(57)【要約】  【課題】寿命が長い流電陽極方式による構造物金属材の電気防食方法及び装置を提供する。  【解決手段】接水域の金属材２を用いた構造物１付近にその金属材２よりイオン化傾向の大きい犠牲電極５を設置し，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中に第２電極１０を設置し，構造物１中の金属材２と犠牲電極５とを電気的に接続し，第２電極１０と犠牲電極５又は金属材２とを第２電極１０が低電位のときのみ通電する整流装置１１を介して電気的に接続する。好ましくは，構造物１付近に複数の犠牲電極５を設置し，整流装置１１を介して複数の犠牲電極５又は金属材２と第２電極１０とを電気的に接続する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接水域の金属材を用いた構造物付近に当該金属材よりイオン化傾向の大きい犠牲電極を設置し，前記構造物付近の水底の嫌気性土壌中に第２電極を設置し，前記構造物中の金属材と犠牲電極とを電気的に接続し，前記第２電極と犠牲電極又は金属材とを当該第２電極が低電位のときのみ通電する整流装置を介して電気的に接続してなる構造物金属材の電気防食方法。
【請求項２】
請求項１の防食方法において，前記整流装置にダイオードその他の整流作用を有する半導体素子を含めてなる構造物金属材の電気防食方法。
【請求項３】
請求項１又は２の防食方法において，前記整流装置に，前記第２電極との間に接続するコンバータと，当該コンバータに接続して第２電極の上方水中に設置する第３電極とを含め，前記第２電極と第３電極との間に生じる電力を利用して整流装置へのコンバータ出力を所定電位となるように昇圧してなる構造物金属材の電気防食方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの防食方法において，前記構造物付近に複数の犠牲電極を設置し，前記整流装置を介して複数の犠牲電極又は金属材と第２電極とを電気的に接続してなる構造物金属材の電気防食方法。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの防食方法において，前記構造物付近の水底の嫌気性土壌中又はその上方に，前記第２電極が犠牲電極又は金属材に対し低電位のときに嫌気性土壌中の微生物反応により分解される汚染物質を流入させてなる構造物金属材の電気防食方法。
【請求項６】
接水域の金属材を用いた構造物付近に設置する当該金属材よりイオン化傾向の大きい犠牲電極，前記構造物付近の水底の嫌気性土壌中に設置する第２電極，前記構造物中の金属材と犠牲電極とを電気的に接続する防食電流回路，及び前記第２電極と犠牲電極又は金属材とを当該第２電極が低電位のときのみ通電する整流装置を介して電気的に接続する整流回路を備えてなる構造物金属材の電気防食装置。
【請求項７】
請求項６の防食装置において，前記整流装置にダイオードその他の整流作用を有する半導体素子を含めてなる構造物金属材の電気防食装置。
【請求項８】
請求項６又は７の防食装置において，前記整流装置に，前記第２電極との間に接続するコンバータと，当該コンバータに接続して第２電極の上方水中に設置する第３電極とを含め，前記第２電極と第３電極との間に生じる電力を利用して整流装置へのコンバータ出力を所定電位となるように昇圧してなる構造物金属材の電気防食装置。
【請求項９】
請求項６から８の何れかの防食装置において，前記構造物付近に複数の犠牲電極を設置し，前記整流装置を介して複数の犠牲電極又は金属材と第２電極とを電気的に接続してなる構造物金属材の電気防食装置。
【請求項１０】
請求項６から９の何れかの防食装置において，前記構造物付近の水底の嫌気性土壌中又はその上方に，前記第２電極が犠牲電極又は金属材に対し低電位のときに嫌気性土壌中の微生物反応により分解される汚染物質を流入させる流入路を設けてなる構造物金属材の電気防食装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造物金属材の電気防食方法及び装置に関し，とくに構造物中に用いられている鉄筋・鉄骨・鋼管・矢板等の金属材の腐食を電流の流入によって抑制する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄筋・鉄骨・鋼管・矢板等の金属材を用いた橋脚・護岸・地下配管・ビルディング等の構造物は，環境中の水分を介して構造物中の金属材（以下，構造物金属材ということがある）が徐々に腐食・消耗するおそれがあり，維持管理するうえで構造物金属材の腐食を適切に防止することが求められる。例えば鉄筋コンクリート構造物では，構造物金属材である鉄筋が高アルカリ状態のコンクリートで保護されている間は腐食を生じにくいが，コンクリートの中性化や塩害によって高アルカリの保護が失われると鉄筋の腐食が徐々に進行して構造性能（耐久性能・変形性能等）を低下させる。とくに海・河川その他の水域又は水域近く（以下，これらをまとめて接水域という）に構築された構造物は，水を介して金属材の腐食が進みやすいことから，構造物の高耐久化・長寿命化を図るうえで金属材の適切な腐食防止が大きな課題となっている。
