特開 2022-147015 発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022147015

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20220929BHJP

   H01M 8/1004 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20220929BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M8/1004

H01M8/02

H01M8/04 Z

H01M8/04313

H01M8/04694

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021048093

(22)【出願日】2021-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 由彦

(72)【発明者】

【氏名】山田 登

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126CC02

5H126GG18

5H127BA61

5H127BB02

5H127BB14

5H127DA20

5H127DB49

5H127DC81

(57)【要約】

【課題】 土壌中の微生物を利用した発電装置において、土壌に簡易に設置して発電することができる技術を提供する。
【解決手段】 発電装置は、棒状の本体部を有し、本体部を杭として土壌に打ち込むことによって動作し、本体部の内部に配置され、電極表面が空気と接触可能な正極と、本体部の内部において、正極の外側に配置される負極と、正極と負極との間に配置される第１の空気遮断層と、本体部の内部において、負極の外側に配置される第２の空気遮断層と、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

土壌中の微生物を利用して発電する発電装置であって、
棒状の本体部を有し、前記本体部を杭として土壌に打ち込むことによって動作し、
前記本体部の内部に配置され、電極表面が空気と接触可能な正極と、
前記本体部の内部において、前記正極の外側に配置される負極と、
前記正極と前記負極との間に配置される第１の空気遮断層と、
前記本体部の内部において、前記負極の外側に配置される第２の空気遮断層と、を備える、
発電装置。

【請求項2】

請求項１に記載の発電装置であって、
前記本体部は、中空棒状であり、
前記正極の電極表面は、前記本体部の中空部を介して空気と接触可能に構成されている、
発電装置。

【請求項3】

請求項２に記載の発電装置であって、
前記正極は、前記電極表面を有する電極部材と、前記電極表面と前記中空部との間に配置される多孔質導電体と、を含んでいる、
発電装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記第２の空気遮断層は、吸水ポリマーまたは多孔質部材であり、内部に前記本体部の延伸方向に沿って延伸する通気口を備えている、
発電装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電装置は、さらに、
前記発電装置の発電状態に関する情報を取得する情報取得部と、
前記発電装置の発電性能を回復させる回復剤を前記本体部に供給する回復剤供給部と、
前記回復剤供給部を制御し、前記情報から得られた発電状態に応じて、前記本体部への前記回復剤の供給量を調整する制御部と、を備える、
発電装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記本体部は、一端が封止部によって封止され、前記封止部側から杭として土壌に打ち込まれる、
発電装置。

【請求項7】

請求項６に記載の発電装置であって、
前記封止部は、先端に向かうにつれて細くなるように形成されている、
発電装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記本体部の外表面の少なくとも一部は、雄ねじ状に形成されている、
発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、土壌中の微生物を利用して発電する発電装置が知られている（例えば、特許文献１～３）。一般的に、微生物発電では、微生物による有機物の酸化分解において生じる電子が負極に供給される。有機物の酸化分解によって生じる水素イオンは、正極において酸素と反応することで水となって発電装置の外部に排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開２０１１／１２５１７０号

【特許文献2】特開２００５－３１７５２０号公報

【特許文献3】特開２０１１－６５８７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、負極での有機物の酸化分解は、酸素がない環境で進みやすく、正極での水素イオンと酸素との反応は、酸素が存在する環境で進みやすいため、正極と負極のそれぞれを、それぞれの反応に適した環境に設置する必要がある。このため、簡易に設置できる発電装置が望まれていた。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、土壌中の微生物を利用した発電装置において、土壌に簡易に設置して発電することができる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、土壌中の微生物を利用して発電する発電装置が提供される。この発電装置では、棒状の本体部を有し、前記本体部を杭として土壌に打ち込むことによって動作し、前記本体部の内部に配置され、電極表面が空気と接触可能な正極と、前記本体部の内部において、前記正極の外側に配置される負極と、前記正極と前記負極との間に配置される第１の空気遮断層と、前記本体部の内部において、前記負極の外側に配置される第２の空気遮断層と、を備える。

