JP2019117746A - 発電装置用の電極、及び、発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電装置の出力を高めることができる電極を提供する。【解決手段】電極１２は、炭素繊維をバインダで接合してなる炭素繊維シート材と、炭素繊維シート材に含まれた、前記炭素繊維とは異なる導電材料とを備えている。【選択図】図３
Description
本発明は、発電装置に用いられる電極、及び、発電装置に関する。
従来、微生物の代謝反応を利用して有機物である燃料を電気エネルギーに変換し、発電する装置が知られている。一般に、この種の発電装置は微生物燃料電池と呼ばれ、アノード電極とカソード電極とを備えている。そして、微生物燃料電池は、燃料としての有機物が微生物によって分解されるときに発生する電子をアノード電極にて回収し、アノード電極から外部回路を経由してカソード電極へ移動させる。また、アノード電極において発生したプロトンは、カソード電極へ移動した電子と酸素と反応して水を生じさせる（例えば、特許文献１参照）。
以上のような電池は、燃料としての有機物を微生物に与えることによって、電力を簡単に生成することができるが、その電力自体は微弱であるため、適用範囲が限られる。
そこで、本発明は、発電装置の出力の向上を図ることが可能な電極及び発電装置を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、発電装置の出力の向上を図ることが可能な電極及び発電装置を提供することを目的とする。
（１）本発明の発電装置用の電極は、炭素繊維をバインダで接合してなる炭素繊維シート材と、炭素繊維シート材に含まれた、前記炭素繊維とは異なる導電材料とを備えている。
本発明の電極は、炭素繊維シート材に導電材料が含まれているので、単に炭素繊維シート材のみの電極よりも電気抵抗を低下させることができ、発電装置の出力の向上を図ることができる。
本発明の電極は、炭素繊維シート材に導電材料が含まれているので、単に炭素繊維シート材のみの電極よりも電気抵抗を低下させることができ、発電装置の出力の向上を図ることができる。
（２）好ましくは、前記電極が、前記導電材料として活性炭を備えている。
これにより、電気抵抗の低い電極を構成することができる。
これにより、電気抵抗の低い電極を構成することができる。
（３）好ましくは、前記電極が、前記導電材料としてさらにカーボンナノチューブを備えている。
このように炭素繊維シート材にカーボンナノチューブが含まれることによって電極の表面積を拡大させることができ、さらに電気抵抗を低下させることができる。また、カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとして機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
このように炭素繊維シート材にカーボンナノチューブが含まれることによって電極の表面積を拡大させることができ、さらに電気抵抗を低下させることができる。また、カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとして機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
（４）本発明の発電装置は、アノード電極と、このアノード電極に電気的に接続されたカソード電極と、前記アノード電極が配置された領域と前記カソード電極が配置された領域とを区画するセパレータと、を備え、前記アノード電極が上記の電極である。
（５）好ましくは、前記アノード電極に、微生物が保持されている。
このような構成によって、電極に保持された微生物の代謝反応により発電を行う微生物燃料電池を構成することができる。また、電極がカーボンナノチューブを含む場合には、表面積の拡大によってより多くの微生物を保持することができ、出力を高めることが可能となる。
このような構成によって、電極に保持された微生物の代謝反応により発電を行う微生物燃料電池を構成することができる。また、電極がカーボンナノチューブを含む場合には、表面積の拡大によってより多くの微生物を保持することができ、出力を高めることが可能となる。
（６）好ましくは、前記アノード電極に、前記微生物によって分解される有機物が含まれている。
このような構成によって、アノードに含まれる有機物を燃料として発電を行うことができる。
このような構成によって、アノードに含まれる有機物を燃料として発電を行うことができる。
本発明によれば、発電装置の出力を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本明細書では、発電装置として作動原理の異なる二種類の電池、具体的には微生物燃料電池と水分解電池とをそれぞれ説明する。その後、各電池に適用することができる発電装置の具体的構造について例示する。
本明細書では、発電装置として作動原理の異なる二種類の電池、具体的には微生物燃料電池と水分解電池とをそれぞれ説明する。その後、各電池に適用することができる発電装置の具体的構造について例示する。
［微生物燃料電池］
図１は、第１の実施形態に係る発電装置としての微生物燃料電池を概略的に示す説明図である。
この微生物燃料電池１０は、微生物２０が有機物である燃料を分解する作用を利用して発電を行うものである。微生物燃料電池１０は、筐体１１と、アノード電極１２と、カソード電極１３と、セパレータ１４とを備えている。
図１は、第１の実施形態に係る発電装置としての微生物燃料電池を概略的に示す説明図である。
この微生物燃料電池１０は、微生物２０が有機物である燃料を分解する作用を利用して発電を行うものである。微生物燃料電池１０は、筐体１１と、アノード電極１２と、カソード電極１３と、セパレータ１４とを備えている。
筐体１１は、アノード電極１２が配置されるアノード領域１７を備えており、このアノード領域１７内には外部から供給された水分を貯留することができる。ただし、発電装置１０の不使用時には、アノード領域１７は乾燥状態とされる。
アノード電極１２とカソード電極１３とは外部回路（負荷抵抗）１５を介して電気配線により電気的に接続されている。
アノード電極１２とカソード電極１３とは外部回路（負荷抵抗）１５を介して電気配線により電気的に接続されている。
（アノード電極）
アノード電極１２は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
アノード電極１２は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
本実施形態のアノード電極１２に含まれる活性炭は導体（導電材料）であり、アノード電極１２の電気抵抗を低下させる。また、活性炭は、水を分解する触媒としても機能する。具体的には、活性炭は、水を分解してプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成する機能を有する。また、アノード電極１２には、炭素材料として活性炭の他に、導体であるカーボンナノチューブが含まれる。ただし、カーボンナノチューブは省略してもよい。
アノード電極１２は、例えば次のように作製することができる。まず、カーボンナノチューブと活性炭の粉末とを分散させた水溶液に、炭素繊維シート材を所定時間浸す。これにより炭素繊維シート材にカーボンナノチューブと活性炭とが浸透する。その後、炭素繊維シート材を乾燥させる。この状態のアノード電極１２は疎水性となるため、さらにプラズマ処理を施すことによって親水性を高める。カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとしても機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
また、カーボンナノチューブを省略する場合には、活性炭を含む水溶液に炭素繊維シート材を所定時間浸し、その後、炭素繊維シートを乾燥させることによってアノード電極１２を作製することができる。
アノード電極１２には、有機物を分解する微生物２０が保持されている。すなわち、アノード電極１２は、微生物２０を保持するための「保持体」を構成している。
アノード電極１２は、微生物２０を培養している培養液に所定時間浸した後、乾燥させることによって微生物２０を乾燥状態で保持することができる。このとき、培養液に含まれるエサである有機物もアノード電極１２に含まれ、乾燥状態で保持された状態となる。
アノード電極１２は、微生物２０を培養している培養液に所定時間浸した後、乾燥させることによって微生物２０を乾燥状態で保持することができる。このとき、培養液に含まれるエサである有機物もアノード電極１２に含まれ、乾燥状態で保持された状態となる。
（微生物）