【０００３】
構造物金属材の腐食の機構は，金属の種類や環境によって詳細は異なりうるものの，本質的には金属材表面に局部的に形成される電池（電気化学的反応）が原因であると考えられている（非特許文献１参照）。すなわち，図６（Ａ）に示すように，構造物金属材２の表面の不均一性等に起因して，表面の一部分において金属イオンＭｎ＋が溶け出して電子ｎｅ−を放出するアノード反応（（１）式の酸化反応）が発生し，他の部分において環境中の水素イオン（Ｈ＋）や酸素（Ｏ２）が電子ｎｅ−を受容するカソード反応（（２）式，（３）式の還元反応）が発生し，両反応が組み合わさった局部電池が表面に形成されることで金属材の腐食が進行する。例えば鉄筋コンクリート構造物では，アノード反応（（４）式の酸化反応）により鉄イオンＦｅ２＋が溶け出し，カソード反応（（５）式の還元反応）により生じた水酸基（ＯＨ−）が鉄イオンＦｅ２＋と反応し，錆である水酸化第一鉄Ｆｅ（ＯＨ）２が析出することにより鉄筋の腐食が進む。
【０００４】
Ｍ→Ｍｎ＋＋ｎｅ−      ……………………………………………………………（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２    ……………………………………………………………（２）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ    ………………………………………………（３）
Ｆｅ→Ｆｅ２＋＋２ｅ−    …………………………………………………………（４）
２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−→４ＯＨ−    ……………………………………………（５）
Ｚｎ→Ｚｎ２＋＋２ｅ−    …………………………………………………………（６）
【０００５】
従来から，図６（Ａ）のような局部電池に起因する構造物金属材の腐食を防止するため，金属材に直流電流を流入させて（人為的に電子ｅ−を供給して）局部的な電池を消滅させる方法（電気防食法）が開発されている。電気防食法は２つに分類されており，その１つは，特許文献１及び２が開示するように，構造物付近に不溶性の通電用電極（耐久性電極）を設置し，その耐久性電極と防食対象の構造物金属材との間に外部の電源装置を接続し，外部電源から構造物金属材に防食電流を常時流入させて腐食を防止する手法（外部電源方式）である。外部電源は，例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電力を直流に変換して利用することができ，商用電力を用いることで適用電圧を比較的容易に選定調整することが可能となる。また，構造物に付帯させた圧電素子（圧電セラミックス）等を利用することで商用電力に依存しない方法も提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
電気防食法の他の方式は，特許文献３が開示するように，構造物付近に防食対象の構造物金属材よりもイオン化傾向の大きい（酸化還元電位が低い）犠牲電極を設置し，その犠牲電極と構造物金属材とを電気的に接続し，異種金属間に生じる電位差を利用して構造物金属材に常時防食電流を流入させる手法（流電陽極方式）である。図６（Ｂ）は，地下構造物の金属材２である鉄（Ｆｅ）製配管にアダプタ３及び防食電流回路７を介して犠牲電極５を接続した従来の流電陽極方式の電気防食装置の一例を示す（非特許文献１参照）。図示例の犠牲電極５は，鉄よりイオン化傾向の大きい亜鉛（Ｚｎ）又はマグネシウム（Ｍｇ）製であって，そのイオン化反応（（６）式参照）の起電力によってイオン化傾向の低い金属材２の腐食（（４）式参照）を防止するものであり，高アルカリ・モルタル製のバックフィル材６に包み込むことで自己腐食から保護されている。図示例の防食電流回路７は，構造物金属材２に接続したリード線と犠牲電極５に接続したリード線とを地表ターミナルボックス８において水密に結線した比較的長いものであるが，犠牲電極５を構造物金属材２に隣接させて配置することにより防食電流回路７を短くすることも可能である（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２２３４７７号公報
