JP2000133326A

JP2000133326A - 生体代謝利用発電方法及び電池

Info

Publication number: JP2000133326A
Application number: JP10310797A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kawabata; 祐司川畑
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】電子受容体として低コスト化を達成できる酸
素等を利用できる構成の生体代謝を利用した発電方法及
び電池を提供すること。【解決手段】負極溶液内の微生物や細胞から取り出し
た電子を負極から正極に導通させ、正極溶液内の電子受
容体に渡し、更に、負極溶液と正極溶液間で陽イオンを
移動させて閉回路を形成して発電を行う際に、負極溶液
と正極溶液を仕切り、陽イオンを移動させる隔壁をナト
リウムイオン導電体で形成し、正極溶液中での電子受容
体として酸素の使用を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微生物や細胞の代
謝反応を利用した発電方法及び電池に関するものであ
る。より詳しくは、微生物や細胞を含む負極溶液と正極
溶液とを仕切る隔壁にアルカリイオン導電体を用いた発
電方法及び電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力は機械動力や加熱熱源、あるいは照
明などに共通の極めて利用価値の高いエネルギーであ
る。現在、工業用あるいは家庭用の電力のほとんどは火
力発電、水力発電および原子力発電により供給されてい
る。しかし、火力発電は化石燃料の燃焼により電力を得
るため二酸化炭素の大量排出が起こり、自動車などの化
石燃料の燃焼過程で排出される二酸化炭素とともに地球
規模での温暖化という問題を起こしている。また、各国
の二酸化炭素の排出限度量が決まれば、火力発電への依
存度を低下せざるをえない状況である。さらに、化石燃
料の枯渇が将来懸念されており、火力発電による電力供
給は徐々に困難になるものと予想される。

【０００３】一方、原子力発電は年々その発電比率を増
加させており、産業構造を支える上では不可欠な発電方
法となっている。しかし、核燃料の潜在的な危険性とこ
れを100％安全に制御する技術が未成熟な現状では、電
力需要に応じて安易に原子力発電所を設置することも困
難である。

【０００４】水力発電は水の位置エネルギーを電気エネ
ルギーに変換する方法であるから環境汚染の問題もな
く、また潜在的な危険性も極めて低い発電方法である。
しかし、発電量が降雨量などの自然条件に左右されやす
く、需要に応じて発電量を制御するのは困難である。ま
た、発電用の貯水ダムの建設は山間部を水没させ、河川
水を減少させるため、環境汚染とは異なる影響を与える
ことが懸念される。

【０００５】このように大規模発電はそれぞれ課題を抱
えているが、その一方で全世界のエネルギー消費は2000
年には原油換算で140億kl／年、2100年には2700億kl／
年と驚くべき伸び率が予測され、これを補う高効率で低
コストな発電方法が模索されている。太陽電池や風力電
池、あるいは波力電池などは自然のエネルギーを電気エ
ネルギーに変換するエコロジーな方法であるが、電池そ
のものの製作にかなりのエネルギーとコストがかかるた
め、これらを利用した発電の普及には限界があるのが現
状である。

【０００６】一方、微生物も規模は小さいが内部で効率
よく発電を行っている（柳下立夫、燃料及燃焼、第62巻
163頁1997年）。例えば、微生物は栄養素を資化し、そ
の化学エネルギーをニコチンアミドアデニンジヌクレオ
チドリン酸水素（NADPH）のような酸化還元エネルギー
（電気エネルギー）に変換して蓄積する。この電気エネ
ルギーは再び微生物が生育するためのエネルギーに変換
されて消費されるが、この電気エネルギーを微生物の外
に取り出すことにより電力を得ることができる。

