(57)【要約】【課題】単位体積当たりの発電効率の向上と長期運転を実現できる微生物燃料電池を提供する。【解決手段】微生物燃料電池１０は、プロトンが膜厚部分を通過可能な中空糸膜４０と、中空糸膜４０が槽内に配設される反応槽２０と、反応槽２０の内部に有機性排水を供給する供給ポンプ３０と、中空糸膜４０の外周面に形成される外周電極としてのアノード５０と、中空糸膜４０の空洞内に形成される内部電極としてのカソード６０と、反応槽２０の内部において中空糸膜４０を緩んだ状態で支持する支持部７０とを備える。【選択図】図１
2015072820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性排水中の有機物質を微生物により分解して電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、
プロトンが膜厚部分を通過可能な中空形状の分離膜と、
前記分離膜が内部に配設される反応容器と、
前記反応容器内又は前記分離膜の空洞内に有機性排水を供給する供給手段と、
アノード及びカソードの一方であって前記分離膜の外周面に形成される外周電極と、
アノード及びカソードの他方であって前記分離膜の空洞内に形成される内部電極と、
前記反応容器内において前記分離膜を緩んだ状態で支持する支持部と、
を備える、
ことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
前記分離膜の空洞内と外部との間に圧力差を発生させる差圧手段を備え、
前記外周電極がアノード、前記内部電極がカソードである場合には、前記供給手段は前記反応容器に有機性排水を供給し、前記差圧手段は前記分離膜の空洞内を外部よりも低い圧力とし、
前記外周電極がカソード、前記内部電極がアノードである場合には、前記供給手段は前記分離膜の空洞内に有機性排水を供給し、前記差圧手段は前記分離膜の空洞内を外部よりも高い圧力とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の微生物燃料電池。
【請求項３】
前記外周電極がアノード、前記内部電極がカソードである場合には、前記分離膜の空洞内に酸素を供給し、前記外周電極がカソード、前記内部電極がアノードである場合には、前記反応容器内に酸素を供給する酸素供給手段を備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の微生物燃料電池。
【請求項４】
前記支持部は、複数本の前記分離膜を緩んだ状態で支持する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項５】
前記分離膜の空洞内の圧力を計測する計測手段を備え、
前記計測手段の測定値が設定値を超えると、圧力を変動又は逆転させるように前記差圧手段を制御する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項２に記載の微生物燃料電池。
【請求項６】
前記分離膜の空洞内の圧力を計測する計測手段と、
前記アノードの表面上にクロスフローを発生させるクロスフロー発生手段と、
前記計測手段の測定値が設定値を超えると、前記クロスフロー発生手段によるクロスフローの発生又はそのクロスフローを強めるように制御する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項７】
前記分離膜の空洞内の圧力差を計測する計測手段と、
前記支持部を揺動させる揺動機構と、
前記計測手段の測定値が設定値を超えると、前記揺動機構を制御する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項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】
近年、微生物の代謝機能を利用して有機性排水中の有機物質から電力を生産する微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池では、有機物質を処理すると同時に電気エネルギーを回収できる利点がある。
【０００３】
微生物燃料電池としては、１槽型（single-chamber）と２槽型（double-chamber）とがある（特許文献１）。
【０００４】
１槽型として代表的なエアーカソードタイプでは、アノード（マイナス極）とカソード（プラス極）とが箱形状の反応槽の両側部に対向して配置された平行平板型に構成されている。カソードは、酸素透過性を有するエアカソード（酸素正極）と呼ばれ、その外面が大気に晒されている。また、カソードは、その内面（アノード側の片面）に触媒としての白金（Ｐｔ）が担持されている。さらに、カソードの白金担持面には、プロトン（水素イオン）のみを透過するプロトン交換膜が接着されている。また、アノードには、有機性排水中の有機物質や微生物としての電気産生細菌が接触する。なお、アノードとカソードは外部回路を介して接続されている。
