(57)【要約】【課題】本発明は、微生物燃料電池内であっても、アノードの劣化への影響を抑えてカソードのメンテナンスが行うことができる微生物燃料電池を提供する。【解決手段】本発明に係る微生物燃料電池１０１は、電解液９０を保持する電解液槽１０と、電解液槽１０の内部に設けられたアノード２０と、電解液槽１０の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソード３０と、電解液槽１０の内部でカソード３０を保持するカソード容器５０と、カソード容器５０の内部の電解液９０を交換する液交換部６０と、を備え、カソード容器５０は、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡する液絡部７０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を保持する電解液槽と、
前記電解液槽の内部に設けられたアノードと、
前記電解液槽の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソードと、
前記電解液槽の内部で前記カソードを保持するカソード容器と、
前記カソード容器の内部の前記電解液を交換する液交換部と、を備え、
前記カソード容器は、前記カソード容器の内部と外部とを前記電解液が液絡する液絡部を有する
微生物燃料電池。
【請求項２】
前記液絡部は、前記カソード容器の一面を開口して設けられた開口部であり、前記開口部は開閉可能な蓋部材が設けられた
請求項１に記載の微生物燃料電池。
【請求項３】
前記電解液は、イオン透過膜７３を介して前記液絡部を液絡する
請求項２または３に記載の微生物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物燃料電池は廃水中に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質の酸化分解処理をする、低汚泥発生、低エネルギー消費の排水処理装置である。
【０００３】
微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相及び電解液に接触させる正極とを有し、負極に有機性物質などを含有する電解液を供給すると共に、正極に酸素を含んだ気体を供給する。負極及び正極は、外部回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では微生物の触媒作用により電解液から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）が生成され、水素イオンは正極へ移動し、電子は外部回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素（Ｏ２）と反応し、水（Ｈ２Ｏ）となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５１６４５１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
微生物燃料電池を長期間駆動させた場合、正極の劣化に伴う回収電気エネルギー量の低下が生じる。電気エネルギーを長期間、安定的に回収するためには正極のメンテナンスもしくは交換を行う必要がある。
【０００６】
上記従来の微生物燃料電池では、アノード（負極）を劣化させず、カソード（正極）のメンテナンスを行うには、カソード（正極）を微生物燃料電池の外部へ取り出してメンテナンスを行う必要がある。そのため、微生物燃料電池の他に、メンテナンス装置を設けることとなり、排水処置装置の設置スペースが広くなりやすい。
【０００７】
本発明は、上記従来課題を解決するもので、微生物燃料電池内であっても、アノード（負極）の劣化への影響を抑えてカソード（正極）のメンテナンスが行うことができる微生物燃料電池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】
本発明に係る微生物燃料電池は、電解液を保持する電解液槽と、前記電解液槽の内部に設けられたアノードと、前記電解液槽の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソードと、前記電解液槽の内部で前記カソードを保持するカソード容器と、前記カソード容器の内部の前記電解液を交換する液交換部と、を備え、前記カソード容器は、前記カソード容器の内部と外部とを前記電解液が液絡する液絡部を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、微生物燃料電池内であっても、アノード劣化への影響を抑えてカソードのメンテナンスが行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１における微生物燃料電池１０１の外観斜視図である。
【図２】実施の形態１におけるカソード３０及び酸素供給部４０の斜視図である。
【図３】（ａ）メンテナンス動作時における微生物燃料電池１０１の図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｂ）電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０１の図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】実施の形態１における液絡部７０の変形例であり、（ａ）はスライド式、（ｂ）はじゃばら式、（ｃ）はドア式である。
【図５】実施の形態２におけるカソード容器５０の斜視図である。
【図６】実施の形態２における電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０２の断面図である。
【図７】実施の形態３における微生物燃料電池１０３の外観斜視図である。
【図８】（ａ）メンテナンス動作時における微生物燃料電池１０３の図７中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｂ）電気エネルギー生成動作時における微生物燃料電池１０４の図３中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
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。したがって、以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１３】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
【００１４】
（実施の形態１）
本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１の構成について説明する。
【００１５】
本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１は、図１に示されるように、電解液槽１０の内部にアノード２０とカソード３０とを備える。電解液槽１０の内部には、さらにカソード容器５０が設けられており、カソード３０は、カソード容器５０の内部に配置される。カソード３０は、カソード容器５０内部において、図１及び図２に示されるように、枠状部材４０を介して積層されている。また、カソード容器５０内には、カソード３０に酸素を供給する酸素供給部が設けられる。本実施の形態における酸素供給部は、具体的には、枠状部材４０により積層された二つのカソード３０によって形成された気相３４である。カソード３０は、気相３４を通じて、大気と連通し、酸素が供給される。
【００１６】
なお、アノード２０とカソード３０とは外部回路（図示なし）で接続され、これにより電気エネルギーの生成が行われるものである。
【００１７】
アノード２０とカソード３０とは、電解液槽１０の内部において、カソード容器５０によって隔てられて分離・保持されるので、アノード２０は電解液９０に浸漬された状態で、カソード容器５０の内部にてカソード３０のみメンテナンスを行うことができる。
【００１８】
電解液９０は、電解液槽１０の内部に保持されているが、電解液槽１０の内部と外部とを流通できるような構成であってもよい。例えば、図１及び図２に示すように、電解液槽１０には、電解液９０を電解液槽１０に供給するための液体供給口１１と、処理後の電解
液９０を電解液槽１０から排出するための液体排出口１２とが設けられていてもよい。そして、電解液９０は、液体供給口１１から連続的に供給され、液体排出口１２から連続的に排出されることで電解液９０の流出入が行われることが好ましい。
【００１９】
微生物燃料電池１０１の詳細な構成を以下で説明する。
【００２０】
［アノード］
本実施形態に係るアノード２０は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液９０中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する。また、アノード２０を構成する導電体シートは、複数の細孔を有することが好ましい。
【００２１】
アノード２０の材質は、例えばアルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属、又はカーボンペーパー、カーボンフェルトなどの炭素材料である。アノード２０はその厚さ方向に連続する空間（空隙）を有していてもよい。例えばアノード２０は、多孔質または織布状の、内部に空間を有する導電体シートであってもよい。アノード２０は、厚さ方向に貫通する複数の貫通穴を有する金属板であってもよい。
【００２２】
アノード２０に担持される微生物としては、電解液９０中の有機性物質を分解して、水素イオン及び電子を生成する微生物であれば特に限定されない。このような微生物としては、例えば、増殖に酸素を必要とする好気性微生物、又は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できるが、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、電解液９０中の有機性物質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。
【００２３】
アノード２０に保持される好気性微生物は、例えばＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ属細菌である大腸菌、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属細菌である緑濃菌、Ｂａｃｉｌｌｕｓ属細菌である枯草菌が挙げられる。
【００２４】
アノード２０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。具体的には、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、及びＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属細菌が、挙げられる。
【００２５】