微生物２０としては、大腸菌、酵母菌、又は枯草菌を用いることができる。大腸菌及び酵母菌は、グルコース等の有機物を分解することができる。枯草菌としては、納豆菌を用いることができる。枯草菌は、有機物としてのセルロースやグルコースを分解する。また、枯草菌は、栄養分が枯渇すると、芽胞を形成して休眠状態となり、高温状態や乾燥状態等の劣悪な環境下においても長期間にわたって生存状態を維持する。一方、芽胞を形成した枯草菌は、栄養が与えられると休眠状態を終えて発芽し、増殖する。このような枯草菌の性質を利用することによって、長期保存可能な発電装置１０を実現することができる。なお、本発明で用いる微生物は、乾燥状態で生存可能でないものであってもよく、セルロースやグルコース以外の有機物を分解するものであってもよい。
微生物２０としては、大腸菌、酵母菌、又は枯草菌を用いることができる。大腸菌及び酵母菌は、グルコース等の有機物を分解することができる。枯草菌としては、納豆菌を用いることができる。枯草菌は、有機物としてのセルロースやグルコースを分解する。また、枯草菌は、栄養分が枯渇すると、芽胞を形成して休眠状態となり、高温状態や乾燥状態等の劣悪な環境下においても長期間にわたって生存状態を維持する。一方、芽胞を形成した枯草菌は、栄養が与えられると休眠状態を終えて発芽し、増殖する。このような枯草菌の性質を利用することによって、長期保存可能な発電装置１０を実現することができる。なお、本発明で用いる微生物は、乾燥状態で生存可能でないものであってもよく、セルロースやグルコース以外の有機物を分解するものであってもよい。
（カソード電極）
カソード電極１３は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体（導電材料）であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２（塩化銅）が用いられる。
カソード電極１３は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体（導電材料）であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２（塩化銅）が用いられる。
カソード電極１３は、例えば、次のように作製することができる。カソード電極１３は、カーボンナノチューブと触媒とを含む水溶液を濾紙に付着させて浸透させ、その後乾燥させることによって作製することができる。カソード電極１３は、乾燥した環境で用いられる、いわゆるエアカソードである。
（セパレータ）
セパレータ１４は、アノード領域１７で発生したプロトン（水素イオン）を透過可能であり、アノード領域１７内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ１４として、一般的にはプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられる。ただし、本実施形態では、ＰＥＭに代えて、疎水化処理が施されたシート材がセパレータ１４として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙（例えば、孔径が約５μｍ）に防水剤を塗布（疎水化処理）することによってセパレータ１４を作製することができる。紙製のセパレータ１４は、プロトン交換膜と比べて安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
セパレータ１４は、アノード領域１７で発生したプロトン（水素イオン）を透過可能であり、アノード領域１７内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ１４として、一般的にはプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられる。ただし、本実施形態では、ＰＥＭに代えて、疎水化処理が施されたシート材がセパレータ１４として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙（例えば、孔径が約５μｍ）に防水剤を塗布（疎水化処理）することによってセパレータ１４を作製することができる。紙製のセパレータ１４は、プロトン交換膜と比べて安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
セパレータ１４として孔径がより小さい濾紙（例えば、約０．０５μｍ）を用いれば、濾紙自体で水分の透過を阻止することができるため、疎水化処理を行わなくてもよい。しかし、この場合、濾紙が非常に高価となるため、コストの面では、比較的孔径の大きな濾紙に対して疎水化処理を施すことが好ましい。
（発電装置の作用）
図１に示すように、微生物燃料電池１０のアノード領域１７に水分が供給されると、アノード電極１２に保持されていた微生物２０は有機物を分解し、プロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成する。電子（ｅ−）は、アノード電極１２で回収され、外部回路を経由してカソード電極１３に移動する。プロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を透過してカソード電極１３に移動する。カソード電極１３において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極１３に移動した電子（ｅ−）及びプロトン（Ｈ＋）との反応により水が発生する。
図１に示すように、微生物燃料電池１０のアノード領域１７に水分が供給されると、アノード電極１２に保持されていた微生物２０は有機物を分解し、プロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成する。電子（ｅ−）は、アノード電極１２で回収され、外部回路を経由してカソード電極１３に移動する。プロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を透過してカソード電極１３に移動する。カソード電極１３において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極１３に移動した電子（ｅ−）及びプロトン（Ｈ＋）との反応により水が発生する。
アノード電極１２は、炭素繊維シート材に微生物２０と有機物とを含ませたものであるので、外部から燃料を供給しなくても発電を行うことができる。つまり、アノード電極１２自体を燃料として発電を行うことができる。そのため、水さえあれば環境を問わずに発電を行うことができる。例えば、屋外において、河水、海水、雨水、廃水（排水）等を用いて発電を行うことができる。微生物２０を培養した培養液にアノード電極１２を浸すことによって、容易にアノード電極１２に微生物と有機物とを含ませることができる。
アノード電極１２は活性炭を含んでいるので、より内部抵抗が低下する。そのため、出力電圧を高めることが可能となる。アノード電極１２に含まれる活性炭は、水を分解する触媒として作用する。この作用によって水からプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成し、発電を促進することができる。また、アノード電極１２及びカソード電極１３は、カーボンナノチューブを含んでいるので、表面積が拡大し、内部抵抗が低下する。アノード電極１２の表面積が拡大することによって、より多くの微生物２０を保持することが可能となる。
また、カソード電極１３には、触媒としてフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２が含まれているので、カソード電極１３において、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進することができ、出力電圧をより高めることができる。
［水分解電池］
図２は、第２の実施形態に係る発電装置としての水分解電池の概略的に示す説明図である。
本実施形態の水分解電池１０は、水を分解する作用を利用して発電を行うものである。水分解電池１０は、筐体１１と、アノード電極１２と、カソード電極１３と、セパレータ１４とを備えている。
図２は、第２の実施形態に係る発電装置としての水分解電池の概略的に示す説明図である。
本実施形態の水分解電池１０は、水を分解する作用を利用して発電を行うものである。水分解電池１０は、筐体１１と、アノード電極１２と、カソード電極１３と、セパレータ１４とを備えている。
筐体１１は、アノード電極１２が配置されるアノード領域１７を備えており、このアノード領域１７内には外部から供給された水分を貯留することができる。ただし、発電装置１０の不使用時には、アノード領域１７は乾燥状態とされる。
アノード電極１２とカソード電極１３とは外部回路（負荷抵抗）１５を介して電気配線により電気的に接続されている。
アノード電極１２とカソード電極１３とは外部回路（負荷抵抗）１５を介して電気配線により電気的に接続されている。
（アノード電極）
アノード電極１２は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
