特許 6128978 燃料電池システムおよび燃料電池システム用モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6128978

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび燃料電池システム用モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20170508BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20170508BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/16

   H01M8/10

   H01M8/02 E

   H01M8/02 L

【請求項の数】14

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-125788(P2013-125788)

(22)【出願日】2013年6月14日

(65)【公開番号】特開2015-2070(P2015-2070A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2016年3月7日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「微生物触媒による創電型廃水処理基盤技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄也

(72)【発明者】

【氏名】中西 周次

(72)【発明者】

【氏名】碓氷 宏明

(72)【発明者】

【氏名】吉川 直毅

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０３３８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４３−０１７６９０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００９−０３７９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９２５５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／１６

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電池ユニットと、前記第１の電池ユニットよりも鉛直方向において下方に位置する第２の電池ユニットとを含む、複数の電池ユニットと、
前記第１の電池ユニットと第２の電池ユニットとを接続する第１の接続部を含む、少なくとも１つの接続部と
を備えた燃料電池システムであって、
前記複数の電池ユニットは、それぞれ、
被処理液を流通させる流路を有する処理槽と、
前記流路に前記被処理液を供給する液体供給口および前記流路から前記被処理液を排出する液体排出口と、
負極と、少なくとも一部が多孔体である正極と、前記正極と前記負極との間に配置された非導電性のイオン透過膜とを備える、少なくとも１つの電極セルと
を有し、前記少なくとも１つの電極セルは、前記負極が前記流路を流通する前記被処理液と接し、前記正極は気体相に露出するように配置されており、
前記第１の接続部は、
前記第１の電池ユニットにおける前記液体排出口から排出された前記被処理液を、前記第２の電池ユニットにおける前記液体供給口に流通させる接続路と、
前記接続路における前記被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部と
を有する燃料電池システム。

【請求項2】

前記気圧調整部は、前記接続路を、前記接続路の内部空間の体積以上の体積を有する外部空間に連通させる開口部を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記気圧調整部は、前記接続路の内部空間に連通するように設けられた、膨張および収縮可能な袋状体を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記気圧調整部は、前記接続路に配置された圧力調整弁を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記外部空間の酸素分圧は０．２ａｔｍ以下に設定されている請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記外部空間の窒素分圧は０．８ａｔｍ以上に設定されている請求項２または５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記第１の接続部は、前記接続路に供給される前記被処理液の量を制御する流通制御部をさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記流通制御部は、前記接続路を開閉可能な開閉部を含む請求項７に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記処理槽内の前記流路の水平方向の寸法は、前記流路の鉛直方向の寸法以上である、請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記少なくとも１つの電極セルは、第１の電極セルおよび第２の電極セルを含み、
前記第１の電極セルの前記負極と前記第２の電極セルの前記負極とは、前記流路を介して対向するように配置されている請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記第１の電極セルは、前記処理槽の第１の側面から前記処理槽の内部に向かって延び、前記第２の電極セルは、前記処理槽の前記第１の側面に対向する第２の側面から前記処理槽の内部に向かって延びており、
前記処理槽における前記流路は、水平な面内において蛇行している請求項１０に記載の燃料電池システム。

【請求項12】

前記複数の電池ユニットは、前記第２の電池ユニットよりも下方に配置された、前記被処理液を流通させる流路を有する他の電池ユニットをさらに含み、
前記少なくとも１つの接続部は、前記他の電池ユニットの前記流路に接続された接続路を有する他の接続部をさらに含み、
前記燃料電池システムは、
前記第１の接続部における前記接続路と、前記他の電池ユニットにおける前記流路または前記他の接続部における前記接続路とを、前記第２の電池ユニットを介さずに連通させるバイパス流路と、
前記第１の接続部における前記接続路を流通する前記被処理液の経路を、前記第２の電池ユニットの前記流路と前記バイパス流路との間で切り換える経路切り換え部と
をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項13】

前記負極には嫌気性微生物群が保持されている請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項14】

電池ユニットと、前記電池ユニットに接続可能な接続部とを備え、
前記電池ユニットは、
被処理液を流通させる流路を有する処理槽と、
前記流路に前記被処理液を供給する液体供給口および前記流路から前記被処理液を排出する液体排出口と、
負極と、少なくとも一部が多孔体である正極と、前記正極と前記負極との間に配置された非導電性のイオン透過膜とを備える、少なくとも１つの電極セルと
を有し、前記少なくとも１つの電極セルは、前記負極が前記流路を流通する前記被処理液と接し、前記正極は前記処理槽の外部に露出するように配置されており、
前記接続部は、
前記被処理液を流通させる接続路と、
前記接続路における前記被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部と、
前記接続路に前記被処理液を供給する流入口と、
前記流入口よりも鉛直方向において下方に位置し、前記接続路から前記被処理液を排出する流出口と
を有し、
前記電池ユニットにおける前記液体供給口および前記液体排出口の少なくとも一方は、前記接続部における前記接続路と接続可能である、燃料電池システム用モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

燃料電池システムおよび燃料電池システム用モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

微生物燃料電池は、廃水（生活廃水・工場廃水）中に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解処理するエネルギー自立型の廃水処理装置である。

【0003】

微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸化性物質に接触させる正極とを有し、負極に有機性物質などを含有する電解液を供給すると共に、正極に酸素を含んだ水を供給する。負極及び正極は、外部回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では微生物の触媒作用により電解液から水素イオン（Ｈ⁺）及び電子（ｅ^-）が生成され、水素イオンは正極へ移動し、電子は外部回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素（Ｏ₂）と結合し、水（Ｈ₂Ｏ）となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。

【0004】

微生物燃料電池は、微生物の触媒作用（代謝反応、生物化学的変換）によって有機性基質等から直接的に電気エネルギーを生産する。このため、有機性物質からバイオガス等への変換ステップを用いる従来のエネルギー回収システムに比して回収効率の向上が期待できる。また、発電のみならず、排水処理、有機性廃棄物処理、有機性廃棄物処理の付帯設備等としても利用できる。

【0005】

近年、正極としてガス拡散電極を使用した微生物燃料電池が注目されている（例えば特許文献１）。ガス拡散電極は、例えば多孔質または織布状の材料からなり、多孔性を有している。この構造により、気体相中（例えば大気中）の酸素を正極へ供給することができる。すなわち、負極からの水素イオン及び電子を、正極において、気体相中の酸素と反応させることができる。

【0006】

ガス拡散電極を用いることにより、気体相中の酸素を正極へ供給することが可能になると、例えば水中に溶存する溶存酸素を正極へ供給する場合と比べて、次のような利点がある。

