特開 2024-180173 配管パイプ型微生物燃料電池及び配管システム

(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】P2024180173

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】配管パイプ型微生物燃料電池及び配管システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20241219BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20241219BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20241219BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M4/90 M

H01M8/04313

H01M8/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099656

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】田口 耕造

(72)【発明者】

【氏名】中本 トラン

【テーマコード（参考）】

5H018

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H018AA07

5H018CC03

5H018EE02

5H018EE05

5H018EE12

5H126AA02

5H126AA10

5H126BB10

5H126CC02

5H126EE02

5H126EE07

5H126FF06

5H127AA08

5H127AC04

5H127BA07

5H127EE25

5H127EE27

(57)【要約】

【課題】配管パイプで発電が行えるようにする。
【解決手段】開示の配管パイプ型微生物燃料電池は、内部を液体が流れるパイプ本体と、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のアノードと、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のカソードと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管パイプ型微生物燃料電池であって、
内部を液体が流れるパイプ本体と、
前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のアノードと、
前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のカソードと、
を備える、
配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項2】

前記カソードは、酸化還元触媒作用及び抗菌作用を有する
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項3】

前記カソードは、抗菌作用を有する酸化還元触媒を有する
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項4】

前記カソードは、コバルト－マンガン系触媒を有する、
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項5】

前記アノードは、前記パイプ本体の内面全周に設けられ、
前記カソードは、前記アノードとは異なる位置において、前記パイプ本体の内面全周に設けられている
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項6】

前記カソードは、前記パイプ本体において、前記アノードよりも下流側に設けられている
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項7】

前記１又は複数のアノード及び前記１又は複数のカソードは、それぞれ、複数のアノード及び複数のカソードであり、
前記アノード及び前記カソードは、液体の流れる方向において、交互に設けられている
請求項１に記載の配管パイプ型微生物燃料電池。

【請求項8】

センサを備える配管構造と、
前記センサの出力に基づいて、前記配管構造における液体の流れを制御するコントローラと、
を備え、
前記センサは、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の配管パイプ型微生物燃料電池における前記アノード及びカソードと、前記アノード及び前記カソードに接続されるセンサ回路と、を備える
配管システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、配管パイプ型微生物燃料電池及び配管システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、微生物燃料電池を開示している。微生物燃料電池は、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、発電する装置である。微生物燃料電池は、電極として、アノード電極とカソード電極とを備えている。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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１１７７４３号公報

【発明の概要】

【0004】

従来、配管パイプ内に微生物燃料電池を設置することは行われていなかった。廃液等の液体が流れる配管パイプ内に微生物燃料電池があれば、パイプ内の廃液等の液体を利用して発電することが可能になる。また、パイプ内の廃液等の浄化も可能となる。また、微生物燃料電池を、パイプ中の有機物の量を測定するセンサとして利用することも可能になる。

【0005】

したがって、上記メリットのうちの少なくとも一つのメリットを享受するため、配管パイプ型の微生物燃料電池が望まれる。

【0006】

本開示のある側面は、配管パイプ型微生物燃料電池である。開示の微生物燃料電池では、内部を液体が流れるパイプ本体と、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のアノードと、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のカソードと、を備える。

【0007】

本開示の他の側面は、配管システムである。開示のシステムは、センサを備える配管構造と、前記センサの出力に基づいて、前記配管構造における液体の流れを制御するコントローラと、を備え、前記センサは、前記配管パイプ型微生物燃料電池における前記アノード及びカソードと、前記アノード及び前記カソードに接続されるセンサ回路と、を備える。

【0008】

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、配管システムの構成図である。

【図2】図２は、配管パイプ型微生物燃料電池の断面図である。

【図3】図３は、配管パイプ型微生物燃料電池の組み立て図である。

【図4】図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線断面図である。

【図5】図５は、配管パイプ型微生物燃料電池の一部切り欠き斜視図である。

【図6】図６は、実験結果を示す図である。

【図7】図７は、実験結果を示す図である。

【図8】図８は、アノード及びカソードの配置のバリエーション図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜１．配管パイプ型微生物燃料電池及び配管システムの概要＞

