(57)【要約】【課題】屋外のような環境であっても、カソードへ酸素を十分に供給し、電池特性の低下を抑制すること。【解決手段】酸素供給部４側に設けられた筐体部４０は、カバー部４１を支持し、カソード集電部３７が電気的に接続されるようにカソード集電部３７をカソード３０に固定するカソード側支持部４２を有する。また、筐体部４０は、カバー部４１を支持し、アノード集電部３８が電気的に接続されるようにアノード集電部３８をアノード３４に固定するアノード側支持部４３を有する。そして、電極複合体１００では、カバー部４１、カソード側支持部４２及びアノード側支持部４３により酸素供給空間４５が形成され、酸素供給空間４５を通じて酸素供給部４に酸素が供給される。【選択図】図１０
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【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し、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、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カソードと、
前記カソードに対して前記中空部材の反対側に設けられたアノードと、
前記カソードと電気的に接続されたカソード集電部と、
前記アノードと電気的に接続されたアノード集電部と、
前記酸素供給部を覆うカバー部と、前記カバー部を支持し、前記カソード集電部が電気的に接続されるように前記カソード集電部を前記カソードに固定するカソード側支持部と、前記カバー部を支持し、前記アノード集電部が電気的に接続されるように前記アノード集電部を前記アノードに固定するアノード側支持部と、を有し、前記中空部材において酸素供給部側に設けられた筐体部と、
を備え、
前記カバー部、前記カソード側支持部及び前記アノード側支持部により酸素供給空間が形成され、前記酸素供給空間を通じて酸素供給部に酸素が供給される、電極複合体。
【請求項２】
請求項１に記載の電極複合体を複数備える電極複合体群であって、
前記電極複合体群は、
複数の前記電極複合体における前記各カソード集電部と電気的にそれぞれ接続されたカソード集電統合部と、
複数の前記電極複合体における前記各アノード集電部と電気的にそれぞれ接続されたアノード集電統合部と、
を備える、電極複合体群。
【請求項３】
前記カソード集電統合部を含み、複数の前記電極複合体における各前記カソード側支持部をそれぞれ連結させるカソード側連結筐体部と、
前記アノード集電統合部を含み、複数の前記電極複合体における各前記アノード側支持部をそれぞれ連結させるアノード側連結筐体部と、
をさらに備える、請求項２に記載の電極複合体群。
【請求項４】
複数の前記電極複合体における各前記カソード側支持部と前記カソード側連結筐体部とが一体化され、
複数の前記電極複合体における各前記アノード側支持部と前記アノード側連結筐体部とが一体化され、
前記カバー部が前記カソード側連結筐体部及び前記アノード側連結筐体部に支持された、請求項３に記載の電極複合体群。
【請求項５】
請求項１に記載の電極複合体を備え、
前記アノードは微生物を担持する、微生物燃料電池。
【請求項６】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の電極複合体群を備え、
前記アノードは微生物を担持する、微生物燃料電池。
【請求項７】
前記電極複合体における前記カソードと前記アノードとの間に設けられ、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５又は６に記載の微生物燃料電池。
【請求項８】
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５〜７のいずれか一項に記載の微生物燃料電池。
【請求項９】
請求項１に記載の電極複合体を備え、
前記アノードは被処理液を浄化する微生物を担持する、水処理装置。
【請求項１０】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の電極複合体群を備え、
前記アノードは被処理液を浄化する微生物を担持する、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電極複合体群、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それを用いた電極複合体群、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、微生物を保持するアノードと、酸化性物質に接触するカソードとを備えている。このような微生物燃料電池として、従来、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電極複合体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、当該電極複合体は、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、を備えることが開示されている。そして、当該複合電極体は、酸素供給部から酸素透過部にかけて通気性を有することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１９４３７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の電極複合体は、上述のように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、カソードへ十分に酸素を供給するための空間が確保されていることから、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。
【０００６】
ところで、微生物燃料電池及び水処理装置は、実際に使用される環境が屋外である場合も少なくない。そのため、屋外での使用に適しており、電池特性に優れた微生物燃料電池及び水処理装置が望まれている。
【０００７】
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、屋外のような環境であっても、カソード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電極複合体群、微生物燃料電池及び水処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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し、酸素供給部から酸素透過部にかけて通気性を有する中空部材を備える。また、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カソードと、カソードに対して中空部材の反対側に設けられたアノードと、を備える。また、電極複合体は、カソードと電気的に接続されたカソード集電部と、アノードと電気的に接続されたアノード集電部と、中空部材において酸素供給部側に設けられた筐体部と、を備える。筐体部は、酸素供給部を覆うカバー部と、カバー部を支持し、カソード集電部が電気的に接続されるようにカソード集電部をカソードに固定するカソード側支持部を有する。また、筐体部は、カバー部を支持し、アノード集電部が電気的に接続されるようにアノード集電部をアノードに固定するアノード側支持部を有する。そして、電極複合体では、カバー部、カソード側支持部及びアノード側支持部により酸素供給空間が形成され、酸素供給空間を通じて酸素供給部に酸素が供給される。