本実施形態のアノード電極１２に含まれる活性炭は導体（導電材料）であり、アノード電極１２の電気抵抗を低下させる。また、活性炭は、水を分解する触媒としても機能する。具体的には、活性炭は、水を分解してプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成する機能を有する。また、アノード電極１２には、炭素材料として活性炭の他に、導体であるカーボンナノチューブが含まれる。ただし、カーボンナノチューブは省略してもよい。
アノード電極１２は、炭素材料を含む炭素繊維シート材により構成されている。炭素繊維シート材は、炭素繊維をバインダによって結合させたものであり、例えば一般に電極として用いられる市販のカーボンペーパーを用いることができる。炭素材料は、炭素繊維とは異なる材料であり、例えば活性炭である。
本実施形態のアノード電極１２に含まれる活性炭は導体（導電材料）であり、アノード電極１２の電気抵抗を低下させる。また、活性炭は、水を分解する触媒としても機能する。具体的には、活性炭は、水を分解してプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成する機能を有する。また、アノード電極１２には、炭素材料として活性炭の他に、導体であるカーボンナノチューブが含まれる。ただし、カーボンナノチューブは省略してもよい。
アノード電極１２は、例えば次のように作製することができる。まず、カーボンナノチューブと活性炭の粉末とを分散させた水溶液に、炭素繊維シート材を所定時間浸す。これにより炭素繊維シート材にカーボンナノチューブと活性炭とが浸透する。その後、炭素繊維シート材を乾燥させる。この状態のアノード電極１２は疎水性となるため、さらにプラズマ処理を施すことによって親水性を高める。カーボンナノチューブは、炭素繊維シート材に活性炭を接合させるためのバインダとしても機能し、炭素繊維シート材に活性炭を安定して接合させることができる。
また、カーボンナノチューブを省略する場合には、活性炭を含む水溶液に炭素繊維シート材を所定時間浸し、その後、炭素繊維シートを乾燥させることによってアノード電極１２を作製することができる。
（カソード電極）
カソード電極１３は、微生物燃料電池のカソード電極１３と同一である。すなわち、カソード電極１３は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は、不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体（導電材料）であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２が用いられる。
カソード電極１３は、微生物燃料電池のカソード電極１３と同一である。すなわち、カソード電極１３は、炭素材料及び酸化還元用の触媒を含むシート材により構成されている。シート材は、不導体である。シート材は、例えばパルプ等の植物繊維により形成された濾紙が用いられる。炭素材料には、導体（導電材料）であるカーボンナノチューブが用いられる。触媒は、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）になる酸化還元反応を促進する触媒である。触媒としては、例えばフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２が用いられる。
カソード電極１３は、例えば、次のように作製することができる。カソード電極１３は、カーボンナノチューブと触媒とを含む水溶液を濾紙に付着させて浸透させ、その後乾燥させることによって作製することができる。カソード電極１３は、乾燥した環境で用いられる、いわゆるエアカソードである。
（セパレータ）
セパレータ１４は、アノード領域１７で発生したプロトン（水素イオン）を透過可能であり、アノード領域１７内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ１４として、一般的にはプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられるが、本実施形態の水分解電池１０では、前述の微生物燃料電池と同様に、ＰＥＭに代えて疎水化処理が施されたシート材がセパレータ１４として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙（例えば、孔径が約５μｍ）に防水剤を塗布（疎水化処理）することによってセパレータ１４を作製することができる。紙製のセパレータ１４は、プロトン交換膜と比べて、安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
セパレータ１４は、アノード領域１７で発生したプロトン（水素イオン）を透過可能であり、アノード領域１７内の水分の透過を防止するものである。このセパレータ１４として、一般的にはプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられるが、本実施形態の水分解電池１０では、前述の微生物燃料電池と同様に、ＰＥＭに代えて疎水化処理が施されたシート材がセパレータ１４として用いられている。この場合、例えば、不導体であるパルプ等の植物繊維により形成された濾紙（例えば、孔径が約５μｍ）に防水剤を塗布（疎水化処理）することによってセパレータ１４を作製することができる。紙製のセパレータ１４は、プロトン交換膜と比べて、安価に作製することができるとともに、使用後の廃棄が容易になるという利点を有する。
セパレータ１４として孔径がより小さい濾紙（例えば、約０．０５μｍ）を用いれば、濾紙自体で水分の透過を阻止することができるため、疎水化処理を行わなくてもよい。しかし、この場合、濾紙が非常に高価となるため、コストの面では、比較的孔径の大きな濾紙に対して疎水化処理を施すことが好ましい。
（発電装置の作用）
図２に示すように、水分解電池１０のアノード領域１７に水分が供給されると、アノード電極１２に含まれる活性炭の触媒としての機能により、水が酸素とプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分解される。電子（ｅ−）は、アノード電極１２で回収され、外部回路を経由してカソード電極１３に移動する。プロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を透過してカソード電極１３に移動する。カソード電極１３において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極１３に移動した電子（ｅ−）及びプロトン（Ｈ＋）との反応により水が発生する。
図２に示すように、水分解電池１０のアノード領域１７に水分が供給されると、アノード電極１２に含まれる活性炭の触媒としての機能により、水が酸素とプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分解される。電子（ｅ−）は、アノード電極１２で回収され、外部回路を経由してカソード電極１３に移動する。プロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を透過してカソード電極１３に移動する。カソード電極１３において、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極１３に移動した電子（ｅ−）及びプロトン（Ｈ＋）との反応により水が発生する。
アノード電極１２は、炭素繊維シート材に活性炭を含ませたものであるので、外部から燃料等を供給しなくても水を供給するだけで発電を行うことができる。そのため、水さえあれば環境を問わずに発電を行うことができる。例えば、屋外において、河水、海水、雨水、廃水（排水）等を用いて発電を行うことができる。また、微生物燃料電池のように、微生物２０や有機物も不要である。そのため、電池１０をより簡単且つ安価に作製することができる。
アノード電極１２及びカソード電極１３は、カーボンナノチューブを含んでいるので、表面積が拡大し、内部抵抗が低下する。
また、アノード電極１２は、活性炭を含んでいるので、より内部抵抗が低下する。そのため、出力電圧を高めることが可能となる。
また、アノード電極１２は、活性炭を含んでいるので、より内部抵抗が低下する。そのため、出力電圧を高めることが可能となる。
また、カソード電極１３には、触媒としてフェリシアン化カリウム又はＣｕＣｌ２が含まれているので、カソード電極１３において、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進することができ、出力電圧をより高めることができる。
［発電装置の具体的構造］
以下、上記各実施形態の発電装置に適用することができる具体的な発電装置の構造について説明する。以下の各例の発電装置は、例えば非常用バッテリとして使用することが想定され、平常時は、乾燥状態で保存され、非常時のみに発電を行って電気機器等に通電を行い、使用後は廃棄される使い捨てタイプとされている。
以下、上記各実施形態の発電装置に適用することができる具体的な発電装置の構造について説明する。以下の各例の発電装置は、例えば非常用バッテリとして使用することが想定され、平常時は、乾燥状態で保存され、非常時のみに発電を行って電気機器等に通電を行い、使用後は廃棄される使い捨てタイプとされている。
