微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种能够提高电力生产力并抑制发电成本的微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法、利用微生物的电力生产方法及在该电力生产方法中使用的微生物的选择性培养方法。在微生物发电装置(1)中，例如在栖息于废水、泥浆、活性污泥等内的微生物中，将氧化石墨烯还原的微生物(还原微生物(3))集聚。因此，氧化石墨烯被上述还原微生物(3)还原，因此生成石墨烯。通过生成的石墨烯能够将微生物产生的电子向负极(14)传递，因此能够提高电力生产力，并廉价地进行发电。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法
本专利技术涉及一种利用微生物进行发电的微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法、以及利用微生物的电力生产方法及该电力生产方法所使用的微生物的选择性培养方法，尤其是涉及一种能够使用石墨烯提高电力生产力的微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法、利用微生物的电力生产方法及该电力生产方法所使用的微生物的选择性培养方法。
技术介绍
近年来，对于考虑了地球环境的发电方法的需求升高，微生物发电的技术开发也不断发展。微生物发电是将微生物对有机物进行氧化分解(代谢)时产生的还原力(电子)作为电流取出来发电的方法。即，微生物发电装置是以微生物为催化剂的燃料电池。例如，微生物发电装置具备收纳有负极、微生物、作为基质的有机物的负极室、将正极包裹在内的正极室，负极室和正极室由阳离子能够透过的隔膜分隔。负极与正极经由外部电路而连接，由此转移到负极的电子向正极移动，向与正极相接的电子受体转移。通过这样的电子的移动而在正极与负极之间产生电流，能够将电力向外部取出。在此，以往的微生物发电装置比化学性的燃料电池的电力生产能力低。因此，为了使电力生产量增大，将电子传递物质(电子中介物)向负极室内添加。电子中介物经由细胞膜而在微生物的体内外往来，将在微生物体内接收到电子的电子向电极移送，或者将向细胞外放出的电子移送至电极。作为这样的电子中介物，多使用醌类等。另一方面，由于微生物发电装置对有机物进行分解并生产电力，因此提出了与通过微生物对废水中的有机物进行分解的净化处理进行组合，一边进行净化处理一边进行发电的发电系统(例如，参照专利文献1、2)。一般的废水处理对大量的废水进行处理，因此若为了提高电力生产量而欲使用电子中介物，则大量地需要昂贵的电子中介物。而且，对于向系统外放出的电子中介物必须持续补充，因此发电成本高涨。而且，电子中介物多具备毒性，无法容易地使用电子中介物。因此，研究了取代电子中介物而使用了含有氧化铁等的导电性微粒子的微生物发电装置(例如，参照专利文献3)。另外，作为使电力生产力提高的手法，研究了电池材料使用纳米碳材料的情况。纳米碳材料是优异的导电材料，而且化学性上稳定，因此作为电池材料而引起注目，例如，报告了使用在石墨或碳布的基本电极使碳纳米管或石墨烯等导电性材料进行修饰这样的纳米技术的负极(例如，参照非专利文献1、2)。而且，报告了使物理化学性地合成的片状的石墨烯片包含在溶胶凝胶基质中，并使用石墨烯作为从酶向电极的电子传递物质(流动性电极)，由此以葡萄糖氧化酶为催化剂的酶电池的电力生产活跃(例如，参照非专利文献3)。在先技术文献专利文献专利文献1：日本特开2006-81963号公报专利文献2：日本特开2006-114375号公报专利文献3：WO2009/119846号公报非专利文献非专利文献1：Zhao,Y.,Nakanishi、S.,Watanabe、K.,Hashimoto,K.(2011).Hydroxylatedandaminatedpolyanilinenanowirenetworksforimprovinganodeperformanceinmicrobialfuelcells.JournalofBioscienceandBioengineering.112：63-66非专利文献2：Zhang,Y.,Mo,G.,Li,X.,Zhang、W.,Zhang,J.、Ye、J.,Huang,X.,Yu,C.(2011)Agraphenemodifiedanodetoimprovetheperformanceofmicrobialfuelcells.JournalofPowerSources196：5402-5407.非专利文献3：Liu,C.,S.Alwarappan、etal.(2010)."Membranelessenzymaticbiofuelcellsbasedongraphenenanosheets."BiosensorsandBioelectronics25(7)：1829-1833.
