JP7559490B2 - Composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, an electrode for a microbial fuel cell, and a microbial fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、微生物燃料電池電極形成用組成物、微生物燃料電池用電極および微生物燃料電池に関する。 The present invention relates to a composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, an electrode for a microbial fuel cell, and a microbial fuel cell.
近年、生体触媒の酵素を用いたバイオ燃料電池、微生物を用いた微生物燃料電池などの生物燃料電池の開発が進められている。微生物燃料電池は、発電菌と呼ばれる微生物により有機物を分解する際に生じる電子を回収し、電気エネルギーとして利用する発電方法である。例えば、生活廃水や産業廃水などの浄化に用いた場合、廃水中の有機物の分解処理と発電が並行して行えるため、消費エネルギーを低減できる水処理方法としても期待されている(非特許文献1)。また、微生物燃料電池は、水や底泥、土壌などに含まれる有機物で発電出来るため、廃水や土壌における電源としての利用も期待出来る(特許文献1、非特許文献2)。 In recent years, the development of biofuel cells, such as biofuel cells using enzymes as biocatalysts and microbial fuel cells using microorganisms, has been progressing. Microbial fuel cells are a power generation method that uses electrons generated when organic matter is decomposed by microorganisms called power-generating bacteria to recover and use them as electrical energy. For example, when used to purify domestic or industrial wastewater, the decomposition process of organic matter in the wastewater and power generation can be carried out in parallel, and it is expected to be used as a water treatment method that can reduce energy consumption (Non-Patent Document 1). In addition, since microbial fuel cells can generate power using organic matter contained in water, bottom mud, soil, etc., they can also be expected to be used as a power source in wastewater or soil (Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
微生物燃料電池においては、アノードで有機物を分解して電子を取り出す発電菌による酸化反応から電子が生じ、生じた電子は電極から外部回路を経由してカソードにて還元反応で消費される。カソードでは酸素やフェリシアン化カリウムなどの酸化剤を反応させる。 In a microbial fuel cell, electrons are generated from an oxidation reaction by electricity-generating bacteria that breaks down organic matter at the anode to extract electrons, and the generated electrons are then consumed in a reduction reaction at the cathode via an external circuit from the electrode. At the cathode, oxygen and oxidants such as potassium ferricyanide are reacted.
微生物燃料電池に用いられるカソードおよびアノードの材料には電極反応において導電性が必要であり、導電性材料を使用するのが一般的である(特許文献1~3)。電極には、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス、または活性炭シートなどのカーボン材料や、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、またはチタンなどの金属材料が使われる。アノードでは、発電菌をそれら材料にコンタクトさせて使用する(特許文献2、3)。カソードでは、それら材料に白金などの酸素還元触媒を担持させて使用することも知られている。それらの電極反応の効率はいまだ不十分であり、発電特性の向上が課題となっている。また、金属の酸化による劣化や、高コストという問題もある。 The cathode and anode materials used in microbial fuel cells need to be conductive in the electrode reaction, and conductive materials are generally used (Patent Documents 1 to 3). Electrodes are made of carbon materials such as carbon paper, carbon felt, carbon cloth, or activated carbon sheets, or metal materials such as aluminum, copper, stainless steel, nickel, or titanium. In the anode, electricity-generating bacteria are used by contacting these materials (Patent Documents 2 and 3). In the cathode, it is also known to use these materials with oxygen reduction catalysts such as platinum supported on them. The efficiency of these electrode reactions is still insufficient, and improving the power generation characteristics is an issue. There are also problems with deterioration due to metal oxidation and high costs.
これらの課題解決のために、電極反応効率を改善する必要があり、導電性および物質拡散性を向上することが求められる。さらに、アノードでは、微生物の担持量や活性を高めることが望ましい。例えば、特許文献4では、導電性カーボン材料と樹脂とを含む導電部で非導電性基材を被覆する積層体が開示されている。しかしながら、さらなる発電効率の向上は課題として残っており、さらには安定した発電効率を維持出来る耐久性をも両立出来るような技術が求められている。 To solve these problems, it is necessary to improve the electrode reaction efficiency, and there is a demand for improving electrical conductivity and material diffusivity. Furthermore, it is desirable to increase the amount and activity of microorganisms supported on the anode. For example, Patent Document 4 discloses a laminate in which a non-conductive substrate is coated with a conductive portion containing a conductive carbon material and a resin. However, further improvement of power generation efficiency remains an issue, and there is a demand for technology that can achieve both durability and the ability to maintain stable power generation efficiency.
本発明の目的は、発電特性や耐久性に優れる電極形成用組成物、電極および微生物燃料電池を安価に提供することである。 The object of the present invention is to provide an electrode-forming composition, an electrode, and a microbial fuel cell that have excellent power generation characteristics and durability at low cost.
本発明者らは、前記の諸問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems and came up with the present invention.
すなわち本発明は、炭素材料(A)およびバインダー(B)を含む微生物燃料電池電極形成用組成物であって、前記炭素材料(A)が、黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とを含む微生物燃料電池電極形成用組成物に関する。 That is, the present invention relates to a composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, which comprises a carbon material (A) and a binder (B), and the carbon material (A) comprises graphite (A-a) and a carbon material other than graphite (A-b).
また本発明は、炭素材料(A)の合計100質量%中の黒鉛(A-a)の含有率が25~99質量%である前記の微生物燃料電池電極形成用組成物に関する。 The present invention also relates to the composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, in which the content of graphite (A-a) in a total of 100% by mass of the carbon material (A) is 25 to 99% by mass.
また本発明は、前記組成物の固形分合計100質量%中の炭素材料(A)の含有率が80~99質量%である前記の微生物燃料電池電極形成用組成物に関する。 The present invention also relates to the composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, in which the content of the carbon material (A) is 80 to 99 mass% based on 100 mass% of the total solid content of the composition.
また、本発明は、黒鉛(A-a)のアスペクト比が1~10である前記の微生物燃料電池電極形成用組成物に関する。 The present invention also relates to the composition for forming a microbial fuel cell electrode, in which the aspect ratio of the graphite (A-a) is 1 to 10.
また、本発明は、基材の上に前記の微生物燃料電池電極形成用組成物の塗工膜を有する微生物燃料電池用電極に関する。 The present invention also relates to an electrode for a microbial fuel cell having a coating film of the composition for forming an electrode for a microbial fuel cell on a substrate.
また、本発明は、前記の微生物燃料電池用電極を用いた微生物燃料電池に関する。 The present invention also relates to a microbial fuel cell using the above-mentioned microbial fuel cell electrode.
本発明によれば、発電量や耐久性に優れた電極形成用組成物、電極を安価に提供し、発電特性や耐久性に優れる微生物電池を提供することができる。 The present invention provides an electrode-forming composition and electrodes with excellent power generation and durability at low cost, and can provide a microbial battery with excellent power generation characteristics and durability.
以下、詳細にわたって本発明の実施形態を説明する。 The following describes an embodiment of the present invention in detail.
<微生物燃料電池電極形成用組成物>
本発明の微生物燃料電極形成用組成物(以下、電極用組成物)は、少なくとも黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とバインダー(B)とを含む。本発明では、黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とバインダー(B)の併用により、電極の導電性を改善するとともに、表面形態を最適化して物質拡散性を向上できる。また、炭素材料(A)間や基材との結着が強化され、耐久性が向上する。また、電極中の炭素材料(A)と微生物の親和性が高いため、多くの微生物を担持できる。これらの効果により、本発明によれば、微生物燃料電池の発電特性に加えて耐久性をも向上することができる。
<Composition for forming microbial fuel cell electrode>
The composition for forming a microbial fuel electrode (hereinafter, referred to as an electrode composition) of the present invention contains at least graphite (Aa), a carbon material other than graphite (Ab), and a binder (B). By using graphite (A-a), a carbon material other than graphite (A-b) and a binder (B) in combination, the electrical conductivity of the electrode can be improved, and the surface morphology can be optimized to improve the material diffusion. Therefore, the adhesion between the carbon materials (A) and the substrate is strengthened, and durability is improved. In addition, since the affinity between the carbon materials (A) in the electrode and microorganisms is high, a large number of microorganisms can be supported. Due to these effects, according to the present invention, it is possible to improve not only the power generation characteristics but also the durability of the microbial fuel cell.
<炭素材料(A)>
炭素材料(A)は、電極の表面積を増加させ、酸化還元反応における電子の授受を促進する。また、アノードに使用した場合には、表面の形態や生体親和性により、微生物の吸着性を高めることができる。炭素材料(A)としては、黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とを含有する。黒鉛(A-a)としては、人造黒鉛や天然黒鉛等が挙げられ、黒鉛以外の炭素材料(A-b)としては、カーボンブラック、活性炭、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、グラフェン、フラーレン、炭素触媒等が挙げられる。これらを単独で、もしくは2種類以上併せて使用することが出来る。黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とを併用することにより、電極内部の電子パスが密になり、好適な表面形態により物質拡散性も高まるため、高い発電特性が得られる。
<Carbon material (A)>
The carbon material (A) increases the surface area of the electrode and promotes the transfer of electrons in the redox reaction. In addition, when used as an anode, the surface morphology and biocompatibility can enhance the adsorption of microorganisms. The carbon material (A) contains graphite (A-a) and a carbon material other than graphite (A-b). Examples of the graphite (A-a) include artificial graphite and natural graphite, and examples of the carbon material other than graphite (A-b) include carbon black, activated carbon, conductive carbon fibers (carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers), graphene, fullerene, and carbon catalysts. These can be used alone or in combination of two or more types. By using the graphite (A-a) and the carbon material other than graphite (A-b) in combination, the electron path inside the electrode becomes dense, and the material diffusibility is also increased due to the favorable surface morphology, so that high power generation characteristics can be obtained.
炭素材料(A)に含まれる黒鉛(A-a)の含有率((A-a)/(A)×100)は、好ましくは25~99質量%であり、より好ましくは50~90質量%であり、さらに好ましくは60~85質量%である。 The content of graphite (A-a) in the carbon material (A) ((A-a)/(A) x 100) is preferably 25 to 99% by mass, more preferably 50 to 90% by mass, and even more preferably 60 to 85% by mass.
