特開 2024-46194 微生物燃料電池用支持体、微生物燃料電池、及びフローティングセンサ

(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】P2024046194

(43)【公開日】2024-04-03

(54)【発明の名称】微生物燃料電池用支持体、微生物燃料電池、及びフローティングセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20240327BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20240327BHJP

   G01N 27/327 20060101ALI20240327BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20240327BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M8/02

G01N27/327 355

G01N27/416 341N

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022151434

(22)【出願日】2022-09-22

(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】グエン トラン ダン

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126BB08

(57)【要約】

【課題】底質のない環境や水深が大きい環境でも効率よく発電できる浮遊型の微生物燃料電池を提供する。
【解決手段】微生物燃料電池１００Ａは、カソード電極Ｃと、アノード電極Ａと、カソード電極及びアノード電極を支持し、カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体１００と、を備え、支持体は、カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部１と、アノード電極が液体に接するようにアノード電極を支持するアノード支持部２と、アノード支持部とカソード支持部とを接続する接続体３と、を備え、アノード支持部は、微生物を保持する保持材（例えば土壌Ｓ）が収容される第１収容空間２０を有し、第１収容空間に収納された保持材にアノード電極が接するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

カソード電極及びアノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる微生物燃料電池用電極支持体であって、
前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、
前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、
前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、
前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている
微生物燃料電池用支持体。

【請求項2】

前記保持材は、土壌を含む
請求項１に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項3】

前記アノード支持部は、前記第１収容空間の内部に前記保持材とともに前記アノード電極を収容可能な容器形状を呈し、
前記アノード支持部には、前記アノード電極が前記液体に接するようにするための１以上の孔部が形成されている
請求項１に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項4】

前記孔部は、少なくとも、前記アノード支持部の底面に形成され、
前記第１収容空間には、前記底面の上に前記アノード電極が重ねられ、前記アノード電極の上に前記保持材が重ねられる
請求項３に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項5】

前記アノード支持部は、前記第１収容空間の上面を開放する開口を有し、
前記アノード支持部は、前記保持材の前記第１収容空間からの流出を防止するための、前記上面に配置されるカバーを有する
請求項４に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項6】

前記カソード支持部は、内部に前記カソード電極を収容可能であり、前記液体の上方の空気が流入可能であるが前記液体が流入しないことで前記浮力を生じさせる第２収容空間を有する容器形状を呈している
請求項１に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項7】

前記カソード支持部の底面には１以上の孔部が形成され、
前記カソード支持部の前記底面の外面側にはイオン交換膜が取り付け可能である
請求項６に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項8】

前記接続体は、前記カソード支持部と前記アノード支持部との間の距離を可変とするように前記アノード支持部から前記カソード支持部までの長さが調整自在に構成されている
請求項１に記載の微生物燃料電池用支持体。

【請求項9】

カソード電極と、
アノード電極と、
前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、
を備え、
前記支持体は、
前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、
前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、
前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、
を備え、
前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている
微生物燃料電池。

【請求項10】

カソード電極と、
アノード電極と、
前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、
を備え、
前記支持体は、
前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、
前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、
前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、
を備え、
前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている
フローティングセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、微生物燃料電池用支持体、微生物燃料電池、及びフローティングセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、センシング対象の水面に浮遊させることで、水中の有機物に応じて発電されるフローティングセンサ（浮遊型の微生物燃料電池）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。

【0003】

特許文献１は、微生物燃料電池が備えるアノード電極が、有機物を分解するための微生物を保持してもよいことを開示している。

【0004】

特許文献２は、閉鎖性水域の底質環境を改善するための微生物燃料電池であって、水面もしくは水中に設置される少なくとも一つのカソードと、底質中に設置される少なくとも一つのアノードと、前記アノードとカソードとを電気的に接続する導線と、を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－７１４３４号公報

【特許文献2】特開２０２２－７４７５号公報

【発明の概要】

【0006】

浮遊型の微生物燃料電池において、特許文献１のようにアノード電極自体に微生物を保持させる場合、アノード電極自体が保持できる微生物の量を多くするのは困難であるため、発電量が制限されやすい。