【0008】

この構成によれば、棒状の本体部の内部には、酸素と接触しやすい正極と、２つの空気遮断層で挟まれることで酸素と接触しにくい負極と、が配置されており、この本体部を杭として土壌に打ち込むことによって、発電することができる。これにより、土壌に簡易に設置して発電することができる。

【0009】

（２）上記形態の発電装置において、前記本体部は、中空棒状であり、前記正極の電極表面は、前記本体部の中空部を介して空気と接触可能に構成されていてもよい。この構成によれば、正極の電極表面は、中空棒状の本体部の中空部を介して空気と接触可能に構成されている。これにより、正極において、有機物の酸化分解によって生じる水素イオンの酸素との反応が進みやすくなり水素イオンが消費されるため、負極での微生物による有機物の酸化分解も進みやすくなる。したがって、発電装置の発電性能を向上させることができる。

【0010】

（３）上記形態の発電装置において、前記正極は、前記電極表面を有する電極部材と、前記電極表面と前記中空部との間に配置される多孔質導電体と、を含んでもよい。この構成によれば、正極は、電極部材と、電極部材の電極表面と中空部との間に配置される多孔質導電体と、を含んでいる。これにより、正極において、多孔質導電体によって電極部材の電極表面に空気に含まれる酸素が拡散されやすくなるため、有機物の酸化分解によって生じる水素イオンの酸素との反応が進みやすくなる。したがって、負極での微生物による有機物の酸化分解も進みやすくなるため、発電装置の発電性能をさらに向上させることができる。

【0011】

（４）上記形態の発電装置において、前記第２の空気遮断層は、吸水ポリマーまたは多孔質部材であり、内部に前記本体部の延伸方向に沿って延伸する通気口を備えていてもよい。この構成によれば、第２の空気遮断層は、保水性を有する吸水ポリマーまたは透水性を有する多孔質部材であり、土壌中の微生物と有機物を含む比較的多くの水を負極まで移動させることができる。さらに、第２の空気遮断層は、内部に本体部の延伸方向に沿って延伸する通気口を備えており、負極での有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素を、通気口を介して発電装置の外部に放出することができる。これにより、負極に対して、土壌中の微生物と有機物を含む比較的多くの水を供給できるとともに、有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素を外部に放出することができるため、負極での有機物の酸化分解がさらに進みやすくなる。したがって、発電装置の発電性能をさらに向上させることができる。

【0012】

（５）上記形態の発電装置は、さらに、前記発電装置の発電状態に関する情報を取得する情報取得部と、前記発電装置の発電性能を回復させる回復剤を前記本体部に供給する回復剤供給部と、前記回復剤供給部を制御し、前記情報から得られた発電状態に応じて、前記本体部への前記回復剤の供給量を調整する制御部と、を備えていてもよい。この構成によれば、回復剤供給部を制御する制御部は、情報取得部が取得する発電装置の発電状態に関する情報に応じて、発電装置の発電性能を回復させる回復剤の供給量を調整する。これにより、例えば、発電装置の出力が低下している場合、回復剤を供給することで発電装置の出力を増大させることができる。このように、発電装置の発電状態を制御することができるため、安定した発電を行うことができる。

【0013】

（６）上記形態の発電装置において、前記本体部は、一端が封止部によって封止され、前記封止部側から杭として土壌に打ち込まれてもよい。この構成によれば、本体部は、一端が封止部によって封止されており、封止部側から杭として土壌に打ち込まれる。これにより、発電装置を土壌に打ち込みやすくなるため、簡易に発電することができる。

【0014】

（７）上記形態の発電装置において、前記封止部は、先端に向かうにつれて細くなるように形成されていてもよい。この構成によれば、封止部は、先端に向かうにつれて細くなるように形成されている。これにより、封止されている部分から土壌に打ち込む場合、本体部を土壌に打ち込みやすい。したがって、さらに簡易に発電することができる。

