JP2013084541A - 微生物燃料電池及び微生物発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘドロの回収及び移送等の作業が不要な微生物燃料電池を実現できるようにする。
【解決手段】微生物燃料電池１００は、絶縁性の保持体１２１と、保持体１２１の下部に設けられた負極１２２及び上部に設けられた正極１２３とを有する電池本体１１１と、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層１１３と、泥層１１３の上に存在する水層１１４とを備えている。負極１２２は、泥層１１３中に配置され、正極１２３は、水層１１４中に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物燃料電池及び微生物発電方法に関し、特に有機物及び嫌気性微生物を含む泥を用いた微生物燃料電池及び微生物発電方法に関する。

産業排水及び家庭排水等に含まれる有機物が泥と共に、川底及び海底に堆積したいわゆるヘドロは、大きな問題となっている。このため、ヘドロを浄化する様々な方法が検討されている。さらに進んでヘドロを有効利用する方法についても検討されている。例えば、ヘドロをコンクリート化したり、肥料としたりすることが検討されている。また、微生物を用いてヘドロからメタノール又は水素等を生産することも検討されている。

微生物を用いてヘドロを有効利用する方法の１つに、微生物によりヘドロ中の有機物を分解して発電を行う微生物燃料電池がある（例えば、特許文献１を参照。）。微生物燃料電池は、微生物に有機物を分解させ、電子及びプロトンを発生させる。発生した電子を負極により捕集し、回路を通じて正極に移動させ、プロトン及び酸素と反応させて水を生成する。このサイクルを回すことにより、電力を取り出すことができる。同時に、微生物による有機物の分解が進むため、ヘドロの浄化を行うこともできる。

特開２００６−１１４３７５号公報

しかしながら、従来の微生物電池には以下のような問題がある。ヘドロは、通常は酸素が消費された還元状態となっており、正極に酸素を供給してやらなければならない。正極を水層に設けることにより正極に酸素を供給することが可能となるが、この場合にはプロトンをヘドロ層から水層に効率良く移動させる必要がある。このため、通常はヘドロ層と水層との間にイオン交換膜を設けている。しかし、イオン交換膜は高価であり、微生物電池のコストを増大させる。

また、正極と負極との間に生じる電位差も非常に小さい。高い電圧を得るために、複数の微生物燃料電池を直列接続することも考えられるが、正極及び負極を複数設けただけでは直列接続することはできない。微生物燃料電池を直列接続して高い電圧を得るためには、正極同士及び負極同士がそれぞれ独立した電池セルを形成する必要がある。独立した電池セルとするためには、電極を有する複数の容器を準備し、容器内にヘドロを投入する必要がある。従って、堆積場所からヘドロを回収及び移送して複数の容器に人手により投入するといった操作が必要となる。これを自動化しようとするとプラントの建設等が必要となる。このようなコストをかけてはヘドロを用いた発電は経済的に成り立たない。

ヘドロによる発電を実用化するためには、堆積場所からのヘドロの回収又はプラントの建設等が不要で、ヘドロが堆積している場所において容易に微生物燃料電池を形成できるようにすることが必要とされる。

本発明は、前記の問題を解決し、ヘドロの回収及び移送等の作業が不要な微生物燃料電池を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は微生物燃料電池を、堆積したヘドロに負極及び正極を有する電池筒を埋設する構成とする。

具体的に、本発明に係る微生物燃料電池は、絶縁性の保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体と、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層と、泥層の上に存在する水層とを備え、負極は、泥層中に配置され、正極は、水層中に配置されている。

本発明の微生物燃料電池は、負極及び正極を有する電池本体の下部を堆積しているヘドロに埋め込むだけで微生物燃料電池を実現することができる。このため、ヘドロの回収及び移送等の作業が不要であり、微生物燃料電池を容易に実現することが可能となる。

本発明の微生物燃料電池は、保持体は、筒状であり、負極及び正極は、それぞれ保持体の内壁面に設けられていてもよい。このようにすれば、ヘドロが堆積している場所に微生物燃料電池を容易に設置することができる。また、ヘドロが堆積している場所に複数の微生物燃料電池を隣接して設置しても、負極同士が導通することがなく、直列接続することが可能となる。

本発明の微生物燃料電池において、泥層における電池筒の下端部における含水比は８０％未満とすればよい。

本発明の微生物燃料電池において、電池筒は複数であり、複数の電池筒は、負極と正極とが順次直列に接続されていてもよい。

本発明の微生物燃料電池において、負極及び正極は、それぞれ保持体の外表面に設けられていてもよい。このような構成とすることにより、低コストで微生物燃料電池を実現することができる。