【０００５】
また、２槽型の微生物燃料電池では、箱形状の反応槽内がプロトン交換膜によりアノード槽とカソード槽の２つに分離され、アノード槽内に位置する平板状のアノードとカソード槽内に位置する平板状のカソードとが平行に配置された平行平板型に構成されている。カソードの表面には、触媒としての白金（Ｐｔ）が担持されている。アノード槽には有機性排水が供給されている。カソード槽内には、有機性排水のうちプロトン交換膜を透過したプロトンが溶液中に存在し、この溶液中に酸素が供給されている。また、アノードとカソードは外部回路を介して接続されている。
【０００６】
ここで微生物燃料電池の原理を説明する。
有機性排水中に存在する電気産生細菌には、有機性排水中の有機物質を分解し、その代謝過程で細菌細胞内から細胞外へ電子を放出する特性がある。その電子は電子伝達体（ｃ型シトクロム、導電性ワイヤーなど）を介してアノードに移され、さらに外部回路を伝ってカソードに送られる。加えて、細菌細胞から電子放出と同時に有機性排水中に排出されるプロトンは、プロトン交換膜を透過してカソードに移る。１槽型では大気中からカソードの内面に透過した酸素が、２槽型ではカソードの周囲の溶存酸素が、カソード側で白金の触媒作用によってプロトンと電子と結合して水となることで、アノード−カソード間（電極間）に電子の連続的な流れが生じ、発電が継続する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１１−５２７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の微生物燃料電池において、燃料源として清浄な有機含有液（例えば人為的に調整した酢酸、乳酸、グルコースなどの溶液）を使用する場合であれば、特に問題はない。しかしながら、実排水のように有機性固形物（細菌を含む）が多く含まれる雑多な汚水を燃料源に使用する場合には、単位体積当たりの発電効率の向上と長期運転の両方を実現することが困難であるという問題がある。その理由は以下の通りである。
【０００９】
平行平板型の微生物燃料電池において単位体積当たりの発電効率の向上のためには、電極面積を広げ、且つ両電極間を狭くする必要がある。しかし、そうすることで反応槽内の流路抵抗が増加し、実排水中の有機性固形物が電極（特にアノード）に過剰に付着して閉塞環境が生み出される。これにより、例えば電極面に液流の無い箇所が生じる送液不良、電極間を液が流れない液短絡などが生じ、発電能力が低下する。つまり、運転時間の経過とともに初期の発電能力を発揮しなくなるという問題がある。
【００１０】
そこで、反応槽内の液流を改善するべく、反応槽内の有機性排水を攪拌する攪拌機等の乱流発生装置を設けることが考えられる。しかし、面積を広げた電極自体がバッフル板（邪魔板）となり、電極間の乱流の効果が抑制されてしまい、固形物の過剰付着を抑制できない。また、電極間隔が狭くなることで、攪拌機の羽根部を挿入するスペースの確保が難しく、電極間の乱流の発生が益々難しくなる。
【００１１】
要するに、発電効率を上げることと、電極間で燃料溶液を流し易くすることとは相反する関係にあり、単位体積当たりの発電効率向上と長期運転とを同時に実現することができない。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、単位体積当たりの発電効率の向上と長期運転を実現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】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る微生物燃料電池は、
有機性排水中の有機物質を微生物により分解して電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、
プロトンが膜厚部分を通過可能な中空形状の分離膜と、
前記分離膜が内部に配設される反応容器と、
前記反応容器内又は前記分離膜の空洞内に有機性排水を供給する供給手段と、
アノード及びカソードの一方であって前記分離膜の外周面に形成される外周電極と、
アノード及びカソードの他方であって前記分離膜の空洞内に形成される内部電極と、
前記反応容器内において前記分離膜を緩んだ状態で支持する支持部と、
を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、単位体積当たりの発電効率の向上と長期運転を実現できる微生物燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図２】微生物燃料電池の両電極を示す斜視図である。
