JP2018142408A - Microbial fuel cell - Google Patents

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雄也 鈴木
直毅 吉川
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直毅 吉川
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亮 釜井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microbial fuel cell capable of performing maintenance of cathodes by suppressing influence on a deterioration in an anode even in the microbial fuel cell.SOLUTION: A microbial fuel cell 101 relating to this invention includes: an electrolyte tank 10 for holding an electrolyte 90; an anode 20 provided inside the electrolyte tank 10; cathodes 30 provided inside the electrolyte tank 10 such that gas containing oxygen comes into contact; a cathode vessel 50 for holding the cathodes 30 inside the electrolyte tank 10; and a liquid exchange part 60 for exchanging the electrolyte 90 inside the cathode vessel 50. The cathode vessel 50 has a liquid junction part 70 for performing liquid junction of the electrolyte 90 between the inside and the outside of the cathode vessel 50.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、微生物燃料電池に関する。   The present invention relates to a microbial fuel cell.

微生物燃料電池は廃水中に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質の酸化分解処理をする、低汚泥発生、低エネルギー消費の排水処理装置である。   A microbial fuel cell is a wastewater treatment device with low sludge generation and low energy consumption that converts the chemical energy of an organic substance contained in wastewater into electrical energy and oxidatively decomposes the organic substance.

微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相及び電解液に接触させる正極とを有し、負極に有機性物質などを含有する電解液を供給すると共に、正極に酸素を含んだ気体を供給する。負極及び正極は、外部回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では微生物の触媒作用により電解液から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）が生成され、水素イオンは正極へ移動し、電子は外部回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素（Ｏ２）と反応し、水（Ｈ２Ｏ）となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。   The microbial fuel cell has a negative electrode supporting microorganisms and a positive electrode that is brought into contact with a gas phase containing oxygen and an electrolytic solution. The negative electrode is supplied with an electrolytic solution containing an organic substance and the like, and the positive electrode contains oxygen. Supply gas. The negative electrode and the positive electrode are connected to each other via an external circuit to form a closed circuit. In the negative electrode, hydrogen ions (H +) and electrons (e−) are generated from the electrolytic solution by the catalytic action of microorganisms, the hydrogen ions move to the positive electrode, and the electrons move to the positive electrode via an external circuit. Hydrogen ions and electrons moved from the negative electrode react with oxygen (O2) at the positive electrode and are consumed as water (H2O). At that time, the electric energy flowing in the closed circuit is recovered.

特許５１６４５１１号Patent 5164511

微生物燃料電池を長期間駆動させた場合、正極の劣化に伴う回収電気エネルギー量の低下が生じる。電気エネルギーを長期間、安定的に回収するためには正極のメンテナンスもしくは交換を行う必要がある。   When the microbial fuel cell is driven for a long period of time, the amount of recovered electrical energy decreases with the deterioration of the positive electrode. In order to recover electric energy stably for a long period of time, it is necessary to perform maintenance or replacement of the positive electrode.

上記従来の微生物燃料電池では、アノード（負極）を劣化させず、カソード（正極）のメンテナンスを行うには、カソード（正極）を微生物燃料電池の外部へ取り出してメンテナンスを行う必要がある。そのため、微生物燃料電池の他に、メンテナンス装置を設けることとなり、排水処置装置の設置スペースが広くなりやすい。   In the conventional microbial fuel cell, in order to maintain the cathode (positive electrode) without deteriorating the anode (negative electrode), it is necessary to take out the cathode (positive electrode) from the microbial fuel cell and perform maintenance. Therefore, a maintenance device is provided in addition to the microbial fuel cell, and the installation space for the drainage treatment device tends to be widened.

本発明は、上記従来課題を解決するもので、微生物燃料電池内であっても、アノード（負極）の劣化への影響を抑えてカソード（正極）のメンテナンスが行うことができる微生物燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a microbial fuel cell capable of maintaining the cathode (positive electrode) while suppressing the influence on the deterioration of the anode (negative electrode) even in the microbial fuel cell. The purpose is to do.

本発明に係る微生物燃料電池は、電解液を保持する電解液槽と、前記電解液槽の内部に設けられたアノードと、前記電解液槽の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソードと、前記電解液槽の内部で前記カソードを保持するカソード容器と、前記カソード容器の内部の前記電解液を交換する液交換部と、を備え、前記カソード容器は、前記カソード容器の内部と外部とを前記電解液が液絡する液絡部を有する。 The microbial fuel cell according to the present invention is provided such that an electrolyte tank holding an electrolyte, an anode provided inside the electrolyte tank, and a gas containing oxygen are in contact with the inside of the electrolyte tank. A cathode container that holds the cathode inside the electrolyte tank, and a liquid exchange unit that replaces the electrolyte inside the cathode container, and the cathode container is an interior of the cathode container. And a liquid junction part where the electrolyte solution has a liquid junction.

本発明によれば、微生物燃料電池内であっても、アノード劣化への影響を抑えてカソードのメンテナンスが行うことができる。   According to the present invention, even in a microbial fuel cell, cathode maintenance can be performed while suppressing the influence on anode degradation.

実施の形態１における微生物燃料電池１０１の外観斜視図である。1 is an external perspective view of a microbial fuel cell 101 according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１におけるカソード３０及び酸素供給部４０の斜視図である。2 is a perspective view of a cathode 30 and an oxygen supply unit 40 in Embodiment 1. FIG. （ａ）メンテナンス動作時における微生物燃料電池１０１の図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｂ）電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０１の図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。(A) A cross-sectional view of the microbial fuel cell 101 along the line AA in FIG. 1 during the maintenance operation, and (b) along the line AA of the microbial fuel cell 101 in FIG. 1 during the electric energy generation operation. FIG. 実施の形態１における液絡部７０の変形例であり、（ａ）はスライド式、（ｂ）はじゃばら式、（ｃ）はドア式である。It is a modification of the liquid junction part 70 in Embodiment 1, (a) is a slide type, (b) is a loose type, (c) is a door type. 実施の形態２におけるカソード容器５０の斜視図である。6 is a perspective view of a cathode container 50 according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態２における電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０２の断面図である。6 is a cross-sectional view of a microbial fuel cell 102 during an electric energy generation operation in Embodiment 2. FIG. 実施の形態３における微生物燃料電池１０３の外観斜視図である。6 is an external perspective view of a microbial fuel cell 103 according to Embodiment 3. FIG. （ａ）メンテナンス動作時における微生物燃料電池１０３の図７中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｂ）電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０４の図３中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。(A) A cross-sectional view of the microbial fuel cell 103 along the line BB in FIG. 7 during the maintenance operation, and (b) along the line BB in FIG. 3 of the microbial fuel cell 104 during the electric energy generation operation. FIG.

上記課題を解決するための本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention for solving the above problems will be described with reference to the drawings.

なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。したがって、以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。   In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio. Therefore, the shapes, materials, components, arrangement of components, connection forms, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。   Each figure is a mimetic diagram and is not necessarily illustrated strictly. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the same structural member.

（実施の形態１）
本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１の構成について説明する。 (Embodiment 1)
The configuration of the microbial fuel cell 101 according to the present embodiment will be described.