本発明の微生物燃料電池は、泥層における負極が配置されている部分に混入された炭素粒子をさらに備えていてもよい。この場合において、炭素粒子は、竹炭とすればよい。

本発明に係る微生物燃料電池は、負極は、分離筒の内壁面に貼り付けられたカーボンクロスからなり、電池筒は、カーボンクロスを覆うように分離筒の内壁面の上に形成されたカーボン層を有している構成としてもよい。

本発明の微生物燃料電池は、水層中に投入された酸化カルシウムを含む酸素消費物質吸収材をさらに備えていてもよい。この場合において、酸素消費物質吸収材は、石炭灰造粒物とすればよい。

本発明の微生物燃料電池は、泥層に混入された酸化カルシウムを含むプロトン移動促進材をさらに備えていてもよい。

本発明に係る電源装置は、本発明の微生物燃料電池と、微生物燃料電池と直列に接続された補助電池とを備えている。このようにすれば、微生物燃料電池単体の場合よりも高い電圧を容易に得ることができる。また、部生物燃料電池がない場合と比べて電池の寿命がはるかに長くなる。

本発明に係る微生物発電方法は、絶縁性材料からなる保持体と、保持体における内壁面の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、電池本体を、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に負極が埋まり、泥層の上に存在する水層中に正極が位置するように配置する工程とを備えているを備えている。

本発明に係る微生物発電方法によれば、電池本体を堆積したヘドロに埋め、正極がヘドロの上に存在する水層中に位置し、負極が堆積したヘドロに埋まるようにするだけで発電を行うことができる。従って、ヘドロが堆積した場所において容易に微生物発電を行うことができる。

本発明の微生物発電方法において、保持体は、筒状であり、負極及び正極は、それぞれ保持体の内壁面に設けられていてもよい。このようにすれば、複数の電池本体をヘドロに埋め込んだ場合にも、負極同士の導通を抑えることができるため、直列に接続することができ、所望の電圧を得ることができる。

本発明の微生物発電方法において、電池筒を複数準備し、複数の電池筒において負極と正極とを順次直列に接続してもよい。

本発明の微生物発電方法において、負極及び正極は、それぞれ保持体の外表面に設けられていてもよい。

本発明の微生物発電方は、正極と負極との間に、補助電池と負荷とが直列に接続されている構成としてもよい。

本発明に係る微生物燃料電池によれば、容易に実用となる電力を取り出すことができる微生物燃料電池を実現できる。

第１の実施形態に係る微生物燃料電池を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る微生物燃料電池の設置例を示す斜視図である。 ヘドロの含水比と接続効率との関係を示すグラフである。 微生物燃料電池を直列接続した場合の電流密度と電圧との関係を示すグラフである。 ヘドロ層中への炭素粒子の添加量と総電流量との関係を示すグラフである。 添加した炭素粒子の粒径分布を示すグラフである。 負極を覆うカーボン層を設けた例を示す斜視図である。 酸化カルシウムを含む粒子を水層中に投入した例を示す斜視図である。 酸化カルシウムを含む粒子を添加した効果を示し、（ａ）はアンモニア及び硫化水素の濃度を示すグラフであり、（ｂ）は（ＣＨ₃）₂Ｓの濃度を示すグラフである。 酸化カルシウムを含む粒子の添加による溶存酸素濃度の増加を示すグラフである。 酸化カルシウムの添加による電極電位の変化を示すグラフである。 得られた微生物燃料電池の起電圧の例を示す表である。 電池筒の変形例を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る電源装置を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る電源装置の特性を示すグラフである。 微生物燃料電池を用いたＬＥＤランプを示す概略図である。

本開示において、ヘドロとは、有機物及び嫌気性微生物を含み、還元状態となっている泥をいう。河川、沼、池、湖及び海等の底に堆積していることが一般的であるが、堆積場所は問わない。また、含まれている有機物及び嫌気性微生物の種類等も問わない。泥とは、主に粘土及びシルト等の粒子が細かい土が水を含んだ状態となっているものをいう。

（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、電池本体１１１と、該電池本体１１１の内部を満たすヘドロ層１１３及び水層１１４とを有している。電池本体１１１は、絶縁性の材料からなる筒状の保持体１２１と、該保持体１２１における内壁面の下部に貼り付けられた負極（アノード）１２２及び内壁面の上部に貼り付けられた正極（カソード）１２３とを有している。負極１２２は、ヘドロ層１１３中に配置されており、正極１２３は水層１１４中に配置されている。負極１２２及び正極１２３にはそれぞれ導線１２５が接続されている。導線１２５は、ニッケル又は白金等とすればよい。微生物燃料電池１００により発生させた電力は導線１２５と接続された負荷１０１において利用することができる。