【0011】

（１）実施形態に係る微生物燃料電池は、配管パイプ型微生物燃料電池である。微生物燃料電池は、内部を液体が流れるパイプ本体と、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のアノードと、前記パイプ本体の内面に設けられた１又は複数のカソードと、を備え得る。

【0012】

（２）前記カソードは、酸化還元触媒作用及び抗菌作用を有するのが好ましい。

【0013】

（３）前記カソードは、抗菌作用を有する酸化還元触媒を有するのが好ましい。

【0014】

（４）前記カソードは、コバルト－マンガン系触媒を有するのが好ましい。

【0015】

（５）前記アノードは、前記パイプ本体の内面全周に設けられているのが好ましい。前記カソードは、前記アノードとは異なる位置において、前記パイプ本体の内面全周に設けられているのが好ましい。

【0016】

（６）前記カソードは、前記パイプ本体において、前記アノードよりも下流側に設けられているのが好ましい。

【0017】

（７）前記１又は複数のアノード及び前記１又は複数のカソードは、それぞれ、複数のアノード及び複数のカソードであり得る。前記アノード及び前記カソードは、液体の流れる方向において、交互に設けられているのが好ましい。

【0018】

（８）実施形態に係る配管システムは、センサを備える配管構造と、前記センサの出力に基づいて、前記配管構造における液体の流れを制御するコントローラと、を備え得る。前記センサは、前記（１）～（７）のいずれか１項に記載の配管パイプ型微生物燃料電池における前記アノード及びカソードと、前記アノード及び前記カソードに接続されるセンサ回路と、を備え得る。

【0019】

＜２．配管パイプ型微生物燃料電池及び配管システムの例＞

【0020】

図１は、実施形態に係る配管システム５０を示している。配管システム５０は、配管構造１００とコントローラ２００とを備える。配管構造１００は、流路となる構造体であり、配管パイプなどを有して構成される。配管構造１００は、有機物を含有し得る液体を流すために利用される。配管構造１００を流れる液体は、一例として、廃液である。廃液は、有機物を含有し得る。なお、液体は、微生物を含有する。

【0021】

図１に示す配管構造１００は、その一部に、配管パイプ型微生物燃料電池１０を備える。配管パイプ型微生物燃料電池１０は、配管パイプ形状を持ち、その内部を液体が流れる。配管パイプ型微生物燃料電池１０は、内部の液体を利用して発電する。また、廃液などの液体が、微生物によって浄化される。

【0022】

図１に示す配管構造１００は、一例として、微生物燃料電池１０のほか、第１配管パイプ１１０、第２配管パイプ１２０、バルブ１３０、及び第３配管パイプ１４０を備える。第１配管パイプ１１０は、配管パイプ型微生物燃料電池１０の上流側に接続される。第２配管パイプ１２０は、配管パイプ型微生物燃料電池１０の下流側に接続される。バルブ１３０は、第２配管パイプ１２０の下流側に接続される。第３配管パイプ１４０は、バルブ１３０の下流側に接続される。バルブ１３０は、流路の開閉をする。バルブ１３０が開かれるとバルブ１３０の上流の液体が下流側へ流れる。バルブ１３０が閉じられると、液体の流れが止められる。

【0023】

バルブ１３０の開閉は、コントローラ２００によって制御される。コントローラ２００は、配管構造における液体の流れを制御する。コントローラ２００は、例えば、微生物燃料電池１０の出力に基づいて、バルブ１３０の開閉を制御する制御信号を出力することができる。コントローラ２００は、一例として、配管パイプ型微生物燃料電池１０内部の液体の有機物の量が基準値未満になったことを、配管パイプ型微生物燃料電池１０の発電量に基づいて検出し、配管パイプ型微生物燃料電池１０内部の液体の有機物の量が基準値未満になると、バルブ１３０を開き、液体を排出するよう制御することできる。