黒鉛(A-a)としては、例えば人造黒鉛や天然黒鉛等を使用することが出来る。人造黒鉛とは、無定形炭素の熱処理により、不規則な配列の微小黒鉛結晶の配向を人工的に行わせたものであり、一般的には石油コークスや石炭系ピッチコークスを主原料として製造される。天然黒鉛は、鱗状黒鉛、半鱗状黒鉛、土状黒鉛に分類され、鱗状黒鉛としては、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛が挙げられる。また、鱗片状黒鉛を物理的・化学的処理により球状化した球状黒鉛や、鱗片状黒鉛を化学処理等した膨張黒鉛(膨張性黒鉛ともいう)、膨張黒鉛を熱処理して膨張化させた後、微細化やプレスにより得られた膨張化黒鉛等を使用することも出来る。これらの黒鉛の中でも、導電性の観点から、天然黒鉛が好ましく、球状黒鉛、鱗状黒鉛、および膨張化黒鉛等の薄片状黒鉛が好ましい。 As graphite (A-a), for example, artificial graphite and natural graphite can be used. Artificial graphite is made by artificially aligning irregularly arranged micrographite crystals by heat treatment of amorphous carbon, and is generally produced using petroleum coke or coal-based pitch coke as the main raw material. Natural graphite is classified into scaly graphite, semi-scaly graphite, and earthy graphite, and scaly graphite includes scaly graphite and lump graphite. In addition, spherical graphite obtained by scaly graphite being scaly graphite scaly graphite being scaly graphite by physical and chemical treatment, expanded graphite (also called expandable graphite) obtained by chemically treating scaly graphite, and expanded graphite obtained by heat treating expanded graphite to expand it and then refining or pressing it can also be used. Among these graphites, natural graphite is preferred from the viewpoint of electrical conductivity, and flaky graphite such as spherical graphite, scaly graphite, and expanded graphite are preferred.
黒鉛(A-a)のアスペクト比は1~10が好ましく、1~5はさらに好ましい。アスペクト比とは、粒子の最長径をx、最短径をyとしたときに、x/yで表される値である。アスペクト比が大きい粒子は一般に配向しやすいが、アスペクト比が10より小さい場合は、電極表面の黒鉛粒子が配向しづらく表面の凹凸が大きくなるため、電極の表面積が増大し反応点が増加する。特にアノードに用いた場合は最適な表面形態のため微生物の付着量が増加する。アスペクト比の観点から、黒鉛(A-a)としては人造黒鉛や球状黒鉛が好ましい。 The aspect ratio of graphite (A-a) is preferably 1 to 10, and more preferably 1 to 5. The aspect ratio is a value expressed as x/y, where x is the longest diameter of the particle and y is the shortest diameter. Particles with a large aspect ratio are generally more easily oriented, but when the aspect ratio is less than 10, the graphite particles on the electrode surface are less likely to be oriented and the surface becomes more uneven, which increases the surface area of the electrode and the number of reaction sites. In particular, when used as an anode, the amount of attached microorganisms increases due to the optimal surface morphology. From the viewpoint of aspect ratio, artificial graphite and spherical graphite are preferred as graphite (A-a).
アスペクト比の測定は例えば以下のようにして行うことができる。粒子を走査型電子顕微鏡で写真撮影し、任意に選んだ領域内の10個の粒子について、個々の粒子の最長径をx、最短径をyとしてx/yをそれぞれ求める。10個のx/yの平均値をその試料のアスペクト比とする。 The aspect ratio can be measured, for example, as follows. Particles are photographed with a scanning electron microscope, and for 10 particles in an arbitrarily selected area, x/y is calculated, where x is the longest diameter of each particle and y is the shortest diameter. The average of the 10 x/y values is taken as the aspect ratio of the sample.
また、用いる黒鉛(A-a)の平均粒子径は、0.5~500μmが好ましく、特に、2~100μmが好ましい。 The average particle size of the graphite (A-a) used is preferably 0.5 to 500 μm, and more preferably 2 to 100 μm.
平均粒子径とは、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに、50%となるところの粒子径(D50)であり、一般的な粒度分布計、例えば、動的光散乱方式の粒度分布計(日機装社製「マイクロトラックUPA」)等で測定される。 The average particle size is the particle size (D50) at which the volumetric percentage of particles is 50% when the volumetric percentage of particles is accumulated starting from the finest particle size in the volumetric particle size distribution, and is measured using a general particle size distribution analyzer, such as a dynamic light scattering particle size distribution analyzer (Microtrac UPA, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
市販の黒鉛としては、例えば、鱗状黒鉛として、日本黒鉛工業社製のCMX、UP-5、UP-10、UP-20、UP-35N、CSSP、CSPE、CSP、CP、CB-150、CB-100、ACP、ACP-1000、ACB-50、ACB-100、ACB-150、SP-10、SP-20、J-SP、SP-270、HOP、GR-60、LEP、F#1、F#2、F#3、FB-150、中越黒鉛社製のCX-3000、FBF、BF、CBR、SSC-3000、SSC-600、SSC-3、SSC、CX-600、CPF-8、CPF-3、CPB-6S、CPB、96E、96L、96L-3、90L-3、CPC、S-87、K-3、CF-80、CF-48、CF-32、CP-150、CP-100、CP、HF-80、HF-48、HF-32、SC-120、SC-80、SC-60、SC-32、伊藤黒鉛工業社製のEC1500、EC1000、EC500、EC300、EC100、EC50、西村黒鉛社製の10099M、PB-99等が挙げられる。球状黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のCGC-20、CGC-50、CGB-20、CGB-50が挙げられる。土状黒鉛としては、日本黒鉛工業社製の青P、AP、AOP、P#1、中越黒鉛社製のAPR、S-3、AP-6、300Fが挙げられる。人造黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のPAG-60、PAG-80、PAG-120、PAG-5、HAG-10W、HAG-150、中越黒鉛社製のRA-3000、RA-15、RA-44、GX-600、G-6S、G-3、G-150、G-100、G-48、G-30、G-50、SECカーボン社製のSGP-100、SGP-50、SGP-25、SGP-15、SGP-5、SGP-1、SGO-100、SGO-50、SGO-25、SGO-15、SGO-5、SGO-1、SGX-100、SGX-50、SGX-25、SGX-15、SGX-5、SGX-1が挙げられる。 Examples of commercially available graphite include flake graphite such as CMX, UP-5, UP-10, UP-20, UP-35N, CSSP, CSPE, CSP, CP, CB-150, CB-100, ACP, ACP-1000, ACB-50, ACB-100, ACB-150, SP-10, SP-20, J-SP, SP-270, HOP, GR-60, LEP, F#1, F#2, F#3, and FB-150 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and CX-3000, FBF, BF, CBR, SSC-3000, and SSC-600 manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. , SSC-3, SSC, CX-600, CPF-8, CPF-3, CPB-6S, CPB, 96E, 96L, 96L-3, 90L-3, CPC, S-87, K-3, CF-80, CF-48, CF-32, CP-150, CP-100, CP, HF-80, HF-48, HF-32, SC-120, SC-80, SC-60, SC-32, EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, EC50 manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd., 10099M, PB-99 manufactured by Nishimura Graphite Co., Ltd., and the like. Examples of spherical graphite include CGC-20, CGC-50, CGB-20, and CGB-50 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. Examples of amorphous graphite include Blue P, AP, AOP, and P#1 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and APR, S-3, AP-6, and 300F manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. Examples of artificial graphite include PAG-60, PAG-80, PAG-120, PAG-5, HAG-10W, and HAG-150 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and RA-3000, RA-15, RA-44, GX-600, G-6S, G-3, G-150, G-100, G-48, G-30, G-50, and SEC-1 manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. Examples include SGP-100, SGP-50, SGP-25, SGP-15, SGP-5, SGP-1, SGO-100, SGO-50, SGO-25, SGO-15, SGO-5, SGO-1, SGX-100, SGX-50, SGX-25, SGX-15, SGX-5, and SGX-1 manufactured by Carbon.
黒鉛以外の炭素材料(A-b)は特に限定されないが、導電性の炭素材料が好ましく、コストや導電性などの観点から、カーボンブラックや導電性炭素繊維を用いることが好ましい。また、電極をカソードとして使用する場合は、酸素還元触媒活性を高めるために、炭素触媒を用いることが好ましい。 The carbon material (A-b) other than graphite is not particularly limited, but a conductive carbon material is preferred, and from the standpoint of cost, conductivity, etc., it is preferable to use carbon black or conductive carbon fiber. In addition, when the electrode is used as a cathode, it is preferable to use a carbon catalyst in order to increase the oxygen reduction catalytic activity.
カーボンブラックとしては、気体もしくは液体の原料を反応炉中で連続的に熱分解し製造するファーネスブラック、特にエチレン重油を原料としたケッチェンブラック、原料ガスを燃焼させて、その炎をチャンネル鋼底面にあて急冷し析出させたチャンネルブラック、ガスを原料とし燃焼と熱分解を周期的に繰り返すことにより得られるサーマルブラック、特にアセチレンガスを原料とするアセチレンブラックなどの各種のものを単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、中空カーボン等も使用できる。カーボンブラックの酸化処理は、カーボンブラックを空気中で高温処理したり、硝酸や二酸化窒素、オゾン等で二次的に処理したりすることより、例えばフェノール基、キノン基、カルボキシル基、カルボニル基の様な酸素含有極性官能基をカーボンブラック表面に直接導入(共有結合)する処理であり、カーボンブラックの分散性を向上させるために一般的に行われている。しかしながら、官能基の導入量が多くなる程カーボンブラックの導電性が低下することが一般的であるため、酸化処理をしていないカーボンブラックの使用が好ましい。 Carbon black can be produced by continuously pyrolyzing a gaseous or liquid raw material in a reactor, such as furnace black, which is produced by pyrolyzing the gaseous or liquid raw material continuously in a reactor, particularly ketjen black, which is produced from ethylene heavy oil, channel black, which is produced by burning the raw material gas and applying the flame to the bottom surface of the channel steel to rapidly cool and precipitate, and thermal black, which is produced by periodically repeating combustion and pyrolysis of a gas raw material, particularly acetylene black, which is produced from acetylene gas. Carbon black that has been subjected to the usual oxidation treatment and hollow carbon can also be used. The oxidation treatment of carbon black is a treatment in which oxygen-containing polar functional groups such as phenol groups, quinone groups, carboxyl groups, and carbonyl groups are directly introduced (covalently bonded) to the carbon black surface by treating the carbon black at high temperatures in air or by treating it secondarily with nitric acid, nitrogen dioxide, ozone, etc., and is generally performed to improve the dispersibility of carbon black. However, it is generally the case that the conductivity of carbon black decreases as the amount of functional groups introduced increases, so it is preferable to use carbon black that has not been subjected to the oxidation treatment.
用いるカーボンブラックの比表面積は、値が大きいほど、炭素材料粒子どうしの接触点が増えるため、電極の内部抵抗を下げるのに有利となるが、カーボンブラックの分散性が低くなる。そのため、比表面積の好ましい範囲としては、具体的には、窒素の吸着量から求められる比表面積(BET)で、10~3000m2/g、より好ましくは20~1500m2/gである。なお、比表面積は、窒素ガスを吸着質としたBET法(JIS Z 8803:2013)により測定できる。 The larger the specific surface area of the carbon black used, the more contact points between the carbon material particles there are, which is advantageous for lowering the internal resistance of the electrode, but the dispersibility of the carbon black decreases. Therefore, the preferred range of the specific surface area is specifically 10 to 3000 m 2 /g, more preferably 20 to 1500 m 2 /g, in terms of the specific surface area (BET) calculated from the amount of nitrogen adsorption. The specific surface area can be measured by the BET method (JIS Z 8803:2013) using nitrogen gas as the adsorbate.