【０００７】このような電気エネルギーは、微生物の光
合成や呼吸などの代謝反応から得られる。光合成は、多
くの電子キャリアーから構成される電子伝達系であり、
呼吸は多くの酵素からなる物質伝達系とみることができ
る。例えば、光合成の電子伝達系では、酸化還元電位の
負から正へと電子キャリアーが並んでおり、水の光分解
により生じた電子はこれらの電子キャリアーを伝達しな
がら最後にNADP⁺に渡されて、高い還元力をもつNADPHが
生産される。生体内ではこのNADPHを使って二酸化炭素
を固定し、酵素反応により炭水化物を産生する。また、
呼吸の物質伝達系では、栄養素である炭水化物と水の酵
素反応により高い電気エネルギーを生産し、この電気エ
ネルギーを生体内の電子伝達系を使ってアデノシン-3-
りん酸という化学エネルギーの形で蓄積する。

【０００８】微生物を用いた発電方法は、いずれの場合
も、適当な電子メディエーターと微生物を共存させるこ
とによって微生物からの電子を負極に取り出す方式を採
用するものである。すなわち、微生物と共存させた電子
メディエーターは微生物の中に入り、発生した電気エネ
ルギーを電子の形で受け取った状態で微生物から外に出
て、この電子を電極（負極）に渡すことにより電流を得
ることができる。このような発電方法では、電子メディ
エーターが微生物の電子伝達系から直接電子を取り出す
ため、その理論エネルギー変換効率は光合成系では20％
以上、呼吸系では90％以上にもなる。従って、極めて高
効率の発電方法となりうる。現在のところ、電子メディ
エーターや用いる微生物にまだ問題がありエネルギー変
換効率は3％程度（柳下立夫ら、資源と環境、第4巻9頁1
994年）であるが、将来、微生物栄養素に産業廃棄物や
排水中の有機物を用いることができれば、環境浄化とと
もにエネルギー生産を行うことが可能となり、極めて有
望な発電方法となる。

【０００９】これまで研究されてきた微生物代謝を利用
する発電方法は、陽イオン交換膜を挟んだ２つの電極槽
に電極を設置し、負極側に微生物と電子メディエーター
を、正極側に酸化還元試薬を溶解して電池を構成するも
のである（G.M.Delaney et al., J. Chem. Tech. Biote
chnol. 1984, 34B, 13）。大腸菌などの微生物に対する
電子メディエーターとしては、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、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、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、ある
いはベンジルビオローゲンなどが用いられている。ま
た、藍藻などの微生物については、ヒドロキシナフトキ
ノンが有効であることが報告（Tanaka et al., J. Che
m. Tech. Biotechnol., 1985, 35B, 191）されている。
いずれも電極槽内に溶解して、電子メディエーターを介
して微生物と電極間で電子の授受を行うものであり、負
極から正極へ電子が流れて、最終的には正極溶液内の電
子受容体に電子が引き渡される。

【００１０】正極溶液内に含有させる電子受容体として
は、いろいろな酸化還元試薬を利用することができる
が、これらで安定性や価格の点から専らファリシアン化
カリウムが実験室レベルにおいて用いられてきた。しか
し、微生物による発電を実用化するには、もっと安価な
電子受容体の利用が望まれる。

【００１１】酸素は大気中に大量に存在する電子受容体
である。しかしがら、上記のような陽イオン交換膜を介
して負極溶液と正極溶液とを隔離した構成における正極
溶液中の電子受容体として酸素を用いた場合、発電効率
をより向上させるには限界があった。すなわち、正極溶
液中に酸素が溶存していると、陽イオン交換膜を通して
負極溶液側にも酸素が拡散して混入し、微生物から電子
を受け取った電子メディエーターが酸素により酸化さ
れ、その結果酸素に電子が移動してしまう。そのため、
発電効率を向上させるには限界が生じる。従って、実際
の装置では、正極溶液及び負極溶液の両方において窒素
などの気体のバブリングによって溶存酸素を除去する方
法が有効とされている。