【0024】

なお、バルブ１３０は、配管パイプ型微生物燃料電池１０上流側に設けられていてもよいし、配管パイプ型微生物燃料電池１０の上流側及び下流側の両方に設けられていてもよい。

【0025】

配管パイプ型微生物燃料電池１０は、パイプ本体２０を備える。パイプ本体２０は、通常の配管パイプと同様の材質及び形状で構成され得る。パイプ本体２０は、その内部を液体が流れる。パイプ本体２０は、他の第１配管パイプ１１０に接続される第１端２２Ａと、他の第２配管パイプ１２０に接続される第２端２２Ｂと、を備える。パイプ本体２０は、ストレート形状であってもよいし、Ｌ字状又はＵ字状などの屈曲形状であってもよい。

【0026】

ここで、パイプは、液体を流すための中空構造を有する構造体全般を指し、「チューブ」を含むものとする。パイプ本体２０の材質は、屈曲しない硬質材料であってもよいし、屈曲し得る軟質材料であってもよい。パイプ本体２０の流路径は特に限定されない。

【0027】

第１端２２Ａは、第１配管パイプ１１０に接続するための継手を一体的に備え、その継手を介して、第１配管パイプ１１０に接続される接続端である。あるいは、第１端２２Ａは、一体的な継手を備えておらず、別体の継手を介して、第１配管パイプ１１０に接続される接続端である。

【0028】

第２端２２Ｂは、第２配管パイプ１２０に接続するための継手を一体的に備え、その継手を介して、第２配管パイプ１２０に接続される接続端である。あるいは、第２端２２Ｂは、一体的な継手を備えておらず、別体の継手を介して、第２配管パイプ１２０に接続される接続端である。

【0029】

微生物燃料電池１０は、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂを備える。アノード３０Ａは、液中の微生物が有機物を分解することで発生する電子を回収する。アノード３０Ａにおいて発生したプロトン（Ｈ＋）は、液中を、カソード３０Ｂへ移動する。プロトンは、アノード３０Ａからカソード３０Ｂへ移動した電子、及び、カソード３０Ｂ付近の酸素と反応して、水になる。したがって、微生物燃料電池１０を利用すると、液中の有機物を利用して発電できる。また、液中の有機物が分解されることにより、液が浄化される。

【0030】

実施形態の微生物燃料電池１０のアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、一例として、発電量に応じたセンサ出力信号を発生するセンサのセンサ素子として利用され得る。

【0031】

微生物燃料電池１０は、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂに接続された負荷４０を備える。負荷４０は、発電された電力を消費する。負荷４０は、一例として、センサ回路４０である。センサ回路４０は、発電量に応じたセンサ出力信号を出力する。液体中の有機物の量が多いほど微生物による発電量が増加するため、センサ出力信号は、パイプ型微生物燃料電池１０内部の液体の有機物の量に応じた信号になり得る。センサ回路４０は、有線通信又は無線通信によって、センサ出力信号をコントローラ２００へ送信する通信回路を有し得る。

【0032】

図２から図５は、パイプ型微生物燃料電池１０の構造の一例を示している。図示のパイプ型微生物燃料電池１０は、パイプ本体２０と、パイプ本体２０内に設けられた電極装置３０と、を備える。パイプ本体２０は、一例として、円筒状である。電極装置３０は、電極３０Ａ，３０Ｂの支持体３１と、支持体３１に支持されたアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂと、を備える。すなわち、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、支持体３１を介して、パイプ本体２０内面に沿って設けられている。アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂがパイプ本体２０内面に沿って設けられていることで、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂ、液体の流れを阻害することが少ない。また、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂがパイプ本体２０内面に沿って設けられていることで、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂが液体に接する面積を大きくするのが容易である。

【0033】

支持体３１は、パイプ本体２０の内面に装着可能な形状を有する。例えば、パイプ本体２０が円筒状である場合、支持体３１も円筒状であり、その外周面が、パイプ本体２０の内周面に接するように内嵌される。図２に示すように、電極装置３０は、パイプ本体２０の第１端２２Ａ（又は第２端２２Ｂ）から、パイプ本体２０内に挿入されて、パイプ本体２０に取り付けられる。パイプ本体２０と内周面と、支持体３１の外周面とは、例えば、接着剤により接着される。