【０００９】
本発明の第二の態様に係る電極複合体群は、電極複合体を複数備える電極複合体群であって、電極複合体群は、複数の電極複合体における各カソード集電部と電気的にそれぞれ接続されたカソード集電統合部を備える。また、電極複合体群は、複数の電極複合体における各アノード集電部と電気的にそれぞれ接続されたアノード集電統合部と、を備える。
【００１０】
本発明の第三の態様に係る微生物燃料電池は、電極複合体を備え、アノードは微生物を担持する。
【００１１】
本発明の第四の態様に係る微生物燃料電池は、電極複合体群を備え、アノードは微生物を担持する。
【００１２】
本発明の第五の態様に係る水処理装置は、電極複合体を備え、アノードは被処理液を浄化する微生物を担持する。
【００１３】
本発明の第六の態様に係る水処理装置は、電極複合体群を備え、アノードは被処理液を浄化する微生物を担持する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、屋外のような環境であっても、カソード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電極複合体群、微生物燃料電池及び水処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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】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】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】本発明の実施形態に係る電極本体の一例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電極本体を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電極本体の他の例を、分解した状態で示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係る袋状の中空部材の製造方法の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る袋状の中空部材の製造方法の一例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電極本体のカソード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】本発明の実施形態に係る電極複合体の一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電極複合体の一例を示す平面図である。
【図１２】図１０において、カソード側を拡大したＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１３】図１０において、アノード側を拡大したＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る電極複合体群の一例を示す斜視図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る電極複合体群の一例を示す平面図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る電極複合体群の他の例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る電極複合体群の他の例を示す平面図である。
【図１８】カソード側連結筐体部を筐体部に締結させた側面の一例を示す模式図である。
【図１９】アノード側連結筐体部を筐体部に締結させた側面の一例を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る中空部材に貫通孔を形成した例を示す斜視図である。
【図２１】本発明の実施形態に係る固定部材による固定方法の一例を示す正面図である。
【図２２】本発明の実施形態に係る固定部材による固定方法の一例を示す側面図である。
【図２３】本発明の実施形態に係る固定部材による固定方法の他の例を示す側面図である。
【図２４】本発明の実施形態に係る固定部材による固定方法の他の例を示す側面図である。
【図２５】本発明の実施形態に係る電極複合体群の他の例を示す斜視図である。
【図２６】本発明の実施形態に係る電極複合体群の他の例を示す平面図である。
【図２７】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２８】図２７中のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本実施形態に係る電極複合体、電極複合体群、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。
【００１７】
［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。
【００１８】
本実施形態に係る電極複合体１００は、図２及び図３に示すように、中空部１に設けられる緩衝部材２０を備えていてもよい。本実施形態において、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。
【００１９】
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カソード３０を備えている。カソード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、カソード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。
【００２０】
中空部材１０の内部空間に緩衝部材２０を配置した場合、電極複合体１００を電解液に浸漬し、カソード３０に水圧がかかったとしても緩衝部材２０によってカソード３０が保持される。そのため、カソード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、カソード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。
【００２１】
電極複合体１００では、中空部材１０の酸素供給部４から中空部１に酸素（空気）が供給される。そして、酸素供給部４から中空部１に供給された酸素が、中空部材１０の酸素透過部５を通じて、カソード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は、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。
【００２２】