【特許文献２】特開２００６−０３７１１８号公報
【特許文献３】特開２００３−１２９６７１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】電気学会・電食防止研究委員会編「電食防止・電気防食ハンドブック」オーム社，平成２３年１月２０日第１版発行，７〜２３頁，２２７〜３０６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電気防食法は，接水域における構造物金属材の腐食防止に非常に有効であり，現在では海洋港湾施設，地中タンク施設等を含む幅広い構造物金属材の腐食防止に適用されている。しかし，上述した外部電源方式は，現時点において全く商用電力のない場所での実用化は困難であり，最小限ながら送電・給電設備が必要となるため小規模な構造物等では防食のための設備費が割高となり，防食電流を常時流し続けるために施工後の維持管理費もかさむ問題点がある。また，何らかの原因で外部電力の供給が遮断又は不足した場合に，防食電流が印加されず防食対象の構造物金属材の腐食が進むおそれもある。
【００１０】
これに対し，上述した流電陽極方式は，商用電力の得られない場所においても適用可能であり，小規模な構造物において外部電源方式よりも安価な設備費で導入できる利点がある。しかし，流電陽極方式で用いる犠牲電極は，防食電流を発生するために徐々にイオン化して消耗するため適宜交換する必要があり，点検・交換のための維持管理を必要とする。また，流電陽極方式では犠牲電極と構造物金属材との間の有効電圧が比較的小さいため，必要な防食電圧を確保するために多数の犠牲電極を設置しなければならないことがあり，犠牲電極の設置数が多くなると施工後の維持管理費用（交換費用）も大きくなる。更に，犠牲電極を水中又は地中に設置した場合は，点検・交換作業が難しくなり手間もかかるので，更に大きな維持管理費用が必要となる。流電陽極方式において犠牲電極の寿命を延ばして交換頻度を下げることができれば，流電陽極方式における維持管理費用を削減し，商用電力の得られない場所における構造物金属材の腐食を一層安価に防止することが期待できる。
【００１１】
そこで本発明の目的は，寿命の長い流電陽極方式による構造物金属材の電気防食方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
図１の実施例を参照するに，本発明による構造物金属材の電気防食方法は，接水域の金属材２を用いた構造物１付近にその金属材２よりイオン化傾向の大きい犠牲電極５を設置し，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中に第２電極１０を設置し，構造物１中の金属材２と犠牲電極５とを電気的に接続し，第２電極１０と犠牲電極５又は金属材２とを第２電極１０が低電位のときのみ通電する整流装置１１を介して電気的に接続してなるものである。
【００１３】
また，図１のブロック図を参照するに，本発明による構造物金属材の電気防食装置は，接水域の金属材２を用いた構造物１付近に設置するその金属材２よりイオン化傾向の大きい犠牲電極５，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中に設置する第２電極１０，構造物１中の金属材２と犠牲電極５とを電気的に接続する防食電流回路７，及び第２電極１０と犠牲電極５又は金属材２とを第２電極１０が低電位のときのみ通電する整流装置１１を介して電気的に接続する整流回路１２を備えてなるものである。
【００１４】
整流装置１１には，ダイオードその他の整流作用を有する半導体素子を含めることができる。望ましくは，図１に点線で示すように，整流装置１１に，第２電極１０との間に接続するコンバータ１４と，そのコンバータ１４に接続して第２電極１０の上方水中に設置する第３電極１５とを含め，第２電極１０と第３電極１５との間に生じる電力を利用して整流装置１１へのコンバータ出力を所定電位となるように昇圧する。好ましくは，図２に示すように，構造物１付近に複数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃを設置し，整流装置１１を介して複数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃ又は金属材２と第２電極１０とを電気的に接続する。更に好ましくは，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中又はその上方に，第２電極１０が犠牲電極５又は金属材２に対し低電位のときに，嫌気性土壌Ｅ中の微生物反応により分解される汚染物質Ｄを流入させる流入路２０を設ける。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による構造物金属材の電気防食方法及び装置は，構造物金属材２付近にその金属材２よりイオン化傾向の大きい犠牲電極５を設置し，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中に第２電極１０を設置し，構造物１中の金属材２と犠牲電極５とを電気的に接続し，第２電極１０と犠牲電極５又は金属材２とを第２電極１０が低電位のときのみ通電する整流装置１１を介して電気的に接続するので，次の有利な効果を奏する。
【００１６】
（イ）酸素が供給されない水底は酸化還元電位が低下するので，水底の嫌気性土壌Ｅに第２電極１０を設置して犠牲電極５又は金属材２と電気的に接続し，水底の嫌気性微生物分解等で発生した電子ｅ−を犠牲電極５又は金属材２へ供給することにより，犠牲電極５の消耗を低減して電気防食の長寿命化を図ることができる。
（ロ）水底の嫌気性土壌Ｅの酸化還元電位は季節等によって変動しうるが，第２電極１０と犠牲電極５又は金属材２との間に整流装置１１を介在させることにより，水底が十分嫌気状態となった場合のみ水底から犠牲電極５又は金属材２へ電子ｅ−を供給して犠牲電極５の消耗を防ぎ，嫌気性が不十分な水底に犠牲電極５又は金属材２から電子ｅ−が引き抜かれること（犠牲電極の消耗，防食対象の酸化）を防ぐことができる。
【００１７】
（ハ）犠牲電極５の消耗を低減することにより犠牲電極５の交換のための維持管理コストを削減し，ひいては犠牲電極５を用いる流電陽極方式の電気防食システムの長寿命化，コスト縮減を図ることができる。
（ニ）また，防食電圧を確保するために多数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃを設置した場合でも，整流装置１１を介して各犠牲電極５と第２電極１０とをそれぞれ電気的に接続することにより，比較的簡単な施工によって複数の犠牲電極５の消耗を同時に低減することができる。
（ホ）更に，水底の電子ｅ−を犠牲電極５又は金属材２へ回収することで水底の酸化還元電位の大きな低下を防止し，酸化還元電位の大きな低下によって引き起こされる水底の有害汚染物質の発生反応（硫化水素・メタン・アンモニア等を発生する嫌気性微生物反応）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】は，本発明による構造物金属材の電気防食方法の一実施例の説明図である。
【図２】は，本発明による構造物金属材の電気防食方法の他の実施例の説明図である。
【図３】は，本発明の電気防食方法の効果を確認する実験結果を示すグラフである。
【図４】は，本発明の電気防食方法による水底の嫌気性土壌中の汚染物質削減効果を確認する実験結果を示すグラフである。
【図５】は，本発明の電気防食方法において水底の嫌気性土壌中に汚染物質を流入させた実験結果を示すグラフである。
【図６】は，従来の流電陽極方式による電気防食方法の説明図である。
【図７】は，微生物燃料電池の原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は，海・河川その他の水域Ｗに接する構造物１中の金属材２の腐食防止に本発明の電気防食装置を適用した実施例を示す。図示例の電気防食装置は，構造物１付近に設置する犠牲電極５と，その犠牲電極５を構造物金属材２に電気的に接続する防食電流回路７とを有し，図６（Ｂ）の流電陽極方式の原理により構造物金属材２の腐食を抑制することができる。すなわち，図示例の犠牲電極５は構造物金属材２よりもイオン化傾向の大きい金属製であり，構造物金属材２へ防食電流（電子ｅ−）を常時供給して構造物金属材２の局部電池を消滅させることができる。図示例では犠牲電極５を構造物１付近の水中に設置しているが，図６（Ｂ）と同様に地中に設置してもよく，特許文献３と同様に構造物金属材２に隣接させて配置することも可能である。また，必要に応じて犠牲電極５に図６（Ｂ）と同様のバックフィル材６を含めてもよい。
【００２０】