電極である負極１２２及び正極１２３は、導電性の材料により形成すればよいが、電子を捕集する効果が高いため炭素が好ましい。炭素を負極１２２及び正極１２３として用いる場合には、表面積を大きくすることが容易であるため炭素繊維からなるカーボンクロス等とすればよい。カーボンクロスを用いた場合には、導線１２５を縫い込むことができ、接続が容易となるという利点もある。

保持体１２１は、絶縁性の材料であればどのようなものでもよく、例えば、塩化ビニール、アクリル、ポリエチレン又はポリプロピレン等の樹脂パイプとすればよい。特に塩化ビニールパイプは耐久性があり且つ価格も安いため好ましい。

本実施形態の電池本体１１１は、下端部が開放された筒状である。このため、図２に示すように河岸又は海岸等に堆積した堆積ヘドロ１０３に負極１２２がヘドロに埋まるように電池本体１１１を埋設し、正極１２３が浸かるように電池本体１１１の上部に水を満たすだけで微生物燃料電池１００を実現することができる。電池本体１１１の上部に満たす水は、淡水でも塩水でもかまわない。

本実施形態の微生物燃料電池１００では、ヘドロ層１１３の上に水層１１４が接しており、ヘドロ層１１３と水層１１４との間にイオン交換膜等は設けられていない。しかし、ヘドロ層１１３と水層１１４との界面において効率良くイオン交換が行われるため、プロトン交換膜を設けなくても、ヘドロ層１１３から水層１１４中にプロトンを効率良く移動させることができる。

１台の微生物燃料電池１００により発生させることができる起電圧は、ヘドロの酸化還元電位からみて０．３Ｖ程度〜０．６Ｖ程度となる。しかし、図２に示すように電池本体１１１を複数配置し、負極１２２と正極１２３とを順次接続すれば、負荷１０１を駆動するために必要な電圧を得ることができる。

保持体１２１が下端部が開放された筒状であるため、電池本体１１１の下部におけるヘドロの含水比が高く導電率が高い場合には負極１２２同士が導通してしまい、微生物燃料電池１００を直列接続しても、電圧を上げることができない。しかし、本願発明者らが検討したところ、電池本体１１１の下部における含水比が少なくとも８０％程度よりも低ければ、筒状の保持体１２１により微生物燃料電池１００をそれぞれ独立させることができ、微生物燃料電池１００を直列に接続することにより電圧を加算することが可能となることが明らかとなった。

図３は、電池本体１１１の下端部におけるヘドロの含水比と、微生物燃料電池１００を直列接続した場合の接続効率との関係を示している。接続効率Ｗは、Ｗ＝Ｖsum／（Ｖ１＋Ｖ２）である。但し、Ｖsumは、２台の微生物燃料電池１００を直列に接続した際に得られた電圧であり、Ｖ１及びＶ２はそれぞれ単独の微生物燃料電池１００により得られた電圧である。

図３に示すように、含水比が７０％の場合にも電圧の上昇が認められ、接続効率は高くないが、微生物燃料電池１００を直列接続できることが明らかである。含水比が５０％程度よりも低くなると接続効率が８０％を超えるため、直列接続する場合には含水比が５０％程度以下であることが好ましい。

堆積したヘドロの含水比は、表面ほど高く、深くなるほど低くなる傾向にある。このため、電池本体１１１を埋め込む深さを調整することにより、電池本体１１１の下部におけるヘドロの含水比を制御することができる。

実際に、堆積したヘドロの含水比を測定したところ、表面から２５ｃｍの位置では約８２％であり、４０ｃｍの位置では約５４％であった。このヘドロに電池本体１１１を埋め込み微生物燃料電池１００を作成し、直列接続が可能かどうかの検証を行った。保持体１２１は、内径が１５ｃｍで高さが５０ｃｍのアクリルパイプとした。負極１２２及び正極１２３は、それぞれ１０ｃｍ角のカーボンクロスとし、負極１２２は下端が保持体１２１の下端から２ｃｍ程度上側となるように設け、正極１２３は上端が保持体１２１の上端から２ｃｍ程度下側となるように設けた。

