JP6182020B2 - Microbial fuel cell in pipeline - Google Patents

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Description

本発明は、排水及び廃棄物等に含まれる有機性物質から、微生物の作用によって電気エネルギーを回収することができる微生物燃料電池に関する。   The present invention relates to a microbial fuel cell capable of recovering electrical energy from an organic substance contained in waste water and waste by the action of microorganisms.

近年、電極に触媒として機能する嫌気性微生物を担持させた燃料電池が、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として注目されている。この燃料電池は、微生物燃料電池と呼ばれている。微生物燃料電池では、排水及び廃棄物等に含まれる有機性物質を分解することによって、直接的に電気エネルギーを回収することが可能である。   In recent years, a fuel cell in which an anaerobic microorganism that functions as a catalyst is supported on an electrode has attracted attention as a next-generation fuel cell having a high capacity and high safety. This fuel cell is called a microbial fuel cell. In microbial fuel cells, it is possible to directly recover electrical energy by decomposing organic substances contained in waste water and waste.

上記微生物燃料電池の一例が、下記の特許文献１，２に開示されている。具体的には、特許文献１，２では、アノード（負電極）と、イオン透過性膜と、カソード（正電極）とがこの順で並べられており、かつアノードとカソードとが導線により接続されている微生物燃料電池が開示されている。   An example of the microbial fuel cell is disclosed in Patent Documents 1 and 2 below. Specifically, in Patent Documents 1 and 2, the anode (negative electrode), the ion permeable membrane, and the cathode (positive electrode) are arranged in this order, and the anode and the cathode are connected by a conducting wire. A microbial fuel cell is disclosed.

上記微生物燃料電池を使用する際には、アノードの表面上の空隙の流路に、嫌気性下で生育可能な微生物及び有機性物質を含む液を流す。また、カソードの表面上の流路に空気を流し、カソードに空気を接触させる。アノードでは、微生物により有機性物質から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）が生成される。水素イオンは、イオン透過性膜を透過して、カソード側に移動して、アノードとカソードとの間に電位差が生じる。この状態で、アノードとカソードとが導線によって接続され、閉回路が形成されていると、電位差電流が流れる。この結果、導線に流れる電気エネルギーを回収できる。 When the microbial fuel cell is used, a liquid containing microorganisms and organic substances that can grow under anaerobic conditions is caused to flow through the flow path of the gap on the surface of the anode. Further, air is caused to flow through the flow path on the surface of the cathode, and the air is brought into contact with the cathode. At the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) are generated from organic substances by microorganisms. Hydrogen ions permeate the ion-permeable membrane and move to the cathode side, causing a potential difference between the anode and the cathode. In this state, if the anode and the cathode are connected by a conducting wire to form a closed circuit, a potential difference current flows. As a result, the electric energy flowing through the conductor can be recovered.

特開２０１０−９７７２号公報JP 20109772 A ＷＯ２０１０／０４９９３６Ａ１WO2010 / 049936A1

特許文献１，２に記載のような従来の微生物燃料電池では、アノードとカソードとが一定の間隔を保持するように配置されている。このため、従来の微生物燃料電池を排水等が流れる流路等に設置した場合に、カソード等が水没したりして、電気エネルギーを回収できなくなることがある。   In the conventional microbial fuel cells as described in Patent Documents 1 and 2, the anode and the cathode are arranged so as to maintain a constant interval. For this reason, when a conventional microbial fuel cell is installed in a flow path or the like through which drainage or the like flows, the cathode or the like may be submerged and electric energy may not be recovered.

本発明の目的は、電気エネルギーの回収効率を高めることができる微生物燃料電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a microbial fuel cell capable of increasing the recovery efficiency of electric energy.

本発明の広い局面によれば、有機性物質を含む液と、前記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、第１の表面及び前記第１の表面とは反対側に第２の表面を有し、前記第１の表面が、前記有機性物質を含む液と接し、かつ前記第２の表面が、空気と接するように、前記有機性物質を含む液の液面上に配置されたカソードと、前記アノードと前記カソードとを接続している導線とを備え、前記アノードと前記カソードとの間隔が変動可能である、微生物燃料電池が提供される。   According to a wide aspect of the present invention, a liquid containing an organic substance, an anode disposed in the liquid containing the organic substance, a second surface on the opposite side of the first surface and the first surface, And a first surface is in contact with the liquid containing the organic substance, and the second surface is arranged on a liquid surface of the liquid containing the organic substance so that the second surface is in contact with air. There is provided a microbial fuel cell comprising a cathode and a conductive wire connecting the anode and the cathode, wherein the distance between the anode and the cathode is variable.

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記有機性物質を含む液の液面の位置の変動に追随して、前記アノードと前記カソードとの間隔が変動可能である。   In a specific aspect of the microbial fuel cell according to the present invention, the distance between the anode and the cathode can be changed following the change in the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance.

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記微生物燃料電池は、前記有機性物質を含む液の液面の位置の変動に追随して、前記アノードと前記カソードとの間隔を変動させるための間隔変動部材をさらに備える。   In a specific aspect of the microbial fuel cell according to the present invention, the microbial fuel cell changes a distance between the anode and the cathode following a change in a position of a liquid surface of the liquid containing the organic substance. And an interval changing member.

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記間隔変動部材は、前記カソードを前記有機性物質を含む液の液面上に浮かばせるための浮遊性部材である。   On the specific situation with the microbial fuel cell which concerns on this invention, the said space | interval fluctuation | variation member is a floating member for making the said cathode float on the liquid level of the liquid containing the said organic substance.

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記微生物燃料電池は、前記有機性物質を含む液が流れる流路を有し、前記流路における前記アノードよりも下流側に、堰を備える。   On the specific situation with the microbial fuel cell which concerns on this invention, the said microbial fuel cell has a flow path through which the liquid containing the said organic substance flows, and is provided with a weir in the downstream from the said anode in the said flow path. .