【0007】

溶存酸素を正極へ供給する場合、廃水などの被処理液に含まれる有機性物質の酸化及び発電が溶存酸素の拡散速度によって律速されるという問題がある。これに対し、気体相中の酸素の拡散速度は、溶存酸素の拡散速度よりも極めて大きいため、有機性物質の酸化及び発電を効率よく行うことができる。従って、燃料電池の出力の向上が期待される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開第２０１０−１０２９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

燃料電池システムの実用性を高めるため、例えば被処理液の処理量を増加させて、処理能力や発電出力を向上させることが求められている。そこで、本発明者は、ガス拡散電極を用いた複数の燃料電池（以下、「電池ユニット」と称する。）を接続したシステム構成に着目した。しかしながら、本発明者が検討したところ、複数の電池ユニットを接続した構成では、電池ユニットの配置によっては、高い処理効率や発電効率が得られない場合があることを見出した。詳細は後述する。

【0010】

本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、ガス拡散電極を用いた、処理能力または発電出力を高めることの可能な燃料電池システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第１の電池ユニットと、前記第１の電池ユニットよりも鉛直方向において下方に位置する第２の電池ユニットとを含む、複数の電池ユニットと、前記第１の電池ユニットと第２の電池ユニットとを接続する第１の接続部を含む、少なくとも１つの接続部とを備えた燃料電池システムであって、前記複数の電池ユニットは、それぞれ、被処理液を流通させる流路を有する処理槽と、前記流路に前記被処理液を供給する液体供給口および前記流路から前記被処理液を排出する液体排出口と、負極と、少なくとも一部が多孔体である正極と、前記正極と前記負極との間に配置された非導電性のイオン透過膜とを備える、少なくとも１つの電極セルとを有し、前記少なくとも１つの電極セルは、前記負極が前記流路を流通する前記被処理液と接し、前記正極は気体相に露出するように配置されており、前記第１の接続部は、前記第１の電池ユニットにおける前記液体排出口から排出された前記被処理液を、前記第２の電池ユニットにおける前記液体供給口に流通させる接続路と、前記接続路における前記被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部とを有する燃料電池システムを含む。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ガス拡散電極を用いた、処理能力または発電出力を高めることの可能な燃料電池システムを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池システム１００の模式的な断面図である。

【図2】（ａ）は、燃料電池システム１００の動作時における接続路９内の状態を説明する図であり、（ｂ）は、比較例の燃料電池システムの動作時における接続路９内の状態を説明する図である。

【図3】（ａ）および（ｂ）は、燃料電池システム１００における気圧調整部の構成を例示する模式的な断面図である。

【図4】燃料電池システム１００における第１の接続部２０Ａの他の構成を例示する模式的な断面図である。

【図5】第１の実施形態に係る他の燃料電池システム２００の模式的な断面図である。

【図6】第２の実施形態に係る燃料電池システム３００の模式的な断面図である。

【図7】第３の実施形態に係る燃料電池システム４００の模式的な断面図である。

【図8】（ａ）は、第３の実施形態に係る他の燃料電池システム５００の模式的な断面図であり、（ｂ）は、燃料電池システム５００における電極セル部３０を例示する拡大断面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、燃料電池システム５００における電池ユニット１０Ａを例示する斜視図である。

【図9】第４の実施形態に係る燃料電池システム用モジュール６００の模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明者が、ガス拡散電極を用いた複数の電池ユニットを接続したシステム構成について検討し、得られた知見を説明する。

【0015】

ガス拡散電極を正極とする各電池ユニットでは、ガス拡散電極の表面が気体相（例えば大気）と接し、負極の表面が被処理液と接するように配置されている。本発明者は、このような電池ユニットを、重力方向（鉛直方向）に配置し、被処理液が上方から順に電池ユニット内を流通する構成について検討した。この結果、下方に位置する電池ユニットにおいて水圧が上昇し、被処理液が多孔性のガス拡散電極へ侵入する可能性があることを見出した。また、被処理液がガス拡散電極内を通過して、外部（気体相側）へリークすることもある。これらの現象は、例えば、ガス拡散電極にかかる被処理液の水圧が、ガス拡散電極と接する気体相の圧力（例えば大気圧）よりも大きくなる場合に生じ得る。

【0016】

被処理液のガス拡散電極（正極）への浸入や被処理液のリークが生じると、正極と気体相（酸素）との界面、すなわち酸素還元反応点が減少するため、燃料電池の出力が低下するおそれがある。このように、ガス拡散電極を用いても、気体相中の酸素との反応が抑えられると、高い処理効率や発電効率が得られない可能性がある。

【0017】

なお、このような問題は、微生物の代謝機構を利用した燃料電池システムに限定されない。負極が液体と接し、かつ、正極にガス拡散電極を用いた燃料電池システムであれば同様の問題が生じ得る。

【0018】

本発明者は、上記の知見に基づいてさらに検討を重ねた。この結果、鉛直方向に上下に配置された２つの電池ユニットの間で、被処理液の水圧の上昇を抑制し得る新規な構成を見出した。これにより、水圧による被処理液のガス拡散電極内への侵入や外部へのリークを抑制できるので、処理効率や発電効率を高めることが可能になる。

【0019】

本発明の一態様の概要は以下のとおりである。

【0020】

本発明の一態様である燃料電池システムは、第１の電池ユニットと、前記第１の電池ユニットよりも鉛直方向において下方に位置する第２の電池ユニットとを含む、複数の電池ユニットと、前記第１の電池ユニットと第２の電池ユニットとを接続する第１の接続部を含む、少なくとも１つの接続部とを備えた燃料電池システムであって、前記複数の電池ユニットは、それぞれ、被処理液を流通させる流路を有する処理槽と、前記流路に前記被処理液を供給する液体供給口および前記流路から前記被処理液を排出する液体排出口と、負極と、少なくとも一部が多孔体である正極と、前記正極と前記負極との間に配置された非導電性のイオン透過膜とを備える、少なくとも１つの電極セルとを有し、前記少なくとも１つの電極セルは、前記負極が前記流路を流通する前記被処理液と接し、前記正極は気体相に露出するように配置されており、前記第１の接続部は、前記第１の電池ユニットにおける前記液体排出口から排出された前記被処理液を、前記第２の電池ユニットにおける前記液体供給口に流通させる接続路と、前記接続路における前記被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部とを有する。