本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１は、図１に示されるように、電解液槽１０の内部にアノード２０とカソード３０とを備える。電解液槽１０の内部には、さらにカソード容器５０が設けられており、カソード３０は、カソード容器５０の内部に配置される。カソード３０は、カソード容器５０内部において、図１及び図２に示されるように、枠状部材４０を介して積層されている。また、カソード容器５０内には、カソード３０に酸素を供給する酸素供給部が設けられる。本実施の形態における酸素供給部は、具体的には、枠状部材４０により積層された二つのカソード３０によって形成された気相３４である。カソード３０は、気相３４を通じて、大気と連通し、酸素が供給される。   As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell 101 according to the present embodiment includes an anode 20 and a cathode 30 inside an electrolytic solution tank 10. A cathode container 50 is further provided inside the electrolytic solution tank 10, and the cathode 30 is disposed inside the cathode container 50. The cathode 30 is laminated inside the cathode container 50 via a frame-shaped member 40 as shown in FIGS. An oxygen supply unit that supplies oxygen to the cathode 30 is provided in the cathode container 50. Specifically, the oxygen supply unit in the present embodiment is a gas phase 34 formed by two cathodes 30 stacked by a frame-like member 40. The cathode 30 communicates with the atmosphere through the gas phase 34 and is supplied with oxygen.

なお、アノード２０とカソード３０とは外部回路（図示なし）で接続され、これにより電気エネルギーの生成が行われるものである。   The anode 20 and the cathode 30 are connected by an external circuit (not shown), thereby generating electrical energy.

アノード２０とカソード３０とは、電解液槽１０の内部において、カソード容器５０によって隔てられて分離・保持されるので、アノード２０は電解液９０に浸漬された状態で、カソード容器５０の内部にてカソード３０のみメンテナンスを行うことができる。   Since the anode 20 and the cathode 30 are separated and held by the cathode container 50 inside the electrolytic solution tank 10, the anode 20 is immersed in the electrolyte solution 90 in the cathode container 50. Only the cathode 30 can be maintained.

電解液９０は、電解液槽１０の内部に保持されているが、電解液槽１０の内部と外部とを流通できるような構成であってもよい。例えば、図１及び図２に示すように、電解液槽１０には、電解液９０を電解液槽１０に供給するための液体供給口１１と、処理後の電解
液９０を電解液槽１０から排出するための液体排出口１２とが設けられていてもよい。そして、電解液９０は、液体供給口１１から連続的に供給され、液体排出口１２から連続的に排出されることで電解液９０の流出入が行われることが好ましい。 The electrolytic solution 90 is held inside the electrolytic solution tank 10, but may be configured to be able to circulate between the inside and the outside of the electrolytic solution tank 10. For example, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, in the electrolytic solution tank 10, the liquid supply port 11 for supplying the electrolytic solution 90 to the electrolytic solution tank 10 and the processed electrolytic solution 90 from the electrolytic solution tank 10. A liquid discharge port 12 for discharging may be provided. The electrolyte solution 90 is preferably continuously supplied from the liquid supply port 11 and continuously discharged from the liquid discharge port 12 so that the electrolyte solution 90 flows in and out.

微生物燃料電池１０１の詳細な構成を以下で説明する。   The detailed configuration of the microbial fuel cell 101 will be described below.

［アノード］
本実施形態に係るアノード２０は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液９０中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する。また、アノード２０を構成する導電体シートは、複数の細孔を有することが好ましい。 [anode]
The anode 20 according to the present embodiment supports microorganisms to be described later, and further generates hydrogen ions and electrons from an organic substance in the electrolytic solution 90 by the catalytic action of the microorganisms. The conductor sheet constituting the anode 20 preferably has a plurality of pores.

アノード２０の材質は、例えばアルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属、又はカーボンペーパー、カーボンフェルトなどの炭素材料である。アノード２０はその厚さ方向に連続する空間（空隙）を有していてもよい。例えばアノード２０は、多孔質または織布状の、内部に空間を有する導電体シートであってもよい。アノード２０は、厚さ方向に貫通する複数の貫通穴を有する金属板であってもよい。   The material of the anode 20 is, for example, a conductive metal such as aluminum, copper, stainless steel, nickel, or titanium, or a carbon material such as carbon paper or carbon felt. The anode 20 may have a space (void) continuous in the thickness direction. For example, the anode 20 may be a porous or woven conductive sheet having a space inside. The anode 20 may be a metal plate having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction.

アノード２０に担持される微生物としては、電解液９０中の有機性物質を分解して、水素イオン及び電子を生成する微生物であれば特に限定されない。このような微生物としては、例えば、増殖に酸素を必要とする好気性微生物、又は増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することができるが、嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液９０中の有機性物質を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。   The microorganism supported on the anode 20 is not particularly limited as long as it is a microorganism that decomposes an organic substance in the electrolytic solution 90 to generate hydrogen ions and electrons. As such microorganisms, for example, an aerobic microorganism that requires oxygen for growth or an anaerobic microorganism that does not require oxygen for growth can be used, but an anaerobic microorganism is preferably used. Anaerobic microorganisms do not require air for oxidizing and decomposing organic substances in the electrolyte solution 90. Therefore, the electric power required for sending air can be significantly reduced. Moreover, since the free energy which microbes acquire is small, it becomes possible to reduce the amount of sludge generation.

アノード２０に保持される好気性微生物は、例えばＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ属細菌である大腸菌、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属細菌である緑濃菌、Ｂａｃｉｌｌｕｓ属細菌である枯草菌が挙げられる。   Examples of the aerobic microorganism held in the anode 20 include Escherichia bacterium, Escherichia bacterium, Pseudomonas bacterium, Bacillus bacterium, Bacillus subtilis.

アノード２０に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌である。具体的には、微生物として、例えばＧｅｏｂａｃｔｅｒ属細菌、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ属細菌、Ａｅｒｏｍｏｎａｓ属細菌、Ｇｅｏｔｈｒｉｘ属細菌、及びＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属細菌が、挙げられる。   The anaerobic microorganisms held by the anode 20 are, for example, electricity producing bacteria having an extracellular electron transfer mechanism. Specifically, examples of the microorganism include Geobacter genus bacteria, Shewanella genus bacteria, Aeromonas genus bacteria, Geothrix genus bacteria, and Saccharomyces genus bacteria.

アノード２０は、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、アノード２０に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ、ＥＰＳ）とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極２０に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、アノード２０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。   The anode 20 may hold the anaerobic microorganisms on the anode 20 by stacking and fixing the biofilm containing the anaerobic microorganisms. The biofilm generally refers to a three-dimensional structure including a microbial population and an extracellular polymer substance (EPS) produced by the microbial population. However, the anaerobic microorganisms may be held on the negative electrode 20 without depending on the biofilm. Further, the anaerobic microorganisms may be held not only on the surface of the anode 20 but also inside.

［カソード］
本実施の形態において、カソード３０は二つ設けられる。カソード３０同士は、カソード３０における面３０ａの外周部に沿うＵ字状の枠状部材４０によって積層される。枠状部材４０は、２本の第一柱状部材４１の底面を第二柱状部材４２で連結して形成され、上部が開口している。枠状部材４０の側面４３は、カソード３０の面３０ａの外周部から枠状部材４０の内部に電解液９０が流入することを抑制できる。 [Cathode]
In the present embodiment, two cathodes 30 are provided. The cathodes 30 are stacked by a U-shaped frame member 40 along the outer periphery of the surface 30a of the cathode 30. The frame-shaped member 40 is formed by connecting the bottom surfaces of the two first columnar members 41 with the second columnar member 42, and the upper portion is open. The side surface 43 of the frame-shaped member 40 can suppress the electrolyte solution 90 from flowing into the frame-shaped member 40 from the outer peripheral portion of the surface 30 a of the cathode 30.

枠状部材４０により積層された二つのカソード３０は、図１や図３（ａ）に示されるよ
うに、カソード容器５０の内部に配置される。このとき、枠状部材４０によって形成された気相３４が酸素供給部となる。気相３４は、大気と連通し、カソード３０に酸素を供給する。 The two cathodes 30 stacked by the frame-like member 40 are arranged inside the cathode container 50 as shown in FIG. 1 and FIG. At this time, the gas phase 34 formed by the frame-shaped member 40 becomes the oxygen supply unit. The gas phase 34 communicates with the atmosphere and supplies oxygen to the cathode 30.

