本發(fā)明涉及一種微生物燃料電池系統(tǒng)。詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種使有機(jī)物的處理性能得以提高的微生物燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微生物燃料電池是通過(guò)微生物的催化作用(代謝反應(yīng)、生物化學(xué)的轉(zhuǎn)換)而將廢水中含有的有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能、并使該有機(jī)物發(fā)生氧化分解的裝置。也就是說(shuō)，微生物燃料電池通過(guò)微生物的作用而從有機(jī)物直接生產(chǎn)電能。因此，微生物燃料電池與利用從有機(jī)物向生物氣的轉(zhuǎn)換步驟的以前的能量回收系統(tǒng)相比，可以期待能量回收效率的提高。另外，微生物燃料電池不僅可以作為發(fā)電、而且也可以作為廢水處理、有機(jī)性廢棄物處理、有機(jī)性廢棄物處理的附屬設(shè)備等加以利用。

微生物燃料電池例如具有保持微生物的負(fù)極、和與氧化性物質(zhì)接觸的正極。而且作為這樣的微生物燃料電池，近年來(lái)，使用氣體擴(kuò)散電極作為正極的微生物燃料電池引人注目(例如專利文獻(xiàn)1)。該氣體擴(kuò)散電極由于為多孔質(zhì)，因而例如大氣等氣相中的氧向正極供給。也就是說(shuō)，在負(fù)極生成的氫離子以及電子可以在正極與氣相中的氧反應(yīng)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2010-102953號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

正如專利文獻(xiàn)1那樣，因?yàn)橛蓺怏w擴(kuò)散電極構(gòu)成的正極為多孔質(zhì)，所以在正極的電化學(xué)反應(yīng)的效率非常高。然而，由于負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)有微生物的參與，因而在負(fù)極上，有機(jī)物的處理速度較慢，從而有機(jī)物的氧化處理往往并不充分。因此，要求能夠更有效地進(jìn)行有機(jī)物處理的微生物燃料電池。

另外，氣體擴(kuò)散電極由于要求氣體擴(kuò)散性、憎水性以及導(dǎo)電性，因而使用高成本的材料。因此，從實(shí)業(yè)化的角度考慮，要求進(jìn)一步的低成本化。

本發(fā)明是鑒于這樣的現(xiàn)有技術(shù)所具有的課題而完成的。而且本發(fā)明的目的在于：提供一種可以有效地進(jìn)行有機(jī)物的氧化處理、進(jìn)而能夠削減成本的微生物燃料電池系統(tǒng)。

為了解決上述的課題，本發(fā)明的實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)包括具有電解液的供給口以及排出口的給排室(supplyanddischargechamber)。另外，微生物燃料電池系統(tǒng)具備一個(gè)或者二個(gè)以上的發(fā)電盒(cassette)，該發(fā)電盒具有微生物燃料電池，而且設(shè)置于給排室的內(nèi)部，其中，所述微生物燃料電池具有：正極，其包括與氣相接觸的第一憎水層和重疊在第一憎水層上的氣體擴(kuò)散層；以及負(fù)極，其保持著厭氧性微生物。再者，微生物燃料電池系統(tǒng)具備一個(gè)或者二個(gè)以上的凈化盒，該凈化盒具有與氣相接觸的第二憎水層，而且設(shè)置于給排室的內(nèi)部。而且在給排室中，發(fā)電盒設(shè)置于電解液從供給口向排出口流動(dòng)時(shí)的上游側(cè)，凈化盒設(shè)置于比發(fā)電盒更靠下游側(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的微生物燃料電池的剖視圖。

圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)的俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面就本實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。此外，為便于說(shuō)明，附圖的尺寸比例有所夸大，往往與實(shí)際的比例不同。

本實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)100如圖2所示，具備多個(gè)微生物燃料電池1。而且微生物燃料電池1具有負(fù)極3、正極4以及隔膜5。微生物燃料電池1被配置為：負(fù)極3與隔膜5的一個(gè)面5a接觸，正極4與隔膜5的面5a的相反側(cè)的面5b接觸。而且正極4的氣體擴(kuò)散層42與隔膜5接觸，并且如后所述，第一憎水層41在作為氣相的空間7側(cè)露出。

而且如圖1所示，兩個(gè)微生物燃料電池1被配置為第一憎水層41相互對(duì)置。也就是說(shuō)，在兩個(gè)微生物燃料電池1中，一個(gè)微生物燃料電池1的第一憎水層41和另一個(gè)微生物燃料電池1的第一憎水層41隔開(kāi)間隔而對(duì)置。再者，為了隔開(kāi)并保持兩個(gè)微生物燃料電池1，在微生物燃料電池1的下部具有保持架8。由此，作為氣相的空間7介于該兩個(gè)第一憎水層41之間。微生物燃料電池系統(tǒng)100被構(gòu)成為：該空間7向外界空氣開(kāi)放，或者例如通過(guò)泵而從外部向該空間7供給空氣。