（第１例）
図３は、発電装置の具体的構造の第１例を示す斜視図である。図４（ａ）は発電装置の平面図、図４（ｂ）は同底面図である。
発電装置である電池１０の筐体１１は、平面視及び底面視において矩形状、具体的には正方形状に形成されている。また、筐体１１の表面側と、裏面側とには、それぞれケーブルの端子を接続するための端子接続部３３ｂ，３４ｂが設けられている。
図３は、発電装置の具体的構造の第１例を示す斜視図である。図４（ａ）は発電装置の平面図、図４（ｂ）は同底面図である。
発電装置である電池１０の筐体１１は、平面視及び底面視において矩形状、具体的には正方形状に形成されている。また、筐体１１の表面側と、裏面側とには、それぞれケーブルの端子を接続するための端子接続部３３ｂ，３４ｂが設けられている。
筐体１１は、表面側に配置された第１外装シート材３１と、裏面側に配置された第２外装シート材３２とを有している。筐体１１は、第１外装シート材３１と第２外装シート材３２との間に、第１及び第２内装シート材３３，３４を有している。第１及び第２外装シート材３１，３２、第１及び第２内装シート材３３，３４は、１枚のシート材を折り畳むことによって構成されている。
図５は、発電装置を展開した状態の斜視図、図６は、展開した筐体の平面図、図７は、展開した筐体の底面図である。
第１例の電池１０の筐体１１は、第１内装シート材３３、第２内装シート材３４、第１外装シート材３１、及び第２外装シート材３２がこの順で１列に接続された１枚の帯状のシート材３０により構成されている。このシート材３０は、前述のカソード電極１３及びセパレータ１４で用いられるシート材と同種のシート材により構成される。そして、第１例の電池１０は、筐体１１を構成するシート材３０を用いてカソード電極及びセパレータが形成されている。第１例のシート材３０は、不導体である濾紙により形成されている。
第１例の電池１０の筐体１１は、第１内装シート材３３、第２内装シート材３４、第１外装シート材３１、及び第２外装シート材３２がこの順で１列に接続された１枚の帯状のシート材３０により構成されている。このシート材３０は、前述のカソード電極１３及びセパレータ１４で用いられるシート材と同種のシート材により構成される。そして、第１例の電池１０は、筐体１１を構成するシート材３０を用いてカソード電極及びセパレータが形成されている。第１例のシート材３０は、不導体である濾紙により形成されている。
第１内装シート材３３の中央には矩形状の開口３３ａが形成されている。また、第１内装シート材３３の一方の面には、アノード電極１２用の端子接続部３３ｂが設けられている。この端子接続部３３ｂは、開口３３ａの１辺と、これに近接する第１内装シート材３３の側辺との間に渡って設けられている。また、端子接続部３３ｂは、図６に示すように、開口３３ａを介して第１内装シート材３３の他方の面側にも設けられている。この端子接続部３３ｂは、導電性を有している。端子接続部３３ｂは、例えば、カーボンナノチューブを分散した水溶液を、第１内装シート材３３に浸透させることによって構成されている。
図５及び図６に示すように、第２内装シート材３４の一方の面には、カソード電極１３と端子接続部３４ｂとが設けられている。このカソード電極１３及び端子接続部３４ｂは、前述したように、カーボンナノチューブと酸化還元用触媒とを含む水溶液を第２内装シート材３４に浸透させることによって設けられている。より具体的には、図１６に示すように、カソード電極１３と端子接続部３４ｂとを象ったスタンプ４０の接触面４０ａに前記水溶液を付着させ、第２内装シート材３４の一方の面に、スタンプ４０の接触面４０ａを接触させることによってカソード電極１３と端子接続部３４ｂとを第２内装シート材３４に設けることができる。
また、図７に示すように、第２内装シート材３４の他方の面には、防水剤３６が塗布されている。この防水剤は、少なくともカソード電極１３の裏面側に重複する範囲に設けられている。より好ましくは、防水剤３６は、第２内装シート材３４の他方の面全体に施される。この第２内装シート材３４は、電池１０のセパレータ１４（図１及び図２参照）を構成している。すなわち、第２内装シート材３４は、アノード電極１２側からプロトン（Ｈ＋）の透過を許容し、水分の透過を防止している。
図５〜図７に示すように、第１外装シート材３１には、外部から電池１０内へ水を供給するための給水孔３１ａが形成されている。この給水孔３１ａは、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２を外部に露出させる。
また、第１外装シート材３１の側辺には、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２用の端子接続部３３ｂを外部に露出させるための切欠部３１ｂが形成されている。
また、第１外装シート材３１の側辺には、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２用の端子接続部３３ｂを外部に露出させるための切欠部３１ｂが形成されている。
第２外装シート材３２の側辺には、筐体１１を折り畳んだ状態でカソード電極１３用の端子接続部３４ｂを外部に露出させるための切欠部３２ｂが形成されている。
筐体１１を構成する帯状のシート材３０の第２外装シート材３２側の端部には、２つの差し込み片３５ａが設けられている。この差し込み片３５ａは、図３に示すように、筐体１１を折り畳んだ状態で第２内装シート材３４と第１外装シート材３１との境界に形成されたスリット３５ｂに差し込まれる。これによって、筐体１１が折り畳んだ状態で保持される。
筐体１１を構成する帯状のシート材３０の第２外装シート材３２側の端部には、２つの差し込み片３５ａが設けられている。この差し込み片３５ａは、図３に示すように、筐体１１を折り畳んだ状態で第２内装シート材３４と第１外装シート材３１との境界に形成されたスリット３５ｂに差し込まれる。これによって、筐体１１が折り畳んだ状態で保持される。
図５に示すように、アノード電極１２は、複数の炭素繊維シート材（シート状電極材）１２ａを重ね合わせることによって構成され、第１内装シート材３３の他方の面、すなわち端子接続部３３ｂとは反対側の面における開口３３ａに合わせて配置される。
図８（ａ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線における模式的な断面図、図８（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における模式的な断面図である。
アノード電極１２は、第１内装シート材３３と第２内装シート材３４との間に挟まれている。第１内装シート材３３と第２内装シート材３４とは、アノード電極１２の周囲において接着材３７で接着されている。また、アノード電極１２は、第２内装シート材３４に設けられた防水剤３６に重ね合わされている。
アノード電極１２は、第１内装シート材３３と第２内装シート材３４との間に挟まれている。第１内装シート材３３と第２内装シート材３４とは、アノード電極１２の周囲において接着材３７で接着されている。また、アノード電極１２は、第２内装シート材３４に設けられた防水剤３６に重ね合わされている。
第１外装シート材３１の給水孔３１ａからアノード電極１２に水が供給されると、図１及び図２で説明したように、電子がアノード電極１２から端子接続部３３ｂを介して負荷１５へ流れ、カソード電極１３へ移動する。一方、アノード電極１２において発生したプロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を構成する第２内装シート材３４を透過してカソード電極１３に到り、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と外気の酸素とによって水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
本例の電池１０は、筐体１１が紙（濾紙）で形成され、紙を折り畳むことによって構成されている。したがって、電池１０をより小型（薄肉）で軽量に形成することができる。
また、第１例の電池１０は、筐体１１を構成する第２内装シート材３４と一体にカソード電極１３が設けられている。そのため、第２内装シート材３４とは別体でカソード電極１３を設ける場合に比べて電池１０を小型化（薄肉化）かつ軽量化することができる。また、アノード電極１２側からプロトン（Ｈ＋）をより迅速にカソード電極１３に移動させることができ、酸化還元反応のレスポンスが良好となって発電効率を向上させることができる。
また、第１例の電池１０は、筐体１１を構成する第２内装シート材３４と一体にカソード電極１３が設けられている。そのため、第２内装シート材３４とは別体でカソード電極１３を設ける場合に比べて電池１０を小型化（薄肉化）かつ軽量化することができる。また、アノード電極１２側からプロトン（Ｈ＋）をより迅速にカソード電極１３に移動させることができ、酸化還元反応のレスポンスが良好となって発電効率を向上させることができる。