【0021】

前記気圧調整部は、例えば、前記接続路を、前記接続路の内部空間の体積以上の体積を有する外部空間に連通させる開口部を含んでもよい。

【0022】

前記気圧調整部は例えば、前記接続路の内部空間に連通するように設けられた、膨張および収縮可能な袋状体を含んでもよい。

【0023】

前記気圧調整部は、例えば、前記接続路に配置された圧力調整弁を含んでもよい。

【0024】

前記外部空間の酸素分圧は、例えば０．２ａｔｍ以下に設定されていてもよい。

【0025】

前記外部空間の窒素分圧は、例えば０．８ａｔｍ以上に設定されていてもよい。

【0026】

前記第１の接続部は、例えば、前記接続路に供給される前記被処理液の量を制御する流通制御部をさらに備えていてもよい。

【0027】

前記流通制御部は、例えば、前記接続路を開閉可能な開閉部を含んでもよい。

【0028】

前記処理槽内の前記流路の水平方向の寸法は、例えば、前記流路の鉛直方向の寸法以上であってもよい。

【0029】

前記少なくとも１つの電極セルは、例えば、第１の電極セルおよび第２の電極セルを含み、前記第１の電極セルの前記負極と前記第２の電極セルの前記負極とは、前記流路を介して対向するように配置されていてもよい。

【0030】

前記第１の電極セルは、例えば、前記処理槽の第１の側面から前記処理槽の内部に向かって延び、前記第２の電極セルは、例えば、前記処理槽の前記第１の側面に対向する第２の側面から前記処理槽の内部に向かって延びており、前記処理槽における前記流路は、水平な面内において蛇行していていてもよい。

【0031】

前記複数の電池ユニットは、例えば、前記第２の電池ユニットよりも下方に配置された、前記被処理液を流通させる流路を有する他の電池ユニットをさらに含み、前記少なくとも１つの接続部は、例えば、前記他の電池ユニットの前記流路に接続された接続路を有する他の接続部をさらに含み、前記燃料電池システムは、例えば、前記第１の接続部における前記接続路と、前記他の電池ユニットにおける前記流路または前記他の接続部における前記接続路とを、前記第２の電池ユニットを介さずに連通させるバイパス流路と、前記第１の接続部における前記接続路を流通する前記被処理液の経路を、前記第２の電池ユニットの前記流路と前記バイパス流路との間で切り換える経路切り換え部とをさらに備えていてもよい。

【0032】

前記負極には、例えば、嫌気性微生物群が保持されていてもよい。

【0033】

本発明の一態様である燃料電池システム用モジュールは、電池ユニットと、前記電池ユニットに接続可能な接続部とを備え、前記電池ユニットは、被処理液を流通させる流路を有する処理槽と、前記流路に前記被処理液を供給する液体供給口および前記流路から前記被処理液を排出する液体排出口と、負極と、少なくとも一部が多孔体である正極と、前記正極と前記負極との間に配置された非導電性のイオン透過膜とを備える、少なくとも１つの電極セルとを有し、前記少なくとも１つの電極セルは、前記負極が前記流路を流通する前記被処理液と接し、前記正極は前記処理槽の外部に露出するように配置されており、前記接続部は、前記被処理液を流通させる接続路と、前記接続路における前記被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部とを有し、前記電池ユニットにおける前記液体供給口および前記液体排出口の少なくとも一方は、前記接続部における前記接続路と接続可能である。

【0034】

以下、本発明による燃料電池システムの実施形態を、図面を参照しながらより具体的に説明する。

【0035】

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の燃料電池システム１００を示す模式図である。

【0036】

本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、第１の電池ユニット１０Ａと第１の電池ユニット１０Ａよりも鉛直方向（重力方向）において下方に位置する第２の電池ユニット１０Ｂとを含む複数の電池ユニット、および、第１の電池ユニット１０Ａと第２の電池ユニット１０Ｂとを接続する第１の接続部２０Ａを備えている。

【0037】

各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂは、処理槽３と電極セル２とを有している。

【0038】

処理槽３は、被処理液を流通させる流路８を内部に有している。また、処理槽３には、流路８に被処理液を供給する液体供給口１１Ａ、１１Ｂと、流路８から被処理液を排出する液体排出口１３Ａ、１３Ｂとが設けられている。

【0039】

電極セル２は、正極５と、負極６と、正極５と負極６との間に配置された非導電性のイオン透過膜７とを有している。正極５は、少なくとも一部が多孔体であり、多孔体の表面は、処理槽３の外部に露出し、気体相（例えば大気）と接している。一方、負極６は、流路８を流通する被処理液と接するように配置されている。正極５および負極６は、外部回路４に接続されている。

【0040】

第１の接続部２０Ａは、第１の電池ユニット１０Ａにおける液体排出口１３Ａから排出された被処理液を、第２の電池ユニット１０Ｂにおける液体供給口１１Ｂに流通させる接続路９を有している。従って、被処理液は、第１の電池ユニット１０Ａの流路８から排出された後、第１の接続部２０Ａの接続路９を通って、第２の電池ユニット１０Ｂ内の流路８に供給される。

【0041】

第１の接続部２０Ａには、接続路９において被処理液の移動に伴う接続路９の気圧変動を抑制する気圧調整部が設けられている。これにより、接続路９に被処理液が流入する際に、接続路９に生じる気体相Ｇの気圧上昇を抑制することが可能になる。具体的には、この例では、気圧調整部として、接続路９を、接続路９の内部空間の体積以上の体積を有する外部空間に連通させる開口部１５が設けられている。ここでいう外部は、大気空間であってもよい。気圧調整部の構成については後述する。

【0042】

なお、燃料電池システム１００は、少なくとも２つの電池ユニット１０Ａ、１０Ｂとそれらを接続する接続部２０Ａとを備えていればよく、さらに他の電池ユニットや接続部を有していてもよい。後述するように、例えば、鉛直方向に配置された３個以上の電池ユニットを含んでいてもよい。これらの電池ユニットのうち鉛直方向に上下に配置された２つの電池ユニット間に、それぞれ、接続部が設けられていてもよい。

【0043】

負極６のうち被処理液と接する表面（すなわち、流路８の内部空間と接する面）は嫌気性微生物を担持していてもよい。嫌気性微生物は、処理槽３の流路８を流通する被処理液に浮遊していてもよい。あるいは、負極６の表面は、嫌気性微生物の代わりに触媒材料を担持していてもよい。

【0044】

負極６は、導電性材料で構成される。具体的には、炭素材料を使用することができる。例えば、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であってもよい。また、負極６の材料は、導電性のよい金属であってもよい。例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、又は、チタンであってもよい。

【0045】

また、負極６における被処理液と接する表面には、メディエーター分子が担持されていてもよい。被処理液の処理に嫌気性微生物による代謝機構を利用する場合、微生物の細胞内または最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。メディエーター分子を負極６の表面に導入すると、メディエーターが最終電子受容体として作用し、かつ、電子を負極６へと受け渡す。このため、有機性物質の酸化分解速度を向上させることができる。なお、メディエーター分子は、処理槽３の流路８を通る被処理液に浮遊していてもよい。