本発明に係る微生物燃料電池のある特定の局面では、前記微生物燃料電池は、下水管路に設置して用いられる。   In a specific aspect of the microbial fuel cell according to the present invention, the microbial fuel cell is used by being installed in a sewer line.

本発明に係る微生物燃料電池は、有機性物質を含む液と、上記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、第１の表面及び上記第１の表面とは反対側に第２の表面を有し、上記第１の表面が、上記有機性物質を含む液と接し、かつ上記第２の表面が、空気と接するように、上記有機性物質を含む液の液面上に配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとを接続している導線とを備えており、更に上記アノードと上記カソードとの間隔が変動可能であるので、電気エネルギーの回収効率を高めることができる。   The microbial fuel cell according to the present invention includes a liquid containing an organic substance, an anode disposed in the liquid containing the organic substance, a second surface on the opposite side of the first surface and the first surface. And a first surface is in contact with the liquid containing the organic substance, and the second surface is arranged on a liquid surface of the liquid containing the organic substance such that the second surface is in contact with air. The cathode and the conducting wire connecting the anode and the cathode are further provided, and the distance between the anode and the cathode can be varied, so that the recovery efficiency of electric energy can be increased.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to the first embodiment of the present invention. 図２は、本発明の第１の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the microbial fuel cell according to the first embodiment of the present invention. 図３は、本発明の第２の実施形態に係る微生物燃料電池を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明に係る微生物燃料電池は、有機性物質を含む液と、アノードと、カソードと、導線とを備える。上記アノードは、上記有機性物質を含む液内に配置されている。上記カソードは、第１の表面と、上記第１の表面とは反対側に第２の表面とを有する。上記第１の表面が、上記有機性物質を含む液と接し、かつ上記第２の表面が、空気と接するように、上記カソードは、上記有機性物質を含む液の液面上に配置されている。上記導線は、上記アノードと上記カソードとを接続している。   The microbial fuel cell according to the present invention includes a liquid containing an organic substance, an anode, a cathode, and a conductive wire. The anode is disposed in a liquid containing the organic substance. The cathode has a first surface and a second surface opposite to the first surface. The cathode is disposed on the liquid surface of the liquid containing the organic substance so that the first surface is in contact with the liquid containing the organic substance and the second surface is in contact with air. Yes. The conducting wire connects the anode and the cathode.

本発明に係る微生物燃料電池では、上記アノードと上記カソードとの間隔が変動可能である。   In the microbial fuel cell according to the present invention, the distance between the anode and the cathode can be varied.

本発明に係る微生物燃料電池における上述した構成の採用によって、電気エネルギーの回収効率を高めることができる。特に、上記有機性物質を含む液の液面の位置が変動したとしても、電気エネルギーの回収効率を高く維持できる。   By adopting the above-described configuration in the microbial fuel cell according to the present invention, the recovery efficiency of electric energy can be increased. In particular, even if the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance fluctuates, the recovery efficiency of electric energy can be maintained high.

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。   Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.

図１，２は、本発明の第１の実施形態に係る微生物燃料電池１を模式的に示す断面図である。図１，２では、微生物燃料電池１は、管５１内に配置されている。図１は、管５１の長さ方向と直交する方向における断面図であり、径部分の断面図である。図２は、管５１の長さ方向における断面図である。図１では、管５１内における流れ方向については、手前が上流側、奥が下流側である。図２では、管５１内における流れ方向については、右が上流側、左が下流側である。   1 and 2 are cross-sectional views schematically showing a microbial fuel cell 1 according to a first embodiment of the present invention. 1 and 2, the microbial fuel cell 1 is disposed in a pipe 51. FIG. 1 is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the length direction of the tube 51, and is a cross-sectional view of a radial portion. FIG. 2 is a cross-sectional view of the tube 51 in the length direction. In FIG. 1, with respect to the flow direction in the pipe 51, the front side is the upstream side and the back side is the downstream side. In FIG. 2, regarding the flow direction in the pipe 51, the right is the upstream side and the left is the downstream side.

微生物燃料電池１は、有機性物質を含む液１１と、アノード１２と、カソード１３と、導線１４とを備える。   The microbial fuel cell 1 includes a liquid 11 containing an organic substance, an anode 12, a cathode 13, and a conductive wire 14.

管５１内には、有機性物質を含む液１１が配置されている。有機性物質を含む液１１は、管５１の底部に配置されている。管５１は、内部空間を有し、外壁部材である。有機性物質を含む液１１は、管５１の底部を流れることが好ましい。管５１の底部において、有機性物質を含む液１１は、堆積物１１Ａを含有する。堆積物１１Ａは液中に存在しており、堆積物１１Ａは、有機性物質を含む液１１の一部である。堆積物１１Ａでは、有機性物質の濃度が高くなる。   A liquid 11 containing an organic substance is disposed in the pipe 51. The liquid 11 containing an organic substance is disposed at the bottom of the tube 51. The pipe 51 has an internal space and is an outer wall member. The liquid 11 containing an organic substance preferably flows through the bottom of the pipe 51. At the bottom of the tube 51, the liquid 11 containing an organic substance contains a deposit 11A. The deposit 11A is present in the liquid, and the deposit 11A is a part of the liquid 11 containing an organic substance. In the deposit 11A, the concentration of the organic substance increases.

上記有機性物質を含む液としては特に限定されないが、排水、廃液、し尿、食品廃棄物、その他の有機性廃棄物及び汚泥等が挙げられる。上記微生物燃料電池は、エネルギーを回収可能な廃液処理装置として好適に用いられる。   Although it does not specifically limit as a liquid containing the said organic substance, Waste water, waste liquid, human waste, food waste, other organic waste, sludge, etc. are mentioned. The microbial fuel cell is preferably used as a waste liquid treatment apparatus capable of recovering energy.