技术实现思路
专利技术要解决的课题然而，在以往的微生物发电装置中，取出的电力比氢燃料电池等化学燃料电池显著降低，在实用时存在需要进一步的电力生产量的提高这样的问题点。而且，如非专利文献1至3所示那样若使用纳米碳材料，则虽然能够提高电池特性，但是纳米碳材料的制造要求高度的技术，难以低成本地量产导电性优异的纳米碳材料。因此，纳米碳材料的使用会使成本上升，存在越成为大型的发电装置而成本越扩大的问题点。而且，非专利文献1及2公开的技术本来是在反应槽整体内存在的微生物之中，从与负极接触的微小的微生物进行集电的构造，因此即使通过负极的改良而将电池性能改良，也存在难以大幅提高电力生产这样的问题点。另外，在非专利文献3公开的酶电池的技术中，斥水性石墨烯在水溶液之中难以分散并高效地与作为催化剂的酶接触，因此使用了酶电池的验证试验所示的效果被限定为石墨烯非投入系统的2倍左右。因此，即使将该技术单纯地适用于微生物发电装置，也无法大幅地提高电力生产，其结果是，无法提供低成本且具备充分的电力生产力的现实能够利用的微生物发电装置。本专利技术为了解决上述问题点而作出，目的尤其在于提供一种能够提高电力生产力并抑制发电成本的微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法、利用微生物的电力生产方法及该电力生产方法所使用的微生物的选择性培养方法。解决方案为了实现该目的，微生物发电装置的专利技术的第一结构具备负极部、正极部及外部电路，所述负极部具有包含有机性物质的液体和负极并在厌氧气氛下通过微生物对有机性物质进行生物降解，所述正极部具有正极，所述外部电路将所述正极与所述负极电连接，所述微生物发电装置经由该外部电路从所述负极部向所述正极部移送电子而进行发电，所述微生物发电装置中，所述负极部具备石墨烯。需要说明的是，在负极部内可以与包含有机性物质的液体一起包含污泥、泥浆、水域堆积物等固态物，也可以仅保持液体。而且，在与液体一起保持固态物时，可以是固体成分比液体成分的体积比例大的状态，例如，可以是含有水分的土壤的状态。而且，在厌氧气氛下微生物进行生物降解的有机性物质可以为了维持微生物的活动而从外部适当供给，也可以通过在微生物发电装置内栽植植物等而利用从该植物放出的有机性物质。微生物发电装置的专利技术的第二结构以所述第一结构为基础，所述石墨烯是在液体中利用微生物将氧化石墨烯还原而生成的石墨烯。微生物发电装置的专利技术的第三结构以所述第一或第二结构为基础，所述石墨烯是利用所述负极部内的微生物将导入到所述负极部的氧化石墨烯还原而生成的石墨烯。微生物发电装置的专利技术的第四结构以所述第二或第三结构为基础，所述石墨烯在附着有将氧化石墨烯还原的微生物的状态下形成疏密的聚集结构。微生物发电装置的专利技术的第五结构以所述第一至第四结构中的任一结构为基础，具有：供给口，供给包含有机性物质的液体；及排出口，供从所述供给口供给的液体在经过所述负极部及所述正极部之后排出，所述正极部具备形成为能够积存被供给的液体并向所述正极供给氧的氧供给单元，且所述正极部被导入有石墨烯。需要说明的是，“氧供给单元”例示了在将正极包裹于正极部时，在正极部设置开口而正极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物发电装置，具备负极部、正极部及外部电路，所述负极部具有包含有机性物质的液体和负极并在厌氧气氛下通过微生物对有机性物质进行生物降解，所述正极部具有正极，所述外部电路将所述正极与所述负极电连接，所述微生物发电装置经由所述外部电路从所述负极部向所述正极部移送电子而进行发电，其特征在于，所述负极部具备石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.16 JP 2011-2505571.一种微生物发电装置，具备负极部、正极部及外部电路，所述负极部具有包含有机性物质的液体和负极并在厌氧气氛下通过微生物对有机性物质进行生物降解，所述正极部具有正极，所述外部电路将所述正极与所述负极电连接，所述微生物发电装置经由所述外部电路从所述负极部向所述正极部移送电子而进行发电，其特征在于，所述负极部具备石墨烯，该石墨烯在附着有将氧化石墨烯还原的微生物的状态下形成疏密的凝集结构。2.根据权利要求1所述的微生物发电装置，其特征在于，所述石墨烯是在液体中利用微生物将氧化石墨烯还原而生成的石墨烯。3.根据权利要求1或2所述的微生物发电装置，其特征在于，所述石墨烯是利用所述负极部内的微生物将导入到所述负极部的氧化石墨烯还原而生成的石墨烯。4.根据权利要求1所述的微生物发电装置，其特征在于，所述负极部具有包含有机性物质且被投入了氧化石墨烯的土壤和负极，向所述正极部和所述负极部供给充分量的液体。5.根据权利要求1所述的微生物发电装置，其特征在于，具有：供给口，供给包含有机性物质的液体；及排出口，供从所述供给口供给的液体在经过所述负极部及所述正极部之后排出，所述正极部具备形成为能够积存被供给的液体并向所述正极供给氧的氧供给单元，且所述正极部被导入有石墨烯。6.根据权利要求5所述的微生物发电装置，其特征在于，具备：积存槽，积存从所述正极部排出的液体；放...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉田奈央子，平石明，阿达尔什·桑德赫，岩佐精二，冈田浩，手老龙吾，长尾祐二，
申请(专利权)人：国立大学法人丰桥技术科学大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP