても、正極室３３に、酸素と炭酸ガスと水蒸気とを含む好気性生物処理排ガスを流通させ、負極室３２に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極３５と負極３４との間に電位差が生じ、外部抵抗３８に電流が流れる。
　次に、この微生物発電装置の微生物、負極溶液などのほか、生物処理排ガス、イオン透過性非導電性膜、負極及び正極の好適な材料等について説明する。
　負極溶液Ｌ中に含有させることで電気エネルギーを産生させる微生物は、電子供与体としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及びProteus（Proteus vulgaris）の各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種として負極室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、負極室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１～５０ｇ／Ｌであることが好ましい。
　負極溶液Ｌとしては、微生物又は細胞を保持し、かつ発電に必要な組成を有する溶液が用いられる。例えば、呼吸系の発電を行う場合は、負極側の溶液としては、ブイヨン培地、Ｍ９培地、Ｌ培地、Malt Extract、ＭＹ培地、硝化菌選択培地などの呼吸系の代謝を行うのに必要なエネルギー源や栄養素などの組成を有する培地が利用できる。また、下水、有機性産業排水、生ごみ等の有機性廃棄物を用いることができる。
　負極溶液Ｌ中には、微生物又は細胞からの電子の引き抜きをより容易とするために電子メディエーターを含有させてもよい。この電子メディエーターとしては、例えば、チオニン、ジメチルジスルホン化チオニン、ニューメチレンブルー、トルイジンブルー－Ｏ等のチオニン骨格を有する化合物、２－ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン等の２－ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン骨格を有する化合物、ブリリアントクレジルブルー、ガロシアニン、レソルフィン、アリザリンブリリアントブルー、フェノチアジノン、フェナジンエソスルフェート、サフラニン－Ｏ、ジクロロフェノールインドフェノール、フェロセン、ベンゾキノン、フタロシアニン、あるいはベンジルビオローゲン及びこれらの誘導体などを挙げることができる。
　さらに、微生物の発電機能を増大させるような材料、例えばビタミンＣのような抗酸化剤や、微生物中の特定の電子伝達系や物質伝達系のみを働かせる機能増大材料を溶解すると、さらに効率よく電力を得ることができるので好ましい。
　負極溶液Ｌは、必要に応じ、リン酸バッファを含有していてもよい。
　負極溶液Ｌは有機物を含むものである。この有機物としては、微生物によって分解されるものであれば特に制限はなく、例えば水溶性の有機物、水中に分散する有機物微粒子などが用いられる。負極溶液は、下水、食品工場排水などの有機性廃水であってもよい。負極溶液Ｌ中の有機物濃度は、発電効率を高くするために１００～１００００ｍｇ／Ｌ程度の高濃度であることが好ましい。
　正極室に流通させる生物処理排ガスとしては、前述の如く、酸素、炭酸ガス及び水蒸気を含む好気性生物処理排ガスであっても良く、炭酸ガス及び水蒸気を含む嫌気性生物処理排ガスであっても良い。生物処理排ガスとして嫌気性生物処理排ガスを用いる場合は、この生物処理排ガスと空気等の酸素含有ガスとを適当な割合、例えば、嫌気性生物処理排ガス：空気＝１：０．５～５００（容量比）で混合して供給すれば良い。また、この空気の代りに好気性生物処理排ガスを混合しても良い。
　生物処理排ガスの由来には特に制限はなく、活性汚泥法の排ガスの他、固定床、流動床、硝化、脱窒、コンポスト等の各種の生物処理で排出され、炭酸ガス濃度が空気よりも高いものであれば、どのようなものでも使用することができ、これらの生物処理排ガスの２種以上を混合して用いても良い。
　前述の如く、ｐＨ中性～弱酸性で運転している活性汚泥曝気槽からの排ガスは炭酸ガス濃度が高く、好適である。また、近年、省エネを目的に適用が広まっている微細気泡散気管等、酸素溶解効率の高い散気装置を使用している曝気槽の排ガスも炭酸ガス濃度が高く、好ましい。
　なお、これらの生物処理排ガスの組成はその発生場所により多岐にわたり一概には言えないが、通常、好気性生物処理排ガスでは、Ｏ２濃度：１５～１９容量％、ＣＯ２濃度１～５容量％、湿度９５～１００％程度であり、嫌気性生物処理排ガスでは、ＣＯ２濃度２０～４０重量％、湿度９５～１００％程度である。
　前述の如く、本発明は、正極室に空気等の酸素含有ガスを供給している微生物発電装置において、この酸素含有ガスに更に炭酸ガス及び水蒸気を供給することにより実施することもできる。この方法は、例えば、酸素含有ガスとしての空気に炭酸ガスを流量比として空気：炭酸ガス＝１００：０．１～２０程度の割合で導入すると共に、水蒸気を吹き込むことで実施できるが、水蒸気の供給は、水蒸気を吹き込む他、正極室に供給されるガスを、水槽に通気して曝気することにより、その温度での飽和蒸気圧として供給することもできる。
　なお、正極室からの排ガスは、必要に応じ脱酸素処理した後、負極室に通気し、負極溶液Ｌからの溶存酸素のパージに用いてもよい。