図示例の電気防食装置は，犠牲電極５及び防食電流回路７に加えて，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中に設置する第２電極１０と，その第２電極１０を整流装置１１経由で犠牲電極５又は金属材２に電気的に接続する整流回路１２とを有している。第２電極１０は，好ましくは水底において腐食しにくい棒状，線状又は繊維状の炭素電極とするが，白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），ステンレス（ＳＵＳ），チタン（Ｔｉ），鉄（Ｆｅ）その他の導電性材料製としてもよい。整流装置１１は，第２電極１０が犠牲電極５に対して低電位のときのみ一方向に通電し，逆に第２電極１０が高電位のときは通電が遮断される作用を有する。このような整流装置は，例えばダイオードその他の整流作用を有する半導体素子により構成することができる。
【００２１】
一般に水底の土壌Ｅは水に接する表面の酸化層以外は嫌気的であり，その嫌気層において有機物が嫌気性微生物に分解されて電子ｅ−が発生し，その発生に応じて酸化還元電位が低下する。例えば嫌気性土壌Ｅにおいて高分子の有機物は加水分解を受けて低分子化の有機酸に分解され，次いで有機酸が水素，二酸化炭素，酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）等に分解され，更に鉄還元反応等の微生物によって酢酸が二酸化炭素に酸化されて電子が放出される（（１１）式，（１２）式参照）。とくに水の対流が起きにくい夏期等においては，水温が高く有機物の分解が進むため，水底の酸化還元電位は−２００〜−４００ｍＶ（−０．２〜−０．４Ｖ）程度にまで低下することがある。図示例において水底の酸化還元電位が十分に低下したときは，嫌気性土壌Ｅ中の第２電極１０が犠牲電極５に対して低電位となるので電位勾配が発生し，そのとき通電する整流回路１２を介して土壌Ｅ中の電子ｅ−が第２電極１０から防食電流回路７へ流入する。
【００２２】
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋８Ｈ＋＋８ｅ−  ………………………（１１）
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋Ｏ２→２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  ……………………………（１２）
ＳＯ４２−＋１０Ｈ＋＋８ｅ−→Ｈ２Ｓ＋４Ｈ２Ｏ  ……………………………（１３）
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋９Ｈ＋＋８ｅ−→２ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ  ………………………（１４）
Ｎ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→２ＮＨ３……………………………………………………（１５）
ＮＯ２−＋７Ｈ＋＋６ｅ−→ＮＨ３＋２Ｈ２Ｏ  …………………………………（１６）
ＮＯ３−＋９Ｈ＋＋８ｅ−→ＮＨ３＋３Ｈ２Ｏ  …………………………………（１７）
【００２３】
図示例の犠牲電極５は，上述したように構造物金属材２へ防食電流（電子ｅ−）を供給する際にイオン化して徐々に消耗するが，水底の第２電極１０から防食電流を流入させることにより消耗を低減できる。すなわち，水底の嫌気性土壌Ｅ中の第２電極１０が犠牲電極５に対して低電位のときは，第２電極１０から流入する電子ｅ−が防食電流回路７に流れ込むので，犠牲電極５を消耗させずに構造物金属材２へ防食電流を供給し続けることができる。季節や周囲環境等によって水底の酸化還元電位が上昇し，第２電極１０が犠牲電極５に対して高電位となることもあるが，そのときは整流回路１２の通電は遮断されるので犠牲電極５で発生した防食電流が犠牲電極５から第２電極１０へ流れ込む（引き抜かれる）ことはなく，犠牲電極５から構造物金属材２へ防食電流を供給し続けることができる。その結果，構造物金属材２に防食電流を常時供給しながら，水底の酸化還元電位が犠牲電極５に対して相対的に低い期間（水底から防食電流を確保できる期間）は犠牲電極５の消耗を抑えることができ，犠牲電極５の寿命を延ばして維持管理費用を削減し，ひいては電気防食装置の長寿命化を図ることができる。
【００２４】