また、アノード２０及びカソード３０は、外部回路１１０によって電気的に接続されている。   The anode 20 and the cathode 30 are electrically connected by an external circuit 110.

カソード３０は、図１及び図２に示されるように、撥水層３１と、撥水層３１に接するように重ねられているガス拡散層３２とを備えるガス拡散電極からなる。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相３４中の酸素をカソード３０中の触媒に容易に供給することが好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the cathode 30 is composed of a gas diffusion electrode including a water repellent layer 31 and a gas diffusion layer 32 stacked to be in contact with the water repellent layer 31. It is preferable to easily supply oxygen in the gas phase 34 to the catalyst in the cathode 30 by using such a thin plate-like gas diffusion electrode.

カソード３０における撥水層３１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層３１は、カソード容器５０内における電気化学系中の酸素供給部と液相とを良好に分離しながら、気相３４から液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層３１は、気相３４中の酸素を透過し、ガス拡散層３２へ移動させつつも、電解液９０が気相３４側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。   The water repellent layer 31 in the cathode 30 is a layer having both water repellency and oxygen permeability. The water repellent layer 31 is configured to allow oxygen to move from the gas phase 34 toward the liquid phase while satisfactorily separating the oxygen supply section in the electrochemical system in the cathode container 50 and the liquid phase. That is, the water repellent layer 31 can suppress the movement of the electrolytic solution 90 toward the gas phase 34 while allowing oxygen in the gas phase 34 to permeate and move to the gas diffusion layer 32. In addition, "separation" here means physical interruption | blocking.

撥水層３１は、多孔質であることが好ましい。この場合、撥水層３１は、高い気体透過性を有することができる。撥水層３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）からなる群から選択される一種以上の材料から作製される。   The water repellent layer 31 is preferably porous. In this case, the water repellent layer 31 can have high gas permeability. The water repellent layer 31 is made of, for example, one or more materials selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), dimethylpolysiloxane (PDMS), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).

ガス拡散層３２は、例えば多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備える。なお、ガス拡散層３２が、多孔質且つ導電性を有する触媒から形成されてもよい。   The gas diffusion layer 32 includes, for example, a porous conductive material and a catalyst supported on the conductive material. The gas diffusion layer 32 may be formed from a porous and conductive catalyst.

ガス拡散層３２における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群から選択される一種以上の材料から構成される。炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例として、グラファイト、活性炭、カーボンパウダ（例えば、カーボンブラック、バルカンＸＣ−７２Ｒ、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックを含む）、カーボンファイバ（グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布を含む）、カーボンプレート、カーボンペーパー、及びカーボンディスクが挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような、微細構造物質も挙げられる。金属としては、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル及びチタンが挙げられる。   The conductive material in the gas diffusion layer 32 is composed of, for example, one or more materials selected from the group consisting of carbon-based substances, conductive polymers, semiconductors, and metals. The carbon-based material refers to a material containing carbon as a constituent component. Examples of carbon-based materials include graphite, activated carbon, carbon powder (including carbon black, Vulcan XC-72R, acetylene black, furnace black, Denka black), carbon fiber (including graphite felt, carbon wool, and carbon woven fabric). ), Carbon plates, carbon paper, and carbon disks. Further, examples of the carbon-based material include fine structure materials such as carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanoclusters. Examples of the metal include aluminum, copper, stainless steel, nickel, and titanium.

［カソード容器］
カソード容器５０は、電解液槽１０内に配置され、内部にカソード３０が配置される。カソード容器５０により、アノード２０とカソード３０とは、電解液９０に浸漬したまま、電解液槽１０の内部において隔てられて保持される。 [Cathode container]
The cathode container 50 is disposed in the electrolytic solution tank 10, and the cathode 30 is disposed therein. By the cathode container 50, the anode 20 and the cathode 30 are separated and held in the electrolyte bath 10 while being immersed in the electrolyte 90.

また、カソード容器５０の内部には、カソード容器５０の内部の電解液９０を交換するための液交換部６０を備える。液交換部６０は、例えば外部に設けられた循環装置（図示せず）により電解液９０の流出入が行われるように構成されている。本実施の形態においては、ポリプロピレン製チューブが用いられる。液交換部６０は、カソード容器５０の開口した上方から挿入され、外部に設けられた循環装置（図示せず）によって、電解液９０の交換を行う。   In addition, a liquid exchange unit 60 for exchanging the electrolytic solution 90 inside the cathode container 50 is provided inside the cathode container 50. The liquid exchange unit 60 is configured such that the electrolyte solution 90 flows in and out by, for example, a circulation device (not shown) provided outside. In the present embodiment, a polypropylene tube is used. The liquid exchange part 60 is inserted from above the opening of the cathode container 50 and exchanges the electrolytic solution 90 by a circulation device (not shown) provided outside.

また、液交換部６０では、電解液９０だけでなく、カソード３０の洗浄を行うための洗浄液の交換を行ってもよい。これにより、カソード容器５０内でカソード３０の洗浄を行うことができる。液交換部６０は、耐酸性、耐アルカリ性、耐次亜塩素酸性を有する材質で形成されることが好ましい。   Further, in the liquid exchange unit 60, not only the electrolytic solution 90 but also a cleaning solution for cleaning the cathode 30 may be replaced. Thereby, the cathode 30 can be cleaned in the cathode container 50. The liquid exchange part 60 is preferably formed of a material having acid resistance, alkali resistance, and hypochlorous acid resistance.

また、カソード容器５０は、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡する液絡部７０を有する。本実施の形態では、液絡部７０は、カソード容器５０の開口した上面５１である。   In addition, the cathode container 50 has a liquid junction portion 70 in which the electrolytic solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50. In the present embodiment, the liquid junction portion 70 is the open upper surface 51 of the cathode container 50.

液絡部７０を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡することで、アノード２０とカソード３０とが分離されていても、カソード容器５０を水素イオンが移動することができ、酸素還元反応を行うことができる。   Through the liquid junction portion 70, the electrolyte solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50, so that hydrogen ions can move through the cathode container 50 even when the anode 20 and the cathode 30 are separated. An oxygen reduction reaction can be performed.

本実施の形態においては、カソード容器５０の開口した上面５１が液絡部７０となり、カソード容器５０を上下に動かすことによって、液絡部７０を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡し、また、電解液９０と共に水素イオンもカソード容器５０へ液絡する。液絡した水素イオンは、カソード３０にて酸素と反応し、水となって消費される。   In the present embodiment, the opened upper surface 51 of the cathode container 50 serves as the liquid junction part 70, and the cathode container 50 is moved up and down to connect the inside and the outside of the cathode container 50 through the liquid junction part 70. In addition, the hydrogen ions are also in liquid junction with the cathode container 50 together with the electrolytic solution 90. The liquid hydrogen ions react with oxygen at the cathode 30 and are consumed as water.

このとき、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触し、短絡するのを防止するために、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、プロトン透過性を有するイオン透過膜７３が設けられていてもよい。本実施の形態におけるイオン透過膜７３は、アノード２０が設けられている側のカソード３０の側面に積層して設けられる。   At this time, in order to prevent the anode 20 and the cathode 30 from being in electrical contact and short-circuiting, as shown in FIGS. 3A and 3B, an ion permeable membrane 73 having proton permeability is provided. It may be done. The ion permeable membrane 73 in the present embodiment is provided by being laminated on the side surface of the cathode 30 on the side where the anode 20 is provided.

