特開 2022-33628 植物微生物燃料電池及び植物微生物燃料電池キット

(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】P2022033628

(43)【公開日】2022-03-02

(54)【発明の名称】植物微生物燃料電池及び植物微生物燃料電池キット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20220222BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20220222BHJP

   H01M 8/24 20160101ALI20220222BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20220222BHJP

   H01M 4/96 20060101ALI20220222BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20220222BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220222BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20220222BHJP

   A01G 9/02 20180101ALI20220222BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M8/02

H01M8/24

H01M8/0202

H01M4/96 M

H01M4/86 M

H01M8/04 Z

A01G7/00 605A

A01G9/02 101W

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020137626

(22)【出願日】2020-08-17

(71)【出願人】

【識別番号】304020177

【氏名又は名称】国立大学法人山口大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107984

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 雅紀

(74)【代理人】

【識別番号】100182305

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 鉄平

(74)【代理人】

【識別番号】100102255

【弁理士】

【氏名又は名称】小澤 誠次

(74)【代理人】

【識別番号】100096482

【弁理士】

【氏名又は名称】東海 裕作

(74)【代理人】

【識別番号】100131093

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 真

(74)【代理人】

【識別番号】100150902

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 正子

(74)【代理人】

【識別番号】100141391

【弁理士】

【氏名又は名称】園元 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100198074

【弁理士】

【氏名又は名称】山村 昭裕

(74)【代理人】

【識別番号】100096013

【氏名又は名称】富田 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100221958

【弁理士】

【氏名又は名称】篠田 真希恵

(72)【発明者】

【氏名】モハメド アジズル モクスド

【テーマコード（参考）】

2B327

5H018

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

2B327ND01

2B327VA20

5H018DD05

5H018DD06

5H018EE05

5H126AA02

5H126AA14

5H126AA22

5H127AA00

5H127BA06

5H127BB02

(57)【要約】

【課題】本発明は、アノード電極の回収が容易な植物微生物燃料電池、及び前記植物微生物燃料電池を作製できるキットを提供することを課題とする。
【解決手段】植物を利用した微生物燃料電池であって、微生物を含む植栽部、前記植栽部中に設置されたアノード電極、及びカソード電極を備え、前記微生物は、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物であり、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、前記植栽部に植物が植えられている植物微生物燃料電池。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

植物を利用した微生物燃料電池であって、
微生物を含む植栽部、前記植栽部中に設置されたアノード電極、及びカソード電極を備え、
前記微生物は、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物であり、
前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、
前記植栽部に植物が植えられている
植物微生物燃料電池。

【請求項2】

カソード電極が複数に分割され、
アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が直列又は並列に接続されている請求項１記載の植物微生物燃料電池。

【請求項3】

植物微生物燃料電池を作製するためのキットであって、
アノード電極、カソード電極及び前記アノード電極とカソード電極を接続する部品を備え、
前記アノード電極が複数に分割された炭素電極である
植物微生物燃料電池キット。

