(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物活動で生じる電荷を吸着可能な複数の第１電極体と、これら第１電極体に電気的に接続された中継電極体と、で集電荷部が構成され、
該集電荷部の中継電極体が、負荷抵抗を介して、接地用の第２電極体と電気的に接続され、
該負荷抵抗にて発生する起電力を取得可能な起電力取得手段を有してなることを特徴とする微生物発電装置。
【請求項２】
前記集電荷部が複数設けられ、これら集電荷部の中継電極体同士が電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の微生物発電装置。
【請求項３】
前記起電力取得手段は、コンデンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の微生物発電装置。
【請求項４】
前記第１の電極体は、チタン又はステンレスで形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微生物発電装置。
【請求項５】
微生物活動が活発な土壌中に、微生物活動で生じる電荷を吸着可能な複数の第１電極体を埋設するステップと、
前記これら第１電極体に電気的に接続された中継電極体を前記土壌中に埋設するステップと、
前記埋設した中継電極体に、負荷抵抗を介して、第２電極体を電気的に接続するステップと、
前記第２電極体を、微生物活動が不活発な土壌中に接地するステップとを有し、
前記第２電極体の接地によって前記負荷抵抗に発生する起電力を取得してなることを特徴とする微生物発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物活動によって生じる電荷を利用して電力を取得する発電装置及びその発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、自然環境下で自由に入手可能な微生物を利用した微生物発電の技術開発が進められている。このような技術の１つとして、微生物燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。【０００３】
この種の微生物燃料電池の原理を簡単に説明すると、微生物燃料電池では、負極を備えた負極室内に、微生物、微生物に資化される有機物、および電子伝達媒体（電子メディエータ）を共存させる。これにより、電子メディエータは、微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。そして、負極は外部抵抗（負荷）を介して正極と電気的に接続されているため、負極に渡された電子は外部抵抗（負荷）を介して正極に移動し、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が流れるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０６６２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の微生物燃料電池には、以下のような問題点があった。【０００６】
すなわち、第１に、上述の微生物燃料電池は、構成が非常に複雑で、メンテナンスも非常に手間がかかるという問題があった。【０００７】
第２に、上述の微生物燃料電池は、電流が流れることにより起電力が発生するものの発電効率が低いという問題があった。【０００８】
そこで本発明は、上記事情に鑑み、構成が非常に簡単で、メンテナンスも非常に容易で、なお且つ、発電効率が高い微生物発電装置及びその発電方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る微生物発電装置を、図面の参照符号を付して示せば、微生物活動で生じる電荷ｅ−を吸着可能な複数の第１電極体１０と、これら第１電極体１０に電気的に接続された中継電極体１１と、で集電荷部１が構成され、該集電荷部１の中継電極体１１が、負荷抵抗Ｒを介して、接地用の第２電極体２と電気的に接続され、該負荷抵抗Ｒにて発生する起電力を取得可能な起電力取得手段４を有してなることを特徴としている。【００１０】
また、請求項２の発明は、上記請求項１に記載の微生物発電装置において、前記集電荷部１が複数設けられ、これら集電荷部１の中継電極体１１同士が電気的に接続されてなることを特徴としている。【００１１】
そして、請求項３の発明は、上記請求項１又は２に記載の微生物発電装置において、前記起電力取得手段４が、コンデンサＣであることを特徴としている。【００１２】
さらに、請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれか１項に記載の微生物発電装置において、前記第１の電極体１０が、チタン又はステンレスで形成されてなることを特徴としている。【００１３】