【0015】

（８）上記形態の発電装置において、前記本体部の外表面の少なくとも一部は、雄ねじ状に形成されていてもよい。この構成によれば、発電装置を土壌に打ちこむときに発電装置を回転させることで、雄ねじ状の外表面によって本体部を土壌に打ち込みやすくなる。さらに、外表面が雄ねじ状に形成されているため、本体部の側面の面積が平な平面状に形成されている場合に比べ大きくなる。これにより、土壌中の微生物と有機物を含む水を多く取り込むことができる。したがって、さらに簡単に発電することができるとともに、発電装置の発電性能をさらに向上させることができる。

【0016】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、発電装置を含むシステム、発電装置の製造方法、発電装置の設置方法、これら装置およびシステムの制御方法、これら装置およびシステムにおいて発電を実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。

【図2】第１実施形態の発電装置の上面図である。

【図3】図１のＡ部拡大図である。

【図4】第２実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。

【図5】図４のＢ部拡大図である。

【図6】第３実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。

【図7】第４実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。図２は、第１実施形態の発電装置の上面図である。図３は、図１のＡ部拡大図である。第１実施形態の発電装置１は、いわゆる、微生物燃料電池（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＦＣ）であって、微生物（発電細菌）が有機物を酸化分解する際に生じる電子を電力利用部５に供給する。発電装置１は、本体部１０と、接続部４０と、を備える。本実施形態では、発電装置１は、図１に示すように、土壌６に、本体部１０が杭として打ち込まれることで動作し、発電する。発電装置１が打ち込まれる土壌６は、排水処理で発生する活性汚泥や、水田の土、腐葉土などであって、発電細菌と有機物とが溶けている水を含んでいる。なお、土壌６は、家畜のふん、堆肥などであってもよい。

【0019】

本体部１０は、中空部１１と、正極１５と、第１の空気遮断層２０と、負極２５と、第２の空気遮断層３０と、封止部材３５と、を備える。本実施形態では、本体部１０は、発電装置１の中心軸ＣＡに垂直な断面形状が円形状の棒状を有しており、本体部１０が土壌６に打ち込まれる側の先端は、図１に示すように、先に向かうにつれて細くなるように形成されている。

【0020】

中空部１１は、本体部１０において、発電装置１の中心軸ＣＡに沿うように形成されている。本実施形態では、中空部１１の中心軸ＣＡの垂直な断面形状は、円形状であり、接続部４０において、開口１１ａを介して大気と連通している。

【0021】

正極１５は、筒状の部材であって、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、銅、鉄、コバルト、および、ニッケルの少なくとも１つを含む合金または化合物から形成されている。正極１５は、電極部材１６と、多孔質導電体１７と、を備える。電極部材１６の一方の端部１６ａは、接続部４０に固定されている。電極部材１６の一方の端部１６ａには、電力利用部５の電気配線５ａが接続されている。電極部材１６の他方の端部１６ｂは、封止部材３５に固定されている。多孔質導電体１７は、筒形状を有する多孔質の導電体材料から形成される部材であり、電極部材１６の内側の電極表面１６ｃと中空部１１との間に配置されている。多孔質導電体１７は、酸素を透過する性質と水を透過する性質を有する。

【0022】

第１の空気遮断層２０は、正極１５の外側に配置されている筒状の部材である。第１の空気遮断層２０には、プロトン伝導膜が用いられており、空気を遮断しつつ、水素イオン（プロトン）を透過させる性質を有している。第１の空気遮断層２０は、電極部材１６の外表面１６ｄに接触しているように配置されている。

【0023】

負極２５は、第１の空気遮断層２０の外側に配置されている筒状の電極である。負極２５は、炭素を含む材料から形成されている。負極２５の一方の端部２５ａは、接続部４０に固定されている。負極２５の一方の端部２５ａには、電力利用部５の電気配線５ｂが接続されている。これにより、負極２５は、電力利用部５と電気配線５ａ、５ｂとを介して、正極１５と電気的に接続されることとなる。負極２５の他方の端部２５ｂは、封止部材３５に固定されている。負極２５の内表面２５ｃは、第１の空気遮断層２０に接触している。なお、負極２５は、炭素、ステンレス、金、白金などを含む材料から形成されてもよい。