上記微生物としては、嫌気性微生物及び好気性微生物が挙げられる。微生物は、嫌気性微生物であることが好ましい。嫌気性微生物は、嫌気性下で生育可能である。微生物は、好気性微生物であってもよい。   Examples of the microorganism include anaerobic microorganisms and aerobic microorganisms. The microorganism is preferably an anaerobic microorganism. Anaerobic microorganisms can grow under anaerobic conditions. The microorganism may be an aerobic microorganism.

上記微生物としては、微生物の細胞膜内で電子伝達系を終結しない微生物が望ましく、細胞膜外で電子をアノードで捕捉しやすく、アノードへの電子伝達を触媒する微生物を利用することが望ましい。上記微生物として、硫黄Ｓ（０）還元菌、三価鉄Ｆｅ（ＩＩＩ）還元菌、二酸化マンガンＭｎＯ２還元菌、脱塩素菌などが好ましく用いられる。上記微生物として、例えばＤｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓ ｓｐ．、Ｄｅｓｕｌｆｉｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｓｐ．、Ｇｅｏｂｉｖｒｉｏ ｔｈｉｏｐｈｉｌｕｓ ｓｐ．、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｉｏｓｕｌｆａｔｉｒｅｄｕｃｅｎｓ ｓｐ．、Ｔｈｅｒｍｏｔｅｒｒａｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ ｓｐ．、Ｇｅｏｔｈｒｉｘ ｓｐ．、Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ ｓｐ．、Ｇｅｏｇｌｏｂｕｓ ｓｐ．、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ ｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ ｓｐ．などが特に好ましく用いられる。これらの微生物は、有機性物質中において主要な微生物ではないこともある。このため、アノードにこれらの微生物を植菌し、アノードにこれらの微生物を担持させてもよい。 The microorganism is preferably a microorganism that does not terminate the electron transfer system in the cell membrane of the microorganism, and it is desirable to use a microorganism that easily captures electrons outside the cell membrane at the anode and catalyzes electron transfer to the anode. As the microorganism, sulfur S (0) reducing bacteria, trivalent iron Fe (III) reducing bacteria, manganese dioxide MnO 2 reducing bacteria, dechlorinating bacteria, and the like are preferably used. Examples of the microorganism include Desulfuromonas sp. Desulfitobacterium sp. Geobivio thiophilus sp. Clostridium thiosulfatireducens sp. Thermoterabacterium ferrireducens sp. Geothrix sp. Geobacter sp. Geoglobus sp. , Shewanella putreffaciens sp. Etc. are particularly preferably used. These microorganisms may not be major microorganisms in organic substances. Therefore, these microorganisms may be inoculated on the anode and these microorganisms may be supported on the anode.

管５１内には、アノード１２が配置されている。アノード１２は、有機性物質を含む液１１内に配置されている。アノード１２は、有機性物質を含む液１１及び堆積物１１Ａに浸漬されている。アノード１２は全体が、有機性物質を含む液１１内及び堆積物１１Ａ内に配置されている。アノード１２はシート状である。   An anode 12 is disposed in the tube 51. The anode 12 is disposed in the liquid 11 containing an organic substance. The anode 12 is immersed in the liquid 11 containing an organic substance and the deposit 11A. The anode 12 is entirely disposed in the liquid 11 containing the organic substance and the deposit 11A. The anode 12 has a sheet shape.

管５１内には、カソード１３が配置されている。カソード１３は、第１の表面１３ａと、第１の表面１３ａとは反対側に第２の表面１３ｂとを有する。第１の表面１３ａが、有機性物質を含む液１１と接している。第２の表面１３ｂが、空気と接している。このような状態となるように、カソード１３が、有機性物質を含む液１１の液面１１ａ上に配置されている。カソード１３は、有機性物質を含む液１１の液面１１ａ上に浮かんでいることが好ましい。カソード１３はシート状である。   A cathode 13 is arranged in the tube 51. The cathode 13 has a first surface 13a and a second surface 13b on the opposite side of the first surface 13a. The first surface 13a is in contact with the liquid 11 containing an organic substance. The second surface 13b is in contact with air. The cathode 13 is disposed on the liquid surface 11a of the liquid 11 containing an organic substance so as to be in such a state. It is preferable that the cathode 13 floats on the liquid surface 11a of the liquid 11 containing an organic substance. The cathode 13 has a sheet shape.

上記アノードは、例えば、微生物を担持可能であるとともに、有機性物質を含む液を通過可能である。上記アノードには、微生物が担持されてもよく、担持されていなくてもよい。上記アノードに微生物が担持されていない場合には、使用前又は使用時に、上記アノードに微生物が担持される。上記アノードに微生物が付着していることで、微生物により有機性物質から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）が生成可能になる。また、必要に応じて、上記アノードにメディエータ（電子伝達体）が担持されていてもよく、微生物にメディエータ（電子伝達体）を加えてもよい。 The anode can carry, for example, microorganisms and can pass a liquid containing an organic substance. The anode may or may not carry microorganisms. When microorganisms are not supported on the anode, the microorganisms are supported on the anode before or during use. When microorganisms are attached to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) can be generated from organic substances by the microorganisms. If necessary, a mediator (electron carrier) may be carried on the anode, and a mediator (electron carrier) may be added to the microorganism.

微生物を効果的に担持可能であるように、また上記有機性物質を含む液を通過可能であるように、上記アノードは、孔を有することが好ましく、多孔質体であることが好ましい。上記アノードの材料は、微生物を担持可能で導電性材料であれば特に限定されない。上記アノードの形態としては、網状体、織布、不織布、クロス及びフェルト等が挙げられる。上記アノードは、比表面積を高めるために表面処理されていてもよい。   The anode preferably has pores and is preferably a porous body so that microorganisms can be effectively supported and can pass through the liquid containing the organic substance. The material of the anode is not particularly limited as long as it is a conductive material capable of supporting microorganisms. Examples of the anode include nets, woven fabrics, nonwoven fabrics, cloths, felts, and the like. The anode may be surface treated to increase the specific surface area.

