電極以及使用它的燃料電池及水處理裝置的制作方法

文檔序號：12142916閱讀：414來源：國知局

本發明涉及電極以及使用它的燃料電池及水處理裝置。

背景技術：

利用微生物將有機物變換為電能的微生物燃料電池主要由負極、離子移動層和正極構成。在負極中，將有機物被微生物氧化分解時產生的電子回收。被負極回收的電子向正極移動，通過還原反應被消耗。并且，電子按照在該兩極發生的化學反應所帶來的氧化還原電位的梯度而流動。在負極的反應中附帶產生的氫離子穿過離子移動層而到達正極。并且，氫離子在正極與電子及氧反應而產生水。

這里，為了使微生物燃料電池高輸出化，需要裝置的按比例擴大(scale up)。但是，隨著按比例擴大而電池的內部電阻升高，擔心生成的電能的輸出下降。

因此，在非專利文獻1中，公開了一種具有從氣相側起按順序地由擴散層、催化劑層及金屬集電體層構成的正極的微生物燃料電池。進而，在非專利文獻1中，還公開了該正極的金屬集電體層被暴露在液相中。根據非專利文獻1，通過使用作為導電性材料的金屬作為集電材料，實現內部電阻的降低，能夠實現基于按比例擴大的高輸出化。

非專利文獻1：X.Zhang，et al.，“Enhanced Activated Carbon Cathode Performance for Microbial Fuel Cell by Blending Carbon Black”Environ.Sci.Technol.，48(3)，pp.2075－2081，2014.

技術實現要素：

但是，在非專利文獻1所公開的微生物燃料電池中，正極的金屬集電體層被設置在液相側，受到由氫離子或氯化物離子等液相自身的成分帶來的腐蝕或由微生物帶來的腐蝕的影響。由此，金屬集電體層的集電能力下降，擔心發生電池特性的下降。

本發明是鑒于這樣的以往技術具有的問題而做出的。并且，本發明的目的在于，提供一種能夠在抑制基于液相的腐蝕的同時降低電池的內部電阻的電極、以及使用它的燃料電池及水處理裝置。

為了解決上述課題，本發明的第一技術方案的電極具備：第1擴散層，具有疏水性，使氧擴散；第2擴散層，擔載催化劑層，使氧擴散。進而，該電極具備含有金屬材料和氧透過性材料并且配置在第1擴散層與第2擴散層之間的導電層。

本發明的第二技術方案的燃料電池具備：負極；離子移動層，具有質子透過性；正極，是本發明的第一技術方案的電極，隔著離子移動層而與負極分隔。

本發明的第三技術方案的水處理裝置具備：負極；離子移動層，具有質子透過性；正極，是本發明的第一技術方案的電極，隔著離子移動層而與負極分隔。

附圖說明

圖1是表示第一實施方式的正極的一例的立體圖。

圖2是表示第一實施方式的正極的其他例的立體圖。

圖3是表示第二實施方式的微生物燃料電池的結構的概略立體圖。

圖4是沿著圖3的A－A’線的剖視圖。

圖5是沿著圖3的B－B’線的剖視圖。

圖6是表示第二實施方式的微生物燃料電池的結構的平面圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本實施方式的電極及使用它的燃料電池及水處理裝置進行說明。另外，以下說明的實施方式都是表示本發明的優選的一具體例的。在以下的實施方式中表示的數值、形狀、材料、構成要素、構成要素的配置位置及連接形態等是一例，并不意欲限定本發明。此外，關于以下的實施方式的構成要素中的、在表示本發明的最上位概念的獨立權利要求中沒有記載的構成要素，設為構成更優選的形態的任意構成要素進行說明。

[第一實施方式]

(1－1.電極的結構)

首先，對電極的結構詳細地說明。本實施方式的電極例如能夠作為燃料電池的正極應用，特別是作為微生物燃料電池(MFC：Microbial Fuel Cell)的正極應用。因此，對使用本實施方式的電極作為微生物燃料電池的正極的情況進行說明。