【0034】

電極装置３０は、パイプ本体２０から取り外し可能に、パイプ本体２０に取り付けられてもよい。この場合、電極装置３０の交換が可能になる。アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは支持体３１によって一体的な構造物として構成されているため、電極装置３０全体をパイプ本体２０から取り外すことで、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂをパイプ本体２０から容易に取り外すことができる。

【0035】

支持体３１は、アノード３０Ａを支持するアノード支持体と、カソード３０Ｂを支持するカソード支持体と、で構成されていてもよい。アノード支持体とカソード支持体とは別体として構成され得る。この場合、アノード３０Ａとカソード３０Ｂとを別々に交換することが可能になる。

【0036】

支持体３１は、両端３３Ａ，３３Ｂが開口した筒状であり、内部空間３２を有する。パイプ本体２０の第１端２２Ａから流入した液体は、支持体第１端３３Ａの開口を通って支持体３１の内部空間３２を流れ、支持体第２端３３Ｂ及びパイプ本体第２端２２Ｂを通って流出する。なお、支持体３１の内径（流路径）は、他の配管パイプ１１０，１２０の内径と同じ、又は他の配管パイプ１１０，１２０の内径よりも大きいのが好ましい。この場合、電極装置３０によって液体の流れが阻害されるのが防止される。

【0037】

図４に示すように、電極装置３０は、パイプ本体２０の内面全周にわたって取り付けられている。また、アノード３０Ａは、支持体３１の内面全周にわたって取り付けられている。したがって、アノード３０Ａは、パイプ本体２０の内面全周に設けられている。カソード３０Ｂも同様に、パイプ本体２０の内面全周に設けられている。アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂそれぞれが、パイプ本体２０の内面全周に設けられていることで、配管パイプ型微生物燃料電池１０の設置時に、周方向のいずれの位置が下側になっても、内部の液体がアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂに接することができる。

【0038】

また、カソード３０Ｂがパイプ本体の内面全周に設けられていることで、カソード３０Ｂの周方向のいずれかの位置が上側に位置する。上側に位置するカソード３０Ｂには、パイプ型微生物燃料電池１０内において液体とともに存在する空気が接しやすく、カソード３０Ｂへの酸素の供給に有利である。なお、周方向の一部にアノード３０Ａが設けられ、周方向の他の一部にカソード３０Ｂが設けられていてもよい。

【0039】

図２に示すように、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、支持体３１の内面に形成された取付凹部３１Ａ，３１Ｂに取り付けられている。アノード３０Ａの取付凹部３１Ａは、支持体３１の上流側に形成されている。カソード３０Ｂの取付凹部３１Ｂは、取付凹部３１Ａから間隔をおいて、支持体３１の下流側に形成されている。取付凹部３１Ａ，３１Ｂは、支持体３１の内面全周にわたる円環溝である。

【0040】

アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂそれぞれは、取付凹部３１Ａ，３１Ｂに取り付けられるように円環状に形成されており、それらの内部空間３０Ａ－１，３０Ｂ－１を液体が流れる。アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、それらの内面が、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂが存在しない範囲の支持体３１の内面と段差が生じないように配置される。したがって、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂの内部空間３０Ａ－１，３０Ｂ－１の内径と、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂが存在しない範囲の支持体３１の内径とは、ほぼ同一である。これらの内径がほぼ同一であることで、流体の流れがアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂによって阻害されるのを防止できる。

【0041】

図示のようにアノード３０Ａは、カソード３０Ｂの上流側に設けられているのが好ましい。アノード３０Ａが上流側にあると、アノード３０Ａにおいて発生したプロトンが、液体の流れによって、カソード３０Ｂに到達できる。したがって、液体の流れが、プロトンの移動を妨げない。