【請求項4】

植物微生物燃料電池のアノードのために使用する電極であって、
複数の分割された炭素電極が電気的に接続されている植物微生物燃料電池用アノード電極。

【請求項5】

アノード電極を、微生物を含む植栽部中に設置し、
カソード電極を、前記植栽部と少なくとも接する位置に設置して、
前記植栽部に植えられた植物の根から排出される有機物を前記微生物に分解させ、
前記微生物が放出する電子を前記アノード電極からカソード電極に外部回路を通じて移動させて発電する方法であって、
前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、
前記アノード電極、前記カソード電極、前記微生物、前記植栽部及び前記植物で構成される植物微生物燃料電池を直列に接続して発電する、又は
前記カソード電極は複数に分割され、
前記アノード電極における分割された電極と前記カソード電極における分割された電極の一対からなる電池部を直列に接続して発電する
発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、植物を利用した微生物燃料電池である植物微生物燃料電池、植物微生物燃料電池を作製するための植物微生物燃料電池キット、植物微生物燃料電池用アノード電極及び植物と微生物を利用した発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、微生物を利用した発電が検討されている。これは、ある種の微生物が有機物を分解する際に、水素イオンと電子を放出することを利用したものであり、この性質を利用した電池は微生物燃料電池（ＭＦＣ：Microbial Fuel Cell）と呼ばれている。微生物燃料電池では、アノードにおいて、有機物の分解により電子、水素イオン及び二酸化炭素が発生し、発生した電子は外部回路を通ってアノードからカソードに移動し、カソードにおいて、酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。こうして回路が成立し、電気が流れる。この微生物燃料電池の1つの形態として、植物を利用した微生物燃料電池である植物微生物燃料電池が検討されている。これは、微生物が分解する有機物の供給源として植物を利用するものである。植物は光合成を行うことにより炭水化物を生成することができ、過剰な量の炭水化物は根域近くの土壌に排出される。植物微生物燃料電池とは、植物から排出された炭水化物を微生物が分解して発電を行う微生物燃料電池であり、いくつかの提案がなされている（特許文献１～３）。

【0003】

しかしながら、植物を利用するにあたり、いずれも従来の微生物燃料電池の構造をそのまま使用したものであり、植物の使用に適したものではなかった。特許文献１～３では、アノード電極としてカーボンフェルトやメッシュ状の材料が使用されているため、植物の根がアノード電極に絡みつく。そのため、アノード電極を再利用しようとしても、植物の根がアノード電極に絡みつき、アノード電極を使用できる状態で取り外すことは困難であった。また、植物微生物燃料電池は農地で使用することが可能であると共に、植物を利用して身近で発電ができるため、家庭で住居内や庭等のエクステリアで楽しみながら発電したり、発電の仕組みを学ぶ教材として学校等で使用したりすることも検討されているが、家庭や学習教材等で簡易に植物微生物燃料電池を作製できるキットは開発されていなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－５４０４８号公報

【特許文献2】特開２０１８－１８１５８１号公報

【特許文献3】特開２０２０－５５７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の課題は、アノード電極の回収が容易な植物微生物燃料電池、前記植物微生物燃料電池を作製できるキットを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は、アノード電極を根の絡みつきから容易に回収できる植物微生物燃料電池の検討を開始した。検討を進める中で、アノード電極を分割することで回収が容易になることを見いだし、さらに分割することにより表面積が増えても炭素電極であれば錆等による劣化が少なく電池特性を維持できることを見いだした。本発明は、こうして完成されたものである。

【0007】

すなわち、本発明は以下に示す事項により特定されるものである。
（１）植物を利用した微生物燃料電池であって、微生物を含む植栽部、前記植栽部中に設置されたアノード電極、及びカソード電極を備え、前記微生物は、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物であり、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、前記植栽部に植物が植えられている植物微生物燃料電池。
（２）カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が直列又は並列に接続されている上記（１）記載の植物微生物燃料電池。
（３）植物微生物燃料電池を作製するためのキットであって、アノード電極、カソード電極及び前記アノード電極とカソード電極を接続する部品を備え、前記アノード電極が複数に分割された炭素電極である植物微生物燃料電池キット。
（４）植物微生物燃料電池のアノードのために使用する電極であって、複数の分割された炭素電極が電気的に接続されている植物微生物燃料電池用アノード電極。
（５）アノード電極を、微生物を含む植栽部中に設置し、カソード電極を、前記植栽部と少なくとも接する位置に設置して、前記植栽部に植えられた植物の根から排出される有機物を前記微生物に分解させ、前記微生物が放出する電子を前記アノード電極からカソード電極に外部回路を通じて移動させて発電する方法であって、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、前記アノード電極、前記カソード電極、前記微生物、前記植栽部及び前記植物で構成される植物微生物燃料電池を直列に接続して発電する、又は前記カソード電極は複数に分割され、前記アノード電極における分割された電極と前記カソード電極における分割された電極の一対からなる電池部を直列に接続して発電する発電方法。

