(57)【要約】  電極複合体（１００）は、中空部（１）と、中空部に酸素を供給する酸素供給部（４）と、中空部に供給された酸素を透過する酸素透過部（５）とを有する中空部材（１０）を備える。さらに電極複合体は、酸素透過部において中空部材の外側に設けられ、かつ、酸素透過部側から、酸素透過性を有する撥水層（３１）と導電層（３２）とが積層されてなる電極（３０）と、中空部に設けられ、耐圧性を有する緩衝部材（２０）とを備える。そして、酸素供給部から酸素透過部にかけて通気性を有する。微生物燃料電池は、電極複合体と、微生物を担持する負極（４０）とを備える。
2016194374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部と、前記中空部に酸素を供給する酸素供給部と、前記中空部に供給された酸素を透過する酸素透過部とを有する中空部材と、
前記酸素透過部において前記中空部材の外側に設けられ、かつ、前記酸素透過部側から、酸素透過性を有する撥水層と導電層とが積層されてなる電極と、
前記中空部に設けられ、耐圧性を有する緩衝部材と、
を備え、
前記酸素供給部から前記酸素透過部にかけて通気性を有する電極複合体。
【請求項２】
前記酸素供給部から前記酸素透過部にかけてのＩＳＯ透気度は、１×１０−５μｍ／Ｐａ・ｓ〜１００μｍ／Ｐａ・ｓである、請求項１に記載の電極複合体。
【請求項３】
前記電極が設けられた面の圧縮強さは、０．０１ｋｇｆ／ｃｍ２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２である、請求項１又は２に記載の電極複合体。
【請求項４】
前記中空部材が直方体状であり、前記酸素供給部が前記中空部材の一面に設けられた開口部である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極複合体。
【請求項５】
前記中空部材が円筒状であり、前記酸素供給部が前記中空部材の一面に設けられた開口部である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極複合体。
【請求項６】
前記緩衝部材は、一又は二以上の円筒部材を備える、請求項４又は５に記載の電極複合体。
【請求項７】
前記緩衝部材は、内部に板部材を備え、
前記緩衝部材における、前記中空部材と電極との積層方向に沿った断面の形状が波形状である、請求項４に記載の電極複合体。
【請求項８】
前記緩衝部材は、内部に板部材を備え、
前記緩衝部材における、前記中空部材と電極との積層方向に沿った断面の形状がトラス状である、請求項４に記載の電極複合体。
【請求項９】
前記電極は、前記撥水層と前記導電層との間に配置され、酸素透過性を有する酸素透過層をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電極複合体。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電極複合体と、
微生物を担持する負極と、
を備え、
前記電極複合体における電極は正極である微生物燃料電池。
【請求項１１】
前記電極複合体における電極と前記負極との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層をさらに備える、請求項１０に記載の微生物燃料電池。
【請求項１２】
前記電極複合体における酸素供給部は、前記中空部材の一面に設けられた開口部であり、
前記電極複合体は、前記開口部が外気に露出するように電解液に浸漬される、請求項１０又は１１に記載の微生物燃料電池。
【請求項１３】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電極複合体と、
被処理液を浄化する微生物を担持する負極と、
を備え、
前記電極複合体における電極は正極である水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極複合体、並びにそれを用いた微生物燃料電池及び水処理装置に関する。詳細には本発明は、廃水を浄化し、かつ、電気エネルギーを生成することが可能な電極複合体、並びに当該電極複合体を用いた微生物燃料電池及び水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物燃料電池は、廃水中に含まれる有機物の化学エネルギーを微生物の触媒作用（代謝反応、生物化学的変換）によって電気エネルギーに変換しつつ、その有機物を酸化分解する装置である。つまり、微生物燃料電池は、微生物の働きによって有機物から直接的に電気エネルギーを生産する。そのため、微生物燃料電池は、有機物からバイオガスへの変換ステップを利用する従来のエネルギー回収システムに比べて、エネルギー回収効率の向上が期待できる。また、微生物燃料電池は、発電のみならず、廃水処理、有機性廃棄物処理、有機性廃棄物処理の付帯設備等としても利用できる。【０００３】
微生物燃料電池は、微生物を保持する負極と、酸化性物質に接触する正極とを備えている。このような微生物燃料電池として、従来、有機性基質に浸漬して嫌気性微生物を担持させる負極と、少なくとも一部分がイオン透過性隔膜で形成された外殻と入出孔とを有する密閉型中空カセットと、を備えるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに当該微生物燃料電池は、中空カセット内に電解液と共に封入し、又は、当該カセットの隔膜の内側に結合して有機性基質中に差し込む正極を備えている。そして、入出孔経由でカセット内に酸素を供給し、さらに負極及び正極を電気的に接続する回路経由で電気を取り出すことも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９３８６１号公報
【発明の概要】
【０００５】
上述のように、特許文献１の微生物燃料電池では中空カセットを使用し、隔膜を張設することで、その中空を確保している。しかしながら、このような微生物燃料電池を大型化した場合、水圧によって隔膜が液相側から気相側へ圧迫され、隔膜が中空内部に向かって湾曲する現象が生じる。その結果、中空カセットの内部に、正極へ十分に酸素を供給するための空間が確保されないことから、正極への酸素供給量が減少し、電池特性が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、正極へ酸素を十分に供給し、電池特性の低下を抑制することが可能な電極複合体、並びにそれを用いた微生物燃料電池及び水処理装置を提供することにある。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る電極複合体は、中空部と、中空部に酸素を供給する酸素供給部と、中空部に供給された酸素を透過する酸素透過部とを有する中空部材を備える。さらに電極複合体は、酸素透過部において中空部材の外側に設けられ、かつ、酸素透過部側から、酸素透過性を有する撥水層と導電層とが積層されてなる電極と、中空部に設けられ、耐圧性を有する緩衝部材とを備える。そして、酸素供給部から酸素透過部にかけて通気性を有する。
【０００８】
本発明の第二の態様に係る微生物燃料電池は、電極複合体と、微生物を担持する負極とを備える。なお、電極複合体における電極は正極である。
【０００９】
本発明の第三の態様に係る水処理装置は、電極複合体と、微生物を担持する負極とを備える。なお、電極複合体における電極は正極である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る中空部材の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る緩衝部材の一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、中空部材及び緩衝部材を組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る電極複合体の一例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る電極複合体を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を示す概略図である。（ａ）は当該電極複合体の斜視図であり、（ｂ）は当該電極複合体の平面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る電極複合体の電極に酸素透過層を組み合わせた状態を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係る微生物燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態１に係る緩衝部材を中空部材に組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、実施形態１に係る緩衝部材を中空部材に組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、実施形態１に係る緩衝部材及び中空部材を用いた電極複合体を、分解した状態で示す斜視図である。
【図１５】図１５は、実施形態１に係る緩衝部材及び中空部材を用いた電極複合体を、分解した状態で示す斜視図である。
【図１６】図１６は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の一例を示す概略図である。
【図１７】図１７は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の他の例を示す概略図である。
【図１８】図１８は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の他の例を示す概略図である。
【図１９】図１９は、実施形態２に係る緩衝部材の例を示している。（ａ）は実施形態２に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の側面図であり、（ｃ）は間隙設置用支柱を示す斜視図である。
【図２０】図２０は、実施形態２に係る緩衝部材の他の例を示している。（ａ）は実施形態２に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の側面図である。
【図２１】図２１は、実施形態３に係る緩衝部材の一例を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、実施形態３に係る緩衝部材の他の例を示している。（ａ）は複数の格子材を組み合わせる前の状態を示す斜視図である。（ｂ）は複数の格子材を組み合わせた後の状態を示す平面図である。
【図２３】図２３は、実施形態４に係る緩衝部材の一例を示している。（ａ）は実施形態４に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の拡大図である。
【図２４】図２４は、実施形態４に係る緩衝部材を構成する格子材の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態に係る電極複合体、並びに当該電極複合体を用いた微生物燃料電池及び水処理装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１２】
［電極複合体］
本実施形態に係る電極複合体１００は、図１〜図３に示すように、内部に中空部１を有する中空部材１０と、中空部１に設けられる緩衝部材２０とを備えている。中空部材１０は、図１に示すように略Ｕ字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、中空部材１０は、２本の第一柱状部材２の底部を第二柱状部材３で連結した枠部材であり、第一柱状部材２及び第二柱状部材３で囲繞された内部空間に中空部１が形成されている。そして、中空部材１０は、中空部１に酸素を供給する酸素供給部４と、中空部１に供給された酸素を透過する酸素透過部５とを有する。なお、図１において、酸素供給部４は中空部材１０の上面に設けられた開口であり、酸素透過部５は中空部材１０の右側面６ａ及び左側面６ｂに設けられた開口である。
【００１３】
緩衝部材２０は、直方体状であり、右側壁２１ａ、左側壁２１ｂ、前壁２１ｃ及び後壁２１ｄを備え、これらにより内部空間が形成されている。緩衝部材２０の上面は、酸素（空気）が通気できるように開口されている。そして、図３に示すように、緩衝部材２０は、中空部材１０の中空部１内に配設される。なお、中空部材１０の内部に緩衝部材２０を配設した場合、中空部材１０の右側面６ａと緩衝部材２０の右側壁２１ａは略面一になっていることが好ましく、中空部材１０の左側面６ｂと緩衝部材２０の左側壁２１ｂは略面一になっていることが好ましい。
【００１４】
図４に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、酸素透過部５において中空部材１０の外側に設けられる電極３０を備えている。電極３０は、酸素透過部５側から、酸素透過性を有する撥水層３１と導電層３２とが積層されて構成されている。また、中空部材１０の右側面６ａは、電極３０の撥水層３１の外周部と接合している。そのため、後述するように、電極複合体１００が電解液中に浸漬した場合、撥水層３１の外周部と右側面６ａとの接合部から中空部材１０の内部空間に、電解液が流入することを抑制できる。
【００１５】
電極複合体１００では、中空部材１０の酸素供給部４から緩衝部材２０の内部空間に酸素（空気）が供給される。そして、後述するように、緩衝部材２０の少なくとも右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂは酸素透過性を有している。そのため、酸素供給部４から緩衝部材２０の内部空間に供給された酸素が、緩衝部材２０の右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂ並びに中空部材１０の酸素透過部５を通じて、電極３０の撥水層３１に供給される。つまり、本実施形態では、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５にかけて、通気性を有している。
【００１６】
このように、本実施形態の電極複合体１００では、中空部材１０の内部空間に緩衝部材２０を配置している。そのため、電極複合体１００を電解液に浸漬し、電極３０に水圧がかかったとしても緩衝部材２０によって電極３０が保持されることから、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５への通気性が十分に確保されるため、電極３０の撥水層３１への酸素供給性を向上させることが可能となる。
【００１７】
電極複合体１００において、酸素供給部４から酸素透過部５にかけてのＩＳＯ透気度は、１×１０−５μｍ／Ｐａ・ｓ〜１００μｍ／Ｐａ・ｓであることが好ましい。つまり、酸素供給部４から緩衝部材２０及び酸素透過部５を通過し、電極３０の撥水層３１の表面に至るまでのＩＳＯ透気度が上記範囲内であることが好ましい。透気度は、単位面積、単位圧力差及び単位時間当たりに透過する空気の平均流量であり、その数値が高いほど空気が通過しやすい。電極複合体１００がこのような範囲の透気度を有していることにより、撥水層３１に十分な酸素を供給することができ、安定的な性能を有する微生物燃料電池及び水処理装置を実現することが可能となる。
【００１８】
具体的には、電極複合体１００のＩＳＯ透気度が１×１０−５μｍ／Ｐａ・ｓ以上であることにより、酸素透過性が向上し、酸素と撥水層３１及び導電層３２との接触率を高めることができる。なお、電極複合体１００のＩＳＯ透気度は高い方が好ましく、上限は特に限定されないが、例えば１００μｍ／Ｐａ・ｓとすることができる。酸素供給部４から酸素透過部５にかけてのＩＳＯ透気度は、２×１０−５μｍ／Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、７．９×１０−５μｍ／Ｐａ・ｓであることがより好ましく、２．９×１０−４μｍ／Ｐａ・ｓ以上であることが特に好ましい。なお、電極複合体１００のＩＳＯ透気度は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｐ８１１７：２００９（紙及び板紙−透気度及び透気抵抗度試験方法（中間領域）−ガーレー法）に沿って測定することができる。
【００１９】
電極複合体１００において、電極３０が設けられた面の圧縮強さは、０．０１ｋｇｆ／ｃｍ２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることが好ましい。具体的には、図４に示す電極複合体１００の場合、緩衝部材２０における電極３０が積層された右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂの圧縮強さが、０．０１ｋｇｆ／ｃｍ２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることが好ましい。電極複合体１００の圧縮強さがこの範囲内であることにより、電極複合体１００を大型化して電極３０に大きな水圧がかかった場合でも、電極３０の湾曲を抑制して平面状態を保持し、高い酸素透過性を維持することが可能となる。なお、圧縮強さは、材料が圧縮力を受けて変形や破壊するときの圧縮荷重を、材料の断面積で除した値である。そして、本明細書における圧縮強さは、国際標準化機構が規定したＩＳＯ８４４：２００４（硬質発泡プラスチック−圧縮特性の測定）に従い、相対変形が１０％以内である場合に到達した圧縮応力を示している。そのため、電極複合体１００における、電極３０が設けられた面の圧縮強さは、ＩＳＯ８４４：２００４に沿って測定することができる。
【００２０】
上述のように、緩衝部材２０は、直方体状であり、酸素透過性を確保するために上面が開口し、さらに右側壁２１ａ、左側壁２１ｂ、前壁２１ｃ及び後壁２１ｄにより内部空間が形成されている。そして、緩衝部材２０の圧縮強さをより向上させるため、緩衝部材２０の内部空間に支持部材２２を設けてもよい。支持部材２２を設けることで、電極３０と対向する緩衝部材２０の右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂの間を支持して補強することから、上述の圧縮強さを高め、電極３０の変形をより抑制することが可能となる。
【００２１】
支持部材２２の形状は、緩衝部材２０の圧縮強さを高めることができるならば特に限定されない。具体的には、図５（ａ）に示すように、緩衝部材２０は内部に板部材２２ａを備え、緩衝部材２０における、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿った断面の形状がトラス状であることが好ましい。つまり、支持部材２２は板部材２２ａからなり、板部材２２ａ並びに緩衝部材２０の右側壁２１ａ、左側壁２１ｂ、前壁２１ｃ及び後壁２１ｄによりトラス構造を形成することが好ましい。このような三角形を基本単位とし、当該三角形を複数組み合わせたトラス構造を形成することで、緩衝部材２０の安定性が向上し、圧縮強さをより向上させることが可能となる。
【００２２】
図５（ｂ）に示すように、緩衝部材２０は内部に板部材２２ｂを備え、緩衝部材２０における、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿った断面の形状が波形状であることも好ましい。つまり、支持部材２２は波形の板部材２２ｂからなり、さらに板部材２２ｂの頂点２２ｃは、緩衝部材２０の右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂと接触している。このような波形状の支持部材２２を備えることによっても緩衝部材２０の安定性が向上し、圧縮強さをより向上させることが可能となる。
【００２３】
また、図５（ｃ）に示すように、緩衝部材２０は、一又は二以上の円筒部材を備えることも好ましい。つまり、支持部材２２は円筒状である円筒部材２２ｄからなり、さらに円筒部材２２ｄが、緩衝部材２０の右側壁２１ａ、左側壁２１ｂ、前壁２１ｃ及び後壁２１ｄに接触するように、複数配置されている。このように、複数の円筒部材２２ｄを配置することもよっても緩衝部材２０の安定性が向上し、圧縮強さをより向上させることが可能となる。
【００２４】
支持部材２２は、図２〜図４に示すように、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙに沿って、緩衝部材２０の上面から底面にかけて緩衝部材２０の内部全体に設けられていてもよい。また、支持部材２２は、鉛直方向Ｙにおける緩衝部材２０の上面と底面の中央部にのみ設けられていてもよい。さらに支持部材２２は、積層方向Ｘ及び鉛直方向Ｙに垂直な奥行方向Ｚに沿って、緩衝部材２０の前壁２１ｃから後壁２１ｄにかけて緩衝部材２０の内部全体に設けられていてもよい。また、支持部材２２は、奥行方向Ｚにおける緩衝部材２０の前壁２１ｃと後壁２１ｄの中央部にのみ設けられていてもよい。
【００２５】
図５において、支持部材２２を構成する板部材は、鉛直方向Ｙに沿って配置されている。つまり、ＸＺ平面に沿った断面が、トラス状や波形状、円状になるように板部材が配置されている。しかし、支持部材２２を構成する板部材は、奥行方向Ｚに沿って配置されていてもよい。つまり、ＸＹ平面に沿った断面が、トラス状や波形状、円状になるように板部材が配置されていてもよい
【００２６】
緩衝部材２０を構成する部材の材料は特に限定されないが、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びポリカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、金属としては、ステンレス鋼及びアルミニウムの少なくとも一方を用いることができる。
【００２７】
緩衝部材２０を構成する部材の形状も特に限定されない。ただ、上述のように、本実施形態の電極複合体１００は、中空部材１０の中空部１に緩衝部材２０が挿入された状態で、酸素供給部４から酸素透過部５にかけて通気性を有する必要がある。そのため、緩衝部材２０自体も高い通気性を有する必要があることから、緩衝部材２０は複数の細孔を有する平板から構成されていることが好ましい。また、緩衝部材２０は複数の細孔を有する網目状の構造体から構成されていることも好ましい。さらに緩衝部材２０は、複数の細孔が一定のピッチで形成されていることが好ましい。ただ、これらの構成に限定されず、例えば平板の一部が大きく貫通した構造であってもよい。
【００２８】
なお、電極複合体１００は、酸素供給部４から酸素透過部５にかけて通気性を有する必要がある。そのため、緩衝部材２０は、少なくとも電極３０と対向する右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂに細孔が形成されていることが好ましい。そして、電極３０と対向していない前壁２１ｃ及び後壁２１ｄには細孔が形成されていなくてもよい。支持部材２２を構成する材料及び形状も特に限定されないが、緩衝部材２０と同様にすることができる。
【００２９】
本実施形態に係る電極複合体１００では、図１〜図４に示すように、中空部材１０は２本の第一柱状部材２の底部を第二柱状部材３で連結したＵ字状の枠部材である。そして、中空部材１０の上面は開口し、酸素供給部４が形成されている。しかし、本実施形態の電極複合体はこの態様に限定されない。
【００３０】
例えば、電極複合体１００Ａとして、図６に示すような中空部材１０Ａを用いることも好ましい。具体的には、中空部材１０Ａとして、２本の第一柱状部材２の底部を第二柱状部材３で連結した枠部材の上部を、第三柱状部材７で連結したものを使用することも好ましい。そして、第三柱状部材７に通気管８を設け、通気管８を通じて緩衝部材２０に酸素（空気）を供給し、さらに反応後の空気を排出する。この場合には、通気管８を通じ、ポンプによって外部から酸素が供給される構成とすることができるため、電極複合体１００Ａ内部の通気性をより向上させることが可能となる。なお、電極複合体１００Ａにおいて、中空部材１０Ａの酸素供給部４は通気管８である。
【００３１】
また、電極複合体１００Ｂとして、図７に示すような中空部材１０Ｂを用いることも好ましい。具体的には、中空部材１０Ｂは、酸素透過膜を袋状に成形し、その内部に中空部を有するものである。そして、中空部に緩衝部材２０を挿入し、さらに中空部材１０Ｂの側面１１に電極３０を設ける。このような袋状の中空部材１０Ｂを用いることで、中空部材の構成を簡易なものとすることができる。なお、中空部材１０Ｂの側面１１は、酸素透過性を確保するために、細孔を有することが好ましい。また、電極複合体１００Ｂにおいて、中空部材１０Ａの酸素供給部４は上部に設けられた開口であり、酸素透過部５は側面１１に設けられた細孔である。
【００３２】
なお、袋状の中空部材１０Ｂを構成する材料は特に限定されないが、緩衝部材２０と同様に、例えば樹脂、金属及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、中空部材１０Ｂを構成する部材の形状も特に限定されないが、例えば複数の細孔を有する薄膜で構成されていてもよく、また複数の細孔を有する網目状の構造体から構成されていてもよい。
【００３３】
図１及び図６に示すように、本実施形態では、中空部材が直方体状であり、酸素供給部が中空部材の一面に設けられた開口部であることが好ましい。つまり、図１及び図６に示すように、中空部材１０，１０Ａは、内部に中空部１を有し、さらに上面に開口部が形成されていることが好ましい。しかし、本実施形態はこの態様に限定されず、例えば中空部材が円筒状であり、酸素供給部が中空部材の一面に設けられた開口部であることも好ましい。
【００３４】
具体的には、図８に示すように、電極複合体１００Ｃにおいて、中空部材１０Ｃは、内部に中空部１を有する円筒からなり、さらに中空部１には、円筒状である円筒部材２２ｄからなる支持部材２２が複数配置されている。そして、支持部材２２は、１本の円筒部材２２ｄを中心に、６本の円筒部材２２ｄが同心状に集合して構成されている。また、中空部材１０Ｂの周囲全体に電極３０が積層されている。なお、電極複合体１００Ｃにおいて、中空部材１０Ｃの酸素供給部４は上面に設けられた開口であり、酸素透過部５は中空部材１０Ｃの側面に設けられた細孔である。
【００３５】
円筒状の中空部材１０Ｃ及び支持部材２２を構成する材料は特に限定されないが、緩衝部材２０と同様に、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、中空部材１０Ｃ及び支持部材２２を構成する部材の形状も特に限定されないが、例えば複数の細孔を有する薄膜で構成されていてもよく、また複数の細孔を有する網目状の構造体から構成されていてもよい。
【００３６】
本実施形態において、電極３０は、酸素透過性を有する撥水層３１と、撥水層３１に積層されている導電層３２とを備えるガス拡散電極からなる。このようなガス拡散電極を用いることにより、気相中の酸素を容易に供給することが可能になる。さらに、例えば水中に溶存する溶存酸素を電極３０へ供給する場合と比べて、次のような利点がある。溶存酸素を電極３０へ供給する場合、廃水などの被処理液（電解液）に含まれる有機性物質の酸化及び発電が溶存酸素の拡散速度によって律速されるという問題がある。これに対し、気相中の酸素の拡散速度は、溶存酸素の拡散速度よりも極めて大きいため、有機性物質の酸化及び発電を効率よく行うことができる。したがって、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。
【００３７】
撥水層３１は、撥水性と気体透過性とを併せ持つ層である。撥水層３１は、微生物燃料電池における電気化学系中の気相と液相とを良好に分離しながら、気相から液相へ向かう気体の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層３１は、気相における酸素を透過し、導電層３２へ移動させるように構成されている。このような撥水層３１は、多孔質であることが好ましい。この場合、撥水層３１は、高い気体透過性を有することができる。
【００３８】
導電層３２は、例えば多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、導電層３２が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。
【００３９】
さらに電極３０は、図９に示すように、撥水層３１と導電層３２との間に配置され、酸素透過性を有する酸素透過層３３をさらに備えていることが好ましい。酸素透過層３３は酸素透過性を有するため、導電層３２に酸素を供給する機能を有する。
【００４０】
本実施形態における電極３０の撥水層３１、導電層３２及び酸素透過層３３について、さらに詳しく説明する。
【００４１】
撥水層３１は、酸素を拡散し、導電層３２に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層３１は、当該酸素を拡散できるように、多孔質体であることが好ましい。また、撥水層３１は撥水性を有することが好ましい。撥水層３１が撥水性を有することにより、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、後述するように、電極複合体１００を微生物燃料電池や水処理装置に用いた場合、撥水層３１の内部に液相が染み込み難くなり、撥水層３１が酸素と接触しやすくなる。
【００４２】
撥水層３１を構成する材料としては、酸素を拡散できれば特に制限されない。撥水層３１を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレンからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は、多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。また、撥水層３１は、上記材料からなる不織布やフィルムであることが好ましい。なお、撥水層３１が上記材料のフィルムからなる場合には、撥水層３１及び導電層３２の積層方向Ｘに複数の貫通孔を有することが好ましい。
【００４３】
また、撥水層３１は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層３１を構成する多孔質体に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
【００４４】
導電層３２は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備える構成とすることができる。導電層３２における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの材料を用いることができる。炭素系物質の例としては、カーボンペーパー、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、導電層３２は、カーボンペーパー、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる一種からなるものであってもよく、これらを複数積層してなる積層体でもよい。炭素繊維の不織布であるカーボンペーパー、炭素繊維の織布であるカーボンクロス、及び黒鉛からなる黒鉛シートは、高い耐食性を有し、かつ、電気抵抗率が金属材料と同等であるため、電極の耐久性と導電性を両立することが可能となる。
【００４５】
導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマーの重合体や、二種以上のモノマーの共重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属が挙げられる。入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。
【００４６】
また、導電性材料の形状は、粉末状又は繊維状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片や貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば、多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。