電池本体１１１の下端部を、堆積したヘドロの表面から深さが２５ｃｍの位置とした場合の電圧は約０．４１Ｖであり、４０ｃｍとした場合の電圧は約０．３９Ｖであった。この場合の接続効率はそれぞれ約５０％及び約８５％であった。従って、電池本体１１１の下端部におけるヘドロの含水比が少なくとも８０％未満となるように電池本体１１１を堆積したヘドロ中に埋め込むことにより、個々の微生物燃料電池１００を独立させ、直列接続することが可能となる。電池本体１１１の下端部がさらに深い位置となるようにし、電池本体１１１の下端部におけるヘドロの含水率を５０％程度以下とすれば、接続効率を向上させることができ好ましい。

図４は、同様の条件により作成した微生物燃料電池１００を所定の台数直列接続した場合の電流密度と電圧との関係を示している。微生物燃料電池１００を直列接続することにより、電圧を加算することができ電流の取り出しもできることが明らかである。例えば、発光ダイオードを点灯させる場合には、０．２Ｗ以上の電力が必要となる。このような、電力の領域においても、直列接続により電圧を加算することができている。

負極１２２がヘドロ層１１３中に配置されていれば電力を取り出すことができるが、直列接続が可能な微生物燃料電池とするためには、保持体１２１の下端部よりも上側に設ける必要がある。また、ヘドロ層１１３における負極１２２の近傍の部分は、ある程度含水比が高い方が好ましい。このため、負極１２２は下端が保持体１２１の下端から約２ｃｍ以上離れた位置に設けることが好ましい。また、正極１２３は、水層１１４中において酸素濃度が高い位置に設けることが好ましく、水層１１４の上端付近に設ける方がよい。このため、保持体１２１内に水を満たした際に完全に水中に没し且つできるだけ上方に位置するように、正極１２３の上端が保持体１２１の上端から２ｃｍ程度の位置になるように配置すればよい。

ヘドロ層１１３は、堆積されているそのままの状態で用いることができる。しかし、ヘドロ層１１３に添加物を加えてもよい。例えば、ヘドロ層１１３に炭素粒子を添加することにより負極１２２の実効的な面積を増大させることができ、微生物燃料電池１００から取り出すことができる電流を向上させることができる。ヘドロ層１１３に添加する炭素粒子はどのようなものであってもよいが、取り扱い及び費用等を考えると粉砕した竹炭が好ましい。

図５は、ヘドロへの竹炭の混合率と微生物燃料電池１００から取り出した総電流量との関係を示している。図５において横軸は、ヘドロの乾燥重量に対する竹炭の添加重量の割合（ｗｔ％）を示している。縦軸は、負荷抵抗を１００Ωとし、１週間通電した際の総電流量を示している。竹炭は乳鉢により粉砕したものを用いた。添加した竹炭の粒度分布をレーザー回折式粒度分布系により測定した結果を図６に示す。

図５に示すように、炭素粒子を添加することにより、総電流量が大きく上昇した。炭素粒子を１０ｗｔ％程度添加することにより、添加していない場合の倍程度まで総電流量が増加した。さらに、３０ｗｔ％程度添加した場合には、添加していない場合の４倍程度まで総電流量を向上させることができた。

ヘドロが堆積している場所に微生物燃料電池１００を直接設置する場合には、ヘドロに炭素粒子を混合することが困難な場合もある。この場合には、図７に示すように、負極１２２を覆うように保持体１２１の内壁面に炭素粒子からなるカーボン層１２６を形成すればよい。この場合にも、負極１２２の実効的な面積を増大させることができる。カーボン層１２６はどのようにして形成してもよいが、例えば保持体１２１の内壁面に両面テープ又は粘着層等を介して炭素粒子を貼り付けることにより形成すればよい。なお、ヘドロに炭素粒子が混入されている場合にも、カーボン層１２６を設けてかまわない。

また、負極１２２と接するように、負極１２２の周囲のヘドロ層１１３中に塊状又は棒状の炭素を埋め込むことによっても、負極１２２の実効的な面積を増大させることができる。塊状又は棒状の炭素は、粉砕していない竹炭等を用いればよい。また、竹炭を粉砕した後、再度ブロック状に固めた多孔性の竹炭ブロック等を用いることも可能である。多孔性の竹炭ブロックは、表面積が大きいため負極１２２の実効的な面積を増大させる効果が大きくなる。

ヘドロ中に炭素粒子を添加した場合には、ヘドロ中から硫化水素等の酸素消費物質が発生するおそれがある。酸素消費物質が発生すると、水層１１４中の溶存酸素濃度が低下するため、正極１２３への酸素の供給量が低下し、発電効率が低下する。このため、図８に示すように水層１１４中に酸素消費物質を吸収するための酸素消費物質吸収材１１６を投入することが好ましい。酸素消費物質吸収材１１６は、硫化水素等の酸素消費物質を吸収できればどのようなものでもよいが、カルシウムを含む粒子とすればよい。石炭灰造粒物は１５ｗｔ％程度の酸化カルシウムを含むビーズ状であり、取り扱い及び費用の点から好ましい。

図９（ａ）及び（ｂ）は、水層中に酸素消費物質吸収材として石炭灰造粒物を投入した場合としていない場合について、水層中に含まれる酸素消費物質であるアンモニア（ＮＨ₃）、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）及び硫化メチル（（ＣＨ₃）₂Ｓ）の濃度を測定した結果を示している。実験には下水汚泥を用い、下水汚泥の上に粒径が５ｍｍ〜４０ｍｍの石炭灰造粒物を、約１０ｃｍの厚さになるように投入した。石炭灰造粒物を水層中に投入した場合には、水層中のアンモニア、硫化水素及び硫化メチルの濃度は大きく低下した。

また、図１０はヘドロ層１１３の上に約１０ｍｍの厚さとなるように粒径が５ｍｍ以下の石炭灰造粒物を投入した前後の水層１１４中における溶存酸素濃度を測定した結果を示している。石炭灰造粒物を投入して１日経過した後には溶存酸素濃度が大きく上昇した。

石炭灰造粒物を水層１１４中に投入することにより、ヘドロ層１１３から発生する硫化水素等の酸素消費物質を吸収し、水層１１４中における溶存酸素の消費が抑制されたため、水層１１４中における溶存酸素濃度が上昇したと考えられる。石炭灰造粒物の投入量は粒径によって調整する必要があるが、平均粒径が５ｍｍ程度である場合には数ｍｍ〜２０ｍｍ程度の厚さとなるようにすればよい。なお、ヘドロ層１１３への炭素の添加等を行っていない場合にも、酸素消費物質吸収材を水層１１４中に投入すれば、溶存酸素濃度を向上させることができ好ましい。

ヘドロ層１１３中にカルシウムイオンを混入することにより、微生物の活動により発生したプロトンのヘドロ層１１３から水層１１４への移動を促進することが可能となる。ヘドロ層１１３において生成されたプロトンは、ヘドロ層１１３に存在する無機物等により容易にトラップされるため、生成されたプロトンの一部しか水層１１４中へ移動しない。しかし、カルシウムイオンを加えることにより、プロトンとカルシウムイオンとが置換され、水層１１４中へのプロトンの移動が促進されると考えられる。このため、カルシウムイオン（Ｃａ²⁺）を系中に供給し、硫化水素の発生を抑えることが好ましい。カルシウムイオンの供給は例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）をヘドロ中に添加すればよい。

図１１は、ヘドロ層１１３中にプロトン移動促進材として酸化カルシウムを２０ｗｔ％添加した場合と添加していない場合における電極電位と電流密度との関係を示している。図１１に示すように、酸化カルシウムを添加することにより電極間の電位差を１．５倍程度大きくすることができた。これは、酸化カルシウムより発生したカルシウムイオンにより、ヘドロ層１１３中のプロトンが水層１１４へ移動しやすくなったためであると考えられる。起電圧が大きくなるだけでなく、電流密度が大きい領域においても大きな電圧を取り出すことが可能となる。

プロトン移動促進材は純粋な酸化カルシウムである必要はなく、酸化カルシウムを含む石炭灰造粒物又は鉄鋼スラグ等を用いればよい。特に鉄鋼スラグは、酸化カルシウムの含有率が２５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度と高く、取り扱い及び費用の点からプロトン移動促進材として好ましい。鉄鋼スラグの混入量を多くすればプロトンの移動を促進する効果が高くなるが、ヘドロ中に多量の鉄鋼スラグを混入することは困難である。このため、酸化カルシウムを３５ｗｔ％程度含む鉄鋼スラグの場合には、ヘドロ層１１３に１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％程度含まれるように添加すればよく、２０ｗｔ％程度が好ましい。