また、上記アノードは、高い導電性を有することが好ましい。上記アノードの材料としては、カーボンペーパー、カーボンフェルト、ポーラスカーボン、カーボンクロス（炭素織布）、金属メッシュ、及び金属メッシュにカーボンブラック又は炭素繊維をコーティングしたコーティング物等が挙げられる。上記金属メッシュとしては、ステンレス及びチタン等が挙げられる。   The anode preferably has high conductivity. Examples of the material for the anode include carbon paper, carbon felt, porous carbon, carbon cloth (carbon woven fabric), metal mesh, and a coated product obtained by coating the metal mesh with carbon black or carbon fiber. Examples of the metal mesh include stainless steel and titanium.

上記アノードの厚みは、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下である。上記アノードの厚みが上記下限以上であると、微生物をより一層効果的に担持可能である。上記アノードの厚みが上記上限以下であると、微生物による目詰まりがより一層生じ難くなる。   The thickness of the anode is preferably 50 μm or more, more preferably 2 mm or more, preferably 50 mm or less, more preferably 20 mm or less. When the thickness of the anode is equal to or more than the lower limit, microorganisms can be more effectively supported. If the thickness of the anode is less than or equal to the upper limit, clogging by microorganisms is further less likely to occur.

上記カソードの上記アノード側の表面と、上記アノードの上記カソード側の表面との間の間隔は、好ましくは５００ｍｍ以下、より好ましくは２００ｍｍ以下である。上記間隔が上記上限以下であると、水素イオン（Ｈ＋）がより一層効率的に移動する。 The distance between the anode-side surface of the cathode and the cathode-side surface of the anode is preferably 500 mm or less, more preferably 200 mm or less. When the interval is less than or equal to the upper limit, hydrogen ions (H + ) move more efficiently.

上記カソードは、導電性基材を有することが好ましい。上記導電性基材としては、カーボンペーパー、カーボンフェルト、ポーラスカーボン、カーボンクロス（炭素織布）、金属メッシュ、及び金属メッシュにカーボンブラック又は炭素繊維をコーティングしたコーティング物等が挙げられる。上記金属メッシュとしては、ステンレス及びチタン等が挙げられる。電極の導電性をより一層良好にする観点からは、上記導電性基材は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス、ステンレス、チタン又はカーボン被覆金属であることが好ましい。上記導電性基材は、１種のみが用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。   The cathode preferably has a conductive substrate. Examples of the conductive substrate include carbon paper, carbon felt, porous carbon, carbon cloth (carbon woven fabric), metal mesh, and a coated product obtained by coating the metal mesh with carbon black or carbon fiber. Examples of the metal mesh include stainless steel and titanium. From the viewpoint of further improving the conductivity of the electrode, the conductive substrate is preferably carbon paper, carbon felt, carbon cloth, stainless steel, titanium, or a carbon-coated metal. As for the said electroconductive base material, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.

上記カソードに用いられる上記導電性基材には、酸化還元触媒が坦持又は塗布されていることが好ましい。上記酸化還元触媒としては、白金等の貴金属触媒、鉄系触媒及びマンガン系触媒等が挙げられる。上記白金等の貴金属触媒を用いる場合には、酸化還元性能がより一層高くなる。上記鉄系触媒及び上記マンガン系触媒を用いる場合には、コストがより一層低くなる。上記酸化還元触媒は、１種のみが用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。   It is preferable that a redox catalyst is carried or coated on the conductive base material used for the cathode. Examples of the oxidation-reduction catalyst include noble metal catalysts such as platinum, iron-based catalysts, manganese-based catalysts, and the like. When the noble metal catalyst such as platinum is used, the redox performance is further enhanced. When using the iron-based catalyst and the manganese-based catalyst, the cost is further reduced. As for the said oxidation-reduction catalyst, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.

上記カソードに用いられる上記導電性基材の厚みは、好ましくは５０μｍ以上、好ましくは５ｍｍ以下である。上記導電性基材の厚みが上記下限以上であると、有機性物質を含む液が流れたり、有機性物質を含む液の液面の位置が変動したりしても、破損等がより一層生じ難くなる。上記導電性基材の厚みが上記上限以下であると、酸素透過性がより一層高くなる。   The thickness of the conductive substrate used for the cathode is preferably 50 μm or more, and preferably 5 mm or less. If the thickness of the conductive substrate is equal to or greater than the above lower limit, even if the liquid containing the organic substance flows or the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance fluctuates, damage or the like further occurs. It becomes difficult. When the thickness of the conductive substrate is not more than the above upper limit, the oxygen permeability is further increased.

上記カソードにおいて、上記有機性物質を含む液の液面との接触面（第１の表面）には、イオン透過性膜が設けられていることが好ましい。上記イオン透過性膜としては、不織布やカチオン交換膜等が挙げられる。上記カソードにおいて、空気との接触面（第２の表面）には、撥水層が設けられていることが好ましい。上記撥水層は、上記導電性基材に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂を塗布することにより形成されていてもよい。   In the cathode, an ion permeable film is preferably provided on a contact surface (first surface) with the liquid surface of the liquid containing the organic substance. Examples of the ion permeable membrane include a nonwoven fabric and a cation exchange membrane. In the cathode, a water repellent layer is preferably provided on a contact surface (second surface) with air. The water repellent layer may be formed by applying a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) to the conductive base material.

微生物燃料電池１は、アノード１２とカソード１３とを接続している導線１４を備える。導線１４は、外部回路２１に接続されている。アノード１２とカソード１３とが導線１４により接続されていることによって、閉回路が形成されているため、電位差電流が流れる。この結果、導線１４に流れる電気エネルギーを回収できる。   The microbial fuel cell 1 includes a conductive wire 14 that connects an anode 12 and a cathode 13. The conducting wire 14 is connected to the external circuit 21. Since the anode 12 and the cathode 13 are connected by the conducting wire 14, a closed circuit is formed, so that a potential difference current flows. As a result, the electric energy flowing through the conductive wire 14 can be recovered.