また、用いるカーボンブラックの粒径は、一次粒子径で0.005~1μmが好ましく、特に、0.01~0.2μmが好ましい。ただし、ここでいう一次粒子径とは、電子顕微鏡などで測定された粒子径を平均したものである。 The particle size of the carbon black used is preferably 0.005 to 1 μm in terms of primary particle size, and more preferably 0.01 to 0.2 μm. However, the primary particle size referred to here is the average particle size measured using an electron microscope or the like.
市販のカーボンブラックとしては、例えば、東海カーボン社製のトーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500、デグサ社製のプリンテックスL、コロンビヤン社製のRaven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、500
0ULTRA、Conductex SC ULTRA、Conductex 975 ULTRA、PUER BLACK100、115、205、三菱化学社製の#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B、キャボット社製のMONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000、TIMCAL社製のEnsaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP-Li等のファーネスブラック)、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製のEC-200L、EC-300J、EC-600JD等のケッチェンブラック、デンカ社製のデンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35等のアセチレンブラックが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、2種以上を組み合わせて用いても良い。
Examples of commercially available carbon black include Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., Printex L manufactured by Degussa Co., Ltd., and Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, and 500 manufactured by Columbian Co., Ltd.
0ULTRA, Conductex SC ULTRA, Conductex 975 ULTRA, PUER BLACK 100, 115, 205, Mitsubishi Chemical Corporation's #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, #5400B, Cabot Corporation's MONARCH 1400, 1300, 900, Vulcan XC-72R, Black Pearls 2000, TIMCAL Corporation's Ensaco 250G, Ensaco 260G, Examples of the black include furnace blacks such as Ensaco 350G and Super P-Li manufactured by Kuraray Co., Ltd.; ketjen blacks such as EC-200L, EC-300J and EC-600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals; and acetylene blacks such as Denka Black, Denka Black HS-100 and FX-35 manufactured by Denka Co., Ltd., but are not limited to these. Two or more of these may be used in combination.
活性炭としては、具体的にはフェノール系、ヤシガラ系、レーヨン系、アクリル系、石炭-石油系ピッチコークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)等を賦活した活性炭を挙げることができる。同じ質量でもより広い面積の界面を形成することが可能な、比表面積の大きいものが好ましい。具体的には、比表面積が30m2/g以上が好ましく、
より好ましくは500~5000m2/g、さらに好ましくは1000~3000m2/gである。
Specific examples of activated carbon include activated carbons obtained by activating phenol-based, coconut shell-based, rayon-based, acrylic-based, coal-petroleum pitch coke, mesocarbon microbeads (MCMB), etc. Activated carbons with a large specific surface area are preferred, since they are capable of forming a larger interface area with the same mass. Specifically, a specific surface area of 30 m2 /g or more is preferred.
The surface area is more preferably from 500 to 5,000 m 2 /g, and further preferably from 1,000 to 3,000 m 2 /g.
導電性炭素繊維としては石油由来の原料から焼成して得られるものが良いが、植物由来の原料からも焼成して得られるものも用いることが出来る。また、カーボンナノチューブには、グラフェンシートが一層でナノメートル領域の直径を有するチューブを形成する単層カーボンナノチューブと、グラフェンシートが多層である多層カーボンナノチューブがある。そのため、多層カーボンナノチューブの直径は、典型的な単層カーボンナノチューブの0.7~2.0nmに対して、30nmと大きい値を示す。 Conductive carbon fibers obtained by burning petroleum-derived raw materials are preferable, but those obtained by burning plant-derived raw materials can also be used. Carbon nanotubes are classified into single-walled carbon nanotubes, which form tubes with a diameter in the nanometer range from a single graphene sheet, and multi-walled carbon nanotubes, which have multiple graphene sheets. Therefore, the diameter of multi-walled carbon nanotubes is large, at 30 nm, compared to the 0.7 to 2.0 nm of typical single-walled carbon nanotubes.
市販の導電性炭素繊維やカーボンナノチューブとしては、昭和電工社製のVGCF等の気相法炭素繊維、名城ナノカーボン社製のEC1.0、EC1.5、EC2.0、EC1.5-P等の単層カーボンナノチューブ、CNano社製のFloTube9000、FloTube9100、FloTube9110、FloTube9200、Nanocyl社製のNC7000、Knano社製の100T等が挙げられる。 Commercially available conductive carbon fibers and carbon nanotubes include vapor grown carbon fibers such as VGCF manufactured by Showa Denko K.K., single-walled carbon nanotubes such as EC1.0, EC1.5, EC2.0, and EC1.5-P manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., FloTube 9000, FloTube 9100, FloTube 9110, and FloTube 9200 manufactured by CNano Corporation, NC7000 manufactured by Nanocyl Corporation, and 100T manufactured by Knano Corporation.
炭素触媒は、1種または2種以上の、炭素材料と、窒素元素および卑金属元素を含有する化合物とを混合し、熱処理を行い作製された炭素触媒であって、従来公知のものを使用できる。炭素触媒に用いられる炭素材料は、無機材料由来の炭素粒子および/または有機材料を熱処理して得られる炭素粒子であれば特に限定されない。一般的に、炭素触媒の活性点としては、炭素粒子表面に卑金属-N4構造(卑金属元素を中心に4個の窒素元素が平面上に並んだ構造)に含まれる卑金属元素や、炭素粒子表面のエッジ部に導入された窒素元素近傍の炭素元素などが挙げられる。そのため、炭素触媒が、上記活性点を構成する窒素元素や卑金属元素を含有することは、酸素還元活性を有する上で重要である。更に、炭素触媒は、BET比表面積が20~2000m2/gが好ましく、40~1000m2/gがより好ましく、60~600m2/gがさらに好ましい。 The carbon catalyst is a carbon catalyst produced by mixing one or more kinds of carbon materials with a compound containing a nitrogen element and a base metal element and subjecting the mixture to a heat treatment, and a conventionally known carbon catalyst can be used. The carbon material used for the carbon catalyst is not particularly limited as long as it is a carbon particle obtained by subjecting an inorganic material-derived carbon particle and/or an organic material to a heat treatment. In general, examples of the active site of the carbon catalyst include a base metal element contained in a base metal-N4 structure (a structure in which four nitrogen elements are arranged on a plane with a base metal element at the center) on the surface of the carbon particle, and a carbon element in the vicinity of a nitrogen element introduced to an edge portion of the carbon particle surface. Therefore, it is important for the carbon catalyst to contain the nitrogen element and the base metal element that constitute the active site in order to have oxygen reduction activity. Furthermore, the carbon catalyst preferably has a BET specific surface area of 20 to 2000 m 2 /g, more preferably 40 to 1000 m 2 /g, and even more preferably 60 to 600 m 2 /g.
炭素材料(A)の平均比表面積は、5~300m2/gが好ましく、5~100m2/gはさらに好ましい。ここで、炭素材料(A)の平均比表面積とは、電極用組成物中に含まれる2種以上の炭素材料(A)の比表面積の相加平均をいう。例として、炭素材料(A)としてC1及びC2を使用する場合を示す。C1の比表面積がA1 m2/g、C1の組成物中の添加量がB1 g、C2の比表面積がA2 m2/g、添加量がB2 gであった場合、炭素材料(A)の平均比表面積は、以下の式1で表される。
(A1×B1+A2×B2)/(B1+B2) …式1
The average specific surface area of the carbon material (A) is preferably 5 to 300 m 2 /g, and more preferably 5 to 100 m 2 /g. Here, the average specific surface area of the carbon material (A) refers to the arithmetic mean of the specific surface areas of two or more types of carbon materials (A) contained in the electrode composition. As an example, a case will be shown in which C1 and C2 are used as the carbon materials (A). When the specific surface area of C1 is A1 m 2 /g, the amount of C1 added in the composition is B1 g, and the specific surface area of C2 is A2 m 2 /g, and the amount added is B2 g, the average specific surface area of the carbon material (A) is expressed by the following formula 1.
(A1×B1+A2×B2)/(B1+B2) …Formula 1
炭素材料(A)の平均比表面積が5m2/g以上である場合、電極の表面積が大きくなり、酸化還元反応が促進される。また、炭素材料(A)の平均比表面積が300m2/g以下であると、電極の強度が向上する。100m2/g以下であると、電極の表面形態が粗くなり、微生物の吸着性が向上する。 When the average specific surface area of the carbon material (A) is 5 m 2 /g or more, the surface area of the electrode is increased, and the redox reaction is promoted. When the average specific surface area of the carbon material (A) is 300 m 2 /g or less, the strength of the electrode is improved. When the average specific surface area of the carbon material (A) is 100 m 2 /g or less, the surface morphology of the electrode becomes rough, and the adsorption of microorganisms is improved.
<バインダー(B)>
バインダー(B)の種類は、炭素材料(A)の分散性、電極用組成物の安定性、基材への密着性、および電極の可とう性を付与できるものであれば特に制限されず、バインダー樹脂等が挙げられる。
<Binder (B)>
The type of binder (B) is not particularly limited as long as it can impart dispersibility of the carbon material (A), stability of the electrode composition, adhesion to the substrate, and flexibility to the electrode, and examples of the binder include binder resins.
バインダー樹脂としては、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリロニトリル系樹脂、アクリル系樹脂、ブタジエン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリビニルブチラール系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、EVA系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエーテル系樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース系樹脂等からなる群から選ばれる1種類以上を含むことができる。ただし、これらの樹脂に限定されるわけではない。バインダー樹脂は1種単独で用いても良く、2種以上併用しても良い。バインダー樹脂としては、価格や密着性の観点から、フッ化物でない樹脂が好ましい。 The binder resin may include one or more selected from the group consisting of polyurethane resins, polyamide resins, acrylonitrile resins, acrylic resins, butadiene resins, polyvinyl resins, polyvinyl butyral resins, polyolefin resins, polyester resins, polystyrene resins, EVA resins, polyvinylidene fluoride resins, polytetrafluoroethylene resins, silicone resins, polyether resins, cellulose resins such as carboxymethyl cellulose, etc. However, the binder resin is not limited to these resins. One type of binder resin may be used alone, or two or more types may be used in combination. As the binder resin, a non-fluoride resin is preferable from the viewpoint of cost and adhesion.