　イオン透過性非導電性膜としては、非導電性でイオン透過性のあるカチオン透過膜又はアニオン透過膜等のイオン透過膜であれば良く、各種イオン交換膜や逆浸透膜等を用いることができる。イオン交換膜としては、プロトン選択性の高いカチオン交換膜、又はアニオン交換膜を好適に使用でき、例えばカチオン交換膜としてはデュポン株式会社製ナフィオン（登録商標）、株式会社アストム製のカチオン交換膜であるＣＭＢ膜等が使用できる。また、アニオン交換膜としては、アストム製アニオン交換膜やトクヤマ製アニオン型電解質膜などが好適である。イオン透過性非導電性膜は、薄くて丈夫であることが好ましく、通常、その膜厚は３０～３００μｍ、特に３０～２００μｍ程度であることが好ましい。
　イオン透過性非導電性膜としてはカチオン交換膜を用いることが、本発明による炭酸ガスの導入効果が有効に発揮され好ましい。また、水蒸気によるイオン透過性の向上効果の面からは、アニオン交換膜を用いることが好ましい。
　負極は、多くの微生物を保持できるよう、表面積が大きく空隙が多く形成され通水性を有する多孔体が好ましい。具体的には、少なくとも表面が粗とされた導電性物質のシートや導電性物質をフェルト状その他の多孔性シートにした多孔性導電体（例えばグラファイトフェルト、発泡チタン、発泡ステンレス等）が挙げられる。
　このような多孔質の負極を直接に又は微生物層を介してイオン透過性非導電性膜に当接させた場合、電子メディエータを用いることなく、微生物反応で生じた電子が負極に渡るようになり、電子メディエータを不要とすることができる。
　複数のシート状導電体を積層して負極としてもよい。この場合、同種の導電体シートを積層してもよく、異なる種類の導電体シート同士（例えばグラファイトフェルトと粗面を有するグラファイトシート）を積層してもよい。
　負極は全体の厚さが３ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に５～２０ｍｍ程度であることが好ましい。積層シートによって負極を構成した場合、シート同士の合わせ面（積層面）に沿って液が流れるように、積層面を液の流入口と流出口とを結ぶ方向に配向させるのが好ましい。
　本発明では、負極室を複数の分室に分割し、各分室を直列接続することで各分室でのｐＨ低下を抑制した上で負極室内の液のｐＨを調整するようにしてもよい。負極室を分割すれば、各分室での有機物分解量が小さくなる結果、炭酸ガスの生成量も小さくなるため、各分室でのｐＨ低下を少なくできる。
　正極は、導電性基材と、該導電性基材に担持された酸素還元触媒とを有することが好ましい。
　導電性基材としては、導電性が高く、耐食性が高く、厚みが薄くても十分な導電性と耐食性、更には導電性基材としての機械的強度を有するものであれば良く、特に制限はないが、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス、ステンレスメッシュ、チタンメッシュ等を用いることができ、これらのうち、特に耐久性と加工のしやすさ等の点から、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス等のグラファイト系基材が好ましく、とりわけグラファイトペーパーが好ましい。なお、これらのグラファイト系基材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂によって疎水化されたものであっても良い。
　正極の導電性基材の厚さは、厚過ぎると酸素の透過が悪くなり、薄過ぎると、基材に必要な強度等の要求特性を満たすことができないことから、２０～３０００μｍ程度であることが好ましい。
　酸素還元触媒としては、白金等の貴金属のほか、安価で且つ触媒活性が良好であるところから、二酸化マンガン等の金属酸化物が好適であり、その担持量は、０．０１～２．０ｍｇ／ｃｍ２程度とすることが好ましい。
　以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
　説明の便宜上まず比較例を挙げる。
［比較例１］
　７ｃｍ×２５ｃｍ×２ｃｍ（厚さ）の負極室に、厚さ１ｃｍのグラファイトフェルトを２枚重ねて充填して負極を形成した。この負極に対して、イオン透過性非導電性膜としてカチオン交換膜（デュポン株式会社製　商品名（登録商標）「ナフィオン１１５」）を介して正極室を形成した。正極室は７ｃｍ×２５ｃｍ×０．５ｃｍ（厚さ）であり、田中貴金属社製Ｐｔ触媒（Ｐｔ担持カーボンブラック，Ｐｔ含有量５０重量％）を、５重量％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン社製）に分散させた液を、ＰＴＦＥで撥水処理した厚さ１６０μｍのカーボンペーパー（東洋カーボン社製）に、Ｐｔ付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、５０℃で乾燥させて得られたものを正極として、上記カチオン交換膜と密着させた。
　負極のグラファイトフェルトと正極のカーボンペーパーには、ステンレス線を導電性ペーストで接着して電気引出し線とし、２Ωの抵抗で接続した。
　負極室には、ｐＨを７．５に維持し、酢酸１０００ｍｇ／Ｌと燐酸及びアンモニアを含む負極溶液を通液した。この負極溶液は予め、別水槽で３５℃に加温し、この水槽で加温した液を負極室へ１０ｍＬ／ｍｉｎで通液することにより、負極室の温度を３５℃に加温した。なお、負極溶液の通液に先立って、他の微生物発電装置の流出液を植菌として通液した。
　正極室には、常温の乾燥空気を０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で通気した。