微生物燃料電池１は、アノード１２とカソード１３との対向した配置状態を維持するための移動規制部材１５をさらに備える。移動規制部材１５は、例えば、有機性物質を含む液１１の流れ等によって、その流れ方向にカソード１３が移動するのを規制する。カソード１３のアノード１２側の表面と、アノード１２とカソードとの対向した配置状態を維持するように、カソード１３の位置が、アノード１２の位置に対して、水平方向に移動するのを抑えることが好ましい。カソード１３を水平方向等に移動するのを抑えるための移動規制部材の構造は特に限定されない。上記移動規制部材は、上記カソードに接する堰き止め部材であってもよい。   The microbial fuel cell 1 further includes a movement restricting member 15 for maintaining the opposed arrangement state of the anode 12 and the cathode 13. The movement restricting member 15 restricts the movement of the cathode 13 in the flow direction due to, for example, the flow of the liquid 11 containing an organic substance. It is possible to prevent the position of the cathode 13 from moving in the horizontal direction with respect to the position of the anode 12 so as to maintain the surface on the anode 12 side of the cathode 13 and the arrangement state where the anode 12 and the cathode face each other. preferable. The structure of the movement restricting member for suppressing the movement of the cathode 13 in the horizontal direction or the like is not particularly limited. The movement restricting member may be a damming member in contact with the cathode.

伸縮可能な移動規制部材を用いて、カソードは吊り下げによって配置されていることが好ましい。また、伸縮可能な移動規制部材を用いて、カソードが吊り下げ配置されていることで、上記アノードの表面と上記カソードの表面との鉛直方向と直交する方向（水平方向）における移動を防ぐことができる。この結果、上記微生物燃料電池における電気エネルギーの回収効率がより一層高くなる。   It is preferable that the cathode is disposed by suspending using a movable movement restricting member. In addition, by using a movement restricting member that can be expanded and contracted, the cathode is suspended and prevented from moving in a direction (horizontal direction) perpendicular to the vertical direction between the surface of the anode and the surface of the cathode. it can. As a result, the electrical energy recovery efficiency in the microbial fuel cell is further increased.

上記移動規制部材は伸縮可能であることが好ましい。上記移動規制部材としては、バネ部材等が挙げられる。耐腐食性を高めることなどを目的として、バネ本体の表面が樹脂により被覆されたバネ部材を用いてもよい。上記移動規制部材は、上記管の内面に接続されていてもよく、上記管の内面と上記カソード又は上記カソードに接続された移動規制部材とに接続されていてもよい。上記移動規制部材によって、上記カソードが、上記管等の固定部材の内面に吊り下げられていてもよい。上記移動規制部材は、耐腐食性を有することが好ましい。   The movement restricting member is preferably extendable. Examples of the movement restricting member include a spring member. A spring member in which the surface of the spring body is coated with a resin may be used for the purpose of increasing the corrosion resistance. The movement restricting member may be connected to the inner surface of the tube, or may be connected to the inner surface of the tube and the cathode or the movement restricting member connected to the cathode. The cathode may be suspended from the inner surface of a fixing member such as the tube by the movement restricting member. The movement restricting member preferably has corrosion resistance.

微生物燃料電池１では、有機性物質を含む液１１の液面１１ａの位置の変動（上下移動など）に追随して、アノード１２とカソード１３との間隔が変動可能（上下移動が可能など）であることが好ましい。微生物燃料電池１では、有機性物質を含む液１１の液面１１ａの位置の変動に追随して、アノード１２とカソード１３との間隔が変動するように、カソード１３が移動可能であることが好ましい。   In the microbial fuel cell 1, the distance between the anode 12 and the cathode 13 can be changed (eg, can be moved up and down) following the change in the position of the liquid surface 11 a of the liquid 11 containing an organic substance (eg, up and down movement). Preferably there is. In the microbial fuel cell 1, it is preferable that the cathode 13 is movable so that the distance between the anode 12 and the cathode 13 changes following the change in the position of the liquid surface 11a of the liquid 11 containing the organic substance. .

微生物燃料電池１は、間隔変動部材１６をさらに備える。間隔変動部材１６は、有機性物質を含む液１１の液面１１ａの位置の変動に追随して、アノード１２とカソード１３との間隔を変動させるための部材である。間隔変動部材１６は、アノード１２とカソード１３との間隔が変動するように、カソード１３を移動させるための部材であることが好ましい。間隔変動部材１６は、アノード１２とカソード１３との鉛直方向における間隔を変動させるための部材であることが好ましく、カソード１３を鉛直方向に移動させるための部材であることが好ましい。   The microbial fuel cell 1 further includes an interval varying member 16. The interval changing member 16 is a member for changing the interval between the anode 12 and the cathode 13 following the change in the position of the liquid surface 11a of the liquid 11 containing an organic substance. The interval varying member 16 is preferably a member for moving the cathode 13 so that the interval between the anode 12 and the cathode 13 varies. The interval changing member 16 is preferably a member for changing the interval between the anode 12 and the cathode 13 in the vertical direction, and is preferably a member for moving the cathode 13 in the vertical direction.

上記移動規制部材としては、位置が固定されたシャフト部材と、シャフト部材上に備えられシャフトの軸方向に移動可能な可動子部材とから構成されていてもよい。上記シャフト部材は上記管の内面に接続され、上記カソードは上記可動子部材に接続される。上記アノードと上記カソードの距離を最短に保つために、上記シャフト部材の軸が略鉛直方向に設置されていることが好ましい。   The movement restricting member may be composed of a shaft member whose position is fixed and a movable member that is provided on the shaft member and is movable in the axial direction of the shaft. The shaft member is connected to the inner surface of the tube, and the cathode is connected to the mover member. In order to keep the distance between the anode and the cathode as short as possible, it is preferable that the shaft of the shaft member is installed in a substantially vertical direction.

このように、上記微生物燃料電池は、上記有機性物質を含む液の液面の位置の変動に追随して、上記アノードと上記カソードとの間隔を変動させるための間隔変動部材をさらに備えることが好ましい。上記間隔変動部材の使用により、上記有機性物質を含む液の液面が変動しても、上記カソードが上記有機性物質を含む液中に浸漬して空気に接しなくなったり、上記カソードが上記有機性物質を含む液に接しなくなったりするのを防ぐことができ、発電を継続して行うことができる。   As described above, the microbial fuel cell further includes an interval changing member for changing the interval between the anode and the cathode following the change in the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance. preferable. Even if the liquid level of the liquid containing the organic substance fluctuates due to the use of the interval changing member, the cathode is immersed in the liquid containing the organic substance and does not come into contact with air, or the cathode It can be prevented from coming into contact with liquids containing active substances, and power generation can be continued.

間隔変動部材１６は、浮遊性部材であることが好ましい。上記浮遊性部材は、カソード１３を、有機性物質を含む液１１の液面１１ａ上に浮かばせるための部材である。   The interval varying member 16 is preferably a floating member. The floating member is a member for floating the cathode 13 on the liquid surface 11a of the liquid 11 containing an organic substance.

このように、上記微生物燃料電池は、上記カソードを、上記有機性物質を含む液の液面上に浮かばせるための浮遊性部材を備えることが好ましい。上記浮遊性部材の使用により、上記カソードが上記有機性物質を含む液中に浸漬されるのを防ぐことができ、上記カソードの上記第２の表面に、空気をより一層確実に接触させることができる。   Thus, it is preferable that the microbial fuel cell includes a floating member for floating the cathode on the liquid surface containing the organic substance. By using the floating member, the cathode can be prevented from being immersed in the liquid containing the organic substance, and air can be more reliably brought into contact with the second surface of the cathode. it can.

上記浮遊性部材は、上記有機物質を含む液に浮遊可能である。上記浮遊性部材は、耐水性を有することが好ましく、水に溶解しないことが好ましい。上記浮遊性部材としては、発泡部材等が挙げられる。上記発泡部材の材料としては、発泡スチロール等が挙げられる。上記カソードは、上記有機性物質を含む液の液面の位置が変動した場合でも、上記第１の表面が上記液面に接し、上記第２の表面が空気に接するように配置されていることが好ましい。この観点から、上記浮遊性部材を用いることが好ましい。   The floating member can float in a liquid containing the organic substance. The floating member preferably has water resistance, and preferably does not dissolve in water. Examples of the floating member include a foam member. Examples of the material for the foamed member include polystyrene foam. The cathode is disposed so that the first surface is in contact with the liquid surface and the second surface is in contact with air even when the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance fluctuates. Is preferred. From this viewpoint, it is preferable to use the floating member.

上記カソードと上記浮遊性部材とは接続されていることが好ましい。上記カソードと浮遊性部材との接続方法としては、接着剤を用いる方法、及びボルト、ナット又はねじを用いる方法等が挙げられる。   The cathode and the floating member are preferably connected. Examples of the method for connecting the cathode and the floating member include a method using an adhesive and a method using a bolt, a nut or a screw.

微生物燃料電池１は、有機性物質を含む液１１が流れる流路Ｐを有する。流路Ｐにおけるアノード１２よりも下流側（図１では、奥側、図２では左側）に、堰１７をさらに備える。   The microbial fuel cell 1 has a flow path P through which a liquid 11 containing an organic substance flows. A weir 17 is further provided on the downstream side of the anode 12 in the flow path P (the back side in FIG. 1, the left side in FIG. 2).

このように、上記微生物燃料電池は、上記流路における上記アノードよりも下流側に、堰をさらに備えることが好ましい。上記堰は、上記有機性物質を含む液中の上記堆積物を堰き止める作用を有する。また、上記堰は、例えば、上記アノードの流出を防ぐ作用を有する。上記堆積物（有機性物質）を堰き止めることで、上記アノードに上記有機性物質を効果的に接触させることが可能である。この結果、上記微生物燃料電池における電気エネルギーの回収効率がより一層高くなる。   Thus, it is preferable that the microbial fuel cell further includes a weir on the downstream side of the anode in the flow path. The weir has an action of damming up the deposit in the liquid containing the organic substance. Moreover, the said weir has the effect | action which prevents the outflow of the said anode, for example. By blocking the deposit (organic substance), the organic substance can be effectively brought into contact with the anode. As a result, the electrical energy recovery efficiency in the microbial fuel cell is further increased.

上記アノードの単位面積当たりの発電量は、上記有機性物質の濃度が高いほど大きくなる。上記堰の配置によって、有機性物質の濃度を高めることができる。上記堰は、耐水性、耐腐食性を有することが好ましい。上記堰は、上記有機性物質を含む液が流れる際に、変形及び破壊されないように、高い強度を有することが好ましい。上記堰の材料としては、塩化ビニル樹脂、繊維強化プラスチック樹脂、ステンレスなどの金属、及び木材等が挙げられる。   The power generation amount per unit area of the anode increases as the concentration of the organic substance increases. The concentration of the organic substance can be increased by the arrangement of the weirs. The weir preferably has water resistance and corrosion resistance. The weir preferably has a high strength so that it does not deform and break when the liquid containing the organic substance flows. Examples of the material of the weir include vinyl chloride resin, fiber reinforced plastic resin, metal such as stainless steel, and wood.