【0024】

第２の空気遮断層３０は、筒形状を有し、負極２５の外側に配置されている。第２の空気遮断層３０は、空気遮断材３１と、保護材３２と、を備える。空気遮断材３１は、吸水ポリマーから形成されており、酸素を遮断しつつ、二酸化炭素を透過させる性質を有する。本実施形態では、空気遮断材３１は、負極２５の外表面２５ｄに接触するように配置されている。空気遮断材３１の内部には、気体が流通可能な通気口３３ａを形成する通気口形成部材３３が配置されている。通気口形成部材３３は、発電装置１の中心軸ＣＡ方向に沿って延伸するように形成されている。本実施形態では、通気口形成部材３３は、発電装置１の周方向において等間隔に８本配置されている（図２参照）。通気口３３ａは、接続部４０において、開口３３ｂを介して大気と連通している。

【0025】

保護材３２は、空気遮断材３１の外表面に接触可能に配置される部材である。保護材３２は、網目形状を有する部材であって、土壌６に含まれる水を通す性質を有する。保護材３２は、比較的強度がある材料から形成されており、吸水ポリマーから形成される空気遮断材３１を外側から支持する。

【0026】

封止部材３５は、本体部１０が土壌６中に設置されるときの土壌６中の本体部１０の端部を封止する。具体的には、封止部材３５は、中空部１１と複数の通気口３３ａのそれぞれの端部を封止する。本実施形態では、封止部材３５は、本体部１０の他の部分に比べ、先端３５ａに向かうにしたがって細くなるように形成されている。

【0027】

接続部４０は、発電装置１が土壌６に設置されているとき、土壌６の外側に位置する。接続部４０は、本体部１０の封止部材３５が設けられている側とは反対側の端部を支持する。接続部４０では、正極１５の電極部材１６と電気配線５ａとが接点４１において接続され、負極２５と電気配線５ｂとが接点４２において接続される。

【0028】

次に、発電装置１の作動内容について説明する。発電装置１が打ち込まれる土壌６には、発電細菌と有機物が含まれている。ここで、発電細菌とは、酸素がない環境で有機物を分解するときに電流を発生させる性質を持つ嫌気性細菌である。具体的には、式（１）に示す有機物の酸化分解を進行させることで電子が生じる。
有機物 → 電子（ｅ^-）＋水素イオン（Ｈ⁺）＋二酸化炭素（ＣＯ₂） ・・・（１）

【0029】

発電装置１で発電を行うとき、発電装置１を本体部１０の封止部材３５側から土壌６に打ち込み、図１に示す状態とする。土壌６に設置された発電装置１では、発電装置１の周辺の土壌６に含まれる、発電細菌と有機物とが含まれる水が、保護材３２の網目の間を通って、第２の空気遮断層３０の吸水ポリマーに吸水される（図３の白抜き矢印Ｗ）。第２の空気遮断層３０に吸水された水では、式（１）の反応が進行する。式（１）の右辺の電子は、負極２５に集まり、電気配線５ｂを介して、電力利用部５に供給される。式（１）の右辺の水素イオンは、第１の空気遮断層２０を通って、電極部材１６に移動する。式（１）の右辺の二酸化炭素は、通気口形成部材３３を介して通気口３３ａに漏れ出し、開口３３ｂから大気に放出される（図３の白抜き矢印Ｆ１）。これにより、本実施形態の発電装置１では、式（１）の反応は、右辺に移行しやすくなるため、電子が生じやすくなる。

【0030】

正極１５では、第１の空気遮断層２０を通って電極部材１６に移動する水素イオンが式（２）に示す反応によって水になる。
水素イオン（Ｈ⁺）＋電子（ｅ^-）＋酸素（Ｏ₂） → 水（Ｈ₂Ｏ） ・・・（２）
式（２）の左辺に含まれる酸素は、大気から中空部１１に流入する空気に含まれている酸素であり、多孔質導電体１７を通って電極部材１６の電極表面１６ｃに供給される（図３の白抜き矢印Ｆ２）。式（２）の右辺の水は、多孔質導電体１７を通って中空部１１に漏れ出し、開口１１ａから大気に放出される（図３の白抜き矢印Ｆ３）。