【００４７】
ここで、導電層３２における触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応及び酸素発生反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００４８】
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００４９】
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。
【００５０】
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子が鉄のみであってもよい。
【００５１】
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。
【００５２】
炭素系材料の形状は、特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えばこの炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くても導電層３２を構成することができる。
【００５３】
導電層３２における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、８００℃以上１０００℃以下の温度で、４５秒以上６００秒未満加熱する。これにより、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。
【００５４】
ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩、酢酸塩などの有機金属塩、無機金属塩の水和物、及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄（III）を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が５〜３０質量％の範囲内となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が５〜２０質量％の範囲内となるように決定されることがより好ましい。
【００５５】
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、１，２−ビス（ジエチルホスフィノエタン）、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、１：１〜１：２の範囲内となるように決定されることが好ましく、１：１．５〜１：１．８の範囲内となるように決定されることがより好ましい。
【００５６】
触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず、炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度（例えば６０℃）で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。
【００５７】
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は４５秒以上６００秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、５０℃／ｓ以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上する。
【００５８】
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで３０分間分散させ、その後この炭素系材料を２Ｍ硫酸中に入れて、８０℃で３時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。
【００５９】
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。
【００６０】
酸素透過層３３の材料としては、酸素透過性を有し、さらに好ましくは撥水性能を有する材料であれば特に限定されない。酸素透過層３３の材料としては、例えばシリコーンゴム及びポリジメチルシロキサンの少なくともいずれか一方を用いることができる。これらの材料は、シリコーンの分子構造に由来する高い酸素溶解性及び酸素拡散性を有しているため、酸素透過性に優れている。さらにこれらの材料は、表面自由エネルギーが小さいため、撥水性能にも優れている。そのため、酸素透過層３３はシリコーンを含有することが特に好ましい。
【００６１】
また、酸素透過層３３の材料としては、エチルセルロース、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリブタジエン、ポリテトラフルオロエチレン及びブチルゴムからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。これらの材料も高い酸素透過性と撥水性を有しているため、好ましい。
【００６２】
なお、酸素透過層３３としては、防水透過膜などの不織布や、ポリエチレン及びポリプロピレンの不織布も用いることができる。具体的には、酸素透過層３３としては、ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーを複合化してなるゴアテックス（登録商標）を用いることができる。
【００６３】
導電層３２に効率的に酸素を供給するために、図９に示すように、酸素透過層３３は、撥水層３１及び導電層３２と接触していることが好ましい。これにより、導電層３２に直接酸素が供給され、さらに導電層３２の内部を通じて酸素が触媒に到達するため、後述する局部電池反応が進行しやすくなる。ただ、導電層３２に酸素が供給されるならば、撥水層３１と酸素透過層３３との間や、導電層３２と酸素透過層３３との間に隙間が存在していてもよい。
【００６４】
また、酸素透過層３３は、撥水性能を有することが好ましい。つまり、酸素透過層３３は、撥水性能を有するシートであることがより好ましい。後述するように、酸素透過層３３は、酸素を含む気相と、廃水槽の内部に保持された、液相としての電解液とを分離するように配置されている。ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。これにより、電解液中の有機物や窒素含有化合物が気相側に移動することを抑制できる。
【００６５】
さらに酸素透過層３３は、使用する材料により酸素透過量を調整し、気相側の酸素分子が電解液に過度に透過することを抑制できる。そのため、後述するように、廃水槽内を、酸素が存在しない嫌気性条件により確実に保つことができる。この結果、廃水槽内において好気性微生物の繁殖が抑えられるので、嫌気性条件下で液体処理を行うことができる。
【００６６】
このように、本実施形態に係る電極複合体１００は、中空部１と、中空部１に酸素を供給する酸素供給部４と、中空部１に供給された酸素を透過する酸素透過部５とを有する中空部材１０を備える。さらに電極複合体１００は、酸素透過部５において中空部材１０の外側に設けられ、かつ、酸素透過部５側から、酸素透過性を有する撥水層３１と導電層３２とが積層されてなる電極３０と、中空部１に設けられ、耐圧性を有する緩衝部材２０とを備える。そして、酸素供給部４から酸素透過部５にかけて通気性を有する。このため、電極複合体１００を電解液に浸漬し、高い水圧環境下となった場合でも、正極へ十分に酸素を供給するための空間が確保される。そのため、電池特性の低下を抑制して安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
【００６７】
なお、上述のように、緩衝部材２０の右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂを構成する材料は、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。ただ、緩衝部材２０の右側壁２１ａ及び左側壁２１ｂ自体が電極３０からなる構成であってもよい。この場合には、中空部材１０の酸素供給部４から供給された酸素が酸素透過部５を通じて直接電極３０に供給されるため、発電性能をより向上させることが可能となる。
【００６８】
また、図４〜図７及び図９では、中空部材１０及び緩衝部材２０の右側面及び左側面の両方に電極３０を設けている。しかし、本実施形態はこの構成に限定されない。例えば、中空部材１０及び緩衝部材２０の一方の側面のみに電極３０を接合し、他方の側面は板部材で封止してもよい。
【００６９】
また、緩衝部材２０の底面は板部材で封止してもよく、また後述するように、封止材により封止してもよい。同様に、図８の円筒状の中空部材１０及び支持部材２２の底面も板部材で封止してもよく、また封止材により封止してもよい。このように板部材や封止材で封止することで、中空部材や緩衝部材の内部の気相を維持することが可能となる。
【００７０】
［微生物燃料電池］
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池について説明する。本実施形態の微生物燃料電池１１０は、図１０及び図１１に示すように、微生物を担持する負極４０と、水素イオンを透過するイオン移動層５０と、イオン移動層５０を介して負極４０と隔てられた、上述の電極３０からなる正極６０とを備える。
【００７１】
負極４０は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極４０の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがイオン移動層５０の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極４０の導電体シートは、電極３０、負極４０及びイオン移動層５０の積層方向Ｘ、つまり厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していることが好ましい。
【００７２】
当該導電体シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極４０の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
【００７３】
負極４０に担持される微生物としては、被処理液（電解液）中の有機物、又は窒素を含む化合物（窒素含有化合物）を分解する微生物であれば特に限定されないが、例えば増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、被処理液中の有機物を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
【００７４】
負極４０は、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、嫌気性微生物が保持されることが好ましい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質（extracellular polymeric substance、EPS）とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極４０に保持されていてもよい。負極４０に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
【００７５】
本実施形態の微生物燃料電池１１０は、水素イオンを透過するイオン移動層５０を備えている。イオン移動層５０は、負極４０で生成した水素イオンを透過し、正極６０側へ移動させる機能を有する。イオン移動層５０としてはイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン（登録商標）及びセレミオン（登録商標）を用いることができる。
【００７６】
また、イオン移動層５０として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層５０は、負極４０と正極６０との間を水素イオンが移動するための空間（空隙）を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層５０は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層５０は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、イオン移動層５０の細孔径は、負極４０から正極６０に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
【００７７】
上述のように、イオン移動層５０は、負極４０で生成した水素イオンを透過し、正極６０側へ移動させる機能を有する。ただ、例えば、負極４０と正極６０とが接触しない状態で近接していれば、イオン移動層５０を設けなくても、水素イオンは負極４０から正極６０へ移動することができる。そのため、本実施形態の微生物燃料電池１１０において、イオン移動層５０は必須の構成要素ではない。しかし、イオン移動層５０を設けることにより、負極４０から正極６０へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層５０を設けることが好ましい。
【００７８】
本実施形態の微生物燃料電池１１０は、上述の電極複合体１００を備え、さらに電極３０は撥水層３１と導電層３２とを備えている。また、導電層３２の外側にイオン移動層５０を配置している。そして、図１１に示すように、正極６０の導電層３２及び負極４０は、それぞれ外部回路７０と電気的に接続されている。
【００７９】
電極複合体１００の底面又は緩衝部材２０の底面は、封止材９０によって封止されていてもよい。電極複合体１００の底面及び緩衝部材２０の底面には高い水圧がかかる場合があるため、封止材９０によって封止することにより当該底面から電解液８１が流入することを防ぎ、緩衝部材２０の内部の気相を維持することができる。なお、上述のように、電極複合体１００の中空部材１０は、電極３０における撥水層３１の外周部と接合しているため、電解液が緩衝部材２０の内部に流入することを防ぐことができる。封止材９０の素材は特に限定されないが、例えば、接着剤やシーラント、パテ、セメントなどを用いることができる。
【００８０】
廃水槽８０は、電極複合体１００、負極４０及びイオン移動層５０を内部に設置している。この際、中空部材１０内部への通気性を確保するために、電極複合体１００は、酸素供給部４が外気に露出するように電解液に浸漬される。また、廃水槽８０は、内部に電解液８１を保持しているが、電解液８１が流通するような構成であってもよい。例えば、図１０及び図１１に示すように、廃水槽８０には、電解液８１を廃水槽８０に供給するための液体供給口８２と、処理後の電解液８１を廃水槽８０から排出するための液体排出口８３とが設けられていてもよい。
【００８１】
なお、廃水槽８０内は、例えば分子状酸素が存在しない、又は分子状酸素が存在してもその濃度が極めて小さい嫌気性条件に保たれていることが好ましい。これにより、廃水槽８０内で、電解液８１を酸素と殆ど接触しないように保持することが可能となる。
【００８２】
次に、本実施形態の微生物燃料電池１１０の作用について説明する。微生物燃料電池１１０の動作時には、負極４０に、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液８１を供給し、正極６０に空気（又は酸素）を供給する。この際、空気は、電極複合体１００の上部に設けられた酸素供給部４を通じて連続的に供給される。なお、電解液８１も、液体供給口８２及び液体排出口８３を通じて連続的に供給されることが好ましい。
【００８３】
そして、正極６０では、撥水層３１により空気が拡散し、導電層３２へ到達する。この際、正極６０（電極３０）が酸素透過層３３を有している場合、撥水層３１により空気が拡散し、酸素透過層３３を空気中の酸素が透過し、導電層３２へ到達する。また、負極４０では、微生物の触媒作用により、電解液８１中の有機物及び／又は窒素含有化合物から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、イオン移動層５０を透過して正極６０側へ移動する。また、生成した電子は負極４０の導電体シートを通じて外部回路７０へ移動し、さらに外部回路７０から正極６０の導電層３２に移動する。そして、導電層３２に移動した水素イオン及び電子は、触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路７０によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
【００８４】
ここで、本実施形態に係る負極４０には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、廃水槽８０内の電解液８１は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極４０への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
【００８５】
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液８１中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極４０へと受け渡す。この結果、電解液８１における有機物などの酸化分解速度を高めることが可能となる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されないが、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−２，６−ジスルホン酸（ＡＱＤＳ）、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
【００８６】
このように、本実施形態に係る微生物燃料電池１１０は、電極複合体１００と、微生物を担持する負極４０とを備える。そして、電極複合体１００における電極３０は正極６０である。微生物燃料電池１１０では、通気性を確保するために中空部材１０及び緩衝部材２０を備えているため、正極６０は高い耐圧性を示す。これにより、微生物燃料電池１１０が大型化した場合や、微生物燃料電池１１０の水深が深くなった場合でも、正極へ酸素を供給するための空間が確保されることから、正極６０に対して十分に酸素を供給することができる。そのため、微生物燃料電池１１０の発電性能の低下を抑制して、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
【００８７】
微生物燃料電池１１０は、電極複合体１００における電極３０と負極４０との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層５０をさらに有することが好ましい。イオン移動層５０を設けることにより、負極４０から正極６０へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、微生物燃料電池１１０の更なる出力向上を図ることが可能となる。
【００８８】
微生物燃料電池１１０において、電極複合体１００における酸素供給部４は、中空部材１０の一面に設けられた開口部であり、電極複合体１００は、開口部が外気に露出するように電解液に浸漬されることが好ましい。これにより、電極複合体１００の内部に電解液が流入することを抑制し、さらに中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５にかけて高い通気性を確保することが可能となる。
【００８９】
［水処理装置］
次に、本実施形態に係る水処理装置について説明する。本実施形態の水処理装置は、電極複合体１００と、被処理液を浄化する微生物を担持する負極４０とを備える。そして、電極複合体１００における電極３０は、正極６０である。
【００９０】
上述のように、本実施形態の微生物燃料電池１１０は、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液８１（被処理液）を負極４０に供給している。そして、負極４０に担持された微生物の代謝により、電解液８１中の有機物及び／又は窒素含有化合物から水素イオン及び電子と共に、二酸化炭素又は窒素を生成している。
【００９１】
具体的には、例えば電解液８１が有機物としてグルコースを含有する場合、以下の局部電池反応により、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成している。
・負極４０（アノード）：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ→６ＣＯ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−
・正極６０（カソード）：６Ｏ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−→１２Ｈ２Ｏ
また、電解液８１が窒素含有化合物としてアンモニアを含有する場合、以下の局部電池反応により、窒素、水素イオン及び電子を生成している。
・負極４０（アノード）：４ＮＨ３→２Ｎ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