負(fù)極3為薄板狀，其材質(zhì)例如優(yōu)選為碳以及鉑之中的至少任一種。而且在負(fù)極3上保持著厭氧性微生物。具體地說(shuō)，負(fù)極3具有第一面、和該第一面的相反側(cè)的第二面，第一面隔著隔膜5而與正極4相對(duì)置，在第二面上保持著厭氧性微生物。而且通過(guò)使含有厭氧性微生物的生物膜重疊在負(fù)極3的第二面上并加以固定，在負(fù)極3上便保持著厭氧性微生物。此外，所謂生物膜，通常是指包含微生物群落、和微生物群落所生產(chǎn)的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstance、eps)的三維結(jié)構(gòu)體。不過(guò)，厭氧性微生物也可以不通過(guò)生物膜而保持在負(fù)極3上。

保持在負(fù)極3上的厭氧性微生物例如優(yōu)選為具有胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的產(chǎn)電菌。具體地說(shuō)，作為厭氧性微生物，例如可以列舉出地桿菌(geobacter)屬細(xì)菌、希瓦氏菌(shewanella)屬細(xì)菌、氣單胞菌(aeromonas)屬細(xì)菌、地發(fā)菌(geothrix)屬細(xì)菌、酵母菌(saccharomyces)屬細(xì)菌。

隔膜5只要能夠使氫離子在負(fù)極3和正極4之間移動(dòng)，其構(gòu)成和材料就沒(méi)有特別的限定。隔膜5例如可以使用陽(yáng)離子交換膜以及陰離子交換膜等質(zhì)子傳導(dǎo)性膜。另外，隔膜5也可以使用無(wú)紡布、玻璃纖維膜以及濾紙等在膜的內(nèi)部存在連續(xù)的空間、且氫離子可以從負(fù)極3向正極4移動(dòng)的材料。

隔膜5例如優(yōu)選為離子交換膜或者固體電解質(zhì)膜。作為隔膜5的例子，可以列舉出nafion(dupont株式會(huì)社生產(chǎn)，注冊(cè)商標(biāo))、filemion(旭硝子株式會(huì)社生產(chǎn)，注冊(cè)商標(biāo))等具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的氟樹(shù)脂系離子交換膜。

正極4與負(fù)極3同樣為薄板狀，由具有第一憎水層41、和以接觸的方式重疊在第一憎水層41上的氣體擴(kuò)散層42的氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成。通過(guò)使用這樣的氣體擴(kuò)散電極，便能夠容易地供給氣相中的氧。再者，與向正極供給例如溶解于水中的溶解氧的情況相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：在向正極4供給溶解氧的情況下，存在的問(wèn)題是廢水等被處理液中含有的有機(jī)性物質(zhì)的氧化和發(fā)電的進(jìn)程受到溶解氧的擴(kuò)散速度的控制。與此相對(duì)照，氣相中的氧的擴(kuò)散速度比溶解氧的擴(kuò)散速度大很多，因而可以高效地進(jìn)行有機(jī)性物質(zhì)的氧化和發(fā)電。因此，可以提高燃料電池的輸出功率。

第一憎水層41為同時(shí)具有憎水性和氣體透過(guò)性的層。第一憎水層41被構(gòu)成為：一邊將微生物燃料電池1的電化學(xué)體系中的氣相和液相良好地分離，一邊允許氣體從氣相向液相的移動(dòng)。也就是說(shuō)，第一憎水層41被構(gòu)成為：使空間7中的氣相中的氧透過(guò)而向氣體擴(kuò)散層42移動(dòng)。這樣的第一憎水層41優(yōu)選為多孔質(zhì)。在此情況下，第一憎水層41可以具有較高的氣體透過(guò)性。

氣體擴(kuò)散層42例如優(yōu)選具有多孔質(zhì)的導(dǎo)電性材料、和擔(dān)載于該導(dǎo)電性材料上的催化劑。此外，氣體擴(kuò)散層42也可以由多孔質(zhì)且具有導(dǎo)電性的催化劑構(gòu)成。