【0046】

正極５は、導電性材料で構成され、少なくとも一部が多孔体である。正極５は、例えば、多孔質または織布状の材料からなり、電極全体が多孔性を有していてもよい。正極５の材料は、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炭素材料であってもよい。また、正極５の材料は、導電性のよい金属メッシュであってもよい。例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、またはチタンであってもよい。

【0047】

イオン透過膜７は、非導電性材料で構成される。イオン透過膜７として、具体的には、カチオン交換膜、アニオン交換膜、ガラス繊維膜、不織布、ろ紙を使用することができる。

【0048】

正極５の外部に露出した表面（「露出表面」と略する）は、酸素を含む気体相と接するように配置される。露出表面の少なくとも一部は多孔体の表面であってもよい。また、正極５の露出表面には酸素還元触媒が担持されていてもよい。これにより、負極６における有機性物質の酸化によって生じる電子および水素イオンと、正極５の露出表面と接する気体相に含まれる酸素との反応（酸素還元反応）が促進される。

【0049】

続いて、燃料電池システム１００の動作を説明する。

【0050】

被処理液として、例えば、有機性物質、窒素含有化合物（例えばアンモニア）などの被処理成分を含有する液体を用いることができる。ここでは、有機性物質を含む電解液を用いた例を説明する。

【0051】

第１の電池ユニット１０Ａの液体供給口１１Ａから処理槽３に供給された被処理液は、処理槽３内の流路８を液体排出口１３Ａまで流通する。このとき、被処理液内の有機性物質の一部が、電極セル２の負極６の表面に担持された微生物により酸化分解される。負極６の表面では、酸化反応により水素イオン（Ｈ⁺）および電子（ｅ^-）が生成する。水素イオンは、イオン透過膜７を通って、正極５に移送される。電子は、外部回路４に放出される。一方、正極５の表面（処理槽３の外部に露出した表面）では、負極６側から移送された水素イオンと、気体中の酸素と、負極６から外部回路４を介して移動してきた電子とが反応し、酸素の還元反応が生じる。このような一連の電子化学反応により、電子が外部回路４を移動する際に電気エネルギーが取り出される。

【0052】

上記の反応によって、有機性物質の一部が微生物により分解された被処理液は、液体排出口１３Ａから排出される。この後、第１の接続部２０Ａの接続路９を通って、第２の電池ユニット１０Ｂの液体供給口１１Ｂに供給される。被処理液内に残る有機性物質の一部は、第２の電池ユニット１０Ｂの処理槽３内の流路８において分解される。このようにして、被処理液の有機性物質を複数段階で酸化分解することが可能となる。電池ユニットの個数をさらに増加させることにより、処理量および処理能力をさらに高めることができる。

【0053】

本実施形態では、被処理液を、接続路９の一部に気体相Ｇが存在するように、接続路９を流通させる。このため、図２（ａ）に模式的に示すように、燃料電池システム１００の動作中、第１の接続部２０Ａの接続路９内には、気体相Ｇと、被処理液による液体相Ｌとが形成される。気体相Ｇと液体相Ｌとの界面の水圧は、気体相Ｇの気圧と等しくなる。前述のように、第１の接続部２０Ａは、被処理液の流入による気体相Ｇの気圧上昇が抑制される構造を有しているので、気体相Ｇよりも下方に位置する被処理液の水圧を低減することが可能である。

【0054】

この例では、接続路９は、大気空間に通じる開口部１５を有しているので、気体相Ｇの気圧は、例えば大気圧近傍まで低下し得る。この場合、接続路９内の気体相Ｇと液体相Ｌとの界面（水面）の水圧は大気圧と略等しくなる。従って、第２の電池ユニット１０Ｂの流路８を流通する被処理液の水圧は、接続路９内にある水面（液体相Ｌと気体相Ｇとの界面）を基準とした第２の電池ユニット１０Ｂの流路８の深さｈ１に比例して大きくなる。深さｈ１は、接続路９の高さ未満となる。このため、第２の電池ユニット１０Ｂの流路８における水圧が増大して、被処理液が電極セル２に侵入することを抑制できる。また、処理能力を高めるため、さらに多数の電池ユニットを鉛直方向に配置した場合でも、上記水面を基準とする下方に位置する電池ユニットにおける流路の深さｈ１を、接続路９の高さ未満に抑えることができる。従って、下方にある複数の電池ユニットのそれぞれにおいて、被処理液の水圧の増大による被処理液の正極５への侵入や外部の気体相への漏れを抑制することが可能となる。

【0055】

これに対し、比較のため、図２（ｂ）を参照しながら、接続路９に気圧調整部が設けられていない例（比較例）を説明する。図２（ｂ）に示す比較例の燃料電池システムでは、水圧は、上方にある電池ユニットの流路における被処理液の水面を基準とした、下方の電池ユニットの流路の深さｈ２に比例して増大する。処理能力を高めるため、さらに多数の電池ユニットを鉛直方向に配置した場合には、下方に存在する電池ユニットに加わる水圧は、最も高い位置に配置された電池ユニットの水面を基準とした深さに比例して増大する。図示していないが、システムの動作中に接続路９内に気体相が形成された場合でも、気体相における気圧上昇を抑制できないので、下方の電池ユニット内の水圧の上昇を抑えることは困難である。従って、下方に配置された電池ユニット内では、被処理液の水圧が極めて大きくなり、被処理液が電極セル２における正極５の多孔体に侵入したり、外部に漏れるなどの問題が生じるおそれがある。

【0056】

このように、本実施の形態の燃料電池システム１００では、ガス拡散電極を正極５に用いた第１および第２の電池ユニット１０Ａ、１０Ｂを、気圧調整部を有する第１の接続部２０Ａを介して、鉛直方向に配置する。ガス拡散電極を用いているので、被処理液中の有機性物質などの酸化および発電を高い効率で行うことができる。また、複数の電池ユニット１０Ａ、１０Ｂを鉛直方向に配置できるので、燃料電池システム１００を設置する面積の増大を抑えつつ、被処理液の処理能力および発電出力を高めることが可能である。さらに、図２を参照しながら説明したように、鉛直方向において下方に位置する電池ユニットにおいても、流路を流れる被処理液の水圧の増大を抑えることができる。このため、正極５への被処理液の侵入や外部への漏れに起因する発電出力の低下を抑制できる。従って、大型化の可能な、高効率の燃料電池システム１００を実現することが可能となる。