微生物燃料電池是利用微生物將作為燃料的有機物變換為電能的電池，主要由負極、離子移動層和正極構成。在負極中，將電解液中的有機物被微生物氧化分解時產生的電子回收。在負極被回收的電子向正極移動，通過還原反應被消耗。電子按照在該兩極發生的化學反應所帶來的氧化還原電位的梯度而流動。在負極的反應中附帶地產生的氫離子穿過離子移動層而到達正極。氫離子在正極與電子及氧反應而產生水。通過上述結構及反應，微生物燃料電池能夠通過微生物將廢液凈化并輸出電能。

本實施方式的正極1例如是上述微生物燃料電池的正極，作為用來迅速地進行空氣中的氧的供給的氣體擴散電極發揮功能。

圖1是表示第一實施方式的正極的一例的立體圖。如該圖所示，正極1具備第1擴散層11、導電層12和第2擴散層13。在第2擴散層13的表面上擔載有催化劑層30。第1擴散層11配置在氣相側，第2擴散層13配置在液相側，在第1擴散層11與第2擴散層13之間配置有導電層12。具體而言，正極1配置為使第1擴散層11與導電層12的一個面12a接觸，并且配置為使第2擴散層13與導電層12的與一個面12a相反側的另一個面12b接觸。這里，所謂氣相，例如是含有氧的大氣。此外，所謂液相，例如是含有有機物及微生物的水溶液或廢液。

第1擴散層11是使氣相中含有的氧擴散的層，具有疏水性。作為第1擴散層11的材質的優選例，是由從聚乙烯、聚丙烯、尼龍及聚四氟乙烯(PTFE)組成的組中選擇的至少一個構成的無紡布或薄膜。這里，所謂無紡布，是由纖維狀物質形成的片材即纖維布，是指將纖維狀物質通過熱、機械或化學性的作用粘接或相互纏繞而成為布的材料。

第1擴散層11由于是通過由具有疏水性的材質構成的纖維狀物質形成的無紡布或薄膜，所以被賦予了疏水性。所謂疏水性，是指排斥水或短鏈醇等極性有機液體的性質。由此，能夠抑制第1擴散層11被氫離子及氯化物離子等液相自身的成分、或者微生物腐蝕，并且將氣相中的氧向導電層12及第2擴散層13迅速地供給。此外，能夠抑制第1擴散層11因氣相中含有的濕氣而變質。進而，能夠抑制經由第1擴散層11的從液相側向氣相側的漏水。

第1擴散層11中，也可以對上述無紡布或薄膜涂敷或含浸疏水輔助劑。由此，能夠進一步提高第1擴散層11的疏水性。作為疏水輔助劑的優選例，可以舉出氟類的高分子材料、或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等硅酮類高分子材料等。

導電層12是被第1擴散層11和第2擴散層13夾持的平板狀的層。進而，導電層12由金屬材料和氧透過性材料形成。由此，導電層12在與液相之間夾著第2擴散層13，所以不直接與液相接觸。因此，能夠抑制導電層12被氫離子或氯化物離子等液相自身的成分或微生物腐蝕。此外，導電層12如圖1所示，具有在氧透過性材料中分散有金屬材料20的結構，所以導電層自身具備氧透過性。因此，能夠使從氣相經由第1擴散層11供給的氧向第2擴散層13高效率地透過。

導電層12具有使由負極生成的電子導通、促進從氣相供給的氧與經由離子移動層移動了的氫離子的反應的功能。即，導電層12含有金屬材料，該金屬材料在導電層12的內部被電連接。因此，導電層12發揮由低電阻帶來的高導電功能，能夠提高氧的還原反應的效率。

如圖1所示，導電層12含有金屬材料20，金屬材料20例如具有粒子形狀。另外，導電層12的厚度例如優選為1mm以下。因此，金屬材料20的粒徑優選為1mm以下。金屬材料20的粒徑的下限值沒有特別限定，但例如優選為1μm以上。另外，金屬材料20的粒徑及導電層12的厚度能夠通過將導電層12用光學顯微鏡或掃描型電子顯微鏡進行觀察來測量。

金屬材料20的材質只要是能夠提高導電層12的導電性的材料就可以，沒有特別限定。金屬材料20的材質例如優選從由鋁、銅、不銹鋼、鎳及鈦構成的組中選擇的至少一種。

導電層12含有氧透過性材料。導電層12的氧透過性材料例如優選為硅酮。硅酮是氧透過性高、低成本材料，是容易處理的材料。此外，氧透過性材料還優選為從由聚二甲基硅氧烷、乙基纖維素、聚－4－甲基戊烷－1、聚丁二烯、聚四氟乙烯及丁基橡膠構成的組中選擇的至少一種。

另外，導電層12含有的金屬材料除了粒子形狀以外，也可以是線形狀、片形狀或網形狀。所謂線形狀，是線狀或將線材集束而成的形狀，線材的粗細例如是1mm以下。所謂片形狀，是薄片狀或將薄片材重疊而成的形狀，薄片材的厚度例如是1mm以下。所謂網形狀，是在薄片材的平面上設有許多貫通孔的形狀，或者是將線材縱橫地排列的格子形狀。從通過與氧透過性材料混合而形成均質的導電層12這樣的易調配性的觀點來看，金屬材料優選為粒子形狀。另外，導電層12也可以單獨含有粒子形狀、線形狀、片形狀或網形狀的金屬材料。此外，導電層12也可以將粒子形狀、線形狀、片形狀或網形狀的金屬材料組合多個而含有。

另外，如上述那樣，導電層12的厚度例如優選為1mm以下。因此，在金屬材料是線形狀的情況下，金屬材料的粗細優選為1mm以下。另外，金屬材料的粗細的下限值沒有特別限定，但例如優選為1μm以上。此外，在金屬材料是片形狀或網形狀的情況下，金屬材料的厚度優選為1mm以下。另外，金屬材料的厚度的下限值沒有特別限定，但例如優選為1μm以上。與上述同樣，金屬材料的粗細及厚度可以通過將導電層12用光學顯微鏡或掃描型電子顯微鏡進行觀察來測量。

此外，導電層12優選電阻率為2Ωm以下。即，導電層12優選為，第1擴散層11、導電層12及第2擴散層13的層疊方向Y的電阻率是2Ωm以下。此外，導電層12優選為，與第1擴散層11、導電層12及第2擴散層13的層疊方向Y垂直的方向X、Z的電阻率也為2Ωm以下。在導電層12的電阻率是2Ωm以下的情況下，由于正極1的內部電阻較低，所以能夠抑制電能的輸出下降。導電層12的電阻率的下限沒有特別限制，例如能夠設為0.10μΩ·m以上。另外，上述電阻率例如可以通過四探針法測量。

導電層12優選氧透過率為10000cc/m²·24h·atm以上且720000cc/m²·24h·atm以下。此外，導電層12更優選的是第1擴散層11、導電層12及第2擴散層13的層疊方向Y的氧透過率為10000cc/m²·24h·atm以上且720000cc/m²·24h·atm以下。在氧透過率為720000cc/m²·24h·atm以下的情況下，能夠抑制經由導電層12從氣相向液相大量地供給氧而在液相中過量地溶入氧。因此，能夠防止液相中存在的厭氣性微生物引起的、有機物分解活性的下降。此外，在氧透過率為10000cc/m²·24h·atm以上的情況下，能夠抑制第2擴散層13中的還原反應的速度下降。另外，導電層12的氧透過率能夠通過JIS K7126－1(塑料－薄膜及薄片－氣體透過度試驗方法－第1部：壓差法)、或JIS K7126－2(塑料－薄膜及薄片－氣體透過度試驗方法－第2部：等壓法)求出。

導電層12在與液相之間夾著第2擴散層13，不直接與液相接觸。但是，導電層12優選具有疏水性。另外，通過硅酮等氧透過性材料與金屬材料20的混合形成的導電層12具有疏水性。由此，能夠高度地抑制導電層12通過經由第2擴散層13的液相浸潤而腐蝕。

第2擴散層13在表面上擔載催化劑層30，浸漬在含有有機物的液相中。第2擴散層13高效率地促進從第1擴散層11及導電層12供給的氧(O₂)、被負極回收并經由外部電路供給的電子(e^－)、以及從液相側供給的質子(H⁺)的還原反應。因此，第2擴散層13的形狀只要是能夠在其表面上擔載催化劑層30中包含的電極催化劑的形狀就可以，沒有特別限定。從更加提高正極1的每單位質量的催化劑活性的觀點來看，第2擴散層13優選為每單位質量的比表面積較大的纖維狀物質的集合體。即，通常，比表面積越大，能夠確保越大的擔載面積。因此，在第2擴散層是無紡布等纖維狀物質的集合體的情況下，能夠提高第2擴散層13的表面的催化劑成分的分散性，將更多的電極催化劑擔載于該表面。另外，第2擴散層13需要如上述那樣增大與液相的接觸面積而促進還原反應，所以與第1擴散層11不同，不具有疏水性。

作為第2擴散層13的材質的優選例，是從由聚乙烯、聚丙烯、尼龍及聚四氟乙烯(PTFE)構成的組中選擇的至少一個材料所構成的無紡布或薄膜。或者，作為第2擴散層13的材質，也可以是碳紙、碳布、碳氈等碳材料。

催化劑層30由具有所希望的反應活性的電極催化劑、和用來將該電極催化劑向第2擴散層13粘結的粘合劑構成。該催化劑層30隔著第2擴散層13而設在導電層12的相反側。即，導電層12、第2擴散層13及催化劑層30依次以層狀設置。

作為催化劑層30中含有的電極催化劑，特別優選的是在用于燃料電池時使用氧還原催化劑。作為氧還原催化劑的例子，優選含有從由鉑、鈀、銠、釕及銦構成的組中選擇的至少一種的鉑族催化劑。此外，鉑族催化劑還優選將從由鉑、鈀、銠、釕及銦構成的組中選擇的至少一種擔載于活性炭而得到的材料。此外，催化劑層30也可以包含摻有至少一種非金屬原子和金屬原子而得到的碳粒子。在碳粒子中摻入的原子沒有特別限定，作為非金屬原子，例如可以是氮原子、硼原子、硫原子、磷原子等。此外，作為金屬原子，例如可以是鐵原子、銅原子等。

此外，作為催化劑層30中包含的粘合劑，例如使用離子傳導性樹脂。該離子傳導性樹脂沒有特別限定，可以適當地參照以往公知的認識。離子傳導性樹脂根據在該離子傳導性樹脂中使用的離子交換樹脂的種類，大體上可分為氟類高分子電解質和碳化氫類高分子電解質。作為構成氟類高分子電解質的離子交換樹脂，例如可以舉出Nafion(ナフィオン)(Du Pont(デュポン)株式會社制)、Aciplex(アシプレックス)(旭化成株式會社制)、Flemion(フレミオン)(旭硝子株式會社制)等的全氟碳磺酸類聚合物、全氟碳膦酸類聚合物、三氟苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯四氟乙烯－g－苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯－四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯－全氟碳磺酸類聚合物等。

如上述那樣，第2擴散層13在表面上擔載有催化劑層30。具體而言，第2擴散層13如圖1所示，能夠將催化劑層30粘接于導電層12側的作為一個面13a的相反側的另一個面13b。但是，本實施方式并不限定于這樣的擔載層狀的催化劑層30的形態。例如也可以是，構成催化劑層的電極催化劑及碳粒子的至少一方附著于構成第2擴散層13的多孔質體的內部。即使電極催化劑及碳粒子的至少一方附著于多孔質體的內部，也能夠高效率地促進氧、電子及質子的還原反應。

作為將第1擴散層11、導電層12及第2擴散層13粘接的方法，可以舉出熔接或利用樹脂等的粘接。在此情況下，從耐久性的觀點來看，優選通過熔接進行粘接，但也能夠使導電層12具有的硅酮等氧透過性材料作為粘接樹脂發揮功能。

根據以上結構，導電層12被第1擴散層11及第2擴散層13夾持，不直接與液相接觸。由此，能夠抑制由氫離子或氯化物離子等液相自身的成分或微生物帶來的腐蝕。此外，由于導電層12包含氧透過性材料，能夠使從氣相經由第1擴散層11供給的氧高效率地向第2擴散層13透過。此外，導電層12具有如下功能，即：使在負極產生的電子導通，進而促進從氣相供給的氧與經由離子移動層進行了移動的氫離子之間的反應。并且，由于導電層12含有金屬材料而具有高導電性，所以能夠提高氧的還原反應的效率。此外，即使使正極1按比例擴大也能夠抑制內部電阻的增加，能夠抑制通過氧化還原反應生產的電能的下降。

(1－2.電極(正極)的結構的變形例)

接著，對本實施方式的電極的變形例進行說明。圖2是表示第一實施方式的正極的其他例的立體圖。如圖2所示，正極2具備第1擴散層11、導電層15和第2擴散層13。本變形例的正極2與第一實施方式的正極1相比，僅導電層15的結構不同。以下，與正極1相同的點省略說明，以不同點為中心進行說明。

導電層15含有金屬材料21和碳材料22。金屬材料21是與金屬材料20同樣的材質，此外，除了粒子形狀以外，也可以具有線形狀、片形狀或網形狀。此外，除了粒子形狀以外，碳材料22也可以還具有各種各樣的形狀。在本變形例中，碳材料22被配置為，與含有金屬材料21的層的兩面接觸。

導電層15除了金屬材料21及碳材料22以外還含有氧透過性材料。具體而言，導電層15具備在氧透過性材料中分散有金屬材料21的金屬材料層16、和在氧透過性材料中分散有碳材料22的碳材料層17。在金屬材料層16中，該金屬材料21在金屬材料層16的內部被電連接。此外，在碳材料層17中，該碳材料22在碳材料層17的內部被電連接。并且，導電層15成為金屬材料層16的兩面被碳材料層17夾持的結構。

導電層15中含有的氧透過性材料，與在第一實施方式的導電層12中含有的氧透過性材料同樣，例如優選為硅酮。此外，除了硅酮以外，還優選為從由聚二甲基硅氧烷、乙基纖維素、聚－4－甲基戊烷－1、聚丁二烯、聚四氟乙烯及丁基橡膠構成的組中選擇的至少一種。碳材料22優選為從例如由石墨烯、碳納米管、富勒烯、炭黑、碳纖維及石墨構成的組中選擇的至少一個。

根據上述變形例的結構，正極2中的具有導電功能的導電層15不直接與液相接觸。由此，與第一實施方式的導電層12同樣，能夠抑制由氫離子或氯化物離子等液相自身的成分或微生物帶來的腐蝕。此外，導電層15由于含有氧透過性材料，所以能夠使從氣相經由第1擴散層11供給的氧高效率地向第2擴散層13透過。此外，導電層15具有如下功能：使在負極產生的電子導通，進而促進從氣相供給的氧與經由離子移動層進行了移動的氫離子之間的反應。并且，導電層15通過含有金屬材料而具有高導電性，所以能夠提高氧的還原反應的效率。此外，即使使正極1按比例擴大也能夠抑制內部電阻的增加，能夠抑制通過氧化還原反應生產的電能的下降。

在本變形例中，導電層15不僅含有金屬材料21，還含有碳材料22。因此，與僅用金屬材料20確保導電性的正極1相比，在材料獲得的容易性、成本、耐腐蝕性、耐久性等觀點來看是有利的。另外，如上述那樣，圖2的導電層15成為將在氧透過性材料中分散有金屬材料21的金屬材料層16與在氧透過性材料中分散有碳材料22的碳材料層17層疊的結構。但是，本實施方式并不限定于這樣的形態。例如，導電層15也可以是在氧透過性材料中混合分散有金屬材料21和碳材料22的單層。

[第二實施方式]

在本實施方式中，對使用第一實施方式的電極的燃料電池進行說明。

如上述那樣，第一實施方式的電極能夠用作燃料電池用的電極。燃料電池是能夠釋放出電的一次電池，例如可以舉出氫燃料電池或微生物燃料電池。氫燃料電池是基于水的電分解的逆動作而從氫和氧得到電能的燃料電池。作為氫燃料電池，已知有固體高分子型燃料電池(PEFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、堿型燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體電解質型燃料電池(SOFC)等。但是，第一實施方式的電極特別優選用作微生物燃料電池用的電極，所以以下對微生物燃料電池詳細地說明。

圖3是表示第二實施方式的微生物燃料電池的結構的概略立體圖。圖4是沿著圖3的A－A’線的剖視圖。圖5是沿著圖3的B－B’線的剖視圖。圖6是表示第二實施方式的微生物燃料電池的結構的平面圖。如圖3～圖6所示，微生物燃料電池100具備正極1、負極3、離子移動層4、盒基材5、電解液6和容器8。此外，由正極1及盒基材5包圍的空間是氣相7，例如填充有空氣。容器8是具備出入口9的廢水層，廢液通過出入口9向容器8內流入、并且從容器8排出。在作為廢液的電解液6中含有有機物。電解液6一邊與保持著微生物的負極3的表面接觸一邊對流，被進行廢水處理。

(2－1.微生物燃料電池100的原理)

以下，對微生物燃料電池100的原理進行說明。

在負極3，通過以下的式1，回收當電解液6中的有機物被負極表面的微生物氧化分解時產生的電子。被負極3回收了的電子經由負極及正極所連接的外部電路向正極1移動。

有機物+水(H₂O)→電子(e^－)+質子(H⁺)+二氧化碳(CO₂) (式1)

另一方面，在正極1，通過以下的式2，由從氣相7供給的氧、從負極3透過了離子移動層4的質子、以及經由外部電路移動來的電子而生成水。

氧(O₂)+質子(H⁺)+電子(e^－)→水(H₂O) (式2)

按照基于在負極3發生的上述式1的化學反應、和在正極1發生的上述式2的化學反應的氧化還原電位的梯度，電子在正極及負極間流動。由此，在外部電路中能得到相當于正極及負極間的電位差和流過外部電路的電流之間的乘積的電能。即，微生物燃料電池100能夠通過電解液6中的廢水處理而減少污泥產生量而進行發電。

(2－2.微生物燃料電池100的結構)

微生物燃料電池100將正極1以夾著盒基材5的方式配置。并且，如圖3及圖4所示，在正極1的外側配置有離子移動層4，在離子移動層4的外側配置有負極3。

由該盒基材5、正極1、離子移動層4及負極3構成的單元被浸漬在容器8內的電解液6中。這里，由盒基材5及正極1包圍的空間不與電解液6接觸，為氣相7。另外，在本實施方式中，正極1、離子移動層4及負極3的接合體在盒基材5的兩側配置有各1組，但也可以僅配置在盒基材5的單側。

正極1是第一實施方式的正極，隔著離子移動層4而與負極3分隔。正極1是用來迅速地進行氣相7中的氧的供給的氣體擴散電極。此外，正極1是通過氧還原反應而從外部電路流入電子的電極。另外，本實施方式的正極1也可以是第一實施方式的變形例的正極2。

負極3是在其表面保持電解液6中的微生物、并通過該微生物的有機物分解反應使電子向外部電路流出的電極。被負極3保持的微生物優選為厭氣性微生物，例如優選為具有細胞外電子傳遞機構的生電細菌。具體而言，作為厭氣性微生物，可以舉出例如Geobacter屬細菌、Shewanella屬細菌、Aeromonas屬細菌、Geothrix屬細菌、Saccharomyces屬細菌。

從在負極3的表面保持微生物的觀點來看，負極3優選具有相對于厚度方向連續的空間。具體而言，負極3例如可以是多孔質或網狀的導電體薄片等具有空隙的導電體薄片。或者，負極3也可以是在厚度方向上具有多個貫通孔的金屬板。作為負極3的材料，例如可以使用鋁、銅、不銹鋼、鎳、鈦等導電性金屬、碳紙、碳氈那樣的碳材料等。

此外，在負極3，例如也可以裝飾有電子傳遞介體分子。或者，容器8內的電解液6也可以含有電子傳遞介體分子。由此，促進從厭氣性微生物向負極3的電子移動，能夠實現更有效率的液體處理。

具體而言，在基于厭氣性微生物的代謝機構中，在細胞內或與最終電子接納體之間進行電子的交換。當向電解液6中導入介體分子，則介體分子作為代謝的最終電子接納體發揮作用，并且將接收到的電子向負極3交接。結果，能夠提高電解液6中的有機物等的氧化分解速度。這樣的電子傳遞介體分子沒有特別限定，例如可以使用從由中性紅、蒽醌－2，6－二磺酸(AQDS)、硫堇、鐵氰化鉀及甲基紫精構成的組中選擇的至少一個。

離子移動層4是對于在負極3產生的質子具有透過性的膜。另一方面，離子移動層4優選使在正極1保持的氧不向負極3側透過。從該觀點來看，離子移動層4優選為多孔質。此外，作為離子移動層4的材質，例如使用離子交換膜、玻璃纖維膜、合成纖維膜、塑料無紡布等。另外，離子移動層4只要具有質子透過性就可以，也可以使質子以外的物質透過。此外，也可以不是從負極3向正極1的單向透過，也可以是雙向透過。

另外，正極1的第2擴散層13與離子移動層4接觸，但含有質子的電解液6中的成分經由離子移動層4浸潤到第2擴散層13中。

盒基材5是用來固定正極1、離子移動層4及負極3的接合體的框架部件，此外，是用來在正極1接觸的空間中確保氣相7的間隔件部件。具體而言，如圖3及圖4所示，盒基材5是沿著正極1的第1擴散層11的外周部的U字狀的框部件，上部開口。即，盒基材5是將兩根第一柱狀部件5a的底面用第二柱狀部件5b連結而得到的框部件。并且，盒基材5的側面與正極1的第1擴散層11中的與導電層12相反側的面的外周部相接合，能夠抑制電解液6從1擴散層11的外周部向盒基材5的內部漏出。作為盒基材5的材質，例如優選氯乙烯。

根據第二實施方式的結構，正極1中的具有集電功能的導電層12不直接與液相接觸。由此，能夠抑制導電層12中的金屬材料20由于液相自身的成分或微生物而腐蝕。此外，導電層12通過含有氧透過性材料，能夠使從氣相經由第1擴散層11供給的氧高效率地向第2擴散層13透過。此外，導電層15具有如下功能：使在負極生成的電子導通，進而促進從氣相供給的氧與經由離子移動層進行了移動的氫離子之間的反應。并且，導電層15通過含有金屬材料而具有高導電性，所以能夠提高氧的還原反應的效率。此外，即使使正極1按比例擴大也能夠抑制內部電阻的增加，能夠抑制通過氧化還原反應生產的電能的下降。換言之，通過使導電特性及氧透過性良好的導電層不與廢液接觸，能夠實現即使按比例擴大也能夠抑制腐蝕并發揮高輸出的微生物燃料電池100。

[效果]

第一實施方式的正極1具備：第1擴散層11，具有疏水性，使氧擴散；第2擴散層13，擔載催化劑層30，使氧擴散。進而，正極1具備含有金屬材料20和氧透過性材料、配置在第1擴散層11與第2擴散層13之間的導電層12。

正極1中的具有導電功能的導電層12被第1擴散層11及第2擴散層13夾持，不直接與液相接觸。由此，能夠抑制由液相自身的成分帶來的腐蝕或由微生物帶來的腐蝕。因此，能夠長期間地維持導電層12的高導電能力，能夠抑制電池特性的下降。此外，由于導電層12由金屬材料20及氧透過性材料形成，所以即使使正極1按比例擴大也能夠抑制內部電阻的增加，能夠抑制通過氧化還原反應生產的電能的下降。

此外，在導電層12的電阻率為2Ωm以下的情況下，能夠抑制正極1的內部電阻增加，防止電能輸出下降。進而，在氧透過率為720000cc/m²·24h·atm以下的情況下，能夠抑制經由導電層12從氣相向液相大量供給氧、在液相中過量地溶入氧。因此，能夠防止存在于液相中的厭氣性微生物的有機物分解活性的下降。此外，在氧透過率為10000cc/m²·24h·atm以上的情況下，能夠抑制第2擴散層13中的還原反應的速度下降。因此，在導電層12中，優選的是電阻率為2Ωm以下，并且氧透過率為10000cc/m²·24h·atm以上且720000cc/m²·24h·atm以下。由此，能夠維持高輸出。

此外，氧透過性材料優選的是硅酮。由此，能夠通過低成本且簡單化的工序形成具有氧透過性的導電層12。

此外，金屬材料20也可以具有粒子形狀。由此，當通過金屬材料與氧透過性材料的混合形成導電層12時，能夠通過容易的材料調整形成均質的導電層12。

此外，金屬材料也可以具有片形狀或線形狀。由此，能夠容易地形成具有導電性及氧透過性的導電層。

此外，導電層15也可以還含有碳材料。由此，與僅通過金屬材料確保導電性的正極相比，從材料獲得的容易性、成本、耐腐蝕性、耐久性等觀點來看是有利的。

此外，第二實施方式的微生物燃料電池100具備保持微生物的負極3、對于負極3具有質子透過性的離子移動層4、和隔著離子移動層4而與負極3分隔的第一實施方式的正極1。

由此，正極1中的具有導電功能的導電層12不直接與液相接觸。由此，能夠抑制通過氫離子或氯化物離子等液相自身的成分或微生物而導電層12中的金屬材料20腐蝕。由此，能夠維持正極1的高集電能力，能夠抑制電池特性的下降。此外，由于具有集電功能的導電層12由金屬材料及氧透過性材料形成，所以即使使正極1按比例擴大也能夠抑制內部電阻的增加，能夠抑制通過氧化還原反應生產的電能的下降。換言之，通過使導電特性及氧透過性良好的導電層不與廢液接觸，能夠實現即使按比例擴大也能夠抑制腐蝕并發揮高輸出的燃料電池。

正極1的第1擴散層11可以設置為與含有氧的氣體接觸。此外，正極1的第2擴散層13可以設置為與含有微生物的電解液6接觸。

電解液6可以含有有機物。由此，通過將電解液6中的有機物用微生物氧化分解，能夠減少電解液6中的污泥產生量并且進行發電。

負極3可以是多孔質，或者也可以是網狀的導電體薄片。由此，負極3能夠高密度地保持微生物，能夠促進由微生物帶來的有機物的氧化分解反應。

離子移動層4可以是多孔質，或者也可以是無紡布。由此，能夠使在負極3產生的質子向正極透過。

以上，對第一實施方式及第二實施方式、以及其變形例的電極及燃料電池進行了說明，但本發明并不限定于這些實施方式及變形例。

例如，在第一實施方式及第二實施方式中，使正極1、離子移動層4及負極3的形狀分別為平板型，但電極形狀并不限于此。例如，正極1、離子移動層4及負極3的形狀也可以是圓筒狀、塊狀或盒狀。

在第二實施方式中，作為本實施方式的燃料電池的一例而說明了微生物燃料電池100。但是，本實施方式的燃料電池也可以是MFC以外的結構，例如是氫燃料電池。

上述的正極1及正極2并不限于微生物燃料電池100的正極，也可以用于其他用途。例如，正極1及正極2也可以用作用來使水成為使用目的的水質的水處理裝置的電極，或者用作用來將水排出以便不給周邊環境帶來影響的水處理裝置的電極。

上述的正極1及正極2并不限于微生物燃料電池100的正極，也可以用作各種各樣的電化學裝置的電極。作為這樣的電化學裝置，可以舉出水的電分解裝置、二氧化碳透過裝置、食鹽電解裝置、金屬空氣電池、金屬鋰空氣電池等。

此外，在由正極1、離子移動層4及負極3構成的接合體在水壓下撓曲的情況下，例如優選的是，向正極1插入用來保持該接合體的形狀的間隔件。這樣的間隔件的形狀沒有特別限定，但需要通過使用多孔質材料或具有許多狹縫的材料等來向第1擴散層11及第2擴散層13供給充分的氧。

在此援引日本專利申請特愿2014－185340號(申請日：2014年9月11日)的全部內容。

以上，按照實施方式說明了本發明的內容，但本發明并不限定于這些記載，對于本領域技術人員而言，顯然能夠進行各種各樣的變形及改良。