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、カソード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。
【００２３】
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以上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。
【００２４】
電極複合体１００において、カソード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におけるカソード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を大型化してカソード３０に大きな水圧がかかった場合でも、カソード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、カソード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。
【００２５】
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、カソード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、カソード３０の変形をより抑制することが可能となる。
【００２６】
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とカソード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。
【００２７】
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とカソード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。
【００２８】
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。
【００２９】
支持部材２２は、図２〜図４に示すように、中空部材１０とカソード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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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自体がカソード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を通じてカソード３０に直接供給されるため、発電性能をより向上させることが可能となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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、少なくともカソード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、カソード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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。このように板部材や封止材で封止することで、中空部材１０や緩衝部材の内部の気相を維持することが可能となる。
【００３７】
また、電極複合体１００として、図６に示すような袋状の中空部材１０を用いることも好ましい。具体的には、中空部材１０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、さらに袋状の中空部材１０の側面１１にカソード３０を設ける。このような袋状の中空部材１０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１０の側面１１は、酸素透過性を確保するために、細孔を有し、防水性を有することが好ましい。また、電極複合体１００において、袋状の中空部材１０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。
【００３８】
なお、袋状の中空部材１０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、袋状の中空部材１０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。袋状の中空部材１０を構成する材料としては、例えば、積水化学工業株式会社製のセルポア（登録商標）を用いることができる。
【００３９】
袋状の中空部材１０の製造方法としては、特に限定されないが、例えば２枚のシート１０ａを重ね合わせた後、シート１０ａの各辺（両側辺及び底辺）をそれぞれ熱溶着することで袋状の中空部材１０を作製することができる。また、２枚のシート１０ａを重ね合わせる際、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、１枚のシート１０ａを半分に折り畳んで重ね合わせた後、シート１０ａの両側辺の内面同士をそれぞれ熱溶着してシール部１０ｂを形成してもよい。このような方法により袋状の中空部材１０を作製することで、袋状の中空部材１０の底辺が２枚のシート１０ａを貼り合わせたシール部でなく、一続きのシート１０ａとなることから、袋状の中空部材１０の耐水度を向上させることができる。
【００４０】
また、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、１枚のシート１０ａを半分に折り畳んで重ね合わせた後、両側辺が袋状の中空部材１０の内側になるように折り畳み、シート１０ａの両側辺の外面同士をそれぞれ熱溶着してシール部１０ｃを形成してもよい。このようにして形成されたシール部１０ｃは、４枚のシート１０ａが積層された部位を有する。このような方法でシール部１０ｃを形成することにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）の熱溶着方法と比較し、形成された袋状の中空部材１０の耐水度を約５割程度向上させることができる。なお、このようなシール部１０ｃは、図７（ａ）及び図７（ｂ）とは反対側にシート１０ａを折り畳んで重ね合わせた後、シート１０ａの両側辺をそれぞれ熱溶着してシール部１０ｃを形成し、その後袋の内側と外側を裏返すことによっても形成することができる。
【００４１】
本実施形態において、カソード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カソード３０へ供給する場合と比べて、次のような利点がある。溶存酸素をカソード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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
さらにカソード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。
【００４５】