一方、請求項５の発明は、微生物発電方法であって、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、微生物活動で生じる電荷ｅ−を吸着可能な複数の第１電極体１０を埋設するステップと、前記これら第１電極体１０に電気的に接続された中継電極体１１を前記土壌Ｇ１中に埋設するステップと、前記埋設した中継電極体１１に、負荷抵抗Ｒを介して、第２電極体２を電気的に接続するステップと、前記第２電極体２を、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に接地するステップと、を有し、前記第２電極体２の接地によって前記負荷抵抗Ｒに発生する起電力を取得してなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。まず請求項１の発明にかかる微生物発電装置では、集電荷部１の中継電極体１１が、負荷抵抗Ｒを介して、接地用の第２電極体２と電気的に接続され、そして、その負荷抵抗Ｒにて発生する起電力を取得可能な起電力取得手段４を有するという構成である。また、集電荷部１にしても、中継電極体１１に複数の第１電極体１０を電気的に接続しているだけであるから、構成が非常に簡単である。それゆえ、メンテナンスも非常に容易である。【００１５】
そして、請求項５の発明に関しても、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、中継電極体１１及び、その電極体１１に電気的に接続している複数の第１電極体１０を埋設し、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に、第２電極体２を接地し、上記中継電極体１１と第２電極体２を、負荷抵抗Ｒを介して電気的に接続するだけで起電力を取得することができる。それゆえ、請求項１の発明と同様、構成が非常に簡単であり、なお且つ、メンテナンスも非常に容易であるという効果を得ることができる。【００１６】
また請求項１又は請求項５の発明によれば、微生物活動によって生じた電荷ｅ−を複数の第１電極体１０にて吸着することができる。そして、これら複数の第１電極体１０と中継電極体１１が電気的に接続されていることから、その吸着した電荷ｅ−を中継電極体１１にて収集することができる。さらに、上記中継電極体１１が、負荷抵抗Ｒを介して、接地用の第２電極体２と電気的に接続されていることから、その収集した電荷ｅ−が、中継電極体１１から第２電極体２へ移動することとなる。これにより、負荷抵抗Ｒに起電力が発生し、その発生した起電力を取得することができる。【００１７】
しかして、上記記載のように、微生物活動によって生じた電荷ｅ−を第２電極体２へ移動させる際に、上記電荷ｅ−を中継電極体１１にて一旦収集した上で移動させているため、多量の電荷ｅ−を第２電極体２へ移動させることができる。それゆえ、多量の電荷ｅ−を第２電極体２へ移動させることで、その移動中に多少の電荷損失があったとしても、負荷抵抗Ｒに高起電力を発生させることができる。よって、請求項１又は請求項５の発明によれば、発電効率が非常に高いという効果を得ることができる。【００１８】
一方、請求項２の発明によれば、集電荷部１が複数設けられ、これら集電荷部１の中継電極体１１同士が電気的に接続されている。それゆえ、各中継電極体１１にて収集された電荷ｅ−が夫々第２電極体２へ移動することとなり、一つの集電荷部１よりも、より多量の電荷ｅ−が第２電極体２へ移動することとなる。しかして、負荷抵抗Ｒには、より高い起電力が発生することとなるから、発電効率をより高めることができる。【００１９】
また、請求項３の発明によれば、起電力取得手段４がコンデンサＣであるから、負荷抵抗Ｒに発生する起電力を蓄電することが可能となる。それゆえ、安定した電力を得ることができる。【００２０】
さらに、請求項４の発明によれば、後述する比較例から明らかなように、第１電極体１０が、チタン又はステンレスで形成されているから、負荷抵抗Ｒに、より高い起電力を発生させることが可能となる。そのため、本発明によれば、発電効率をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る微生物発電装置を示し、その微生物発電装置を土壌で使用している状態を示す平面模式図である。
【図２】同使用状態を示す縦断面模式図である。
【図３】実施例１の計測結果を示す図である。
【図４】実施例３の計測結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る一実施形態について、図１及び図２を参照して具体的に説明する。
【００２３】
本実施形態に係る微生物発電装置は、図１に示すように、複数の集電荷部１（図示では４つ）と、第２電極体２とが、負荷抵抗Ｒを介して、外周が絶縁被覆されている銅電線３によって電気的に接続されている。そして、負荷抵抗Ｒには、起電力取得手段４が並列接続されている。
【００２４】
集電荷部１は、複数の第１電極体１０（図示では５つ）と、中継電極体１１と、で構成されている。そして、中継電極体１１を中心として放射状に、所要間隔をおいて複数の第１電極体１０（図示では５つ）が配設され、これら第１電極体１０と、中継電極体１１とが銅電線３を介して電気的に接続されている。
【００２５】
第１電極体１０は、図２に示すように、棒状に形成され、チタン等の材質で形成されてなり、微生物活動で生じる電荷ｅ−を吸着可能なものである。一方、中継電極体１１は、棒状に形成され、アルミニウム等の材質で形成されている。
【００２６】
このように構成される集電荷部１は、複数の集電荷部１（図示では４つ）を接続するにあたって、図１及び図２に示すように、中継電極体１１同士が銅電線３を介して電気的に接続されている。
【００２７】