【発明の効果】

【0008】

本発明の植物微生物燃料電池は、植物の根の絡みつきからアノード電極を容易に取り外し回収できる。本発明の植物微生物燃料電池キットは前記植物微生物燃料電池を作製することができる。本発明の植物微生物燃料電池用アノード電極は、植物の根の絡みつきからの取り外し回収が容易である。本発明の発電方法は、植物と微生物を利用して発電することができ、アノード電極の回収が容易である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の植物微生物燃料電池における各箇所での反応を示す図である。

【図2】図２は、本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態を示す図である。

【図3】図３は、本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態を示す図である。

【図4】図４は、アノード電極とカソード電極を直列接続した本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態を示す図である。

【図5】図５は、アノード電極とカソード電極を直列接続した本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態を示す図である。

【図6】図６は、図５に示す植物微生物燃料電池における電子の流れ及び得られる電圧を示す図である。

【図7】図７は、アノード電極とカソード電極を並列接続した本発明の一実施形態を示す図である。

【図8】図８は、アノード電極とカソード電極を並列接続した本発明の一実施形態を示す図である。

【図9】図９は、実施例で使用したアノード電極の写真である。

【図10】図１０は、実施例で使用したカソード電極の写真である。

【図11】図１１は、実施例１の測定結果である。

【図12】図１２は、実施例１の測定結果である。

【図13】図１３は、実施例２の測定結果である。

【図14】図１４は、実施例２の測定結果である。

【図15】図１５は、実施例１と実施例３の測定結果を示す図である。

【図16】図１６は、サトイモを用いて、抵抗値を変えながら発生電圧を測定した結果を示す図である。

【図17】図１７は、稲の根がカーボンフェルトに絡んだ写真である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の植物微生物燃料電池は、植物を利用した微生物燃料電池であって、微生物を含む植栽部、前記植栽部中に設置されたアノード電極、及びカソード電極を備え、前記微生物は、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物であり、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、前記植栽部に植物が植えられている。本発明において、植物微生物燃料電池とは、微生物が分解する有機物の供給源として植物を利用する微生物燃料電池のことをいう。本発明における微生物としては、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物であれば特に限定されるものではないが、例えば、シュワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）菌、ゲオバクター（Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ）菌等を挙げることができる。本発明における植栽部とは、植物を植える部分をいう。前記植栽部は、植物を植えることができれば特に限定されるものではないが、例えば、土、人工土、樹脂シート、ロックウール、脱脂綿、溶液栽培のための溶液等から構成することができる。本発明において植えるとは、土、人工土等に植物の根を埋めることのみでなく、樹脂シート、ロックウール、脱脂綿等に植物の根を固定すること、溶液栽培のための溶液中に植物の根を浸すこと等を含む。

【0011】

本発明におけるアノード電極は、植栽部中に設置される。さらに、本発明におけるアノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割されている。本発明において、炭素電極とは炭素を主成分とする電極のことをいう。ここで主成分とは、電極全体の質量に対して５０質量％以上含まれている成分をいい、炭素を主成分とする電極であれば特に限定されない。本発明における炭素電極は、電極全体の質量に対する炭素の含有量が７０質量％以上が好ましく、８０質量％以上がより好ましく、９０質量％以上が更に好ましい。また、本発明における炭素電極の炭素の結晶構造としては、特に限定されるものではないが、例えば、グラファイト構造、ダイヤモンド構造、無定形（非晶質）構造等を挙げることができる。本発明においては、アノード電極を構成する炭素電極は１つではなく複数に分割されている、すなわちアノード電極を構成する炭素電極は１つではなく分離された複数の炭素電極からなる。

【0012】

本発明の植物微生物燃料電池では、植栽部に植えられた植物の根から光合成により生成された有機物（炭水化物）が植栽部中に排出される。この有機物を植栽部に含まれる微生物が分解して電子と水素イオンを放出する。植栽部中にはアノード電極が設置されているので、微生物が放出した電子はアノード電極に収集され、外部回路を通じてカソード電極への電子の移動がおこる。カソード電極では、酸素と微生物が放出した水素イオンにカソード電極から電子が供給され水が生成する。こうして電気の流れる回路が成立し発電が行われる。本発明では、植栽部中に設置されるアノード電極が複数に分割された炭素電極であるので、アノード電極に植物の根が絡みついても容易に電極を根からとりはずすことができる。さらに、炭素電極は錆が発生しないので、時間が経過しても電子を集める導電性が低下しない。本発明における炭素電極としては、例えば、竹炭、木炭、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンファイバー等を挙げることができる。従来、カーボンフェルトは植物の根が絡みつくため回収することが難しかったが、本発明においては、小片に分割して使用するため回収しやすくできる。カーボンファイバーも同様に根が絡みつくため回収することが難しかったが、例えば短く切断してカーボンクロスに包む（縫合する）ことにより使用できる。竹炭は、多孔質であり表面積が大きいため電子が移動しやすく、微生物の増殖にも好適であるため好ましい。分割された炭素電極は、炭素電極同士が電気的に接続するようにして使用することができ、例えば、炭素電極同士を接触させて結束する、炭素電極同士を導電性部材でつなぐ等の使用方法を挙げることができる。電極を回収するときは、結束や導電性部材の接続を解くことにより電極が分割された小片に分かれるため、絡みついた根から電極を容易に取り外すことができる。そのため、植物の廃棄の際に電極と分離して植物を廃棄することができ、また電極を再利用可能な状態で回収することができる。また、後述するように分割された炭素電極のそれぞれとカソード電極を導線でつないで使用することもできる。植栽部中におけるアノード電極の設置位置は、微生物が放出する電子を収集できる位置であれば特に限定されず、例えば、植物の根の下部に設置してもよく、根の側部に設置してもよい。微生物及び有機物と接触する位置が好ましい。本発明の植物微生物燃料電池における植物としては、特に限定されるものではないが、例えば、稲、トウモロコシ、サトイモ、タロイモ、サツマイモ、ジャガイモ、ナス、カヤツリグサ、モンステラ、ヨシ、フクド等を挙げることができる。本発明の植物微生物燃料電池は、水中のような嫌気性下だけでなく酸素のある雰囲気でも発電が可能であるので、稲（水稲）のような水性植物だけでなく、サトイモのような非水性植物にも使用することができる。また、本発明における植栽部には、導電性を向上させるために酸化第二鉄を加えてもよい。

【0013】

本発明におけるカソード電極としては、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、炭素、各種金属等を挙げることができる。カソード電極では、酸素を使用した反応を生じさせる必要がある。そのため、カソード電極の設置位置は、酸素と触れられる位置であれば特に限定されるものではないが、カソード電極の少なくとも一部が植栽部の表面付近にあることが好ましい。また、カソード電極は分割されていてもよい。カソード電極が分割されている場合、アノード電極の場合と同様に、分割された電極同士が電気的に接続するようにして使用することができ、例えば、電極同士を接触させて結束する、電極同士を導電性部材でつなぐ等の使用方法を挙げることができる。本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態は、カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が直列又は並列に接続されている。アノード電極とカソード電極を共に分割すると、分割されたアノード電極とカソード電極の一対からなる電池部が複数できる。これらの電池部を直列又は並列に接続し、接続された端部を外部回路でつなぐことにより、アノード電極とカソード電極で形成される電池の内部があたかも複数の電池が直列又は並列に接続されているようになるため、直列の場合は、得られる電気の出力を大きくでき、並列の場合は、安定した出力を得ることができる。直列接続は、例えば、１つの電池部のアノード電極と他の電池部のカソード電極とを導線でつなぐことを繰り返し、端部の他の電池部の電極と接続されていないカソード電極とアノード電極を外部回路でつなぐことにより接続することができる。並列接続は、例えば、１つの電池部と他の電池部のアノード電極同士とカソード電極同士を導線でつなぐことを繰り返し、端部の電池部のカソード電極とアノード電極を外部回路でつなぐことにより接続することができる。本発明の植物微生物燃料電池は、直列又は並列に接続して使用することができ、上記のとおり電池内の電極を直列又は並列に接続して使用することもできる。

【0014】

本発明の植物微生物燃料電池キットは、植物微生物燃料電池を作製するためのキットであって、アノード電極、カソード電極及び前記アノード電極とカソード電極を接続する部品を備え、前記アノード電極が複数に分割された炭素電極である。本発明の植物微生物燃料電池キットにおけるアノード電極及びカソード電極は、本発明の植物微生物燃料電池と同じものを使用することができる。本発明の植物微生物燃料電池キットの使用者は、バケツやプランター等の容器に土を入れ、土の中にキット中のアノード電極を設置する。そして、土に植物を植え、土の表面にキット中のカソード電極を設置する。アノード電極とカソード電極をキット中の接続部品で接続すれば、発電が行える。また、植物が枯れた後、あるいは他の植物で発電を試みる場合などは、アノード電極が複数に分割されているため、絡みついた根から電極を容易に取り外して回収でき、再利用が可能となる。バケツやプランター等の容器を使用せずに庭に直接アノード電極とカソード電極を設置して植物を植えてもよい。アノード電極とカソード電極を接続する部品としては、導電性があり植物微生物燃料電池の外部回路を形成できるものであれば特に制限されるものではないが、例えば、導線と抵抗の組合せを挙げることができる。発電したことが分かるように、導線中に取り付けるＬＥＤ等の発光部品、センサー等をキット中に含んでもよく、電流計をキット中に含んでもよい。また、本発明のキットは、使用者が手間をかけることなく、しかも効果的に発電できるように、有機物を分解して水素イオンと電子を放出する微生物を備えてもよく、前記微生物を含んだ土を備えてもよい。また、通常の土のかわりに、人工土、樹脂シート、ロックウール、脱脂綿、溶液栽培のための溶液等を備えてもよい。さらに、アノード電極とカソード電極を設置し植物を植えるための容器を備えてもよい。

【0015】

本発明のキットでは、カソード電極が複数に分割されていてもよい。これにより、本発明の植物微生物燃料電池で述べたとおり、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部を直列又は並列に接続することができ、直列の場合は大きな出力が、並列の場合は安定した出力が得られる。直列又は並列に接続する場合、１つの容器内にアノード電極を設置して複数の電池部を形成してもよい。また、本発明のキットを用いて別々の容器で作成した複数の植物微生物燃料電池を直列又は並列に接続してもよい。本発明のキットは、前記電池部や植物微生物燃料電池の電極間を接続する導線等の導電性部材を備えてもよい。直列に接続すると発生電圧が上昇するので、キットを使用する楽しみが増加する。本発明の植物微生物燃料電池キットを使用すれば、家庭であるいは個人で簡易に本発明の植物微生物燃料電池を作製でき、植物を栽培しながら２４時間発電したり、室内やエクステリアでＬＥＤを発光させたり、温度計等のセンサーの電源としての利用も可能となる。

【0016】

本発明の発電方法は、アノード電極を、微生物を含む植栽部中に設置し、カソード電極を、前記植栽部と少なくとも接する位置に設置して、前記植栽部に植えられた植物の根から排出される有機物を前記微生物に分解させ、前記微生物が放出する電子を前記アノード電極からカソード電極に外部回路を通じて移動させて発電する方法であって、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、前記アノード電極、前記カソード電極、前記微生物、前記植栽部及び前記植物で構成される植物微生物燃料電池を直列に接続して発電する方法である。この場合、直列に接続するには、接続する植物微生物燃料電池の一方のアノード電極と他方のカソード電極を、導線等の導電性部材により電気的に接続すればよい。また、本発明の発電方法は、アノード電極を、微生物を含む植栽部中に設置し、カソード電極を、前記植栽部と少なくとも接する位置に設置して、前記植栽部に植えられた植物の根から排出される有機物を前記微生物に分解させ、前記微生物が放出する電子を前記アノード電極からカソード電極に外部回路を通じて移動させて発電する方法であって、前記アノード電極は炭素電極であり、前記炭素電極は複数に分割され、さらに前記カソード電極が複数に分割され、前記アノード電極における分割された電極と前記カソード電極における分割された電極の一対からなる電池部を直列に接続して発電する方法である。ここで、植栽部と少なくとも接する位置に設置するとは、カソード電極の少なくとも一部が植栽部と接する位置にカソード電極を設置する場合、及びカソード電極の少なくとも一部が植栽部中となる位置に設置する場合を含む。本発明の発電方法は、本発明の植物微生物燃料電池で述べたものと同様の構成要素を用いて、同様の仕組みで発電を行うことができる。したがって、簡易に発電を行うことができ、直列接続を行うことにより、より大きな出力を得ることができる。さらに、アノード電極を容易に回収できる。

【0017】

本発明の実施形態を図により説明する。図１は、本発明の植物微生物燃料電池における各箇所での反応を示す図である（アノード電極の分割状態は省略してある）。植物微生物燃料電池１では、植物１５において光合成により１２Ｈ_２Ｏ＋６ＣＯ_２→Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋６ＣＯ_２＋６Ｈ_２Ｏの反応が進行する。植栽部１１中では、植物１５の根から排出された有機物を微生物１４が分解することによりＣ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋６Ｈ_２Ｏ→６ＣＯ_２＋２４ｅ^－＋２４Ｈ^＋の反応が進行する。放出されたｅ^－はアノード電極１２に収集され、抵抗を取り付けた外部回路１６を通じてアノード電極１２からカソード電極１３へのｅ^－の流れが生じ、カソード電極１３付近では６Ｏ_２＋２４ｅ^－＋２４Ｈ^＋→１２Ｈ_２Ｏの反応が生じる。図２は、図１に示す植物微生物燃料電池（アノード電極の分割状態は省略）においてアノード電極とカソード電極の距離を示した図である。図３は、本発明の植物微生物燃料電池の一実施形態を示した図であり、アノード電極を構成する炭素電極が複数に分割された一例を示した図である。図３に示す植物微生物燃料電池２では、３つに分割された炭素電極がアノード電極２２を構成し、分割された炭素電極同士は電気的に接続されている。お互いが電気的に接続された炭素電極とカソード電極２３は抵抗等の電気的負荷を取り付けた導線（外部回路２６）で接続されている。植物２５、植栽部２１、アノード電極２２及びカソード電極２３で生じる反応は図１の場合と同様である。

【0018】

図４は、カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が直列に接続された一実施形態を示す図である。図４に示す植物微生物燃料電池３では、３つに分割された炭素電極３２－１、３２－２及び３２－３がアノード電極３２を構成している。さらにカソード電極３３が、３３－１、３３－２及び３３－３の３つに分割されている。植物微生物燃料電池３では、アノード電極３２における分割された電極とカソード電極３３における分割された電極の一対からなる３つの電池部が形成されている。すなわち、電極３２－１と電極３３－１からなる左側の楕円の電池部、電極３２－２と電極３３－２からなる中央の楕円の電池部及び電極３２－３と電極３３－３からなる右側の楕円の電池部が形成されている。さらに各電池部は、アノード電極である３２－１とカソード電極である３３－２、アノード電極である３２－２とカソード電極である３３－３が抵抗等の負荷を取り付けない導線３７で接続されることにより、直列に接続されている。そして、アノード電極である３２－３とカソード電極である３３－１とが抵抗等の電気的負荷を取り付けた外部回路３６で接続されている。このような構造とすることにより、アノード電極３２とカソード電極３３とで構成される電池の内部が、あたかも複数の電池を直列に接続した状態となるため、得られる電気の出力を大きくできる。また、分割された各電極は、分割された電極同士が電気的に接続されたものでもよい。図５は、カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が直列に接続された他の一実施形態を示す図である。図５に示す植物微生物燃料電池４は、アノード電極４２、カソード電極４３、負荷を取り付けない導線４７及び負荷を取り付けた外部回路４６の構造は植物微生物燃料電池３と同じであるが、３つの電池部の箇所それぞれに植物４５が植えられている。図６は、図５の植物微生物燃料電池４における電子の流れと得られる電圧を示した図である。各電池部を直列に接続すると、各電池部における電圧を足した電圧が得られる。

【0019】

図７は、カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が並列に接続された一実施形態を示す図である。図７に示す植物微生物燃料電池５では、３つに分割された炭素電極５２－１、５２－２及び５２－３がアノード電極５２を構成している。さらにカソード電極５３が、５３－１、５３－２及び５３－３の３つに分割されている。植物微生物燃料電池５では、アノード電極５２における分割された電極とカソード電極５３における分割された電極の一対からなる３つの電池部が形成されている。すなわち、電極５２－１と電極５３－１からなる左側の楕円の電池部、電極５２－２と電極５３－２からなる中央の楕円の電池部及び電極５２－３と電極５３－３からなる右側の楕円の電池部が形成されている。さらに各電池部は、アノード電極である５２－１と５２－２、５２－２と５２－３が抵抗等の負荷を取り付けない導線５７で接続され、カソード電極である５３－１と５３－２、５３－２と５３－３が抵抗等の負荷を取り付けない導線５７で接続されることにより、並列に接続されている。そして、アノード電極である５２－３とカソード電極である５３－１とが抵抗等の電気的負荷を取り付けた外部回路５６で接続されている。このような構造とすることにより、アノード電極５２とカソード電極５３とで構成される電池の内部が、あたかも複数の電池を並列に接続した状態となるため、安定した出力を得ることができる。また、分割された各電極は、分割された電極同士が電気的に接続されたものでもよい。図８は、カソード電極が複数に分割され、アノード電極における分割された電極とカソード電極における分割された電極の一対からなる電池部が並列に接続された他の一実施形態を示す図である。図８に示す植物微生物燃料電池は、アノード電極、カソード電極、負荷を取り付けない導線及び負荷を取り付けた外部回路の構造は植物微生物燃料電池５と同じであるが、３つの電池部の箇所それぞれに植物が植えられている。

【実施例0020】

以下に実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの具体的実施形態に限定されるものではない。

【0021】

［実施例１］
土１００重量部に対し堆肥を湿基準で１重量部加えて植物生育用の土を調製した。調製した土には導電性を上げるために少量の第２酸化鉄を添加した。１０Ｌのバケツに調製した土８Ｌを入れ、下から１０ｃｍのところにアノード電極を設置した。その後、サトイモを植え、土の表面にカソード電極を設置した。アノード電極とカソード電極間を被覆銅線でつなぎ、途中に１００Ωの抵抗を設置して植物微生物燃料電池を作製した。アノード電極とカソード電極は、共に竹炭片（縦７ｃｍ×横３ｃｍ×厚さ０．５ｃｍ）を４枚並べて針金で保持し、縦７ｃｍ×横１２ｃｍ×厚さ０．５ｃｍ、表面積が８４ｃｍ^２としたものを用いた。アノード電極とカソード電極は、縦７ｃｍ×横１２ｃｍの面がバケツの底面とほぼ平行になるように設置し、アノード電極とカソード電極との電極中心間の距離は４ｃｍであった。使用したアノード電極の写真を図９に、カソード電極の写真を図１０に示す。

【0022】

［実施例２］
サトイモに替えてナスを植えた以外は、実施例１と同じ方法で植物燃料電池を作製した。

【0023】

［実施例３］
サトイモに替えて稲（コシヒカリ）を植え、アノード電極を竹炭片（縦３．５ｃｍ×横１２ｃｍ×厚さ０．５ｃｍ）を２枚並べて針金で保持したもの（表面積が８４ｃｍ^２）に、カソード電極をカーボンファイバー（縦３ｃｍ×横１２ｃｍ×厚さ０．５ｃｍ）に変更した以外は、実施例１と同じ方法で植物燃料電池を作製した。

【0024】

実施例１～３での発生電圧及び電流を１日１回、１５：００に測定した。また、週に３～４回、１４：３０に０．５Ｌ／回の水をまいた。その結果を、図１１～１５に示す。図１１及び１２は実施例１の結果を示す図であり、発生電圧の最大値は５８８．０ｍＶ、平均値は４４０．６ｍＶであり、発生電流の最大値は１．６１ｍＡ、平均値は１．１９ｍＡであった。図１３及び１４は実施例２の結果を示す図であり、発生電圧の最大値は２０．７ｍＶ、平均値は１４．６ｍＶであり、発生電流の最大値は１５．２μＡ、平均値は９．８μＡであった。図１５は実施例１の結果と実施例３の結果を比較した図であり、稲における発生電圧の最大値は６０２．０ｍＶ、平均値は１６１．０ｍＶであった。植物により発生電圧及び発生電流は異なるが、いずれの植物においても発電が認められた。また、これらの中ではサトイモが発生電圧、発生電流共に変動が少なく安定性に優れており大きな値が得られた。図１６は、最も発電量が多かったサトイモを用いて、実施例と同様の条件で抵抗の値を変えながら発生電圧を測定した結果である。図１７に、アノード電極として１枚のカーボンフェルトを使用して稲により発電を行った場合の稲の根とカーボンフェルトの状態の写真を示す。図１７に示されるようにカーボンフェルトには、稲の根が絡みつきカーボンフェルトを取り外すことは困難であった。一方、実施例１～３では、アノード電極は分割され、分離された複数の竹炭片を導電性部材（針金）で束ねてアノード電極として使用しているので、竹炭片を束ねている保持用の導電性部材を解くことにより根から容易に電極を取り外すことができた。

【産業上の利用可能性】

【0025】

本発明の植物微生物燃料電池は、個人が住宅、エクステリア、庭等で、あるいは学校等の教育現場で簡易に発電を行うことができるので、個人での利用、教材としての利用に好適である。また、農地での利用、いわゆるグリーンインフラストラクチャーでの利用等も可能であるので、食料と電力の両方を得ることが可能となり、得られる電力を農業におけるセンサーの電源、公空間における照明やセンサーの電源として活用することもできる。

【符号の説明】

【0026】

１ 植物微生物燃料電池
１１ 植栽部
１２ アノード電極
１３ カソード電極
１４ 微生物
１５ 植物
１６ 外部回路（負荷あり）
２ 植物微生物燃料電池
２１ 植栽部
２２ アノード電極
２３ カソード電極
２５ 植物
２６ 外部回路（負荷あり）
３ 植物微生物燃料電池
３１ 植栽部
３２ アノード電極
３２－１ 分割された電極
３２－２ 分割された電極
３２－３ 分割された電極
３３ カソード電極
３３－１ 分割された電極
３３－２ 分割された電極
３３－３ 分割された電極
３５ 植物
３６ 外部回路（負荷あり）
３７ 直列配線（負荷なし）
４ 植物微生物燃料電池
４１ 植栽部
４２ アノード電極
４３ カソード電極
４５ 植物
４６ 外部回路（負荷あり）
４７ 直列配線（負荷なし）
５ 植物微生物燃料電池
５１ 植栽部
５２ アノード電極
５２－１ 分割された電極
５２－２ 分割された電極
５２－３ 分割された電極
５３ カソード電極
５３－１ 分割された電極
５３－２ 分割された電極
５３－３ 分割された電極
５５ 植物
５６ 外部回路（負荷あり）
５７ 並列配線（負荷なし）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】