【0042】

図２に示すように、配管パイプ型微生物燃料電池１０は、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂそれぞれから延びる端子４１，４２を備える。端子４１，４２は、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂを負荷４０に対して電気的に接続する。端子４１，４２は、支持体に設けられた挿通孔３４Ａ，３４Ｂ及びパイプ本体２０に設けられた挿通孔２４Ａ，２４Ｂを介して、パイプ本体２０に外に延出している。したがって、パイプ本体２０外に設けられた負荷４０に、パイプ本体２０内のアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂを接続することできる。挿通孔２４Ａ，２４Ｂは、端子４１，４２の周囲において、パイプ本体２０からの液体の流出を防止するようシール部２６Ａ，２６Ｂによって密封される。なお、負荷４０は、パイプ本体２０に一体的に取り付けられていてもよいし、パイプ本体２０とは別体として設けられていてもよい。

【0043】

カソード３０Ｂは、カソード３０Ｂにおける酸化還元反応の促進のため酸化還元触媒を有するのが好ましい。カソード３０Ｂが酸化還元触媒を有することで、微生物燃料電池１０の出力が向上する。カソード３０Ｂが強い酸化還元作用を有することで、配管パイプ内のように酸素が乏しい環境においても出力低下を抑制できる。また、カソード３０Ｂは、抗菌作用（殺菌作用）を有するのが好ましい。カソード３０Ｂが抗菌作用を有していると、カソード３０Ｂに微生物が付着（バイオフィルムが形成）するのを低減又は防止できる。カソード３０Ｂにバイオフィルムが形成されると、出力が低下するが、カソード抗菌作用によって出力低下を抑制できる。

【0044】

カソード３０Ｂに含まれる触媒は、酸化還元作用及び抗菌作用の両方を有するのが好ましい。カソード３０Ｂは、酸化還元触媒となる物質（例えば、プラチナ）と、抗菌作用を有する物質（例えば、銅）と、をそれぞれ含有していてもよいが、触媒が、酸化還元作用だけでなく、抗菌作用も有しているのが好ましい。

【0045】

触媒は、コバルト－マンガン系触媒（コバルト－マンガン系化合物）であるのが好ましい。コバルト－マンガン系の化合物は、酸化還元作用及び抗菌作用（殺菌作用）を有する。コバルト－マンガン系触媒は、プラチナに比べて安価であり、有利である。コバルト－マンガン触媒は、例えば、コバルト－酸化マンガン触媒である。コバルト－酸化マンガン触媒は、例えば、コバルト－二酸化マンガン触媒である。

【0046】

触媒は、好ましくは、Co-δ-MnO₂/C触媒である。Co-δ-MnO₂/Cは、コバルト－二酸化マンガンであるCo-δ-MnO₂と、炭素Cと、の混合物である。炭素Cも触媒作用を有する。炭素Cは、電極としても作用する。

【0047】

Co-δ-MnO₂は、バーネサイト型MnO₂(δ-MnO₂)にコバルトCoをインターカレーションしたものである。

【0048】

Co-δ-MnO₂/Cは、例えば、以下のようにして作製される。
（１）KMnO₄ ０．７９ｇを脱イオン水５０ｍｌに加え、３０分間撹拌（400rpm）する。
（２）前記（１）に0.1 mol/lのCo(NO₃)² 6H₂O水溶液６７．８ｍｌを滴下し、７０℃で１時間攪拌（400rpm)する。
（３）前記（２）にカーボンブラック０．５ｇを加え、溶液が紫色から黒色になるまで攪拌（400rpm)する。
（４）生成物を遠心分離で取り出す。
（５）６０℃で乾燥させる。

【0049】

以下、微生物燃料電池１０におけるアノード３０Ａ及びカソードの３０Ｂの作製方法の一例を説明する。アノード３０Ａ及びカソードの３０Ｂは、ベース材３００としてのウレタンフォームシート（図２参照）に電極材料を塗布し、乾燥させて構成し得る。ウレタンフォームは液体が進入可能であるとともに、多孔３次元構造を有するため、電極表面積を大きくできる。