カソード電極１３は、カーボンナノチューブ及び触媒を含む水溶液を第２内装シート材３４に浸透させて乾燥させることにより構成されているので、容易にカソード電極１３を形成することができる。また、図１６に示すように、スタンプ４０を用いることによって、所定形状のカソード電極１３を容易に形成することができる。なお、カソード電極１３は、スタンプ４０以外の方法で第２内装シート材３４に形成してもよい。
本例の電池１０は、アノード電極１２が、筐体１１とは別体で構成されている。そのため、図１に示す微生物燃料電池の場合は、アノード電極１２に対して微生物２０及び有機物を含ませる処理を容易に行うことができる。また、複数枚の薄い炭素繊維シート材（シート状電極材）１２ａを重ね合わせてアノード電極１２を構成することも容易となる。
アノード電極１２は、活性炭及びカーボンナノチューブ、又は、活性炭のみを浸透させた複数枚の炭素繊維シート材（シート状電極材）を重ね合わせて接着することにより形成されている。例えば、０．２ｍｍの炭素繊維シート材を３枚重ね合わせて０．６ｍｍのアノード電極１２が形成されている。このように複数枚の薄い炭素繊維シート材を重ね合わせてアノード電極１２を形成することによって、１枚の分厚い炭素繊維シート材によってアノード電極を形成する場合に比べて、各炭素繊維シート材に対して活性炭及びカーボンナノチューブ、又は、活性炭のみを短時間でより多く含ませることができ、導電性が高いアノード電極１２を形成することができる。
電池１０の筐体１１は、シート材３０により形成されることで電池１０を小型化（薄肉化）かつ軽量化することができる。また、筐体１１が１枚のシート材３０を折り畳むことにより構成されているので、筐体１１を構成する部品の点数を少なくすることができる。
第２外装シート材３２は、カソード電極１３を外側から覆っているので、当該カソード電極１３を保護することができる。また、第１外装シート３１は、アノード電極１２を外側から覆っているので、当該アノード電極を保護することができる。
（第２例）
図９は、発電装置の具体的構造の第２例を示す斜視図である。図１０（ａ）は発電装置の平面図、図１０（ｂ）は同底面図である。
本例の電池１０は、専ら筐体１１の構造が第１例とは異なり、その他の構成は第１例と略同様である。
図９は、発電装置の具体的構造の第２例を示す斜視図である。図１０（ａ）は発電装置の平面図、図１０（ｂ）は同底面図である。
本例の電池１０は、専ら筐体１１の構造が第１例とは異なり、その他の構成は第１例と略同様である。
本例の筐体１１は、平面視及び底面視において矩形状、具体的には正方形状に形成されている。また、筐体１１の裏面側には、ケーブルの端子を接続するための端子接続部７１ｂ，７３ｂが設けられている。
図９に示すように、筐体１１は、表面側に配置された第１外装シート材７１と、裏面側に配置された第２外装シート材７２とを有している。筐体１１は、第１外装シート材７１と第２外装シート材７２との間に、内装シート材７３を有している。第１及び第２外装シート材７１，７２、内装シート材７３は、１枚のシート材を折り畳むことによって構成されている。
図１１は、発電装置を展開した状態の斜視図、図１２は、展開した筐体の平面図、図１３は、展開した筐体の底面図である。
第２例の電池１０の筐体１１は、内装シート材７３、第１外装シート材７１、及び第２外装シート材７２がこの順で１列に接続された１枚の帯状のシート材７０により構成されている。このシート材７０は、第１例のカソード電極１３及びセパレータ１４で用いられるシート材と同種のシート材、すなわち不導体である濾紙により形成されている。
第２例の電池１０の筐体１１は、内装シート材７３、第１外装シート材７１、及び第２外装シート材７２がこの順で１列に接続された１枚の帯状のシート材７０により構成されている。このシート材７０は、第１例のカソード電極１３及びセパレータ１４で用いられるシート材と同種のシート材、すなわち不導体である濾紙により形成されている。
図１１〜図１３に示すように、第１外装シート材７１の中央には、外部から電池１０内へ水を供給するための給水孔７１ａが形成されている。この給水孔３１ａは、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２を外部に露出させる。また、第１内装シート材３３の一方の面には、アノード電極１２用の端子接続部７１ｂが設けられている。この端子接続部７１ｂは、給水孔７１ａと、これに近接する第１外装シート材７１の側辺との間に渡って設けられている。この端子接続部７１ｂは、導電性を有している。端子接続部７１ｂは、例えば、カーボンナノチューブを分散した水溶液を、第１外装シート材７１に浸透させることによって構成されている。
内装シート材７３の一方の面には、カソード電極１３と端子接続部７３ｂとが設けられている。また、図１２に示すように、内装シート材７３の他方の面には、防水剤７６が塗布されている。これらカソード電極１３、端子接続部７３ｂ、及び防水材７６の構成は、第１例と同様である。内装シート材７３は、電池１０のセパレータ１４（図１及び図２参照）を構成し、アノード電極１２側からプロトン（Ｈ＋）の透過を許容し、水の透過を防止している。
また、内装シート材７３の側辺には、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２用の端子接続部７１ｂを外部に露出させるための切欠部７３ｃが形成されている。
第２外装シート材７２の側辺には、筐体１１を折り畳んだ状態でアノード電極１２用の端子接続部７１ｂと、カソード電極１３用の端子接続部７３ｂとをそれぞれ外部に露出させるための切欠部７２ｂ，７２ｃが形成されている。
筐体１１を構成する帯状のシート材７０の第２外装シート材７２側の端部には、固定片７５が設けられている。この固定片７５は、図９に示すように、筐体１１を折り畳んだ状態で第１外装シート材７１の表面に両面テープ等で接着されることで、筐体１１が折り畳んだ状態で保持される。
図１１に示すように、アノード電極１２は、第１例と同様に、複数の炭素繊維シート材（シート状電極材）１２ａを重ね合わせることによって構成され、第１外装シート材７１の一方の面、すなわち端子接続部７１ｂ側の面における給水孔７１ａに合わせて配置され、同面に接着される。
図１４（ａ）は、図１０（ａ）のＣ−Ｃ線における模式的な断面図、図１４（ｂ）は図１０（ａ）のＤ−Ｄ線における模式的な断面図である。
アノード電極１２は、第１外装シート材７１と内装シート材７３との間に挟まれている。アノード電極１２は、接着材７７で第１外装シート材７１に接着されている。また、アノード電極１２は、内装シート材７３に設けられた防水剤７６に重ね合わされている。
アノード電極１２は、第１外装シート材７１と内装シート材７３との間に挟まれている。アノード電極１２は、接着材７７で第１外装シート材７１に接着されている。また、アノード電極１２は、内装シート材７３に設けられた防水剤７６に重ね合わされている。
第１外装シート材７１の給水孔７１ａからアノード電極１２に水が供給されると、図１及び図２で説明したように、電子（ｅ−）がアノード電極１２から端子接続部７３ｂを介して負荷１５へ流れ、カソード電極１３へ移動する。一方、アノード電極１２において発生したプロトン（Ｈ＋）は、セパレータ１４を構成する内装シート材７３を透過してカソード電極１３に到り、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と外部の酸素によって水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
第２例の電池１０は、筐体１１を構成する内装シート材の数が第１例よりも少なくなっている。したがって、電池１０をより小型（薄肉）で軽量に形成することができる。その他の構成は、第１例と略同様であるため、略同様の作用効果を奏する。
（他の例）
図１５は、発電装置の具体的構造の他の例を示す斜視図である。
発電装置としての電池１０は、図１５（ａ）に示すように、第１シート材８１と第２シート材８２とを備え、第１シート材８１と第２シート材８２とは、両者の境界で折り畳まれることによって互いに重ね合わされている。電池１０は、第１シート材８１と第２シート材８２との間にアノード電極１２を備え、第２シート材８２にカソード電極１３が一体に形成されたものであってもよい。すなわち、第１例の電池１０における第１，第２外装シート材３１，３２を省略した形態、又は、第２例の電池１０における第２外装シート材７２を省略した形態とすることができる。第１シート材８１には給水孔８１ａが形成され、第２シート材８２には防水剤８５が施されている。第１シート材８１と第２シート材８２とは接着材８６で接着されている。
図１５は、発電装置の具体的構造の他の例を示す斜視図である。
発電装置としての電池１０は、図１５（ａ）に示すように、第１シート材８１と第２シート材８２とを備え、第１シート材８１と第２シート材８２とは、両者の境界で折り畳まれることによって互いに重ね合わされている。電池１０は、第１シート材８１と第２シート材８２との間にアノード電極１２を備え、第２シート材８２にカソード電極１３が一体に形成されたものであってもよい。すなわち、第１例の電池１０における第１，第２外装シート材３１，３２を省略した形態、又は、第２例の電池１０における第２外装シート材７２を省略した形態とすることができる。第１シート材８１には給水孔８１ａが形成され、第２シート材８２には防水剤８５が施されている。第１シート材８１と第２シート材８２とは接着材８６で接着されている。