【0057】

＜気圧調整部の構成＞
次に、本実施形態における第１の接続部２０Ａに設けられる気圧調整部の構成を説明する。

【0058】

図１に示す第１の接続部２０Ａには、気圧調整部として、接続路９を大気空間などの外部空間に連通させる開口部１５が設けられている。開口部１５の位置は特に限定されないが、接続路９の上方（鉛直方向において上方）に配置されていると、接続路９に形成される気体相Ｇと外部空間とをより確実に連通させることができる。例えば、開口部１５は、第１の接続部２０Ａの上面または側面の上部に配置されていてもよい。また、開口部１５を介して連通させる外部空間は、大気空間に限定されない。例えば、接続路９は、燃料電池システム１００全体または各電池ユニットを収容する収容体の内部に連通するように構成されていてもよい。

【0059】

本実施形態における気圧調整部の構成は、接続路９を外部空間に連通させる構成に限定されない。図３（ａ）および（ｂ）は、他の気圧調整部を備えた第１の接続部２０Ａを例示する断面図である。

【0060】

図３（ａ）に示すように、気圧調整部として、膨張および収縮可能な袋状体１６が、接続路９の内部空間に連通するように設けられていてもよい。袋状体１６は、システムの動作中に接続路９に形成される気体相Ｇと接するように配置される。例えば第１の接続部２０Ａの上方に配置されていてもよい。袋状体１６は、伸縮可能な材料から構成される。伸縮可能な材料として、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレン・ブタジエンゴム等の合成ゴム、スチレン系、オレフィン系等の熱可塑性エラストマーなどが用いられ得る。これにより、接続路９内に形成される気体相Ｇの体積を、袋状体１６を膨張させて得られる空間の分だけ増大させることができる。この結果、被処理液の流入による気体相Ｇの気圧上昇が抑制される。

【0061】

あるいは、図３（ｂ）に示すように、気体調整部として、接続路９に圧力調整弁１７を設けてもよい。圧力調整弁１７は、接続路９内に形成される気体相Ｇの気圧変動を抑制するように構成される。従って、被処理液の流入による気体相Ｇの気圧上昇を抑制することが可能である。

【0062】

＜被処理液の物理的遮断構造＞
本実施形態の燃料電池システム１００は、動作時に、第１の電池ユニット１０Ａ内の流路８を流通する被処理液と、第２の電池ユニット１０Ｂ内の流路８を流通する被処理液とを、接続路９内の気体相Ｇによって物理的に遮断し得るように構成されていてもよい。

【0063】

燃料電池システム１００の動作時に被処理液をより確実に物理的に遮断するために、例えば、第１の接続部２０Ａの鉛直方向の寸法（高さ）を十分大きくし、被処理液を自由落下により接続路９を移動させてもよい。このとき、接続路９全体が被処理液（液体相Ｌ）で満たされないように、例えば、被処理液の流量や接続路９の流通方向に垂直な断面積などを適宜調整してもよい。

【0064】

あるいは、第１の接続部２０Ａは、接続路９に供給される被処理液の量を制御する流量制御部を有していてもよい。流通制御部は、被処理液の供給を停止（すなわち被処理液の流通を遮断）できるように構成されていてもよい。例えば、図４に示すように、第１の接続部２０Ａは、接続路９を開閉可能な開閉部２１を有していてもよい。開閉部２１は、開閉部２１が閉じたときに、第１の電池ユニット１０Ａの流路８から第２の電池ユニット１０Ｂの流路８への被処理液の流通を遮断し、開閉部２１が開いたときに被処理液が流通するように構成されていてもよい。流通制御部として、例えば、電磁弁、水車、ししおどしなどを用いることができる。これにより、電池ユニット１０Ａ、１０Ｂ内を流通する被処理液をより確実に物理的に遮断できる。

【0065】

各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂ内の被処理液を物理的に遮断するように動作すると、次のような利点が得られる。接続路９に気体相Ｇを確実に形成できるので、気体相Ｇの気圧を調整することにより、被処理液の水圧上昇を抑制できる。また、被処理液が遮断されると、２つの電池ユニット１０Ａ、１０Ｂ間の被処理液を介した電気的接続が遮断されることから、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂを、それぞれ、独立した１個の電池としてみなすことが可能となる。従って、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの外部回路４を、電池システムとして最大の出力になるように直列もしくは並列に接続することができる。

【0066】

＜その他の電池ユニットおよび接続部の構成＞
本実施形態における電池ユニット１０Ａ、１０Ｂでは、処理槽３内に形成される流路８の水平方向の寸法は、鉛直方向の寸法以上であってもよい。水平方向の寸法とは、例えば、各処理槽３内の流路８の長さおよび最大幅を指し、鉛直方向の寸法とは、流路８の高さを指す。このような構成によると、流路８の鉛直方向の寸法を小さく抑えることができるので、各電池ユニットにかかる水圧をより低く抑えることができる。なお、図示する例では、処理槽３の内部空間全体が流路８に相当するため、処理槽３の内部空間の水平方向の寸法は、鉛直方向の寸法以上であれば、上記効果が得られる。

【0067】

処理槽３内の流路８は、被処理液を流通させたときに気体相の形成が抑制される構造を有していてもよい。これにより、例えば嫌気性微生物を利用して被処理液の処理を行う場合には、被処理液と空気（酸素）との接触を抑制できるので、処理槽３内における好気性微生物の繁殖を抑制できる。流路８内に気体相が形成されることを抑制するため、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂにおいて、液体供給口１１Ａ、１１Ｂは、液体排出口１３Ａ、１３Ｂよりも鉛直方向において下方に設けられていてもよい。

【0068】

図１に示す例では、第１および第２の電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの処理槽３内では、被処理液は主に水平な面（重力方向に垂直な面）内で流通し、第１の接続部２０Ａ内では、被処理液は主に鉛直方向に流通するように構成されている。また、鉛直上方から見たとき、第１および第２の電池ユニット１０Ａ内の被処理液の流通方向は、互いに逆向きになるように構成されている。なお、被処理液の流通方向はこの例に限定されない。例えば、処理槽３内の流路８が水平な面に対して傾斜していてもよい。

【0069】

＜３個以上の電池ユニットを備えた燃料電池システムの構成＞
上述したように、本実施形態の燃料電池システムは、鉛直方向に配置された３個以上の電池ユニットを含んでいてもよい。これらの電池ユニットのうち鉛直方向に上下に配置された２つの電池ユニット間に、それぞれ、接続部が設けられていてもよい。

【0070】

図５は、３個以上の電池ユニットを備えた燃料電池システム２００を例示する断面図である。図５において、図１に示す燃料電池システム１００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。