なお、プロトン移動促進材はヘドロ層の浅い部分のみに混入されていても、プロトンのトラップを押さえる効果が得られ、電圧及び電流を向上させることができる。

実際に２０台の微生物燃料電池１００を形成したところ、それぞれの微生物燃料電池１００の起電力は図１２に示すようになった。この２０台の微生物燃料電池１００を直列に接続した場合の起電圧は１２．２７５Ｖとなり、６個の発光ダイオードを直列に接続したところ点灯させることができた。また、３日以上連続して点灯させることができた。なお、ヘドロ層１１３の上部は広島市江波地区の干潟堆積泥をそのまま用い、下部は竹炭及び鉄鋼スラグを添加したヘドロを用いた。この場合の各成分の割合は、竹炭２ｗｔ％、鉄鋼スラグ３３ｗｔ％、有機泥３０ｗｔ％、間隙水３５ｗｔ％であった。また、水層１１４中には、酸素消費物質吸収粒子として粒径が５ｍｍ以下の石炭灰造粒物を厚さが約１０ｍｍとなるように投入した。

本実施形態の微生物燃料電池１００は、極めて簡単な構造であり、ヘドロが堆積している場所において容易に発電を行うことができる。また、複数の微生物燃料電池１００を直列接続することにより、電圧を加算することができ任意の電圧を得ることができる。さらに、発電を行うことによりヘドロが微生物により分解されるため、ヘドロの浄化を行うことができる。例えば、ヘドロが堆積した側溝等に本実施形態の微生物燃料電池１００を設け、得られた電力により発光ダイオード（ＬＥＤ）を点灯すれば、街灯として用いることができるだけでなく側溝の浄化を行うことができる。

堆積したヘドロの含水比が高い場合には、図１３に示すような電池本体１１１Ａを用いてもよい。電池本体１１１Ａは、下端部に可動式の蓋部１２７を有している。堆積したヘドロ中に電池本体１１１を突き刺した後、蓋部１２７を閉じることにより、ヘドロ層１１３へ下方から供給される水を低減することができる。このため、電池本体１１１Ａの下部におけるヘドロ層１１３の導電性を低く抑えることができる。下方からの水の供給を低減できればよく、蓋部１２７を閉じた際に保持体１２１の下部は密閉される必要はない。図１３には、保持体１２１の下端部に複数の三角形状の可動板が接続され、ヘドロ中に埋め込んだ後、可動板の先端部を内側に寄せることにより先端部を閉じる蓋部１２７を設ける例を示した。しかし、蓋部１２７の構造はこれに限らない。例えば、一端が保持体の下端部に接続された円盤状の板からなる蓋部を設け、ヘドロ中に埋め込んだ後、蓋部を引き上げるような構造としてもよい。

本実施形態において示した電極筒の径及び長さ等は一例であり、設置場所の条件等に応じて適宜変更してかまわない。また、負極及び正極が同じ材質及び大きさである例を示したが、これらは異なっていてもよい。ヘドロが堆積している場所に直接設置できるように下端部が開放された電極筒を用いる例を示したが、下端部が密閉された電極筒中にヘドロを投入する構成としてもかまわない。堆積場所等の条件の違いにより、ヘドロ中に含まれる有機物及び嫌気性微生物の種類及び量並びに酸素の供給状態等が変化し、酸化還元電位も変動する。このため、微生物燃料電池により得られる電圧は多少変動する。しかし、本実施形態の微生物燃料電池は、任意の本数を直列に接続できるため、接続本数を調整することにより容易に所望の電圧を得ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、微生物燃料電池のみにより負荷を駆動する場合を示した。しかし、微生物燃料電池と補助電池とを直列接続した電源装置により負荷を駆動してもよい。このようにすることにより、多数の微生物燃料電池を直列接続しなくても負荷を駆動するだけの電圧が得られる。また、微生物燃料電池以外の電池のみの場合よりもはるかに長時間に亘り負荷を駆動し続けることが可能となる。

図１４は、第２の実施形態に係る電源装置２００の構成を示している。図１４に示すように、負荷２５１に電力を供給する電源装置２００は、微生物燃料電池２６０と補助電池２７０とが負荷２５１に対して直列に接続されている。微生物燃料電池２６０と補助電池２７０とを直列接続することにより、補助電池２７０単体の場合よりもはるかに長時間に亘り負荷２５１を駆動することができる。

図１５は、負荷２５１に赤色ＬＥＤを用いた場合における電源装置２００の出力電圧の変化を示している。図１５において微生物燃料電池２６０には第１の実施形態と同様に内径が１５ｃｍで高さが５０ｃｍの円筒状のものを２本直列にして用いた。正極及び負極には１０ｃｍ角のカーボンクロスを用い、ヘドロ層の量は約１００ｇとなるようにした。また、ヘドロ層には炭素粒子として竹炭を添加し、ヘドロ層の上には酸素消費物質吸収材として石炭灰造粒物を１０ｍｍ程度堆積させた。補助電池２７０には市販の単三アルカリ乾電池を２本直列にして用いた。