また、図１５（ｂ）に示すように、カソード電極１３は、第２シート材８２とは別体で形成され、第２シート材８２に貼り付けられたものであってもよい。
また、図１５（ｃ）に示すように、アノード電極１２は、第１シート材８１に一体に形成されたものであってもよい。例えば、第１シート材８１にアノード電極１２の構成材料を浸透させたものや、アノード電極１２を第１シート材８１に内部に組み込んだものとすることができる。
また、図１５（ｃ）に示すように、アノード電極１２は、第１シート材８１に一体に形成されたものであってもよい。例えば、第１シート材８１にアノード電極１２の構成材料を浸透させたものや、アノード電極１２を第１シート材８１に内部に組み込んだものとすることができる。
［実験結果］
本出願の発明者は、微生物燃料電池と水分解電池とのそれぞれについて、その特性を実験により調べた。以下、その結果について説明する。
（微生物燃料電池）
図１７〜図２５は、微生物燃料電池における実験結果を示す。
図１７〜図１９は、アノード電極の種類を変化させたときの微生物燃料電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）である。
（Ａ１）０．２ｍｍのカーボンペーパー。
（Ａ２）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、カーボンナノチューブ（グラフにおいて「ＣＮＴ」と表記、以下同じ）の水溶液を１分間浸透させたもの。
（Ａ３）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、１．５ｇの活性炭（グラフにおいて「ＡＣ」と表記、以下同じ）を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を１分間浸透させたもの。
本出願の発明者は、微生物燃料電池と水分解電池とのそれぞれについて、その特性を実験により調べた。以下、その結果について説明する。
（微生物燃料電池）
図１７〜図２５は、微生物燃料電池における実験結果を示す。
図１７〜図１９は、アノード電極の種類を変化させたときの微生物燃料電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）である。
（Ａ１）０．２ｍｍのカーボンペーパー。
（Ａ２）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、カーボンナノチューブ（グラフにおいて「ＣＮＴ」と表記、以下同じ）の水溶液を１分間浸透させたもの。
（Ａ３）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、１．５ｇの活性炭（グラフにおいて「ＡＣ」と表記、以下同じ）を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を１分間浸透させたもの。
図１７に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）にカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極（Ａ３）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ２）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。
図１８に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）に、０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム０．３２ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図１７の結果と同様に、アノード電極（Ａ３）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ２）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図１７の実験と比較して、図１８に示す実験では、出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にフェリシアン化カリウムが含まれることによって酸化還元反応が促進されたものと考えられる。
図１９に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）に、０．５ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図１７及び図１８と同様に、アノード電極（Ａ３）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ２）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図１８の実験と比較して、図１９に示す実験では出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にＣｕＣｌ２が含まれることによって酸化還元反応がより促進されたものと考えられる。
図２０及び図２１は、微生物燃料電池の最大電力密度を示すグラフである。
図２０及び図２１に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４）を用いた。また、図２０に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ１）を用い、図２１に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ２）を用いた。
（Ａ４）２ｇの活性炭を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、１分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
（Ｃ１）０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム溶液０．４０ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
（Ｃ２）０．９ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
図２０及び図２１に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４）を用いた。また、図２０に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ１）を用い、図２１に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ２）を用いた。
（Ａ４）２ｇの活性炭を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、１分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
（Ｃ１）０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム溶液０．４０ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
（Ｃ２）０．９ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
また、図２０及び図２１の実験では、外部負荷抵抗を０．５１ｋΩ〜１４０ｋΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図２０についての実験では、外部負荷が１ｋΩのときに８．４μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図２１についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに７４．６μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
その結果、図２０についての実験では、外部負荷が１ｋΩのときに８．４μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図２１についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに７４．６μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
図２２及び図２３は、アノード電極を形成するカーボンペーパーの数を変化させたときの微生物燃料電池の特性を示すグラフである。図２２及び図２３に示す実験では、アノード電極として上記（Ａ４）を用いた。図２２に示す実験では、カソード電極として上記（Ｃ１）を用い、図２３に示す実験では、カソード電極として上記（Ｃ２）を用いた。
その結果、図２２及び図２３のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが１層の場合よりも３層の場合の方が出力電圧が高くなった。
その結果、図２２及び図２３のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが１層の場合よりも３層の場合の方が出力電圧が高くなった。
図２４及び図２５は、電池作製後の時間の経過に伴う微生物燃料電池の特性の変化を示すグラフである。図２４及び図２５に示す実験では、アノード電極として上記（Ａ４）を用いた。図２４に示す実験では、カソード電極として上記の（Ｃ１）を用い、図２５に示す実験では、カソード電極として上記（Ｃ２）を用いた。
その結果、電池の作製直後、すなわち、ペーパーに浸透させた水溶液を乾燥させた直後は、最も高い電圧を出力した。また、作製後１週間〜４週間が経過したとしても、出力の低下は僅かであった。したがって、本発明の微生物燃料電池は、長期間の保管が可能であることが分かった。
その結果、電池の作製直後、すなわち、ペーパーに浸透させた水溶液を乾燥させた直後は、最も高い電圧を出力した。また、作製後１週間〜４週間が経過したとしても、出力の低下は僅かであった。したがって、本発明の微生物燃料電池は、長期間の保管が可能であることが分かった。
（水分解電池）
図２６〜図３５は、水分解電池における実験結果を示す。
図２６〜図２８は、アノード電極の種類を変化させたときの水分解電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の（Ａ１’）〜（Ａ３’）である。
（Ａ１’）０．２ｍｍのカーボンペーパー。
（Ａ２’）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、１．５ｇの活性炭（グラフにおいて「ＡＣ」と表記、以下同じ）を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブ（グラフにおいて「ＣＮＴ」と表記、以下同じ）の水溶液を１分間浸透させたもの。
（Ａ３’）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、２ｇの活性炭を混合した１０ｍＬの水溶液を１分間浸透させたもの。
図２６〜図３５は、水分解電池における実験結果を示す。
図２６〜図２８は、アノード電極の種類を変化させたときの水分解電池の特性を示すグラフである。使用したアノード電極は、以下の（Ａ１’）〜（Ａ３’）である。
（Ａ１’）０．２ｍｍのカーボンペーパー。
（Ａ２’）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、１．５ｇの活性炭（グラフにおいて「ＡＣ」と表記、以下同じ）を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブ（グラフにおいて「ＣＮＴ」と表記、以下同じ）の水溶液を１分間浸透させたもの。
（Ａ３’）０．２ｍｍのカーボンペーパーに、２ｇの活性炭を混合した１０ｍＬの水溶液を１分間浸透させたもの。
図２６に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）にカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極（Ａ２’）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ３’）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１’）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。
図２７に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）に、０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム０．３２ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、アノード電極（Ａ３’）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ２’）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１’）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図２６の実験と比較して、図２７に示す実験では、出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にフェリシアン化カリウムが含まれることによって酸化還元反応が促進されたものと考えられる。
図２８に示す実験では、カソード電極として、ペーパー（濾紙）に、０．５ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を浸透させたものを用いた。その結果、図２７の結果と同様に、アノード電極（Ａ３’）を用いた場合に、最も出力電圧のピークが高くなり、次いで、アノード電極（Ａ２’）を用いた場合に出力電圧が高くなった。また、アノード電極（Ａ１’）を用いた場合、反応直後に僅かに電圧を出力した。また、図２７の実験と比較して、図２８に示す実験では出力電圧が全体的に上昇した。これは、カソード電極にＣｕＣｌ２が含まれることによって酸化還元反応がより促進されたものと考えられる。
図２９及び図３０は、水分解電池の最大電力密度を示すグラフである。
図２９及び図３０に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４’）を用いた。また、図２９に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ１’）を用い、図３０に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ２’）を用いた。
（Ａ４’）２．５ｇの活性炭を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、１分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
（Ｃ１’）０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム溶液０．４０ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
（Ｃ２’）０．９ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
図２９及び図３０に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４’）を用いた。また、図２９に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ１’）を用い、図３０に示す実験ではカソード電極として次の（Ｃ２’）を用いた。
（Ａ４’）２．５ｇの活性炭を混合した２０ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、１分間カーボンペーパーに浸透させたもの。
（Ｃ１’）０．７６Ｍのフェリシアン化カリウム溶液０．４０ｍＬを混合した２ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
（Ｃ２’）０．９ｇのＣｕＣｌ２を混合した７ｍＬのカーボンナノチューブの水溶液を、ペーパー（濾紙）に浸透させたもの。
また、図２９及び図３０の実験では、外部負荷抵抗を０．５１ｋΩ〜１４０ｋΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図２９に示す実験では、外部負荷が１ｋΩのときに１．７μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図３０についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに５７．３μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
その結果、図２９に示す実験では、外部負荷が１ｋΩのときに１．７μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図３０についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに５７．３μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