・正極６０（カソード）：３Ｏ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−→６Ｈ２Ｏ
【００９２】
このように、本実施形態の水処理装置は、微生物燃料電池１１０を用いることにより、電解液８１中の有機物及び窒素含有化合物が負極４０に接触して酸化分解されるため、電解液８１を浄化することができる。また、上述のように、廃水槽８０に、電解液８１を廃水槽８０に供給するための液体供給口８２と、処理後の電解液８１を廃水槽８０から排出するための液体排出口８３を設け、電解液８１を連続的に供給することができる。そのため、負極４０に電解液８１を連続的に接触させ、電解液８１を効率的に処理することが可能となる。
【００９３】
本実施形態の水処理装置は、電極複合体１００における電極３０と負極４０との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層５０をさらに有することが好ましい。イオン移動層５０を設けることにより、負極４０から正極６０へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、浄化性能の向上を図ることが可能となる。
【００９４】
［緩衝部材］
次に、電極複合体における緩衝部材の実施形態１〜４について、図面に基づき詳細に説明する。なお、上述の電極複合体、微生物燃料電池及び水処理装置と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９５】
（実施形態１）
図１２では、実施形態１に係る緩衝部材２００と中空部材１０とを組み合わせた状態を示している。中空部材１０は、上述のように、２本の第一柱状部材２の底部を第二柱状部材３で連結した枠部材であり、第一柱状部材２及び第二柱状部材３で囲繞された内部空間に中空部１が形成されている。
【００９６】
緩衝部材２００は、複数の微小な殻２０１を有している。殻２０１は殻壁２０２により囲繞されることで形成されており、さらに中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿って空気が流通できるように貫通している。そして、積層方向Ｘから見た場合の殻２０１の断面形状は、略正方形となっている。
【００９７】
殻壁２０２には、隣接する殻２０１の間を空気が流通できるように、通気孔２０３が形成されている。また、緩衝部材２００の上面２０４にも通気孔２０３が形成されており、緩衝部材２００の外部から殻２０１の内部に空気を供給することができる。
【００９８】
図１３に示すように、電極複合体１００Ｄは、酸素透過部５において中空部材１０の外側に設けられる電極３０を備えている。電極３０は、酸素透過部５側から、酸素透過性を有する撥水層３１と導電層３２とが積層されて構成されている。また、中空部材１０の右側面６ａは、電極３０の撥水層３１の外周部と接合しているため、電極複合体１００Ｄが電解液中に浸漬した場合、撥水層３１の外周部と右側面６ａとの接合部から中空部材１０の内部空間に、電解液が流入することを抑制できる。
【００９９】
２つの電極３０の間は空気が流通できるように空洞となっているが、殻壁２０２における電極３０と対向する面は、中空部１の内側から電極３０を支持している。そのため、電極複合体１００Ｄを電解液に浸漬し、電極３０に水圧がかかったとしても、緩衝部材２００における殻壁２０２によって電極３０が支持されることから、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５への通気性が十分に確保されるため、撥水層３１への酸素供給性を向上させることが可能となる。
【０１００】
そして、隣接する殻２０１の間を空気が流通できるように、殻壁２０２には通気孔２０３が形成されており、さらに緩衝部材２００の上面２０４にも通気孔２０３が形成されている。そのため、中空部材１０の酸素供給部４から上面２０４の通気孔２０３を通じて、緩衝部材２００の内部に空気が流入し、さらに殻壁２０２の通気孔２０３を通じて、緩衝部材２００の内部に空気が拡散する。そして、中空部材１０の酸素透過部５を通じて、電極３０の撥水層３１に空気が供給される。このように、電極複合体１００Ｄは、中空部材１０の酸素供給部４から供給された酸素が緩衝部材２００及び酸素透過部５を通じて電極３０に効率的に供給されるため、発電性能を向上させることが可能となる。
【０１０１】
上述のように、緩衝部材２００において、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘから見た場合、殻壁２０２によって形成される殻２０１の断面形状は略正方形となっている。そして、緩衝部材２００の両面に貼付される電極３０は、この正方形の面に対して水圧に耐える強度を有していればよい。そのため、殻２０１の面積を小さくすればする程、電極３０が受ける水圧に対する耐久性（強度）には余裕ができる。その結果、電極３０を薄くすることができるため、酸素透過性が向上し、より効率よく電気エネルギーに変換が可能となる。
【０１０２】
緩衝部材２００を構成する部材の材料は特に限定されないが、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びポリカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。また、金属としては、ステンレス鋼及びアルミニウムの少なくとも一方を用いることが可能である。
【０１０３】
緩衝部材２００の外観形状も特に限定されない。ただ、電極複合体１００Ｄは、中空部材１０の中空部１に緩衝部材２００が挿入された状態で、酸素供給部４から酸素透過部５にかけて通気性を確保する必要がある。そのため、緩衝部材２００自体も高い通気性を有する必要がある。また、緩衝部材２００は、電極３０からの水圧に対して高い耐久性を有する必要がある。このことから、緩衝部材２００は、複数の微小な殻２０１を有する平板として構成されていることが好ましい。
【０１０４】
中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘから見た場合の殻２０１の断面形状も特に限定されない。殻２０１の断面形状は、三角形、正方形、長方形、円形、六角形などでもよい。また、隣接する殻２０１の間の通気性が必要となるため、殻壁２０２には通気孔２０３が設けられているが、通気性が確保できるならば、通気孔２０３の形状、大きさ及び数も特に限定されない。
【０１０５】
ここで、図１４では、緩衝部材２００Ａを構成する殻２０１の断面形状が略正六角形の場合を示している。さらに図１５では、緩衝部材２００Ａを備えた中空部材１０の外側に、電極３０を設けた電極複合体１００Ｅを示している。このようなハニカム構造の緩衝部材２００Ａは、外部からの水圧に対する耐久性が高いことから、殻壁２０２の数を減らして高い通気性を確保しつつも、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することをより抑制することができる。その結果、電極３０を薄くすることもできるため、酸素透過性が向上し、より効率よく電気エネルギーに変換が可能となる。
【０１０６】
次に、緩衝部材２００の製造方法について説明する。緩衝部材２００の製造方法は上述の構成を有する緩衝部材２００が製造できれば特に限定されないが、例えば次のように製造することができる。
【０１０７】
図１６に示すように、まず、緩衝部材２００をＹＺ平面に沿って二分割した形状である格子材２１０を作製する。格子材２１０の殻壁２０２には、二つの格子材２１０を重ね合わせることにより、円状の通気孔２０３が形成されるように、半円状の通気孔２０３が複数形成されている。このような格子材２１０の製造方法は特に限定されないが、例えば金型を用いて成形することにより得ることができる。
【０１０８】
そして、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、格子材２１０における半円状の通気孔２０３が形成された面からなるパーティングライン２１１が互いに接し合うように、二つの格子材２１０を付き合わせる。そして、付き合わせた格子材２１０の殻壁２０２同士を接合することにより、緩衝部材２００を得ることができる。接合方法は特に限定されず、格子材２１０が樹脂からなる場合には溶着や圧着により接合することができる。また、接着剤等を用いて格子材２１０同士を接合してもよい。なお、図１６では、殻２０１の断面形状が正方形の場合を示しているが、三角形、長方形、円形、六角形などの場合も同様に形成することができる。
【０１０９】
次に、緩衝部材２００の他の製造方法について説明する。図１７に示すように、まず、緩衝部材２００の厚みｔ１と等しい幅を有する帯板２２０に対し、円形の通気孔２０３を等間隔に設ける。通気孔２０３は、例えば打ち抜き加工により形成することができる。
【０１１０】
さらに、図１７（ｂ）に示すように、帯板２２０には、緩衝部材２００の厚みｔ１と同じ間隔で、勘合用の切り欠き２２１を形成する。なお、切り欠き２２１の深さｄは、緩衝部材２００の厚みｔ１の略半分となっている。また、隣接する切り欠き２２１の中央に、通気孔２０３が設けられている。
【０１１１】
次に、図１７（ａ）に示すように、電極複合体の上下方向（鉛直方向Ｙ）と水平方向（奥行方向Ｚ）に沿って、複数の帯板２２０を、切り欠き２２１同士がかみ合うように嵌合して組み付ける。そして、中空部材１０の中空部１の大きさに沿うように帯板２２０の枚数を調整することにより、格子状の緩衝部材２００を形成することができる。
【０１１２】
緩衝部材２００の強度を高めるために、必要に応じて、格子状に組み付けた帯板２２０の外周部の三面に、略Ｕ字状の外周補強部材２２２を設けることができる。なお、図１７（ａ）において、外周補強部材の一面（上面）のみが囲まれない構成となっているのは、外部の空気との通気性を確保するためである。
【０１１３】
図１７に示す製造方法では、複数の帯板２２０を上下方向（鉛直方向Ｙ）と水平方向（奥行方向Ｚ）に組み付けることにより、緩衝部材２００を形成している。しかし、帯板２２０は互いに分離している必要はなく、図１８に示すように、一本の帯板２３０を折り曲げた後に組み付けることにより、緩衝部材２００を形成してもよい。
【０１１４】
具体的には、まず、折り曲げ加工が可能な材料を用いた帯板２３０に対し、図１７の帯板２２０と同様に、通気孔２０３及び切り欠き２２１を形成する。次に、図１８（ａ）及び（ｃ）に示すように、一本の帯板２３０を切断することなく折り曲げ、電極複合体の上下方向（鉛直方向Ｙ）の殻壁２０２を形成する。同様に、一本の帯板２３０を切断することなく折り曲げ、電極複合体の水平方向（奥行方向Ｚ）の殻壁２０２を形成する。そして、図１８（ｂ）に示すように、二本の帯板２３０を、切り欠き２２１同士がかみ合うように嵌合して組み付けることにより、格子状の緩衝部材２００を形成することができる。なお、緩衝部材２００の強度を高めるために、必要に応じて、格子状の帯板２３０の外周部の三面に、略Ｕ字状の外周補強部材２２２を設けることができる。
【０１１５】
このように、折り曲げ加工ができる材料を用いて緩衝部材を製造する場合、上下方向及び水平方向の帯板２３０が一本で形成できるため、部品点数を少なくすることが可能となる。さらに、二本の帯板２３０を付き合わせて一度で嵌合できるため、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。
【０１１６】
（実施形態２）
図１９（ａ）では、実施形態２に係る緩衝部材３００を分解した状態で示している。緩衝部材３００は、実施形態１と同様に、複数の微小な殻３０１を有している。殻３０１は殻壁３０２により囲繞されることで形成されており、さらに中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿って空気が流通できるように貫通している。そして、積層方向Ｘから見た場合の殻３０１の断面形状は、略正方形となっている。なお、実施形態１と異なり、殻壁３０２には、隣接する殻３０１の間を空気が流通できるような通気孔は形成されていない。
【０１１７】
緩衝部材３００は、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数の殻壁３０２が格子状に配列した２つの格子材３１０を備えている。そして、２つの格子材３１０は、複数の間隙設置用支柱３２０を介在させることにより、一定の間隙３３０を設けて固定されている。間隙設置用支柱３２０には、格子材３１０の殻壁３０２における交差部分が挿入できるように、十字状の溝部３２１が裏表に形成されている。そのため、図１９（ｂ）に示すように、格子材３１０の殻壁３０２が間隙設置用支柱３２０の溝部３２１に挿入することにより、２つの格子材３１０を一定の間隙３３０で固定することができる。なお、緩衝部材３００の強度を高めるために、必要に応じて、格子材３１０の外周部の三面に、略Ｕ字状の外周補強部材３２２を設けることができる。
【０１１８】
このような緩衝部材３００を用いて電極複合体を形成した場合、殻壁３０２における電極３０と対向する面は、中空部１の内側から電極３０を支持している。そのため、電極複合体を電解液に浸漬し、電極３０に水圧がかかったとしても、緩衝部材３００における殻壁３０２及び間隙設置用支柱３２０によって電極３０が支持されることから、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５への通気性が十分に確保されるため、撥水層３１への酸素供給性を向上させることが可能となる。さらに、実施形態２の緩衝部材３００は、２つの格子材３１０の間に間隙３３０が設けられている。そのため、中空部材１０の酸素供給部４から供給された空気は、間隙３３０及び殻３０１を通過して酸素透過部５へ到達するため、電極３０へ空気を効率的に供給することが可能となる。
【０１１９】
緩衝部材３００では、間隙設置用支柱３２０を格子材３１０の間に設置することにより、殻３０１の間の通気性を確保でき、さらに耐水圧性をも確保することができる。そして、通気性の必要量に応じて、図１９（ｃ）に示すように、間隙設置用支柱３２０の長さを変えることで間隙３３０の大きさを調整できる。そのため、緩衝部材３００の内部における通気量を容易に変更することが可能となる。
【０１２０】
実施形態２の緩衝部材３００において、間隙設置用支柱３２０の位置及び個数は任意に設定することができる。例えば、電極複合体の水深に応じて必要な耐水圧性が変化するため、例えば水深が浅い部分は間隙設置用支柱３２０の数を減らし、水深が深い部分は間隙設置用支柱３２０の数を増やすことができる。
【０１２１】
図１９（ａ）では、格子材３１０における殻３０１の断面形状が正方形の場合を示している。ただ、殻３０１の断面形状は正方形に限定されず任意の多角形とすることができ、例えば、三角形、長方形又は六角形等であってもよい。また、格子材３１０及び間隙設置用支柱３２０の材料は特に限定されないが、緩衝部材２００と同様に、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。格子材３１０及び間隙設置用支柱３２０の製造方法も特に限定されないが、例えば金型を用いて成形することにより得ることができる。
【０１２２】
ここで、格子材３１０としては、図１９（ａ）に示すような帯板を格子状に組み合わせたものを使用することができる。ただ、格子材３１０は図１９に示すものに限定されず、例えば、図２０（ａ）に示すように、縦糸と横糸を格子状に組み合わせて網目を形成した網状部材も使用することができる。このような水圧に耐え得る面内剛性を十分に有する網状部材を使用し、間隙設置用支柱３２０を用いて通気性を確保した場合でも、殻壁３０２及び間隙設置用支柱３２０によって電極３０が支持される。そのため、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。
【０１２３】
図１９（ａ）では、間隙設置用支柱３２０に十字状の溝部３２１が形成されている。ただ、殻壁３０２の太さが溝部３２１の幅よりも大きい場合には、殻壁３０２を溝部３２１に挿入することができないため、図１９（ｂ）に示すように、殻壁３０２と間隙設置用支柱３２０とを接合することが好ましい。接合方法は特に限定されず、格子材３１０及び間隙設置用支柱３２０が樹脂からなる場合には溶着や圧着により接合することができる。また、接着剤等を用いて、格子材３１０及び間隙設置用支柱３２０を接合してもよい。
【０１２４】
網状部材の材料は特に限定されないが、例えば、水圧に耐え得る剛性を備える樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。また、樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びポリカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。また、金属としては、ステンレス鋼及びアルミニウムの少なくとも一方を用いることが可能である。網状部材としては、例えばタキロン株式会社製のトリカルネット（登録商標）を使用することができる。
【０１２５】
（実施形態３）
図２１では、実施形態３に係る緩衝部材４００を分解した状態で示している。緩衝部材４００は、実施形態１及び実施形態２と同様に、複数の微小な殻４０１を有している。殻４０１は殻壁４０２により囲繞されることで形成されており、さらに中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿って空気が流通できるように貫通している。そして、積層方向Ｘから見た場合の殻４０１の断面形状は、略正方形となっている。なお、実施形態２と同様に、殻壁４０２には、隣接する殻４０１の間を空気が流通できるような通気孔は形成されていない。
【０１２６】
緩衝部材４００は、図２１に示すように、複数の殻壁４０２が格子状に配列した２つの格子材４１０を備えている。そして、２つの格子材４１０は、複数の間隙設置用支柱４２０を介在させることにより、実施形態２と同様に、一定の間隙を設けて固定されている。間隙設置用支柱４２０は、ＹＺ平面に沿った断面形状が十字状である柱状部材からなる。そして、間隙設置用支柱４２０には、格子材４１０の殻壁４０２における交差部分が挿入できるように、十字状の溝部４２１が裏表に形成されている。そのため、格子材４１０の殻壁４０２が間隙設置用支柱４２０の溝部４２１に挿入することにより、２つの格子材４１０を一定の間隙で固定することができる。
【０１２７】
このような緩衝部材４００を用いて電極複合体を形成した場合、殻壁４０２における電極３０と対向する面は、中空部１の内側から電極３０を支持している。そのため、電極複合体を電解液に浸漬し、電極３０に水圧がかかったとしても、緩衝部材４００における殻壁４０２及び間隙設置用支柱４２０によって電極３０が支持されることから、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５への通気性が十分に確保されるため、撥水層３１への酸素供給性を向上させることが可能となる。
【０１２８】
さらに、実施形態３の緩衝部材４００は、２つの格子材４１０の間に間隙が設けられている。つまり、緩衝部材４００は、２つの格子材４１０の間に間隙設置用支柱４２０が装着された状態で、酸素供給部４から酸素透過部５にかけて通気性を確保する必要がある。そのため、２つの格子材４１０の間は、複数の間隙設置用支柱４２０によって間隙が設けられている。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から供給された空気は、間隙及び殻４０１を通過して酸素透過部５へ到達するため、電極３０へ空気を効率的に供給することが可能となる。
【０１２９】
格子材４１０における殻４０１の断面形状は、実施形態２と同様に正方形に限定されず任意の多角形とすることができ、例えば、三角形、長方形又は六角形等であってもよい。また、格子材４１０において、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘから見た場合の殻４０１の面積も特に限定されず、水圧に対する耐久性を有するように任意の大きさとすることができる。さらに、格子材４１０及び間隙設置用支柱４２０の材料も特に限定されないが、実施形態２と同様に、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。
【０１３０】
実施形態３の緩衝部材４００において、間隙設置用支柱４２０の位置及び個数は任意に設定することができる。例えば、電極複合体の水深に応じて必要な耐圧性が変化するため、例えば水深が浅い部分は間隙設置用支柱４２０の数を減らし、水深が深い部分は間隙設置用支柱４２０の数を増やすことができる。
【０１３１】
ここで、格子材４１０は、複数枚の格子材をＹＺ方向に並べた状態で一体化した平板であってもよい。具体的には、図２２（ａ）に示すように、四枚の格子材４１０を組み合わせるような場合は、四枚の格子材４１０の四隅を突き合わせた後に、間隙設置用支柱４２０の溝部４２１に、突き合わせた部分の殻壁４０２を差し込む。これにより、四枚の格子材４１０を一体的に固定することができる。なお、図２２（ｂ）に示すように、間隙設置用支柱４２０の溝部４２１の幅ｗは、格子材４１０における殻壁４０２の厚みｔ２の２倍より若干大きくなっている。
【０１３２】
また、二枚の格子材４１０を組み合わせるような場合も同様に、二枚の格子材４１０の二辺を並置した後に、間隙設置用支柱４２０の溝部４２１に殻壁４０２を差し込むことで、二枚の格子材４１０を一体的に固定することができる。そして、間隙設置用支柱４２０を用いて一体化した格子材を、図２１のように間隙設置用支柱４２０を介して積層することにより、緩衝部材４００を得ることができる。
【０１３３】
このように、実施形態３では、複数枚の格子材４１０をＹＺ方向に並べた状態で一体化することができる。そのため、中空部材１０の中空部１の大きさに合わせて格子材４１０を組み合わせればよいことから、緩衝部材４００のモジュール化を図ることができる。つまり、例えば、中空部材１０の中空部１における酸素透過部５の面積が１ｍ２を超える場合、単一の格子材４１０を二枚積層して緩衝部材４００を得ようとすると、面積が１ｍ２を超える格子材を用意しなければならず、製造工程が複雑化してしまう。しかし、中空部材１０の中空部１の大きさに合わせて複数枚の格子材４１０を組み合わせる場合には、面積が大きな格子材を用意する必要がないため、製造工程の簡略化を図ることができる。
【０１３４】
（実施形態４）
図２３では、実施形態４に係る緩衝部材５００を分解した状態で示している。緩衝部材５００は、実施形態１〜３と同様に、複数の微小な殻５０１を有している。殻５０１は殻壁５０２により囲繞されることで形成されており、さらに中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘに沿って空気が流通できるように貫通している。そして、積層方向Ｘから見た場合の殻５０１の断面形状は、略正方形となっている。なお、実施形態２及び３と同様に、殻壁５０２には、隣接する殻５０１の間を空気が流通できるような通気孔は形成されていない。
【０１３５】
緩衝部材５００は、図２３（ａ）に示すように、複数の殻壁５０２が格子状に配列した２つの格子材５１０，５１１を備えている。そして、２つの格子材５１０，５１１は、複数の間隙設置用支柱５２０を介在させることにより、実施形態２及び３と同様に、一定の間隙を設けて固定されている。
【０１３６】
実施形態４では、間隙設置用支柱５２０が格子材５１１と一体成形されている。具体的には、図２３（ｂ）に示すように、間隙設置用支柱５２０は、格子材５１０の殻壁５０２が挿入する十字状の溝部５２１を有している。そして、間隙設置用支柱５２０における溝部５２１が設けられている部分は、円柱状となっている。間隙設置用支柱５２０は、格子材５１１に近接するにしたがって次第に縮径しており、間隙設置用支柱５２０における最も縮径した部分は格子材５１１の殻壁５０２に接合されている。そして、格子材５１０の殻壁５０２が間隙設置用支柱５２０の溝部５２１に挿入することにより、２つの格子材５１０，５１１を一定の間隙で固定することができる。
【０１３７】
格子材５１０，５１１における殻５０１の断面形状は、実施形態２及び３と同様に、正方形に限定されず任意の多角形とすることができ、例えば、三角形、長方形又は六角形等であってもよい。また、格子材５１０，５１１において、中空部材１０と電極３０との積層方向Ｘから見た場合の殻５０１の面積も特に限定されず、水圧に対する耐久性を有するように任意の大きさとすることができる。さらに、格子材５１０，５１１及び間隙設置用支柱５２０の材料は特に限定されないが、実施形態２及び３と同様に、例えば樹脂、金属、ガラス及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが可能である。
【０１３８】
このような緩衝部材５００を用いて電極複合体を形成した場合、殻壁５０２における電極３０と対向する面は、中空部１の内側から電極３０を支持している。そのため、電極複合体を電解液に浸漬し、電極３０に水圧がかかったとしても、緩衝部材５００における殻壁５０２及び間隙設置用支柱５２０によって電極３０が支持されることから、電極３０が中空部材１０の内部空間に湾曲することが抑制される。その結果、中空部材１０の酸素供給部４から酸素透過部５への通気性が十分に確保されるため、電極３０の撥水層３１への酸素供給性を向上させることが可能となる。さらに、実施形態４の緩衝部材５００は、２つの格子材５１０，５１１の間に間隙が設けられている。そのため、中空部材１０の酸素供給部４から供給された空気は、間隙及び殻５０１を通過して酸素透過部５へ到達するため、電極３０へ空気を効率的に供給することが可能となる。
【０１３９】
実施形態４では、格子材５１０には間隙設置用支柱５２０を一体成形せず、格子材５１１に間隙設置用支柱５２０を一体成形している。そのため、部品点数を削減し、緩衝部材５００の組立工程を簡略化することが可能となる。また、間隙設置用支柱５２０における溝部５２１を形成した表面に、格子材５１０の殻壁５０２を誘い込むような隙間を設けておけば、格子材５１０，５１１の位置決め機能も同時に兼ね備えることが可能である。なお、このような格子材５１０，５１１の製造方法は特に限定されないが、例えば金型を用いて成形することにより得ることができる。
【０１４０】
ここで、図２３に示す緩衝部材５００では、間隙設置用支柱５２０を有しない格子材５１０と、間隙設置用支柱５２０を一体成形した格子材５１１の二種類の部品を作製する必要がある。しかし、例えば図２４に示すように、格子材５１２の一方の面に対し、間隙設置用支柱５２０を、対称軸５３０を軸として線対称となるように一体成形する。そして、２つの格子材５１２を間隙設置用支柱５２０が内側に配置されるように積層することで、図２３と同様の緩衝部材５００を得ることができる。この場合には、一種類の格子材５１２を二枚重ね合わせることで緩衝部材が得られるため、部品の種類の削減を図ることができる。また、格子材５１２を形成するための金型も一種類で済むため、製造コストの削減も図ることができる。
【０１４１】
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。なお、本明細書において、支持部材は緩衝部材の一部を構成する。そのため、正極へ十分に酸素を供給するための空間が確保されるならば、緩衝部材は支持部材のみからなる構成であってもよい。
【０１４２】
特願２０１５−１１４５６５号（出願日：２０１５年６月５日）の全内容は、ここに援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明の電極複合体は、中空部材の内部に緩衝部材を備えている。そのため、高い水圧環境下においても、正極へ十分に酸素を供給するための空間が確保されることから、電池特性の低下を抑制して安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
【符号の説明】
【０１４４】
１  中空部
４  酸素供給部
５  酸素透過部
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  中空部材
２０，２００，２００Ａ，３００，４００，５００  緩衝部材
２２ｄ  円筒部材
３０  電極
３１  撥水層
３２  導電層
３３  酸素透過層
４０  負極
５０  イオン移動層
６０  正極
８１  電解液
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ  電極複合体
１１０  微生物燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月20日(2017.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る中空部材の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る緩衝部材の一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、中空部材及び緩衝部材を組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る電極複合体の一例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る電極複合体を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る電極複合体の他の例を示す概略図である。（ａ）は当該電極複合体の斜視図であり、（ｂ）は当該電極複合体の平面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る電極複合体の電極に酸素透過層を組み合わせた状態を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係る微生物燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態１に係る緩衝部材を中空部材に組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、実施形態１に係る緩衝部材及び中空部材を用いた電極複合体を、分解した状態で示す斜視図である。
【図１４】図１４は、実施形態１に係る緩衝部材を中空部材に組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、実施形態１に係る緩衝部材及び中空部材を用いた電極複合体を、分解した状態で示す斜視図である。
【図１６】図１６は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の一例を示す概略図である。
【図１７】図１７は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の他の例を示す概略図である。
【図１８】図１８は、実施形態１に係る緩衝部材の製造方法の他の例を示す概略図である。
【図１９】図１９は、実施形態２に係る緩衝部材の例を示している。（ａ）は実施形態２に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の側面図であり、（ｃ）は間隙設置用支柱を示す斜視図である。
【図２０】図２０は、実施形態２に係る緩衝部材の他の例を示している。（ａ）は実施形態２に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の側面図である。
【図２１】図２１は、実施形態３に係る緩衝部材の一例を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、実施形態３に係る緩衝部材の他の例を示している。（ａ）は複数の格子材を組み合わせる前の状態を示す斜視図である。（ｂ）は複数の格子材を組み合わせた後の状態を示す平面図である。
【図２３】図２３は、実施形態４に係る緩衝部材の一例を示している。（ａ）は実施形態４に係る緩衝部材を分解した状態で示す斜視図であり、（ｂ）は緩衝部材の拡大図である。
【図２４】図２４は、実施形態４に係る緩衝部材を構成する格子材の一例を示す斜視図である。
【国際調査報告】
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