バインダー樹脂は、バインダー樹脂が基材に適用された後に、硬化(架橋)反応を受ける、硬化性樹脂を用いることもできる。バインダー樹脂は、水系または非水系溶剤に溶解する溶解性樹脂や分散型樹脂微粒子を用いることもできる。分散型樹脂微粒子は、樹脂微粒子が水系または非水系の分散媒中で溶解せずに、微粒子の状態で存在するもので、その分散体は、一般的にエマルションとも呼ばれる。これらは1種単独で用いても良く、2種以上併用しても良い。 The binder resin may be a curable resin that undergoes a curing (crosslinking) reaction after the binder resin is applied to the substrate. The binder resin may be a soluble resin that dissolves in an aqueous or non-aqueous solvent, or a dispersion-type resin microparticle. Dispersion-type resin microparticles are resin microparticles that do not dissolve in an aqueous or non-aqueous dispersion medium and exist in the form of fine particles, and such dispersions are generally also called emulsions. These may be used alone or in combination of two or more types.
分散型樹脂微粒子の粒子構造は、多層構造、いわゆるコアシェル粒子にすることもできる。例えば、コア部、またはシェル部に官能基を有する単量体を主に重合させた樹脂を局在化させたり、コアとシェルによってTgや組成に差を設けたりすることにより、硬化性、乾燥性、成膜性、バインダーの機械強度を向上させることができる。樹脂微粒子の平均粒子径は、結着性や粒子の安定性の観点から、10~1000nmであることが好ましく、10~300nmであることが好ましい。また、1μmを超えるような粗大粒子が多く含有されるようになると粒子の安定性が損なわれるので、1μmを超える粗大粒子は多くとも5%以下であることが好ましい。平均粒子径の測定は、以下のようにして行うことができる。樹脂微粒子の固形分に応じて、分散媒と同じ分散液で200~1000倍に希釈しておく。該希釈分散液約5mlを測定装置(日機装社製ナノトラック)のセルに注入し、サンプルに応じた分散媒および樹脂の屈折率条件を入力後、測定を行う。この時得られた体積粒子径分布データ(ヒストグラム)のピークによって測定することができる。 The particle structure of the dispersed resin microparticles can be a multi-layer structure, so-called core-shell particles. For example, by localizing a resin in which a monomer having a functional group is mainly polymerized in the core or shell, or by providing a difference in Tg or composition between the core and shell, the curability, drying property, film-forming property, and mechanical strength of the binder can be improved. From the viewpoint of binding property and particle stability, the average particle diameter of the resin microparticles is preferably 10 to 1000 nm, and more preferably 10 to 300 nm. In addition, since the stability of the particles is impaired when a large amount of coarse particles exceeding 1 μm are contained, it is preferable that the amount of coarse particles exceeding 1 μm is at most 5% or less. The average particle diameter can be measured as follows. Depending on the solid content of the resin microparticles, the resin is diluted 200 to 1000 times with the same dispersion liquid as the dispersion medium. Approximately 5 ml of the diluted dispersion liquid is poured into the cell of a measuring device (Nanotrack manufactured by Nikkiso Co., Ltd.), and the dispersion medium and the refractive index conditions of the resin according to the sample are input, and then the measurement is performed. This can be measured based on the peak of the volume particle size distribution data (histogram) obtained at this time.
分散型樹脂微粒子としては、架橋型樹脂微粒子を含むことが好ましい。架橋型樹脂微粒子とは、内部架橋構造(三次元架橋構造)を有する樹脂微粒子を示し、粒子内部で架橋していることが重要である。また、架橋型樹脂微粒子が特定の官能基を含有することにより、他の電極構成材料や基材との密着性に寄与することができる。さらには架橋構造や官能基の量を調整することで、電池の優れた耐久性を得ることができる。 The dispersed resin particles preferably contain crosslinked resin particles. Crosslinked resin particles refer to resin particles having an internal crosslinked structure (three-dimensional crosslinked structure), and it is important that the particles are crosslinked inside. In addition, the crosslinked resin particles contain specific functional groups, which can contribute to adhesion with other electrode constituent materials and substrates. Furthermore, by adjusting the amount of the crosslinked structure and functional groups, excellent durability of the battery can be obtained.
電解液への濡れ性や浸透性などの観点から、バインダー(B)としては、水系溶剤に溶解可能な水溶性樹脂(B-a)や、水系の分散媒中で溶解せずに微粒子の状態で存在する水性樹脂微粒子(B-b)を使用することが好ましい。また、電極用組成物のスラリー安定性や塗工性、電極の耐水性や可とう性等の観点から、水溶性樹脂(B-a)と水性樹脂微粒子(B-b)を併用することがさらに好ましい。 From the viewpoint of wettability and permeability to the electrolyte, it is preferable to use, as the binder (B), a water-soluble resin (B-a) that can be dissolved in an aqueous solvent, or aqueous resin microparticles (B-b) that do not dissolve in an aqueous dispersion medium and exist in the form of fine particles. Furthermore, from the viewpoint of the slurry stability and coatability of the electrode composition, and the water resistance and flexibility of the electrode, it is even more preferable to use a combination of the water-soluble resin (B-a) and the aqueous resin microparticles (B-b).
(水溶性樹脂(B-a))
水溶性樹脂(B-a)とは、25℃の水99g中に樹脂1gを入れて撹拌し、25℃で24時間放置した後、分離・析出せずに水中で完全に溶解可能な樹脂である。
(Water-soluble resin (B-a))
Water-soluble resin (Ba) is a resin that can be completely dissolved in water without separation or precipitation after 1 g of resin is added to 99 g of water at 25°C, stirred, and left at 25°C for 24 hours. be.
水溶性樹脂(B-a)には、炭素材料(A)の分散性を高める効果があるため、少ない樹脂量で安定な組成物が得られ、電極の導電性が向上する。また、水溶性樹脂(B-a)を含む電極は、水中に浸漬した場合に、水溶性樹脂の水との高い親和性により電極の電解液に対する濡れ性が向上するとともに、水溶性樹脂の膨潤や溶出による流路が形成されるため、微生物燃料電池の発電に必要なプロトンの拡散に優れた電極を提供できる。また、水溶性樹脂(B-a)の微生物との高い親和性により、アノードへの微生物の付着や育成が促進されるため、多くの微生物を担持でき、微生物と炭素材料(A)や基材との結着も強化される。 The water-soluble resin (B-a) has the effect of increasing the dispersibility of the carbon material (A), so a stable composition can be obtained with a small amount of resin, and the conductivity of the electrode is improved. In addition, when an electrode containing the water-soluble resin (B-a) is immersed in water, the high affinity of the water-soluble resin for water improves the wettability of the electrode to the electrolyte, and a flow path is formed due to the swelling and elution of the water-soluble resin, so that an electrode with excellent diffusion of protons necessary for power generation in a microbial fuel cell can be provided. In addition, the high affinity of the water-soluble resin (B-a) for microorganisms promotes the attachment and growth of microorganisms to the anode, so that a large number of microorganisms can be supported, and the binding between the microorganisms and the carbon material (A) and the substrate is also strengthened.
水溶性樹脂(B-a)は、アニオン性樹脂、カチオン性樹脂、アニオン性とカチオン性の性質を併せ持つ両性樹脂、またそれ以外のノニオン性樹脂に大別され、更にその樹脂が複数の単量体から構成されてもよい。また、水溶性樹脂(B-a)は1種単独で用いても良いし、2種以上併用しても良い。 The water-soluble resin (B-a) is broadly classified into anionic resins, cationic resins, amphoteric resins that have both anionic and cationic properties, and other nonionic resins, and the resin may be composed of multiple monomers. Furthermore, the water-soluble resin (B-a) may be used alone or in combination of two or more types.
アニオン性樹脂としては、カルボキシル基、スルホ基、リン酸基およびそれらを一部あるいは全てを中和した骨格を含有する樹脂が挙げられる。例示すると、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、2-スルホエチルメタクリレート、2-メタクリロイルオキシエチルアシッドホスフェートなどの重合性単量体の単独重合物、または他の重合性単量体との共重合物、カルボキシメチルセルロース、およびそれらのアルカリ中和物等が挙げられる。 Examples of anionic resins include resins containing a skeleton containing a carboxyl group, a sulfo group, a phosphate group, or a partially or fully neutralized skeleton of these groups. Examples include homopolymers of polymerizable monomers such as (meth)acrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, maleic acid, 2-sulfoethyl methacrylate, and 2-methacryloyloxyethyl acid phosphate, or copolymers with other polymerizable monomers, carboxymethyl cellulose, and alkali-neutralized products thereof.
カチオン性樹脂としては、環状を含むアミノ基およびアミノ基の一部あるいは全て中和した骨格や4級アンモニウム塩を含有する樹脂等が挙げられる。例示すると、N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチル(メタ)アクリレート、ビニルピリジンなどの重合性単量体の単独重合物、または他の重合性単量体との共重合物およびそれらの酸中和物が挙げられる。 Examples of cationic resins include resins containing cyclic amino groups, skeletons in which some or all of the amino groups have been neutralized, and quaternary ammonium salts. Examples include homopolymers of polymerizable monomers such as N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate, N,N-diethyl (meth)acrylate, and vinylpyridine, or copolymers with other polymerizable monomers, and acid-neutralized products thereof.
両性樹脂としては、前記アニオン性骨格と前記カチオン性骨格を共に含有する樹脂が挙げられる。例示すると、スチレン-マレイン酸-N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートの共重合物などが挙げられる。 Examples of amphoteric resins include resins that contain both the anionic and cationic skeletons. Examples include copolymers of styrene, maleic acid, and N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate.
ノニオン性樹脂は、前記アニオン性、カチオン性および両性樹脂以外の樹脂である。例示すると、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリアクリルアミド、ポリ-N-ビニルアセトアミド、ポリアルキレングリコールなどが挙げられる。 Nonionic resins are resins other than the anionic, cationic and amphoteric resins mentioned above. Examples include polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyacrylamide, poly-N-vinyl acetamide, polyalkylene glycol, etc.
水溶性樹脂(B-a)の分子量は特に限定されないが、好ましくは質量平均分子量が5,000~2,500,000である。質量平均分子量(Mw)とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)におけるポリエチレンオキサイド換算分子量を示す。 The molecular weight of the water-soluble resin (B-a) is not particularly limited, but the mass average molecular weight is preferably 5,000 to 2,500,000. The mass average molecular weight (Mw) refers to the molecular weight calculated as polyethylene oxide by gel permeation chromatography (GPC).
(水性樹脂微粒子(B-b))
水性樹脂微粒子は、樹脂が水中で溶解せずに微粒子の状態で存在する分散型樹脂微粒子で、水分散樹脂微粒子とも呼ばれる。その水分散体は一般的に水性エマルションとも呼ばれる。
(Aqueous resin fine particles (B-b))
The aqueous resin particles are dispersion-type resin particles in which the resin does not dissolve in water but exists in the form of fine particles, and are also called water-dispersed resin particles. The aqueous dispersion is generally called an aqueous emulsion.
水性樹脂微粒子(B-b)としては、(メタ)アクリル系エマルション、ニトリル系エマルション、ウレタン系エマルション、ポリオレフィン系エマルション、フッ素系エマルション(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など)、ジエン系エマルション(スチレン・ブタジエンゴム(SBR)等)等が挙げられる。なお、(メタ)アクリルは、メタクリルまたはアクリルを意味する。 Examples of aqueous resin microparticles (B-b) include (meth)acrylic emulsions, nitrile emulsions, urethane emulsions, polyolefin emulsions, fluorine-based emulsions (such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE)), diene emulsions (such as styrene-butadiene rubber (SBR)), etc. Note that (meth)acrylic means methacrylic or acrylic.
水性樹脂微粒子(B-b)を含む電極用組成物は、塗膜形成された場合、粒子間及び基材との密着性に優れ、強度の高い電極を提供できる。また、水性樹脂微粒子(B-b)と炭素材料(A)の結着は点接触によるため、界面を反応場とする反応を阻害しにくい。また、微生物が付着しやすい表面形態を形成することができる。更に、密着性に優れることから必要な水性樹脂微粒子(B-b)は少量で済むため、結果、電極の導電性が向上する。更に、水性樹脂微粒子は構成する単量体によっては安価に製造することが可能なため、電極の製造費を低減できる。上述のような効果を得るため、水性樹脂微粒子(B-b)としては、粒子間の結着性と柔軟性(膜の可とう性)に優れる(メタ)アクリル系エマルションやウレタン系エマルションが好ましい。 When a coating film is formed, the electrode composition containing the aqueous resin fine particles (B-b) has excellent adhesion between particles and with the substrate, and can provide a strong electrode. In addition, since the aqueous resin fine particles (B-b) and the carbon material (A) are bonded by point contact, it is difficult to inhibit the reaction in which the interface is the reaction field. In addition, it is possible to form a surface morphology to which microorganisms can easily attach. Furthermore, since the aqueous resin fine particles (B-b) have excellent adhesion, only a small amount of the aqueous resin fine particles (B-b) is required, and as a result, the conductivity of the electrode is improved. Furthermore, since the aqueous resin fine particles can be produced inexpensively depending on the monomer that constitutes them, the manufacturing cost of the electrode can be reduced. In order to obtain the above-mentioned effects, it is preferable to use a (meth)acrylic emulsion or a urethane emulsion as the aqueous resin fine particles (B-b), which have excellent adhesion between particles and flexibility (flexibility of the film).
(メタ)アクリル系エマルションとは、(メタ)アクリロイル基を有する単量体を10質量部以上含有する乳化重合物であり、好ましくは20質量部以上、更に好ましくは30質量部以上含有されているとよい。アクリロイル基を有する単量体は反応性に優れるため、樹脂微粒子を比較的容易に作製することができる。したがって、水性樹脂微粒子(B-b)として、(メタ)アクリル系エマルションは特に好ましい。 A (meth)acrylic emulsion is an emulsion polymer containing 10 parts by mass or more of a monomer having a (meth)acryloyl group, preferably 20 parts by mass or more, and more preferably 30 parts by mass or more. A monomer having an acryloyl group has excellent reactivity, so resin microparticles can be produced relatively easily. Therefore, a (meth)acrylic emulsion is particularly preferable as the aqueous resin microparticles (B-b).
<溶剤(分散媒)>
導電性の炭素材料(A)と、バインダー(B)とを均一に混合する場合、溶剤を適宜用いることが出来る。そのような溶剤としては、樹脂を溶解できるものや、樹脂微粒子エマルションを安定に分散できるものであれば特に限定されず、水や有機溶剤を挙げることが出来る。
<Solvent (dispersion medium)>
When the conductive carbon material (A) and the binder (B) are mixed uniformly, a solvent can be appropriately used. Such a solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the resin or stably disperse the resin fine particle emulsion, and examples of the solvent include water and organic solvents.
有機溶剤は、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等の芳香族類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類などの内から導電性組成物の組成に応じ適当なものが使用できる。
また、溶剤は水と有機溶剤、または有機溶剤を2種以上用いてもよい。
The organic solvent can be appropriately selected from among alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol methyl ether, and diethylene glycol methyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol dimethyl ether, and diethylene glycol dimethyl ether; hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane; aromatics such as benzene, toluene, xylene, and cumene; and esters such as ethyl acetate and butyl acetate, depending on the composition of the conductive composition.
The solvent may be water and an organic solvent, or two or more organic solvents may be used.
水溶性樹脂(B-a)や水性樹脂微粒子(B-b)を用いる場合、溶解性や分散性の観点から、溶剤として水を使用することが好ましく、必要に応じて、水と相溶する液状媒体を添加しても良い。水と相溶する液状媒体としては、炭素数が4以下のアルコール系溶剤が好ましい。 When using a water-soluble resin (B-a) or aqueous resin microparticles (B-b), it is preferable to use water as the solvent from the viewpoint of solubility and dispersibility, and a liquid medium compatible with water may be added as necessary. As a liquid medium compatible with water, an alcohol-based solvent having a carbon number of 4 or less is preferable.
また、本発明の電極用組成物には、必要に応じて、本発明による効果を妨げない範囲で、紫外線吸収剤、紫外線安定剤、ラジカル補足剤、充填剤、チクソトロピー付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、帯電防止剤、難燃剤、熱伝導性改良剤、可塑剤、ダレ防止剤、防汚剤、防腐剤、殺菌剤、消泡剤、レベリング剤、ブロッキング防止剤、硬化剤、増粘剤、分散剤、シランカップリング剤等の各種の添加剤を添加してもよい。 In addition, various additives such as ultraviolet absorbers, ultraviolet stabilizers, radical scavengers, fillers, thixotropy-imparting agents, antiaging agents, antioxidants, antistatic agents, flame retardants, thermal conductivity improvers, plasticizers, antisagging agents, antifouling agents, preservatives, bactericides, defoamers, leveling agents, antiblocking agents, hardeners, thickeners, dispersants, and silane coupling agents may be added to the electrode composition of the present invention, if necessary, within the scope of not impairing the effects of the present invention.
<電極用組成物の組成>
炭素材料(A)の含有量は、導電性や基材への密着性等から、電極用組成物の全固形分の合計100質量%に対して、好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは80~99質量%が好ましく、特に好ましくは85~99質量%である。炭素材料(A)の含有量が50質量%以上であると、電極内部での電子パスが発達し、十分な導電性が得られる。炭素材料(A)の含有量が80質量%以上であると、表面に炭素材料(A)が露出することによって炭素材料(A)と微生物の間の電子パスが増加し、アノード反応が促進されるため、電池の発電特性が向上する。
黒鉛(A-a)の含有量は、導電性の観点から、炭素材料(A)の合計100質量%に対して、好ましくは25~99質量%、さらに好ましくは50~90質量%、特に好ましくは60~85質量%である。黒鉛(A-a)と黒鉛以外の炭素材料(A-b)とを好適な範囲内で併用することにより、電極内部でのパッキングが向上して導電性が向上する。さらに、好適な表面形態が形成されるため、物質拡散性や微生物吸着性が高まって反応性が向上し、高い発電特性が得られる。
バインダー(B)の含有量は、導電性や基材への密着性等から、電極用組成物の全固形分の合計100質量%に対して、好ましくは0.1~50質量%、さらに好ましくは0.5~20質量%、特に好ましくは1~15質量%である。
<Composition of electrode composition>
The content of the carbon material (A) is preferably 50% by mass or more, more preferably 80 to 99% by mass, and particularly preferably 85 to 99% by mass, based on the total of 100% by mass of the total solid content of the electrode composition, in terms of electrical conductivity and adhesion to the substrate. When the content of the carbon material (A) is 50% by mass or more, the electron path inside the electrode is developed, and sufficient electrical conductivity is obtained. When the content of the carbon material (A) is 80% by mass or more, the carbon material (A) is exposed on the surface, increasing the electron path between the carbon material (A) and the microorganisms, and promoting the anode reaction, thereby improving the power generation characteristics of the battery.
From the viewpoint of electrical conductivity, the content of graphite (A-a) is preferably 25 to 99 mass%, more preferably 50 to 90 mass%, and particularly preferably 60 to 85 mass% relative to 100 mass% of the total carbon material (A). By using graphite (A-a) and a carbon material other than graphite (A-b) in combination within a suitable range, packing inside the electrode is improved and electrical conductivity is improved. Furthermore, since a suitable surface morphology is formed, substance diffusibility and microbial adsorption are enhanced, reactivity is improved, and high power generation characteristics are obtained.
The content of the binder (B) is preferably 0.1 to 50 mass%, more preferably 0.5 to 20 mass%, and particularly preferably 1 to 15 mass%, relative to 100 mass% of the total solid content of the electrode composition in terms of electrical conductivity, adhesion to a substrate, and the like.
水溶性樹脂(B-a)を含む場合、その含有量は、電極用組成物の全固形分の合計100質量%に対して、好ましくは0.1~30質量%、さらに好ましくは0.5~20質量%、特に好ましくは1~15質量%である。水溶性樹脂の含有量が0.1質量%以上であると、前述の通り、微生物をより多く担持でき、プロトン拡散性が良好なアノードが得られる。また、水溶性樹脂の含有量が30質量%以下であると、電解液中での耐久性が良好なアノードが得られる。
水性樹脂微粒子(B-b)を含む場合、その含有量は、電極用組成物の全固形分の合計100質量%に対して、好ましくは0.5~40質量%、さらに好ましくは1~30質量%、特に好ましくは2~25質量%である。水性樹脂微粒子の含有量が0.5質量%以上であると、アノードの強度が改善する。また、水性樹脂微粒子の含有量が40質量%以下の場合、良好な導電性が得られる。さらに、水性樹脂微粒子の含有量が30質量%以下である場合、水性樹脂微粒子と炭素材料(A)との点結着により、微生物の吸着に適した表面形態が形成される。さらに、水性樹脂微粒子の含有量が25質量%以下である場合、塗膜表面において炭素材料(A)がより多く露出するため、酸化還元反応が促進される。
また、水溶性樹脂(B-a)と水性樹脂微粒子(B-b)とをともに含む場合、水性樹脂微粒子(B-b)を水溶性樹脂(B-a)より多く含むことで、物質拡散性が向上し、好ましい。
When the water-soluble resin (Ba) is contained, the content thereof is preferably 0.1 to 30 mass%, more preferably 0.5 to 20 mass%, and particularly preferably 1 to 15 mass%, based on 100 mass% of the total solid content of the electrode composition. When the content of the water-soluble resin is 0.1 mass% or more, as described above, a larger amount of microorganisms can be supported, and an anode with good proton diffusivity can be obtained. Furthermore, when the content of the water-soluble resin is 30 mass% or less, an anode with good durability in the electrolyte can be obtained.
When the aqueous resin fine particles (B-b) are contained, the content thereof is preferably 0.5 to 40 mass%, more preferably 1 to 30 mass%, and particularly preferably 2 to 25 mass%, based on 100 mass% of the total solid content of the electrode composition. When the content of the aqueous resin fine particles is 0.5 mass% or more, the strength of the anode is improved. When the content of the aqueous resin fine particles is 40 mass% or less, good electrical conductivity is obtained. Furthermore, when the content of the aqueous resin fine particles is 30 mass% or less, a surface morphology suitable for adsorption of microorganisms is formed by point-bonding between the aqueous resin fine particles and the carbon material (A). Furthermore, when the content of the aqueous resin fine particles is 25 mass% or less, a larger amount of the carbon material (A) is exposed on the coating surface, and thus the oxidation-reduction reaction is promoted.
In addition, when both the water-soluble resin (Ba) and the aqueous resin fine particles (Bb) are contained, it is preferable to contain more aqueous resin fine particles (Bb) than the water-soluble resin (Ba), since this improves the substance diffusibility.
電極用組成物には炭素材料(A)とバインダー(B)以外の任意の成分を含んでもよいが、導電性や密着性などの観点から、電極用組成物の全固形分に対する炭素材料(A)とバインダー(B)の合計の割合は、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上である。 The electrode composition may contain any components other than the carbon material (A) and the binder (B), but from the viewpoint of electrical conductivity, adhesion, etc., the total ratio of the carbon material (A) and the binder (B) to the total solid content of the electrode composition is preferably 50 mass% or more, and more preferably 80 mass% or more.
電極組成物の適正粘度は、組成物の塗工方法によるが、一般には、10mPa・s以上、30,000mPa・s以下とするのが好ましい。 The appropriate viscosity of the electrode composition depends on the coating method of the composition, but in general, it is preferable to set it to 10 mPa·s or more and 30,000 mPa·s or less.
<電極用組成物の調製方法>
電極用組成物の調製方法に特に制限はない。調製方法は、
(1)各成分を同時に分散してもよく、
(2)炭素材料(A)を溶媒中に分散後、他の材料を添加してもよく、
(3)炭素材料(A)とバインダー(B)を溶媒中に分散後、他の材料を添加してもよく、
使用する炭素材料(A)やバインダー(B)により最適化することができる。
水溶性樹脂(B-a)や水性樹脂微粒子(B-b)を使用する場合、炭素材料(A)と水溶性樹脂(B-a)とを水性液状媒体中に分散した後に、水性樹脂微粒子(B-b)を添加すると、分散時間の短縮などコストダウンに大きく貢献することができる。
<Method of preparing electrode composition>
There is no particular limitation on the method for preparing the electrode composition.
(1) Each component may be dispersed simultaneously;
(2) After dispersing the carbon material (A) in the solvent, other materials may be added.
(3) After dispersing the carbon material (A) and the binder (B) in a solvent, other materials may be added.
This can be optimized by the carbon material (A) and binder (B) used.
In the case of using the water-soluble resin (Ba) or the aqueous resin fine particles (B-b), adding the aqueous resin fine particles (B-b) after dispersing the carbon material (A) and the water-soluble resin (Ba) in the aqueous liquid medium can contribute greatly to cost reduction, for example by shortening the dispersion time.
<分散機・混合機>
電極用組成物を得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
<Dispersing machine/mixing machine>
As the apparatus used in obtaining the electrode composition, a dispersing machine or a mixer that is generally used for dispersing pigments or the like can be used.
例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社「フィルミックス」等のホモジナイザー類;ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機;または、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 For example, mixers such as a Disper, Homomixer, or Planetary Mixer; homogenizers such as M Technique's "Clearmix" or PRIMIX's "Filmix"; media-type dispersers such as a paint conditioner (Red Devil), ball mill, sand mill (Shinmaru Enterprises' "Dynomill" etc.), attritor, pearl mill (Eirich's "DCP Mill" etc.), or Coball mill; media-less dispersers such as wet jet mills (Genus PY, Sugino Machine's "Starburst", Nanomizer Inc.'s "Nanomizer", etc.), M Technique's "Clear SS-5", or Nara Machine's "MICROS"; or other roll mills, but are not limited to these.
例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、または、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。また、強い衝撃で粒子が割れやすいあるいは潰れやすい場合は、メディア型分散機よりは、ロールミルやホモジナイザー等のメディアレス分散機が好ましい。 For example, when using a media-type disperser, it is preferable to use a disperser with an agitator and vessel made of ceramic or resin, or a disperser in which the surface of a metal agitator and vessel is treated with tungsten carbide spraying or resin coating. As the media, it is preferable to use ceramic beads such as glass beads, zirconia beads, or alumina beads. Also, when using a roll mill, it is preferable to use a ceramic roll. Only one type of dispersing device may be used, or multiple types of devices may be used in combination. Also, when the particles are easily broken or crushed by strong impact, a media-less dispersing device such as a roll mill or homogenizer is preferable to a media-type dispersing device.
<電極の製造方法>
次に、電極用組成物から電極を作製する方法について、説明する。従来公知の方法を使用して作製することが出来、特に限定されないが、例えば、
(1)電極用組成物を基材へ塗工することにより作製した電極や、
(2)電極用組成物をペレット状に成形した電極や、
(3)電極用組成物をペレット状に成形したものを導電性基材で包んで作製した電極や、(4)枠や籠のような形状の導電性基材中へ電極用組成物をペレット状に成形したものを封入した電極、
等が挙げられる。
特に、微生物が関与するアノードについては、例えば、微生物を電極用組成物へ混合してからアノードを作製しても良いし、あらかじめ上述のように電極を作製しておき、その後に微生物の添加や植種を行っても良い。また、電極を土壌中へ設置した後に土壌中の微生物の吸着によりアノードとして機能させることも出来る。
<Electrode manufacturing method>
Next, a method for producing an electrode from the electrode composition will be described. The electrode can be produced using a conventionally known method, and is not particularly limited. For example,
(1) An electrode prepared by applying an electrode composition to a substrate,
(2) An electrode obtained by forming the electrode composition into a pellet shape,
(3) An electrode prepared by wrapping a pellet-shaped electrode composition in a conductive substrate; (4) An electrode prepared by encapsulating a pellet-shaped electrode composition in a conductive substrate having a frame or basket shape;
etc.
In particular, for anodes involving microorganisms, for example, the anode may be prepared after mixing the microorganisms into the electrode composition, or the electrode may be prepared in advance as described above, and then the microorganisms may be added or inoculated. Also, the electrode may be placed in soil and then function as an anode by adsorption of the microorganisms in the soil.
<基材>
電極で使用する基材としては、導電性基材や非導電性基材を用いることができる。
<Substrate>
The substrate used in the electrode may be a conductive substrate or a non-conductive substrate.
導電性基材は、集電体として機能する。導電性基材としては、耐腐食性、電気伝導性に優れ、表面積が大きく、反応物及び生成物の拡散に優れるものが良く、材質や形状は特に限定されない。例えばグラファイトペーパー(カーボンペーパー)、グラファイトクロス(カーボンクロス)及びグラファイトフェルト(カーボンフェルト)等のカーボン材料の他、ステンレスメッシュ、銅メッシュや白金メッシュ等の金属材料を用いることができるが、この限りではない。電極に用いる導電性基材には、予め撥水処理しても良い。例えば、PTFEの分散液をカソードに含浸させ、乾燥後400℃前後で加熱することで撥水性が発現する。また、PTFE分散液には導電材を分散させても良い。なお、撥水処理はこれらに限定されるものではない。 The conductive substrate functions as a current collector. The conductive substrate is preferably one that has excellent corrosion resistance and electrical conductivity, a large surface area, and excellent diffusion of reactants and products, and there are no particular limitations on the material or shape. For example, carbon materials such as graphite paper (carbon paper), graphite cloth (carbon cloth), and graphite felt (carbon felt) can be used, as well as metal materials such as stainless steel mesh, copper mesh, and platinum mesh, but this is not limited thereto. The conductive substrate used for the electrode may be previously treated to be water-repellent. For example, the cathode is impregnated with a dispersion of PTFE, and the water-repellent property is expressed by heating the PTFE dispersion at about 400°C after drying. A conductive material may also be dispersed in the PTFE dispersion. Note that the water-repellent treatment is not limited to these.
また、紙類、布類、樹脂製フィルム等の非導電性支持体に、導電性被膜を形成できる組成物やポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子を塗布、乾燥したものやそれらを併用したものを用いてもよい。 In addition, a composition capable of forming a conductive film or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, or polythiophene may be applied to a non-conductive support such as paper, cloth, or resin film, and then dried, or a combination of these may be used.
非導電性基材としては、上述の非導電性支持体と同様の物が使用できる。 The non-conductive substrate can be the same as the non-conductive support described above.
基材としては、コストや耐腐食性の観点から、非導電性支持体を有する導電性基材および非導電性基材が好ましい。 As the substrate, conductive substrates with a non-conductive support and non-conductive substrates are preferred from the standpoint of cost and corrosion resistance.
<塗工方法>
本発明の電極用組成物を基材に塗工(塗布)する方法は、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。例示すると、グラビアコーティング法、スプレーコーティング法、スクリーン印刷法、ディップコーティング法、ダイコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等を挙げることができ、乾燥方法としては放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機等が使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
<Coating method>
The method of applying (coating) the electrode composition of the present invention to a substrate is not particularly limited, and any known method can be used. Examples include gravure coating, spray coating, screen printing, dip coating, die coating, roll coating, doctor coating, knife coating, screen printing, and electrostatic painting, and drying methods include, but are not limited to, standing drying, air blowing dryer, hot air dryer, infrared heater, far infrared heater, and the like.
本発明の微生物燃料電池用電極の体積抵抗率は、5×101Ω・cm未満であることが好ましく、さらに好ましくは5×100Ω・cm未満、さらに好ましくは1×10-1Ω・cm未満である。導電性が良好な電極ほど電力を有効に取り出すことが可能となる。 The volume resistivity of the electrode for a microbial fuel cell of the present invention is preferably less than 5×10 1 Ω·cm, more preferably less than 5×10 0 Ω·cm, and even more preferably less than 1×10 −1 Ω·cm. The better the conductivity of the electrode, the more effectively it is possible to extract electric power.
<微生物燃料電池>
本発明の微生物燃料電池には、図1に示すように、アノード、カソード、電解液、外部抵抗などが用いられる。アノードは微生物を含んでおり、カソードは還元触媒を含んでいる。アノードとカソードとは、電解液を介して接しており、カソードは酸化剤と触れることができる位置に配置されている。酸化剤としては、大気中に存在する酸素を用いることが好ましい。また、アノードとカソードとは、外部抵抗を経由して電気的に接続されている。ここで、外部抵抗とは、電気回路における電気抵抗を示す。
<Microbial fuel cell>
As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell of the present invention uses an anode, a cathode, an electrolyte, an external resistor, and the like. The anode contains a microorganism, and the cathode contains a reduction catalyst. The anode and the cathode are in contact with each other via an electrolyte, and the cathode is disposed in a position where it can come into contact with an oxidizing agent. As the oxidizing agent, oxygen present in the atmosphere is preferably used. In addition, the anode and the cathode are electrically connected via an external resistor. Here, the external resistor refers to the electrical resistance in an electric circuit.