イオン透過膜７３は、アノード２０で生成した水素イオンを透過することができる。イオン透過膜７３としては、例えばイオン交換樹脂を用いる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン（登録商標）及びセレミオン（登録商標）を用いることができる。   The ion permeable membrane 73 can transmit hydrogen ions generated at the anode 20. As the ion permeable membrane 73, for example, an ion exchange resin is used. As the ion exchange resin, for example, NAFION (registered trademark) manufactured by DuPont, and Flemion (registered trademark) and Selemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. can be used.

また、イオン透過膜７３として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン透過膜７３は、アノード２０からカソード３０へ水素イオンが移動するための空間（空隙）を有するシートであってもよい。そのため、イオン透過膜７３は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン透過膜７３は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。   Further, as the ion permeable membrane 73, a porous membrane having pores through which hydrogen ions can permeate may be used. That is, the ion permeable membrane 73 may be a sheet having a space (void) for hydrogen ions to move from the anode 20 to the cathode 30. Therefore, the ion permeable membrane 73 preferably includes at least one selected from the group consisting of a porous sheet, a woven sheet, and a non-woven sheet. Moreover, the ion permeable film 73 can use at least one chosen from the group which consists of a glass fiber film, a synthetic fiber film, and a plastic nonwoven fabric, and the laminated body formed by laminating | stacking these two or more may be used. Since such a porous sheet has a large number of pores inside, hydrogen ions can easily move.

なお、イオン透過膜７３の細孔径は、アノード２０からカソード３０に水素イオンが移動できれば特に限定されない。   The pore diameter of the ion permeable membrane 73 is not particularly limited as long as hydrogen ions can move from the anode 20 to the cathode 30.

［動作の方法］
本実施の形態における微生物燃料電池１０１の動作について図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。 [Method of operation]
The operation of the microbial fuel cell 101 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).

図３（ａ）に示されるように、微生物燃料電池１０１は、アノード２０及びカソード容器５０内に設けられたカソード３０が電解液槽１０内において電解液９０に浸漬される。カソード容器５０の内部では、カソード３０と液交換部６０とが共に設けられ、カソード３０の撥水層３１は少なくとも一部が気相３４に接している。カソード容器５０は、上端
が液面より下方に配置される。このとき、カソード容器５０の開口した上面５１が液絡部７０となり、液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡する。 As shown in FIG. 3A, in the microbial fuel cell 101, the anode 20 and the cathode 30 provided in the cathode container 50 are immersed in the electrolytic solution 90 in the electrolytic solution tank 10. Inside the cathode container 50, both the cathode 30 and the liquid exchange unit 60 are provided, and at least a part of the water repellent layer 31 of the cathode 30 is in contact with the gas phase 34. The upper end of the cathode container 50 is disposed below the liquid level. At this time, the opened upper surface 51 of the cathode container 50 becomes the liquid junction part 70, and the electrolytic solution 90 makes a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50 through the liquid junction part 70.

微生物燃料電池１０１のメンテナンス動作を行う場合、図３（ａ）に示されるように、カソード容器５０は、カソード３０を保持したまま、電解液槽１０の液面より上方へ取り出される。これにより、カソード容器５０内の電解液９０と電解液槽１０内の電解液９０とが分離される。カソード容器５０の内部の電解液９０は、カソード容器５０に設けられた液交換部６０を用いて、電解液槽１０の外に排出される。   When the maintenance operation of the microbial fuel cell 101 is performed, as shown in FIG. 3A, the cathode container 50 is taken out from the liquid surface of the electrolyte bath 10 while holding the cathode 30. Thereby, the electrolytic solution 90 in the cathode container 50 and the electrolytic solution 90 in the electrolytic solution tank 10 are separated. The electrolytic solution 90 inside the cathode container 50 is discharged out of the electrolytic solution tank 10 using the liquid exchange part 60 provided in the cathode container 50.

電解液９０除去後、液交換部６０を通じて、カソード容器５０内にカソード３０の洗浄液が流入される。カソード３０の洗浄液としては、例えば、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、クエン酸、リンゴ酸、酢酸、過酢酸、次亜塩素酸などの酸、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどのアルカリ、界面活性剤、および上記少なくとも１種を含む水溶液などが用いられる。カソード容器５０に洗浄液を流入し、所定時間浸漬後、再び液交換部６０を用いて洗浄液を排出する。その後、液交換部６０を通じて脱イオン水を流入出させ、脱イオン水による洗浄を複数回行う。 After the electrolytic solution 90 is removed, the cleaning liquid for the cathode 30 flows into the cathode container 50 through the liquid exchange unit 60. Examples of the cleaning solution for the cathode 30 include HCl, H 2 SO 4 , citric acid, malic acid, acetic acid, peracetic acid, hypochlorous acid, and other acids, NaOH, KOH, and other alkalis, surfactants, and at least one of the above. An aqueous solution containing seeds is used. The cleaning liquid flows into the cathode container 50, and after being immersed for a predetermined time, the cleaning liquid is discharged again using the liquid exchange unit 60. Thereafter, deionized water is allowed to flow in and out through the liquid exchange unit 60, and cleaning with deionized water is performed a plurality of times.

このとき、電解液槽１０の内部に配置されるアノード２０は、カソード３０がカソード容器５０内でメンテナンスが行われている際も、電解液槽１０中に保持された電解液９０に浸漬されている。   At this time, the anode 20 disposed inside the electrolytic solution tank 10 is immersed in the electrolytic solution 90 held in the electrolytic solution tank 10 even when the cathode 30 is maintained in the cathode container 50. Yes.

なお、カソード容器５０の取り出し方法について、カソード容器５０の上端部が液面より上方に出ており、電解液９０がカソード容器５０の内部と外部とで分離されていれば、カソード容器５０全体が電解液槽１０の外部に取り出されなくてもよい。   Regarding the method of taking out the cathode container 50, if the upper end portion of the cathode container 50 protrudes above the liquid surface and the electrolyte 90 is separated between the inside and the outside of the cathode container 50, the entire cathode container 50 is It need not be taken out of the electrolyte bath 10.

脱イオン水洗浄後は、カソード容器５０を電解液槽１０の液面より下方へ再び戻し、カソード容器５０内を電解液９０で満たすことにより、微生物燃料電池１０１の電気エネルギーの生成を行う。   After washing with deionized water, the cathode container 50 is returned downward from the liquid surface of the electrolytic solution tank 10 and the cathode container 50 is filled with the electrolytic solution 90 to generate electric energy of the microbial fuel cell 101.

微生物燃料電池１０１の電気エネルギー生成動作を行う場合、図３（ｂ）に示されるように、カソード３０には、気相３４を介して空気又は酸素を含む気体が供給される。気体は、枠状部材４０の開口した上部から気相３４へ連通し、気相３４からカソード３０へ連続的に供給される。   When the electric energy generation operation of the microbial fuel cell 101 is performed, as shown in FIG. 3B, air or a gas containing oxygen is supplied to the cathode 30 through the gas phase 34. The gas communicates from the opened upper part of the frame-shaped member 40 to the gas phase 34 and is continuously supplied from the gas phase 34 to the cathode 30.

そして、カソード３０では、撥水層３１を透過してガス拡散層３２により気体が拡散する。アノード２０では、微生物の触媒作用により、電解液９０中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する。電解液９０及び生成した水素イオンは、液絡部７０からカソード容器５０の内部へ移動する。また、生成した電子はアノード２０の導電体シートを通じて外部回路１１０へ移動し、さらに外部回路１１０からカソード３０のガス拡散層３２に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層３２に担持された触媒の作用により酸素と反応し、水となって消費される。   In the cathode 30, the gas diffuses through the water-repellent layer 31 through the gas diffusion layer 32. At the anode 20, hydrogen ions and electrons are generated from the organic substance in the electrolytic solution 90 by the catalytic action of microorganisms. The electrolytic solution 90 and the generated hydrogen ions move from the liquid junction portion 70 to the inside of the cathode container 50. Further, the generated electrons move to the external circuit 110 through the conductor sheet of the anode 20, and further move from the external circuit 110 to the gas diffusion layer 32 of the cathode 30. The hydrogen ions and electrons react with oxygen by the action of the catalyst supported on the gas diffusion layer 32 and are consumed as water.