【0071】

燃料電池システム２００は、鉛直方向において上方から第１の電池ユニット１０Ａ、第２の電池ユニット１０Ｂ、第３の電池ユニット１０Ｃ、第４の電池ユニット１０Ｄおよび第５の電池ユニット１０Ｅが配置されている。図示していないが、各電池ユニットは外部回路に接続されている。なお、ここでは５個の電池ユニットが配置されているが、電池ユニットの個数はこれに限定されない。第１および第２の電池ユニット１０Ａ、１０Ｂは第１の接続部２０Ａによって接続されている。同様に、第２および第３の電池ユニット１０Ｂ、１０Ｃは第２の接続部２０Ｂ、第３および第４の電池ユニット１０Ｃ、１０Ｄは第３の接続部２０Ｃ、第４および第５の電池ユニット１０Ｄ、１０Ｅは第４の接続部２０Ｄによってそれぞれ接続されている。各電池ユニット１０Ａ〜１０Ｅの構成は、図１を参照しながら前述した第１および第２の電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの構成と同様であってもよい。また、各接続部２０Ａ〜２０Ｄの構成は、図１を参照しながら前述した第１の接続部２０Ａの構成と同様であってもよい。

【0072】

燃料電池システム２００によると、図１に示す燃料電池システム１００と同様に、高い効率を確保しつつ、大型化により被処理液の処理量や発電出力を向上できる。電池ユニットの個数を増加させることにより、所望の規模の燃料電池システム２００を構築できる。

【0073】

燃料電池システム２００は、第１の電池ユニット１０Ａ内の流路８を流れる被処理液を、その下方にある１個または複数の電池ユニットを経由させずに、さらに下方にある他の電池ユニットに移送させ得るバイパス流路２３Ａをさらに有していてもよい。図示していないが、第１の接続部２０Ａにおける接続路９を流通する被処理液の経路を、第２の電池ユニット１０Ｂの流路８とバイパス流路２３Ａとの間で切り換える経路切り換え部を有していてもよい。これにより、例えば何れか１つの電池ユニットに問題が生じた場合でも、その電池ユニットへの被処理液の供給を停止して、他の電池ユニットのみを用いて燃料電池システム２００を動作させることができる。従って、電池ユニットのメンテナンスもしくは交換を行うことが容易になる。

【0074】

図５に示すように、バイパス流路２３Ａは、第１の接続部２０Ａにおける接続路９と第２の接続部２０Ｂにおける接続路９とを、第２の電池ユニット１０Ｂを介さずに接続するように設けられていてもよい。あるいは、バイパス流路２３Ａは、第１の接続部２０Ａにおける接続路９と第３の電池ユニット１０Ｃにおける流路８とを、第２の電池ユニット１０Ｂおよび第２の接続部２０Ｂを介さずに接続するように設けられていてもよい。同様に、第２の接続部２０Ｂにおける接続路９と、第３の接続部２０Ｃにおける接続路９または第４の電池ユニット１０Ｄにおける流路８とを、少なくとも第３の電池ユニット１０Ｃを介さずに接続するバイパス流路２３Ｂが設けられていてもよい。また、第３の接続部２０Ｃにおける接続路９と第４の接続部２０Ｄにおける接続路９または第５の電池ユニット１０Ｅにおける流路８とを、少なくとも第４の電池ユニット１０Ｄを介さずに接続するバイパス流路２３Ｃが設けられていてもよい。

【0075】

なお、バイパス流路２３Ａは、第１の接続部２０Ａと、第２の電池ユニット１０Ｂよりもさらに下方に配置された電池ユニット１０Ｃ〜１０Ｅまたはその電池ユニットに接続された接続部２０Ｂ〜２０Ｄの何れかとを接続するように配置されていればよい。例えば、第２の電池ユニット１０Ｂを含む複数の電池ユニットを介さずに、さらに下方にある電池ユニットに被処理液を移送するように構成されていてもよい。例えば、第１の接続部２０Ａと第３の接続部２０Ｃとを、第２および第３の電池ユニット１０Ｂ、１０Ｃを経由させずに接続するバイパス流路が設けられていてもよい。このようなバイパス流路を燃料電池システム２００に設けると、バイパス流路２３Ａよりもバイパス流路の長さを短縮できる利点がある。

【0076】

図５に示す燃料電池システム２００では、被処理液が、鉛直方向において最も上方に位置する電池ユニット１０Ａ内の流路８から、最も下方に位置する電池ユニット１０Ｅ内の流路８まで順に流通するように構成されている。なお、燃料電池システムを構成する複数の電池ユニットのうち一部の電池ユニットが鉛直方向に配置されていればよく、全ての電池ユニットが鉛直方向に順に配置されていなくてもよい。例えば、複数の電池ユニットを鉛直方向に配置した電池ユニット群を複数個形成し、これらの電池ユニット群を水平方向に並べて燃料電池システムを構成していてもよい。あるいは、複数の電池ユニットを水平方向に並列に配置した電池ユニット群を複数個形成し、これらの電池ユニット群を鉛直方向に配置してもよい。

【0077】

さらに、複数の電池ユニットのうち少なくとも２つが上述したような電池ユニット１０Ａ、１０Ｂと同様の構成を有し、これらを接続する接続部が第１の接続部２０Ａと同様の構成を有していればよい。従って、例えば電池ユニットを連結させる接続部が全て気圧調整部を有している必要はなく、少なくとも１つの接続部に気圧調整部が設けられていれば、水圧上昇を抑制する効果が得られる。

【0078】

（実施の形態２）
本発明による燃料電池システムの実施の形態２は、接続路９における気体相Ｇの酸素分圧を０．２ａｔｍ以下に抑える点で、図１に示す実施の形態１の燃料電池システム１００と異なる。

【0079】

図６は、本実施形態の燃料電池システム３００を例示する断面図である。図１に示す燃料電池システム１００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。

【0080】

燃料電池システム３００は、収容体２５の内部に収容されている。収容体２５は密閉されている。収容体２５の内部の酸素分圧は０．２ａｔｍ以下となるように調節されている。収容体２５の内部の窒素分圧を０．８ａｔｍ以上とすることにより、酸素分圧を０．２ａｔｍ以下に抑えてもよい。また、燃料電池システム３００の各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂでは、例えば嫌気性微生物の代謝機構を利用して、被処理液中の被処理物質の分解および発電を行う。

【0081】

燃料電池システム３００では、第１の接続部２０Ａの接続路９は、開口部１５によって、収容体２５の内部空間と連通していてもよい。これにより、以下に説明するように、接続路９内における酸素の溶解を抑制する効果が得られる。