【００１２】一方、特開平6-350119号公報では、太陽電
池と微生物発電を組み合わせた効率的な光エネルギー変
換装置が提案されている。この方法では、太陽の照射時
に太陽電池で発電するとともに、太陽電池で利用されな
かった光により藻を一定時間培養し、藻に蓄積された炭
水化物によりさらに発電を行うものである。しかしなが
ら、ここでは微生物発電における正極溶液と負極溶液と
の隔壁材料、あるいは正極溶液中の電子受容体の種類に
関しては特に触れられていない。

【００１３】また、USP4085254では好気性あるいは嫌気
性微生物を電解水に懸濁させて、これに電極を浸漬して
電気を得る方法が述べられている。この方法では、電流
は通常の電気化学的反応により取り出し、微生物を電解
質とすることにより電池容量を大きくできるというメリ
ットがある。しかし、この方法は微生物が産生するエネ
ルギーを直接電気に変換するものではなく、微生物電池
としての機能を有するものではない。

【００１４】更に、USP4117202では、光合成により生じ
たＮＡＤＨから酵素反応を通して電流を得る方法が挙げ
られているが、細胞から電子メディエーターを介さずに
高エネルギーのＮＡＤＡを取り出す必要があり、必ずし
も効率的とはいえない。また、ここでは、用いられてい
る負極溶液と正極溶液との隔壁は、微生物は通過させな
いが、溶液やイオンの透過は可能なものである。

【００１５】また、USP4652501では微生物に電子メディ
エーターを加えて、微生物を飢餓状態にすることによっ
て効率よく電流を取り出す方法が提案されている。ここ
には、正極として酵素電極や空気電極が利用できること
も記載されているが、USP4652501の技術を、正極溶液と
負極溶液を陽イオン交換膜で隔てる構成に適用した場
合、負極溶液への酸素溶解が避けられず、発電効率の向
上には限界があるものと考えられる。

【００１６】更に、USP5393615ではアクリジン-2-オン
誘導体やオキサゼピン-8-オン誘導体が優れた電子メデ
ィエーターとなることが述べられている。しかし、これ
らはいずれも酵素系の電子メディエーターであり、微生
物から電子を直接取り出す電池としての構成は記載され
ていない。

【００１７】一方、USP4655885あるいは特開平６−２８
５１３８号公報では、電子メディエーターを電極上に固
定して、生体材料と電極との間で電子の収受を行う方法
が提案されている。これらの提案は、主に外部より電位
を印加して生体材料を制御するものであり、正極溶液と
負極溶液を隔壁で仕切る構成を用いる場合の隔壁の構成
材料や正極溶液に用いる電子受容体の種類については触
れられていない。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】微生物の代謝反応を用
いた発電方法は極めて効率が高く、また排水処理などと
組み合わせるとエコロジー的な付加価値も高い方法であ
る。しかし、電極材料や電子メディエーター、あるいは
微生物を探索してエネルギー変換効率を増大さても、正
極溶液の電子受容体にフェリシアン化カリウム等の酸化
還元試薬を大量に用いる場合は、発電コストの更なる低
減を行う上での障害となる。また、電子を受容した後の
試薬（フェロシアン化カリウム）は廃棄物となるので、
これを、廃棄物とならない、あるいは廃棄物処理が必要
であっても処理が簡便でありかつ環境を汚染しないもの
と交換できれば、エコロジー的な付加価値を更に高める
ことが可能となる。

【００１９】更に、負極側の電子メディエーターの酸化
を防ぐために負極溶液のみならず正極溶液まで窒素でバ
ブリングして酸素除去処理を行うという運転費用やエネ
ルギー的な問題に加えて、電池ハンドリングを複雑化す
るという問題がある。

【００２０】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とし、電子受容体として低コスト化を達成できる
酸素等を利用できる構成の生体代謝を利用した発電方法
及び電池を提供することをその目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】例えば、負極溶液と正極
溶液との間に設ける陽イオン交換膜として、酸素透過性
の低いものを用いることで、正極溶液内に含有させる電
子受容体として酸素を利用することが可能となる。しか
しながら、現在のところ低ガス透過性と高イオン透過性
を両立した陽イオン交換膜は知られていないのが現状で
ある。

【００２２】そこで、本発明では、ナトリウムイオン導
電体を正極溶液と負極溶液との隔壁に用いることにより
閉回路形成のためのイオン伝達性を達成し、かつナトリ
ウムイオン導電体の低ガス透過性により正極溶液の電子
受容体に酸素を用いることを可能とするものである。

【００２３】すなわち、本発明は、微生物や細胞の代謝
反応を利用した発電方法において、微生物や細胞を含む
負極溶液と電子受容体を含む正極溶液をナトリウムイオ
ン導電体、なかでもナトリウム−β−アルミナ系固体電
解質、ナトリム−β”−アルミナ系固体電解質あるいは
ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ₃Ｚｒ₂ＰＳｉＯ₂Ｏ₁₂）からなる
ナトリウムイオン導電体で隔てることにより、隔壁材料
に要求されるイオン伝導性を確保できるとともに、ナト
リウムイオン導電体の有する低い酸素透過性により正極
溶液における電子受容体に安価に入手可能な酸素を用い
ることができるようになるという新たな知見に基づいて
なされたものである。

【００２４】本発明の発電方法は、負極溶液中に保持さ
れた微生物または細胞から供与された電子を負極と正極
とを導通することで正極溶液中の電子受容体に供与して
電流を得る発電方法において、前記負極溶液と前記正極
溶液とをアルカリイオン導電体により隔て、該アルカリ
イオン導電体を介した陽イオン移動により閉回路を形成
することを特徴とする。

【００２５】また、本発明の電池は、電子供与体として
の微生物または細胞を含む負極溶液と、該微生物または
細胞からの電子を受容する負極と、電子受容体を含む正
極溶液と、該電子受容体に電子を供与し得る正極と、こ
れら負極溶液と正極溶液との間での陽イオンの移動によ
り閉回路を形成する手段とを有し、これら負極と正極間
に電位差を生じさせた状態で導通することで電流を得る
電池であって、前記負極溶液と前記正極溶液とをアルカ
リイオン導電体で隔て、該アルカリ導電体を介した陽イ
オン移動により前記閉回路を構成することを特徴とす
る。

【００２６】本発明によれば、正極溶液中に含有させる
電子受容体として安価な酸素を用いることもできる生体
の代謝を利用した発電方法及び電池を提供することが可
能となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明において負極溶液中に含有
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、Candid
a、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leu
conostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthroba
cter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichi
a、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcalige
nes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitro
somonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacte
r、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。

【００２８】また、より高い発電能力をもつ微生物を人
為的な変異や遺伝子操作などにより作製し、利用しても
構わない。更に、Synechocossus sp.、Anabaena variav
ilis等の藻類、原生動物、赤血球、白血球、腫瘍細胞、
培養細胞、動植物細胞などの各種細胞を用いることもで
きる。なお、負極溶液に含有させる微生物または細胞
は、２種以上の混合系としてもよい。

【００２９】本発明において使用される電極としては、
金、白金、あるいは炭素（黒鉛質）のほか、鉄やアルミ
ニウムなどの各種導電性金属、ポリアセチレンなどのよ
うな導電性高分子、イオン伝導体のような導電性無機材
料、あるいは各種半導体材料などの電極を構成し得る材
料からなるものを挙げることができる。電極表面には、
必要に応じて、表面の活性化や清浄化のために電子メデ
ィエーターを固定しやすいように、プラズマなどの表面
処理を予め施すこともできる。

【００３０】負極溶液中には、微生物または細胞からの
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
ターを含有させることができる。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およびこれらの誘
導体などを挙げることができる。これらの電子メディエ
ーターは本発明の効果を損なわない範囲内でその２種以
上を組み合わせて用いることもできる。

【００３１】負極電極へ電子を供与する微生物または細
胞を保持する負極溶液としては、微生物または細胞を保
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 Ext
ract、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、光合成系の発電では、微生
物が光合成を行うことができる状態で維持され、あるい
は生育し、かつ二酸化炭素を溶液に十分に供給し、溶解
させることができるような組成を有する、例えばpH緩衝
溶液をベースとする培地を用いることができる。

【００３２】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。

【００３３】また、微生物または細胞は担体に固定して
負極溶液中に配置することもでき、これにより微生物や
細胞の位置を拡散させずに固定して、より効率的な維持
あるいは培養を行うことが可能となる。固定化方法とし
ては、常法による担体を用いた固定化方法等を好適に利
用することができる。担体としては、これまで医薬品工
業や食品工業あるいは排水処理システムなどのバイオリ
アクタで利用されている多くの微生物担体を用いること
ができる。例えば、多孔質ガラス、セラミックス、金属
酸化物、活性炭、カオリナイト、ベントナイト、ゼオラ
イト、シリカゲル、アルミナ、アンスラサイト、などの
粒子状担体のほか、でんぷん、寒天、キチン、キトサ
ン、ポリビニルアルコール、アルギン酸、ポリアクリル
アミド、カラギーナン、アガロース、ゼラチン、などの
ゲル状担体、セルロース、グルタルアルデヒド、ポリア
クリル酸、ウレタンポリマーなどの高分子樹脂やイオン
交換樹脂などである。さらに、天然あるいは合成の高分
子化合物、例えば綿、麻、パルプ材、あるいは天然物を
変性した高分子アセテート、ポリエステル、ポリウレタ
ン、なども利用できる。

【００３４】本発明の発電方法は、更に、従来公知のあ
らゆる電気化学的手法あるいは微生物電池と組み合わせ
ることができる。

【００３５】以下、添付図面に基づいて本発明に使用で
きる微生物発電方法および発電装置（電池）を説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００３６】図１は本発明の微生物発電装置の一例であ
る。この発電装置は負極槽１と正極槽２からなる電極槽
を有しており、負極溶液３は電子メディエーターと、電
子供与体として機能し得る微生物を含んだpH緩衝液か
ら、正極溶液４は電子受容体を含んだpH緩衝液からな
る。両溶液は固体状のナトリウムイオン導電体５で隔て
られており、溶液が電極槽からもれないようにシリコン
ゴム６を用いて負極槽１と正極槽２を挟み込んでいる。
負極槽１では、電子メディエーターが酸化されることを
防止するためにガスインレット７より窒素等の酸素を追
い出す効果が得られる気体を通気し、アウトレット８か
ら排気を行う。また、正極槽２では、インレット９より
酸素を含む気体（例えば空気）を通気し、アウトレット
１０から排気を行う。電子メディエーターを介して微生
物より取り出された電子は負極１１へ渡され、端子１２
へと引き出される。この電子は外部抵抗１３を通り、端
子１４から正極１５へと伝達される。なお、発電機能を
説明するために外部抵抗１３を示しているが、この外部
抵抗の位置において発電された電気が種々の目的で利用
される。

【００３７】一方、正極１５上では電子が溶存酸素に引
き渡されて、酸素自身は還元され水酸イオンあるいは水
を生じる。また、ナトリウムイオン導電体５の中のナト
リウムイオンの移動により全体として閉回路を構成す
る。ナトリウムイオン導電体５の酸素透過性は極めて低
いため、正極溶液４の中の酸素は負極３に拡散すること
はなく、高効率で電流を得ることができる。このとき、
電池の内部抵抗を小さくするためにナトリウムイオン導
電体の抵抗を小さくするのが好ましい。抵抗を小さくす
る方法としては、ナトリウムイオン導電体の面積を大き
くしたり、その厚みを小さくする方法がある。しかしな
がら、大面積のナトリウムイオン導電体の作成は技術的
な困難性を有する場合多く、また、極端に薄く形成する
と機械的強度の低下が生じる。従って、これらのバラン
スを考慮してナトリウムイオン導電体の大きさや厚みを
選択することが好ましい。

【００３８】更に、本発明においては、微生物をナトリ
ウムイオン導電体の表面に固定化してもよい。固定化の
方法は先に挙げた担体や固定化用の物質等を用いて行う
ことができる。このように微生物を固定化することで、
電極槽全体で微生物を培養する必要がなくなり、また微
生物とナトリウムイオン導電体のそれぞれが近接して配
置されることで電池内の内部抵抗の減少に寄与でき、更
にコンパクトで高効率での発電が可能となる。

【００３９】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳述するが、こ
れらは本発明をなんら限定するものではない。

【００４０】実施例１（ナトリウム−β−アルミナ系固体電解質を用いた微生
物（Ｅ．ｃｏｌｉ）による発電）α−アルミナ、炭酸ナ
トリウム及び酸化ナトリウム（和光純薬）の混合物（混
合モル比：１１：１：０．５）をアーク溶融し、これを
ラバープレス法により成形して、縦９０ｍｍ、横９０ｍ
ｍ、厚さ１ｍｍのナトリウム−β−アルミナ系固体電解
質の平板を作製した。さらにこの平板を１７８０℃で焼
結して多結晶平板とした。なお、この平板のＮａ⁺伝導
率は０．１Ｓ／ｍであった。

【００４１】次に、内容積４０ｍｌの所定の一面が開口
状態である直方体状の槽（アクリル製）を２個用意し、
電極等の必要構成部品を設置して、開口部を対向させ
て、上記の操作で得られた平板を挟み込んで固定し、図
１に示す構成の発電装置を作製した。なお、正極及び負
極としては、炭素電極（日本カーボン社製、ＧＦ−２
０、５ｃｍ×５ｃｍ、厚さ０．７ｍｍ）をそれぞれ用い
た。

【００４２】負極槽に、１０ｍｇ／ｍｌの大腸菌（Ｅ．
ｃｏｌｉ：乾燥重量基準）、１０μＭのグルコース（和
光純薬）及び電子メディエーターとしての１ｍＭのチオ
ニン（和光純薬）を含む０．１Ｍりん酸緩衝液（ｐＨ
７）を満たし、窒素ガスを毎分２０ｍｌの流量で送って
溶液内に溶解している酸素を除去した。また、正極槽に
は０．１Ｍりん酸緩衝液（ｐＨ７）を満たし、空気を毎
分２０ｍｌの流量で送った。

【００４３】正極と負極との間に５００Ωの抵抗を入
れ、抵抗両端の電圧を経時的に測定した。その結果、発
電開始から数時間にわたっておよそ０．０８Ｖの起電力
が得られた。このことから、隔壁にナトリウムイオン導
電体を用いれば酸素を電子受容体として用いて安定して
電流が得られることがわかった。

【００４４】比較例１（陽イオン交換膜を用いた微生物（Ｅ．ｃｏｌｉ）によ
る発電）ナトリウム−β−アルミナ系固体電解質の焼結
多結晶平板の代りに、陽イオン交換膜（旭化成製、Ｋ５
１１）を用いる以外は実施例１と同様にして発電装置を
作製し、正極と負極との間に５００Ωの抵抗を入れ、抵
抗両端の電圧を経時的に測定した。その結果、発電開始
から０．００１Ｖ以下の起電力しか得られず、負極溶液
に酸素が拡散して電子メディエーターを酸化して発電効
率が低下しているものと考えられた。

【００４５】実施例２（ナトリウム−β”−アルミナ系固体電解質を用いた微
生物（Ｅ．ｃｏｌｉ）による発電）α−アルミナ、炭酸
ナトリウム及び酸化ナトリウム（和光純薬）の混合物
（混合モル比：１１：１：０．５）をアーク溶融し、こ
れをラバープレス法により成形して、ナトリウム−β−
アルミナ系固体電解質を合成した。次に、これにＮａＡ
ｌＯ₂、ＬｉＡｌＯ₂、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の混合物（組成比：
等モル組成）を加えて、１４５０℃で焼結して、縦９０
ｍｍ、横９０ｍｍ、厚さ１ｍｍの多結晶平板を得た。な
お、この平板のＮａ⁺伝導率は０．２Ｓ／ｍであった。

【００４６】次に、内容積４０ｍｌの所定の一面が開口
状態である直方体状の槽（アクリル製）を２個用意し、
電極等の必要構成部品を設置して、開口部を対向させ
て、上記の操作で得られた平板を挟み込んで固定し、図
１に示す構成の発電装置を作製した。なお、正極及び負
極としては、炭素電極（日本カーボン社製、ＧＦ−２
０、５ｃｍ×５ｃｍ、厚さ０．７ｍｍ）をそれぞれ用い
た。

【００４７】負極槽に、１０ｍｇ／ｍｌの大腸菌（Ｅ．
ｃｏｌｉ：乾燥重量基準）、１０μＭのグルコース（和
光純薬）及び電子メディエーターとしての１ｍＭのチオ
ニン（和光純薬）を含む０．１Ｍりん酸緩衝液（ｐＨ
７）を満たし、窒素ガスを毎分２０ｍｌの流量で送って
溶液内に溶解している酸素を除去した。また、正極槽に
は０．１Ｍりん酸緩衝液（ｐＨ７）を満たし、空気を毎
分２０ｍｌの流量で送った。

【００４８】正極と負極との間に５００Ωの抵抗を入
れ、抵抗両端の電圧を経時的に測定した。その結果、発
電開始から数時間にわたっておよそ０．１０Ｖの起電力
が得られた。このことから、隔壁にナトリウムイオン導
電体を用いれば酸素を電子受容体として用いて安定して
電流が得られることがわかった。

【００４９】実施例３（ナトリウム−β−アルミナ系固体電解質を用いた微生
物（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．）による発
電）実施例１と同様に、ナトリウム−β−アルミナ系固
体電解質の多結晶平板を用いて発電装置を作製した。

【００５０】次に、負極槽に、１０ｍｇ／ｍｌのＳｙｎ
ｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．（乾燥基準）及び電子メ
ディエーターとしての１ｍＭの２−ヒドロキシ−１，４
−ナフトキノン（和光純薬）を含む０．１Ｍりん酸緩
衝液（ｐＨ８）を満たし、０．５％の二酸化炭素を含む
窒素ガスを毎分２０ｍｌの流量で送って溶液内に溶解し
ている酸素を除去した。また、正極槽には０．１Ｍりん
酸緩衝液（ｐＨ７）を満たし、空気を毎分２０ｍｌの流
量で送った。更に、５００Ｗのランプ（光強度：１５μ
ｍＥｍ^-2ｓ^-1）で負極電極槽の藍藻に光照射を行った。

【００５１】正極と負極との間に５００Ωの抵抗を入
れ、抵抗両端の電圧を経時的に測定した。その結果、発
電開始から数時間にわたっておよそ０．０３Ｖの起電力
が得られた。このことから、隔壁にナトリウムイオン導
電体を用いれば酸素を電子受容体として用いて安定して
電流を得ることができるとがかった。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、正極溶液中に含有させ
る電子受容体として安価な酸素を用いることもできる生
体の代謝を利用した発電方法及び電池を提供することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電池の構成の一例を示す図である。

【符号の説明】

１負極槽２正極槽３負極溶液４正極溶液５ナトリウムイオン導電体６シリコンゴム７負極側ガスインレット８負極側ガスアウトレット９正極側ガスインレット１０正極側ガスアウトレット１１負極１２負端子１３外部抵抗１４正端子１５正極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負極溶液中に保持された微生物または細
胞から供与された電子を負極と正極とを導通することで
正極溶液中の電子受容体に供与して電流を得る発電方法
において、前記負極溶液と前記正極溶液とをアルカリイオン導電体
により隔て、該アルカリイオン導電体を介した陽イオン
移動により閉回路を形成することを特徴とする発電方
法。
【請求項２】前記アルカリイオン導電体が、ナトリウ
ム−β−アルミナ系固体電解質、ナトリム−β”−アル
ミナ系固体電解質あるいはＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ₃Ｚｒ₂
ＰＳｉ₂Ｏ₁₂）からなる請求項１に記載の発電方法。
【請求項３】前記アルカリイオン導電体が、単結晶ま
たは焼結多結晶からなる請求項２に記載の発電方法。
【請求項４】前記負極溶液内に２種以上の微生物また
は細胞を含む請求項１〜３のいずれかに記載の発電方
法。
【請求項５】前記微生物が細菌または藻類である請求
項１〜４のいずれかに記載の発電方法。
【請求項６】前記細菌が大腸菌である請求項５に記載
の発電方法。
【請求項７】前記負極溶液が、１種以上の電子メディ
エーターを含む請求項１〜５のいずれか記載の発電方
法。
【請求項８】前記電子メディエーターが、チオニン及
び２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノンの少なくとも
１種である請求項７に記載の発電方法。
【請求項９】前記負極溶液が、ナトリウム塩の１種以
上を含んでいる請求項１〜８のいずれかに記載の発電方
法。
【請求項１０】前記ナトリウム塩が、塩化ナトリウム
及リン酸ナトリウムの少なくとも１種である請求項９に
記載の発電方法。
【請求項１１】前記電子受容体が酸素である請求項１
０に記載の発電方法。
【請求項１２】前記正極及び負極を構成する電極が、
それぞれ独立して、金、白金または炭素からなる導電部
分を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の発電方
法。
【請求項１３】電子供与体としての微生物または細胞
を含む負極溶液と、該微生物または細胞からの電子を受
容する負極と、電子受容体を含む正極溶液と、該電子受
容体に電子を供与し得る正極と、これら負極溶液と正極
溶液との間での陽イオンの移動により閉回路を形成する
手段とを有し、これら負極と正極間に電位差を生じさせ
た状態で導通することで電流を得る電池であって、前記負極溶液と前記正極溶液とをアルカリイオン導電体
で隔て、該アルカリ導電体を介した陽イオン移動により
前記閉回路を構成することを特徴とする電池。
【請求項１４】前記アルカリイオン導電体が、ナトリ
ウム−β−アルミナ系固体電解質、ナトリム−β”−ア
ルミナ系固体電解質あるいはＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ₃Ｚ
ｒ₂ＰＳｉ₂Ｏ₁₂）からなる請求項１３に記載の電池。
【請求項１５】前記アルカリイオン導電体が、単結晶
または焼結多結晶からなる請求項１４に記載の電池。
【請求項１６】前記負極溶液内に２種以上の微生物ま
たは細胞を含む請求項１３〜１５のいずれかに記載の電
池。
【請求項１７】前記微生物が細菌または藻類である請
求項１３〜１６のいずれかに記載の電池。
【請求項１８】前記細菌が大腸菌である請求項１７に
記載の電池。
【請求項１９】前記負極溶液が、１種以上の電子メデ
ィエーターを含む請求項１３〜１８のいずれか記載の電
池。
【請求項２０】前記電子メディエーターが、チオニン
及び２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノンの少なくと
も１種である請求項１９に記載の電池。
【請求項２１】前記負極溶液が、ナトリウム塩の１種
以上を含んでいる請求項１３〜２０のいずれかに記載の
電池。
【請求項２２】前記ナトリウム塩が、塩化ナトリウム
及リン酸ナトリウムの少なくとも１種である請求項２１
に記載の発電方法。
【請求項２３】前記正極溶液が電子受容体を含む請求
項１３〜２２のいずれかに記載の電池。
【請求項２４】前記電子受容体が酸素である請求項２
３に記載の電池。
【請求項２５】前記正極及び負極を構成する電極が、
それぞれ独立して、金、白金または炭素からなる導電部
分を有する請求項１３〜２４のいずれかに記載の電池。