微生物燃料電池を接続せずに、単三アルカリ乾電池を２本直列に接続しただけの電源装置の場合には、ＬＥＤの点灯直後は３Ｖ程度であった電圧が次第に低下し、２８日程度経過した後には０ＶとなりＬＥＤが発光しなくなった。また、微生物燃料電池と補助電池とを並列接続した電源装置の場合には、ＬＥＤの点灯直後は３Ｖ程度であった電圧が０．７Ｖ程度まで急速に低下し、一旦安定した。しかし、２３日目から再び電圧が低下し、２８日程度経過した後には電圧が０．１Ｖ程度となりＬＥＤが発光しなくなった。一方、本実施形態の電源装置２００の場合には、初期電圧が１．６Ｖ程度となったが、７０日程度経過した後も電圧はほとんど変化せず、ＬＥＤは発光し続けた。

単三アルカリ乾電池の容量と赤色ＬＥＤの消費電力とからみて、単三アルカリ乾電池を２本直列に接続しただけの場合に、４週間程度でＬＥＤが発光しなくなることは妥当な結果であると考えられる。また、微生物燃料電池の起電力は０．６Ｖ程度であるため、直列に接続した２台の微生物燃料電池と、直列に接続した２本の乾電池とを並列に接続した場合には、乾電池から微生物燃料電池へも電流が流れることになり、乾電池単体の場合よりも急速に電圧が低下したのではないかと考えられる。

一方、２台の微生物燃料電池２６０と２本の乾電池とを直列に接続した場合に、電圧が１．６Ｖ程度で長期間安定となる理由は明確ではない。しかし、２台の微生物燃料電池２６０と１本の乾電池を直列接続した場合にも、ほぼ同様の電圧が得られた。また、１台の微生物燃料電池２６０と１本の乾電池とを直列に接続した場合にも約１．５９Ｖの電圧が安定して得られた。さらに、直列に接続する乾電池の数を３本及び４本にすると、それぞれ約１．８１Ｖ及び約１．９８Ｖの電圧が得られた。これらのことから、以下のいずれかの現象が生じているのではないかと推測される。まず、微生物燃料電池２６０が内部抵抗として働くことにより、補助電池２７０の電流量が調整されて出力電圧が低下すると共に、微生物燃料電池２６０からの電圧が重畳される結果として長期間に亘り安定した電圧を出力できるということが考えられる。また、微生物燃料電池２６０から補助電池２７０への充電効果が生じることにより長期間に亘り安定した電圧を出力できるということが考えられる。補助電池２７０はほとんど出力していないと考えられ、補助電池２７０が錆等により劣化するまで出力を続けることができる可能性がある。

２台の微生物燃料電池２６０と２本の乾電池とを直列に接続した例を示したが、補助電池２７０である乾電池は１本でもよく、３本以上を直列に接続してもよい。また、アルカリ乾電池に限らずマンガン乾電池、リチウム電池又は酸化銀電池等であってもよい。また、一次電池である必要はなく、ニッケルカドミウム、ニッケル水素又はリチウムイオン電池等の二次電池であってもよい。さらに乾電池である必要はなく、鉛蓄電池等であってもよい。赤色ＬＥＤを発光させるのであれば１Ｖ程度の電圧を発生させられれば補助電池２７０として用いることができる。

微生物燃料電池２６０は１台でもよく、３台以上を直列に接続してもよい。また、第１の実施形態と同様に、負極をカーボン層で覆ったり、ヘドロ層中にプロトン移動促進材を添加したりしてもよい。また、ヘドロ層への炭素粒子の添加及び酸素消費物質吸収材の配置は行わなくてもよい。微生物燃料電池２６０が１台の場合には、負極及び正極を保持体の外表面に設けてもよい。保持体の外表面に負極及び正極を設ける場合には、保持体を太い円筒状にする必要がなく、内径が小さな円筒状としたり、棒状としたりすることができる。このため、堆積したヘドロに微生物燃料電池本体を容易に突き刺すことが可能となり、微生物燃料電池の設置がさらに容易となる。保持体の下端部を尖った形状とすれば、設置がさらに容易となる。