如上所述，在本實(shí)施方式中，正極4的第一憎水層41設(shè)置于空間7側(cè)。而且第一憎水層41的與氣體擴(kuò)散層42相反一側(cè)的面在給排室6外部的氣相中露出。由此，氣相中的氧可以通過(guò)第一憎水層41而向氣體擴(kuò)散層42供給。另外，正極4的氣體擴(kuò)散層42以隔著隔膜5而與負(fù)極3相對(duì)置的方式與隔膜5接觸。

此外，在正極4和隔膜5之間也可以空出間隔，而且在負(fù)極3和隔膜5之間也可以空出間隔。

在微生物燃料電池1中，如后所述，通過(guò)供給電解液2，而且例如將負(fù)極3和正極4與外部電路連接，微生物燃料電池1便處于閉路狀態(tài)。然后，在負(fù)極3上，通過(guò)厭氧性微生物的代謝而使電解液2中的有機(jī)物分解，從而產(chǎn)生電子、質(zhì)子以及二氧化碳。這里產(chǎn)生的電子從負(fù)極3流向外部電路，進(jìn)而質(zhì)子通過(guò)隔膜5而到達(dá)正極4。另一方面，在正極4上，由氣相供給的氧與質(zhì)子和電子反應(yīng)而被還原，從而生成水。通過(guò)這樣的電化學(xué)反應(yīng)，在正極4和負(fù)極3之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)電解液2中的有機(jī)物發(fā)生分解。因此，在可以進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，還可以進(jìn)行電解液2中的有機(jī)物的分解處理。

如上所述，微生物燃料電池系統(tǒng)100具備發(fā)電盒10，該發(fā)電盒10由以第一憎水層41相互對(duì)置的方式配置的兩個(gè)微生物燃料電池1構(gòu)成。再者，如圖2所示，微生物燃料電池系統(tǒng)100包括具有電解液2的供給口61和排出口62的給排室6，多個(gè)發(fā)電盒10設(shè)置于充滿電解液2的給排室6的內(nèi)部。此外，此時(shí)，發(fā)電盒10的空間7并未充滿電解液2，由于向外界空氣開(kāi)放，因而發(fā)電盒10被構(gòu)成為可以向第一憎水層41供給空氣。

再者，微生物燃料電池系統(tǒng)100包括具有與氣相接觸的第二憎水層11的凈化盒20。凈化盒20雖然不像發(fā)電盒10那樣具有微生物燃料電池1，但具有對(duì)電解液2中含有的有機(jī)物進(jìn)行分解處理的功能。也就是說(shuō)，凈化盒20同時(shí)具有憎水性和氣體透過(guò)性，進(jìn)而具備與氣相接觸的第二憎水層11，在透過(guò)第二憎水層11的氧的作用下，對(duì)電解液2中的有機(jī)物進(jìn)行分解處理。

凈化盒20如圖2所示，兩片第二憎水層11隔開(kāi)間隔而對(duì)置，進(jìn)而為了隔開(kāi)并保持該兩片第二憎水層11，在其下部具有保持架8，從而在內(nèi)部形成作為氣相的空間7。另外，與發(fā)電盒10同樣，凈化盒20的空間7并未充滿電解液2，由于向外界空氣開(kāi)放，因而被構(gòu)成為可以向第二憎水層11供給空氣。不過(guò)，凈化盒20只要與氣相接觸而對(duì)電解液2中的有機(jī)物進(jìn)行分解處理，就不局限于這樣的方式。凈化盒20也可以是上部開(kāi)口的袋狀，例如將兩片第二憎水層11的周?chē)雍显谝黄穑瑥亩趦?nèi)部具有空間7。

微生物燃料電池系統(tǒng)100如圖2所示，被配置為在給排室6的內(nèi)部，多個(gè)發(fā)電盒10以及凈化盒20沿著垂直于鉛直方向y的層疊方向x而進(jìn)行層疊。而且在給排室6中，發(fā)電盒10設(shè)置于電解液2從供給口61向排出口62流動(dòng)時(shí)的上游側(cè)，凈化盒20設(shè)置于比發(fā)電盒10更靠下游側(cè)。

而且在微生物燃料電池系統(tǒng)100中，電解液2由給排室6的供給口61供給，與發(fā)電盒10以及凈化盒20接觸而從排出口62排出。因此，在供給口61附近，電解液2的有機(jī)物的濃度較高，生化需氧量(bod)的值較大。但是，由于發(fā)電盒10以及凈化盒20的效果，在排出口62附近，電解液2的有機(jī)物的濃度較低，生化需氧量(bod)的值較小。

在此，如上所述，在微生物燃料電池1中，由于負(fù)極3的電化學(xué)反應(yīng)有微生物的參與，因而在負(fù)極3上，有機(jī)物的處理速度具有較慢的傾向。因此，在微生物燃料電池系統(tǒng)100中，在將給排室6的內(nèi)部全部設(shè)置為發(fā)電盒10的情況下，有機(jī)物的分解處理不會(huì)充分地進(jìn)行，從而在由微生物燃料電池系統(tǒng)100排出的電解液中有可能殘存有機(jī)物。另外，在將給排室6的內(nèi)部全部設(shè)置為發(fā)電盒10的情況下，必須大量使用由昂貴的氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的正極4，從而也有可能使成本增大。再者，在由發(fā)電盒10產(chǎn)生的有機(jī)物的分解作用下，與給排室6的內(nèi)部的上游側(cè)相比，下游側(cè)的電解液2中的有機(jī)物的含量降低。因此，即使在下游側(cè)設(shè)置發(fā)電盒10的情況下，發(fā)電效率也不會(huì)提高，從而往往不能有效地使用該發(fā)電盒10的材料。

因此，在本實(shí)施方式中，在有機(jī)物的含量較多的給排室6的上游側(cè)配置發(fā)電盒10，在有機(jī)物的含量較少的給排室6的下游側(cè)設(shè)置凈化盒20。由此，上游側(cè)的發(fā)電盒10有效地分解大量的有機(jī)物，下游的凈化盒20分解在發(fā)電盒10中沒(méi)有分解完的有機(jī)物。再者，不使用氣體擴(kuò)散電極的凈化盒20比發(fā)電盒10廉價(jià)。因此，一方面可以有效地進(jìn)行電解液2中的有機(jī)物的分解，另一方面可以抑制昂貴的氣體擴(kuò)散電極的使用量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化。

如上所述，凈化盒20具有與氣相接觸的第二憎水層11。不過(guò)，從更加促進(jìn)電解液2中的有機(jī)物的分解的角度考慮，優(yōu)選在凈化盒20的第二憎水層11上重疊用于保持需氧性微生物的保持體12。再者，保持體12優(yōu)選層疊于第二憎水層11的電解液2側(cè)的表面上。通過(guò)使用用于保持需氧性微生物的保持體12，即使在電解液2中的有機(jī)物的濃度于下游側(cè)減少的情況下，也能夠有效地分解殘存的有機(jī)物。另外，保持體12由于設(shè)置在具有氧透過(guò)性的第二憎水層11的表面，因而可以通過(guò)第二憎水層11而向需氧性微生物充分供給用于其繁殖的氧。

作為需氧性微生物，是具有以氧為基礎(chǔ)的代謝機(jī)制的微生物，只要能分解電解液2中的有機(jī)物，就沒(méi)有特別的限定。作為需氧性微生物，例如可以列舉出作為埃希氏菌(escherichia)屬細(xì)菌的大腸桿菌、作為假單胞菌(pseudomonas)屬細(xì)菌的綠膿桿菌、作為芽胞桿菌(bacillus)屬細(xì)菌的枯草桿菌。另外，作為用于保持需氧性微生物的保持體12，例如可以使用無(wú)紡布狀或者海綿狀的結(jié)構(gòu)體。保持體12例如可以由選自聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇、聚氨酯以及聚乙烯醇之中的一種以上的材料進(jìn)行制作。

在本實(shí)施方式中，微生物燃料電池系統(tǒng)100優(yōu)選具有多個(gè)發(fā)電盒10。而且在給排室6中，設(shè)置于最下游側(cè)的發(fā)電盒10的電流密度為多個(gè)發(fā)電盒10中，所產(chǎn)生的電流密度最高的發(fā)電盒10的最大電流密度的20％以上。也就是說(shuō)，在微生物燃料電池系統(tǒng)100中，將處在電流密度低于20％的位置的發(fā)電盒10置換成凈化盒20。電流密度低于20％的發(fā)電盒的發(fā)電效率較低，該發(fā)電盒10的材料處于不能有效使用的狀態(tài)。因此，通過(guò)將這樣的電流密度較低的發(fā)電盒10置換成凈化盒20，一方面可以避免整個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電性能的降低，另一方面可以提高有機(jī)物的凈化效率。此外，所謂“發(fā)電盒的電流密度”，是相對(duì)于各發(fā)電盒的正極面積的該發(fā)電盒的電流值([發(fā)電盒的電流值]/[發(fā)電盒的正極面積])。另外，正極4的面積是從負(fù)極3、正極4以及隔膜5的層疊方向投影時(shí)的正極4的投影面積。

在此，就微生物燃料電池系統(tǒng)100的實(shí)際的發(fā)電性能的例子進(jìn)行說(shuō)明。首先，作為正極，使用ptfe(聚四氟乙烯)層(第一憎水層)以及擔(dān)載著催化劑的碳紙(氣體擴(kuò)散層)，作為負(fù)極，使用保持著厭氧性微生物的碳?xì)?，從而制作出微生物燃料電?。另外，在該微生物燃料電池1中，使用聚烯烴系無(wú)紡布作為隔膜。再者，使用該微生物燃料電池1制作多組圖1所示的發(fā)電盒10。而且與圖2同樣，通過(guò)在給排室6的內(nèi)部設(shè)置10組發(fā)電盒10，從而制作出微生物燃料電池系統(tǒng)100。此外，微生物燃料電池系統(tǒng)100制作了微生物燃料電池系統(tǒng)a和微生物燃料電池系統(tǒng)b這2組。

而且向微生物燃料電池系統(tǒng)a和微生物燃料電池系統(tǒng)b供給電解液2，通過(guò)測(cè)定各發(fā)電盒10的電流值，求出各發(fā)電盒10的電流密度。此外，關(guān)于微生物燃料電池系統(tǒng)a，改變測(cè)定時(shí)機(jī)a1～a3分3次對(duì)發(fā)電盒的電流密度進(jìn)行了測(cè)定。同樣，關(guān)于微生物燃料電池系統(tǒng)b，改變測(cè)定時(shí)機(jī)b1～b3分3次對(duì)發(fā)電盒的電流密度進(jìn)行了測(cè)定。在表1中，no.1為最上游的發(fā)電盒10，從no.2至no.9按順序?qū)盈B，no.10為最下游的發(fā)電盒10。而且在將最上游的發(fā)電盒no.1的電流密度設(shè)定為100的情況下，發(fā)電盒no.2～no.10的電流密度的相對(duì)值如表1所示。

表1

由表1可知：在微生物燃料電池系統(tǒng)a中，在測(cè)定時(shí)機(jī)a1，發(fā)電盒no.5以及no.6是電流密度最高的發(fā)電盒10。而且發(fā)電盒no.9以及no.10是低于發(fā)電盒no.5以及no.6所產(chǎn)生的最大電流密度的20％的發(fā)電盒10。在測(cè)定時(shí)機(jī)a2，發(fā)電盒no.3是電流密度最高的發(fā)電盒10，發(fā)電盒no.9以及no.10是低于發(fā)電盒no.3所產(chǎn)生的最大電流密度的20％的發(fā)電盒10。在測(cè)定時(shí)機(jī)a3，發(fā)電盒no.4是電流密度最高的發(fā)電盒10，發(fā)電盒no.9以及no.10是低于發(fā)電盒no.4所產(chǎn)生的最大電流密度的20％的發(fā)電盒10。

另外，由表1可知：在微生物燃料電池系統(tǒng)b中，在測(cè)定時(shí)機(jī)b1，發(fā)電盒no.3以及no.4是電流密度最高的發(fā)電盒10。而且發(fā)電盒no.8～no.10是低于發(fā)電盒no.3以及no.4所產(chǎn)生的最大電流密度的20％的發(fā)電盒10。在測(cè)定時(shí)機(jī)b2以及b3，發(fā)電盒no.4是電流密度最高的發(fā)電盒10。而且發(fā)電盒no.8～no.10是低于發(fā)電盒no.4所產(chǎn)生的最大電流密度的20％的發(fā)電盒10。

因此，在微生物燃料電池系統(tǒng)a中，優(yōu)選將低于最大電流密度的20％的發(fā)電盒no.9以及no.10置換成凈化盒20。同樣，在微生物燃料電池系統(tǒng)b中，優(yōu)選將發(fā)電盒no.8～no.10置換成凈化盒20。

在本實(shí)施方式中，發(fā)電盒10以及凈化盒20正如圖3的箭頭a所示的那樣，電解液2在給排室6的內(nèi)部?jī)?yōu)選配置為以波狀流動(dòng)。具體地說(shuō)，多個(gè)發(fā)電盒10以及凈化盒20以沿著層疊方向x的方式進(jìn)行配置。此時(shí)，多個(gè)發(fā)電盒10和凈化盒20以發(fā)電盒10的側(cè)面10a和凈化盒20的側(cè)面20a與給排室6的左壁6a和右壁6b交互接觸的方式進(jìn)行配置。在微生物燃料電池系統(tǒng)100中，通過(guò)使電解液2以波狀流動(dòng)，可以提高電解液2與負(fù)極3的接觸率、以及電解液2與第二憎水層11以及保持體12的接觸率，其結(jié)果是，可以更加提高發(fā)電效率以及凈化效率。

在此，就本實(shí)施方式中的正極4的第一憎水層41以及氣體擴(kuò)散層42進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

第一憎水層41優(yōu)選為具有憎水性的多孔質(zhì)體。在此情況下，第一憎水層41可以具有較高的氣體透過(guò)性。這樣的第一憎水層41例如優(yōu)選由選自聚四氟乙烯(ptfe)、二甲基聚硅氧烷(pdms)、聚乙烯(pe)以及聚丙烯(pp)之中的一種以上的材料進(jìn)行制作。

氣體擴(kuò)散層42可以設(shè)計(jì)為如下的構(gòu)成：具有多孔質(zhì)的導(dǎo)電性材料、和擔(dān)載于該導(dǎo)電性材料上的催化劑。氣體擴(kuò)散層42中的導(dǎo)電性材料例如可以由選自碳系物質(zhì)、導(dǎo)電性聚合物、半導(dǎo)體以及金屬之中的一種以上的材料構(gòu)成。在此，所謂碳系物質(zhì)，是指以碳為構(gòu)成成分的物質(zhì)。作為碳系物質(zhì)的例子，例如可以列舉出石墨；活性炭：碳黑、vulcan(注冊(cè)商標(biāo))xc-72r、乙炔黑、爐法碳黑、denka等碳粉末；石墨氈、碳絨、碳織布等碳纖維；碳板；碳紙；以及碳盤(pán)。另外，作為碳系物質(zhì)的例子，也可以列舉出碳納米管、碳納米角(carbonnanohorn)、碳納米簇之類(lèi)的微細(xì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)。

所謂導(dǎo)電性聚合物，是具有導(dǎo)電性的高分子化合物的總稱。作為導(dǎo)電性聚合物，例如可以列舉出以苯胺、氨基苯酚、二氨基苯酚、吡咯、噻吩、對(duì)苯、芴、呋喃、乙炔或者它們的衍生物為構(gòu)成單元的單一單體或者2種以上單體的聚合物。具體地說(shuō)，作為導(dǎo)電性聚合物，例如可以列舉出聚苯胺、聚氨基苯酚、聚二氨基苯酚、聚吡咯、聚噻吩、聚對(duì)苯、聚芴、聚呋喃、聚乙炔等。作為金屬制導(dǎo)電性材料，例如可以列舉出不銹鋼網(wǎng)。在考慮得到的容易程度、成本、耐蝕性、耐久性等的情況下，導(dǎo)電性材料優(yōu)選為碳系物質(zhì)。

另外，導(dǎo)電性材料的形狀優(yōu)選為粉末形狀或者纖維形狀。另外，導(dǎo)電性材料也可以支持在支持體上。所謂支持體，是指其本身具有剛性，且能夠賦予氣體擴(kuò)散電極以一定的形狀的構(gòu)件。支持體既可以是絕緣體，也可以是導(dǎo)電體。在支持體為絕緣體的情況下，作為支持體，例如可以列舉出玻璃；塑料；合成橡膠；陶瓷；耐水或者憎水處理過(guò)的紙；木片等植物片；骨片、貝殼等動(dòng)物片等。作為多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的支持體，例如可以列舉出多孔質(zhì)陶瓷、多孔質(zhì)塑料、海綿等。在支持體為導(dǎo)電體的情況下，作為支持體，例如可以列舉出碳紙、碳纖維、碳棒等碳系物質(zhì)；金屬；導(dǎo)電性聚合物等。在支持體為導(dǎo)電體的情況下，擔(dān)載著碳系材料的導(dǎo)電性材料配置在支持體的表面上，從而支持體也可以作為集電體發(fā)揮作用。

在此，氣體擴(kuò)散層42中的催化劑優(yōu)選為摻雜了金屬原子的碳系材料。作為金屬原子，并沒(méi)有特別的限定，但優(yōu)選為選自鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑以及金之中的至少一種金屬原子。在此情況下，碳系材料特別是作為用于促進(jìn)氧還原反應(yīng)以及氧生成反應(yīng)的催化劑發(fā)揮優(yōu)良的性能。碳系材料所含有的金屬原子的量可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定，以便使碳系材料具有優(yōu)良的催化性能。

碳系材料進(jìn)一步優(yōu)選為摻雜有選自氮、硼、硫以及磷之中的一種以上非金屬原子。在碳系材料中摻雜的非金屬原子的量也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定，以便使碳系材料具有優(yōu)良的催化性能。

碳系材料例如可以通過(guò)以石墨以及無(wú)定形碳等碳源原料為基、并在該碳源原料中摻雜金屬原子、和選自氮、硼、硫以及磷之中的一種以上非金屬原子而得到。

可以適當(dāng)選擇在碳系材料中摻雜的金屬原子和非金屬原子的組合。特別地，優(yōu)選非金屬原子含有氮，金屬原子含有鐵。在此情況下，碳系材料可以具有特別優(yōu)良的催化活性。此外，非金屬原子也可以僅為氮。另外，金屬原子也可以僅為鐵。

也可以是非金屬原子含有氮，金屬原子含有鈷和錳之中的至少一種。在此情況下，碳系材料也可以具有特別優(yōu)良的催化活性。此外，非金屬原子也可以僅為氮。另外，金屬原子也可以僅為鈷，僅為錳，或者僅為鈷和錳。

碳系材料的形狀并沒(méi)有特別的限制。例如，碳系材料既可以具有粒子狀形狀，也可以具有片材狀形狀。具有片材狀形狀的碳系材料的尺寸并沒(méi)有特別的限制，例如該碳系材料也可以是微小的尺寸。具有片材狀形狀的碳系材料也可以是多孔質(zhì)。具有片材狀形狀且多孔質(zhì)的碳系材料例如優(yōu)選具有織布狀、無(wú)紡布狀等形狀。這樣的碳系材料即使沒(méi)有導(dǎo)電性材料，也可以構(gòu)成氣體擴(kuò)散層42。

構(gòu)成為氣體擴(kuò)散層42中的催化劑的碳系材料可以采用如下的方法進(jìn)行調(diào)配。首先，準(zhǔn)備含有例如包含選自氮、硼、硫以及磷之中的至少一種非金屬的非金屬化合物、和金屬化合物、和碳源原料的混合物。然后，在800℃～1000℃的溫度下，對(duì)該混合物加熱45秒以上且低于600秒。由此，可以得到構(gòu)成為催化劑的碳系材料。

在此，作為碳源原料，如上所述，例如可以使用石墨或者無(wú)定形碳。再者，作為金屬化合物，只要是含有能夠與被摻雜于碳源原料中的非金屬原子形成配位鍵的金屬原子的化合物，就沒(méi)有特別的限制。金屬化合物例如可以使用選自金屬的氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、溴化物、碘化物、氟化物等無(wú)機(jī)金屬鹽；醋酸鹽等有機(jī)金屬鹽；無(wú)機(jī)金屬鹽的水合物；以及有機(jī)金屬鹽的水合物之中的至少一種。例如在鐵摻雜于石墨中的情況下，金屬化合物優(yōu)選含有氯化鐵(ⅲ)。另外，在鈷摻雜于石墨中的情況下，金屬化合物優(yōu)選含有氯化鈷。另外，在錳摻雜于碳源原料中的情況下，金屬化合物優(yōu)選含有醋酸錳。關(guān)于金屬化合物的使用量，例如金屬化合物中的金屬原子相對(duì)于碳源原料的比例優(yōu)選決定在5～30質(zhì)量％的范圍內(nèi)，該比例更優(yōu)選決定在5～20質(zhì)量％的范圍內(nèi)。

非金屬化合物如上所述，優(yōu)選為選自氮、硼、硫以及磷之中的至少一種非金屬的化合物。作為非金屬化合物，例如可以使用選自五乙撐六胺、乙二胺、四乙撐五胺、三乙撐四胺、乙二胺、辛基硼酸、1,2-雙(二乙基膦乙烷)、亞磷酸三苯酯、二芐基二硫醚(benzyldisulfide)之中的至少一種化合物。非金屬化合物的使用量可以根據(jù)非金屬原子在碳源原料中的摻雜量而適當(dāng)設(shè)定。關(guān)于非金屬化合物的使用量，金屬化合物中的金屬原子和非金屬化合物中的非金屬原子的摩爾比優(yōu)選決定在1﹕1～1﹕2的范圍內(nèi)，更優(yōu)選決定在1﹕1.5～1﹕1.8的范圍內(nèi)。

在調(diào)配構(gòu)成為催化劑的碳系材料時(shí)，含有非金屬化合物、金屬化合物和碳源原料的混合物例如采用如下的方法來(lái)得到。首先，將碳源原料、金屬化合物和非金屬化合物混合，進(jìn)而根據(jù)需要添加乙醇等溶劑而對(duì)總量進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)而采用超聲波分散法使它們分散。接著，在適當(dāng)?shù)臏囟?例如60℃)下將其加熱，然后使混合物干燥而將溶劑除去。由此，便得到含有非金屬化合物、金屬化合物和碳源原料的混合物。

接著，對(duì)得到的混合物例如在還原性氣氛下或者不活潑氣體氣氛下進(jìn)行加熱。由此，在碳源原料中摻雜有非金屬原子，進(jìn)而通過(guò)使非金屬原子和金屬原子形成配位鍵，也摻雜有金屬原子。加熱溫度優(yōu)選在800℃～1000℃的范圍內(nèi)，加熱時(shí)間優(yōu)選在45秒以上且低于600秒的范圍內(nèi)。由于加熱時(shí)間為短時(shí)間，因而可以高效地制造碳系材料，而且碳系材料的催化活性進(jìn)一步提高。此外，在加熱處理中，加熱開(kāi)始時(shí)的混合物的升溫速度優(yōu)選為50℃/s以上。這樣的快速加熱使碳系材料的催化活性得到進(jìn)一步提高。

另外，也可以對(duì)碳系材料進(jìn)一步進(jìn)行酸清洗。例如也可以采用均化器，使碳系材料在純水中分散30分鐘，然后將該碳系材料盛入2m硫酸中，在80℃下攪拌3小時(shí)。在此情況下，可以抑制金屬成分從碳系材料中的溶出。

根據(jù)這樣的制造方法，可以得到不活潑金屬化合物以及金屬結(jié)晶的含量明顯地低、而且導(dǎo)電性較高的碳系材料。

這樣一來(lái)，本實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)100包括具有電解液2的供給口61以及排出口62的給排室6。另外，微生物燃料電池系統(tǒng)100具備一個(gè)或者二個(gè)以上的發(fā)電盒10，該發(fā)電盒10具有微生物燃料電池1，而且設(shè)置于給排室6的內(nèi)部。此外，微生物燃料電池1具有：具備與氣相接觸的第一憎水層41和重疊在第一憎水層41上的氣體擴(kuò)散層42的正極4、以及保持著厭氧性微生物的負(fù)極3。再者，微生物燃料電池系統(tǒng)100具備一個(gè)或者二個(gè)以上的凈化盒20，該凈化盒20具有與氣相接觸的第二憎水層11，而且設(shè)置于給排室6的內(nèi)部。而且在給排室6中，發(fā)電盒10設(shè)置于電解液2從供給口61向排出口62流動(dòng)時(shí)的上游側(cè)，凈化盒20設(shè)置于比發(fā)電盒10更靠下游側(cè)。這樣一來(lái)，通過(guò)沒(méi)有在發(fā)電性能降低的下游設(shè)置發(fā)電盒，便可以避免整個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電性能的降低。另外，由于可以降低發(fā)電盒的電極材料的使用量，因而可以削減整體的成本。

此外，在圖1～圖3的發(fā)電盒10中，兩個(gè)微生物燃料電池1被配置為第一憎水層41相互對(duì)置。但是，本實(shí)施方式的發(fā)電盒10并不局限于該方式。例如，也可以是發(fā)電盒10由一個(gè)微生物燃料電池1構(gòu)成、且在第一憎水層41側(cè)形成有能夠供給空氣的空間7的方式。

以上就本實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但本實(shí)施方式并不局限于這些，在本實(shí)施方式的要旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變形。另外，本實(shí)施方式的微生物燃料電池系統(tǒng)能夠廣泛適用于含有有機(jī)物或含氮化合物的液體、例如由各種產(chǎn)業(yè)的工廠等產(chǎn)生的排水、下水汚泥等有機(jī)性廢水等的處理。另外，也可以在水域的環(huán)境改善等方面加以利用。

這里引用日本特愿2015-005992號(hào)(申請(qǐng)日：2015年1月15日)的全部?jī)?nèi)容。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明的微生物燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成是：在電解液的上游側(cè)設(shè)置發(fā)電盒，在下游側(cè)設(shè)置凈化盒。這樣一來(lái)，通過(guò)在發(fā)電性能降低的下游不設(shè)置發(fā)電盒、取而代之設(shè)置凈化盒，一方面可以避免整個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電性能的降低，從而可以有效地進(jìn)行有機(jī)物的氧化處理。另外，由于可以降低發(fā)電盒的電極材料的使用量，因而可以削減整個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)的成本。

符號(hào)說(shuō)明：

1微生物燃料電池

2電解液

3負(fù)極

4正極

6給排室

10發(fā)電盒

11第二憎水層

12保持體

20凈化盒

41第一憎水層

42氣體擴(kuò)散層

61供給口

62排出口

100微生物燃料電池系統(tǒng)