アノードでは、微生物の代謝によって有機物が酸化分解されると同時に、電子とプロトンが発生する。発生した電子はアノードに取り込まれ外部抵抗を経由してカソードへと移動する。発生したプロトンは、電解液中を通過して、カソード側へと移動する。
また、カソードでは、還元触媒の作用によって、アノード側から移動してきた電子とプロトン、及びカソード付近の酸化剤が反応する。
そして、上記の反応が繰り返されることで、カソードとアノードとの間に起電力が発生する。
At the anode, organic matter is oxidized and decomposed by the metabolism of microorganisms, and electrons and protons are generated at the same time. The generated electrons are taken up by the anode and move to the cathode via an external resistor. The generated protons pass through the electrolyte and move to the cathode.
At the cathode, the electrons and protons transferred from the anode side and the oxidant near the cathode react with each other due to the action of the reduction catalyst.
As the above reaction is repeated, an electromotive force is generated between the cathode and the anode.
微生物燃料電池に用いる電解液は、プロトン伝導性を有し、微生物によって酸化分解される基質を含有する。基質は、電子を供与する微生物が代謝可能な物質であれば、特に限定されるものではない。例えば、糖類やタンパク質、脂質などの有機物の他、アンモニアなどの無機物などが挙げられ、それらを1種類以上含有してもよい。したがって、電解液は前記条件を満たす生活廃水、産業廃水、環境廃水(池、湖沼、河川、海)、土壌、汚泥等を用いることができる。また、微生物とアノードとの間で電子伝達を担うメディエーターを導入してもよく、メチレンブルーやニュートラルレッドなどが例示できる。 The electrolyte used in the microbial fuel cell contains a substrate that is proton conductive and is oxidatively decomposed by the microorganism. The substrate is not particularly limited as long as it is a substance that can be metabolized by the microorganism that donates electrons. Examples of the substrate include organic substances such as sugars, proteins, and lipids, as well as inorganic substances such as ammonia, and the electrolyte may contain one or more of these substances. Therefore, the electrolyte may be made of domestic wastewater, industrial wastewater, environmental wastewater (ponds, lakes, rivers, seas), soil, sludge, etc. that satisfy the above conditions. In addition, a mediator that is responsible for electron transfer between the microorganism and the anode may be introduced, and examples of such mediators include methylene blue and neutral red.
アノードにおいて電子を供与する微生物は、前記基質を酸化分解し電子を生成するアノード反応を生起するものであれば、単一種でも複数種であってもよい。また、微生物は電解槽内を浮遊あるいはアノード上へ固定化することで電解槽内に保持する。微生物種は特に限定されないが、Shewanella属やGeobacter属に属するものが例示できる。 The microorganisms that donate electrons at the anode may be of a single species or multiple species, so long as they cause an anode reaction that oxidizes and decomposes the substrate to generate electrons. The microorganisms are retained in the electrolytic cell by floating in the electrolytic cell or by being immobilized on the anode. There are no particular limitations on the type of microorganism, but examples include those belonging to the genera Shewanella and Geobacter.
カソードで使用出来る触媒は、微生物燃料電池として機能する触媒であれば特に限定されるものではないが、酸素還元触媒を例に説明する。酸素還元触媒は貴金属触媒、卑金属酸化物触媒、炭素触媒、活性炭、還元酵素等が挙げられる。これらは単独で用いても、二種類以上組み合わせて用いても良い。 The catalyst that can be used in the cathode is not particularly limited as long as it functions as a microbial fuel cell, but we will use an oxygen reduction catalyst as an example. Examples of oxygen reduction catalysts include precious metal catalysts, base metal oxide catalysts, carbon catalysts, activated carbon, and reducing enzymes. These may be used alone or in combination of two or more types.
微生物燃料電池の構成としては、電子供与微生物が保持されたアノードと、触媒材料を含むカソードを、電解液として有機廃水等を含む電解槽に隔壁を設けず差し込んだ一槽型構成や、固体高分子形燃料電池のように、固体高分子膜を利用して、アノード槽とカソード槽を隔てた二槽型構成でもよい。更に、面で囲われた電解槽だけでなく、水田や湖沼、河川、海のように囲われていない環境でもよい。例えば、電解液を保持する電解槽内部と酸素を含む大気等の電解槽外部を隔てる液面、側面、底面にカソードが設置される形態や、外気を取り入れることができるカセット型の電極を液中に浸漬する等の形態が考えられる。このとき、カソードの触媒層が電解液と接し、その裏面が酸素を含む大気等と接するように設置される。これにより、電解槽外部から酸素を含む大気等が直接カソードへ流入し、電解液に接したカソード中の触媒上で反応が生起する。 The microbial fuel cell may be configured as a single tank type in which an anode holding electron donor microorganisms and a cathode containing a catalyst material are inserted into an electrolytic cell containing organic wastewater or the like as an electrolyte without a partition, or as a two tank type in which an anode tank and a cathode tank are separated by a solid polymer membrane, as in a solid polymer fuel cell. Furthermore, it may be configured not only in an electrolytic cell surrounded by a surface, but also in an unenclosed environment such as a rice field, a lake, a river, or the sea. For example, a cathode may be installed on the liquid surface, side, or bottom surface that separates the inside of the electrolytic cell that holds the electrolyte from the outside of the electrolytic cell, such as the atmosphere containing oxygen, or a cassette-type electrode that can take in outside air may be immersed in the liquid. In this case, the catalyst layer of the cathode is installed so that it is in contact with the electrolyte, and its back surface is in contact with the atmosphere containing oxygen. As a result, the atmosphere containing oxygen flows directly into the cathode from outside the electrolytic cell, and a reaction occurs on the catalyst in the cathode that is in contact with the electrolyte.
以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the following examples are not intended to limit the scope of the invention in any way.
<電極用炭素材料>
[製造例A1]
(炭素材料(1)の調整)
グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)と鉄フタロシアニン P-26(山陽色素社製)を、質量比1/0.5(グラフェンナノプレー
トレット/鉄フタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、炭素材料(1)を得た。炭素材料(1)の比表面積は、220m2/gであった。
<Carbon materials for electrodes>
[Production Example A1]
(Preparation of Carbon Material (1))
Graphene nanoplatelets xGnP-C-750 (manufactured by XGscience) and iron phthalocyanine P-26 (manufactured by Sanyo Pigment Co., Ltd.) were weighed out to a mass ratio of 1/0.5 (graphene nanoplatelets/iron phthalocyanine) and dry-mixed to obtain a mixture. The mixture was filled into an alumina crucible and heat-treated in an electric furnace under a nitrogen atmosphere at 800°C for 2 hours to obtain a carbon material (1). The specific surface area of the carbon material (1) was 220 m 2 /g.
<電極用組成物の調製>
[実施例1]
黒鉛(A-a)として球状黒鉛CGB-50(日本黒鉛社製)12質量%、黒鉛以外の炭素材料(A-b)としてアセチレンブラックHS-100(デンカ社製)3質量%、バインダー(B)としてポリフッ化ビニリデンであるKFポリマー#9200(クレハ社製)5質量%、溶媒としてN-メチルピロリドン80質量%、をミキサーにて混合して固形分が20質量%となる電極用組成物(1)を得た。
<Preparation of electrode composition>
[Example 1]
12% by mass of spherical graphite CGB-50 (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd.) as graphite (A-a), 3% by mass of acetylene black HS-100 (manufactured by Denka Co., Ltd.) as a carbon material other than graphite (A-b), 5% by mass of KF polymer #9200 (manufactured by Kureha Co., Ltd.) which is polyvinylidene fluoride as binder (B), and 80% by mass of N-methylpyrrolidone as a solvent were mixed in a mixer to obtain an electrode composition (1) having a solid content of 20% by mass.
[実施例2~27、比較例1、2]
表1に示す黒鉛(A-a)、黒鉛以外の炭素材料(A-b)、バインダー(B)、溶媒を用いて、電極用組成物(1)と同様の方法で電極用組成物(2)~(29)を作製した。
[Examples 2 to 27, Comparative Examples 1 and 2]
Using the graphite (A-a), the carbon material other than graphite (A-b), the binder (B), and the solvent shown in Table 1, electrode compositions (2) to (29) were prepared in the same manner as for the electrode composition (1).
<微生物燃料電池用電極の作製> <Preparation of electrodes for microbial fuel cells>
[実施例28~45、48~54、比較例3、4]
非導電性の基材である厚さ100μmのPETフィルム(大きさ10cm×10cm)上に、実施例1~18、21~27及び比較例1、2の電極用組成物(1)~(18)、(21)~(29)を目付け量が2mg/cm2となるように添加した後、110℃で10分間加熱乾燥し微生物燃料電池用電極(1)~(18)、(21)~(29)を作製した。
[Examples 28 to 45, 48 to 54, Comparative Examples 3 and 4]
The electrode compositions (1) to (18), (21) to (29) of Examples 1 to 18, 21 to 27 and Comparative Examples 1 and 2 were added to a non-conductive substrate of a 100 μm thick PET film (size 10 cm × 10 cm) so as to give a basis weight of 2 mg/cm2, and then heated and dried at 110°C for 10 minutes to produce microbial fuel cell electrodes (1) to (18), (21) to (29).
[実施例46、47]
導電性の基材であるカーボンペーパー(大きさ10cm×10cm、東レ社製)上に、実施例19、20の電極用組成物(19)、(20)を目付け量が2mg/cm2となるように添加した後、110℃で10分間加熱乾燥し微生物燃料電池用電極(19)、(20)を作製した。
[Examples 46 and 47]
The electrode compositions (19) and (20) of Examples 19 and 20 were added to a conductive substrate, carbon paper (size 10 cm x 10 cm, manufactured by Toray Industries, Inc.), so that the basis weight was 2 mg/cm2, and then the composition was dried by heating at 110°C for 10 minutes to prepare electrodes (19) and (20) for microbial fuel cells.
微生物燃料電池用電極(28)は、塗膜が剥落したため、以降の評価を実施しなかった。 Since the coating on the microbial fuel cell electrode (28) had peeled off, further evaluation was not performed.