なお、メンテナンス動作時において、カソード３０の洗浄液としてＨＣｌを流入する際、カソード容器５０の外部にＨＣｌが液漏れすることなく流入・保持されることが好ましい。   In the maintenance operation, when HCl is flown as the cleaning liquid for the cathode 30, it is preferable that the HCl flows in and is held outside the cathode container 50 without leaking.

なお、カソード容器５０の形状は、袋形状や円筒形状であってもよく、また、電解液槽１０の電解液９０とカソード容器５０の電解液９０とを分離できるものであれば、構成は本実施の形態に限られない。   The shape of the cathode container 50 may be a bag shape or a cylindrical shape, and the configuration is not limited as long as the electrolytic solution 90 in the electrolytic solution tank 10 and the electrolytic solution 90 in the cathode container 50 can be separated. It is not limited to the embodiment.

なお、気相３４は、外気に開放されることで気体を供給するものとしたが、例えば外部に設けられたポンプによって外空気が供給されるように構成されていてもよい。また、カソード３０は、枠状部材４０を用いてカソード３０を積層することで気相３４を形成し、酸素を含む気体が供給されるものとしたが、カソード３０に酸素を供給できるものであれば、本実施の形態に限るものではない。   In addition, although the gaseous phase 34 shall supply gas by being open | released by external air, you may be comprised so that external air may be supplied, for example with the pump provided outside. Further, the cathode 30 is formed by stacking the cathodes 30 using the frame-shaped member 40 to form the gas phase 34 and the gas containing oxygen is supplied. However, any cathode that can supply oxygen to the cathode 30 is used. For example, the present embodiment is not limited to this.

なお、イオン透過膜７３は、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触し、短絡するのを防止するものであればよく、設けられる位置は本実施の形態に限るものではない。例えばカソード容器５０や液絡部７０となる一側面５１の周辺などに設けられていてもよい。   The ion permeable membrane 73 may be any one that prevents the anode 20 and the cathode 30 from being in electrical contact with each other and preventing a short circuit, and the position where the ion permeable membrane 73 is provided is not limited to this embodiment. For example, it may be provided around the one side surface 51 that becomes the cathode container 50 or the liquid junction portion 70.

なお、液交換部６０は、メンテナンス動作時にのみ設けられるものとしてもよい。   The liquid exchange unit 60 may be provided only during the maintenance operation.

［まとめ］
上述の通り、本実施の形態の微生物燃料電池１０１は、電解液９０を保持する電解液槽１０と、電解液槽１０の内部に設けられたアノード２０と、電解液槽１０の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソード３０と、電解液槽１０の内部でカソード３０を保持するカソード容器５０と、カソード容器５０の内部の電解液９０を交換する液交換部６０と、を備え、カソード容器５０は、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡する液絡部７０を有する。 [Summary]
As described above, the microbial fuel cell 101 according to the present embodiment includes the electrolytic solution tank 10 that holds the electrolytic solution 90, the anode 20 provided in the electrolytic solution tank 10, and oxygen in the electrolytic solution tank 10. A cathode 30 provided so as to be in contact with the contained gas, a cathode container 50 that holds the cathode 30 inside the electrolyte tank 10, and a liquid exchange unit 60 that exchanges the electrolyte 90 inside the cathode container 50. The cathode container 50 includes a liquid junction portion 70 in which the electrolyte solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50.

これにより、カソード容器５０を動かすことで、電解液槽１０内部でアノード２０とカソード３０と分離することができる。そのため、アノード２０が電解液９０に浸漬されたまま、カソード３０のみメンテナンスを行うことができる。したがって、カソード３０のメンテナンス時にアノードが外部の空気の影響を受けずにメンテナンスできるので、アノード２０の劣化を抑制し、電気エネルギーを長期間、安定的に回収でき、生成効率を向上することができる。   Thereby, by moving the cathode container 50, the anode 20 and the cathode 30 can be separated inside the electrolytic solution tank 10. Therefore, only the cathode 30 can be maintained while the anode 20 is immersed in the electrolytic solution 90. Therefore, since the anode can be maintained without being affected by external air during maintenance of the cathode 30, deterioration of the anode 20 can be suppressed, electric energy can be stably recovered for a long period of time, and generation efficiency can be improved. .

さらに、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０１内で行うことができるので、メンテナンス装置を別体に設ける必要がなく、排水処理装置全体を小さくすることができる。   Furthermore, since maintenance of the cathode 30 can be performed in the microbial fuel cell 101, it is not necessary to provide a separate maintenance device, and the entire waste water treatment device can be reduced.

これにより、アノード２０及びカソード３０間の電気的な短絡を防ぐことができ、電極間距離を短くすることができるため、電気エネルギーの出力を向上することができる。   Thereby, an electrical short circuit between the anode 20 and the cathode 30 can be prevented, and the distance between the electrodes can be shortened, so that the output of electrical energy can be improved.

なお、本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１では、一つのカソード容器５０に一組のカソード３０を配置した構成であるが、カソード容器５０の個数や内部に配置されるカソード３０の個数は限定されるものではなく、複数のカソード容器５０やカソード３０が配置されてもよい。   In the microbial fuel cell 101 according to the present embodiment, a set of cathodes 30 is arranged in one cathode container 50, but the number of cathode containers 50 and the number of cathodes 30 arranged inside are limited. A plurality of cathode containers 50 and cathodes 30 may be arranged.

［変形例］
つづいて、本実施の形態１の変形例について、図４を参照して説明する。 [Modification]
Next, a modification of the first embodiment will be described with reference to FIG.

本実施の形態の変形例は、液絡部７０は、カソード容器５０の一側面５１を動かして、開口した一面である点で実施の形態１と相違する。   The modification of the present embodiment is different from the first embodiment in that the liquid junction portion 70 is one surface that is opened by moving one side surface 51 of the cathode container 50.

以下、液絡部７０について説明する。   Hereinafter, the liquid junction 70 will be described.

本変形例におけるカソード容器５０の一側面５１は、動かすことができるように形成さ
れており、液絡部７０は、例えば一側面５１を下方へ動かし、開口した面となる。このとき、カソード容器５０は、上端が液面より上方で固定されることが好ましい。 One side surface 51 of the cathode container 50 in the present modification is formed so as to be movable, and the liquid junction portion 70 becomes, for example, an open surface by moving the one side surface 51 downward. At this time, it is preferable that the upper end of the cathode container 50 is fixed above the liquid level.

一側面５１は、一側面５１の一部のみを動かすことができる構成であっても、一側面５１の全体を動かすことができる構成であってもよく、動かしやすいように一側面５１が軟質材料で形成されることが好ましい。一側面５１を動かす方法は、図４に示されるように、図４（ａ）スライド式や図４（ｂ）じゃばら式、図４（ｃ）ドア式などが含まれる。また、一側面５１は、取り外しが行える構成であってもよい。カソード容器５０の一側面５１を動かすことによって開口した面が液絡部７０となり、液絡部７０を通じて、電解液９０はカソード容器５０の内部と外部とを液絡する。このとき、液絡部７０となるカソード容器５０の開口した面には、例えば面の両端辺に貼り付けるなどしてイオン透過膜７３が設けられることが好ましい。   The one side surface 51 may be configured to be able to move only a part of the one side surface 51 or may be configured to be able to move the entire one side surface 51. The one side surface 51 is a soft material so that it can be easily moved. Is preferably formed. As shown in FIG. 4, the method of moving the one side surface 51 includes the slide type shown in FIG. 4A, the loose type shown in FIG. 4B, and the door type shown in FIG. 4C. Further, the one side surface 51 may be configured to be removable. The surface opened by moving one side surface 51 of the cathode container 50 becomes a liquid junction part 70, and the electrolyte solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50 through the liquid junction part 70. At this time, it is preferable that the ion permeable film 73 is provided on the opened surface of the cathode container 50 serving as the liquid junction portion 70, for example, by being attached to both ends of the surface.