本実施形態におけるカソード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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、カソードの耐久性と導電性を両立することが可能となる。
【００５０】
導電層３２は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、撥水層３１及び導電層３２の積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙに沿って配列していることが好ましい。炭素の六員環構造からなるグラフェン層がこのように配列していることにより、撥水層３１及び導電層３２の積層方向Ｘの導電率よりも、当該積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙの導電率が向上する。そのため、図２８に示すように、局部電池反応により生成した電子を外部回路７０との間で導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。なお、導電層３２は、黒鉛シートからなることが特に好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
導電層３２における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調整することができる。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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
触媒として構成される炭素系材料を調整する際の、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
図４に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、カソード３０に対して中空部材１０の反対側に設けられたアノード３４を備える。アノード３４は、導電性を有する導電体シート有する。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。アノード３４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３５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、アノード３４の導電体シートは、カソード３０及びアノード３４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。
【００７３】
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、アノード３４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。
【００７４】
図４に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、アノード３４と、水素イオンを透過するイオン移動層３５と、イオン移動層３５を介してアノード３４と隔てられた、カソード３０とを備えることが好ましい。
【００７５】
イオン移動層３５は、アノード３４で生成した水素イオンを透過し、カソード３０側へ移動させる機能を有する。イオン移動層３５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３５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３５は、アノード３４とカソード３０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３５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３５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３５の細孔径は、アノード３４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。
【００７７】
上述のように、イオン移動層３５は、アノード３４で生成した水素イオンを透過し、カソード３０側へ移動させる機能を有する。ただ、例えば、アノード３４とカソード３０とが接触しない状態で近接していれば、イオン移動層３５を設けなくても、水素イオンはアノード３４からカソード３０へ移動することができる。そのため、本実施形態の電極複合体１００において、イオン移動層３５は必須の構成要素ではない。しかし、イオン移動層３５を設けることにより、アノード３４からカソード３０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３５を設けることが好ましい。
【００７８】
図１０及び図１１に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、中空部材１０において酸素供給部４側に設けられた筐体部４０を備える。筐体部４０は、カバー部４１とカソード側支持部４２とアノード側支持部４３とを有する。なお、図１０及び図１１では、上記のような袋状の中空部材１０を例として挙げて説明しているが、本実施形態はこの形態に限定されない。
【００７９】
本実施形態では、カソード側支持部４２とアノード側支持部４３は隙間を有して配置されている。そして、カバー部４１、カソード側支持部４２及びアノード側支持部４３により酸素供給空間４５が形成され、酸素供給空間４５を通じて酸素供給部４に酸素が供給される。具体的には、酸素供給空間４５は、カソード３０、アノード３４及び筐体部４０により形成された開口部とすることもできる。そして、このような酸素供給空間４５により、電極複合体１００の外側の空間から酸素供給空間４５を通じて酸素供給部４に酸素（空気）が供給される。すなわち、電極複合体１００の外側の空間と酸素供給部４とは、酸素供給空間４５を介して通じている。
【００８０】
筐体部４０は、中空部材１０、カソード３０、アノード３４及びイオン移動層３５などを含む電極本体３６を、カソード側支持部４２及びアノード側支持部４３で挟み込み、酸素供給部４側を囲うように配置されている。なお、本実施形態では、酸素透過部５における中空部材１０の両外側にカソード３０がそれぞれ設けられているが、酸素透過部５における中空部材１０の一方の面にだけカソード３０が設けられていればよく、両面にカソード３０が設けられていなくてもよい。
【００８１】
カバー部４１は、酸素供給部４を覆っている。具体的には、カバー部４１と酸素供給部４は隙間を有して配置されている。すなわち、カバー部４１は、酸素供給部４が密閉されないように酸素供給部４を覆っており、酸素供給部４への酸素の供給が完全に遮蔽されないように筐体部４０が配置されている。
【００８２】
このように、酸素供給部４がカバー部４１によって覆われているため、酸素供給部４への雨露及び粉塵などの異物の進入を抑制することができ、中空部材１０の内部に異物が堆積するのを抑制することができる。また、本実施形態では、酸素供給空間４５を通じて酸素供給部４に酸素が供給されるため、カソード３０への酸素供給経路が遮断又は閉塞されるのを抑制することができる。また、カバー部４１は、太陽光の紫外線などをカットすることができるため、中空部材１０、カソード３０又はアノード３４などの部材が劣化するのを抑制することもできる。
【００８３】
なお、カソード３０及びアノード３４の積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙにおいて、酸素供給部４とカバー部４１における酸素供給部４側の下面との間の距離は、電極本体３６の大きさの０．５〜１５％であることが好ましい。この範囲を０．５％以上とすることにより、酸素の供給が筐体部４０により抑制されることを防止することができる。また、この距離を１５％以下とすることにより外部の異物が酸素供給空間４５へ進入することを抑制することができる。
【００８４】
カバー部４１の形状は、酸素供給部４を覆うことができれば特に限定されず、平板状であってもよいし、湾曲した形状であってもよい。カバー部４１は、酸素供給部４をより広く覆うため、カソード３０とアノード３４との積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙから見たときに、酸素供給部４よりも大きいことが好ましい。
【００８５】
カソード側支持部４２はカバー部４１を支持している。具体的には、カソード側支持部４２の一方はカバー部４１の下面と接するように配置され、カソード側支持部４２のもう一方は中空部材１０及びカソード３０の少なくともいずれか一方と接するように配置されている。また、アノード側支持部４３はカバー部４１を支持している。具体的には、アノード側支持部４３の一方はカバー部４１の下面と接するように配置され、アノード側支持部４３のもう一方は中空部材１０及びアノード３４の少なくともいずれか一方と接するように配置されている。
【００８６】
図１２に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、カソード３０と電気的に接続されたカソード集電部３７を備える。例えば図２８に示すように、カソード３０は、カソード集電部３７を介して外部回路７０と電気的に接続することができる。また、カソード集電部３７はカソード側支持部４２に設けられている。そして、カソード集電部３７が電気的に接続されるように、カソード側支持部４２がカソード集電部３７をカソード３０に固定している。カソード集電部３７は、例えば、カソード側支持部４２に設けられた貫通孔を通るようにカソード側支持部４２に設けられていてもよく、カソード側支持部４２の表面に沿うように設けられていてもよい。なお、上述したように、導電層３２は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、撥水層３１及び導電層３２の積層方向Ｘに垂直な鉛直方向Ｙに沿って配列している場合、積層方向Ｘの導電率よりも、鉛直方向Ｙの導電率が向上する。そのため、カソード集電部３７は、積層方向Ｘにおいて、導電層３２の先端と接続していることが好ましい。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態に係る電極複合体１００は、アノード３４と電気的に接続されたアノード集電部３８を備える。例えば図２８に示すように、アノード３４は、アノード集電部３８を介して外部回路７０と電気的に接続することができる。また、アノード集電部３８はアノード側支持部４３に設けられている。そして、アノード集電部３８が電気的に接続されるように、アノード側支持部４３がアノード集電部３８をアノード３４に固定している。なお、図１３に示すように、アノード３４、カソード３０及び中空部材１０の積層方向Ｘに対して垂直な鉛直方向Ｙにおいて、カソード３０はアノード３４よりも酸素供給部４側に突出していることが好ましい。すなわち、積層方向Ｘから見た場合に、カソード３０がアノードよりも大きくなっていることが好ましい。これにより、カソード側支持部４２とカソード３０との接触面積を大きくすることができることから、カソード側支持部４２によってカソード３０にカソード集電部３７をより効果的に電気的な接続をすることができる。
【００８８】
カソード集電部３７及びアノード集電部３８は、例えば導電線や導電性の箔状部材などにより形成することができる。導電線を形成する材料は特に限定されないが、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。なお、カソード集電部３７は、導電線と導電線を被覆する被覆部を備えていることが好ましい。同様に、アノード集電部３８は、導電線と導電線を被覆する被覆部を備えていることが好ましい。被覆部を形成する材料は特に限定されないが、例えば、ポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体などの絶縁性樹脂などが挙げられる。
【００８９】
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とを有し、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中空部材１０を備える。また、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カソード３０を備える。また、電極複合体１００は、カソード３０に対して中空部材１０の反対側に設けられたアノード３４と、を備える。また、電極複合体１００は、カソード３０と電気的に接続されたカソード集電部３７と、アノード３４と電気的に接続されたアノード集電部３８と、中空部材１０において酸素供給部４側に設けられた筐体部４０と、を備える。筐体部４０は、酸素供給部４を覆うカバー部４１と、カバー部４１を支持し、カソード集電部３７が電気的に接続されるようにカソード集電部３７をカソード３０に固定するカソード側支持部４２を有する。また、筐体部４０は、カバー部４１を支持し、アノード集電部３８が電気的に接続されるようにアノード集電部３８をアノード３４に固定するアノード側支持部４３を有する。そして、電極複合体１００では、カバー部４１、カソード側支持部４２及びアノード側支持部４３により酸素供給空間４５が形成され、酸素供給空間４５を通じて酸素供給部４に酸素が供給される。そのため、屋外のような環境で電極複合体１００を用いた場合であっても、雨露及び粉塵が中空部材１０に進入するのを抑制することができる。また、本実施形態に係る電極複合体１００では、酸素供給空間を通じて酸素供給部に酸素が供給される。したがって、屋外のような環境であっても、カソード３０へ十分に酸素を供給するための空間が確保することができる。したがって、本実施形態に係る電極複合体１００によれば、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。
【００９０】
［電極複合体群］
次に、本実施形態に係る電極複合体群１１０について説明する。図１４及び図１５に示すように、本実施形態に係る電極複合体群１１０は、電極複合体１００を複数備える。そして、本実施形態に係る電極複合体群１１０は、カソード集電統合部５１と、アノード集電統合部５２と、を備える。
【００９１】