また，水底の第２電極１０から防食電流回路７へ防食電流（電子ｅ−）を流入させることにより，水底の酸化還元電位の大きな低下を防止し，水底における有害汚染物質の発生反応を抑制する効果も期待できる。すなわち，水底の酸化還元電位が大きく低下すると，硫酸塩還元菌等の嫌気性微生物が硫酸イオン等（硫酸根）を還元して有毒な硫化水素（Ｈ２Ｓ）を発生する反応が進み（（１３）式参照），或いはメタン菌等の嫌気性微生物が酢酸等を還元して地球温暖化の原因となるメタン（ＣＨ４）を発生する反応が進みうる（（１４）式参照）。また，水底の酸化還元電位が−２００ｍＶ以下になると，アンモニア（ＮＨ３）を発生する反応も進みうる（（１５）〜（１７）式）。水底の電子ｅ−を第２電極１０から防食電流回路７へ流入させて除去することにより，水底における酸化還元電位の過度な低下を抑えて（１３）〜（１７）式の進行を抑え，水底での硫化水素・メタン・アンモニア等の有害汚染物質の発生を防止することができる。
【００２５】
なお，図示例の電気防食装置は，防食電流回路７の一端をアダプタ３経由で構造物金属材２に接続し，防食電流回路７の他端に犠牲電極５と水底の第２電極１０とを並列に接続しているが，第２電極１０の接続方法は図示例に限定されるものではない。例えば，第２電極１０を整流装置１１経由で犠牲電極５に直接接続した場合も，上述したように犠牲電極５の消耗を抑えて寿命を延ばす効果が得られる。また，第２電極１０を整流装置１１経由で構造物金属材２に直接接続した場合も，第２電極１０が金属材２に対して低電位のときは第２電極１０から金属材２へ防食電流を流入させることにより犠牲電極５の消耗を抑制し，第２電極１０が金属材２に対して高電位のときは金属材２から第２電極１０への電流引き抜きを防ぎつつ犠牲電力５から金属材２へ防食電流を流入させることができるので，結果として上述したように犠牲電極５の消耗を抑えつつ電気防食装置の長寿命化を図ることが可能である。
【００２６】
［実験例１］
本発明の電気防食装置による構造物金属材の腐食防止効果を確認するため，図１のような水域（海）Ｗに接する構造物１付近の海底Ｅ中に第２電極１０を埋設し，防食対象である鉄（Ｆｅ）製の構造物金属材２と第２電極１０とを電気的に接続する実験を行った。先ず，第２電極１０を接続する前の構造物金属材２（防食対象）の酸化還元電位（銀／塩化銀電極を基準電極とした酸化還元電位，以下同じ。）を測定したところ，図３の一点破線（防食対象）に示すように＋０．３Ｖ程度であった。このように大きい値の酸化還元電位は，構造物金属材２が好気的状態であることを示しており，（１）式のようなアノード反応（酸化反応）が発生して金属材２の腐食が発生しやすい状態であることを示している。他方，構造物金属材２と接続する前の第２電極１０の酸化還元電位も測定したところ，図３の点線（底泥）に示すように水底表面５ｃｍ程度以深で−０．４Ｖ程度であった。このように小さい値の酸化還元電位は，水底において硫化水素の発生反応（（１３）式）及びメタンの発生反応（（１４）式）が進む程度まで嫌気状態が進んでおり，硫化水素・メタン等の有害汚染物質の発生が危惧される状態であった。
【００２７】
そこで，構造物金属材２と水底の第２電極１０とをケーブルで電気的に接続したところ，図３に太線で示すように，防食対象の構造物金属材２の酸化還元電位を−０．１Ｖ程度まで引き下げ，逆に水底の第２電極１０の酸化還元電を−０．１Ｖ程度まで引き上げることができた。この実験結果から，構造物金属材２と水底の第２電極１０とを電気的に接続することによりに，水底から構造物金属材２へ防食電流（電子ｅ−）を流入させて金属材２の酸化還元電位を下げることができることを確認できた。また，図３には同様にして構造物金属材２及び第２電極１０の接続前，接続後の酸化還元電位を１００日間にわたり継続的に測定した結果を併せて示している。この１００日間の実験結果から，第２電極１０を接続しない場合に構造物金属材２の酸化還元電位が＋０．３以上の高い状態に維持されて腐食が懸念されるのに対し，第２電極１０と接続することによって構造物金属材２の酸化還元電位を安定的に−０．１Ｖ程度にまで引き下げ，構造物金属材２の腐食を有効に防止できることが確認できた。
【００２８】
なお，本実験では図１のような犠牲電極５を接続しなかったが，例えば鉄（Ｆｅ）よりイオン化傾向の大きい亜鉛（Ｚｎ）製の犠牲電極５を構造物金属材２に接続することにより，その犠牲電極５のイオン化（亜鉛の溶出，（６）式参照）による起電力によってイオン化傾向の低い構造物金属材２の腐食（鉄の溶出，（４）式参照）を防止することが可能である。環境中における亜鉛の酸化還元電位（自然電位）は−０．９８Ｖ程度であって上述した水底の第２電極の酸化還元電位（−０．４Ｖ程度）より低くなりうるが，通常の犠牲電極は防食対象の構造物金属材２が腐食を生じない最低限の電位（例えば０Ｖ程度）となるように接続されているから，犠牲電極と接続後の構造物金属材２の酸化還元電位は，上述した水底の第２電極と接続後の構造物金属材２の酸化還元電位（−０．１Ｖ）より高くなる。従って，図１のように整流装置１１を介して水底の第２電極１０を防食電流回路７へ接続することにより，犠牲電極５を消耗させずに第２電極１０から構造物金属材２へ防食電流（電子ｅ−）を流入させ，犠牲電極５の寿命を延ばして電気防食装置の長寿命化を図ることが可能となる。