【0082】

前述のように、燃料電池システム３００を動作させると、接続路９には、気体相Ｇと液体相Ｌとが形成される。気体相Ｇと液体相Ｌとの界面は、気体相Ｇの気圧と等しい水圧を有する。この界面を通じて、気体相Ｇの酸素が被処理液へ溶解する。ヘンリーの法則に基づき、気体相Ｇにおける酸素分圧が高いほど、気体相Ｇに接する被処理液に溶解する酸素の量が増える。被処理液に溶解する酸素の量が増えると、被処理液中で好気性微生物が繁殖し、負極６の表面を覆うことにより電池出力が低下してしまう。本実施形態では、気体相Ｇの酸素分圧を、大気中の酸素分圧０．２１ａｔｍよりも小さい０．２ａｔｍ以下にできるため、気体相Ｇと被処理液の界面からの酸素の溶解を抑制することが可能である。

【0083】

なお、接続路９と連通し得る外部空間の酸素分圧が０．２ａｔｍ以下であれば、上記効果が得られる。例えば、第１の接続部２０Ａは、接続路９に設けられた圧力調整弁などの圧力調整部を有し、圧力調整部により気体相Ｇの酸素分圧を局所的に０．２ａｔｍ以下に制御するように構成されていてもよい。この場合、燃料電池システム３００は、収容体２５で包囲されている必要はなく、大気空間中に配置されていてもよい。

【0084】

また、燃料電池システム３００では、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの多孔性の正極５は、収容体２５の内部空間、すなわち酸素分圧が０．２ａｔｍ以下の気体相と接している。これにより、以下に説明するように、流路８内における酸素の溶解を抑制する効果が得られる。

【0085】

正極５では、正極５と接する気体相中に存在する酸素と、負極６から移動してきた水素および電子との反応が行われる。このとき、酸素量が多すぎると、反応に使われなかった酸素が、多孔性の正極５を透過して負極６に到達する可能性がある。嫌気性微生物を利用して被処理液の処理を行う場合には、過剰な酸素が負極６に達すると、被処理液内で好気性微生物が繁殖し、出力を低下させる可能性がある。これに対し、本実施形態では、正極５の表面と接する気体相の酸素分圧は０．２ａｔｍ以下に抑えられている。このため、多孔性の正極５を透過して負極６に到達する酸素の量を低減でき、好気性微生物の繁殖に伴う出力低下をより効果的に抑制することができる。

【0086】

なお、正極５と接する気体相の酸素分圧が０．２ａｔｍ以下であれば、上記効果が得られる。従って、燃料電池システム３００全体が収容体２５で包囲されている必要はなく、例えば各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂのみが酸素分圧の低い空間内に配置されていてもよい。

【0087】

ただし、図６に示すように、燃料電池システム３００における各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの正極５と、第１の接続部２０Ａの接続路９とを、共通の酸素分圧の低い空間（ここでは収容体２５の内部空間）に接触させることにより、接続路９および流路８の両方で生じる酸素の被処理液への溶解を抑制できる。従って、燃料電池システム３００の酸素に起因する出力低下をより効果的に抑制できる。

【0088】

本実施形態の燃料電池システム３００においても、実施の形態１と同様に、接続路９を開閉する開閉部が設けられていてもよい。また、図５に例示しているように、３個以上の電池ユニットを鉛直方向に配置した構成を有していてもよい。

【0089】

（実施の形態３）
本発明による燃料電池システムの実施の形態３は、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂが複数の電極セルを有している点で、図１に示す実施の形態１の燃料電池システム１００と異なる。

【0090】

図７は、本実施形態の燃料電池システム４００を例示する断面図である。図１に示す燃料電池システム１００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。

【0091】

燃料電池システム４００では、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂは、第１の電極セル２Ｕおよび第２の電極セル２Ｌを備えている。第１の電極セル２Ｕの負極６と第２の電極セル２Ｌの負極６とは、流路８を介して対向するように配置されている。これにより、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの体積あたりの正極５及び負極６の面積を増加させることができるので、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの電池出力を向上できる。

【0092】

図７に示す例では、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの処理槽３の上面に第１の電極セル２Ｕ、処理槽３の底面に第２の電極セル２Ｌが配置され、これらの電極セル２Ｕ、２Ｌの間に流路８が形成されている。流路８を流れる被処理液は、電極セル２Ｕ、２Ｌの負極６の表面と接する。

【0093】

なお、第１および第２の電極セル２Ｕ、２Ｌは、処理槽３の対抗する側面にそれぞれ配置されていてもよい。また、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂに、３個以上の電極セルが設けられていてもよい。

【0094】

図８（ａ）は、本実施形態の他の燃料電池システム５００を例示する断面図である。図８（ｂ）は、燃料電池システム５００における電極セル部３０の拡大断面図である。また、図８（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、燃料電池システム５００における電池ユニット１０Ａを例示する斜視図である。

【0095】

燃料電池システム５００における各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂは、複数の電極セル部３０（１）〜３０（４）を有している。電極セル部の個数は特に限定されず、任意に選択され得る。

【0096】

各電極セル部３０（１）〜３０（４）は、図８（ｂ）に示すように、処理槽３の外部にある空間と連通した空隙（エアポケット）３１と、その両側に配置された第１および第２の電極セル２ａ、２ｂとを有している。電極セル２ａの正極５と、電極セル２ｂの正極５とは、空隙３１を介して対向するように配置されている。また、電極セル２ａ、２ｂは、正極５が気体相（空隙３１）に露出し、負極６が処理槽３内の流路８を流れる被処理液と接するように配置されている。

【0097】

図８（ｃ）に示すように、これらの電極セル部のうち一部の電極セル部３０（１）、３０（３）は、処理槽３の第１の側面から処理槽３の内部に向かって延び、他の電極セル部３０（２）、３０（４）は、処理槽３における第１の側面に対向する第２の側面から処理槽３の内部に向かって延びている。各電極セル部の空隙３１は、処理槽３の第１または第２の側面において外部と通じている。あるいは、図８（ｄ）に示すように、各電極セル部の空隙３１は、処理槽３の上面（または底面）において外部と通じていてもよい。

【0098】

第１の側面から延びる電極セル部３０（１）、３０（３）と、第２の側面から延びる電極セル部３０（２）、３０（４）とは、処理槽３の液体供給口１１Ａと液体排出口１３Ａとの間に交互に配置されていてもよい。各電極セル部３０（１）〜３０（４）は、水平な面において、処理槽３の液体供給口１１Ａと液体排出口１３Ａとを結ぶ直線に対して、略垂直に延びていてもよい。被処理液は、処理槽３の内部空間において、電極セル部３０（１）〜３０（４）の間を流通してもよい。この場合、処理槽３における流路８は、水平な面内において蛇行してもよい。