【図３】中空糸膜の外周面への導電性材塗布の実験結果を示す図である。
【図４】浄化システムのブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図９】支持部に複数本の中空糸膜が支持されることを示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は支持部に支持された中空糸膜の内部電極の形状を説明する図である。
【図１１】変形例の微生物燃料電池の構成図である。
【図１２】変形例の微生物燃料電池の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る微生物燃料電池１０は、図１に示すように、有機性排水中の有機物質を微生物により分解して電気エネルギーを取り出す燃料電池である。有機性排水としては、下水、産業排水、生活排水などが含まれる。なお、ここでいう有機性排水は、有機性固形物（例えば、食物残渣、排泄物、細菌等の微生物群集である汚泥など)を含む排水である。
【００１８】
微生物燃料電池１０は、図１に示すように、有機性排水が供給される反応槽２０（反応容器）を備える。反応槽２０内の有機性排水は、供給ポンプ３０（供給手段）により供給される。反応槽２０は、その内部に配設される中空糸膜４０と、中空糸膜４０の外周に形成されたアノード５０と、中空糸膜４０の空洞内に形成されたカソード６０と、反応槽２０の内部において中空糸膜４０を緩んだ状態で支持する支持部７０とを備える。
【００１９】
反応槽２０は、例えば有底箱状の容器であり、供給ポンプ３０から供給される有機性排水で満たされる。反応槽２０の底部２１には、供給ポンプ３０からの有機性排水が注入される入力口２２を備える。供給ポンプ３０により、有機性排水が反応槽２０の底部２１の入力口２２に供給されるので、反応槽２０の底部２１から上方に向けて有機性排水の流れが生じる。また、反応槽２０の内部には、中空糸膜４０がその長手方向を上下方向に向けて配置される。これにより、反応槽２０の内部の入力口２２から上方に向かう有機性排水が中空糸膜４０の長手方向に沿って流れる。つまり、中空糸膜４０に対して、クロスフローが生じる。
【００２０】
中空糸膜４０は、図２に示すように中空円筒形状であり、図１に示すようにその膜厚部分をプロトン（水素イオン：Ｈ＋）が通過可能な分離膜である。分離膜の材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン等のポリオレフィン系などが挙げられる。また、これら材料に親水化処理を施したものであってもよい。
【００２１】
また、中空糸膜４０は、分離膜であるため、柔軟性がある。反応槽２０の内部のクロスフローにより、中空糸膜４０は、図１に示すように横方向（矢印ＹＡの方向）に揺れることや、上下方向（矢印ＹＢの方向）に波打つことが可能である。
【００２２】
アノード５０は、スパッタ法により、中空糸膜４０の外周面に、導電性の原料物質（例えばカーボン）が成膜された外周電極である（図１、図２参照）。アノード５０は、その膜厚みが例えば２００ｎｍ程度の薄膜である。このため、中空糸膜４０が図１に示す矢印方向ＹＢなどに揺らぐと、この中空糸膜４０の外周面のアノード５０も揺らぐことになる。
【００２３】
カソード６０は、図１、図２に示すように、中空糸膜４０の空洞内に挿入された円柱状の導電性の線材からなる内部電極である。この導電性の線材は、例えばカーボン繊維の表面上に白金ナノ粒子を担持させたものである。つまり、カソード６０は、触媒としての白金が含まれる。カーボン繊維は柔軟性がある。このため、中空糸膜４０が図１に示す矢印方向ＹＢなどに揺らぐと、この中空糸膜４０の空洞内のカソード６０も揺らぐことになる。
【００２４】
また、図１に示すように、アノード５０とカソード６０は、外部回路８０を介して接続されている。
【００２５】
また、中空糸膜４０は電気絶縁性を有する材料で形成されているので、中空糸膜４０の外周面のアノード５０とその空洞内のカソード６０との間の電気絶縁性が確保されている。つまり、アノード・カソード間が短絡することを防止している。
【００２６】
支持部７０は、図１に示すように、中空糸膜４０の上端部を支持する上支持部７１と、中空糸膜４０の下端部を支持する下支持部７２と、上支持部７１と下支持部７２とを中空糸膜４０の長さよりも短い距離に保持するコの字形状のアーム７３とからなる支持機構である。これにより、反応槽２０の内部において、中空糸膜４０を弛んだ状態で支持できる。
【００２７】
支持部７０は、アーム７３を備えるものに限定されない。例えば、アーム７３に替えて、上支持部７１と下支持部７２とが反応槽２０に支持された構成としてもよい。
【００２８】