【0031】

本実施形態の発電装置１では、負極２５は、酸素遮断性を有する第１の空気遮断層２０と第２の空気遮断層３０とに挟まれている。これにより、嫌気性細菌の活動を阻害する酸素が負極２５の周辺に入り込みにくくなっている。また、負極２５での有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素は、通気口３３ａを介して大気に放出され、水素イオンは、正極１５での酸素との反応によって水となり、中空部１１を介して大気に放出される。このように、本実施形態の発電装置１では、式（１）および式（２）のそれぞれの右辺での生成物が電極部材１６や負極２５の周辺から取り除かれるため、効率的な発電を行うことができる。

【0032】

以上説明した、本実施形態の発電装置１によれば、棒状の本体部１０の内部には、中空部１１と、正極１５と、第１の空気遮断層２０と、負極２５と、第２の空気遮断層３０が配置されている。正極１５の電極部材１６は、電極表面１６ｃに空気が接触可能な構成となっており、酸素と接触しやすい構造となっているため、有機物の酸化分解によって生じる水素イオンと酸素との反応が進みやすい。負極２５は、２つの空気遮断層２０、３０で挟まれているため酸素と接触しにくくなり、発電細菌による有機物の酸化分解が進みやすい。これらによって、発電装置１は、土壌６中の発電細菌と有機物とによって効率的に発電することができる。この正極１５と負極２５とが内部に配置されている棒状の本体部１０を杭として土壌６に打ち込むことによって、発電装置して動作させることができる。したがって、土壌６に簡易に設置して発電することができる。

【0033】

また、本実施形態の発電装置１によれば、本体部１０は棒状を有しているため、本体部１０の側面となる保護材３２と土壌６との接触面積は比較的広い。これにより、本体部１０には、発電に必要な発電細菌や有機物が比較的多く土壌６から供給されるため、本体部１０の内部に発電細菌や有機物を補充することなく、発電を継続して行うことができる。したがって、簡便に発電することができる。

【0034】

また、本実施形態の発電装置１によれば、正極１５の電極部材１６の電極表面１６ｃは、中空棒状の本体部１０の中空部１１を介して空気と接触可能に構成されている。これにより、正極１５において、有機物の酸化分解によって生じる水素イオンの酸素との反応が進みやすくなり水素イオンが消費されるため、負極２５での発電細菌による有機物の酸化分解も進みやすくなる。したがって、発電装置１の発電性能を向上させることができる。

【0035】

また、本実施形態の発電装置１によれば、正極１５は、電極部材１６と、電極部材１６の電極表面１６ｃと中空部１１との間に配置される多孔質導電体１７と、を含んでいる。これにより、正極１５において、多孔質導電体１７によって空気に含まれる酸素が拡散されやすくなるとともに、有機物の酸化分解において生じる水素イオンの酸素との反応が、正極１５を構成する材料の触媒作用によって、進みやすくなる。したがって、負極２５での発電細菌による有機物の酸化分解も進みやすくなるため、発電装置１の発電性能をさらに向上させることができる。

【0036】

また、本実施形態の発電装置１によれば、第２の空気遮断層３０は、保水性を有する吸水ポリマーであり、土壌６中の発電細菌と有機物を含む比較的多くの水を負極２５まで移動させることができる。さらに、第２の空気遮断層３０は、内部に本体部１０の中心軸ＣＡ方向に沿って延伸する通気口３３ａを備えており、負極２５での有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素を、通気口３３ａを介して発電装置１の外部に放出することができる。これにより、負極２５に対して、土壌６中の発電細菌と有機物を含む比較的多くの水を供給できるとともに、有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素を外部に放出することができるため、負極２５での有機物の酸化分解がさらに進みやすくなる。したがって、発電装置１の発電性能をさらに向上させることができる。