本変形例における微生物燃料電池１０１の動作について説明する。   The operation of the microbial fuel cell 101 in this modification will be described.

微生物燃料電池１０１のメンテナンス動作を行う場合、カソード容器５０の動かすことができる一側面５１は閉じられており、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とが分離される。微生物燃料電池１０１は、上記実施の形態１の手順と同様に、カソード３０のメンテナンスが行われる。   When the maintenance operation of the microbial fuel cell 101 is performed, the one side surface 51 on which the cathode container 50 can be moved is closed, and the electrolyte solution 90 in the cathode container 50 and the electrolyte solution 90 in the electrolyte tank 10 are separated. In the microbial fuel cell 101, the cathode 30 is maintained in the same manner as in the procedure of the first embodiment.

微生物燃料電池１０１の電気エネルギー生成を行う場合、カソード容器５０の一側面５１を動かして液絡部７０を形成する。液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡することで、上記と同様に、酸化還元反応が行われる。   When generating electrical energy for the microbial fuel cell 101, the liquid junction 70 is formed by moving one side 51 of the cathode container 50. Through the liquid junction 70, the electrolytic solution 90 causes a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50, so that an oxidation-reduction reaction is performed as described above.

これにより、カソード容器５０を動かすことなく、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０１内で行うことができる。また、アノード２０及びカソード３０も取り出す必要がなく、アノード２０が空気に触れることによって劣化することを抑制することができる。   Thereby, the maintenance of the cathode 30 can be performed in the microbial fuel cell 101 without moving the cathode container 50. Moreover, it is not necessary to take out the anode 20 and the cathode 30, and it can suppress that the anode 20 deteriorates when it contacts air.

なお、一側面５１を動かす方法は、手動式であっても、外部に設けられた電動装置を用いて動かす自動式でもよい。   In addition, the method of moving the one side surface 51 may be a manual type or an automatic type that moves using an electric device provided outside.

（実施の形態２）
つづいて、本実施の形態２について、図５または図６を参照して説明する。 (Embodiment 2)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG. 5 or FIG.

なお、ここでは、上記実施の形態１と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記実施の形態１と同様であるので、図面において同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態における微生物燃料電池１０２の液絡部７０は、カソード容器５０の一側面５１を開口して設けられた開口部７１であり、開口部７１には開閉可能な蓋部材７２が設けられている点で上記実施の形態１と相違する。   Here, only matters different from the first embodiment will be described, and other matters (configuration, operational effects, etc.) are the same as those in the first embodiment, and therefore the same reference numerals are given in the drawings. The description is omitted. The liquid junction part 70 of the microbial fuel cell 102 in the present embodiment is an opening part 71 provided by opening one side surface 51 of the cathode container 50, and the opening part 71 is provided with an openable / closable lid member 72. This is different from the first embodiment.

以下、本実施の形態における液絡部７０について説明する。   Hereinafter, the liquid junction part 70 in this Embodiment is demonstrated.

液絡部７０は、図５に示されるように、カソード容器５０の一側面５１に開口して設けられた円形の開口部７１である。開口部７１は、蓋部材７２によって、開閉可能に設けられる。本実施の形態では、例えば、蓋部材７２は、弾性のある材料で形成され、開口部７１に嵌め込むなどして開閉を行う。電解液９０は、開口部７１を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを液絡し、蓋部材７２により開口部７１を閉じることによって、カソード容器５０の内部と外部とを分離する。このとき、開口部７１の形状や個数は、特に限定されるものではなく、蓋部材７２は、開口部７１に対応した形状、個数設けられるものと
する。 As shown in FIG. 5, the liquid junction 70 is a circular opening 71 provided to open on one side surface 51 of the cathode container 50. The opening 71 is provided by a lid member 72 so as to be opened and closed. In the present embodiment, for example, the lid member 72 is formed of an elastic material and opens and closes by being fitted into the opening 71. The electrolytic solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50 through the opening 71 and closes the opening 71 by the lid member 72, thereby separating the inside and the outside of the cathode container 50. At this time, the shape and the number of the openings 71 are not particularly limited, and the lid member 72 is provided with a shape and a number corresponding to the openings 71.

なお、蓋部材７２の開閉方法は、これに限るものではなく、例えばカソード容器５０の一側面５１に蓋部材７２が一体となって設けられ、スライド式もしくはドア式など、開閉できるものであれば、形態は適宜設計変形可能とする。   The method for opening and closing the lid member 72 is not limited to this. For example, the lid member 72 is integrally provided on one side surface 51 of the cathode container 50 and can be opened and closed such as a slide type or a door type. The form can be appropriately designed and modified.

また、開口部７１において電解液９０が液絡する部分には、イオン透過膜７３が設けられることが好ましい。   Further, it is preferable that an ion permeable membrane 73 is provided in a portion where the electrolyte solution 90 is in liquid junction in the opening 71.

本実施の形態における微生物燃料電池１０２の動作について説明する。   The operation of the microbial fuel cell 102 in the present embodiment will be described.

微生物燃料電池１０２のメンテナンス動作を行う場合、開口部７１は蓋部材７２によって閉じられ、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とが分離される。分離後は、上記実施の形態１と同様の手順で、カソード３０のメンテナンスが行われる。   When performing maintenance operation of the microbial fuel cell 102, the opening 71 is closed by the lid member 72, and the electrolytic solution 90 in the cathode container 50 and the electrolytic solution 90 in the electrolytic solution tank 10 are separated. After the separation, the cathode 30 is maintained in the same procedure as in the first embodiment.

微生物燃料電池１０２の電気エネルギー生成動作を行う場合、蓋部材７２によって開かれた開口部７１を通じて、電解液９０はカソード容器５０の内部と外部とを液絡し、実施の形態１と同様の酸素還元反応が行われる。   When the electric energy generation operation of the microbial fuel cell 102 is performed, the electrolytic solution 90 has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50 through the opening 71 opened by the lid member 72, and oxygen similar to that in the first embodiment. A reduction reaction takes place.

これにより、カソード容器５０は、電解液槽１０内部に配置された状態でカソード用５０自体を上下に動かすことなく、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とを分離することができ、カソード３０のメンテナンスを行うことができる。   As a result, the cathode container 50 separates the electrolyte solution 90 in the cathode container 50 and the electrolyte solution 90 in the electrolyte tank 10 without moving the cathode 50 itself up and down in a state where the cathode container 50 is arranged inside the electrolyte tank 10. And maintenance of the cathode 30 can be performed.

なお、蓋部材７２の開閉方法は、手動式であっても、外部に設けられて電動装置を用いて動かす自動式であってもよい。   Note that the lid member 72 may be opened and closed manually or may be an automatic method that is provided outside and is moved using an electric device.

上述の通り、本実施の形態における微生物燃料電池１０２において、液絡部７０は、カソード容器５０の一面を開口して設けられた開口部７１であり、開口部７１には開閉可能な蓋部材７２が設けられている。   As described above, in the microbial fuel cell 102 according to the present embodiment, the liquid junction 70 is the opening 71 provided by opening one surface of the cathode container 50, and the opening 71 can be opened and closed by a lid member 72. Is provided.