電極複合体１００は、アノード３４及びカソード３０の積層方向Ｘに、複数の電極複合体１００における各アノード３４同士が接触しないように空間を有して配置されている。また、電極複合体１００は、アノード３４及びカソード３０の積層方向Ｘに、電極本体３６が略平行になるように配置されている。ただし、本実施形態は、電極複合体１００の数及び各電極複合体１００の配置などは特に限定されない。
【００９２】
カソード集電統合部５１は、複数の電極複合体１００における各カソード集電部３７と電気的にそれぞれ接続される。具体的には、各電極複合体１００のカソード集電部３７の一端が、接続部を介してカソード集電統合部５１と電気的にそれぞれ接続されている。また、アノード集電統合部５２は、複数の電極複合体における各アノード集電部３８と電気的にそれぞれ接続される。具体的には、各電極複合体１００のアノード集電部３８の一端が、接続部を介してアノード集電統合部５２と電気的にそれぞれ接続されている。カソード集電統合部５１及びアノード集電統合部５２は、例えば図２８に示すように、外部回路７０と電気的に接続することができる。
【００９３】
カソード集電統合部５１は、例えば導電線や箔状部材などにより形成することができる。同様に、アノード集電統合部５２は、例えば導電線や箔状部材などにより形成することができる。導電線を形成する材料は特に限定されないが、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。なお、カソード集電統合部は、導電線と導電線を被覆する被覆部を備えていることが好ましい。同様に、アノード集電統合部５２は、導電線と導電線を被覆する被覆部を備えていることが好ましい。被覆部を形成する材料は特に限定されないが、例えば、ポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体などの絶縁性樹脂などが挙げられる。
【００９４】
図１６及び図１７に示すように、本実施形態に係る電極複合体群１１０は、カソード側連結筐体部６１と、アノード側連結筐体部６２と、をさらに備えることが好ましい。
【００９５】
図１６及び図１７において、カソード側連結筐体部６１は、カソード集電統合部５１を含んでいる。また、アノード側連結筐体部６２は、アノード集電統合部５２を含んでいる。カソード集電統合部５１は、カソード側連結筐体部６１に設けられた貫通孔内に配置されていてもよい。また、図１８に示すように、カソード集電統合部５１は、カソード側連結筐体部６１の表面を這うようにして配置されていてもよい。
【００９６】
カソード側連結筐体部６１は、複数の各電極複合体１００における各カソード側支持部４２をそれぞれ連結させている。具体的には、図１６及び図１７に示すように、カソード側連結筐体部６１は、中空部材１０における酸素供給部４側に配置されている。そして、カソード側連結筐体部６１は、複数の電極複合体１００の積層方向Ｘに沿って伸張しており、積層方向Ｘと積層方向Ｘに垂直な鉛直方向ＹとのＸＹ断面において、それぞれの電極複合体１００を跨ぐようにして配置されている。
【００９７】
カソード側連結筐体部６１は、複数の電極複合体１００における各筐体部４０を収容可能な複数の凹部を有することが好ましい。このような凹部により、カソード側連結筐体部６１に対する各電極複合体１００の位置を正確に定めることができることから、カソード側連結筐体部６１に対する電極複合体１００の取り付けを容易にすることができる。カソード側連結筐体部６１に設けられる凹部の位置は特に限定されないが、各電極本体３６間を流れる電解液が効率的に流れるように、等間隔で配置されていることが好ましい。
【００９８】
アノード側連結筐体部６２は、複数の各電極複合体１００における各アノード側支持部４３をそれぞれ連結させている。具体的には、図１６及び図１７に示すように、アノード側連結筐体部６２は、中空部材１０における酸素供給部４側に配置されている。そして、アノード側連結筐体部６２は、複数の電極複合体１００の積層方向Ｘに沿って伸張しており、積層方向Ｘと積層方向Ｘに垂直な鉛直方向ＹとのＸＹ断面において、それぞれの電極複合体１００を跨ぐようにして配置されている。
【００９９】
アノード側連結筐体部６２は、複数の電極複合体１００における各筐体部４０を収容可能な複数の凹部を有することが好ましい。このような凹部により、アノード側連結筐体部６２に対する各電極複合体１００の位置を正確に定めることができることから、アノード側連結筐体部６２に対する電極複合体１００の取り付けを容易にすることができる。アノード側連結筐体部６２に設けられる凹部の位置は特に限定されないが、各電極本体３６間を流れる電解液が効率的に流れるように、等間隔で配置することが好ましい。
【０１００】
図１８に示すように、カソード側連結筐体部６１は、カバー部４１及びカソード側支持部４２の少なくともいずれか一方に、締結部材６５によって固定されていることが好ましい。また、図１９に示すように、アノード側連結筐体部６２は、カバー部４１及びアノード側支持部４３の少なくともいずれか一方に、締結部材６５によって固定されていることが好ましい。このように締結部材６５で固定することにより、電極複合体群１１０の剛性を向上させることができるため、例えば図２８のように廃水槽８０内の電解液８１が流通するような構成であっても、各電極複合体１００を廃水槽８０内に安定して固定することができる。
【０１０１】
締結部材６５としては特に限定されないが、例えば、ネジ、ボルト及びナットなどが挙げられる。なお、締結部材６５が導電性を有する場合、図１８に示すように、カソード集電部３７とカソード集電統合部５１とが締結部材６５を介して電気的に接続されていることが好ましい。また、図１９に示すように、アノード集電部３８とアノード集電統合部５２とが締結部材６５を介して電気的に接続されていることが好ましい。これにより、電極複合体群１１０の剛性の向上に加え、複数の電極複合体１００からの集電を容易にすることができる。
【０１０２】
図２０に示すように、中空部材１０における酸素供給部４とは反対側の縁部に貫通孔６６が設けられていることが好ましい。貫通孔６６は、酸素供給部４から供給された酸素が透過しないように、袋状の中空部材１０の縁部の内面を貼り合わせて形成された補強部６７が設けられ、補強部６７に貫通孔６６が形成されている。このような貫通孔６６にヒモ状又は棒状の固定部材６８を通過させて固定することにより、中空部材１０における酸素供給部４側だけでなく、中空部材１０における酸素供給部４側の反対側も固定することができる。
【０１０３】
図２１〜図２４に示すように、例えば電極複合体群１１０を、後述する微生物燃料電池１２０に用いる場合、廃水槽８０に電解液８１が保持されており、電極複合体群１１０は、酸素供給部４が外気に露出するように電解液８１に浸漬される。この時、上記のように、固定部材６８により中空部材１０が廃水槽８０の側壁部８０ａ及び底部８０ｂの少なくともいずれか一方に固定されていると、浮力により中空部材１０が変形してカソード３０への酸素供給経路が湾曲するのを抑制することができる。したがって、固定部材６８で中空部材１０を固定することにより、カソード３０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できる。
【０１０４】