アノード２０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、アノード２０に嫌気性微生物が保持されていてもよい。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２０に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、アノード２０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
【００２６】
［カソード］
本実施の形態において、カソード３０は二つ設けられる。カソード３０同士は、カソード３０における面３０ａの外周部に沿うＵ字状の枠状部材４０によって積層される。枠状部材４０は、２本の第一柱状部材４１の底面を第二柱状部材４２で連結して形成され、上部が開口している。枠状部材４０の側面４３は、カソード３０の面３０ａの外周部から枠状部材４０の内部に電解液９０が流入することを抑制できる。
【００２７】
枠状部材４０により積層された二つのカソード３０は、図１や図３（ａ）に示されるよ
うに、カソード容器５０の内部に配置される。このとき、枠状部材４０によって形成された気相３４が酸素供給部となる。気相３４は、大気と連通し、カソード３０に酸素を供給する。
【００２８】
また、アノード２０及びカソード３０は、外部回路１１０によって電気的に接続されている。
【００２９】
カソード３０は、図１及び図２に示されるように、撥水層３１と、撥水層３１に接するように重ねられているガス拡散層３２とを備えるガス拡散電極からなる。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相３４中の酸素をカソード３０中の触媒に容易に供給することが好ましい。
【００３０】
カソード３０における撥水層３１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層３１は、カソード容器５０内における電気化学系中の酸素供給部と液相とを良好に分離しながら、気相３４から液相へ向かう酸素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３４中の酸素を透過し、ガス拡散層３２へ移動させつつも、電解液９０が気相３４側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
【００３１】
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。撥水層３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）からなる群から選択される一種以上の材料から作製される。
【００３２】
ガス拡散層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。なお、ガス拡散層３２が、多孔質且つ導電性を有する触媒から形成されてもよい。
【００３３】
ガス拡散層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から選択される一種以上の材料から構成される。炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例として、グラファイト、活性炭、カーボンパウダ（例えば、カーボンブラック、バルカンＸＣ−７２Ｒ、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックを含む）、カーボンファイバ（グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布を含む）、カーボンプレート、カーボンペーパー、及びカーボンディスクが挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような、微細構造物質も挙げられる。金属としては、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル及びチタンが挙げられる。
【００３４】
［カソード容器］
カソード容器５０は、電解液槽１０内に配置され、内部にカソード３０が配置される。カソード容器５０により、アノード２０とカソード３０とは、電解液９０に浸漬したまま、電解液槽１０の内部において隔てられて保持される。
【００３５】
また、カソード容器５０の内部には、カソード容器５０の内部の電解液９０を交換するための液交換部６０を備える。液交換部６０は、例えば外部に設けられた循環装置（図示せず）により電解液９０の流出入が行われるように構成されている。本実施の形態においては、ポリプロピレン製チューブが用いられる。液交換部６０は、カソード容器５０の開口した上方から挿入され、外部に設けられた循環装置（図示せず）によって、電解液９０の交換を行う。
【００３６】
また、液交換部６０では、電解液９０だけでなく、カソード３０の洗浄を行うための洗浄液の交換を行ってもよい。これにより、カソード容器５０内でカソード３０の洗浄を行うことができる。液交換部６０は、耐酸性、耐アルカリ性、耐次亜塩素酸性を有する材質で形成されることが好ましい。
【００３７】
また、カソード容器５０は、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡する液絡部７０を有する。本実施の形態では、液絡部７０は、カソード容器５０の開口した上面５１である。
【００３８】
液絡部７０を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡することで、アノード２０とカソード３０とが分離されていても、カソード容器５０を水素イオンが移動することができ、酸素還元反応を行うことができる。
【００３９】
本実施の形態においては、カソード容器５０の開口した上面５１が液絡部７０となり、カソード容器５０を上下に動かすことによって、液絡部７０を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡し、また、電解液９０と共に水素イオンもカソード容器５０へ液絡する。液絡した水素イオンは、カソード３０にて酸素と反応し、水となって消費される。
【００４０】
このとき、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触し、短絡するのを防止するために、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、プロトン透過性を有するイオン透過膜７３が設けられていてもよい。本実施の形態におけるイオン透過膜７３は、アノード２０が設けられている側のカソード３０の側面に積層して設けられる。
【００４１】
イオン透過膜７３は、アノード２０で生成した水素イオンを透過することができる。イオン透過膜７３としては、例えばイオン交換樹脂を用いる。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。
【００４２】
また、イオン透過膜７３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、イオン透過膜７３は、アノード２０からカソード３０へ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、イオン透過膜７３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、イオン透過膜７３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。
【００４３】
なお、イオン透過膜７３の細孔径は、アノード２０からカソード３０に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
【００４４】
［動作の方法］
本実施の形態における微生物燃料電池１０１の動作について図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【００４５】
図３（ａ）に示されるように、微生物燃料電池１０１は、アノード２０及びカソード容器５０内に設けられたカソード３０が電解液槽１０内において電解液９０に浸漬される。カソード容器５０の内部では、カソード３０と液交換部６０とが共に設けられ、カソード３０の撥水層３１は少なくとも一部が気相３４に接している。カソード容器５０は、上端
が液面より下方に配置される。このとき、カソード容器５０の開口した上面５１が液絡部７０となり、液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡する。
【００４６】
微生物燃料電池１０１のメンテナンス動作を行う場合、図３（ａ）に示されるように、カソード容器５０は、カソード３０を保持したまま、電解液槽１０の液面より上方へ取り出される。これにより、カソード容器５０内の電解液９０と電解液槽１０内の電解液９０とが分離される。カソード容器５０の内部の電解液９０は、カソード容器５０に設けられた液交換部６０を用いて、電解液槽１０の外に排出される。
【００４７】
電解液９０除去後、液交換部６０を通じて、カソード容器５０内にカソード３０の洗浄液が流入される。カソード３０の洗浄液としては、例えば、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、クエン酸、リンゴ酸、酢酸、過酢酸、次亜塩素酸などの酸、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどのアルカリ、界面活性剤、および上記少なくとも１種を含む水溶液などが用いられる。カソード容器５０に洗浄液を流入し、所定時間浸漬後、再び液交換部６０を用いて洗浄液を排出する。その後、液交換部６０を通じて脱イオン水を流入出させ、脱イオン水による洗浄を複数回行う。
【００４８】
このとき、電解液槽１０の内部に配置されるアノード２０は、カソード３０がカソード容器５０内でメンテナンスが行われている際も、電解液槽１０中に保持された電解液９０に浸漬されている。
【００４９】
なお、カソード容器５０の取り出し方法について、カソード容器５０の上端部が液面より上方に出ており、電解液９０がカソード容器５０の内部と外部とで分離されていれば、カソード容器５０全体が電解液槽１０の外部に取り出されなくてもよい。
【００５０】
脱イオン水洗浄後は、カソード容器５０を電解液槽１０の液面より下方へ再び戻し、カソード容器５０内を電解液９０で満たすことにより、微生物燃料電池１０１の電気エネルギーの生成を行う。
【００５１】
微生物燃料電池１０１の電気エネルギー生成動作を行う場合、図３（ｂ）に示されるように、カソード３０には、気相３４を介して空気又は酸素を含む気体が供給される。気体は、枠状部材４０の開口した上部から気相３４へ連通し、気相３４からカソード３０へ連続的に供給される。
【００５２】
そして、カソード３０では、撥水層３１を透過してガス拡散層３２により気体が拡散する。アノード２０では、微生物の触媒作用により、電解液９０中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する。電解液９０及び生成した水素イオンは、液絡部７０からカソード容器５０の内部へ移動する。また、生成した電子はアノード２０の導電体シートを通じて外部回路１１０へ移動し、さらに外部回路１１０からカソード３０のガス拡散層３２に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層３２に担持された触媒の作用により酸素と反応し、水となって消費される。
【００５３】
なお、メンテナンス動作時において、カソード３０の洗浄液としてＨＣｌを流入する際、カソード容器５０の外部にＨＣｌが液漏れすることなく流入・保持されることが好ましい。
【００５４】
なお、カソード容器５０の形状は、袋形状や円筒形状であってもよく、また、電解液槽１０の電解液９０とカソード容器５０の電解液９０とを分離できるものであれば、構成は本実施の形態に限られない。
【００５５】
なお、気相３４は、外気に開放されることで気体を供給するものとしたが、例えば外部に設けられたポンプによって外空気が供給されるように構成されていてもよい。また、カソード３０は、枠状部材４０を用いてカソード３０を積層することで気相３４を形成し、酸素を含む気体が供給されるものとしたが、カソード３０に酸素を供給できるものであれば、本実施の形態に限るものではない。
【００５６】
なお、イオン透過膜７３は、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触し、短絡するのを防止するものであればよく、設けられる位置は本実施の形態に限るものではない。例えばカソード容器５０や液絡部７０となる一側面５１の周辺などに設けられていてもよい。
【００５７】
なお、液交換部６０は、メンテナンス動作時にのみ設けられるものとしてもよい。
【００５８】
［まとめ］
上述の通り、本実施の形態の微生物燃料電池１０１は、電解液９０を保持する電解液槽１０と、電解液槽１０の内部に設けられたアノード２０と、電解液槽１０の内部に酸素を含む気体が接触するように設けられたカソード３０と、電解液槽１０の内部でカソード３０を保持するカソード容器５０と、カソード容器５０の内部の電解液９０を交換する液交換部６０と、を備え、カソード容器５０は、カソード容器５０の内部と外部とを電解液９０が液絡する液絡部７０を有する。
【００５９】
これにより、カソード容器５０を動かすことで、電解液槽１０内部でアノード２０とカソード３０と分離することができる。そのため、アノード２０が電解液９０に浸漬されたまま、カソード３０のみメンテナンスを行うことができる。したがって、カソード３０のメンテナンス時にアノードが外部の空気の影響を受けずにメンテナンスできるので、アノード２０の劣化を抑制し、電気エネルギーを長期間、安定的に回収でき、生成効率を向上することができる。
【００６０】
さらに、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０１内で行うことができるので、メンテナンス装置を別体に設ける必要がなく、排水処理装置全体を小さくすることができる。
【００６１】
これにより、アノード２０及びカソード３０間の電気的な短絡を防ぐことができ、電極間距離を短くすることができるため、電気エネルギーの出力を向上することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態に係る微生物燃料電池１０１では、一つのカソード容器５０に一組のカソード３０を配置した構成であるが、カソード容器５０の個数や内部に配置されるカソード３０の個数は限定されるものではなく、複数のカソード容器５０やカソード３０が配置されてもよい。
【００６３】
［変形例］
つづいて、本実施の形態１の変形例について、図４を参照して説明する。
【００６４】
本実施の形態の変形例は、液絡部７０は、カソード容器５０の一側面５１を動かして、開口した一面である点で実施の形態１と相違する。
【００６５】
以下、液絡部７０について説明する。
【００６６】
本変形例におけるカソード容器５０の一側面５１は、動かすことができるように形成さ
れており、液絡部７０は、例えば一側面５１を下方へ動かし、開口した面となる。このとき、カソード容器５０は、上端が液面より上方で固定されることが好ましい。
【００６７】
一側面５１は、一側面５１の一部のみを動かすことができる構成であっても、一側面５１の全体を動かすことができる構成であってもよく、動かしやすいように一側面５１が軟質材料で形成されることが好ましい。一側面５１を動かす方法は、図４に示されるように、図４（ａ）スライド式や図４（ｂ）じゃばら式、図４（ｃ）ドア式などが含まれる。また、一側面５１は、取り外しが行える構成であってもよい。カソード容器５０の一側面５１を動かすことによって開口した面が液絡部７０となり、液絡部７０を通じて、電解液９０はカソード容器５０の内部と外部とを液絡する。このとき、液絡部７０となるカソード容器５０の開口した面には、例えば面の両端辺に貼り付けるなどしてイオン透過膜７３が設けられることが好ましい。
【００６８】
本変形例における微生物燃料電池１０１の動作について説明する。
【００６９】
微生物燃料電池１０１のメンテナンス動作を行う場合、カソード容器５０の動かすことができる一側面５１は閉じられており、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とが分離される。微生物燃料電池１０１は、上記実施の形態１の手順と同様に、カソード３０のメンテナンスが行われる。
【００７０】
微生物燃料電池１０１の電気エネルギー生成を行う場合、カソード容器５０の一側面５１を動かして液絡部７０を形成する。液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡することで、上記と同様に、酸化還元反応が行われる。
【００７１】
これにより、カソード容器５０を動かすことなく、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０１内で行うことができる。また、アノード２０及びカソード３０も取り出す必要がなく、アノード２０が空気に触れることによって劣化することを抑制することができる。
【００７２】
なお、一側面５１を動かす方法は、手動式であっても、外部に設けられた電動装置を用いて動かす自動式でもよい。
【００７３】
（実施の形態２）
つづいて、本実施の形態２について、図５または図６を参照して説明する。
【００７４】
なお、ここでは、上記実施の形態１と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記実施の形態１と同様であるので、図面において同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態における微生物燃料電池１０２の液絡部７０は、カソード容器５０の一側面５１を開口して設けられた開口部７１であり、開口部７１には開閉可能な蓋部材７２が設けられている点で上記実施の形態１と相違する。
【００７５】
以下、本実施の形態における液絡部７０について説明する。
【００７６】
液絡部７０は、図５に示されるように、カソード容器５０の一側面５１に開口して設けられた円形の開口部７１である。開口部７１は、蓋部材７２によって、開閉可能に設けられる。本実施の形態では、例えば、蓋部材７２は、弾性のある材料で形成され、開口部７１に嵌め込むなどして開閉を行う。電解液９０は、開口部７１を通じて、カソード容器５０の内部と外部とを液絡し、蓋部材７２により開口部７１を閉じることによって、カソード容器５０の内部と外部とを分離する。このとき、開口部７１の形状や個数は、特に限定されるものではなく、蓋部材７２は、開口部７１に対応した形状、個数設けられるものと
する。
【００７７】
なお、蓋部材７２の開閉方法は、これに限るものではなく、例えばカソード容器５０の一側面５１に蓋部材７２が一体となって設けられ、スライド式もしくはドア式など、開閉できるものであれば、形態は適宜設計変形可能とする。
【００７８】
また、開口部７１において電解液９０が液絡する部分には、イオン透過膜７３が設けられることが好ましい。
【００７９】
本実施の形態における微生物燃料電池１０２の動作について説明する。
【００８０】
微生物燃料電池１０２のメンテナンス動作を行う場合、開口部７１は蓋部材７２によって閉じられ、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とが分離される。分離後は、上記実施の形態１と同様の手順で、カソード３０のメンテナンスが行われる。
【００８１】
微生物燃料電池１０２の電気エネルギー生成動作を行う場合、蓋部材７２によって開かれた開口部７１を通じて、電解液９０はカソード容器５０の内部と外部とを液絡し、実施の形態１と同様の酸素還元反応が行われる。
【００８２】
これにより、カソード容器５０は、電解液槽１０内部に配置された状態でカソード用５０自体を上下に動かすことなく、カソード容器５０の電解液９０と電解液槽１０の電解液９０とを分離することができ、カソード３０のメンテナンスを行うことができる。
【００８３】
なお、蓋部材７２の開閉方法は、手動式であっても、外部に設けられて電動装置を用いて動かす自動式であってもよい。
【００８４】
上述の通り、本実施の形態における微生物燃料電池１０２において、液絡部７０は、カソード容器５０の一面を開口して設けられた開口部７１であり、開口部７１には開閉可能な蓋部材７２が設けられている。
【００８５】
これにより、カソード３０のメンテナンスを微生物燃料電池１０２内で行うことができ、カソード容器５０に穴が設けられた状態であっても、後から蓋部材７２を用いることで、カソード容器５０の電解液９０を分離することができる。
【００８６】
（実施の形態３）
つづいて、本実施の形態３について、図７または図８を参照して説明する。
【００８７】
なお、ここでは、上記実施の形態１と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記実施の形態１と同様であるので、図面において同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態における微生物燃料電池１０２は、カソード容器５０が、電解液槽１０内に設けられた仕切板８０で仕切られた片方の槽あり、液絡部７０は、この仕切板８０を動かすことによって開口した面である点で上記実施の形態１と相違する。
【００８８】
仕切板８０は、電解液槽１０内部に設けられ、動かすことができるように形成されている。仕切板８０は、例えば上方に動かすことができ、仕切板８０を動かして開口した面が液絡部７０となる。仕切り板８０の高さは、電解液槽１０の高さに等しく、液面より上方であることが好ましい。仕切板８０によって、電解液槽１０内の電解液９０がアノード２０側とカソード容器５０側とで分離される。
【００８９】
本実施の形態において、仕切板８０は、図７のように、電解液槽１０のアノード２０とカソード３０との間に設けられ、電解液槽１０の内部は、アノード２０側とカソード容器５０側とで分離される。仕切板８０は上下に動かすことができ、仕切板８０を上方へ動かして開口した下方の面を液絡部７０とする。電解液９０は、液絡部７０を通じて電解液槽１０内のアノード２０側とカソード容器５０側とを液絡する。
【００９０】
このとき、アノード２０が設けられている側のカソード３０の側面には、イオン透過膜７３が積層して形成され、アノード２０とカソード３０とが電気的に接触して、短絡を防ぐ構成であることが好ましい。
【００９１】
本実施の形態における微生物燃料電池１０２の動作について説明する。
【００９２】
微生物燃料電池１０２のメンテナンス動作を行う場合、図８（ａ）に示されるように、電解液槽１０内の仕切板８０は、下方へ動かされ、電解液槽１０の下面と接した状態とする。すなわち、電解液槽１０内部は、仕切板８０によってアノード２０側とカソード容器５０側とに分離される。その後、微生物燃料電池１０２は、実施の形態１と同様の手順でカソード容器５０側の電解液９０の流出入が行われ、カソード３０のメンテナンスが行われる。
【００９３】
微生物燃料電池１０２の電気エネルギー生成を行う場合、図８（ｂ）に示されるように、仕切板８０は、上方へ動かされ、液絡部７０が形成される。液絡部７０を通じて、電解液９０は、カソード容器５０の内部と外部とを液絡することで、実施の形態１と同様に、酸化還元反応が行われる。
【００９４】
これにより、アノード２０及びカソード３０を液面から取り出さずに、微生物燃料電池１０４内でメンテナンスを行うことができ、空気の影響を抑えることができる。
【００９５】
なお、仕切板８０を動かす方法は、本実施の形態に限られるものではなく、スライド式やじゃばら式、ドア式などが含まれる。また、仕切板８０は、一部のみを動かすことができる構成であっても、全体を動かすことができる構成であってもよく、動かしやすいように軟質材料で形成されていることが好ましい。また、電解液９０の液絡及び分離が行える構成であれば、仕切板８０に開口部を設け、蓋部材を用いて開口部を開閉可能とし、液絡及び分離を行う構成としてもよい。
【００９６】
（実施例）
以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
【００９７】
［ガス拡散電極の作製］
まず、ポリオレフィン製撥水層の一方の面に、ガス拡散層であるグラファイトホイルをシリコーン接着剤を用いて接着した。なお、ポリオレフィン製撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポアを使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製シリコーン接着剤ＫＥ−３４７５Ｔを使用した。
【００９８】
次に、グラファイトホイルにおける接着層と反対側の面に、酸素還元触媒とイオノマーとの混合物を塗布することにより、触媒層を形成した。この際、混合物は、酸素還元触媒の目付け量が２ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。
なお、イオノマーとしては、旭化成株式会社製アシプレックスを使用した。このようにして、本例のガス拡散電極を得た。
【００９９】
［微生物燃料電池の作製］
得られたガス拡散電極からなるカソードを用いて微生物燃料電池を作製した。具体的には、上述のガス拡散電極の撥水層をからなるカソードを、気相を形成するための枠状部材を用いて積層した。積層されたカソードと、ステンレス鋼のメッシュ基材からなるアノードとを廃水槽内に設置した。そして、カソード容器となるポリエチレン製の袋をカソードとアノードとの間に設置した。その後、カソードおよびアノードの全体が浸漬し、カソード容器の上端が水面以下となるように、電解液槽内を電解液で満たした。
【０１００】
［測定方法］
電解液は、全有機炭素（ＴＯＣ）が８００ｍｇ／Ｌの有機性物質を含み、さらに発電を行う嫌気性微生物源として土壌微生物を植種したものを用いた。
【０１０１】
電解液槽への流入量は、電解液の水理学的滞留時間が２４時間となるように電解液槽への流入量を調整した。そして、カソードとアノードを負荷回路に接続することにより、本例の微生物燃料電池を得た。
【０１０２】
作製した微生物燃料電池を一定期間運転させ、負荷の両端おける電位差を調べた。負荷の両端における電位差出力は、
Ｐ＝Ｖ２／Ｒ×Ａ
により求めた（Ｐ：出力、Ｖ：負荷の両端における電位差、Ｒ：負荷回路の抵抗値、Ａ：カソードの面積）。
続いて、カソードのメンテナンスを行うために、カソード容器を電解液槽の液面より上方へ取り出し、カソード容器内の電解液と電解液槽内の電解液とを分離した。カソード容器に設けられた液交換部を用いて、カソード容器の内部の電解液を、電解液槽の外に排出した。
電解液除去後、液交換部を通じて、カソード容器内に洗浄液として０．１ｍｏｌ／ＬのＨＣｌを流入し、カソードを８時間浸漬した。再び液交換部を用いて洗浄液を排出した後、液交換部を通じて脱イオン水を流入出させ、脱イオン水による洗浄を２回行った。
脱イオン水洗浄後は、カソード容器を電解液槽の液面より下方へ再び戻し、電解液に浸漬させ、カソード容器内を電解液で満たした。
【０１０３】
メンテナンスを行った後に負荷の両端における電位差を測定した。出力は、上記と同様の式により求めた。
【０１０４】
［測定結果］
測定結果は、メンテナンスを行う前の出力は６．５ｍＷ／ｍ２であったのに対し、メンテナンスを行った後の出力は３３ｍＷ／ｍ２となり、出力がメンテナンス前後で５倍向上することが分かった。
【０１０５】
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。具体的には、図面において、アノード２０、カソード３０およびカソード容器５０の形状は特に限定されず、燃料電池の大きさ、並びに所望の発電性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば任意に変更することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０１、１０２、１０３  微生物燃料電池
１０  電解液槽
２０  アノード
３０  カソード
３４  気相
５０  カソード容器
６０  液交換部
７０  液絡部
７１  開口部
７２  蓋部材
８０  仕切板
９０  電解液
【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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