【0050】

アノード３０Ａの電極材料は、カーボンファイバー（ＣＦ）２ｇ、活性炭粒子（ＡＣＰ）２ｇ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）分散液１０ｍｌである。これらの電極材料を２０分間混合し、得られた混合液を、５ｍｍの厚さのウレタンフォームシートに塗布し、ウレタンフォームをコーティングした。その後、真空乾燥機で４０℃・２４時間乾燥した。以上の方法によって、アノード３０Ａが得られる。

【0051】

カソード３０Ｂの電極材料は、Co-δ-MnO₂/C触媒１ｇと、カーボンナノチューブ分散液１０ｍｌである。Co-δ-MnO₂/C触媒は、前述の作製方法によって作成されたものを用い得る。これらの電極材料を２０分間混合し、得られた混合液を、５ｍｍの厚さのウレタンフォームシートに塗布し、ウレタンフォー ムをコーティングした。その後、真空乾燥機で４０℃・２４時間乾燥した。以上の方法によって、触媒を有するアノード３０Ａが得られる。

【0052】

＜３．実験＞

【0053】

上記のようにして作製されたアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂを用いて、図２～図５に示す配管パイプ型微生物燃料電池１０を製造した。製造された配管パイプ型微生物燃料電池１０を用いて、発電の実験を行った。なお、実験においては、土壌中のバクテリアを発電に利用するため、アノード３０Ａには、５ｍｌの泥水を付着させた。

【0054】

実験は、実験室で行うため、図１に示すような配管構造１００は構築せず、閉じたバルブ１３０を模すためパイプ本体２０の下流側端２２Ｂを蓋で閉じた。また、パイプ本体２０の上流側端２２ＡにＬ字状継手を取り付けた。実験では、配管パイプ型微生物燃料電池１０を水平に設置し、Ｌ字状継手の一方の開口が上向きになるようにした。Ｌ字状継手の一方の開口は、液体の注入口として利用した。

【0055】

実験においては、Ｌ字状継手の一方の開口から、ＬＢ培養液を配管パイプ型微生物燃料電池１０内に注入した。ＬＢ培養液は、所定の化学的酸素要求量ＣＯＤを有する廃液を模したものである。ＬＢ培養液は、１０ｇ／ｌグルコース、１０ｇ／ｌトリプトン、５ｇ／ｌ酵母エキス、１０ｇ／ｌ塩化ナトリウム、及び水酸化ナトリウムを含有する溶液である。なお、水酸化ナトリウムは、ＬＤ培養液のｐＨを７．０に調整するためのものである。作製したＬＤ培養液は、オートクレーブを用いて滅菌処理を施した。

【0056】

このＬＢ培養液を精製水に添加し、濃度を１％、２％、３％、４％、５％に調製した。濃度１％のＬＢ培養液は化学的酸素要求量ＣＯＤが２００ｍｇ／ｌ、濃度２％のＬＢ培養液は化学的酸素要求量ＣＯＤが３００ｍｇ／ｌ、濃度３％のＬＢ培養液は化学的酸素要求量ＣＯＤが３００ｍｇ／ｌ、濃度４％のＬＢ培養液は化学的酸素要求量ＣＯＤが８００ｍｇ／ｌ、濃度５％のＬＢ培養液は化学的酸素要求量ＣＯＤが１０００ｍｇ／ｌに相当する。

【0057】

実験では、最も酸素が少なくなる環境を再現するため、配管パイプ型微生物燃料電池１０の内部を全て、ＬＢ培養液で満たし、配管パイプ型微生物燃料電池１０内部に空気がたまっている部分がないようにした。具体的には、Ｌ字状継手の一方の上向き開口から、ＬＢ培養液があふれるまで、当該開口からＬＢ培養液を、配管パイプ型微生物燃料電池１０内に注入した。