反応槽２０の内部の有機性排水は、中空糸膜４０により固液分離される。つまり、中空糸膜４０の外側には固形物が留まり、中空糸膜４０の空洞内には分離液（プロトンを含む）がしみ出る。微生物燃料電池１０は、図１に示すように、中空糸膜４０の空洞内にしみ出た分離液を吸引する吸引ポンプ９０（差圧手段）を備える。この吸引ポンプ９０により、中空糸膜４０の空洞内と外部との間に圧力差が発生する。正確には、この吸引ポンプ９０は、中空糸膜４０の空洞内を、中空糸膜４０の外部（つまり、反応槽２０の内部の有機性排水）よりも低い圧力（例えば負圧）とする。
【００２９】
さらに、微生物燃料電池１０は、図１に示すように、中空糸膜４０の空洞内に酸素を供給するための大気導入バルブ１００（酸素供給手段）を備える。中空糸膜４０の内部が負圧であるため、大気導入バルブ１００を「開」にすれば、大気が導入される。大気導入バルブ１００からの酸素は、中空糸膜４０の空洞内の分離液中に溶存したり、気泡となって存在したりする。なお、大気導入バルブ１００からの酸素の供給量よりも、吸引ポンプ９０による分離液の吸引量の方が大きいため、中空糸膜４０の空洞内が負圧であることに変わりない。また、大気導入バルブ１００は開度を調整可能であることが望ましい。また、バルブ開度を調整することで、中空糸膜４０の内部圧力の変動を抑えることができる。
【００３０】
また、供給ポンプ３０は常時、有機性排水を反応槽２０に連続的に供給している。供給ポンプ３０による有機性排水の供給量と、吸引ポンプ９０による分離液の吸引量とが等しいため、有機性排水が反応槽２０から溢れ出ることはない。なお、供給ポンプ３０により所定量の有機性排水をまとめて供給し、その後反応槽２０内の水量が少なくなったら、その減少分を補充する間欠的な供給方法でも良い。なお、反応槽２０内の細菌濃度（細菌等を含む汚泥濃度）は、他工程への汚泥返送や引き抜きの手段にて、所定の濃度範囲に収まるように制御されることが望ましい。
【００３１】
ここで、この微生物燃料電池１０による発電と有機物質の分解について、図１を用いて説明する。
【００３２】
図１に示すように、反応槽２０の有機性排水中を浮遊する嫌気性の電気産生細菌Ｂ、アノード５０上に付着する嫌気性の電気産生細菌Ｂは、有機性排水中の有機物質（ＣＨＯ）を分解し、その代謝過程で細菌細胞内から細胞外へ電子（ｅ−）を放出する。その電子（ｅ−）は電子伝達体Ｍ（ｃ型シトクロム、導電性ワイヤーなど）を介してアノード５０に移され、さらに外部回路８０を伝ってカソード６０に送られる。
【００３３】
加えて、細菌細胞から電子放出と同時に有機性排水中に排出されるプロトン（Ｈ＋）は、中空糸膜４０を透過してカソード６０に移る。
【００３４】
大気導入バルブ１００により中空糸膜４０の空洞内に供給された酸素（Ｏ２）が、カソード６０においてその白金の触媒作用によってプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と結合して水（Ｈ２Ｏ）となる。これにより、アノード−カソード間（電極間）に電子の連続的な流れが生じ、発電が起こる。
【００３５】
ここで、中空糸膜４０の外周面への導電性材塗布（つまり、アノード５０の形成）に関して、スパッタ法が導電性スプレー塗布よりも優れているとの実験結果について、図３とともに説明する。
【００３６】
１．使用した中空糸膜の仕様
・外径：φ２ｍｍ
・孔径：０．２μｍ
・設計Flux（体積流速）：０．５−０．８ｍ３／ｍ２／ｄ
・長さ：８ｃｍ
【００３７】
２．試験に供した中空糸膜は、以下ａ）−ｃ）の３種類とした。
ａ）塗布なし
ｂ）市販の導電性スプレーを全面に塗布（下地の膜表面が見えない程度に吹き付け）
ｃ）スパッタ法による白金塗布（膜厚２００ｎｍ相当）
【００３８】
３．試験方法
（１）３００ｍｌのメスフラスコに水道水を充填した。
（２）このメスフラスコの水道水中に中空糸膜を浸漬した。
（３）浸漬した中空糸膜の内部をペリスタポンプで負圧に吸引した。
（ポンプの液流量は、Flux＝０．５ｍ３／ｍ２／ｄ相当に設定）
（４）吸引後、膜内吸引圧が平衡に達した時点の値を読み取った。
【００３９】
４．結果
図３に示すように、ｃ）のスパッタ法による塗布では、ａ）の塗布なしの場合と膜内吸引圧が同程度の値であり、設計Flux内で、膜内吸引圧の上昇が見られないことが確認できた。これに対して、ｂ）の導電性スプレー塗布では、膜内吸引圧が約５２ｋＰａと高く、好ましくないことが確認できた。
また、テスターにて、ｃ）の長さ方向（約８ｃｍ長）での導通を確認できた。
以上の実験結果から分かるように、中空糸膜４０の外周面にスパッタ法によりアノード５０を成膜することが好ましい。
【００４０】
ところで、本実施の形態１の微生物燃料電池１０は、図４に示すように、下水、産業排水、生活排水などの有機性排水の浄化を行う浄化システム２００に適用することができる。
【００４１】