これにより、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０２内で行うことができ、カソード容器５０に穴が設けられた状態であっても、後から蓋部材７２を用いることで、カソード容器５０の電解液９０を分離することができる。   Thereby, maintenance of the cathode 30 can be performed in the microbial fuel cell 102, and even when the cathode container 50 is in a state of being provided with a hole, by using the lid member 72 later, the electrolyte solution of the cathode container 50 can be used. 90 can be separated.

（実施の形態３）
つづいて、本実施の形態３について、図７または図８を参照して説明する。 (Embodiment 3)
Next, the third embodiment will be described with reference to FIG. 7 or FIG.

なお、ここでは、上記実施の形態１と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記実施の形態１と同様であるので、図面において同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態における微生物燃料電池１０２は、カソード容器５０が、電解液槽１０内に設けられた仕切板８０で仕切られた片方の槽あり、液絡部７０は、この仕切板８０を動かすことによって開口した面である点で上記実施の形態１と相違する。   Here, only matters different from the first embodiment will be described, and other matters (configuration, operational effects, etc.) are the same as those in the first embodiment, and therefore the same reference numerals are given in the drawings. The description is omitted. The microbial fuel cell 102 in the present embodiment has one tank in which the cathode container 50 is partitioned by a partition plate 80 provided in the electrolytic solution tank 10, and the liquid junction 70 moves the partition plate 80. This is different from the first embodiment in that the surface is an open surface.

仕切板８０は、電解液槽１０内部に設けられ、動かすことができるように形成されている。仕切板８０は、例えば上方に動かすことができ、仕切板８０を動かして開口した面が液絡部７０となる。仕切り板８０の高さは、電解液槽１０の高さに等しく、液面より上方であることが好ましい。仕切板８０によって、電解液槽１０内の電解液９０がアノード２０側とカソード容器５０側とで分離される。   The partition plate 80 is provided inside the electrolytic solution tank 10 and is formed so as to be movable. The partition plate 80 can be moved upward, for example, and the surface opened by moving the partition plate 80 becomes the liquid junction 70. The height of the partition plate 80 is preferably equal to the height of the electrolyte bath 10 and above the liquid level. The partition plate 80 separates the electrolyte 90 in the electrolyte bath 10 on the anode 20 side and the cathode container 50 side.

本実施の形態において、仕切板８０は、図７のように、電解液槽１０のアノード２０とカソード３０との間に設けられ、電解液槽１０の内部は、アノード２０側とカソード容器５０側とで分離される。仕切板８０は上下に動かすことができ、仕切板８０を上方へ動かして開口した下方の面を液絡部７０とする。電解液９０は、液絡部７０を通じて電解液槽１０内のアノード２０側とカソード容器５０側とを液絡する。   In the present embodiment, the partition plate 80 is provided between the anode 20 and the cathode 30 of the electrolyte bath 10 as shown in FIG. 7, and the interior of the electrolyte bath 10 is on the anode 20 side and the cathode container 50 side. And separated. The partition plate 80 can be moved up and down, and the lower surface opened by moving the partition plate 80 upward is defined as the liquid junction 70. The electrolytic solution 90 has a liquid junction between the anode 20 side and the cathode container 50 side in the electrolytic solution tank 10 through the liquid junction portion 70.

このとき、アノード２０が設けられている側のカソード３０の側面には、イオン透過膜７３が積層して形成され、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触して、短絡を防ぐ構成であることが好ましい。   At this time, the ion permeable membrane 73 is laminated and formed on the side surface of the cathode 30 on the side where the anode 20 is provided, and the anode 20 and the cathode 30 are in electrical contact to prevent a short circuit. It is preferable.

本実施の形態における微生物燃料電池１０２の動作について説明する。   The operation of the microbial fuel cell 102 in the present embodiment will be described.

微生物燃料電池１０２のメンテナンス動作を行う場合、図８（ａ）に示されるように、電解液槽１０内の仕切板８０は、下方へ動かされ、電解液槽１０の下面と接した状態とする。すなわち、電解液槽１０内部は、仕切板８０によってアノード２０側とカソード容器５０側とに分離される。その後、微生物燃料電池１０２は、実施の形態１と同様の手順でカソード容器５０側の電解液９０の流出入が行われ、カソード３０のメンテナンスが行われる。   When the maintenance operation of the microbial fuel cell 102 is performed, as shown in FIG. 8A, the partition plate 80 in the electrolytic solution tank 10 is moved downward to be in contact with the lower surface of the electrolytic solution tank 10. . That is, the inside of the electrolytic solution tank 10 is separated into the anode 20 side and the cathode container 50 side by the partition plate 80. Thereafter, in the microbial fuel cell 102, the electrolyte solution 90 on the cathode container 50 side flows in and out in the same procedure as in the first embodiment, and maintenance of the cathode 30 is performed.

微生物燃料電池１０２の電気エネルギー生成を行う場合、図８（ｂ）に示されるように、仕切板８０は、上方へ動かされ、液絡部７０が形成される。液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡することで、実施の形態１と同様に、酸化還元反応が行われる。   When the electric energy generation of the microbial fuel cell 102 is performed, the partition plate 80 is moved upward as shown in FIG. Through the liquid junction portion 70, the electrolytic solution 90 causes a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container 50, so that an oxidation-reduction reaction is performed as in the first embodiment.

これにより、アノード２０及びカソード３０を液面から取り出さずに、微生物燃料電池１０４内でメンテナンスを行うことができ、空気の影響を抑えることができる。   Accordingly, maintenance can be performed in the microbial fuel cell 104 without removing the anode 20 and the cathode 30 from the liquid surface, and the influence of air can be suppressed.

なお、仕切板８０を動かす方法は、本実施の形態に限られるものではなく、スライド式やじゃばら式、ドア式などが含まれる。また、仕切板８０は、一部のみを動かすことができる構成であっても、全体を動かすことができる構成であってもよく、動かしやすいように軟質材料で形成されていることが好ましい。また、電解液９０の液絡及び分離が行える構成であれば、仕切板８０に開口部を設け、蓋部材を用いて開口部を開閉可能とし、液絡及び分離を行う構成としてもよい。   The method of moving the partition plate 80 is not limited to the present embodiment, and includes a slide type, a loose type, a door type, and the like. In addition, the partition plate 80 may be configured to be movable only partially or may be configured to be movable as a whole, and is preferably formed of a soft material so as to be easily moved. In addition, as long as the electrolyte 90 can be liquid junctioned and separated, an opening may be provided in the partition plate 80, and the opening may be opened and closed using a lid member to perform liquid junction and separation.

（実施例）
以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。 (Example)
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail by way of examples, but the present embodiment is not limited to these examples.

［ガス拡散電極の作製］
まず、ポリオレフィン製撥水層の一方の面に、ガス拡散層であるグラファイトホイルをシリコーン接着剤を用いて接着した。なお、ポリオレフィン製撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポアを使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製シリコーン接着剤ＫＥ−３４７５Ｔを使用した。 [Production of gas diffusion electrode]
First, a graphite foil as a gas diffusion layer was bonded to one surface of a polyolefin water-repellent layer using a silicone adhesive. In addition, Sekisui Chemical Co., Ltd. cell pore was used for the water-repellent layer made of polyolefin. As the silicone resin, silicone adhesive KE-3475T manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used.

次に、グラファイトホイルにおける接着層と反対側の面に、酸素還元触媒とイオノマーとの混合物を塗布することにより、触媒層を形成した。この際、混合物は、酸素還元触媒の目付け量が２ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。
なお、イオノマーとしては、旭化成株式会社製アシプレックスを使用した。このようにして、本例のガス拡散電極を得た。 Next, the catalyst layer was formed by apply | coating the mixture of an oxygen reduction catalyst and an ionomer to the surface on the opposite side to the contact bonding layer in a graphite foil. At this time, the mixture was applied so that the basis weight of the oxygen reduction catalyst was 2 mg / cm 2 .
As the ionomer, Aciplex manufactured by Asahi Kasei Corporation was used. Thus, the gas diffusion electrode of this example was obtained.