【0058】

端子４１，４２には、１０ｋΩ抵抗を負荷４０として接続し、負荷の両端電圧（微生物燃料電池１０の発電電圧）を測定した。実験時の温度は、２５℃から２６℃とした。

【0059】

図６及び図７は、実験結果を示す。図６は、微生物燃料電池１０の発電電圧の変化を示す。図６において、横軸は、時間（日）であり、縦軸は、電圧である。実験では、初日（０日目）に、ＣＯＤが１０００ｍｇ／ｌに相当する５％ＬＢ培養液を配管パイプ型微生物燃料電池１０内に満たし、放置した。図６に示すように、５日目まで発電量が徐々に増加している。これは、微生物の増加により、発電量が増加したものと考えられる。

【0060】

５日目に、ＣＯＤが４００ｍｇ／ｌに相当する２％ＬＢ培養液を、Ｌ字状継手の一方の上向き開口から継ぎ足した。ＬＢ培養液の継ぎ足しによって、元々、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液がＬ字状継手の上向き開口からあふれ出るため、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液を、２％ＬＢ培養液に置換することができる。２％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、２％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0061】

５日目の２％ＬＢ培養液の注入によって、発電量が低下した。発電量の低下はその後も緩やかに続いた。したがって、ＣＯＤの低下によって、発電量が低下することが確認できた。

【0062】

１０日目に、再度、ＣＯＤが４００ｍｇ／ｌに相当する２％ＬＢ培養液を注入した。再度注入する２％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、再度注入する２％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0063】

１０日目の２％ＬＢ培養液の注入によって、さらに発電量が低下した。この発電量の低下は、ＬＢ培養液の置換による微生物の減少が原因であると考えられる。発電量の低下はその後も緩やかに続いた。

【0064】

１７目に、ＣＯＤが６００ｍｇ／ｌに相当する３％ＬＢ培養液を注入した。注入する３％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、注入する３％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0065】

３％ＬＢ培養液の注入によって、発電量の増加がみられた。したがって、ＣＯＤの増加によって、発電量が、増加することが確認できた。

【0066】

２０目に、ＣＯＤが８００ｍｇ／ｌに相当する４％ＬＢ培養液を注入した。注入する４％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、注入する４％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0067】

４％ＬＢ培養液の注入によって、発電量の増加がみられた。したがって、ＣＯＤの増加によって、発電量が、増加することが確認できた。

【0068】

２４目に、ＣＯＤが１０００ｍｇ／ｌに相当する５％ＬＢ培養液を注入した。注入する５％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、注入する６％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0069】

６％ＬＢ培養液の注入によって、発電量の増加がみられた。したがって、ＣＯＤの増加によって、発電量が、増加することが確認できた。

【0070】

３１目に、ＣＯＤが５ｍｇ／ｌに相当する水道水を注入した。注入する水道水は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、注入する水道水におおむね置換されるまで、注入した。

【0071】

水道水の注入によって、発電量の低下がみられた。したがって、ＣＯＤの低下によって、発電量が、低下することが確認できた。

【0072】

３３目に、ＣＯＤが２００ｍｇ／ｌに相当する１％ＬＢ培養液を注入した。注入する１％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあった水道水が、注入する１％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0073】

１％ＬＢ培養液の注入によって、発電量の増加がみられた。したがって、ＣＯＤの増加によって、発電量が、増加することが確認できた。

【0074】

３３４に、ＣＯＤが４００ｍｇ／ｌに相当する２％ＬＢ培養液を注入した。注入する２％ＬＢ培養液は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内にあったＬＢ培養液が、注入する２％ＬＢ培養液におおむね置換されるまで、注入した。

【0075】

２％ＬＢ培養液の注入によって、発電量の増加がみられた。したがって、ＣＯＤの増加によって、発電量が、増加することが確認できた。

【0076】

図７は、微生物燃料電池１０の発電電力（Ｐ）及び電力密度（ＰＤ）を示している。図７（Ａ）において、横軸は電流を示し、縦軸は電力を示す。図７（Ｂ）において、横軸は電流密度を示し、縦軸は電力密度を示す。電力密度は、電力をアノードの面積で割ったものである。実験で用いた微生物燃料電池１０は、図７に示す発電特性を有することがわかる。したがって、微生物燃料電池１０によって、廃液から電力エネルギーを取り出すことができる。