浄化システム２００は、図４に示すように、沈砂池２０１、最初沈殿池２０２、曝気反応槽２０３、最終沈殿池２０４、消毒部２０５を備える。
【００４２】
沈砂池２０１は、有機性排水から砂や大きなゴミを除去する。最初沈殿池２０２では、沈砂池２０１を通過した細かな砂や有機性固形物を沈殿させる。曝気反応槽２０３では、最初沈殿池２０２からの越流水が供給され、空気が供給されることで槽内の好気性細菌による有機物の分解処理が行われる。最終沈殿池２０４では、曝気反応槽２０３からの汚泥を沈殿させる。消毒部２０５では、この最終沈殿池２０４の越流水を消毒して、その後、河川などへ放流される。
【００４３】
本実施の形態１の微生物燃料電池１０は、例えば、最初沈殿池２０２に設置したり、最初沈殿池２０２と曝気反応槽２０３との間に設置したり、最終沈殿池２０４に設置したりすることが可能である。これらの設置場所において、発電と、有機物質の処理とを行うことができる。
【００４４】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る微生物燃料電池１０は、プロトンが膜厚部分を通過可能な中空糸膜４０と、中空糸膜４０が槽内に配設される反応槽２０と、反応槽２０の内部に有機性排水を供給する供給ポンプ３０と、中空糸膜４０の外周面に形成される外周電極としてのアノード５０と、中空糸膜４０の空洞内に形成される内部電極としてのカソード６０と、反応槽２０の内部において中空糸膜４０を緩んだ状態で支持する支持部７０とを備える。
【００４５】
この構成によれば、中空糸膜４０の外周に外周電極（アノード５０）を、中空糸膜４０の空洞内に内部電極（カソード６０）をそれぞれ形成しているので、中空糸膜４０と同サイズとした場合の平行平板型に比べて電極表面積を大きくすることができ、単位体積当たりの発電効率を向上させることができる。また、反応槽２０の内部において中空糸膜４０が緩んだ状態で支持されているので、中空糸膜４０の周囲の液流によりこの中空糸膜４０を揺らすことができる。つまり、電極（アノード５０、カソード６０）を揺らすことができ、アノード５０などへの固形物の過剰付着を抑制することができ、長期運転が可能となる。したがって、単位体積当たりの発電効率の向上と長期運転とを実現できる微生物燃料電池を提供することができる。
【００４６】
また、中空糸膜４０の空洞内と外部との間に圧力差を発生させる吸引ポンプ９０を備え、吸引ポンプ９０は中空糸膜４０の空洞内を外部よりも低い圧力とする。つまり、中空糸膜４０のカソード６０側をアノード５０側よりも低い圧力としている。これにより、電気産生細菌が生息する生物膜を中空糸膜４０のアノード５０側の表面上に付着させ易く、その生物膜の電気産生細菌が有機物質を分解する際に放出する電子とプロトンがカソード６０に伝わり易くなる。このため、発電効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
また、大気導入バルブ１００により中空糸膜４０の空洞内に酸素を供給する。つまり、空洞内のカソード６０に酸素を供給する。これにより、中空糸膜４０のカソード６０側において、酸素と電子とプロトンとが結合して水となる反応が促進され、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
また、反応槽２０では、嫌気性の電気産生細菌を用いるので、好気処理に比べて汚泥発生率を減らすことができる。嫌気性の電気産生細菌による嫌気処理の汚泥収率は、好気性の電気産生細菌による好気処理に比べて、１／１０程度だからである。
【００４９】
（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池１０について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
【００５０】
実施の形態２の微生物燃料電池１０は、図５に示すように、吸引ポンプ９０に替えて、吸引と吐出とが切り替え可能な吸引・吐出ポンプ９５を用いる。また、実施の形態２では、吸引・吐出ポンプ９５による吸引圧を計測する圧力計１１０（計測手段）を備える。
【００５１】
また、実施の形態２の微生物燃料電池１０は、圧力計１１０の測定値（マイナス値）の絶対値が設定値を超えると、膜間圧力を逆転させるように吸引・吐出ポンプ９５を制御する制御部１２０を備える。つまり、吸引・吐出ポンプ９５の吸引動作が吐出動作に切り替えられ、中空糸膜４０の空洞内が負圧から正圧に逆転する。すなわち、中空糸膜４０の空洞内の圧力がその外部よりも高くなり、空洞内の分離液が中空糸膜４０の外部に逆流することで、中空糸膜４０のアノード５０の表面上に付着した固形物が除去される。
【００５２】
制御部１２０は、膜間圧力の逆転を所定の短期間（例えば、数秒）又は複数回行う。その後、制御部１２０は、吸引・吐出ポンプ９５を吸引動作に復帰させ、中空糸膜４０の空洞内を負圧に戻す。