図３１及び図３２は、アノード電極を形成するカーボンペーパーの数を変化させたときの水分解電池の特性を示すグラフである。図３１及び図３２に示す実験では、アノード電極として上記（Ａ４’）を用いた。図３１に示す実験では、カソード電極として上記（Ｃ１’）を用い、図２３に示す実験では、カソード電極として上記（Ｃ２’）を用いた。
その結果、図３１及び図３２のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが１層の場合よりも３層の場合の方が高い電圧を出力することができた。なお、アノード電極として後述の（Ａ４”）を用いた場合も同様の傾向がみられた。
その結果、図３１及び図３２のいずれにおいても、アノード電極におけるカーボンペーパーが１層の場合よりも３層の場合の方が高い電圧を出力することができた。なお、アノード電極として後述の（Ａ４”）を用いた場合も同様の傾向がみられた。
図３３及び図３４は、水分解電池の最大電力密度を示すグラフである。
図３３及び図３４に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４”）を用いた。また、図２９に示す実験ではカソード電極として上記の（Ｃ１’）を用い、図３０に示す実験ではカソード電極として上記の（Ｃ２’）を用いた。
（Ａ４”）４ｇの活性炭を混合した１０ｍｌの水溶液をカーボンシートに１分間浸透させることによって、カーボンペーパーに１ｃｍ２あたり１７ｍｇの活性炭を含ませたもの。
図３３及び図３４に示す実験では、アノード電極として次の（Ａ４”）を用いた。また、図２９に示す実験ではカソード電極として上記の（Ｃ１’）を用い、図３０に示す実験ではカソード電極として上記の（Ｃ２’）を用いた。
（Ａ４”）４ｇの活性炭を混合した１０ｍｌの水溶液をカーボンシートに１分間浸透させることによって、カーボンペーパーに１ｃｍ２あたり１７ｍｇの活性炭を含ませたもの。
また、図３３及び図３４の実験では、外部負荷抵抗を０．５１ｋΩ〜１４０ｋΩの範囲で段階的に変化させたときの時間の経過に伴う出力電圧を計測し、その結果を用いて最大の電力密度を求めた。
その結果、図３３に示す実験では、外部負荷が１ｋΩのときに１０．４μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図３０についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに１３４．６μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
その結果、図３３に示す実験では、外部負荷が１ｋΩのときに１０．４μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。図３０についての実験では、外部負荷が０．５１ｋΩのときに１３４．６μＷ／ｃｍ２の最大電力密度が得られた。
図３５は、アノード電極に供給する溶液の種類を変えたときの水分解電池の特性を示すグラフである。
図３５に示す実験では、アノード電極に、酸である塩化水素（ＨＣｌ；ｐＨ１）と、塩基である水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ；ｐＨ１３）と、水（ｐＨ７）とをそれぞれ供給し、出力電圧を計測した。その結果、出力電圧は、ｐＨに依存して変化しており、これによって水分解によって発電が行われていることがわかった。
図３５に示す実験では、アノード電極に、酸である塩化水素（ＨＣｌ；ｐＨ１）と、塩基である水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ；ｐＨ１３）と、水（ｐＨ７）とをそれぞれ供給し、出力電圧を計測した。その結果、出力電圧は、ｐＨに依存して変化しており、これによって水分解によって発電が行われていることがわかった。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、変更することが可能である。本発明は、例えば、以下のように変更することができる。
例えば、アノード電極及びカソード電極に含まれる各構成材料の分量は、適宜変更することが可能である。また、アノード電極及びカソード電極の作製方法も適宜変更することができる。
上記実施形態では、酸素とプロトンと電子とが水になる酸化還元反応を促進する触媒として、フェリシアン化カリウム及びＣｕＣｌ２を例示したが、これに限定されるものではなく、同様の作用を有する物質を適用することができる。
また、上記実施形態では、筐体として濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。セパレータとして、疎水化処理が施された濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。また、セパレータとして、一般的なプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられていてもよい。
また、上記実施形態では、筐体として濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。セパレータとして、疎水化処理が施された濾紙が用いられていたが、濾紙以外の紙が用いられていてもよい。また、セパレータとして、一般的なプロトン交換膜（ＰＥＭ）が用いられていてもよい。
本発明の発電装置は、電気機器を駆動するために発電するものに限らず、他の用途のために発電するものであってもよい。例えば、供給された水分の特性等を発電量に応じて検出するセンサとして機能するものや、有機物を含む排水（廃水）を処理する過程で発電するものであってもよい。
上記実施形態では、発電装置として１槽型の微生物燃料電池を例示したが、２槽型の微生物燃料電池であってもよい。また、本実施形態の発電装置は、乾燥状態で保存されるものに限らず、アノード電極及び／又はカソード電極が配置される領域に水分が存在しているものであってもよい。
１０ ：発電装置（電池）
１２ ：アノード電極
１２ａ ：炭素繊維シート材
１３ ：カソード電極
１４ ：セパレータ
２０ ：微生物
１２ ：アノード電極
１２ａ ：炭素繊維シート材
１３ ：カソード電極
１４ ：セパレータ
２０ ：微生物
Claims (6)
- 炭素繊維をバインダで接合してなる炭素繊維シート材と、炭素繊維シート材に含まれた、前記炭素繊維とは異なる導電材料とを備えている、発電装置用の電極。
- 前記電極が、前記導電材料として活性炭を備えている、請求項１に記載の発電装置用の電極。
- 前記電極が、前記導電材料としてさらにカーボンナノチューブを備えている、請求項２に記載の発電装置用の電極。
- アノード電極と、このアノード電極に電気的に接続されたカソード電極と、前記アノード電極が配置された領域と前記カソード電極が配置された領域とを区画するセパレータと、を備え、前記アノード電極が請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極である、発電装置。
- 前記アノード電極に、微生物が保持されている、請求項４に記載の発電装置。
- 前記アノード電極に、前記微生物によって分解される有機物が含まれている、請求項５に記載の発電装置。
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| JP2017251630A JP7051082B2 (ja) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | 発電装置用の電極、及び、発電装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2019216047A (ja) * | 2018-06-14 | 2019-12-19 | 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 | 多孔質電極用組成物、多孔質電極およびそれを用いた電池 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016154106A (ja) * | 2015-02-20 | 2016-08-25 | 積水化学工業株式会社 | 微生物燃料電池用アノード及び微生物燃料電池 |
| JP2017059448A (ja) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | 啓二郎 板倉 | マグネシウム空気電池用正極 |
-
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- 2017-12-27 JP JP2017251630A patent/JP7051082B2/ja active Active
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