【0007】

一方、特許文献２の微生物燃料電池はアノードを底質中に設置するものであるため、土壌などの底質に豊富に含まれる微生物を利用して、効率よく発電できる。しかし、特許文献２の微生物燃料電は、アノードを底質中に設置するものであるため、底質のない環境や水深が大きい環境では発電することができない。このため、底質のない環境や水深が大きい環境では、特許文献１のような浮遊型が有利である。ところが、従来の浮遊型では、前述のように土壌などの底質に豊富に含まれる微生物を利用することができず、発電量が制限される。そのため、浮遊型において、底質のない環境や水深が大きい環境でも効率よく発電できるようにすることが望まれる。

【0008】

本開示のある側面は、微生物燃料電池用支持体である。開示の微生物燃料電池用支持体は、カソード電極及びアノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる微生物燃料電池用電極支持体であって、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。

【0009】

本開示の他の側面は、微生物燃料電池である。開示の微生物燃料電池は、カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、を備え、前記支持体は、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。

【0010】

本開示の他の側面は、フローティングセンサである。開示のフローティングセンサは、カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、を備え、前記支持体は、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。

【0011】

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】

【0012】

【図1】図１は、実施の形態に係る微生物電量電池（以下、発電装置）の概略を表した図である。

【図2】図２は、発電装置の備える微生物燃料電池用支持体（以下、支持体）を上方から見た分解図である。

【図3】図３は、支持体を下方から見た分解図である。

【図4】図４は、支持体を上方から見た概略図である。

【図5】図５は、発電装置の製造方法の一例を表したフローチャートである。

【図6】図６は、発電装置を利用したフローティングセンサの概略図である。

【図7】図７は、フローティングセンサの負荷回路のコンデンサの両端で測定された電圧波形を表した図である。

【図8】図８は、負荷回路に供給される電力の電圧と点滅間隔との測定結果を示した図である。

【図9】図９は、発明者らによる実験１と実験２との条件を表した図である。

【図10】図１０は、実験１での結果を示した図である。

【図11】図１１は、実験２での結果を示した図である。

【図12】図１２は、実験１においてフローティングセンサを浮遊させたまま長期保持しときの結果を示した図である。

【図13】図１３は、実験２においてフローティングセンサを浮遊させたまま長期保持しときの結果を示した図である。

【図14】図１４は、発明者らによる実験３での結果を示した図である。

【図15】図１５は、発明者らによる実験４での結果を示した図である。

【図16】図１６は、実験２と実験４とのそれぞれにおける、電圧Ｖの時間変化を表した図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜１．微生物燃料電池用支持体、微生物燃料電池、及びフローティングセンサの概要＞

【0014】

（１）実施の形態に係る微生物燃料電池用支持体は、カソード電極及びアノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる微生物燃料電池用電極支持体であって、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。実施の形態に係る微生物燃料電池用支持体によれば、カソード電極及びアノード電極とともに、微生物を保持する保持材が収容される。また、保持体は、収容されたカソード電極、アノード電極、及び保持材に対して浮力を生じさせるため、これらを液体において浮遊させることができる。これにより、支持体を有する微生物燃料電池では、底質のない環境や水深が大きい環境でも発電することができる。また、支持体に保持材が収容されている微生物燃料電池の方が、収容されていない微生物燃料電池と比較して発電効率が高いことは発明者らの実験によって検証された。

【0015】

（２）（１）の微生物燃料電池用支持体であって、前記保持材は、土壌を含むのが好ましい。これにより、容易に保持材が得られる。

【0016】

（３）（１）又は（２）の微生物燃料電池用支持体であって、前記アノード支持部は、前記第１収容空間の内部に前記保持材とともに前記アノード電極を収容可能な容器形状を呈し、前記アノード支持部には、前記アノード電極が前記液体に接するようにするための１以上の孔部が形成されているのが好ましい。これにより、アノード支持部にアノード電極とともに保持材が収容されるとともに、微生物発電が可能なように支持される。

【0017】

（４）（３）の微生物燃料電池用支持体であって、前記孔部は、少なくとも、前記アノード支持部の底面に形成され、前記第１収容空間には、前記底面の上に前記アノード電極が重ねられ、前記アノード電極の上に前記保持材が重ねられるのが好ましい。これにより、アノード電極が微生物発電が可能なように支持されるとともに、保持材の底面からの流出が防がれる。

【0018】

（５）（４）の微生物燃料電池用支持体であって、前記アノード支持部は、前記第１収容空間の上面を開放する開口を有し、前記アノード支持部は、前記保持材の前記第１収容空間からの流出を防止するための、前記上面に配置されるカバーを有するのが好ましい。これにより保持材の上面からの流出が防がれる。

【0019】

（６）（１）～（５）のいずれか１つの微生物燃料電池用支持体であって、前記カソード支持部は、内部に前記カソード電極を収容可能であり、前記液体の上方の空気が流入可能であるが前記液体が流入しないことで前記浮力を生じさせる第２収容空間を有する容器形状を呈しているのが好ましい。これにより、カソード電極に浮力を生じさせることができるとともに、接続体によって接続されたアノード支持部に支持されたアノード電極及び保持材にも浮力を生じさせることができる。

【0020】

（７）（６）の微生物燃料電池用支持体であって、前記カソード支持部の底面には１以上の孔部が形成され、前記カソード支持部の前記底面の外面側にはイオン交換膜が取り付け可能であるのが好ましい。これにより、イオン交換膜を容易に取り付けることができる。

【0021】

（８）（１）～（７）のいずれか１つの微生物燃料電池用支持体であって、前記接続体は、前記カソード支持部と前記アノード支持部との間の距離を可変とするように前記アノード支持部から前記カソード支持部までの長さが調整自在に構成されているのが好ましい。これにより、カソード電極とアノード電極との間の距離を、その間に存在する液体量が適量となるよう調整できるとともに、支持体を液体に浮遊させたときに水深に応じた距離とすることができる。

【0022】

（９）実施の形態に係る微生物燃料電池は、カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、を備え、前記支持体は、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。実施の形態に係る微生物燃料電池によれば、カソード電極及びアノード電極とともに、微生物が保持され、かつ、これらを液体において浮遊させることができる。これにより、微生物燃料電池では、底質のない環境や水深が大きい環境でも発電することができる。また、支持体に保持材が収容されている微生物燃料電池の方が、収容されていない微生物燃料電池と比較して発電効率が高いことは発明者らの実験によって検証された。また、長期にわたり発電が可能であることが発明者らの実験によって検証された。

【0023】

（１０）実施の形態に係るフローティングセンサは、カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極及び前記アノード電極を支持し、前記カソード電極及びアノード電極を液体において浮遊させるための浮力を生じさせる支持体と、を備え、前記支持体は、前記カソード電極を上面が空気に触れるように支持するカソード支持部と、前記アノード電極が前記液体に接するように前記アノード電極を支持するアノード支持部と、前記アノード支持部と前記カソード支持部とを接続する接続体と、を備え、前記アノード支持部は、微生物を保持する保持材が収容される第１収容空間を有し、前記第１収容空間に収納された前記保持材に前記アノード電極が接するように構成されている。実施の形態に係るフローティングセンサによれば、底質のない環境や水深が大きい環境でも、液中の有機物量をセンシングできる。このことは、発明者らの実験によって検証された。

【0024】

＜２．微生物燃料電池用支持体、微生物燃料電池、及びフローティングセンサの例＞

【0025】

図１は、本実施の形態に係る微生物電量電池（以下、発電装置）１００Ａの概略を表した図である。発電装置１００Ａは、フローティングセンサ１００Ｂとして用いられる。発電装置１００Ａ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することで発電する。フローティングセンサ１００Ｂは、センシング対象とする水などの液体の表面に浮遊させて用いられる。フローティングセンサ１００Ｂにおいて、発電装置１００Ａは、液体中の有機物である燃料を用いて発電する。フローティングセンサ１００Ｂは、発電装置１００Ａによって発電された電力を用いた出力を行う。

【0026】

発電装置１００Ａは、微生物燃料電池用支持体（以下、支持体）１００を備える。支持体１００は、カソード電極Ｃ及びアノード電極Ａを支持するとともに、カソード電極Ｃ及びアノード電極Ａを液体において浮遊させるための浮力を生じさせる。

【0027】

支持体１００は、カソード支持部１とアノード支持部２とを備える。カソード支持部１は、カソード電極Ｃを上面が空気に触れるように支持する。アノード支持部２は、アノード電極Ａが液体に接するようにアノード電極Ａを支持する。

【0028】

カソード電極Ｃは、酸素の透過性を有する、いわゆるエアカソードである。詳しくは、カソード電極Ｃはカーボンを主成分とする導電性コーティングである。一例として、カソード電極Ｃは、次のような手順で作成されてもよい。すなわち、活性炭粉末（例えば４ｇ）、カーボンファイバー（例えば４ｇ）、及び、銅粉末（例えば２ｇ）を混合して所定時間（例えば５分）を撹拌し、次いで、ナフィオン（登録商標）液（例えば３ｍｌ）を加えて所定時間（例えば１０分）撹拌し、次いで、カーボンナノチューブ水分散液（例えば１５ｍｌ）を加えて所定時間（例えば１５分）撹拌する。得られた混合物を（例えば３ｍｍ）ウレタン活性炭フィルタとともに膜上に広げ、所定条件（例えば４０℃で２４時間）で乾燥させる。

【0029】

アノード電極Ａは、カーボンを主成分とする導電性コーティングである。一例として、アノード電極Ａは、次のような手順で作成されてもよい。すなわち、カーボンファイバー（例えば５ｇ）及びカーボンナノチューブ水分散液（例えば１０ｍｌ）を混合して所定時間（例えば２０分）撹拌し、得られた混合物を（例えば３ｍｍ）ウレタン活性炭フィルタに吸着させて所定条件（例えば４０℃で２４時間）で乾燥させる。

【0030】

図２～図４は、支持体１００の構造を説明するための図であって、図２は、支持体１００を上方から見た分解図である。図３は、支持体１００を下方から見た分解図である。図４は、支持体１００を上方から見た概略図である。

【0031】

カソード支持部１は、カソード収容空間（以下、第２収容空間）１０を有する容器形状を呈している。第２収容空間１０は、内部にカソード電極Ｃを収容可能である。第２収容空間１０は、支持体１００を液体に浮遊させた際に、液体の上方の空気が流入可能であり、かつ、液体が流入しない。例えば、カソード支持部１は、支持体１００を液体に浮遊させた際に液面より上の位置に空気孔を有する。空気孔は、一例として、第２収容空間１０の上面を開放する開口１５である。これにより、カソード支持部１は、液体の上方の空気が流入可能であるが液体が流入しない第２収容空間１０を有する。このため、カソード支持部１は、第２収容空間１０に収容されたカソード電極Ｃに浮力を生じさせる。

【0032】

第２収容空間１０は、支持体１００を液体に浮遊させた際に内部に液体が流入する。そのため、カソード支持部１は、支持体１００を液体に浮遊させた際に第２収容空間１０に液体が流入可能な流入孔を有する。流入孔は、一例として、１以上の孔部１６である。１以上の孔部１６は、例えば、カソード支持部１の底面１１に形成されている。孔部１６は、支持体１００を液体に浮遊させた際に、第２収容空間１０の内部に液体を導く。

【0033】

孔部１６は、例えばスリットであってよく、図示された例では底面１１に複数のスリットが並行して設けられている。これにより、支持体１００が流体に浮遊した状態において、第２収容空間１０の内部に液体が導かれる。その結果、第２収容空間１０の底面にカソード電極Ｃが収容された状態で支持体１００を液体に浮遊させた際に、第２収容空間１０に収容されたカソード電極Ｃは流体に接する。

【0034】

カソード支持部１の底面１１の外面側には交換膜４が取り付け可能である。交換膜４は、一例としてナフィオン（登録商標）膜である。交換膜４は、アノード電極Ａ付近で発生したプロトン（水素イオン）を透過する。底面１１の外面側への交換膜４の取り付けは、例えば、接着剤での取り付けであってよい。これにより、交換膜４は取り外しが可能になる。

【0035】

カソード支持部１の外周には、少なくとも１つの導線ホルダ１４が設けられている。導線ホルダ１４には孔１４Ａが形成されて、導線５Ａを保持する。導線５Ａは、一端がアノード電極Ａに接続され、孔１４Ａを通って、他端側が第２収容空間１０の外部に達する。

【0036】

カソード支持部１の内面には、少なくとも１つのリブ１７が形成されている。リブ１７は、カソード支持部１の１つの内面と対向する面との間に設けられている。これにより、カソード支持部１の強度が保たれるとともに、持ち手にもなって扱いが容易になる。さらに、後述の負荷回路２００の取り付けに用いることもできる。

【0037】

アノード支持部２は、アノード収容空間（以下、第１収容空間）２０を有する容器形状を呈している。アノード支持部２は、第１収容空間２０の上面を開放する開口２５を有している。第１収容空間２０には、微生物を保持する保持材が内部に収容される。さらに、第１収容空間２０には、第１収容空間２０に収容された保持材に接するようにアノード電極Ａが収容される。

【0038】

保持材は、微生物を保持するものであって微生物を保持可能な材料を指し、一例として土壌Ｓである。土壌Ｓは、例えば底質などであってよい。これにより、容易に保持材が得られる。

【0039】

土壌Ｓは、一例として、図示されたように、第１収容空間２０に底面にアノード電極Ａが収容され、その上に重ねて収容される。これにより、第１収容空間２０は、第１収容空間２０に収容された土壌Ｓにアノード電極Ａが接するように構成されている。なお、第１収容空間２０への土壌Ｓとアノード電極Ａとの収容態様はこの態様に限定されない。他の例として、土壌Ｓが底面に収容され、その上に重ねてアノード電極Ａが収容されてもよい。

【0040】

第１収容空間２０は、支持体１００を液体に浮遊させた際に、液体が流入可能な流入孔を有する。流入孔は、一例として、第１収容空間２０の上面を開放する開口２５である。これにより、第１収容空間２０の底面にアノード電極Ａが収容され、その上に重ねて土壌Ｓが収容された状態で支持体１００を液体に浮遊させた際に、土壌Ｓは流体に接する。

【0041】

第１収容空間２０は、支持体１００を液体に浮遊させた際に内部に液体が流入する。そのため、アノード支持部２は、支持体１００を液体に浮遊させた際に第１収容空間２０に液体が流入可能な流入孔を有する。流入孔は、一例として、１以上の孔部２６である。１以上の孔部２６は、例えば、アノード支持部２の底面２１に形成されている。孔部２６は、支持体１００を液体に浮遊させた際に、第１収容空間２０の内部に液体を導く。

【0042】

孔部２６は、例えばスリットであってよく、図示された例では底面２１に複数のスリットが並行して設けられている。これにより、第１収容空間２０の底面にアノード電極Ａが収容された状態で支持体１００を液体に浮遊させた際に、第１収容空間２０に液体が流入する。その結果、アノード支持部２は、第１収容空間２０に収容されたアノード電極Ａを流体に接するように支持する。

【0043】

好ましくは、アノード支持部２はカバー２３を有する。カバー２３は開口２５に配置される。これにより、第１収容空間２０の底面にアノード電極Ａが収容され、その上に重ねて土壌Ｓが収容された状態で支持体１００を液体に浮遊させた際に、土壌Ｓの第１収容空間２０からの流出が防止される。

【0044】

好ましくは、カバー２３は１以上の孔部２３Ａが形成されている。これにより、第１収容空間２０の底面にアノード電極Ａが収容され、その上に重ねて土壌Ｓが収容された状態で支持体１００を液体に浮遊させた際に、土壌Ｓは流体に接する。

【0045】

アノード支持部２の外周には、少なくとも１つの導線用孔２４が形成されている。導線用孔２４は導線５Ａを保持する。導線５Ａは、一端がアノード電極Ａに接続され、導線用孔２４を通って第１収容空間２０の外部に達し、他端側がカソード支持部１の導線ホルダ１４に保持される。これにより、発電装置１００Ａの上部に、アノード電極Ａからの導線５Ａとカソード電極からの導線５Ｃとが配置される。その結果、発電装置１００Ａへの後述する負荷回路２００の取付が容易になり、フローティングセンサ１００Ｂなどの、発電装置１００Ａを利用した装置の製造が容易になる。

【0046】

支持体１００は、カソード支持部１とアノード支持部２とを接続する接続体３を有する。接続体３は、カソード支持部１に支持されたカソード電極Ｃとアノード支持部２に支持されたアノード電極Ａとの間を距離Ｌとして接続する。

【0047】

接続体３は、一例として、アノード支持部２に一端が接続され他端がカソード支持部１に接続されるアームである。一例として、接続体３はアノード支持部２と一体に形成されていてもよい。この場合、カソード支持部１は、接続体３と接続するための接続部１３を有する。接続部１３には切り欠き１３Ａが形成され、接続体３の他端に設けられた切り欠き３１と接合する。

【0048】

カソード支持部１とアノード支持部２とが接続体３によって接続されることで、カソード支持部１の第２収容空間１０によって生じた浮力がアノード支持部２にも与えられる。その結果、支持体１００は、カソード電極Ｃ、アノード電極Ａ、及び、土壌Ｓを内部に収容した状態で液体に浮遊する。すなわち、カソード電極Ｃ、アノード電極Ａ、及び、土壌Ｓのいずれも浮遊する。

【0049】

好ましくは、接続体３は、カソード支持部１とアノード支持部２との間の距離、すなわち、カソード電極Ｃとアノード電極Ａとの間の距離Ｌを可変とするように、カソード支持部１からアノード支持部２までの長さが調整自在に構成されている。一例として、接続体３は、アノード支持部２を基端として延びるアームであって、図２に表されたように、基端からの長さの異なる複数の切り欠き３１，３１Ａを有していてもよい。この場合、カソード支持部１に設けられた接続部１３の切り欠き１３Ａと接合させる接続体３の切り欠き３１，３１Ａを切り替えることで、カソード支持部１からアノード支持部２までの長さが調整される。

【0050】

これにより、距離Ｌをカソード電極Ｃとアノード電極Ａとの間の液体量が適量となるよう調整できるとともに、支持体１００を液体に浮遊させたときに、水深Ｄに応じた距離Ｌとすることができる。つまり、アノード支持部２が液体の底部に当たらないよう距離Ｌを調整することができる。

【0051】

図５は、支持体１００を用いた発電装置１００Ａの製造方法の一例を表したフローチャートである。一例として、発電装置１００Ａは、アノード電極Ａをアノード支持部２に設置し（ステップＳ１）、その上に土壌Ｓを入れる（ステップＳ２）。そして、アノード支持部２上面の開口２５にカバー２３を設置する（ステップＳ３）。

【0052】

また、カソード支持部１の底面１１に交換膜４を貼り付け（ステップＳ４）、カソード電極Ｃをカソード支持部１に設置する（ステップＳ５）。そして、アノード支持部２をカソード支持部１に接続体３で接続する（ステップＳ６）。

【0053】

アノード電極Ａに一方端が接続された導線５Ａの他端を導線用孔２４を通して第１収容空間２０の外部に出し、カソード支持部１の導線ホルダ１４に保持させるとともに、カソード電極Ｃに一方端が接続された導線５Ｃの他端をカソード支持部１の第２収容空間１０の外部に出す（ステップＳ７）。

【0054】

以上の生成方法により、図４に表された状態の発電装置１００Ａが製造される。なお、図５の製造方法は一例であって、他の方法であってもよい。例えば、支持体１００は予め一体成型されており、接続体３で接続する過程がなくてもよい。

【0055】

アノード支持部２に微生物を保持した土壌Ｓが収容されるため、発電装置１００Ａは、外部から燃料が供給されなくても発電を行うことができる。そのため、発電装置１００Ａは、液体に浮遊させるだけで発電できるとともに、アノード支持部２を液体底部に設置しなくても発電できる。これにより、発電装置１００Ａは、底質のない環境や水深が大きい環境でも効率よく発電できる。

【0056】

図６は、発電装置１００Ａを利用したフローティングセンサ１００Ｂの概略図である。フローティングセンサ１００Ｂは、発電装置１００Ａの導線５Ａ，５Ｃに接続された負荷回路２００を有する。このとき、カソード支持部１がリブ１７を有することで、負荷回路２００をリブ１７の上に設置することができる。

【0057】

負荷回路２００は、発電装置１００Ａの発電を検知可能な負荷を含む。一例として、負荷回路２００はＬＥＤ（Light Emitting Diode）インジケータ回路である。この場合、負荷回路２００は、負荷としてのＬＥＤとコンデンサとを有する。負荷回路２００は、発電装置１００Ａから供給されたコンデンサに電力を蓄えて、ＬＥＤを点滅させる。

【0058】

フローティングセンサ１００Ｂを液体に浮遊させることで、発電装置１００Ａは発電する。すなわち、液体に接することによって土壌Ｓに保持されていた微生物は有機物を分解し、プロトン（Ｈ⁺）及び電子（ｅ^-）を生成する。電子はアノード電極Ａで回収され、導線５Ａ、負荷回路２００、及び導線５Ｃを経由してカソード電極Ｃに移動する。プロトンは、交換膜４を透過してカソード電極Ｃに移動する。カソード電極Ｃにおいて、外気から取り込まれた酸素と、カソード電極Ｃに移動した電子及びプロトンとの反応により水が発生する。

【0059】

アノード電極Ａで回収された電子がカソード電極Ｃに移動する際、導線５Ａ及び導線５Ｃに接続された負荷回路２００を経由する。これにより、負荷回路２００のコンデンサに電力が蓄えられる。コンデンサの蓄電量が一定となることで、ＬＥＤが点滅する。そのため、ＬＥＤの点滅によって発電装置１００Ａでの発電が検知される。

