电极结构体及微生物燃料电池制造技术

电极结构体(10)具备具有透氧性的疏水层(1)和层叠在疏水层上并保持氧还原催化剂的导电体层(2)。进而，电极结构体具备层叠在导电体层的与层叠有疏水层的面(2a)成相反侧的面(2b)上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层(3)。通过这种构成，可以防止微生物行进到电极结构体内部，因此微生物燃料电池(100)能够稳定地生产电能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极结构体及微生物燃料电池
本专利技术涉及电极结构体及微生物燃料电池。详细地说，本专利技术涉及能够对废水进行净化且能够生成电能的电极结构体、及使用了该电极结构体的微生物燃料电池。
技术介绍
近年来，作为可持续能源，利用生物量进行发电的微生物燃料电池备受关注。微生物燃料电池是利用微生物的代谢能力、将有机物等转换成电能的装置，是一边进行有机物的处理一边能够进行能量回收的优异系统。但是，微生物所产生的电力非常小、所输出的电流密度低，因此需要进一步的改良。作为这种微生物燃料电池，以往公开了使用了将扩散层、由活性炭及炭黑形成的催化剂层、由不锈钢筛形成的导电体进行层叠而成的正极的电池(例如参照非专利文献1)。该微生物燃料电池中，扩散层按照与空气相接触的方式配置，导电体按照与被处理液相接触的方式配置。进而还记载了，活性炭作为对空气中的氧进行还原的催化剂发挥作用，设置在活性炭表面上的炭黑提高导电性、提高活性炭的作用。这种微生物燃料电池中，将对被处理液中的有机物进行分解的微生物担载在负极上或者浮游在被处理液中。现有技术文献非专利文献非专利文献1：XiaoyuanZhang著、等4名、“エンバイロメンタルサイエンスアンドテクノロジー(EnvironmentalScience&Technology)”、(美国)、2014年、第48卷、p.2075-2081
技术实现思路
这里，非专利文献1的微生物燃料电池中，由于构成催化剂层的活性炭的粒径大，因此形成于活性炭粒子之间的空隙比被处理液中的微生物尺寸还大。因而，微生物通过导电体及催化剂层而到达扩散层并附着，随着时间的经过，形成生物膜。进而发生如下情况：由于附着在催化剂层及扩散层上的微生物的呼吸，空气中的氧被消耗，另外由于附着的微生物，疏水性降低，向催化剂层的氧扩散性降低。结果，不能将氧充分地供给至催化剂层，催化剂层上的氧还原反应的反应量降低，同时伴随着氧供给浓度降低的浓度过电压上升，正极的电位降低。进而，由于附着在催化剂层上的微生物及其分泌物，催化剂层的催化活性点中毒。因此，具有微生物燃料电池的发电性能降低的问题。本专利技术鉴于这种现有技术所具有的技术问题而完成。进而，本专利技术的目的在于提供抑制发电性能的降低、能够稳定地生产电能的电极结构体、及使用了该电极结构体的微生物燃料电池。本专利技术第一方式的电极结构体具备：具有透氧性的疏水层；和层叠在疏水层上并保持氧还原催化剂的导电体层。进而，电极结构体具备层叠在导电体层的与层叠有疏水层的面成相反侧的面上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层。本专利技术第二方式的电极结构体具备：具有疏水性且保持氧还原催化剂的疏水性导电体层；和层叠在疏水性导电体层上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层。本专利技术第三方式的电极结构体具备：具有透氧性的疏水层；层叠在疏水层上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层；以及设置在过滤层上的辅助导电体。本专利技术第四方式的微生物燃料电池具备：担载微生物的负极；和由上述电极结构体形成的正极。附图说明图1为表示本专利技术第一实施方式的电极结构体之一例的概略截面图。图2为表示本专利技术第一实施方式的电极结构体的另一例的概略截面图。图3为表示本专利技术第二实施方式的电极结构体之一例的概略截面图。图4为表示本专利技术第二实施方式的电极结构体的另一例的概略截面图。图5为表示本专利技术第三实施方式的电极结构体之一例的概略截面图。图6为表示本专利技术第三实施方式的电极结构体的另一例的概略截面图。图7为表示本专利技术第四实施方式的电极结构体之一例的概略截面图。图8为表示本专利技术第四实施方式的电极结构体的另一例的概略截面图。图9为表示本专利技术实施方式的微生物燃料电池的立体图。图10为沿着图9中的A-A线的截面图。图11为表示上述微生物燃料电池中的燃料电池单元的分解立体图。图12为表示实施例1-1及实施例1-2以及比较例1-1的微生物燃料电池的输出功率维持率与时间的关系的曲线。