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微生物燃料電池用電極及びそれを用いた微生物燃料電池

国内特許コード P150011402
整理番号 E089P20
掲載日 2015年2月24日
出願番号 特願2012-544122
登録番号 特許第5494996号
出願日 平成23年5月16日(2011.5.16)
登録日 平成26年3月14日(2014.3.14)
国際出願番号 JP2011061199
国際公開番号 WO2012066806
国際出願日 平成23年5月16日(2011.5.16)
国際公開日 平成24年5月24日(2012.5.24)
優先権データ
  • 特願2010-257390 (2010.11.18) JP
発明者
  • 橋本 和仁
  • 渡邉 一哉
  • 趙 勇
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 微生物燃料電池用電極及びそれを用いた微生物燃料電池
発明の概要 微生物燃料電池において高出力電流を発生することが可能な微生物燃料電池用電極とそれを用いた微生物燃料電池の提供を目的とする。
微生物燃料電池のアノードとして、カーボンを含む電極基盤、及びその表面の全部又は一部に形成されたカーボンナノワイヤを有する微生物燃料電池用電極を提供する。これにより、該電極表面積が著しく増大し、電子導電性微生物と該電極との親和性が高まる結果、当該微生物から電極への電荷移動効率を飛躍的に増加することができる。
従来技術、競合技術の概要


従来の化石燃料に替わる新たな発電システムとして微生物燃料電池が注目を集めている。



微生物燃料電池とは、微生物の生物活性能力を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムである。微生物燃料電池は、燃料として有機排液、汚泥、食物残渣等の未利用のバイオマスを使用できることから、持続可能な発電システムであり、かつ発電に並行して有機廃棄物を分解処理できるという利点を有する。また、汚染物質を利用する能力を持つ微生物を使用すれば、汚染廃液の処理等の環境浄化も可能である。さらに、微生物自体が有機物から電子を取り出す生体触媒として機能するため、水素燃料電池等の従来の化学燃料電池のようなガス交換プロセス等を必要とせず、低コストで、極めて高いエネルギー変換効率を有するという利点もある。



一方、現在の微生物燃料電池は、出力電流密度が低いという大きな問題を有しており、実用的な発電力を得るにはさらなる改良を必要としている。一般に、微生物燃料電池における出力電流密度の増加は、微生物から電極への電荷移動効率に依存する。また、この電荷移動効率は、電極表面積及び電極特性に影響される。



そこで、上記問題を解決するために、例えば、HNQ(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone)等の電子メディエータ(電子伝達体)を電解槽に添加して微生物から電極への電子伝達効率を向上させることで出力電流密度を高めるという試みがなされている(非特許文献1)。しかし、電子メディエータは、それ自体が一般的に高価であり、また人体等に対して有害なものが多いという問題がある。さらに、得られる電流発生量も実用性の面では不十分である。



特許文献1では、電子蓄積型微生物変異体を用いて、さらに電極基盤となる炭素繊維にポリアニリンを塗布又はディッピングした微生物燃料電池が開示されている。炭素繊維を用いることで電極表面を増大させ、かつ電子メディエータとしてポリアニリンを被覆することで微生物から直接電子を効率よく抽出できるようにしたものである。しかし、この微生物燃料電池は、炭素繊維表面にポリアニリンの薄層被膜を形成しただけであり、微生物と電極の電子授受の向上にはさらなる改善の余地がある。

産業上の利用分野



本発明は、微生物燃料電池に用いる電極、より具体的には、表面にカーボンナノワイヤ構造を有するカーボンを含む電極基盤からなる電極、及びそれを用いた微生物燃料電池に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
カーボンを含む電極基盤、及びその表面の全部又は一部に形成されたカーボンナノワイヤからなる微生物燃料電池用電極であって、
前記電極基盤は、間隙及び/又は細孔を含む、繊維構造又は多孔質構造を有し、
前記間隙の長さ及び/又は幅、及び細孔の直径が6μm~20μmである、
前記微生物燃料電池用電極。

【請求項2】
カーボンナノワイヤの全部又は一部がナノワイヤネットワークを形成する、請求項1に記載の電極。

【請求項3】
電極基盤がグラファイトからなる、請求項1又は2に記載の電極。

【請求項4】
前記間隙又は細孔内に電子供与微生物を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の電極。

【請求項5】
請求項1~4のいずれか一項に記載の電極を用いた微生物燃料電池。

【請求項6】
請求項1~4のいずれか一項に記載の電極からなるアノード及び/又はカソード、
電解質溶液、及び
それらを収容する電解槽
を含んでなる、請求項5に記載の微生物燃料電池であって、
前記電解槽において、槽内の前記電解質溶液が、単一又は複数の種からなる電子供与微生物及び当該微生物の代謝に必要な栄養基質をさらに含む前記微生物燃料電池。

【請求項7】
カソードがガス透過性を有するエア・カソードで、かつ電解槽がアノード槽のみで構成される単槽構造を有する、請求項6に記載の微生物燃料電池。

【請求項8】
アノード又はカソードが設置される槽内に酸化還元メディエータ化合物、電子メディエータ及び/又は導電性微粒子をさらに含む、請求項6又は7に記載の微生物燃料電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2012544122thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 橋本光エネルギー変換システムプロジェクト 領域
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