【0077】

以上のように、配管パイプ型微生物燃料電池１０内に、有機物を含む液体が存在することで、発電ができることが確認できた。実験では、配管パイプ型微生物燃料電池１０内を液体で満たし、空気が存在しないようにしたが、液体に含まれる酸素を利用して、発電に成功した。カソード３０Ｂは、酸素を得るため、空気に触れていた方がよいが、カソード３０Ｂが、強い酸素還元作用を有する触媒を有していることで、液体中の酸素によって、発電が可能になることが確認できた。また、カソード３０Ｂの触媒は、抗菌作用も有するため、バイオフィルム形成を防止でき、長期間の発電が可能であることも確認できた。

【0078】

なお、実験では、最も酸素が少なくなる環境を模擬するため、配管パイプ型微生物燃料電池１０内を液体で満たしたが、実際の使用環境では、配管パイプ型微生物燃料電池１０内に空気が存在することもある。空気が存在する場合には、より効率的に発電できる。なお、配管パイプ型微生物燃料電池１０内の液体、又は、配管パイプ型微生物燃料電池１０内よりも上流の配管パイプ１１０に空気を注入する注入装置を備えていてもよい。空気の積極的な注入によって、効率的に発電できる。

【0079】

さらに、実験では、配管パイプ型微生物燃料電池１０内の液体のＣＯＤの増減によって、発電量が増減することが確認できた。したがって、配管パイプ型微生物燃料電池１０は、センサとしての利用が可能である。

【0080】

＜４．電極配置例＞

【0081】

図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）それぞれは、配管パイプ型微生物燃料電池１０におけるアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂの配置のバリエーションを示している。図８（Ａ）に示す第１例では、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、液体の流れる方向において、交互に設けられている。複数のアノード３０Ａは並列に負荷４０に接続されている。複数のカソード３０Ｂも並列に負荷４０に接続されている。複数のアノード３０Ａ及びカソード３０Ｂが交互に配置されていることで、液体の流れる方向を広範囲に利用して発電できる。

【0082】

図８（Ｂ）に示す第２例は、並列接続された複数のアノード３０Ａの下流に、並列接続された複数のカソード３０Ｂが配置されている。第２例によれば、上流側の広い範囲をアノード３０Ａの領域として利用し、下流側の広い領域をカソード３０Ｂの領域として利用できる。

【0083】

図８（Ｃ）に示す第３例でも、第１例と同様に、アノード３０Ａ及びカソード３０Ｂは、液体の流れる方向において、交互に設けられている。第３例では、アノード３０Ａとカソード３０Ｂとの第１の組が第１負荷４０Ａに接続されており、アノード３０Ａとカソード３０Ｂとの第２の組が第２負荷４０Ｂに接続されており、アノード３０Ａとカソード３０Ｂとの第３の組が第３負荷４０Ｃに接続されている。この場合、複数の負荷４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに電力を供給できる。

【0084】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0085】

１０ ：配管パイプ型微生物燃料電池
２０ ：パイプ本体
２２Ａ ：第１端
２２Ｂ ：第２端
２４Ａ ：挿通孔
２４Ｂ ：挿通孔
２６Ａ ：シール部
２６Ｂ ：シール部
３０ ：電極装置
３０Ａ ：アノード
３０Ａ－１ ：内部空間
３０Ｂ ：カソード
３０Ｂ－１ ：内部空間
３１ ：支持体
３１Ａ ：取付凹部
３１Ｂ ：取付凹部
３２ ：内部空間
３３Ａ ：支持体第１端
３３Ｂ ：支持体第２端
３４Ａ ：挿通孔
３４Ｂ ：挿通孔
４０ ：負荷
４０Ａ ：第１負荷
４０Ｂ ：第２負荷
４０Ｃ ：第３負荷
４１ ：端子
４２ ：端子
５０ ：配管システム
１００ ：配管構造
１１０ ：第１配管パイプ
１２０ ：第２配管パイプ
１３０ ：バルブ
１４０ ：第３配管パイプ
２００ ：コントローラ
３００ ：ベース材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】