固定部材６８により中空部材１０を固定する方法は特に限定されない。例えば、図２１及び図２２に示すように、電極複合体１００における各貫通孔６６にヒモ状の固定部材６８を通し、それぞれの電極複合体１００を連結させて廃水槽８０に固定することができる。また、図２３に示すように、ヒモ状の固定部材６８に代えて、棒状の固定部材６８を用いて中空部材１０を廃水槽８０に固定することもできる。また、図２４に示すように、各電極複合体１００と廃水槽８０の底部８０ｂとをヒモ状の固定部材６８を用いてそれぞれ固定することもできる。
【０１０５】
貫通孔６６の大きさは特に限定されないが、例えば１ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。貫通孔６６を保護するため、貫通孔６６の縁部には、グロメットのような補強部材６９を設けることが好ましい。グロメットは、例えば金属、ゴム及びプラスチックなどにより形成することができる。
【０１０６】
図２５及び図２６に示すように、本実施形態に係る電極複合体群１１０は、複数の電極複合体１００における各カソード側支持部４２とカソード側連結筐体部６１とが一体化されていることが好ましい。また、複数の電極複合体１００における各アノード側支持部４３とアノード側連結筐体部６２とが一体化されていることが好ましい。そして、カバー部４１がカソード側連結筐体部６１及びアノード側連結筐体部６２に支持されることが好ましい。
【０１０７】
具体的には、各カソード側支持部４２とカソード側連結筐体部６１が一体成形されており、複数の電極複合体１００全体を酸素供給部４側から覆っている。また、各アノード側支持部４３とアノード側連結筐体部６２が一体成形されており、複数の電極複合体１００全体を酸素供給部４側から覆っている。
【０１０８】
本実施形態では、カバー部４１は、カソード側連結筐体部６１とアノード側連結筐体部６２により支持されている。具体的には、カバー部４１は、カソード側連結筐体部６１とアノード側連結筐体部６２を跨ぐように配置されている。本実施形態では、複数のカバー部４１が複数の電極複合体１００に対応する酸素供給部４をそれぞれ覆っていてもよいが、部品点数を少なくするため、連続する一つのカバー部４１が複数の酸素供給部４を覆っていることが好ましい。
【０１０９】
このように、カソード側支持部４２及びカソード側連結筐体部６１並びにアノード側支持部４３及びアノード側連結筐体部６２がそれぞれ一体化されていることにより、部品点数を大幅に削減することができ、電極複合体群１１０の組立てを容易にすることができる。
【０１１０】
以上のように、本実施形態に係る電極複合体群１１０は、電極複合体１００を複数備える。電極複合体群１１０は、複数の電極複合体１００における各カソード集電部３７と電気的にそれぞれ接続されたカソード集電統合部５１と、複数の電極複合体１００における各アノード集電部３８と電気的にそれぞれ接続されたアノード集電統合部５２と、を備える。カソード集電統合部５１及びアノード集電統合部５２は、カソード集電部３７及びアノード集電部３８と電気的に接続される。したがって、各電極複合体１００は、カソード集電統合部５１及びアノード集電統合部５２を介して電気的に集約されるため、例えば電極複合体１００を直列に配置して所望の電気量を得ることができる。
【０１１１】
電極複合体群１１０は、カソード集電統合部５１を含み、複数の電極複合体１００における各カソード側支持部４２をそれぞれ連結させるカソード側連結筐体部６１をさらに備えることが好ましい。また、電極複合体群１１０は、アノード集電統合部５２を含み、複数の電極複合体１００における各アノード側支持部４３をそれぞれ連結させるアノード側連結筐体部６２と、をさらに備えることが好ましい。このようなカソード側連結筐体部６１及びアノード側連結筐体部６２により、各電極複合体１００からの集電を容易にすることができる。
【０１１２】
電極複合体群１１０は、複数の電極複合体１００における各カソード側支持部４２とカソード側連結筐体部６１とが一体化され、複数の電極複合体１００における各アノード側支持部４３とアノード側連結筐体部６２とが一体化されることが好ましい。そして、カバー部４１がカソード側連結筐体部６１及びアノード側連結筐体部６２に支持されることが好ましい。このように、カソード側支持部４２及びカソード側連結筐体部６１並びにアノード側支持部４３及びアノード側連結筐体部６２がそれぞれ一体化されていることにより、部品点数を大幅に削減することができ、電極複合体群１１０の組立てを容易にすることができる。
【０１１３】
［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１２０は、図２７及び図２８に示すように、電極複合体１００を備え、アノード３４は微生物を担持する。また、本実施形態の微生物燃料電池１２０は、電極複合体群１１０を備え、アノード３４は微生物を担持する。
【０１１４】
アノード３４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。導電体シートは、上述したものを用いることができる。アノード３４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。
【０１１５】
アノード３４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アノード３４に保持されていてもよい。アノード３４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。
【０１１６】
本実施形態の微生物燃料電池１２０は、上述の電極複合体１００を備え、さらにカソード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３５を配置している。そして、図２８に示すように、カソード３０の導電層３２及びアノード３４は、それぞれ外部回路７０と電気的に接続されている。
【０１１７】
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、カソード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。
【０１１８】
廃水槽８０は、電極複合体１００又は電極複合体群１１０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２７及び図２８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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
次に、本実施形態の微生物燃料電池１２０の作用について説明する。微生物燃料電池１２０の動作時には、アノード３４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、カソード３０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。
【０１２１】
そして、カソード３０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、カソード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、アノード３４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３５を透過してカソード３０側へ移動する。また、生成した電子はアノード３４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からカソード３０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。
【０１２２】
ここで、本実施形態に係るアノード３４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、嫌気性微生物からアノード３４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。
【０１２３】
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、受け取った電子をアノード３４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。
【０１２４】
このように、本実施形態に係る微生物燃料電池１２０は、電極複合体１００又は電極複合体群１１０を備え、アノード３４は微生物を担持する。そのため、屋外のような環境で微生物燃料電池１２０を用いた場合であっても、雨露及び粉塵が中空部材１０に進入するのを抑制することができる。また、本実施形態に係る電極複合体１００では、酸素供給空間を通じて酸素供給部に酸素が供給される。したがって、屋外のような環境であっても、カソード３０へ十分に酸素を供給するための空間が確保することができ、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。
【０１２５】
微生物燃料電池１２０は、電極複合体１００におけるカソード３０とアノード３４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３５をさらに備えることが好ましい。イオン移動層３５を設けることにより、アノード３４からカソード３０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１２０の更なる出力向上を図ることが可能となる。
【０１２６】
微生物燃料電池１２０では、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。
【０１２７】
［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を備え、アノード３４は被処理液を浄化する微生物を担持する。また、本実施形態の水処理装置は、電極複合体群１１０を備え、アノード３４は被処理液を浄化する微生物を担持する。
【０１２８】
上述のように、本実施形態の微生物燃料電池１２０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）をアノード３４に供給している。そして、アノード３４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。
【０１２９】
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。
アノード３４：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ→６ＣＯ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−
カソード３０：６Ｏ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−→１２Ｈ２Ｏ
【０１３０】
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。
アノード３４：４ＮＨ３→２Ｎ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
カソード３０：３Ｏ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−→６Ｈ２Ｏ
【０１３１】
このように、本実施形態の水処理装置は、微生物燃料電池１２０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アノード３４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、アノード３４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。
【０１３２】
本実施形態の水処理装置は、電極複合体１００におけるカソード３０とアノード３４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３５をさらに有することが好ましい。イオン移動層３５を設けることにより、アノード３４からカソード３０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。
【０１３３】
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。
【符号の説明】
【０１３４】
１  中空部
４  酸素供給部
５  酸素透過部
１０  中空部材
３０  カソード
３１  撥水層
３２  導電層
３４  アノード
３７  カソード集電部
３８  アノード集電部
４０  筐体部
４１  カバー部
４２  カソード側支持部
４３  アノード側支持部
４５  酸素供給空間
５１  カソード集電統合部
５２  アノード集電統合部
６１  カソード側連結筐体部
６２  アノード側連結筐体部
１００  電極複合体
１１０  電極複合体群
【図１】
2019061837.tif 000003
【図２】
2019061837.tif 000004
【図３】
2019061837.tif 000005
【図４】
2019061837.tif 000006
【図５】
2019061837.tif 000007
【図６】
2019061837.tif 000008
【図７】
2019061837.tif 000009
【図８】
2019061837.tif 000010
【図９】
2019061837.tif 000011
【図１０】
2019061837.tif 000012
【図１１】
2019061837.tif 000013
【図１２】
2019061837.tif 000014
【図１３】
2019061837.tif 000015
【図１４】
2019061837.tif 000016
【図１５】
2019061837.tif 000017
【図１６】
2019061837.tif 000018
【図１７】
2019061837.tif 000019
【図１８】
2019061837.tif 000020
【図１９】
2019061837.tif 000021
【図２０】
2019061837.tif 000022
【図２１】
2019061837.tif 000023
【図２２】
2019061837.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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