【００５３】
以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池１０によれば、圧力計１１０が中空糸膜４０の空洞内の圧力を計測する。アノード５０などへの固形物の付着が進むと、吸引圧力の絶対値が大きくなる。制御部１２０は、計測された圧力の絶対値が設定値を超えると、膜間圧力を逆転させるように吸引・吐出ポンプ９５を制御する。つまり、カソード６０側よりも高い圧力であるアノード５０側を、カソード６０側よりも低い圧力に逆転させることで、中空糸膜４０のアノード５０側の表面に付着した固形物を除去できる。これにより、アノード５０などへの固形物の付着を適正な範囲で維持することができ、長期運転が可能となる。
【００５４】
また、中空糸膜４０の空洞内の圧力測定により、中空糸膜４０の膜状態の管理がし易く、中空糸膜４０の洗浄頻度管理を行うことができる。
【００５５】
なお、制御部１２０は、計測された圧力の絶対値が設定値を超えると、膜間圧力が逆転しない範囲で変動させるように吸引・吐出ポンプ９５を制御してもよい。この場合は、吸引・吐出ポンプ９５に替えて、実施の形態１の吸引ポンプ９０を用いてもよい。吸引・吐出ポンプ９５又は吸引ポンプ９０の吸引力を変動させることで、中空糸膜４０の空洞内の負圧状態を変動させる。これにより、アノード５０の表面上の固形物の付着状態が変化したり、中空糸膜４０自体を揺れたりすることで、アノード５０の表面に付着した固形物を除去できる。
【００５６】
なお、本実施形態では、吸引・吐出ポンプ９５のラインに圧力計１１０を設置して(外部は水頭圧として)、吸引圧を測定しているが、中空糸膜４０の外部圧と内部圧を測ってその差を求めるようにしてもよい。
【００５７】
（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３に係る微生物燃料電池１０について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１，２と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
【００５８】
実施の形態３の微生物燃料電池１０は、図６に示すように、実施の形態２と同様に圧力計１１０を備える。また、実施の形態３の微生物燃料電池１０は、アノード５０の表面上にクロスフローを発生させる攪拌機１３０（クロスフロー発生手段）を備える。
【００５９】
攪拌機１３０は、反応槽２０の底部２１側に配設され、反応槽２０の内部の有機性排水を攪拌するものである。攪拌機１３０の攪拌動作により、攪拌機１３０の上方に向けて有機性排水が流れる。つまり、中空糸膜４０の外周面に沿って有機性排水が流れるクロスフローが発生する。
【００６０】
また、実施の形態３の微生物燃料電池１０は、圧力計１１０の測定値が設定値を超えると、攪拌機１３０によるクロスフローを発生させるように制御する制御部１２０を備える。つまり、中空糸膜４０の外周面に沿うクロスフローが発生することで、中空糸膜４０のアノード５０の表面上に付着した固形物が除去される。
【００６１】
制御部１２０は、クロスフローの発生を所定の短期間（例えば、数秒）又は複数回行うように攪拌機１３０を制御する。その後、制御部１２０は、攪拌機１３０を停止させる。
【００６２】
以上説明したように、本発明の実施の形態３に係る微生物燃料電池１０によれば、圧力計１１０が中空糸膜４０の空洞内の圧力を計測する。アノード５０などへの固形物の付着が進むと、吸引圧力の絶対値が大きくなる。制御部１２０は、計測された圧力の絶対値が設定値を超えると、攪拌機１３０によりアノード５０の表面上にクロスフローを発生させる又はそのクロスフローを強めるように制御する。これにより、中空糸膜４０のアノード５０側の表面に付着した固形物を除去できる。これにより、アノード５０などへの固形物の付着を適正な範囲で維持することができ、長期運転が可能となる。
【００６３】
なお、この実施の形態３では、計測された圧力の絶対値が設定値を超えたときだけ、クロスフローを発生させているが、これに限定されない。例えば、通常時において攪拌機１３０が攪拌動作し、中空糸膜４０へのクロスフローを発生させている場合には、制御部１２０は、中空糸膜４０へのクロスフローを通常時よりも強めるように攪拌機１３０を制御する。クロスフローが強められることにより、中空糸膜４０のアノード５０の表面上に付着した固形物が除去される。例えば、制御部１２０は、クロスフローの強化を所定の短期間（例えば、数秒）又は複数回行うように攪拌機１３０を制御する。その後、制御部１２０は、攪拌機１３０を通常時の攪拌動作に戻す。
【００６４】
