本发明专利技术提供通过将阳极的活化过电压抑制在较低的水平，可以获得充分低的阳极电位、从含水有机性物质高效地获得电能的方法及装置。本发明专利技术的发电装置具有：厌氧性区域（４），其含有在厌氧性气氛下能够生长的微生物、包含有机性物质的溶液或悬浊液、电子介体以及阳极（１）；好氧性区域（５），其含有分子状氧和阴极（３）；以及隔膜（２），用于分隔厌氧性区域（４）和好氧性区域（５）；其中，将阳极（１）和阴极（３）与电力利用设备进行电连接而形成封闭电路（６），从而利用以厌氧性区域（４）内的有机性物质作为给电子体的氧化反应和以好氧性区域（５）内的氧作为受电子体的还原反应进行发电。阳极（１）含有表面的至少一部分被亲水性聚合物层包覆的导电性基材，电子介体化学键合并被引入于该亲水性聚合物层上，ｐＨ＝７下的标准电极电位（Ｅ↓［０］’）在－０．１３Ｖ～－０．２８Ｖ的范围内。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及以废水、废液、人粪尿、食品废弃物、其它有机性废 弃物、污泥等有机性物质或其分解物为基质，将该基质和空气中的氧 的氧化还原反应分离为利用厌氧性生物的氧化反应和氧的还原反应， 从而进行发电的生物发电技术。
技术介绍
作为分解废水、废液、人粪尿、食品废弃物、其它有机性废弃物、 污泥(以下称为"含水有机性物质")获取可以利用的能量的方法，考 虑到以下方法采用以甲烷发酵为首的厌氧发酵法生产甲烷等，然后利用其进行发电的方法；从生物的厌氧呼吸反应中直接获取电的生物电池法等。但是，采用以甲烷发酵为首的厌氧发酵法生产甲醇、乙醇、氢等， 然后利用它们进行发电的方法由于需要利用生物的物质生产过程和以产物为燃料的发电过程的2阶段步骤，因而存在的问题是能量效 率差，装置也复杂。另一方面，已经报道了一种方法，其利用微生物，通过导通阳极 和阴极而形成回路，藉此将由阳极周边的供电子体产生的电子供给至 阴极周边的受电子体(主要为溶解氧)，从而获得电流(下述专利文献l、 2以及3)。在这些方法中，由于将阴极设置在水中，因而在水中的溶解氧的扩散速度极有可能成为整个反应的速度控制步骤。也就 是说，由于在水中的溶解氧的还原反应依赖于在水中的氧的扩散速 度，所以在没有搅拌时，电极每单位表面积的电流量与过电压无关而使20yA/cm2成为最大值。由于比使用空气中的氧时的值(过电压 200mV，电流约300 mA/cm2)明显要小，因而可知这成为含水有机 性物质的氧化及发电的限制因素。另外，在其它例子中提出了时常对微生物给与不充分量的有机物、使微生物维持在饥饿状态下，从而高效地获取电子的方法(专利文献4)，在该文献中，记载了可以使用氧或空气极作为阴极。但是， 该文献中并没有使用空气极时的具体装置的结构等的记载及实施例， 作为用于解决问题的方法并未公开至本领域的技术人员能够实施的 程度。作为利用电子介体(electron mediator)的生物电池技术，提出了 以含水有机性物质或其分解物为基质，通过将基质和氧的氧化还原反 应分离为利用厌氧性微生物的氧化反应和氧的还原反应，从而进行发 电的方法(专利文献3和非专利文献1 3)。但是，这些方法中所用电子介体的标准电极电位与一般用于生物电池反应的厌氧性微生物 的最终电子受体的标准电极电位不重叠，从而存在的问题是无法形成 有效电位的串联(cascade)。例如，以往提出的电子介体及其标准电 位如下述表1所示。表1各种电子介体的标准电极电位<table>table see original document page 6</column></row><table>另一方面，作为普通生物电池反应所用厌氧性微生物的硫还原 菌、作为氧化铁(III)还原菌的最终电子受体的硫和铁的标准电极电位示于下述表2。表2厌氧性微生物的最终电子受体的标准电极电位<table>table see original document page 6</column></row><table>由表2可知，硫还原菌所带的电子传递系的末端还原酶(硫还原 酶)可以还原具有-0.28V标准电极电位的物质，而氧化铁(III)还原 菌所带的电子传递系的末端还原酶(氧化铁(III)还原酶)可以还原 具有+0.20￥标准电极电位的物质。这些末端还原酶存在于微生物的 外膜或胞质，可以还原菌体外的氧化铁或O价的硫，因而可以成为用 于高效生物发电的有效催化剂。然而，以往提案的电子介体的标准电 极电位如表1所示，由于A G的电子介体均低于铁还原的标准电极 电位，因此在氧化铁(III)还原酶-电子介体-阳极之间无法形成有效 的电位串联。同样，由于表1C G的电子介体低于硫还原的标准电 极电位，因此在硫还原酶-电子介体-阳极之间无法形成有效的电位串 联。由于表1A和B的电子介体高于硫还原的标准电极电位，因此理 论上可以进行利用硫还原酶的还原，但电位差也为0.3V以上，难以 进行生物学电子传递的可能性较高。而且，为了提高发电效率，需要 相对于阴极的氧还原反应产生尽量大的电位差，但由于电子介体的电 位较高，因此会损失0.3V以上的电位差，从而能量损失增大。于是，人们提出了在使用硫还原菌的生物电池体系中，通过在厌 氧性区域中添加蒽醌-2，6-二磺酸(AQ-2，6-DS)试图提高电子传递效 果的提案(非专利文献2)。 AQ-2,6-DS的标准电极电位为-0.185V， 一般认为是用于在硫还原酶-电子介体间形成有效的电位串联的适合 物质。但是，在所提出的体系中，仅在液相中添加AQ-2,6-DS时，由 于不会附载于阳极(氧化电极)，因此与电极的反应性降低，添加效 果仅停留在24%的电流值增加。另外，在连续地发电时，在更新厌氧 性区域内的基质液时，所存在的问题是电子介体也一并被排出到体 系外，吋常必须持续添加电子介体。另外，还提出尝试使用酰胺键将中性红附载于阳极(非专利文献 3)。根据该提案认为，在通过石墨电极的氧化引入羧基、在二环己基 碳二亚胺的共存下与中性红反应形成酰胺键时，羧基键合在下述通式 中箭头所示的9位仲胺上。然而，键合于石墨上的中性红的循环伏安 法电流值峰在-0.42V附近可见，相比较于游离状态下标准电极电位 -0.325V降低0.1V左右。通过该变动，生物所形成的电子介体的利用变得更为困难。认为其原因在于，通过对9位的仲胺实施化学修饰，中性红的标准电极电位大幅度地发生变动。.N、9位羧基键合于箭头的位置另一方面，作为二次电池的负极材料，提出了使聚乙烯亚胺等亲 水性聚合物与卤代醌反应，向聚合物的构成单元引入醌单元的方法(专利文献5)。该方法中，将上述醌固定化聚合物滴加在铂板等集 电体上，通过加热干燥而制作可以充放电的负极材料。但是，将通过 该专利所公开的方法制作的电极应用于微生物电池的阳极时，微生物 的末端还原酶仅能还原上述聚合物层表面附近的醌，而且聚合物层显 示疏水性时，还原反应本身比较困难。再者，即便聚合物表面的醌被 还原，由于在与作为集电体的铂板之间存在非导电性物质的聚合物层，因此，所存在的问题是必须使电子移动至集电体，还原型醌的 氧化效率较差，活化过电压也增大。另外，如上所述，由于作为微生 物电池的阳极使用，因此有必要在固定醌后维持聚合物层的亲水性， 但为此的方法和条件并没有任何公开。这样一来，在使用电子介体的生物发电技术中，需求可以在微生 物的末端还原酶-电子介体-阳极之间形成有效的电位串联，利用活化 过电压低的导电性基材，且在电子介体固定化后仍可维持该固定化层 的亲水性的技术。专利文献1:日本特开2000-133327号公报专利文献2 专利文献3日本特开2000-133326号公报 日本特表2002-520032号公报专利文献4:美国专利4652501号说明书专利文献5:日本特开平6-56989号公报专利文献6:日本特开2005-317520号公报非专利文献1: Roller et al.， 1984, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 34B:3-12非专利文献2: 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种生物发电用阳极，其特征在于，其含有表面的至少一部分被亲水性聚合物层包覆的导电性基材，电子介体化学键合并被引入于该亲水性聚合物层上，ｐＨ＝７下的标准电极电位（Ｅ↓［０］’）处于－０．１３Ｖ～－０．２８Ｖ的范围内。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：下村达夫，足立昌则，小松诚，宫晶子，
申请(专利权)人：株式会社荏原制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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