図１６は、正極及び負極が保持体の外表面に設けられた微生物燃料電池本体３１１を用いたＬＥＤランプ３００を示している。単三乾電池を収容できる程度の太さの円筒状の保持体３２１の外表面にカーボンクロスからなる負極３２２及び正極３２３が間隔をおいて貼り付けられている。保持体３２１の正極３２３側の端部には負荷であるＬＥＤ３５１が設けられており、保持体３２１の負極側の端部はシールされている。保持体３２１の内部には、補助電池３７０として２本の単三乾電池３７１が収容されている。ニッケル線等の導線３２５により、負極３２２は補助電池３７０の＋極と接続され、正極３２３はＬＥＤ３５１のアノードと接続され、ＬＥＤ３５１のカソードは補助電池３７０の−極と接続されている。なお、保持体３２１を筒状として保持体３２１の内部に補助電池３７０を収容する例を示したが、保持体３２１は負極３２２及び正極３２３を保持できればよく、棒状であってもよい。

負極３２２が堆積したヘドロ層の中に埋まり、正極３２３がヘドロ層の上の水層に位置するように、ＬＥＤランプ３００をヘドロ層に埋め込むと、ＬＥＤ３５１が点灯する。ＬＥＤランプ３００は一度ヘドロ層に埋め込むと、少なくとも数ヶ月から１年程度発光し続けるようにできる。また、負極３２２同士又は正極３２３同士が接触しないように間隔をあければ、複数のＬＥＤランプ３００を設置することができる。複数のＬＥＤランプ３００を配置することにより文字又は画像等をディスプレイすることもできる。

なお、図１６には補助電池である乾電池及び負荷であるＬＥＤと微生物燃料電池本体とを一体とした構成を示したが、補助電池及び負荷の少なくとも一方を別の場所に配置したりすることも可能である。補助電池は単三乾電池に限らずどのような電池でもよい。負荷もＬＥＤに限らない。また、微生物燃料電池本体を単独で使用することも可能である。

本発明に係る微生物燃料電池は、ヘドロが堆積している場所に容易に設置することができ、ヘドロ等を有効利用する方法として有用である。

１００ 微生物燃料電池
１０１ 負荷
１０３ 堆積ヘドロ
１１１ 電池本体
１１１Ａ 電池本体
１１３ ヘドロ層
１１４ 水層
１２１ 保持体
１２１Ａ 保持体
１２２ 負極
１２３ 正極
１２５ 導線
１２６ カーボン層
１２７ 蓋部
２００ 電源装置
２５１ 負荷
２６０ 微生物燃料電池
２７０ 補助電池
３００ ＬＥＤランプ
３１１ 微生物燃料電池本体
３２１ 保持体
３２２ 負極
３２３ 正極
３２５ 導線
３５１ ＬＥＤ
３７０ 補助電池
３７１ 乾電池

Claims (17)

1. 絶縁性の保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体と、
   有機物及び嫌気性微生物を含む泥層と、
   前記泥層の上に存在する水層とを備え、
   前記負極は、前記泥層中に配置され、
   前記正極は、前記水層中に配置されていることを特徴とする微生物燃料電池。
2. 前記保持体は、筒状であり、
   前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微生物燃料電池。
3. 前記泥層における前記保持体の下端部における含水比は８０％未満であることを特徴とする請求項２に記載の微生物燃料電池。
4. 前記電池本体は複数であり、
   前記負極と前記正極とが順次直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の微生物燃料電池。
5. 前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の外表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微生物燃料電池。
6. 前記泥層における前記負極が配置されている部分に混入された炭素粒子をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
7. 前記炭素粒子は、竹炭からなることを特徴とする請求項６に記載の微生物燃料電池。
8. 前記負極は、前記保持体に貼り付けられたカーボンクロス及び前記カーボンクロスを覆うカーボン層を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
9. 前記水層中に投入された酸化カルシウムを含む酸素消費物質吸収材をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
10. 前記酸素消費物質吸収材は、石炭灰造粒物であることを特徴とする請求項９に記載の微生物燃料電池。
11. 前記泥層に混入された酸化カルシウムを含むプロトン移動促進材をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の微生物燃料電池と、
    前記微生物燃料電池と直列に接続された補助電池とを備えていることを特徴とする電源装置。
13. 絶縁性材料からなる保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、
    前記電池本体を、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に前記負極が埋まり、前記泥層の上に存在する水層中に前記正極が位置するように配置する工程とを備えていることを特徴とする微生物発電方法。
14. 前記保持体は、筒状であり、
    前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の微生物発電方法。
15. 前記電池本体を複数準備し、
    複数の前記電池本体において前記負極と前記正極とを順次直列に接続することを特徴とする請求項１４に記載の微生物発電方法。
16. 前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の外表面に設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の微生物発電方法。
17. 前記正極と負極との間に、補助電池と負荷とが直列に接続されていることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の微生物発電方法。

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