【0099】

燃料電池システム５００によると、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの体積あたりの正極５及び負極６の面積を増加させることができるので、各電池ユニット１０Ａ、１０Ｂの電池出力を向上させることができる。

【0100】

図８に示す例では、電極セル部３０（１）〜（４）において、空隙３１の両側に２つの電極セル２ａ、２ｂが配置されているが、空隙３１と接するように少なくとも１個の電極セルが配置されていればよい。

【0101】

なお、処理槽３が少なくとも２つの電極セルを有し、一方の電極セル（例えば電極セル部３０（１）の電極セル２ｂ）が処理槽３の第１の側面から処理槽３の内部に向かって延び、他方の電極セル（例えば電極セル部３０（２）の電極セル２ａ）が処理槽３の第１の側面に対向する第２の側面から処理槽３の内部に向かって延びていれば、上記の効果が得られる。

【0102】

本実施形態の燃料電池システム４００、５００においても、実施の形態１および２と同様に、接続路９を開閉する開閉部が設けられていてもよい。また、３個以上の電池ユニットを鉛直方向に配置した構成を有していてもよい。さらに、燃料電池システム４００、５００は収容体２５の内部に配置されていてもよい。

【0103】

（実施の形態４）
本発明による実施の形態４は、上述したような燃料電池システムを構成可能なモジュール（以下、「燃料電池システム用モジュール」と称する。）である。

【0104】

図９は、本実施形態の燃料電池システム用モジュール６００を例示する断面図である。燃料電池システム用モジュール６００は、電池ユニット１０と、電池ユニット１０に接続可能な接続部２０とを備える。電池ユニット１０および接続部２０は、それぞれ、前述の実施の形態１における電池ユニット１０Ａ、１０Ｂおよび第１の接続部２０Ａと同様の構成を有していてもよい。

【0105】

電池ユニット１０は、被処理液を流通させる流路８を有する処理槽３と、流路８に被処理液を供給する液体供給口１１および流路８から被処理液を排出する液体排出口１３と、少なくとも１つの電極セル２とを備える、電極セル２は、負極６と、少なくとも一部が多孔体である正極５と、正極５と負極６との間に配置された非導電性のイオン透過膜７とを有している。電極セル２は、負極６が流路８を流通する被処理液と接し、正極５が処理槽３の外部において気体相に露出するように配置されている。

【0106】

接続部２０は、被処理液を流通させる接続路９と、接続路９における被処理液の移動に伴う気圧変動を抑制する気圧調整部とを有している。気圧調整部は、図示するように、外部空間と接続路９とを連通させる開口部１５であってもよい。外部空間は、接続路９の内部空間の体積以上の体積を有する外部空間であってもよく、例えば大気空間であってもよい。あるいは、気圧調整部は、図３を参照しながら上述したように、膨張および収縮可能な袋状体や圧力調整弁であってもよい。

【0107】

本実施形態では、電池ユニット１０における液体供給口１１および液体排出口１３の少なくとも一方は、接続部２０における接続路９と接続可能に構成されている。

【0108】

接続部２０は、接続路９に被処理液を供給する流入口４１と、接続路９から被処理液を排出する流出口４３とを有していてもよい。電池ユニット１０の液体排出口１３は、接続部２０の流入口４１に接続可能であり、電池ユニット１０の液体供給口は、接続部２０の流出口４３に接続可能であってもよい。

【0109】

また、本実施形態の燃料電池システム用モジュールが備える電池ユニットの数は１つに限らない。例えば、燃料電池システム用モジュールが２つの電池ユニットと１つの接続部２０とを備え、２つの電池ユニット１０における液体排出口１３のそれぞれが、１つの接続部２０における接続路９と接続可能に構成されていてもよい。

【0110】

また、本実施形態の燃料電池システム用モジュールが備える接続部の数は１つに限らない。例えば、燃料電池システム用モジュールが１つの電池ユニットと２つの接続部２０とを備え、１つの電池ユニット１０における液体供給口１１が２つの接続部２０のうちの一方における接続路９に、１つの電池ユニット１０における液体排出口１３が、２つの接続部２０のうち他方における接続路９に接続可能に構成されていてもよい。

【0111】

燃料電池システム用モジュール６００を複数個接続することにより、任意の処理能力および出力を有する燃料電池システムを容易に構成することが可能になる。例えば燃料電池システム用モジュール６００を用いて、前述した実施形態の燃料電池システム１００〜５００を構成することができる。

【0112】

接続部２０は、他の流入口４２および他の流出口４４をさらに有していてもよい。３個以上の燃料電池システム用モジュール６００を鉛直方向に配置して燃料電池システムを構成する場合、接続部２０の他の流出口４４と、下方の接続部２０の他の流入口４２とを繋ぐようにバイパス流路を形成することも可能である。図示するように、接続部２０の流入口４１、４２は、例えば、燃料電池システムを構成した際に、流出口４４、４５よりも鉛直方向において上方に位置するように設けられていてもよい。

【0113】

なお、図９に示す例では、電池ユニット１０および接続部２０は、図１に示す電池ユニット１０Ａ、第１の接続部２０Ａと同様の構成を有するが、代わりに他の実施の形態と同様の構成を有していてもよい。例えば、接続部２０は、図３に示すような他の気圧調整部や、電磁弁などの流量制御部を備えていてもよい。また、電池ユニット１０は、図７および図８に例示するように、複数の電極セルを有していてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0114】

本発明の一態様は、有機物や窒素含有化合物などの被処理物質を含む液体、例えば各種産業の工場などから発生する排水、下水汚泥などの有機性廃水などを利用した燃料電池システムに広く適用できる。特に、微生物の代謝機構を利用した微生物燃料電池に好適に用いられ得る。

【符号の説明】

【0115】

２、２ａ、２ｂ、２Ｕ、２Ｌ 電極セル
３ 処理槽
４ 外部回路
５ 正極
６ 負極
７ イオン透過膜
８ 流路
９ 接続路
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 電池ユニット
１１、１１Ａ、１１Ｂ 液体供給口
１３、１３Ａ、１３Ｂ 液体排出口
１５ 開口部
１６ 袋状体
１７ 圧力調整弁
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 接続部
２１ 開閉部
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ バイパス流路
２５ 収容体
３０、３０（１）、３０（２）、３０（３）、３０（４） 電極セル部
３１ 空隙
４１、４２ 流入口
４３、４４ 流出口
１００、２００、３００、４００、５００ 燃料電池システム
６００ 燃料電池システム用モジュール
Ｇ 気体相
Ｌ 液体相

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】