　その結果、負極溶液の通液開始から３日後には発電量はほぼ一定となり、負極１ｍ３あたりの発電量は１４０Ｗ（発電効率１４０Ｗ／ｍ３）となった。
［比較例２］
　比較例１において、正極室に供給する空気に、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを１ｍＬ／ｍｉｎ（空気に対して０．２％）導入したこと以外は同様にして発電を行ったところ、炭酸ガス導入直後より発電効率は向上しはじめ、５分後には発電効率１８０Ｗ／ｍ３となった。
［実施例１］
　比較例２において、正極室に供給する空気を、純水１．５Ｌを入れた２Ｌの密閉水槽に導入し、４分間曝気した後、炭酸ガスと共に、正極室に導入したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率は２１０Ｗ／ｍ３に増加した。なお、この実施例１において、空気を水槽で曝気したことにより、空気の湿度は９７％となった。
［実施例２］
　比較例１において、空気の代りに、研究所廃水処理場における好気性生物処理排ガス（容量４０ｍ３の流動床式生物処理槽、ＢＯＤ負荷０．５ｋｇ／ｍ３・日の排ガス（Ｏ２濃度：１９．８容量％、ＣＯ２濃度：１．３容量％、湿度９９％）を正極室に通気したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率２５５Ｗ／ｍ３が得られた。
［実施例３］
　比較例１において、空気の代りに、ＵＡＳＢ装置（１０ｃｍ径、６０ｃｍ高さ、メタノールの合成基質、負荷３０ｋｇ－ＣＯＤＣｒ／ｍ３／日)のバイオバス（ＣＯ２濃度３２容量％、湿度９９％）２００ｍＬ／ｍｉｎと空気４００ｍＬ／ｍｉｎとの混合ガスを正極室に通気したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率２４８Ｗ／ｍ３が得られた。
　以上の結果より、正極室に供給する酸素含有ガスに炭酸ガス及び水蒸気を導入することにより、或いは、この酸素含有ガスとして生物処理排ガスを用いることにより、発電効率を向上させることができることが分かる。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　なお、本出願は、２００８年１２月２４日付で出願された日本特許出願（特願２００８－３２７９８８）に基づいており、その全体が引用により援用される。
　１，３０　槽体
　２，３１　イオン透過性非導電性膜
　３，３３　正極室
　４，３２　負極室
　５，３５　正極
　６，３４　負極

Claims (10)

  1. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と
    を備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、
    　該酸素含有ガスが生物処理排ガスを含むことを特徴とする微生物発電方法。
  2. 　請求項１において、該酸素含有ガスとして好気性生物処理排ガスを正極室に供給することを特徴とする微生物発電方法。
  3. 　請求項１において、該酸素含有ガスとして空気と嫌気性生物処理排ガスとを該正極室に供給することを特徴とする微生物発電方法。
  4. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と
    を備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、
    　該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入することを特徴とする微生物発電方法。
  5. 　請求項４において、該正極室に、空気を水槽に通気して曝気した後、炭酸ガスと共に導入することを特徴とする微生物発電方法。
  6. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、
    　該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と
    を備えた微生物発電装置において、
    　該正極室に生物処理排ガスを導入する手段を設けたことを特徴とする微生物発電装置。
  7. 　請求項６において、該正極室に好気性生物処理排ガスを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。
  8. 　請求項６において、該正極室に空気と嫌気性生物処理排ガスとを導入する手段を有することを特徴とする微生物発電装置。
  9. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、
    　該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と
    を備えた微生物発電装置において、
    　該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段を設けたことを特徴とする微生物発電装置。
  10. 　請求項９において、該正極室に供給される酸素含有ガスに炭酸ガスと水蒸気を導入する手段が、空気を水槽に通気して曝気した後、炭酸ガスと共に該正極室に導入する手段であることを特徴とする微生物発電装置。
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