微生物燃料电池制造技术

微生物燃料电池(1)具有负极(10)、和与负极相对置的正极(20)，其中，负极(10)由层叠有多层石墨烯(12)的碳材料(11)构成，碳材料的沿石墨烯层叠方向(X)的露出表面的面积相对于碳材料的体积为1.0×10

Microbial fuel cell

Microbial fuel cell (1) has a negative pole (10) and a positive pole (20) opposite to the negative pole, in which the negative pole (10) consists of a carbon material (11) with multiple layers of graphene (12), and the exposed surface area of the carbon material along the direction of graphene stacking (X) is 1.0 *10 relative to the volume of the carbon material.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微生物燃料电池
本专利技术涉及一种微生物燃料电池。详细地说，本专利技术涉及一种能够净化废水、且生成电能的微生物燃料电池。
技术介绍
近年来，作为可持续能源，利用生物质而进行发电的微生物燃料电池引人注目。微生物燃料电池是一种利用微生物的代谢能力而将有机物等转换为电能的装置，是一种一面进行有机物的处理一面可以进行能量回收的优良的系统。不过，微生物所发的电力非常小，输出的电流密度较低，因而有必要进一步的改良。作为这样的微生物燃料电池，公开了一种具有增加了微生物附着量的电极的电池(参照专利文献1)。专利文献1公开了一种电极，其在电极基板内部或者其表面，具有平均孔径最大的孔的平均孔径为50μm＜Rmax≤1.5cm、且平均孔径最小的孔的平均孔径为10μm＜Rmin≤50μm的至少2种孔。另外，还公开了作为电极基板，使用由纤维素无纺布烧成并碳化而成的基板。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2014-93185号公报
技术实现思路
然而，专利文献1的电极基板由无纺布构成，因而碳纤维彼此之间的接点较多，导电性较低，所以微生物燃料电池的输出功率有可能降低。本专利技术是鉴于这样的现有技术所具有的课题而完成的。而且本专利技术的目的在于提供一种能够提高电极的导电性、从而使发电的输出功率得以提高的微生物燃料电池。为了解决上述的课题，本专利技术的方式涉及一种微生物燃料电池，其具有负极、和与负极相对置的正极，其中，所述负极由层叠有多层石墨烯的碳材料构成，碳材料的沿石墨烯层叠方向的露出表面的面积相对于碳材料的体积为1.0×10－5～20cm2/cm3。而且负极和正极浸渍于电解液中，正极的至少一部分在气相中露出。附图说明图1是表示本专利技术的实施方式的微生物燃料电池的一个例子的示意立体图。图2是沿着图1中的A-A线的剖视图。图3是表示本专利技术的实施方式的微生物燃料电池的一个例子的示意俯视图。图4是表示上述微生物燃料电池的燃料电池单元的分解立体图。图5(a)是表示上述微生物燃料电池中构成负极的碳材料的一个例子的立体图。图5(b)是沿着图5(a)中的B-B线的剖视图。图6(a)是表示上述微生物燃料电池中构成负极的碳材料的其它例子的立体图。图6(b)是沿着图6(a)中的C-C线的剖视图。图7是表示在碳材料中设置的贯通孔的形状的例子的概略图。图8是对于参考实施例以及参考比较例的试验片，表示基于循环伏安法的评价结果的图。图9是表示实施例1以及比较例1的微生物燃料电池的输出功率密度和电流密度之间的关系的图。图10是表示实施例2的露出表面积为0.36cm2/cm3、开口率为0％的石墨片材的照片。图11是表示实施例2的露出表面积为0.38cm2/cm3、开口率为0.3％的石墨片材的照片。图12是表示实施例2的露出表面积为0.48cm2/cm3、开口率为1.3％的石墨片材的照片。图13是表示实施例2的露出表面积为0.82cm2/cm3、开口率为5.1％的石墨片材的照片。图14是表示实施例2的露出表面积为1.26cm2/cm3、开口率为10％的石墨片材的照片。图15是表示实施例2的露出表面积为2.32cm2/cm3、开口率为22％的石墨片材的照片。图16是表示实施例2的露出表面积为1.07cm2/cm3、开口率为42％的石墨片材的照片。图17是表示实施例2的露出表面积为0.81cm2/cm3、开口率为68％的石墨片材的照片。图18是表示实施例2的微生物燃料电池的平均稳定输出功率和露出表面积之间的关系的图。具体实施方式下面就本实施方式的微生物燃料电池进行详细的说明。此外，为便于说明，附图的尺寸比例有所夸大，往往与实际的比例不同。[微生物燃料电池]如图1～图3所示，本实施方式的微生物燃料电池1具有多个由负极10、正极20以及离子移动层30构成的电极接合体40。微生物燃料电池1如图2所示，被配置为使负极10与离子移动层30的一个面30a接触，并被配置为使正极20与离子移动层30的面30a的相反侧的面30b接触。进而如图4所示，2片电极接合体40以正极20彼此之间相对置的方式，经由盒式基材50而层叠在一起。盒式基材50为沿着正极20的面20a的外周部的U字状的框构件，上部设置有开口。也就是说，盒式基材50是将2根第一柱状构件51的底面用第二柱状构件52连结而成的框构件。而且盒式基材50的侧面53与正极20的面20a的外周部接合在一起，从而抑制作为被处理液的电解液70从正极20的面20a的外周部向盒式基材50的内部漏出。而且如图2和图3所示，由2片电极接合体40和盒式基材50层叠而成的燃料电池单元60以形成与大气连通的气相2的方式配置于废水槽80的内部。在废水槽80的内部保持着电解液70，负极10、正极20以及离子移动层30浸渍于电解液70中。如后所述，正极20包含具有憎水性的憎水层21。因此，保持于废水槽80内部的电解液70与盒式基材50的内部隔开，由2片电极接合体40和盒式基材50形成的内部空间成为气相2。而且如图2所示，负极10和正极20分别与外部电路90进行电连接。(负极)本实施方式的负极10如图5(a)所示，具有由多层石墨烯层叠而成的片材状碳材料11。如图5(b)所示，在碳材料11中，石墨烯12沿着碳材料11的厚度方向(X方向)而层叠，石墨烯的碳六方网络平面(carbonhexagonalnetplane)沿着碳材料11的面方向(YZ方向)而排列。而且石墨烯的碳彼此之间的键合较强，因而碳材料11一方面具有高耐蚀性，另一方面在面方向(YZ方向)具有高导电性。碳材料11优选为石墨片材。石墨片材是将石墨加工成片材状的材料，具有高耐蚀性且电阻率与金属材料同等，因而兼顾耐久性和导电性。这样的石墨片材例如可以采用如下的方法而得到。首先，用酸对天然石墨实施化学处理，从而形成插入石墨的石墨烯12的层间的插入物。接着，通过在高温下对其快速加热，从而得到利用因层间插入物的热分解引起的气压使石墨烯间扩张开来的膨胀石墨。然后，对该膨胀石墨加压，通过辊压延而得到石墨片材。在使用这样得到的石墨片材的情况下，如图5(b)所示，石墨中的石墨烯沿着与厚度方向(X方向)垂直的面方向(YZ方向)而排列。因此，可以提高碳材料11和外部电路90之间的导电性，从而能够更加提高电池反应的效率。另外，由于在石墨烯12的层间存在空隙，因而石墨片材具有挠性。此外，作为负极材料，可以单独使用碳材料11，也可以与其它材料层叠或者复合后使用。其它材料并没有特别的限定，既可以是碳毡和金属网等导电性的多孔质材料，也可以是织布和无纺布等绝缘性的多孔质材料。负极10上保持着厌氧性微生物，在该微生物的催化作用下，由电解液70中的有机物以及含氮化合物的至少一方生成氢离子以及电子。具体地说，如图2所示，负极10具有一个面10a、和该一个面10a的相反侧的另一个面10b，一个面10a隔着离子移动层30而与正极20相对置，在另一个面10b上保持着厌氧性微生物。也就是说，通过使含有厌氧性微生物的生物膜重叠在负极10的另一个面10b上并加以固定，在负极10上便保持着厌氧性微生物。此外，所谓生物膜，通常是指包含微生物群落、和微生物群落所生产的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstance：EPS)的三维结构体。不过，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微生物燃料电池，其具有：负极，其由层叠有多层石墨烯的碳材料构成，所述碳材料的沿所述石墨烯层叠方向的露出表面的面积相对于所述碳材料的体积为1.0×10‑5～20cm2/cm3；和正极，其与所述负极相对置；其中，所述负极和所述正极浸渍于电解液中，所述正极的至少一部分在气相中露出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.26 JP 2016-1461951.一种微生物燃料电池，其具有：负极，其由层叠有多层石墨烯的碳材料构成，所述碳材料的沿所述石墨烯层叠方向的露出表面的面积相对于所述碳材料的体积为1.0×10-5～20cm2/cm3；和正极，其与所述负极相对置；其中，所述负极和所述正极浸渍于电解液中，所述正极的至少一部分在气相中露出。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其中，在所述负极中，所述碳材料的沿着所述石墨烯层叠方向的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉川直毅，仓畑康太，釜井亮，
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