［微生物燃料電池の作製］
得られたガス拡散電極からなるカソードを用いて微生物燃料電池を作製した。具体的には、上述のガス拡散電極の撥水層をからなるカソードを、気相を形成するための枠状部材を用いて積層した。積層されたカソードと、ステンレス鋼のメッシュ基材からなるアノードとを廃水槽内に設置した。そして、カソード容器となるポリエチレン製の袋をカソードとアノードとの間に設置した。その後、カソードおよびアノードの全体が浸漬し、カソード容器の上端が水面以下となるように、電解液槽内を電解液で満たした。 [Production of microbial fuel cells]
A microbial fuel cell was produced using the obtained cathode comprising a gas diffusion electrode. Specifically, a cathode composed of the water repellent layer of the gas diffusion electrode described above was laminated using a frame-shaped member for forming a gas phase. A laminated cathode and an anode made of a stainless steel mesh substrate were placed in a wastewater tank. A polyethylene bag serving as a cathode container was placed between the cathode and the anode. Thereafter, the whole of the cathode and the anode was immersed, and the inside of the electrolytic solution tank was filled with the electrolytic solution so that the upper end of the cathode container was below the water surface.

［測定方法］
電解液は、全有機炭素（ＴＯＣ）が８００ｍｇ／Ｌの有機性物質を含み、さらに発電を行う嫌気性微生物源として土壌微生物を植種したものを用いた。 [Measuring method]
The electrolytic solution used was an organic substance having a total organic carbon (TOC) of 800 mg / L and in which soil microorganisms were inoculated as an anaerobic microorganism source for power generation.

電解液槽への流入量は、電解液の水理学的滞留時間が２４時間となるように電解液槽への流入量を調整した。そして、カソードとアノードを負荷回路に接続することにより、本例の微生物燃料電池を得た。   The amount of inflow into the electrolyte bath was adjusted so that the hydraulic retention time of the electrolyte was 24 hours. And the microbial fuel cell of this example was obtained by connecting a cathode and an anode to a load circuit.

作製した微生物燃料電池を一定期間運転させ、負荷の両端おける電位差を調べた。負荷の両端における電位差出力は、
Ｐ＝Ｖ２／Ｒ×Ａ
により求めた（Ｐ：出力、Ｖ：負荷の両端における電位差、Ｒ：負荷回路の抵抗値、Ａ：カソードの面積）。
続いて、カソードのメンテナンスを行うために、カソード容器を電解液槽の液面より上方へ取り出し、カソード容器内の電解液と電解液槽内の電解液とを分離した。カソード容器に設けられた液交換部を用いて、カソード容器の内部の電解液を、電解液槽の外に排出した。
電解液除去後、液交換部を通じて、カソード容器内に洗浄液として０．１ｍｏｌ／ＬのＨＣｌを流入し、カソードを８時間浸漬した。再び液交換部を用いて洗浄液を排出した後、液交換部を通じて脱イオン水を流入出させ、脱イオン水による洗浄を２回行った。
脱イオン水洗浄後は、カソード容器を電解液槽の液面より下方へ再び戻し、電解液に浸漬させ、カソード容器内を電解液で満たした。 The produced microbial fuel cell was operated for a certain period, and the potential difference at both ends of the load was examined. The potential difference output across the load is
P = V 2 / R × A
(P: output, V: potential difference at both ends of load, R: resistance value of load circuit, A: area of cathode).
Subsequently, in order to perform maintenance of the cathode, the cathode container was taken out from the liquid surface of the electrolytic solution tank, and the electrolytic solution in the cathode container and the electrolytic solution in the electrolytic solution tank were separated. Using the liquid exchange part provided in the cathode container, the electrolytic solution inside the cathode container was discharged out of the electrolytic solution tank.
After removing the electrolytic solution, 0.1 mol / L HCl was allowed to flow as a cleaning liquid into the cathode container through the liquid exchange part, and the cathode was immersed for 8 hours. After the cleaning liquid was discharged again using the liquid exchange part, deionized water was flowed in and out through the liquid exchange part, and washing with deionized water was performed twice.
After washing with deionized water, the cathode container was returned again below the liquid surface of the electrolyte bath, immersed in the electrolyte, and the cathode container was filled with the electrolyte.

メンテナンスを行った後に負荷の両端における電位差を測定した。出力は、上記と同様の式により求めた。   After maintenance, the potential difference across the load was measured. The output was obtained by the same formula as above.

［測定結果］
測定結果は、メンテナンスを行う前の出力は６．５ｍＷ／ｍ２であったのに対し、メンテナンスを行った後の出力は３３ｍＷ／ｍ２となり、出力がメンテナンス前後で５倍向上することが分かった。 [Measurement result]
The measurement results showed that the output before maintenance was 6.5 mW / m 2 , while the output after maintenance was 33 mW / m 2 , indicating that the output improved 5 times before and after maintenance. It was.

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、アノード２０、カソード３０およびカソード容器５０の形状は特に限定されず、燃料電池の大きさ、並びに所望の発電性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば任意に変更することができる。   Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present embodiment. Specifically, in the drawings, the shapes of the anode 20, the cathode 30, and the cathode container 50 are not particularly limited, and can be arbitrarily changed depending on the size of the fuel cell, desired power generation performance, and the like. Further, the area of each layer can be arbitrarily changed as long as a desired function can be exhibited.

１０１、１０２、１０３ 微生物燃料電池
１０ 電解液槽
２０ アノード
３０ カソード
３４ 気相
５０ カソード容器
６０ 液交換部
７０ 液絡部
７１ 開口部
７２ 蓋部材
８０ 仕切板
９０ 電解液
101, 102, 103 Microbial fuel cell 10 Electrolyte tank 20 Anode 30 Cathode 34 Gas phase 50 Cathode vessel 60 Liquid exchange part 70 Liquid junction part 71 Opening part 72 Lid member 80 Partition plate 90 Electrolyte

Claims (3)

電解液を保持する電解液槽と、
前記電解液槽の内部に設けられたアノードと、
前記電解液槽の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソードと、
前記電解液槽の内部で前記カソードを保持するカソード容器と、
前記カソード容器の内部の前記電解液を交換する液交換部と、を備え、
前記カソード容器は、前記カソード容器の内部と外部とを前記電解液が液絡する液絡部を有する
微生物燃料電池。 An electrolytic bath for holding the electrolytic solution;
An anode provided inside the electrolyte bath;
A cathode provided so that a gas containing oxygen contacts the inside of the electrolyte bath;
A cathode container holding the cathode inside the electrolyte bath;
A liquid exchanging part for exchanging the electrolytic solution inside the cathode container,
The cathode container is a microbial fuel cell in which the cathode container has a liquid junction part in which the electrolytic solution has a liquid junction between the inside and the outside of the cathode container. 前記液絡部は、前記カソード容器の一面を開口して設けられた開口部であり、前記開口部は開閉可能な蓋部材が設けられた
請求項１に記載の微生物燃料電池。 The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the liquid junction is an opening provided by opening one surface of the cathode container, and the opening is provided with a lid member that can be opened and closed. 前記電解液は、イオン透過膜７３を介して前記液絡部を液絡する
請求項２または３に記載の微生物燃料電池。
The microbial fuel cell according to claim 2 or 3, wherein the electrolytic solution has a liquid junction with the liquid junction through an ion permeable membrane 73.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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