【0037】

また、本実施形態の発電装置１によれば、本体部１０は、一端が封止部材３５によって封止されており、封止部材３５側から杭として土壌６に打ち込まれる。これにより、発電装置１を土壌６に打ち込みやすくなるため、土壌６にさらに簡易に設置して発電することができる。

【0038】

また、本実施形態の発電装置１によれば、本体部１０の封止部材３５は、先端に向かうにつれて細くなるように形成されている。これにより、封止部材３５側から土壌６に打ち込む場合、本体部１０を土壌６に打ち込みやすい。したがって、土壌６にさらに簡易に設置して発電することができる。

【0039】

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。図５は、図４のＢ部拡大図である。第２実施形態の発電装置２は、第１実施形態の発電装置１（図１）と比較すると、発電状態調整部を備える点が異なる。

【0040】

発電装置２は、本体部１０と、接続部４０と、発電状態調整部５０と、を備える。発電状態調整部５０は、センサ５１と、回復剤タンク５２と、供給ポンプ５３と、供給配管５４と、制御部５５と、を備える。発電状態調整部５０は、発電装置２の発電状態に応じて、発電性能回復剤を本体部１０に供給し、本体部１０での発電状態を調整する。

【0041】

センサ５１は、第２の空気遮断層３０の内部において、負極２５の近傍に配置されている。センサ５１は、発電装置２の発電状態に関する情報として、負極２５の近傍での有機酸や糖類などの有機物の濃度を検出する。センサ５１は、検出した有機物の濃度を制御部５５に出力する。

【0042】

回復剤タンク５２は、発電装置２の発電性能を回復することができる回復剤を貯留する。ここで、回復剤として、有機物を含む水が挙げられる。回復剤タンク５２には、回復剤を発電装置２の内部まで送ることができる供給配管５４が接続されている。供給配管５４には、供給配管５４における回復剤の流量を調整する供給ポンプ５３が取り付けられている。なお、供給ポンプ５３の代わりに、例えば、重力を利用して回復剤を発電装置２の内部まで送り込んでもよい。

【0043】

供給配管５４は、回復剤タンク５２から本体部１０の第２の空気遮断層３０の内部まで配置されている。供給配管５４は、接続配管５４ａと、複数の供給ノズル５４ｂを有する。接続配管５４ａは、回復剤タンク５２と第２の空気遮断層３０の内部とを接続しており、回復剤タンク５２内の回復剤を第２の空気遮断層３０の内部まで送ることができる（図５の点線矢印Ｌ１）。複数の供給ノズル５４ｂは、第２の空気遮断層３０の内部の接続配管５４ａに取り付けられている。本実施形態では、複数の供給ノズル５４ｂは、発電装置２の中心軸ＣＡに沿って略等間隔で配置されている（図５参照）。接続配管５４ａを流れる回復剤は、供給ノズル５４ｂから第２の空気遮断層３０の内部において、負極２５の近傍に噴射される。

【0044】

制御部５５は、センサ５１と供給ポンプ５３とに電気的に接続されている。制御部５５は、センサ５１が出力する有機物の濃度に応じて、供給ポンプ５３の駆動を制御する。具体的には、有機物の濃度が一定の濃度以下になると、制御部５５は、供給ポンプ５３の駆動を開始し、回復剤タンク５２に貯留されている回復剤を第２の空気遮断層３０の内部に供給する。これにより、負極２５において酸化分解される有機物が多くなるため、電子の発生量が多くなり、発電装置２の発電状態が改善する。

【0045】

以上説明した、本実施形態の発電装置２によれば、制御部５５は、センサ５１が取得する負極２５の近傍での有機物の濃度に応じて、発電装置２の発電性能を回復させる回復剤の供給量を供給ポンプ５３によって調整する。これにより、発電装置２の出力が低下している場合、回復剤を供給することで発電装置２の出力を増大させることができる。このように、発電装置２の発電状態を制御することができるため、安定した発電を行うことができる。

【0046】

＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。第３施形態の発電装置３は、第２実施形態の発電装置２（図４）と比較すると、電流計と電圧計を備える点が異なる。