[製造例B1]
炭素材料(1)12質量%、Nafion(登録商標)(20質量%溶液)40質量%、水24質量%、1-プロピルアルコール24質量%、をミキサーにて混合してカソード用組成物(1)を得た。カーボンフェルトLFP-210(大きさ10cm×10cm、大阪ガスケミカル社製)上に、カソード用組成物(1)を添加した後、110℃で10分間加熱乾燥して、微生物燃料電池用カソード(1)(目付け量10mg/cm2)を作製した。
[Production Example B1]
12% by mass of carbon material (1), 40% by mass of Nafion (registered trademark) (20% by mass solution), 24% by mass of water, and 24% by mass of 1-propyl alcohol were mixed in a mixer to obtain a cathode composition (1). The cathode composition (1) was added onto carbon felt LFP-210 (size 10 cm x 10 cm, manufactured by Osaka Gas Chemicals Co., Ltd.), and then heated and dried at 110°C for 10 minutes to prepare a cathode (1) for a microbial fuel cell (basis weight 10 mg/cm 2 ).
<微生物燃料電池>
[実施例55]
図1に示す微生物燃料電池により評価を実施した。500mLの容量を持つ容器内に、土(花と野菜の土:あかぎ農園社)400gと、カソード、アノードを配置し、土中に電解液である水道水250gを加えて微生物燃料電池を作製した。アノードは微生物燃料電池用電極(1)を使用し、カソードは微生物燃料電池用カソード(1)を用いた。次に、カソードとアノードに配線を取り付けて外部抵抗(1kΩ)に接続し、微生物燃料電池を連続運転させた。
<Microbial fuel cell>
[Example 55]
The evaluation was carried out using the microbial fuel cell shown in Figure 1. 400 g of soil (Flower and Vegetable Soil: Akagi Farm Co., Ltd.), a cathode, and an anode were placed in a container with a capacity of 500 mL, and 250 g of tap water as an electrolyte was added to the soil to create a microbial fuel cell. The anode used was a microbial fuel cell electrode (1), and the cathode used was a microbial fuel cell cathode (1). Next, wiring was attached to the cathode and anode and connected to an external resistor (1 kΩ), and the microbial fuel cell was operated continuously.
[実施例56~72、75~81、比較例5]
表2に示す通り、アノードとして微生物燃料電池用電極(1)の代わりに微生物燃料電池用電極(2)~(18)、(21)~(27)、(29)を使用した以外は実施例55と同様にして、微生物燃料電池を連続運転させた。
[Examples 56 to 72, 75 to 81, Comparative Example 5]
As shown in Table 2, the microbial fuel cell was operated continuously in the same manner as in Example 55, except that the microbial fuel cell electrodes (2) to (18), (21) to (27), and (29) were used instead of the microbial fuel cell electrode (1) as the anode.
[実施例73、74]
表2に示す通り、カソードとして微生物燃料電池用カソード(1)の代わりに微生物燃料電池用電極(19)、(20)を使用した以外は実施例55と同様にして、微生物燃料電池を連続運転させた。
[Examples 73 and 74]
As shown in Table 2, the microbial fuel cell was operated continuously in the same manner as in Example 55, except that the microbial fuel cell electrodes (19) and (20) were used instead of the microbial fuel cell cathode (1) as the cathode.
(発電特性評価)
3週間後の微生物燃料電池の電圧と電流をテスターで測定して出力を算出した。下記に判断基準を示し、結果を表2に示す。
◎:発電特性 30μW以上(極めて良好)
〇:発電特性 20μW以上30μW未満(良好)
〇△:発電特性 10μW以上20μW未満(実用上問題なし)
△:発電特性 5μW以上10μW未満(不良)
×:発電特性 5μW未満(極めて不良)
(Evaluation of power generation characteristics)
After three weeks, the voltage and current of the microbial fuel cell were measured with a tester and the output was calculated. The evaluation criteria are shown below, and the results are shown in Table 2.
◎: Power generation characteristics 30μW or more (very good)
〇: Power generation characteristics: 20μW or more and less than 30μW (good)
〇△: Power generation characteristics: 10μW or more and less than 20μW (no practical problems)
△: Power generation characteristics: 5 μW or more and less than 10 μW (bad)
×: Power generation characteristic: Less than 5 μW (extremely poor)
(耐久性評価)
発電特性評価を実施した時点での発電特性を100%とし、さらに3週間後の発電特性を測定して発電特性の維持率を算出して評価した。下記に判断基準を示し、結果を表2に示す。
◎:発電特性維持率 80%以上(極めて良好)
〇:発電特性維持率 70%以上80%未満(良好)
〇△:発電特性維持率 60%以上70%未満(実用上問題なし)
△:発電特性維持率 40%以上60%未満(不良)
×:発電特性維持率 40%未満(極めて不良)
(Durability evaluation)
The power generation characteristics at the time of the power generation characteristic evaluation were taken as 100%, and the power generation characteristics were measured after another 3 weeks to calculate and evaluate the maintenance rate of the power generation characteristics. The evaluation criteria are shown below, and the results are shown in Table 2.
◎: Power generation characteristic retention rate 80% or more (very good)
〇: Power generation characteristic retention rate: 70% or more and less than 80% (good)
〇△: Power generation characteristic retention rate is 60% or more and less than 70% (no problem in practical use)
△: Power generation characteristic retention rate: 40% or more and less than 60% (poor)
×: Power generation characteristic maintenance rate less than 40% (very poor)
表2に示すように、本発明の電極用組成物を用いることで、微生物燃料電池において良好な発電特性および耐久性が得られた。電極の導電性や物質の拡散性が高いため、反応速度が高くなったと考える。また、アノードにおいては、表面形態が最適化されたため、微生物の吸着性が向上したと考える。また、
・実施例8~10の比較より、水溶性樹脂(B-a)と水性樹脂微粒子(B-b)を併用した実施例8は発電特性および耐久性が優れていた。
・組成物の固形分合計100質量%中の水溶性樹脂(B-a)の含有量が20%である実施例27に比較して、1~15%である実施例15、実施例25は発電特性および耐久性が優れていた。
・鱗状黒鉛を使用した実施例12に比較して、アスペクト比が1~10である球状黒鉛または人造黒鉛を使用した実施例3、実施例11は発電特性および耐久性が優れていた。
・組成物の固形分合計100質量%中の炭素材料(A)の含有率が75%である実施例15および実施例18に比較して、炭素材料(A)の含有率が80~99質量%である実施例25および実施例26は発電特性および耐久性が優れていた。また、炭素材料(A)の含有率が80%である実施例24に比較して、炭素材料(A)の含有率が85~99%である実施例4、実施例5、実施例23は発電特性が優れていた。
・比表面積が大きい活性炭を使用する実施例16に比較して、比表面積がより小さいケッチェンブラックを使用する実施例15は耐久性が優れていた。また、ファーネスブラックを使用する実施例14、ケッチェンブラックを使用する実施例25に比較して、比表面積がさらに小さいアセチレンブラックを使用する実施例6、実施例26は発電特性および耐久性が優れていた。
・炭素材料(A)中の黒鉛(A-a)の含有率が60%である実施例17に比較して、黒鉛(A-a)の含有率が80%である実施例26は、発電特性が優れていた。また、黒鉛(A-a)の含有率が40%である実施例22に比較して、黒鉛(A-a)の含有率が80%である実施例23は、発電特性が優れていた。
・炭素材料(A)の平均比表面積が300m2/gを超える実施例21に比較して、炭素材料(A)の平均比表面積が約150m2/gである実施例15は発電特性および耐久性が優れていた。また、炭素材料(A)の平均比表面積が約150m2/gである実施例25に比較して、炭素材料(A)の平均比表面積が約8m2/gである実施例26は発電特性が優れていた。
As shown in Table 2, by using the electrode composition of the present invention, good power generation characteristics and durability were obtained in the microbial fuel cell. It is believed that the reaction rate was high due to the high conductivity of the electrode and the high diffusivity of the substance. In addition, it is believed that the surface morphology of the anode was optimized, which improved the adsorption of microorganisms.
Comparing Examples 8 to 10, Example 8, which used a combination of the water-soluble resin (Ba) and the aqueous resin particles (Bb), was superior in power generation characteristics and durability.
Compared to Example 27 in which the content of the water-soluble resin (Ba) in 100% by mass of the total solid content of the composition was 20%, Examples 15 and 25 in which the content was 1 to 15% had excellent power generation characteristics and durability.
Compared to Example 12, which used flaky graphite, Examples 3 and 11, which used spherical graphite or artificial graphite with an aspect ratio of 1 to 10, had excellent power generation characteristics and durability.
Compared with Example 15 and Example 18, in which the content of the carbon material (A) in the total solid content of the composition (100 mass%) is 75%, Examples 25 and 26, in which the content of the carbon material (A) is 80 to 99 mass%, had excellent power generation characteristics and durability. Also, compared with Example 24, in which the content of the carbon material (A) is 80%, Examples 4, 5, and 23, in which the content of the carbon material (A) is 85 to 99%, had excellent power generation characteristics.
Example 15, which uses Ketjen black with a smaller specific surface area, had better durability than Example 16, which uses activated carbon with a larger specific surface area. Also, Examples 6 and 26, which use acetylene black with an even smaller specific surface area, had better power generation characteristics and durability than Example 14, which uses furnace black, and Example 25, which uses Ketjen black.
Compared with Example 17 in which the content of graphite (A-a) in the carbon material (A) is 60%, Example 26 in which the content of graphite (A-a) is 80% had superior power generation characteristics. Also, compared with Example 22 in which the content of graphite (A-a) is 40%, Example 23 in which the content of graphite (A-a) is 80% had superior power generation characteristics.
Example 15, in which the average specific surface area of the carbon material (A) was about 150 m2 /g, had superior power generation characteristics and durability compared to Example 21, in which the average specific surface area of the carbon material (A) exceeded 300 m2 /g. Also, Example 26, in which the average specific surface area of the carbon material (A) was about 8 m2 /g, had superior power generation characteristics compared to Example 25, in which the average specific surface area of the carbon material (A) was about 150 m2/g.
1 容器
2 カソード
3 アノード
4 電解液
5 外部抵抗
1 Container 2 Cathode 3 Anode 4 Electrolyte 5 External resistance
Claims (6)
前記バインダー(B)が、水溶性樹脂(B-a)と水性樹脂微粒子(B-b)とを含み、
前記炭素材料(A)の合計100質量%中の黒鉛(A-a)の含有率が20.0質量%以上であり、前記組成物の固形分合計100質量%中の炭素材料(A)の含有率が50質量%以上である、微生物燃料電池電極形成用組成物。 A composition for forming an electrode for a microbial fuel cell comprising a carbon material (A) and a binder (B), wherein the carbon material (A) comprises graphite (A-a) and a carbon material other than graphite (A-b);
the binder (B) contains a water-soluble resin (Ba) and aqueous resin particles (B-b);
A composition for forming an electrode for a microbial fuel cell, wherein the content of graphite (A-a) in a total of 100% by mass of the carbon material (A) is 20.0% by mass or more, and the content of the carbon material (A) in a total of 100% by mass of the solid content of the composition is 50% by mass or more .
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