[发明专利]生物发电用阳极及利用该阳极的发电方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及以废水、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。

背景技术

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1、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20μA/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300mA/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