图13为表示实施例2-1～实施例2-5及比较例2-1的微生物燃料电池的输出功率密度与经过天数的关系的曲线。图14为表示实施例3-1及比较例3-1的微生物燃料电池的稳态输出功率与经过天数的关系的曲线。图15为表示实施例3-1的微生物燃料电池中使用的电极结构体的扫描型电子显微镜照片。图16为放大表示实施例3-1的微生物燃料电池中使用的电极结构体的扫描型电子显微镜照片。具体实施方式以下详细地对本实施方式的电极结构体及使用了该电极结构体的微生物燃料电池进行说明。其中，附图的尺寸比例为了方便说明而有所夸张，有与实际比例不同的情况。[电极结构体](第一实施方式)本实施方式的电极结构体10如图1所示，具备：具有透氧性的疏水层1；层叠在疏水层1上的导电体层2；以及层叠在导电体层2的与层叠有疏水层1的面2a成相反侧的面2b上且具有多个连通孔的过滤层3。具体地说，电极结构体10按照导电体层2的面2a接触疏水层1的面1b的方式进行层叠，按照过滤层3的一个面1a接触位于导电体层2的与面2a成相反侧的另一个面2b的方式进行层叠。进而，当将电极结构体10用于微生物燃料电池或水处理装置中时，疏水层1的面1a的至少一部分露出至气相11，过滤层3的面3b与被处理液12接触。<疏水层>如图1所示，电极结构体10在导电体层2的面2a上设置有疏水层1。疏水层1由于具有疏水性，因此将作为液相的被处理液12与气相11分离。进而，通过设置疏水层1，可以抑制被处理液12向气相11侧移动。另外，这里所说的“分离”是指物理阻断。疏水层1与含氧的气相11相接触，对气相11中的气体进行扩散。进而，疏水层1在图1所示的构成中，将气体大致均匀地供给至导电体层2的面2a。因此，疏水层1优选为多孔质体以使得能够将该气体扩散。另外，由于疏水层1具有疏水性，因此可以抑制因结露等使多孔质体的细孔堵塞、从而气体的扩散性降低。另外，由于被处理液12难以渗入到疏水层1的内部，因此能够使氧有效地从疏水层1接触于气相11的面1a透过至与导电体层2相面对的面1b。疏水层1优选形成为多孔质状。构成疏水层1的材料只要具有疏水性、能够将气相11中的气体扩散则无特别限定。作为构成疏水层1的材料，例如可以使用选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、乙基纤维素、聚-4-甲基戊烯-1、丁基橡胶及聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的至少1个。这些材料由于易于形成多孔质体、而且疏水性也高，因此可以抑制细孔的堵塞、提高气体扩散性。另外，疏水层1优选在疏水层1及导电体层2的层叠方向X上具有多个连通孔。疏水层1为了提高疏水性，还可根据需要使用疏水剂实施疏水处理。具体地说，还可以使聚四氟乙烯(PTFE)等疏水剂附着在构成疏水层1的多孔质体上来提高疏水性。在图1所示的电极结构体10中，为了将气体有效地供给至导电体层2的面2a，优选疏水层1通过粘接剂与导电体层2相接合。即，疏水层1的面1b优选通过粘接剂与对向的导电体层2的面2a相接合。由此，可以将扩散的气体直接供给至导电体层2的面2a、有效地进行氧还原反应。粘接剂从确保疏水层1与导电体层2之间的粘接性的观点出发，优选设置在疏水层1与导电体层2之间的至少一部分。但是，从提高疏水层1与导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极结构体，其具备：具有透氧性的疏水层；层叠在所述疏水层上并保持氧还原催化剂的导电体层；以及层叠在所述导电体层的与层叠有所述疏水层的面成相反侧的面上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.13 JP 2015-0814461.一种电极结构体，其具备：具有透氧性的疏水层；层叠在所述疏水层上并保持氧还原催化剂的导电体层；以及层叠在所述导电体层的与层叠有所述疏水层的面成相反侧的面上、具有多个孔径为0.01μm～0.5μm的连通孔的过滤层。2.根据权利要求1所述的电极结构体，其中，所述导电体层在至少1个面上保持含有所述氧还原催化剂的催化剂层。3.根据权利要求1所述的电极结构体，其中，在所述导电体层的整体中保持有所述氧还原催化剂。4.根据权利要求1所述的电极结构体，其中，所述导电体层由具有导电性的氧还原催化剂形成。5.根据权利要求1～4中任一项所述的电极结构体，其中，所述过滤层具有电绝缘性及氢离子透过性。6.一种电极结构体，其具备：具有疏水性且保持氧还原催化剂的疏水性导电体层；和层叠在所述疏水性导电体层上、具有多个孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：釜井亮，吉川直毅，北出祐基，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP