特許 7505756 微生物燃料電池及び底泥改質方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】微生物燃料電池及び底泥改質方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/16 20060101AFI20240618BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20240618BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20240618BHJP

   H01M 4/96 20060101ALI20240618BHJP

   C02F 3/34 20230101ALI20240618BHJP

   C02F 11/02 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H01M8/16

H01M4/86 B

H01M4/90 M

H01M4/96 M

C02F3/34 101Z

C02F11/02

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020177834

(22)【出願日】2020-10-23

(65)【公開番号】P2021072284

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2023-09-22

(31)【優先権主張番号】P 2019196155

(32)【優先日】2019-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】100196380

【弁理士】

【氏名又は名称】森 匡輝

(72)【発明者】

【氏名】日比野 忠史

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０８４５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３０８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５５０２６７３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／８６－ ４／９８

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導線に接続された複数の糸状カーボンである負極本体と鉄鋼スラグとを有する負極と、
水層に配置されるための正極と、を備え、
前記負極は、泥層に配置されるための電極であり、前記負極本体と前記鉄鋼スラグとが混合されている、
ことを特徴とする微生物燃料電池。

【請求項2】

前記正極は、
酸素消費物質吸収剤を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の微生物燃料電池。

【請求項3】

前記酸素消費物質吸収剤は、
石炭灰造粒物である、
ことを特徴とする請求項２に記載の微生物燃料電池。

【請求項4】

前記負極本体及び前記鉄鋼スラグは、網袋状の保持体に収容されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項5】

前記負極は、前記導線に接続されず前記鉄鋼スラグと混合された補助カーボンを備える、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項6】

前記泥層は、外部助燃料を含む、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項7】

前記負極と前記正極の間の泥層に配置される中継負極及び中継正極を備える、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の微生物燃料電池を動作させることにより、前記負極周辺の底泥を改質する、
ことを特徴とする底泥改質方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微生物燃料電池及び底泥改質方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、微生物の代謝能力を利用して有機物などの燃料を電気エネルギーに変換する微生物燃料電池（ＭＦＣ：Microbial Fuel Cell）が開発されている。特に、河川、湖沼、海等の堆積泥を燃料とした微生物燃料電池（ＳＭＦＣ：Sediment Microbial Fuel Cell）は、発電と同時に有機廃棄物の処理、水質改善等の環境浄化を行うことができるので、堆積泥を燃料とする種々の微生物燃料電池が開発されている。

【0003】

一般的に、微生物燃料電池は、発電可能な電力が小さいので、大きな電力を得るための方法が開発されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－１１４３７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の微生物燃料電池では、竹炭、木炭等からなる負極を堆積泥に埋設し、水層に配置された正極と接続することとしている。さらに、特許文献１では、木炭又は竹炭に鉄合金、マンガン等の金属還元剤を取り付けて負極とすることで、発生する電力量を増加させる方法が開示されている。

【0006】

しかしながら、金属還元剤を負極の一部として木炭等に一体化させるため、負極の構造が複雑で製造コストが大きい。また、金属還元剤を用いた場合であっても、得られる電力量は実用的な電源としては小さい。

【0007】

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、安価で構造の簡素な負極を用いて、発電される電力量の大きい微生物燃料電池及び底泥改質方法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】

【0008】

上記目的を達成するために、この発明の第１の観点に係る微生物燃料電池は、
導線に接続された複数の糸状カーボンである負極本体と鉄鋼スラグとを有する負極と、
水層に配置されるための正極と、を備え、
前記負極は、泥層に配置されるための電極であり、前記負極本体と前記鉄鋼スラグとが混合されている。

【0009】

また、前記正極は、
酸素消費物質吸収剤を備える、
こととしてもよい。

【0010】

また、前記酸素消費物質吸収剤は、
石炭灰造粒物である、
こととしてもよい。

【0011】

また、前記負極本体及び前記鉄鋼スラグは、網袋状の保持体に収容されている、
こととしてもよい。

【0012】

また、前記負極は、前記導線に接続されず前記鉄鋼スラグと混合された補助カーボンを備える、
こととしてもよい。

【0013】

また、前記泥層は、外部助燃料を含む、
こととしてもよい。

【0014】

また、前記負極と前記正極の間の泥層に配置される中継負極及び中継正極を備える、
こととしてもよい。

【0015】

また、本発明の第２の観点に係る底泥改質方法は、
第１の観点に係る微生物燃料電池を動作させることにより、前記負極周辺の底泥を改質する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、負極に含まれる糸状の負極本体と鉄鋼スラグとを混合された状態で泥層に配置することにより、簡素な構造で安価な負極とするとともに、発電される電力量を大きくすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態１に係る微生物燃料電池の概念図である。

【図2】（Ａ）は、実施の形態１に係る正極の構成を示す図であり、（Ｂ）は、正極本体を示す図である。

【図3】実施の形態１に係る負極を示す図であり、（Ａ）は、負極本体を網袋に収容する前の図、（Ｂ）は、負極本体を網袋に収容した後の図である。

【図4】鉄鋼スラグを負極に用いた場合の電子伝達機構を示す模式図である。

【図5】鉄鋼スラグを用いた場合と鉄鋼スラグを用いなかった場合で得られた電力の例を示すグラフである。

【図6】実施の形態１に係る微生物燃料電池で得られた電力の例を示すグラフである。

【図7】使用前の鉄鋼スラグと使用後の鉄鋼スラグの例を示す図である。

【図8】二価鉄の溶出量の例を示すグラフである。

【図9】（Ａ）は、図８に係る実験における負極の構成を示す概念図であり、（Ｂ）は、負極の例を示す平面図である。

【図10】本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池の構成を示す概念図である。

【図11】実施の形態２に係る微生物燃料電池で得られた電力の例を示すグラフである。

【図12】本発明の実施の形態３に係る電源装置の構成を示す概念図である。

【図13】実施の形態３に係る電源装置で得られた電流の例を示すグラフである。

【図14】本発明の実施の形態４に係る微生物燃料電池の構成を示す概念図である。

【図15】実施の形態４に係る中継正極の電位を示すグラフである。

【図16】実施の形態４に係る第１の回路のみ及び第１の回路と第２の回路とを併用した回路から得られた電流値を示すグラフである。

【図17】第１の回路のみの場合及び第１の回路と第２の回路とを併用した場合の電流値から導出される獲得電子量を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態に係る微生物燃料電池及び底泥改質方法について図面を参照して詳細に説明する。

【0019】

（実施の形態１）
本実施の形態に係る微生物燃料電池１は、図１に示すように、正極１０、導線２０、負極３０、出力部４０を備える。

【0020】

正極１０は、図２（Ａ）に示すように、微生物燃料電池１の設置場所である河川、湖沼、海等の水層に配置される微生物燃料電池１のカソード電極であり、正極本体１１、網状板１２を備える。

【0021】

正極本体１１は、糸状カーボンである。具体的には、糸状カーボンは、厚さ０．２５ｍｍ±０．０５ｍｍのカーボンシート（NEWS Company社PL200-N）を、幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍに裁断して５００℃で３０分間焼成した後、２５ｍｍ×３００ｍｍの糸状にしたものである。本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、この糸状カーボンの中間部分を結束して、導線２０に接続している。

【0022】

上述のように、本明細書において糸状カーボンとは、細線状のものに限られず、柔軟性を有する矩形板状のものも含まれる。

【0023】

また、正極本体１１は、２枚の網状板１２で挟持されている。網状板１２の材質は、樹脂、ゴム等特に限定されず、大きさも、特に限定されない。本実施の形態に係る網状板１２は、タキロンシーアイ社製トリカルネット（登録商標）Ｈ０２であり、材質は低密度ポリエチレン、網目ピッチは１０ｍｍ×１０ｍｍである。また、大きさは、３００ｍｍ×３００ｍｍの四角形である。２枚の網状板１２は、正極本体１１を挟み込んだ状態で、ナイロン製の結束バンド等で固定される。このように、正極本体１１を網状板１２で挟持することにより、正極本体１１が、河川、湖沼、海等の自然環境下で長期間水流を受けることによって切断され、水中に流出することを抑制できる。

【0024】

図２（Ａ）に示すように、本実施の形態では、２つの正極１０が導線２０に並列に接続されている。また、２つの正極１０は塩化ビニル管の連結棒１３に固定されており、連結棒１３の中間部に浮体１４が取り付けられている。これにより、正極１０は水面、より詳細には、微生物燃料電池１が設置される河川、湖沼、海等の水面近傍の水中に、正極本体１１が位置するように、配置される。したがって、正極本体１１は、酸素濃度の高い水面近傍に配置されるので、効率よく発電を行うことができる。

【0025】

導線２０は、図１に示すように、正極１０及び負極３０と負荷４５とを接続して、微生物燃料電池１で発生した電力を負荷４５へ伝えるものである。これにより、微生物燃料電池１で発生した電力を、照明用ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の負荷４５で利用することができる。導線２０の素材、径、抵抗値等は、特に限定されず、微生物燃料電池１の起電力、設置環境等に適した特性のものを選択すればよい。

【0026】

負極３０は、泥層に配置される微生物燃料電池１のアノード電極であり、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、負極本体３１、鉄鋼スラグ３２、網袋３３を備える。

【0027】

負極本体３１は、正極本体１１と同様の糸状カーボンである。具体的には、糸状カーボンは、０．２５ｍｍ±０．０５ｍｍのカーボンシート（NEWS Company社PL200-N）を、幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍに裁断して５００℃で３０分間焼成した後、２５ｍｍ×３００ｍｍの糸状にしたものである。本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、この糸状カーボンの中間部分を結束して、導線２０に接続している。

【0028】

鉄鋼スラグ３２は、負極本体３１とともに網袋３３に収容されて負極３０を構成し、微生物燃料電池１の助燃料として発電される電力量を大きくするとともに、錘として陸上又は水上から投げ込まれた負極３０を泥層に設置させるものである。

【0029】

鉄鋼スラグ３２は、鉄鋼製造工程において副産物として発生するスラグであり、石灰（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）等を含む。本発明に係る鉄鋼スラグ３２は、鉄（Ｆｅ）の含有率の高い製鋼スラグであることが好ましい。これにより、鉄鋼スラグ３２を微生物燃料電池１の助燃料として用いることができる。

【0030】

図４は、鉄鋼スラグ３２を負極本体３１とともに泥層に配置した場合の電子伝達機構を模式的に示したものである。図４に示すように、鉄鋼スラグ３２を負極３０に用いると、鉄鋼スラグ３２に残存している鉄の溶解反応により二価鉄（Ｆｅ^２＋）が生じる。これにより、底泥の酸化還元電位を低下させるとともに、多くの電子を得ることができるので、発電される電力量を大きくすることができる。

【0031】

図５は、負極３０に鉄鋼スラグ３２を用いた場合と用いなかった場合の電力量の例（Ｉ－Ｗ曲線）を示している。図５に示すように、本例では、鉄鋼スラグ３２を用いなかった場合の最大出力は、電極面積あたり１３０ｍＷであるのに対し、鉄鋼スラグ３２用いた場合の最大出力は、５８０ｍＷである。この結果から、鉄鋼スラグ３２を負極本体３１とともに泥層に配置して、負極３０とすることにより、発電される電力量を大幅に増加できることがわかる。

【0032】

本実施の形態に係る鉄鋼スラグ３２は礫状であり、その大きさは特に限定されないが、網袋３３の網目から流出しないように、一定以上の大きさとしつつ、鉄鋼スラグ３２の表面積がなるべく大きくなるように選択する。具体的には、鉄鋼スラグ３２の大きさは、１～３．５ｃｍ程度であることが好ましい。

【0033】

網袋３３は、負極本体３１及び鉄鋼スラグ３２を収容して負極３０を構成する網袋状の保持体である。網袋３３の素材、大きさ等は特に限定されず、負極本体３１の長さ、鉄鋼スラグ３２の大きさ等に基づいて適宜選択することができる。本実施の形態に係る網袋３３は、７０００ｃｍ^３の鉄鋼スラグ３２を収容できるナイロン製の袋である。また、堆積泥は網袋３３中に多く入ってくることが好ましいので、網袋３３の網目の大きさは、鉄鋼スラグ３２が網袋３３から流出しない範囲で大きいことが好ましく、例えば５ｍｍ程度である。

【0034】

網袋３３に負極本体３１と鉄鋼スラグ３２とを収容し、負極本体３１の糸状カーボンが、鉄鋼スラグ３２の間に広く配置されるように、負極本体３１と鉄鋼スラグ３２とを混合して絡ませる。そして、図３（Ｂ）に示すように、負極本体３１及び鉄鋼スラグ３２が網袋３３から流出しないように網袋３３の口を閉める。網袋３３の口は、例えばナイロン製の結束バンドを用いて締められる。

【0035】

出力部４０は、微生物燃料電池１の電力出力部であり、導線２０を介して、正極１０、負極３０と、それぞれ接続されている。出力部４０は、例えば、照明用ＬＥＤ等の負荷４５に接続されている。また、出力部４０は、蓄電池に接続されて、微生物燃料電池１で発生した電力を蓄電池に充電することとしてもよい。

【0036】

図６は、正極面積及び負極面積、すなわち正極本体１１及び負極本体３１の糸状カーボンの表面積を、それぞれ９００ｃｍ^２とする微生物燃料電池１で得られた電力の例を示している。図６のＩ－Ｖ曲線及びＩ－Ｗ曲線に示されるように、本例の最大電圧は０．５Ｖ、最大出力は、１１０ｍＡで６０ｍＷ程度である。

【0037】

以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、糸状カーボンである負極本体３１と鉄鋼スラグ３２とが混合された状態で泥層に配置されるので、負極３０の構造を簡素にするとともに、微生物燃料電池１で発電される電力量を大幅に増加させることができる。

【0038】

また、本実施の形態では、負極本体３１と鉄鋼スラグ３２とを網袋３３に収容して微生物燃料電池１用の負極３０としている。したがって、陸上又は水上から負極３０を投入することにより、水中の堆積泥（比重１．１程度）に、鉄鋼スラグ３２を備える負極３０（鉄鋼スラグ３２の比重２．６程度）が沈降し、泥層に負極３０を設置することが可能である。これにより、負極３０を容易に堆積泥中に設置することができる。

【0039】

また、微生物燃料電池１は、負極３０を河川、湖沼、海等の泥層に設置して、底泥（ヘドロ）を主燃料とするので、発電と同時に底泥の浄化を行うことができる。また、網袋３３の網目を通じて負極３０内に入った底泥は、発電に伴う反応により流動性が高まり、河川、湖沼、海等の水流によって網袋３３から流出しやすくなる。そして、水流とともに、網袋３３内の底泥が入れ替わり、継続的に底泥の浄化を行うことができる。

【0040】

図７は、鉄鋼スラグ３２の使用前と使用後の状態を示す図である。使用後の鉄鋼スラグ３２は、海底の泥層に設置された、微生物燃料電池１の負極３０の一部として２年間動作させた後のものである。図７に示すように、使用後の鉄鋼スラグ３２は、ひび割れ、小さく砕けていることがわかる。これは、微生物燃料電池１が動作することにより、鉄鋼スラグ３２から鉄イオン等のイオンが溶出したことによるものと考えられる。このように、本発明に係る負極３０の一部として鉄鋼スラグ３２を用いることにより、鉄鋼スラグ３２を粉砕することができるので、鉄鋼スラグ３２を土木材料等に再利用するための処理方法として微生物燃料電池１による発電方法を用いることができる。

【0041】

図８は、鉄鋼スラグ３２による二価鉄（Ｆｅ^２＋）の溶出量の例を示すグラフである。具体的には、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、直径３０ｃｍ、深さ３０ｃｍの円筒状の容器に電極（負極本体３１）と１５ｋｇの鉄鋼スラグ３２とを投入し、有機物の沈降が多い海底に設置する。そして、微生物燃料電池１として１年間動作させた後に、容器内の二価鉄の量を計測した。本実験では、比較のために容器内になにも入れずに設置した場合、鉄鋼スラグ３２を入れずに負極本体３１のみを入れた従来のＳＭＦＣの場合、鉄鋼スラグ３２のみをいれた場合、それぞれについて二価鉄の溶出量を計測した。

【0042】

図８に示すように、容器に何も入れなかった場合（control）の二価鉄の量は０．１６ｍｇ／Ｌ、容器に負極本体３１のみを入れた場合（ＳＭＦＣ）の二価鉄の量は０．２２ｍｇ／Ｌであり、ほぼ同等であった。また、容器に鉄鋼スラグ３２のみを入れた場合の二価鉄の溶出量は１４ｍｇ／Ｌであり、容器に負極本体３１と鉄鋼スラグ３２とを入れて微生物燃料電池１として動作させた場合の二価鉄の溶出量は４４５００ｍｇ／Ｌであった。この結果から、鉄鋼スラグ３２を負極本体３１とともに海底に設置して微生物燃料電池１として動作させた場合の二価鉄の溶出量は、単に鉄鋼スラグ３２を海底に設置した場合と比較して、３０００倍以上多くなることがわかる。

【0043】

すなわち、本発明のように鉄鋼スラグ３２を負極本体３１とともに底泥に配置して微生物燃料電池１を動作させることにより、多くの鉄を供給することができるので、鉄が欠乏した環境であっても微細藻類の増殖を図ることができる等、効率的に負極３０周辺の底泥を改質することが可能である。

【0044】

また、正極１０は、酸素消費物質吸収剤を備えることとしてもよい。酸素消費物質吸収剤は、底泥等から生じる硫化水素等の酸素消費物質を吸収する。これにより、正極１０への酸素供給量が低下して、微生物燃料電池１の発電効率が低下することを抑制することができる。

【0045】

酸素消費物質吸収剤は、特に限定されず、硫化水素等の酸素消費物質を吸収できるものであればよく、例えば、石炭灰造粒物である。この場合、ビーズ状の石炭灰造粒物を、糸状カーボンの正極本体１１と混合し、網状板１２で挟持すればよい。石炭灰造粒物は、酸化カルシウムを含む酸素消費物質吸収剤であり、取扱い及び費用の点で好ましい。

【0046】

本実施の形態に係る微生物燃料電池１は、１つの負極３０を備えることとしたが、これに限られない。例えば、複数の負極３０を接続することにより、発電量を増加させることとしてもよい。また、複数の正極１０を接続することとしてもよい。これらにより、消費電力の大きい種々の負荷４５を出力部４０に接続して、駆動させることができる。

【0047】

本実施の形態に係る負極３０は、負極３０の周辺１ｍ程度範囲で泥を酸化できるので、複数の負極３０を接続する場合、負極３０を１．５ｍ程度の間隔で格子状に設置することが好ましい。負極３０を格子状に配置して、並列接続することにより、微生物燃料電池１の発電電力を増加させるとともに、効率よく泥層の浄化範囲を広げることができる。

【0048】

また、本実施の形態では、鉄鋼スラグ３２を助燃料として用いることとしたが、外部助燃料を用いることとしてもよい。外部助燃料は、負極３０が設置される泥層において、負極３０の周辺に配置される助燃料である。外部助燃料の材質は特に限定されないが、例えば、網袋３３内の助燃料である鉄鋼スラグ３２と同様の鉄鋼スラグ３２を用いることができる。より具体的には、負極３０を中心とする半径１ｍ円内の泥層に、外部助燃料として、鉄鋼スラグ３２を１０ｃｍ程度の厚さで撒けばよい。これにより、発電量を増加させ、継続的、安定的に電流を獲得することができる。

【0049】

（実施の形態２）
本実施の形態に係る微生物燃料電池２は、負極３０’が、補助カーボン３５を備える点で、実施の形態１と異なる。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、同じ符号を付す。

【0050】

本実施の形態に係る負極３０’は、負極本体３１、鉄鋼スラグ３２、網袋３３、補助カーボン３５を備える。負極本体３１、鉄鋼スラグ３２、網袋３３の構成は、実施の形態１と同様である。

【0051】

補助カーボン３５は、正極本体１１、負極本体３１と同様の糸状カーボンを裁断したものであり、補助カーボン３５の長さは１ｃｍ程度である。補助カーボン３５は、図１０の概念図に示すように、導線２０に接続されず、鉄鋼スラグ３２と混合された状態で負極３０’の網袋３３に収容される。これにより、補助カーボン３５を介して負極本体３１へと電子を運ぶことができるので、補助カーボン３５が無く、水中を電子が伝わる場合と比較して、効率よく負極３０内の電子を集めることができる。

【0052】

図１１は、正極面積及び負極面積、すなわち正極本体１１及び負極本体３１の糸状カーボンの表面積を、それぞれ９００ｃｍ^２とする微生物燃料電池２で得られた電力の例を示している。図１１では、比較のため、実施の形態１に係る微生物燃料電池１、本実施の形態に係る微生物燃料電池２を用いて室内実験を行った場合の例（室内）と、海に微生物燃料電池１を設置して実験を行った場合の例（現地）とを示している。図１１のＩ－Ｖ曲線及びＩ－Ｗ曲線に示されるように、本例の室内実験では、最大電圧は０．９５Ｖ、最大出力は、２．４Ａ／ｍ^２で１．２Ｗ／ｍ^２程度であり、実施の形態１に係る微生物燃料電池１と比較して、より大きな電力を得られることがわかる。

【0053】

以上説明したように、本実施の形態に係る微生物燃料電池２では、負極３０’が補助カーボン３５を備えることにより、発生する電力を大きくすることができる。

【0054】

本実施の形態では、補助カーボン３５として、適当な長さに裁断された糸状カーボンを用いることとしたが、これに限られない。例えば、竹炭、木炭等を用いることとしてもよい。これにより、補助カーボン３５としてより安価な材料を使用することができる。

【0055】

（実施の形態３）
上述の実施の形態１及び実施の形態２に係る微生物燃料電池１、２は、他の補助電池５１とともに用いることも可能である。本実施の形態では、上述の実施の形態に係る微生物燃料電池１と、補助電池５１とを直列に接続した電源装置５０について説明する。

【0056】

電源装置５０は、図１２に示すように、微生物燃料電池１、補助電池５１を備える。微生物燃料電池１は、複数並列に接続して用いることとしてもよく、微生物燃料電池１に代えて微生物燃料電池２を用いてもよい。また、微生物燃料電池１と微生物燃料電池２の両方を用いてもよい。

【0057】

補助電池５１の種類、出力等は特に限定されないが、微生物燃料電池１とともに屋外に設置可能であり、発電時に騒音、排出物を出さないことから太陽電池を用いることが好ましい。

【0058】

補助電池５１が微生物燃料電池１と直列に接続されることにより、電源装置５０の電圧が高まり電流が大きくなる。図１３は、補助電池５１を用いた場合と、補助電池５１を用いなかった場合とにおける発生電流の時間変化の例を示すグラフである。図１３に示すように、補助電池５１である太陽電池を用いた場合、電源装置５０の電流が増加している。

【0059】

以上説明したように、電源装置５０は、補助電池５１と微生物燃料電池１とを直列に接続することにより、電流を増加させるので、微生物燃料電池１の負極３０周辺の泥層の浄化を促進することができる。また、鉄鋼スラグ３２の破砕の進行を早めることができる。

【0060】

本実施の形態では、補助電池５１として、太陽電池を用いることとしたが、これに限られない。例えば、アルカリ電池、マンガン電池等の一次電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池等の二次電池等でもよい。これにより、安価で設置の容易な電源装置５０を構成することができる。また、補助電池５１の種類に関わらず、複数の補助電池５１を組み合わせて用いることとしてもよい。

【0061】

（実施の形態４）
上述の実施の形態１及び実施の形態２に係る微生物燃料電池１、２は、正極１０と負極３０とを直接接続することとしているが、正極１０と負極３０との間に中継電極を配置することも可能である。本実施の形態では、実施の形態１に係る微生物燃料電池１で示された正極１０と負極３０との間の回路に、泥層に配置される中継正極５２及び中継負極５３を備える微生物燃料電池３について説明する。

【0062】

中継正極５２は、図１４に示すように、負極３０と接続された電極であり、泥層に配置される。中継正極５２に係る素材、形状等の構成は特に限定されない。本実施の形態に係る中継正極５２は、実施の形態１に係る正極１０と同様の構成、すなわち結束された糸状カーボンを網状板１２で挟み込んだ構成となっている。これにより、柔軟性を有する糸状カーボンの電極本体を、剛性を有する網状板１２とともに泥層に埋め込むことができるので、糸状カーボンのみの場合と比較して、より容易に中継負極５３を泥層に配置することができる。また、電極本体である糸状カーボンを広い範囲（面積）に拡げて泥層に配置することができるので、負極３０で獲得された電子によって、中継正極５２周辺の電位を効率的に低下させることができる。

【0063】

中継負極５３は、正極１０と接続された電極であり、中継正極５２の近傍の泥層に配置される。中継負極５３に係る素材、形状等の構成は特に限定されない。本実施の形態に係る中継負極５３は、中継正極５２と同様に、結束された糸状カーボンを網状板１２で挟み込んだ構成となっている。これにより、中継負極５３を容易に泥層に配置することができる。中継正極５２と中継負極５３との間の距離は特に限定されず、中継負極５３が中継正極５２による電位低下の影響を受ける範囲で、中継正極５２、中継負極５３の形状等に基づいて設定すればよい。本実施の形態では、中継正極５２と中継負極５３との間の距離は、５ｃｍと設定される。

【0064】

微生物燃料電池３では、網状板１２で挟み込まれた中継正極５２と中継負極５３とが対向するように泥層に配置される。これにより、負極３０で獲得された電子が中継正極５２に伝わり、中継正極５２及び中継負極５３の周辺の電位を低下させる。したがって、中継負極５３と正極１０との間の電位差を大きくすることができ、中継負極５３と正極１０との間で生じる電流を大きくすることができる。これにより、微生物燃料電池３の性能を向上させることができる。また、負極３０周辺のみならず、中継正極５２及び中継負極５３周辺でも底泥を改質することができるので、より広範囲の底泥を改質することが可能である。

【0065】

図１５は、本実施の形態に係る微生物燃料電池３における中継正極５２の電位の測定結果を示すグラフである。ここで、地点Ａは、図１４に示すように、中継正極５２周辺の電位の状態を確認するために、中継正極５２と中継負極５３との間に設定された地点である。中継正極５２と地点Ａとの距離は２ｃｍである。また、本例における中継正極５２と負極３０との間の距離は１５ｃｍである。

【0066】

図１５に示すように、負極３０と接続された中継正極５２の電位は、負極３０で回収された電子によって時間経過とともに低下する。また、地点Ａの電位も、中継正極５２の電位低下に伴って低下しており、中継正極５２周辺の電位が低下していることがわかる。

【0067】

図１６は、微生物燃料電池３の内部での電流値を示すグラフである。以下、図１４に示すように、正極１０と中継負極５３とが導線で接続された内部回路を第１の回路、中継正極５２と負極３０とが導線で接続された内部回路を第２の回路として説明する。第２の回路によって、時間の経過に伴って中継正極５２周辺の電位が低下する。これに対応して、図１６に示すように、第１の回路で獲得される電流値Ｉ１は大幅に増加していることがわかる。

【0068】

図１７は、本実施の形態に係る微生物燃料電池３、すなわち第１の回路と第２の回路とを含む場合と、第１の回路のみの場合とで、３０日間で獲得された電子量の合計値を示すグラフである。図１７に示すように、第１の回路のみの場合の獲得電子量Ｅ１と比較して、第２の回路を含む微生物燃料電池３の場合の獲得電子量Ｅ２では、７倍以上の電子を獲得できていることがわかる。

【0069】

以上説明したように、微生物燃料電池３では、正極１０と負極３０との間に、中継正極５２及び中継負極５３を配置することにより、中継正極５２及び中継負極５３の周辺の電位を低下させ、中継負極５３と正極１０との間で生じる電流を大きくすることができる。また、負極３０周辺のみならず、中継負極５３周辺でも底泥を改質することができるので、より広範囲の底泥を改質することが可能である。

【0070】

本実施の形態では、正極１０と中継負極５３とを接続する第１の回路は１つであることとしたが、これに限られない。例えば、第２の回路と、複数の第１の回路とを用いて微生物燃料電池３を構成することとしてもよい。具体的には、中継正極５２の周辺に、正極１０と中継負極５３とが導線で接続された第１の回路を複数配置する。１つの第２の回路により生産された電子によって複数の中継負極５３周辺の電位を低下させることができ、より効率的に電力を得ることができる。また、効率的に複数の中継負極５３周辺の底泥を改質することが可能となる。

【0071】

また、複数の第２の回路と、１又は２以上の第１の回路とを用いて微生物燃料電池３を構成することとしてもよい。複数の第２の回路により生産された電子によって、中継負極５３周辺の電位を低下させることができる。また、複数の負極３０と中継負極５３とによって、より広範囲で底泥を改質することが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は、河川、湖沼、海等の泥層に設置される微生物燃料電池に好適である。特に、微生物燃料電池を用いた環境浄化を行いつつ、より大きく、安定した電力が求められる電源装置に好適である。

【符号の説明】

【0073】

１，２，３ 微生物燃料電池、１０ 正極、１１ 正極本体、１２ 網状板、１３ 連結棒、１４ 浮体、２０ 導線、３０，３０’ 負極、３１ 負極本体、３２ 鉄鋼スラグ、３３ 網袋、３５ 補助カーボン、４０ 出力部、４５ 負荷、５０ 電源装置、５１ 補助電池、５２ 中継正極、５３ 中継負極

【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】