【0047】

発電装置３は、本体部１０と、接続部４０と、発電状態調整部６０と、を備える。発電状態調整部６０は、電流計６１と、電圧計６２と、回復剤タンク５２と、供給ポンプ５３と、供給配管５４と、制御部５５と、を備える。発電状態調整部６０は、発電装置３の発電状態に応じて、発電性能回復剤を本体部１０に供給し、本体部１０での発電状態を調整する。

【0048】

電流計６１は、電力利用部５と電極部材１６とを接続する電気配線５ａに取り付けられている。電流計６１は、発電装置３の発電状態に関する情報として、電気配線５ａを流れる電流の大きさを測定する。電圧計６２は、電気配線５ａと電気配線５ｂとに接続されている。電圧計６２は、発電装置３の発電状態に関する情報として、発電装置３が出力する電気の電圧の大きさを測定する。電流計６１が測定した電流の大きさと、電圧計６２が測定した電圧の大きさとは、制御部５５に出力される。制御部５５は、電流計６１が測定した電流と電圧計６２が測定した電圧に応じて、供給ポンプ５３の駆動を制御する。具体的には、電力利用部５に供給される電力が一定の値以下になると、制御部５５は、供給ポンプ５３の駆動を開始し、回復剤タンク５２に貯留されている回復剤を第２の空気遮断層３０に供給する。これにより、負極２５において酸化分解される有機物が多くなるため、電子の発生量が多くなり、発電装置３の発電状態が改善する。

【0049】

以上説明した、本実施形態の発電装置３によれば、制御部５５は、電流計６１が検出する電気配線５ａを流れる電流と、電圧計６２が検出する発電装置３の出力電圧を応じて、第２の空気遮断層３０に供給される回復剤の供給量を供給ポンプ５３によって調整する。これにより、発電装置３の出力が低下している場合、回復剤を供給することで発電装置３の出力を増大させることができる。このように、発電装置３の発電状態を制御することができるため、安定した発電を行うことができる。

【0050】

＜第４実施形態＞
図７は、第４実施形態の発電装置の概略構成を示す模式図である。第４施形態の発電装置４は、第１実施形態の発電装置１（図１）と比較すると、第２の空気遮断層の形状が異なる。

【0051】

発電装置４は、本体部７０と、接続部４０と、を備える。本体部７０は、中空部１１と、正極１５と、第１の空気遮断層２０と、負極２５と、第２の空気遮断層７５と、封止部材３５と、を備える。第２の空気遮断層７５は、負極２５の外側に配置されており、空気遮断材３１と、保護材７６と、を備える。

【0052】

保護材７６は、本体部７０の外表面でもある外表面７７に、凸部７７ａと凹部７７ｂを有する。凸部７７ａは、保護材７６の外表面７７において、頂部が発電装置４の中心軸ＣＡを中心とする螺旋状となるように形成されている。これにより、保護材７６の外表面７７は、図７に示すように、雄ねじ形状を有する。保護材７６と負極２５との間に配置される空気遮断材３１の外表面は、保護材７６の外表面７７の形状に合った形状となっている。なお、凸部７７ａと凹部７７ｂは、外表面７７の少なくとも一部に形成されていてもよい。

【0053】

発電装置４を土壌６に設置するとき、封止部材３５の先端３５ａを土壌６に接触させた状態で、中心軸ＣＡを回転中心として発電装置４を回転させる。これにより、本体部１０を土壌６に打ち込みやすくなる。さらに、土壌６に設置された発電装置４は、保護材７６の外表面７７に凸部７７ａと凹部７７ｂとが形成されているため、第１実施形態の発電装置１に比べて、土壌６と接触している面積が広い。これにより、土壌６に含まれる、発電細菌と有機物とが含まれる水が、第１実施形態に比べ多く第２の空気遮断層３０に取り込まれる。したがって、負極２５において酸化分解される有機物が多くなるため、発電装置４の発電性能が向上する。

