特開 2024-158551 発電シート

(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】P2024158551

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】発電シート

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20241031BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20241031BHJP

   C12N 11/14 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M8/02

H01M4/86 B

C12N11/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073843

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000001052

【氏名又は名称】株式会社クボタ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】澤田 高志

【テーマコード（参考）】

4B033

5H018

5H126

【Ｆターム（参考）】

4B033NA12

4B033NB33

4B033NB63

4B033ND16

4B033ND20

4B033NE02

4B033NF10

5H018AA01

5H018AS03

5H018DD06

5H018EE05

5H018EE17

5H126AA02

5H126BB00

5H126FF03

5H126GG05

5H126GG18

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】敷設が容易であるとともに、発電規模を大きい発電シートを実現する。
【解決手段】発電シート（１）は、土壌を被覆する第１主面（１１）を有するシート（１０）と、第１主面（１１）に設けられ、土壌に含まれる微生物が土壌に含まれる有機物を分解するときに放出する電子を取り出す負極電極（２０）と、第１主面（１１）に設けられ、酸素を還元する正極電極（３０）と、を備える。負極電極（２０）および正極電極（３０）は、第１主面（１１）から突出している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

土壌を被覆する第１主面を有するシートと、
前記第１主面に設けられ、土壌に含まれる微生物が土壌に含まれる有機物を分解するときに放出する電子を取り出す負極電極と、
前記第１主面に設けられ、酸素を還元する正極電極と、を備え、
前記負極電極および前記正極電極は、前記第１主面から突出している、発電シート。

【請求項2】

前記シートは、平面視したときに、前記負極電極よりも前記正極電極に近い位置に位置する穴が形成されている、請求項１に記載の発電シート。

【請求項3】

前記負極電極および前記正極電極は、
吸水することにより膨張する第１材料と、
前記第１材料を内包し、導電性および通水性を有する第２材料と、を備える、請求項１に記載の発電シート。

【請求項4】

前記第１材料は、吸水ポリマーである、請求項３に記載の発電シート。

【請求項5】

前記第２材料は、カーボンフェルトである、請求項３に記載の発電シート。

【請求項6】

前記シートの、前記第１主面とは反対側の面である第２主面に、前記第２主面から突出する複数の突出部が形成されており、
前記シートは、複数の穴が形成されており、
前記複数の突出部は、隣接する前記突出部の間に形成される溝の幅が１～１００ｎｍとなるように配置されており、
前記溝は、前記複数の穴の少なくとも１つに接続している、請求項１に記載の発電シート。

【請求項7】

前記シートは、前記第１主面に、前記負極電極および前記正極電極を覆う、ゼラチンを含むゼラチン層を有している、請求項１に記載の発電シート。

【請求項8】

前記シートの、前記第１主面とは反対側の面である第２主面は、波長が６００～７００ｎｍの光のみを反射する、請求項１に記載の発電シート。

【請求項9】

前記負極電極および前記正極電極が接続されたセルを複数備え、
複数の前記セルが直列に接続されている、請求項１に記載の発電シート。

【請求項10】

前記セルが直列に接続された直列構造を複数備えており、
前記直列構造のうち少なくとも２つの前記直列構造が並列に接続されている、請求項９に記載の発電シート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、土壌に含まれる微生物を利用した発電シートに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、土壌に含まれる微生物を利用して発電する技術が知られている。例えば、特許文献１には、土もしくは泥から供給される電流発生菌を触媒として用いて発電する微生物燃料電池が開示されている。特許文献１に開示された微生物燃料電池は、土もしくは泥から供給される有機物燃料の酸化を行うアノード電極と、空気中および水中から供給される酸素の還元を行うカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に酸素透過制限層とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－５４１０６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、特許文献１に記載の技術では、アノード電極および酸素透過制限層を土壌中に埋める必要があり、設置が容易ではなく、また、大規模な発電を行うことができないという課題があった。

【0005】

本発明の一態様は、敷設が容易であるとともに、発電規模を大きくすることができる発電シートを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発電シートは、土壌を被覆する第１主面を有するシートと、前記第１主面に設けられ、土壌に含まれる微生物が土壌に含まれる有機物を分解するときに放出する電子を取り出す負極電極と、前記第１主面に設けられ、酸素を還元する正極電極と、を備え、前記負極電極および前記正極電極は、前記第１主面から突出している。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一態様によれば、発電規模を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態１に係る発電シートの斜視図である。

【図2】上記発電シートを土壌に設置した様子を示す図である。

【図3】上記発電シートが備える負極電極の構成の一例を示す斜視図である。

【図4】上記発電シートが備える回路の一部を示す回路構成図である。

【図5】本発明の実施形態２に係る発電シートの斜視図である。

【図6】上記発電シートの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本実施形態における発電シート１の斜視図である。図２は、発電シート１を土壌Ｓに設置した様子を示す図である。発電シート１は、土壌Ｓに設置されることにより発電を行うシートである。本実施形態では、図２に示すように、発電シート１を、畑などの農地に土壌Ｓで形成された畝を覆うように設置して使用する例について説明する。ただし、発電シート１が設置される対象は、畝に限定されるものではない。発電シート１は、土壌Ｓを覆うように設置されて使用されればよく、農地以外の土壌Ｓを覆うように設置されて使用されてもよい。

【0010】

図１および図２に示すように、発電シート１は、シート１０と、負極電極２０と、正極電極３０と、負極タブ４０と、正極タブ５０とを備えている。

【0011】

シート１０は、発電シート１が設置されたときに土壌Ｓを被覆する。本実施形態では、シート１０は、畑に形成された畝を覆うマルチシートである。シート１０は、発電シート１が土壌Ｓに設置されたときに土壌Ｓに面する第１主面１１と、第１主面１１とは反対側の面である第２主面１２とを備えている。第１主面１１は、発電シート１が土壌Ｓに設置されたときに土壌Ｓを覆う側の面である。シート１０を構成する材料は、導電性を有しない材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンなどを用いることができる。

【0012】

第２主面１２は、波長が６００～７００ｎｍの光のみを反射するように構成されていてもよい。これにより、第２主面１２により波長が６００～７００ｎｍの光を反射させて畝に植えられた植物に照射させることができる。その結果、植物の光合成を促進することができ、大気中の二酸化炭素を削減することができる。例えば、第２主面１２に構造色加工を施すことにより、波長が６００～７００ｎｍの光のみを反射するように第２主面１２を構成することができる。

【0013】

負極電極２０および正極電極３０は、シート１０の第１主面１１にそれぞれ複数設けられている。負極電極２０は、土壌Ｓに含まれる微生物が土壌Ｓに含まれる有機物を分解するときに放出する電子を取り出す電極である。正極電極３０は、負極電極２０によって取り出された電子により空気中の酸素を還元する電極である。

【0014】

本実施形態における発電シート１では、負極電極２０および正極電極３０は、同じ構成をしている。そのため、ここでは、負極電極２０の構造についてのみ説明する。なお、負極電極２０と正極電極３０とは異なる構成であってもよい。図１では、負極電極２０と正極電極３０とを区別するために、負極電極２０に対してハッチングを施して図示している。

【0015】

負極電極２０は、第１主面１１から突出するように形成される。本実施形態における発電シート１では、図１および図２に示すように、負極電極２０は、円錐台形状となっている。ただし、負極電極２０および正極電極３０は、円錐台形状に限られるものではなく、第１主面１１から突出していれば他の形状であってもよい。負極電極２０は、例えば、直方体形状であってもよいし、円錐形状であってもよいし、円柱形状であってもよい。負極電極２０および正極電極３０が第１主面１１から突出する長さは、特に限定されるものではないが、例えば、１０～３０ｍｍであってよい。

【0016】

図３は、負極電極２０の構成の一例を示す斜視図である。図３に示すように、負極電極２０は、吸水することにより膨張する第１材料２１と、第１材料２１を内包し、導電性および通水性を有する第２材料２２とにより構成されていてもよい。これにより、発電シート１を土壌Ｓに敷設したときに、第２材料２２を透過した土壌Ｓに含まれていた水分を第１材料２１が吸水することにより、第１材料２１が膨張する。その結果、負極電極２０の、第１主面１１からの突出長さが大きくなるため、負極電極２０を土壌Ｓに接触させやすくなる。当該メカニズムについては、正極電極３０についても同様である。また、発電シート１を敷設する前の状態における負極電極２０および正極電極３０を小型化できるので、発電シート１をロール状にしやすくなる。第１材料２１は、吸水することにより膨張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、吸水ポリマーを用いることができる。第２材料２２は、導電性および通水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、カーボンフェルトを用いることができる。

【0017】

負極電極２０および正極電極３０は、図３に示す構成に限られるものではなく、他の構成であってもよい。例えば、負極電極２０および正極電極３０は、導電性を有する材料のみで構成されていてもよい。導電性を有する材料としては、白金、金、ステンレスなどの金属、カーボンなどを挙げることができる。

【0018】

図１に示すように、シート１０には、複数の正極電極３０のそれぞれの近傍に穴６０がそれぞれ形成されている。換言すれば、シート１０は、平面視したときに、負極電極２０よりも正極電極３０に近い位置に位置する複数の穴６０が形成されている。負極電極２０よりも正極電極３０に近い位置に穴６０が形成されていることにより、穴６０を介して第２主面１２側から第１主面１１側に空気が送られて、当該穴６０の近傍に位置する正極電極３０に酸素が供給される。正極電極３０は、穴６０を介して供給された酸素を還元することにより、正極として機能する。換言すれば、シート１０を平面視したときに穴６０の近傍の電極が正極電極３０として機能する。

【0019】

次に、第１主面１１上における負極電極２０および正極電極３０の配置について説明する。図１に示すように、負極電極２０および正極電極３０は、複数の列上に交互に配置されている。図１に示すように、発電シート１は、負極電極２０と正極電極３０とが接続されたセル７０を複数備えている。図４は、発電シート１が備える回路の一部を示す回路構成図である。図４に示すように、複数のセル７０の一部は、直列に接続されている。以降の説明では、セル７０が直列に接続された構造を直列構造７１と称する。発電シート１は、直列構造７１を有していることにより、発電電圧を高くすることができる。また、図４に示すように、発電シート１では、直列構造７１を複数備えており、当該直列構造７１のうち少なくとも２つの直列構造が並列に接続されている。これにより、並列に接続された直列構造７１に含まれるセル７０の１つに不具合が発生した場合に、当該セル７０を含む直列構造７１と並列に接続されている直列構造７１により電子の移送を行うことができる。その結果、発電シート１が発電不可能になる可能性を低減することができる。

【0020】

図１に示すように、負極電極２０の一部は、導電性を有する負極タブ４０に電気的に接続されている。負極タブ４０は、図示しない外部回路に接続されており、負極電極２０により取り出した電子を上記外部回路に移送する。上記外部回路は、負極タブ４０によって移送された電子を用いて発電を行う。また、正極電極３０の一部は、正極タブ５０に電気的に接続されている。正極タブ５０は、上記外部回路に接続されており、負極電極２０により取り出した電子を上記外部回路から正極電極３０に移送する。負極タブ４０および正極タブ５０を構成する材料は、導電性を有していれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボン、金属などを用いることができる。

【0021】

以上のように、発電シート１では、負極電極２０および正極電極３０が第１主面１１から突出している。そのため、図２に示すように、負極電極２０および正極電極３０を土壌Ｓに埋めることなく、負極電極２０および正極電極３０を土壌Ｓに接触させて発電することができる。これにより、発電シート１の敷設（設置）が容易になるとともに、発電シート１を大面積で敷設することができるので発電規模を大きくすることができる。

【0022】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0023】

図５は、本実施形態における発電シート１Ａの斜視図である。図６は、発電シート１Ａの断面図である。図５および図６に示すように、発電シート１Ａは、実施形態１におけるシート１０に代えてシート１０Ａを備えている。シート１０Ａは、実施形態１におけるシート１０の構成に加えて、複数の突出部８０およびゼラチン層９０を備えている。

【0024】

突出部８０は、図５および図６に示すように、シート１０Ａの第２主面１２から突出している。第２主面１２に突出部８０が設けられていることにより、第２主面１２側においてシート１０Ａの表面積が大きくなる。これにより、第２主面１２側において空気中の水分を収集することができる。第２主面１２からの突出部８０の突出長さは、例えば、１０～３０ｍｍであってよい。本実施形態における突出部８０は、発電シート１Ａを平面視したときに略矩形状になっている。ただし、突出部８０の形状はこれに限られるものではなく、他の形状であってもよい。

【0025】

突出部８０の間には、溝８１が形成される。溝８１の幅は、１～１００ｎｍとなっている。換言すれば、発電シート１Ａでは、複数の突出部８０が、隣接する突出部８０の間に形成される溝８１の幅が１～１００ｎｍとなるように配置されている。溝８１は、シート１０Ａに設けられた穴６０のいずれかに接続されている。これにより、突出部８０によって回収した水を毛細管現象により、穴６０に送ることができる。溝８１によって穴６０まで送られた水は、穴６０を通って第１主面１１側に移動する。その結果、第１主面１１側に設けられた、負極電極２０および正極電極３０で生じる酸化還元反応における電子移動経路を増やすことができる。これにより、例えば、土壌Ｓに水分が少ない荒地などにおいても、発電効率の低下を低減することができる。

【0026】

ゼラチン層９０は、ゼラチンを含む層である。ゼラチン層９０は、図６に示すように、シート１０Ａの第１主面１１に積層されている。ゼラチン層９０は、負極電極２０および正極電極３０を覆っている。ゼラチン層９０は、ゼラチンを含むことにより微生物を培養することができる。例えば、ゼラチン層９０によって土壌Ｓに含まれる有機物を分解する微生物（発電微生物）を培養することにより、発電効率を向上させることができる。他の例として、ゼラチン層９０によって植物の生育を促進する微生物、および／または、窒素肥料を生成する微生物を培養することにより、植物の成長を促進させることができる。

【0027】

〔まとめ〕
本開示の態様１に係る発電シートは、土壌を被覆する第１主面を有するシートと、前記第１主面に設けられ、土壌に含まれる微生物が土壌に含まれる有機物を分解するときに放出する電子を取り出す負極電極と、前記第１主面に設けられ、酸素を還元する正極電極と、を備え、前記負極電極および前記正極電極は、前記第１主面から突出している。

【0028】

本開示の態様２に係る発電シートは、上記態様１において、前記シートは、平面視したときに、前記負極電極よりも前記正極電極に近い位置に位置する穴が形成されていてもよい。

【0029】

本開示の態様３に係る発電シートは、上記態様１または２において、前記負極電極および前記正極電極は、吸水することにより膨張する第１材料と、前記第１材料を内包し、導電性および通水性を有する第２材料と、を備えていてもよい。

【0030】

本開示の態様４に係る発電シートは、上記態様３において、前記第１材料は、吸水ポリマーであってもよい。

【0031】

本開示の態様５に係る発電シートは、上記態様３または４において、前記第２材料は、カーボンフェルトであってもよい。

【0032】

本開示の態様６に係る発電シートは、上記態様１から５のいずれかにおいて、前記シートの、前記第１主面とは反対側の面である第２主面に、前記第２主面から突出する複数の突出部が形成されており、前記シートは、複数の穴が形成されており、前記複数の突出部は、隣接する前記突出部の間に形成される溝の幅が１～１００ｎｍとなるように配置されており、前記溝は、前記複数の穴の少なくとも１つに接続していてもよい。

【0033】

本開示の態様７に係る発電シートは、上記態様１から６のいずれかにおいて、前記シートは、前記第１主面に、前記負極電極および前記正極電極を覆う、ゼラチンを含むゼラチン層を有していてもよい。

【0034】

本開示の態様８に係る発電シートは、上記態様１から７のいずれかにおいて、前記シートの、前記第１主面とは反対側の面である第２主面は、波長が６００～７００ｎｍの光のみを反射する構成であってもよい。

【0035】

本開示の態様９に係る発電シートは、上記態様１から８のいずれかにおいて、前記負極電極および前記正極電極が接続されたセルを複数備え、複数の前記セルが直列に接続されていてもよい。

【0036】

本開示の態様１０に係る発電シートは、上記態様９において、前記セルが直列に接続された直列構造を複数備えており、 前記直列構造のうち少なくとも２つの前記直列構造が並列に接続されていてもよい。

【0037】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0038】

１、１Ａ 発電シート
１０、１０Ａ シート
１１ 第１主面
１２ 第２主面
２０ 負極電極
２１ 第１材料
２２ 第２材料
３０ 正極電極
６０ 穴
７０ セル
７１ 直列構造
８０ 突出部
８１ 溝
９０ ゼラチン層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】