上記アノードに有機性物質をより一層効果的に浸漬させる観点からは、上記堰の高さは、アノードの厚みよりも厚いことが好ましく、上記堰の上面は、上記アノードの最上端よりも、鉛直方向において上方に位置していることが好ましい。上記アノードの目詰まりをより一層抑える観点からは、上記堰の高さは低い方がよい。従って、上記堰の高さは、好ましくは上記アノードの厚み（ｍｍ）＋１０ｍｍ以上、好ましくは上記アノードの厚み（ｍｍ）＋５０ｍｍ以下である。また、上記堰の上面の高さは、上記アノードの最上端よりも、鉛直方向において、１０ｍｍ以上で上方に位置していることが好ましく、５０ｍｍ以下で上方に位置していることが好ましい。   From the viewpoint of more effectively immersing the organic substance in the anode, the height of the weir is preferably thicker than the thickness of the anode, and the upper surface of the weir is more vertical than the uppermost end of the anode. It is preferable that it is located upward in the direction. From the viewpoint of further suppressing clogging of the anode, the height of the weir is preferably low. Therefore, the height of the weir is preferably not less than the anode thickness (mm) +10 mm, and preferably not more than the anode thickness (mm) +50 mm. Further, the height of the upper surface of the weir is preferably 10 mm or more and above the top end of the anode in the vertical direction, and preferably 50 mm or less and above.

図３に、第２の実施形態に係る微生物燃料電池１Ａを模式的に断面図で示す。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell 1A according to the second embodiment.

図３に示す微生物燃料電池１Ａと、微生物燃料電池１とでは同様の部材が用いられている。微生物燃料電池１と微生物燃料電池１Ａとで、部材等の配置箇所のみが異なる場合には、同一の符号を付して、その部材等の説明を省略する。   Similar members are used in the microbial fuel cell 1 </ b> A shown in FIG. 3 and the microbial fuel cell 1. When the microbial fuel cell 1 and the microbial fuel cell 1 </ b> A differ only in the location of the members and the like, the same reference numerals are given and the description of the members and the like is omitted.

微生物燃料電池１Ａは、マンホール６１内に配置されている。移動規制部材１５の一端は、マンホール６１（固定部材）の内面に接続されている。   The microbial fuel cell 1 </ b> A is disposed in the manhole 61. One end of the movement restricting member 15 is connected to the inner surface of the manhole 61 (fixing member).

微生物燃料電池１Ａはマンホール６１内に配置することで、アノード１２及びカソード１３のメンテナンス及び交換が必要な場合に、簡単に交換を実施することができる。また、微生物燃料電池１Ａをマンホール６１内に配置することで、外部回路２１の設置も容易である。   By disposing the microbial fuel cell 1 </ b> A in the manhole 61, when the maintenance and replacement of the anode 12 and the cathode 13 are necessary, replacement can be easily performed. In addition, the external circuit 21 can be easily installed by arranging the microbial fuel cell 1 </ b> A in the manhole 61.

上記微生物燃料電池は、電気エネルギーの回収効率が高いので、高容量でかつ安全性が高い次世代の燃料電池として有効利用することができる。また、上記微生物燃料電池は、環境負荷の低減に大きく寄与する。   Since the microbial fuel cell has a high electrical energy recovery efficiency, it can be effectively used as a next-generation fuel cell with high capacity and high safety. Moreover, the microbial fuel cell greatly contributes to the reduction of environmental load.

発電効率を高める観点からは、上記アノードと上記有機性物質を含む液との接触面積は大きいほどよい。また、水素イオンを効率的に移動させる観点からは、上記アノードと上記カソードとの間隔は、短いほどよい。   From the viewpoint of increasing power generation efficiency, the larger the contact area between the anode and the liquid containing the organic substance, the better. From the viewpoint of efficiently moving hydrogen ions, the shorter the distance between the anode and the cathode, the better.

一般に、従来、微生物燃料電池は、アノード及びカソードの面方向が鉛直方向となるように設置されることが多い。一方で、アノード及びカソードの面方向が鉛直方向と直交する方向となるように、微生物燃料電池を排水等が流れる流路にした場合には、アノードが排水等に接する面積が小さくなり、電気エネルギーの回収効率が低くなりやすい。   Generally, conventionally, microbial fuel cells are often installed such that the surface directions of the anode and the cathode are vertical. On the other hand, when the microbial fuel cell is a flow path through which drainage or the like flows so that the surface direction of the anode and the cathode is perpendicular to the vertical direction, the area where the anode is in contact with the drainage or the like is reduced, and the electric energy The recovery efficiency tends to be low.

従来、アノード及びカソードの面方向が水平方向となるように、微生物燃料電池を排水等が流れる流路にした場合には、流路内の有機性物質を含む液の液面の位置が変動するため、液面が高くなったときには、カソードが有機性物質を含む液に浸漬し、カソードが空気に接触しなくなって、発電が停止することがある。また、カソードが有機性物質を含む液に浸漬されないように、アノードとカソードとの間隔を充分に大きくした場合には、発電効率が低下するという問題がある。   Conventionally, when the microbial fuel cell is a flow path through which drainage or the like flows so that the surface direction of the anode and the cathode is horizontal, the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance in the flow path varies. For this reason, when the liquid level becomes high, the cathode is immersed in a liquid containing an organic substance, the cathode does not come into contact with air, and power generation may stop. Further, when the distance between the anode and the cathode is sufficiently increased so that the cathode is not immersed in the liquid containing the organic substance, there is a problem that the power generation efficiency is lowered.

これに対して、本発明では、有機性物質を含む液の液面の位置が変動したとしても、上記アノードと上記カソードとの間隔が変動可能であるために、発電効率を高く維持することができる。   On the other hand, in the present invention, even if the position of the liquid level of the liquid containing the organic substance fluctuates, the interval between the anode and the cathode can be varied, so that the power generation efficiency can be maintained high. it can.

また、排水路には、汚水が流れ、底部には、し尿、食品残渣及び微生物の死骸等が堆積して、嫌気性のヘドロ状堆積物層が形成されていることがある。特に流速が遅い底部には、ヘドロ状堆積物層が形成されやすい。この堆積物における有機性物質濃度は高い。この有機性物質が流出すると、水質汚濁及び悪臭の原因となる。また、これらの高濃度の有機性物質は、従来有効利用されていなかった。   In addition, sewage may flow in the drainage channel, and anaerobic sludge deposits may be formed in the bottom by depositing human waste, food residues, and dead bodies of microorganisms. In particular, a sludge deposit layer is likely to be formed at the bottom where the flow rate is slow. The organic substance concentration in this deposit is high. When this organic substance flows out, it causes water pollution and bad odor. In addition, these high-concentration organic substances have not been effectively used.

さらに、排水路では、環境保全及び防災の観点から、水位、流量、汚濁物質濃度等を常時測定、記録、監視、通信したいという要望がある。しかしながら、一般的には常時電源を確保することが困難であるため、そのような常時測定等は実施されていない。   Furthermore, in the drainage channel, there is a desire to constantly measure, record, monitor, and communicate the water level, flow rate, pollutant concentration, etc. from the viewpoint of environmental conservation and disaster prevention. However, since it is generally difficult to ensure a constant power supply, such constant measurement is not performed.

本発明では、上記微生物燃料電池を排水等が流れる流路に配置することで、汚水及び底部に堆積した有機性物質から効率的にエネルギーを取り出すことにより、堆積物などの汚濁物質濃度を低くすることができるのと同時に、微生物燃料電池から発生される電気エネルギーを排水等が流れる流路における各種のデータの常時測定、記録、監視、通信などのための電源として利用することが可能になる。   In the present invention, by disposing the microbial fuel cell in a flow path through which drainage or the like flows, energy is efficiently extracted from the sewage and the organic substance deposited on the bottom, thereby reducing the concentration of contaminants such as deposits. At the same time, the electric energy generated from the microbial fuel cell can be used as a power source for constant measurement, recording, monitoring, communication, etc. of various data in the flow path through which the drainage flows.

上記のような効果が得られることから、上記微生物燃料電池は、下水管路に設置して用いられることが好ましく、マスやマンホールを含む下水管路に設置して用いられることがより好ましい。   Since the above effects can be obtained, the microbial fuel cell is preferably used by being installed in a sewage pipeline, and more preferably by being installed in a sewage pipeline including a mass or a manhole.

１，１Ａ…微生物燃料電池
１１…有機性物質を含む液
１１Ａ…堆積物
１１ａ…液面
１２…アノード
１３…カソード
１３ａ…第１の表面
１３ｂ…第２の表面
１４…導線
１５…移動規制部材
１６…間隔変動部材
１７…堰
２１…外部回路
５１…管
６１…マンホール
Ｐ…流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A ... Microbial fuel cell 11 ... Liquid containing organic substance 11A ... Deposit 11a ... Liquid surface 12 ... Anode 13 ... Cathode 13a ... 1st surface 13b ... 2nd surface 14 ... Conductor 15 ... Movement control member 16 ... Interval changing member 17 ... Weir 21 ... External circuit 51 ... Pipe 61 ... Manhole P ... Flow path

Claims (12)

有機性物質を含む液と、
前記有機性物質を含む液が流れる流路を有する管路と、
前記有機性物質を含む液内に配置されたアノードと、
第１の表面及び前記第１の表面とは反対側に第２の表面を有し、前記第１の表面が、前記有機性物質を含む液と接し、かつ前記第２の表面が、空気と接するように、前記有機性物質を含む液の液面上に配置されたカソードと、
前記アノードと前記カソードとを接続している導線とを備え、
前記アノードと前記カソードとの間隔が変動可能である、管路内微生物燃料電池。 A liquid containing an organic substance;
A conduit having a flow path through which a liquid containing the organic substance flows;
An anode disposed in a liquid containing the organic substance;
A first surface and a second surface opposite to the first surface, wherein the first surface is in contact with a liquid containing the organic substance, and the second surface is air; A cathode disposed on a liquid surface of the liquid containing the organic substance,
A conductive wire connecting the anode and the cathode;
An in- pipe microbial fuel cell in which a distance between the anode and the cathode is variable. 前記有機性物質を含む液の液面の位置の変動に追随して、前記アノードと前記カソードとの間隔が変動可能である、請求項１に記載の管路内微生物燃料電池。 The in- pipe microbial fuel cell according to claim 1, wherein a distance between the anode and the cathode can be changed following a change in a position of a liquid surface of the liquid containing the organic substance. 前記有機性物質を含む液の液面の位置の変動に追随して、前記アノードと前記カソードとの間隔を変動させるための間隔変動部材をさらに備える、請求項１又は２に記載の管路内微生物燃料電池。 The pipe line according to claim 1, further comprising an interval changing member for changing the interval between the anode and the cathode following the change in the position of the liquid surface of the liquid containing the organic substance . Microbial fuel cell. 前記間隔変動部材は、前記カソードを前記有機性物質を含む液の液面上に浮かばせるための浮遊性部材である、請求項３に記載の管路内微生物燃料電池。 The in- pipe microbial fuel cell according to claim 3, wherein the interval varying member is a floating member for floating the cathode on a liquid surface of the liquid containing the organic substance. 前記浮遊性部材が、発泡部材である、請求項４に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to claim 4, wherein the floating member is a foamed member. 前記発泡部材の材料が、発泡スチロールである、請求項５に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to claim 5, wherein the material of the foamed member is foamed polystyrene. 前記カソードが移動するのを規制するための移動規制部材を備え、A movement restricting member for restricting movement of the cathode;
前記移動規制部材と前記カソードとが接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the movement regulating member and the cathode are connected. 前記移動規制部材が、伸縮可能である、請求項７に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to claim 7, wherein the movement restricting member is extendable. 前記移動規制部材が、バネ部材である、請求項７又は８に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to claim 7 or 8, wherein the movement regulating member is a spring member. 前記移動規制部材が、耐腐食性を有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の管路内微生物燃料電池。The in-pipe microbial fuel cell according to any one of claims 7 to 9, wherein the movement restricting member has corrosion resistance. 前記流路における前記アノードよりも下流側に、堰を備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の管路内微生物燃料電池。 Downstream of the anode before Kiryuro comprises a weir, conduit microbial fuel cell according to any one of claims 1-10. 前記管路が、下水管路である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の管路内微生物燃料電池。 The conduit is Ru sewer pipe der, conduit microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 11.
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