また、実施の形態３では、クロスフロー発生手段として攪拌機１３０を用いているが、これに限定されない。例えば、反応槽２０の内部の有機性排水を循環させる循環ポンプを用いてもよい。この循環水により、中空糸膜４０へのクロスフローを発生させたり、循環水の流れを強めることでクロスフローを強めたりしてもよい。また、酸素を含まないガスを反応槽２０の内部に供給するガス供給ポンプを用いてもよい。ガスの曝気により、中空糸膜４０へのクロスフローを発生させてもよい。
【００６５】
（実施の形態４）
続いて、本発明の実施の形態４に係る微生物燃料電池１０について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１，２と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
【００６６】
実施の形態４の微生物燃料電池１０は、図７に示すように、実施の形態２と同様に圧力計１１０を備える。
【００６７】
また、実施の形態４の微生物燃料電池１０は、支持部７０を横方向（矢印ＹＣの方向）に揺動させる揺動機構１４０と、圧力計１１０の測定値（絶対値）が設定値を超えると、揺動機構１４０を制御する制御部１２０とを備える。
【００６８】
以上説明したように、本発明の実施の形態４に係る微生物燃料電池１０によれば、圧力計１１０が中空糸膜４０の空洞内の圧力を計測する。アノード５０などへの固形物の付着が進むと、吸引圧力の絶対値が大きくなる。制御部１２０は、計測された圧力の絶対値が設定値を超えると、揺動機構１４０を制御する。揺動機構１４０は支持部７０を揺動させる。これにより、中空糸膜４０自体を揺らすことができる。中空糸膜４０を揺らすことで、そのアノード５０側の表面に付着した固形物を除去できる。これにより、アノード５０などへの固形物の過剰付着を抑制でき、長期運転が可能となる。
【００６９】
なお、揺動機構１４０は、支持部７０を横方向に揺動させているが、これに限定されない。例えば、支持部７０を上下方向に揺動させてもよいし、横方向及び上下方向に揺動させてもよい。
【００７０】
（実施の形態５）
続いて、本発明の実施の形態５に係る微生物燃料電池１０について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１〜４と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
【００７１】
実施の形態５の微生物燃料電池１０では、支持部７０は、図８に示すように、複数本の中空糸膜４０を緩んだ状態で支持する。図９に示すように、円盤状の上支持部７１は、５本の中空糸膜４０の上端部を支持する。これと同様に、円盤状の下支持部７２は、５本の中空糸膜４０の下端部を支持する。
【００７２】
上支持部７１は、図９に示すように、中央に位置する中空糸膜４０の周囲の４箇所に、円形の貫通穴７５を備える。また、下支持部７２も上支持部７１と同様に４個の貫通穴７５を備える。攪拌機１３０からのクロスフローが、下支持部７２の４個の貫通穴７５を通るため、中央に位置する中空糸膜４０についてもクロスフローが供給され、中央に位置する中空糸膜４０のアノード５０などへの固形物の過剰付着を抑制できる。
【００７３】
以上説明したように、本発明の実施の形態５に係る微生物燃料電池１０によれば、中空糸膜４０を複数本にすることにより、発電量と水処理量の両方を増加させることができる。よって、単位体積当たりの発電効率をさらに向上させることができる。また、反応槽２０の内部において複数本の中空糸膜４０が緩んだ状態で支持されているので、中空糸膜４０の周囲の液流により複数本の中空糸膜４０を揺らすことができ、アノード５０などへの固形物の過剰付着を抑制でき、長期運転が可能となる。
【００７４】
なお、貫通穴７５は円形に限定されない。例えば、矩形状、三角形状、三日月形状など種々の形状としてもよい。中央側の中空糸膜４０にクロスフローが供給可能であればどのような形状であってもよい。
【００７５】
この実施の形態５では、支持部７０が支持する中空糸膜４０を５本としているが、５本以外の複数としてもよい。支持部７０は、数十本、数百本など多数の中空糸膜４０を支持するとしてもよい。
【００７６】
この実施の形態５では、外部回路８０に対して各中空糸膜４０の電極を並列に接続しているが、直列に接続してもよい。
【００７７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。
【００７８】
なお、前述した各実施の形態では、反応容器として反応槽２０を用いているが、これに限定されない。例えば、両電極（アノード５０、カソード６０）を内部に収容可能な容器であればよく、反応容器、反応室などとしてもよい。また、配管に着脱可能なカートリッジ型の容器、モジュール型の容器などとしてもよい。
【００７９】
なお、前述した各実施の形態では、中空糸膜４０を中空円筒形状としているが、この形状に限定されない。例えば、中空形状であってその断面が矩形状、楕円状、長円状など種々の形状としてもよい。