【００２９】
好ましくは，図１に点線で示すように，整流装置１１に，第２電極１０との間に接続するＤＣ−ＤＣコンバータ１４と，第２電極１０の上方水中に設置する第３電極１５とを含め，そのコンバータ１４によって水底の第２電極１０と水中の第３電極１５とを接続し，第２電極１０と第３電極１５との間に生じる電力を利用することにより，整流装置１１へのコンバータ出力が所定電位となるように第２電極１０と第３電極１５との間の電圧を昇圧する。コンバータ１４を介して水底の第２電極１０と水中の第３電極１５とを接続して閉回路を形成することにより，以下に説明するように微生物燃料電池（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を構成することができる。第３電極１５は，第２電極１０と同様の材質，例えば水中において腐食しにくい棒状，線状又は繊維状の炭素電極とすることができる。
【００３０】
図７に示す微生物燃料電池３０は，有機性基質を貯えた容器内に挿入する導電性のアノード（負電極）３１と，空気（又は電子受容体）に接触させる導電性のカソード（正電極）３２と，両電極３１，３２の間に挟み込まれたイオン交換膜３３とを有し，外部回路３４を介してアノード３１とカソード３２とを相互に接続して閉回路を形成したものである。アノード３１に有機性基質（有機性物質を含む水溶液又はガス）を供給し，アノード３１上の微生物反応によって有機性基質から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成し，生成した水素イオンをイオン交換膜３３経由でカソード３２側へ移動させ，電子を外部回路３４経由でカソード３２側へ移動させる。他方，カソード３２に空気（又は電子受容体）を供給し，アノード３１から移動した水素イオン及び電子を酸素（又は電子受容体）結合させることにより消費する。微生物燃料電池３０は，この一連の反応により外部回路３４を介して有機性基質から電気エネルギーを回収する。
【００３１】
図１において，水底土壌の第２電極１０周辺の電子ｅ−を発生する微生物反応は，微生物燃料電池３０のアノード３１周辺で生起する微生物反応と同様である。また，微生物燃料電池３０のカソード３２側で発生する反応は，水底土壌の上方の水相においても生起しうる反応である。更に，微生物燃料電池３０は両電極３１，３２の間にイオン交換膜３３を挟み込んでイオン交換及び絶縁を行っているが，水底土壌と水相との間の境界相（水底土壌の上部層）も同様のイオン交換及び絶縁の機能を果たす。従って，図１の点線のようにＤＣ−ＤＣコンバータ１４経由で第２電極１０と第３電極１５とを接続することにより，微生物燃料電池３０と同様に第２電極１０と第３電極１５との間に電圧を発生させることができ，その電圧をコンバータ１４によって昇圧することにより，整流装置１１に接続されたコンバータ１４の出力電位を，上述した犠牲電極５と同程度の所定電位に変換することができる。第２電極１０の酸化還元電位を犠牲電極５と同程度とすることにより，より確実に犠牲電極５の消耗を低減して電気防食の長寿命化を図ることが期待できる。
【００３２】
［実験例２］
また，実験例１において構造物金属材２と第２電極１０とを電気的に接続したときの水底における有機物量（ＣＯＤ分解量），硫化水素発生量（Ｈ２Ｓ削減量），及び第２電極１０から流入する電流値（底泥電流値）を１００日間にわたり継続的に測定する実験を行った。この測定結果を図４のグラフに示す。図４の底泥電流値及びＣＯＤ分解量のグラフから，水底で発生した防食電流（電子ｅ−）を構造物金属材２へ継続的に流入させることにより，水底の有機物量が消費されて徐々に減少していることが分かる。また，図４のＨ２Ｓ削減量のグラフは，水底から構造物金属材２への防食電流の流入を継続することにより，水底における硫化水素の発生反応（（１３）式参照）が逆向きに進み，水底の硫化水素量が徐々に減少することを示している。この実験結果から，本発明の電気防食方法が，水底における硫化水素等の有害汚染物質の発生防止に有効であると共に，水底の有機物，硫化水素等を分解して浄化する作用も期待できることが確認できた。