また、第２電極体２は、棒状に形成され、アルミニウム等の材質で形成されている。そして、第２電極体２は、図２に示すように、土壌Ｇ２中に接地されている。
【００２８】
一方、起電力取得手段４は、図２に示すように、電気二重層コンデンサＣで構成されている。このように、電気二重層コンデンサＣを用いることにより、負荷抵抗Ｒに発生する起電力を蓄電することができるから、安定した電力を得ることが可能となる。なお、本実施形態において、電気二重層コンデンサＣを１つしか例示していないが、複数用いても良いことは言うまでもない。また、本実施形態においては、電気二重層コンデンサＣを例示したが、どのようなコンデンサであってもよい。さらには、本実施形態において、起電力取得手段として、電気二重層コンデンサＣを用いる方法を例示したが、起電力を取得できればどのような方法であってもよい。
【００２９】
上記のように構成される微生物発電装置は、図１及び図２に示すように土壌Ｇ１及び土壌Ｇ２中にて使用される。これにより、微生物活動によって生じる電荷を利用して電力を取得することができる。その方法を、以下に具体的に説明する。
【００３０】
まず、微生物発電装置が使用される土壌Ｇ１及びＧ２について説明すると、土壌Ｇ１は、微生物活動が活発な土壌であって、例えば、堆肥を使用している田畑等である。また、土壌Ｇ２は、微生物活動が不活発な土壌であって、例えば、畦道等である。
【００３１】
そして、このような、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、複数の集電荷部１（図示では４つ）が所要間隔を置いて埋設され、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に、第２電極体２が接地されている。これにより、微生物活動、すなわち、微生物が有機物を資化することにより生じる電荷ｅ−が、図２に示すように、複数の第１電極体１０に夫々吸着される。そして、これら第１電極体１０に吸着された電荷ｅ−は、銅電線３を介して中継電極体１１に収集される。収集された電荷ｅ−は、中継電極体１１と第２電極体２とが、負荷抵抗Ｒを介して銅電線３によって電気的に接続されているため、図２に示すように、中継電極体１１から第２電極体２へ移動する。この電荷ｅ−の移動により、中継電極体１１と第２電極体２間に電流が流れる。
【００３２】
しかして、中継電極体１１と第２電極体２間に電流が流れれば、負荷抵抗Ｒにも電流が流れることとなるから、オームの法則により、負荷抵抗Ｒに起電力が生じることとなる。そしてその発生した起電力は、並列接続されている電気二重層コンデンサＣ（起電力取得手段４）にて蓄電されることとなり、その蓄電によって、発生した起電力を取得することが可能となる。
【００３３】
以上説明した本実施形態によれば、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、集電荷部１を埋設し、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に、第２電極体２を接地し、集電荷部１と第２電極体２を、負荷抵抗Ｒを介して銅電線３によって電気的に接続し、負荷抵抗Ｒに電気二重層コンデンサＣ（起電力取得手段４）を並列接続するだけで起電力を取得することができる。さらに、集電荷部１にしても、中継電極体１１に複数の第１電極体１０を、銅電線３を介して電気的に接続しているだけであるから、構成が非常に簡単であるため、メンテナンスも非常に容易である。
【００３４】
さらに、集電荷部１は、微生物活動によって生じた電荷ｅ−を複数の第１電極体１０にて吸着した上で、その吸着した電荷ｅ−を中継電極体１１にて収集している。そして、その収集した電荷ｅ−が、中継電極体１１から第２電極体２へ移動している。それゆえ、微生物活動によって生じた電荷ｅ−を、中継電極体１１にて一旦収集した上で第２電極体２へ移動させているため、多量の電荷ｅ−を第２電極体２へ移動させることができる。しかして、多量の電荷ｅ−を第２電極体２へ移動させているため、その移動中に多少の電荷損失があったとしても、負荷抵抗Ｒに高起電力を発生させることができる。よって、本実施形態によれば、発電効率が非常に高いという効果を得ることができる。
【００３５】
一方、本実施形態によれば、集電荷部１が複数設けられ、これら集電荷部１の中継電極体１１同士が銅電線３を介して電気的に接続されている。それゆえ、各中継電極体１１にて収集された電荷ｅ−が夫々第２電極体２へ移動することとなり、一つの集電荷部１よりも、より多量の電荷ｅ−が第２電極体２へ移動することとなる。そのため、負荷抵抗Ｒには、より高い起電力が発生することとなるから、発電効率をより高めることができる。他方で、構成自体も非常に簡単であるため、幅広い面積の土壌で本実施形態を使用するとしても作業がし易く、なお且つ、メンテナンスが非常に容易であるという効果もある。
【００３６】
なお、本実施形態では、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、集電荷部１を埋設し、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に、第２電極体２を接地する方法を例示したが、これ以外の土壌に集電荷部１を埋設し、第２電極体２を接地しても良い。しかし、微生物活動が活発な土壌Ｇ１中に、集電荷部１を埋設し、微生物活動が不活発な土壌Ｇ２中に、第２電極体２を接地するのが好ましい。
【実施例】
【００３７】
次に、実施例及び比較例を用いて、本発明を更に詳しく説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１及び図２に示す微生物発電装置を作成した。第１電極体１０としては、断面積１１３ｍｍ２、長さ１００ｃｍのチタン棒を使用した。中継電極体１１としては、断面積１９．６２５ｃｍ２、長さ１ｍのアルミニウム棒を使用した。第２電極体２としては、断面積２８．２６ｍｍ２、長さ１ｍのアルミニウム棒を使用した。負荷抵抗Ｒとしては、１Ωのものを使用し、起電力取得手段４としては、２．５Ｖ，９５０Ｆの電気二重層コンデンサを１０個並列に接続したものを使用した。【００３９】
集電荷部１の構成としては、上記第１電極体１０を５本用意し、上記中継電極体１１を１本用意した上で、これらを用いて構成した。そして、そのように構成した集電荷部１を３つ設けた。【００４０】
一方、土壌としては、ビニールハウスでのフダンソウ栽培を行っている堆肥施用区で、面積４８ｍ２のものを使用した。【００４１】
そして、このような土壌中に、上記３つの集電荷部１を埋設し、第２電極体２を畦道に接地した。この状態で、平成２１年４月２４日〜６月５日の期間中の電圧、電流を経時的に計測したところ、図３に示す結果が得られた。【００４２】
図３の実験結果から明らかなように、安定した電圧、電流が発生していることが分かる。また、この期間中の発生電力量を調べたところ、表１の結果が得られた。【００４３】
【表１】
0005437483.tif 000002
【００４４】
上表の結果から、比較的高い電力が発生していることが分かる。
【実施例２】
【００４５】
微生物発電装置としては、実施例１と同じものを使用した。しかしながら、土壌としては、堆肥施用区のトウモロコシ畑と、無堆肥区のトウモロコシ畑の２つの処理区を使用した。なお、面積は、夫々２７ｍ２である。【００４６】
このような２つの土壌中に、夫々、３つの集電荷部１を埋設し、第２電極体２を畦道に接地した。この状態で、平成２１年６月１７日〜８月２０日の期間中の発生電力量を調べたところ、表２の結果が得られた。【００４７】
【表２】
0005437483.tif 000003
【００４８】
上表の結果から、堆肥施用区の発生電力量は、無堆肥区と比較して約１．６倍高いことが分かる。したがって、本発明の微生物発電装置を、堆肥施用区で用いた方がより高い電力を得ることができるものと言える。
【実施例３】
【００４９】
微生物発電装置としては、実施例１と同じものを使用した。しかしながら、土壌としては、横幅１８０ｃｍ，奥行き１２０ｃｍ，高さ１２０ｃｍのスチール製容器を用意し、その外周を断熱材で囲んだ上で、その容器中に、牛糞、戻し堆肥を体積比１０：２の割合で混合した土壌を作成した。【００５０】
このように作成された土壌中に、３つの集電荷部１を埋設し、第２電極体２を容器外に接地した。この状態で、平成２１年９月１８日〜１０月１３日の期間中、経時的に電圧、電流を計測したところ、図４に示す結果が得られた。【００５１】
図４の実験結果から明らかなように、電流は若干不安定であるものの、安定した電圧が発生していることが分かる。また、この期間中の発生電力量を調べたところ、約１６ｍＷｈであった。【００５２】
以上の実施例により、本発明の微生物発電装置は、非常に簡単な構成であるにも関わらず、高い電力を取得することができると言える。すなわち、発電効率が非常に高いと言える。
【比較例】
【００５３】
第１電極体１０として、断面積１１３ｍｍ２、長さ１００ｃｍのアルミニウム棒、チタン棒、ステンレス棒、断面積７９ｍｍ２、長さ３０ｃｍのカーボン棒を、夫々５本ずつ用意した。そして、それ以外の部材は、実施例１と同じものを使用した。
【００５４】
また、土壌としては、横幅１８０ｃｍ，奥行き１２０ｃｍ，高さ１２０ｃｍのスチール製容器を用意し、その外周を断熱材で囲んだ上で、その容器中に、牛糞、菌群（牛糞の発酵促進剤としての好熱菌を含む）を体積比１０：１の割合で混合した土壌を作成した。
【００５５】
このように作成された土壌中に、３つの集電荷部１を埋設し、第２電極体２を容器外に接地した。この状態で、約１ヵ月間の発生電力量の違いを調べたところ、表３の結果が得られた。
【００５６】
【表３】
0005437483.tif 000004
【００５７】
上表の結果から、チタン又はステンレスを用いた方が、発生電力量が高いことが分かる。したがって、第１電極体１０としては、チタン又はステンレスで形成した方が好ましいと言える。
【符号の説明】
【００５８】
１          集電荷部
２          第２電極体
３          銅電線
４          起電力取得手段
１０        第１電極体
１１        中継電極体
Ｃ          コンデンサ
Ｒ          負荷抵抗
Ｇ１        微生物活動が活発な土壌
Ｇ２        微生物活動が不活発な土壌
ｅ−        電荷
【図１】
0005437483.tif 000005
【図２】
0005437483.tif 000006
【図３】
0005437483.tif 000007
【図４】
0005437483.tif 000008