【0060】

図７は、負荷回路２００のコンデンサの両端で測定された電圧波形を表した図である。フローティングセンサ１００Ｂが液体に浮遊することで発電装置１００Ａは発電し続け、負荷回路２００に連続的に電力が供給される。そのため、負荷回路２００のコンデンサは、図７に示されたように充放電を繰り返す。

【0061】

詳しくは、コンデンサは、初期電圧Ｖ０（３００［ｍＶ］）から、発電装置１００Ａからの電力が供給によって所定電圧Ｖ１（例えば２．５［Ｖ］）まで充電されると、電圧Ｖ１に達した時刻Ｔ１でＬＥＤに放電する。そのため、時刻Ｔ１でＬＥが１回点滅する。コンデンサの電圧は時刻Ｔ１で低下し、再び、発電装置１００Ａからの電力が供給によって充電される。従って、発電装置１００Ａが連続的に発電している場合、負荷回路２００のＬＥＤは連続して点滅する。

【0062】

図８は、負荷回路２００に供給される電力の電圧Ｖと、点滅間隔Ｈとの測定結果を示した図である。この測定によると、ＬＥＤの点滅は電圧Ｖがコンデンサの初期電圧Ｖ０（３００［ｍＶ］）程度から開始される。その後、電圧Ｖが増加するほど点滅間隔Ｈは指数関数的に減少する。

【0063】

発明者らは、図８の測定結果より、負荷回路２００に供給される電力の電圧Ｖと、点滅間隔Ｈとの間に相関関係があることを見出した。そして、発明者らは、点滅間隔Ｈを測定することによって、負荷回路２００に供給された電力の電圧Ｖ、つまり、発電装置１００Ａによって発電された電力の電圧が得られることに思い至った。

【0064】

発明者らは、発電装置１００Ａの発電効率を検証するために、発電装置１００Ａの支持体１００に支持される有機物量を変化させて発電電圧を測定した。発電電圧は、図８で得られたフローティングセンサ１００Ｂの点滅間隔Ｈと負荷回路２００に供給された電力の電圧Ｖとの関係を用いて、点滅間隔Ｈの測定結果より算出した。

【0065】

図９は、実験１と実験２との条件を表した図である。いずれの実験でも、フローティングセンサ１００Ｂを浮遊させる液体としてＬＢ培養液を用いた。実験１では、液体におけるＬＢの濃度を０．２，０．３，０．３５，０．４，０．４５，０．５（％）とした。各々の液体における有機物濃度（ＣＯＤ：Chemical Oxygen Demand（化学的酸素要求量））は、３７．２，５５．８，６５．１，７４．４，８３．７，９３［ｍｇ／ｌ］である。実験２では、ＬＢの濃度を１，２，３，４，５，１０（％）とした。各々の液体におけるＣＯＤは、１８６，３７２，５５８，７４４，９３０，１８６０［ｍｇ／ｌ］である。

【0066】

図１０は実験１、図１１は実験２での結果を示した図である。図１０及び図１１の縦軸は、フローティングセンサ１００Ｂの点滅間隔Ｈの測定結果より図８の関係を用いて算出された電圧Ｖ、横軸はＣＯＤの値を表している。

【0067】

図１０及び図１１より、フローティングセンサ１００Ｂを浮遊させる液体としてＬＢ培養液を用いた場合、ＣＯＤの値の増加に伴って発電装置１００Ａから出力される電圧Ｖが線形的に増加することが分かった。ＣＯＤの値が小さい領域では電圧Ｖの増加率が高く、ＣＯＤの値が大きい領域では電圧Ｖの増加率が小さい。また、ＣＯＤの値が５６［ｍｇ／ｌ］程度からＬＥＤの点滅が始まったことから、発電装置１００Ａの出力電圧が３００［ｍＶ］より大きいことが測定された。

【0068】

発明者らは、さらに、発電装置１００Ａの長期的な動作特性を得るため、実験１，２においてフローティングセンサ１００Ｂを浮遊させたまま長期保持してその際の発電電圧を測定した。実験では、浮遊開始から２３週目から２６週目までの期間での発電電圧を測定し、それぞれ、図１２及び図１３の測定結果が得られた。図１２及び図１３は、フローティングセンサ１００Ｂの点滅間隔Ｈの測定結果より図８の関係を用いて算出された電圧Ｖ、横軸はＣＯＤの値を表している。図中の値が、測定値を表している。図１２及び図１３では、比較のために、それぞれ、図１０及び図１１のグラフが重ねて示されている。

【0069】

図１２及び図１３の結果より、浮遊開始から２３週目から２６週目までの期間での発電電圧ＶとＣＯＤの値との関係は、概ね、図１０及び図１１の関係と等しい。そのため、発電装置１００Ａは長期にわたって発電可能であるという長期的な動作特性が確認された。

【0070】

発明者らは、さらに、フローティングセンサ１００Ｂを浮遊させる液体を米のとぎ汁（ＲＷＷ）に替え、実験３を行った。実験３では、液体における米のとぎ汁の濃度を２．５，３，５，１０（％）とした。各々の液体におけるＣＯＤは、５７．５，６９，１１５，２３０［ｍｇ／ｌ］である。

【0071】

図１４は実験３での結果を示した図である。図１４より、フローティングセンサ１００Ｂを浮遊させる液体として米のとぎ汁を用いた場合であっても、ＣＯＤの値の増加に伴って発電装置１００Ａから出力される電圧Ｖが線形的に増加することが分かった。また、ＣＯＤの値が６９［ｍｇ／ｌ］程度からＬＥＤの点滅が始まったことから、発電装置１００Ａの出力電圧が３００［ｍＶ］より大きいことが測定された。

【0072】

実験１～３より、フローティングセンサ１００ＢにおけるＬＥＤの点滅間隔Ｈを用いて液中の有機物量をセンシングできることが検証された。また、そのセンシングが長期にわたって可能であることが検証された。さらに、フローティングセンサ１００Ｂを用いて家庭排水の流入をセンシングできることが検証された。

【0073】

発明者らは、さらに、比較例として実験４を行った。実験４では、支持体１００に土壌Ｓを収容しない発電装置を実験２と同条件のＬＢ培養液にフローティングセンサ１００Ｂを浮遊させ、発電電圧を測定した。図１５は、実験４での結果を示した図である。図１５では、比較のために、図１１のグラフが重ねて示されている。

【0074】

支持体１００に土壌Ｓなどの保持材が収容されていない発電装置は、液体中の微生物を利用して発電する。図１５と図１１とを比較すると、図１５の方が図１１の結果よりも発電電圧が低いことがわかる。例えば、ＣＯＤの値が１０００［ｍｇ／ｌ］であるとき、土壌Ｓが収容されている図１１では０．５６［Ｖ］であるのに対して、土壌Ｓが収容されていない図１５の結果では０．２５［Ｖ］しかない。

【0075】

また、図１６は、実験２と実験４とのそれぞれにおける、電圧Ｖの時間変化を表した図である。図１６の上が土壌Ｓが収容された実験２での電圧Ｖの時間変化を表し、下が土壌Ｓが収容されていない実験４での電圧Ｖの時間変化を表している。これらを比較すると、実験２において起動から最大電圧に達するまでの時間Ｌ１が４８時間程度であるのに対して、実験４において起動から最大電圧に達するまでの時間Ｌ２は７２時間である。

【0076】

これらの結果より、支持体１００が土壌Ｓなどの保持材を支持した本実施の形態に係る発電装置１００Ａの方が、保持材を保持していない発電装置と比較して発電電圧が高いことが検証された。また、本実施の形態に係る発電装置１００Ａの方が、保持材を保持していない発電装置と比較して起動時間が短いことが検証された。従って、本実施の形態に係る発電装置１００Ａの方が、保持材を保持していない発電装置と比較して効率よく発電できることが検証された。

【0077】

＜３．付記＞
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】

【0078】

１ ：カソード支持部
２ ：アノード支持部
３ ：接続体
４ ：交換膜
５Ａ ：導線
５Ｃ ：導線
１０ ：第２収容空間
１１ ：底面
１３ ：接続部
１３Ａ ：切り欠き
１４ ：導線ホルダ
１４Ａ ：孔
１５ ：開口
１６ ：孔部
１７ ：リブ
２０ ：第１収容空間
２１ ：底面
２３ ：カバー
２３Ａ ：孔部
２４ ：導線用孔
２５ ：開口
２６ ：孔部
３１ ：切り欠き
３１Ａ ：切り欠き
１００ ：支持体
１００Ａ ：発電装置
１００Ｂ ：フローティングセンサ
２００ ：負荷回路
Ａ ：アノード電極
Ｃ ：カソード電極
Ｄ ：水深
Ｈ ：点滅間隔
Ｌ ：距離
Ｓ ：土壌
Ｖ ：電圧
Ｖ０ ：初期電圧
Ｖ１ ：電圧

【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】