【００３３】
こうして本発明の目的である「寿命の長い流電陽極方式による構造物金属材の電気防食方法及び装置」の提供を達成することができる。
【実施例１】
【００３４】
図２は，構造物１付近に複数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃを設置し，その複数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃと水底の嫌気性土壌Ｅ中の第２電極１０とを整流装置１１経由で接続した本発明の他の実施例を示す。一般に流電陽極方式は犠牲電極５と構造物金属材２との間の有効電圧が比較的小さいため，規模の大きな構造物金属材２の腐食を防止するためには多数の犠牲電極を用いて十分大きな防食電圧を確保する必要がある。また，犠牲電極５を抵抗率の高い地中に設置するような場合も，必要な防食電圧を確保するために多数の犠牲電極を用いる必要がある。本発明の電気防食方法によれば，図２のように多数の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃを設置した場合でも，整流装置１１を介して各犠牲電極５を水底の第２電極１０と電気的に接続することにより，比較的簡単な施工によって複数の犠牲電極５の消耗を同時に低減し，各犠牲電極５の維持管理費用を削減し，ひいては電気防食装置の長寿命化を図ることができる。
【００３５】
図示例の電気防食装置は，構造物金属材２にアダプタ３経由で複数の防食電流回路７ａ，７ｂ，７ｃを接続し，その各防食電流回路７ａ，７ｂ，７ｃの他端にそれぞれ別個の犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃと共通の第２電極１０とを並列に接続している。ただし，第２電極１０の接続方法は図示例に限定されず，例えば第２電極１０をそれぞれ整流装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ経由で各犠牲電極５ａ，５ｂ，５ｃに直接接続してもよく，第２電極１０を整流装置１１経由で構造物金属材２に直接接続することも可能である。また，図示例の電気防食装置は，構造物１付近の水底の嫌気性土壌Ｅ中又はその上方に，第２電極１０が犠牲電極５又は金属材２に対し低電位のときに，嫌気性土壌Ｅ中の微生物反応により分解される汚染物質Ｄを流入させる流入路２０を含めている。上述したように，本発明の電気防食方法により水底の有機物，硫化水素等の汚染物質Ｄを分解して浄化する作用が期待できることから，図示例の流入路２０を介して汚染物質Ｄを水底へ流入させることにより，本発明の電気防食方法を汚染物質Ｄの浄化に積極的に活用することが期待できる。
【００３６】
［実験例３］
本発明の電気防食方法が，水底の汚染物質Ｄの削減に有効であることを確認するため，実験例１において構造物金属材２と水底の第２電極１０とを電気的に接続したときに，第２電極１０から流入する電流値（底泥電流値）を測定しながら，汚染物質Ｄである硫化水素（Ｈ２Ｓ）を水底に追加的に流入させる実験を行った。この測定結果を図５のグラフに示す。図５の底泥電流値のグラフから，硫化水素（Ｈ２Ｓ）を水底へ流入させることにより，底における硫化水素の分解反応（（１３）式の逆向き反応）が進み，底泥電流値が一時的に大きく上昇することが確認できた。本実験では底泥電流値の上昇が１００分程度で定常値に落ち着いたが，汚染物質Ｄである硫化水素（Ｈ２Ｓ）を継続的に水底に流入させれば，図５の実験結果から，本発明の電気防食方法によって硫化水素を浄化しながら防食電流（電子ｅ−）を増大させうることが分かる。
【符号の説明】
【００３７】
１…構造物                    ２…構造物金属材
３…アダプタ                  ５…犠牲電極
６…バックフィル材            ７…防食電流回路
８…ターミナルボックス        １０…第２電極
１１…整流装置                １２…整流回路
１４…              １５…第３電極
３０…微生物燃料電池          ３１…アノード（負電極）
３２…カソード（正電極）      ３３…イオン交換膜
３４…回路
Ｄ…汚染物質                  Ｅ…水底土壌
Ｗ…水域
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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