【００８０】
また、前述した各実施の形態では、分離膜として中空糸膜４０を採用しているが、これに限定されない。例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノ膜（ＮＦ膜）などとしてもよい。
【００８１】
なお、前述した各実施の形態では、スパッタ法により、分離膜（例えば中空糸膜４０など）の外周面に、導電性の材料物質が成膜されているが、これに限定されない。例えば真空蒸着法などのスパッタ法以外の薄膜製造方法を用いてもよい。また、スパッタ法等の蒸着以外にも、イオン注入、カーボンナノチューブ等のカーボンナノ材料の塗布、分離膜材料自体に導電性材料を混合させるなどの方法でも良い。
【００８２】
なお、前述した各実施の形態では、カソード６０は円柱形状としているが、これに限定されない。例えば、図１０（ａ）に示すように、カソード６０を、断面が例えば円形（角形でもよい）で中空糸膜４０の空洞方向に長い棒状としてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、カソード６０を、断面が例えば円形（角形でもよい）で中空糸膜４０の空洞方向に長いものを複数本束ねたような繊維状としてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、カソード６０を、断面が円弧形状で中空糸膜４０の空洞方向に長い円弧柱形状としてもよい。この円弧柱形状のカソード６０を中空糸膜４０の空洞内面に沿うように挿入してもよい。また、図１０（ｄ）に示すように、カソード６０を円筒形状としてもよい。この円筒形状のカソード６０を中空糸膜４０の空洞内に挿入してもよい。また、カソード６０を多角柱形状などとしてもよい。また、カソード６０をメッシュ状、多孔質状などとしてもよい。また、図１０（ｅ）に示すように、カソード６０を中空糸膜４０の空洞内にコーティング（例えば成膜）してもよい。
【００８３】
また、前述した各実施の形態では、中空糸膜４０の下端から酸素が供給され、上端から分離液が吸引される構成としているが、これに限定されない。例えば、中空糸膜４０の下端から分離液が吸引され、上端から酸素が供給される構成としてもよい。
【００８４】
また、前述した各実施の形態では、反応槽２０の底部２１に入力口２２を備えているが、これに限定されない。例えば、反応槽２０の側部又は天部に入力口２２を備えてもよい。また、撹拌等でクロスフローが形成される構成であれば、入力口２２の位置は特に拘らない。
【００８５】
なお、前述した各実施の形態では、中空糸膜４０の外周電極をアノード５０、その内部電極をカソード６０としているが、両者を入れ替えてもよい。つまり、図１１に示すように、中空糸膜４０の外周電極をカソード６０、その内部電極をアノード５０としてもよい。この場合には、供給ポンプ３０は中空糸膜４０の入口４１から空洞内に有機性排水を正圧の状態で供給し、中空糸膜４０の反対側の出口４２から排出ライン４５を通じて排出される。また、反応槽２０の内部は、中空糸膜４０を透過したプロトンを含む分離液で満たされる。また、酸素供給ポンプ１０１は、反応槽２０の内部の分離液に酸素を供給する。吸引ポンプ９０は、反応槽２０の内部の分離液を排出する。
【００８６】
このような構成の場合でも、中空糸膜４０のカソード６０側をアノード５０側よりも低い圧力としているので、電気産生細菌が生息する生物膜を中空糸膜４０のアノード５０側の表面上に付着させ易く、その生物膜の電気産生細菌が有機物質を分解する際に放出する電子とプロトンがカソード６０に伝わり易くなることから、発電効率をさらに向上させることができる。
【００８７】
また、前述した各実施の形態では、反応槽２０の内部において中空糸膜４０をその長手方向を上下方向にして配置しているが、横向きや斜め向きに配置してもよい。また、図１２に示すように、中空糸膜４０をＵ字状に配置してもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０  微生物燃料電池
２０  反応槽（反応容器）
３０  供給ポンプ（供給手段）
４０  中空糸膜（分離膜）
５０  アノード（外周電極、内部電極）
６０  カソード（内部電極、外周電極）
７０  支持部
８０  外部回路
９０  吸引ポンプ（差圧手段）
１００  大気導入バルブ（酸素供給手段）
１０１  酸素供給ポンプ（酸素供給手段）
１１０  圧力計（計測手段）
１２０  制御部
１３０  攪拌機（クロスフロー発生手段）
１４０  揺動機構  
【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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