【0054】

以上説明した、本実施形態の発電装置４によれば、発電装置４を土壌６に打ちこむときに発電装置４を回転させることで、雄ねじ状の外表面７７によって本体部１０を土壌６に打ち込みやすくなる。さらに、外表面が雄ねじ状に形成されているため、本体部１０の側面の面積が比較的大きくなる。これにより、土壌６中の発電細菌と有機物を含む水を多く取り込むことができる。したがって、さらに簡単に発電することができるとともに、発電装置の発電性能を向上させることができる。

【0055】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0056】

［変形例１］
上述の実施形態では、本体部１０、７０は、中空部１１と、正極１５と、第１の空気遮断層２０と、負極２５と、第２の空気遮断層３０、７５と、封止部材と、を備えるとした。しかしながら、本体部の構成はこれに限定されない。正極には、多孔質導電体はなくてもよく、第２の空気遮断層には、保護材はなくてもよい。また、本体部は、断面形状が円形状の棒状であるとしたが、本体部の断面形状はこれに限定されない。多角形であってもよい。

【0057】

［変形例２］
上述の実施形態では、正極１５は、電極部材１６と、筒形状を有する多孔質体である多孔質導電体１７と、を備えるとした。しかしながら、正極の構成は、これに限定されない。例えば、電極部材と多孔質導電体との組み合わせの代わりに、ガス透過性を有する電極材料から形成されていてもよい。

【0058】

［変形例３］
上述の実施形態では、第１の空気遮断層には、プロトン伝導膜が用いられるとした。第２の空気遮断層の空気遮断膜材は、吸水ポリマーから形成されているとした。しかしながら、第１の空気遮断層および第２の空気遮断層のいずれの構成もこれらに限定されない。第１の空気遮断層は、空気を遮断し、水素イオンを透過する性質を有していることが望ましい。第２の空気遮断層は、空気を遮断し、有機物の酸化分解によって生じる二酸化炭素を放出する性質を有していることが望ましい。例えば、第１の空気遮断層は、イオン交換膜または固定電解質膜であってもよく、第２の空気遮断層の空気遮断材は、多孔質材であってもよい。さらに、第２の空気遮断層の空気遮断材の内部に配置される通気口形成部材には、二酸化炭素を選択的に透過させる膜を用いてもよい。

【0059】

［変形例４］
第２実施形態では、発電装置２の発電状態に関する情報として、センサ５１は、負極２５の近傍での有機酸や糖類などの有機物の濃度を検出するとした。第３実施形態では、発電装置２の発電状態に関する情報として、電流計６１によって電気配線５ａを流れる電流を検出し、電圧計６２によって、発電装置３が出力する電気の電圧を検出するとした。しかしながら、発電装置の発電状態に関する情報は、これらに限定されない。第２の空気遮断層における、ｐＨ（水素イオン指数）や、発電細菌の数などであってもよく、これらの情報を複数組み合わせてもよい。また、発電装置の制御方法として、これらの情報がある一定値以下となった場合に回復剤を供給するとしたが、発電装置の制御方法は、これに限定されない。例えば、発電装置の発電状態に関する情報の値に応じて、回復剤の供給量を変化させる制御を行ってもよい。

【0060】

［変形例５］
第２実施形態及び第３実施形態では、発電装置の発電性能を回復させる回復剤として、有機物を含む水を第２の空気遮断層に供給するとした。しかしながら、回復剤はこれに限定されない。発電細菌の活動を促進するメディエータを含む流体であってもよい。また、回復剤が供給される場所は、第２の空気遮断層３０、７５であるとしたが、第２の空気遮断層３０、７５以外の本体部１０、７０の内部であってもよく、土壌６中であってもよい。

【0061】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0062】

１，２，３，４…発電装置
６…土壌
１０，７０…本体部
１１…中空部
１５…正極
１６ｃ…電極表面
２０…第１の空気遮断層
２５…負極
３０，７５…第２の空気遮断層
３３ａ…通気口
３５…封止部材
５１…センサ
５２…回復剤タンク
５３…供給ポンプ
５４…供給配管
５５…制御部
６１…電流計
６２…電圧計
７７…（本体部の）外表面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】