[发明专利]微生物发电装置、微生物发电装置用电极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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).Hydroxylated and aminated polyaniline nanowire networksfor improving anode performance in microbial fuel cells.Journal of Bioscienceand Bioengineering.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)A graphene modified anode toimprove the performance of microbial fuel cells.Journal of Power Sources196：5402-5407.

非专利文献3：Liu,C.,S.Alwarappan、et al.(2010).Membraneless enzymatic biofuel cells based on graphene nanosheets.Biosensors and Bioelectronics25(7)：1829-1833.

发明内容

发明要解决的课题

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。