(57)【要約】【課題】電池の単位体積当たりの発電効率が向上した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、内部に空洞部４２を備える中空筒形状に形成されるとともに、空洞部４２の一端に大気の給気口４１が形成され、且つ有機性排水１１中に浸漬された中空状電極３０と、空洞部４２に大気を供給する大気供給部１００と、を備える。中空状電極３０は、筒状に形成されたカソード５０と、カソード５０の外周に形成された電気絶縁体６０と、電気絶縁体６０の外周に形成されたアノード７０とを備える。【選択図】図１
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【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、
内部に空洞部を備える中空筒形状に形成されるとともに、前記空洞部の一端に大気の給気口が形成され、且つ有機性排水中に浸漬された中空状電極と、
前記空洞部に大気を供給する大気供給部と、
を備え、
前記中空状電極は、筒状に形成されたカソードと、前記カソードの外周に形成された電気絶縁体と、前記電気絶縁体の外周に形成されたアノードとを備える、
ことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
前記空洞部内の圧力を外部の圧力よりも高くするように制御する圧力制御部を備える、
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】
有機性排水中の浸漬された前記中空状電極を揺動可能に支持する支持部を備える、
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、複数本の前記中空状電極を揺動可能に支持する、
ことを特徴とする請求項３に記載の微生物燃料電池。
【請求項５】
前記空洞部内の酸素濃度を測定する濃度測定部を備え、
前記濃度測定部の濃度測定値に基づいて、前記空洞部内の酸素濃度が規定値となるように前記大気供給部による大気供給量を制御する大気供給制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項６】
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部と、
タイマーを用いて定期的に、前記クロスフロー発生部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クロスフロー制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項７】
前記支持部を揺動させる揺動機構と、
連続的又はタイマーを用いて定期的に、前記中空状電極が揺動するように前記揺動機構を制御する揺動制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の微生物燃料電池。
【請求項８】
前記カソードは、導電性高分子材料により形成されている、又は導電性材料を含む高分子材料により形成されている、
ことを特徴とする請求項１から７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、有機物質を分解すると同時に電気エネルギーを生成できる利点があり、実排水のように有機性固形物（電気産生微生物を含む）が含まれる雑多な汚水を燃料源に使用して、発電と汚水処理との両方を実現したいとの目的がある。
【０００３】
特許文献１に開示された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。
【０００４】
１槽型として代表的なエアーカソードタイプの微生物燃料電池は、平板状のアノード（マイナス極）と、酸素透過性を有するエアカソード（酸素正極）と呼ばれる平板状のカソード（プラス極）とが反応槽の両端に対向して互いに平行に配置された平行平板型の構成を有している。カソードの一方の面（外面）は大気に晒されている。カソードの他方の面（アノード側の面）には、触媒として白金（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設けられている。また、アノードには、有機性排水中の有機物質や、電子放出機能を有する電気産生微生物が接触する。なお、アノードとカソードとは外部回路を介して接続されている。
【０００５】
２槽型の微生物燃料電池は、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、アノード槽内の有機性排水中に浸漬された平板状のアノードと、カソード槽内の溶液中に浸漬された平板状のカソードとが互いに平行に配置された平行平板型の構成を有している。カソードの表面には、触媒として白金が担持されている。カソード槽内の溶液は、アノード槽内からプロトン交換膜を透過したプロトンが存在する。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】
また、上述した平行平板型の電極とは異なる形態として、筒状電極を備える微生物燃料電池が特許文献２に開示されている。特許文献２の微生物燃料電池は、円筒形状の隔膜の外周面にカソードを形成し且つ内周面にアノードを形成した筒状電極を備え、筒状電極のアノード側の空洞内に実排水が供給され、筒状電極の外周のカソードが酸素に晒される構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１１−５２７８１７号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０３７２２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された１槽型及び２槽型の微生物燃料電池は、アノード及びカソードが平行平板型に構成されたものである。このような、平行平板型の微生物燃料電池において、電池の単位体積当たりの発電効率を向上させるためには、アノード及びカソードの面積（電極面積）を広げ、且つ両電極の間隔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両電極間に形成される排水の流路の抵抗（流路抵抗）が増加し、排水の流速が低下する。このため、実排水中の有機性固形物が電極（特にアノード）に過剰に付着して両電極間の流路が閉塞する場合がある。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。このような状態を放置していては、電池の単位体積当たりの発電効率を向上させることができないという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に開示された微生物燃料電池は、アノードが空洞内周面に形成され且つカソードが外周面に形成された筒状電極を備える。この筒状電極の場合には、同じ大きさの平行平板型の電極、つまりアノード電極面上での排水の流路抵抗を同じにして、且つ電極体積を同じにした場合と比べて、平行平板型よりも電極の表面積が大きい。よって、表面積が大きい分だけ、電池の単位体積当たりの発電効率が高いと言える。
【００１０】
特許文献２の微生物燃料電池において、電極面積を増やして電池の単位体積当たりの発電効率をさらに向上させるために、筒状電極を細くして増設することが考えられる。しかし、筒状電極を細くしてアノードの空洞径を小さくすると、実排水が通る空洞内に微生物などの有機固形物が付着して液詰まりし易くなる。このため、筒状電極を細くすることができない。したがって、特許文献２に開示された微生物燃料電池では、筒状電極を細くして、電池の単位体積当たりの発電効率を向上させることができない。
【００１１】
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、電池の単位体積当たりの発電効率が向上した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】
【００１２】
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、
内部に空洞部を備える中空筒形状に形成されるとともに、前記空洞部の一端に大気の給気口が形成され、且つ有機性排水中に浸漬された中空状電極と、
前記空洞部に大気を供給する大気供給部と、
を備え、
前記中空状電極は、筒状に形成されたカソードと、前記カソードの外周に形成された電気絶縁体と、前記電気絶縁体の外周に形成されたアノードとを備える、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電池の単位体積当たりの発電効率が向上した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】
【００１４】
【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】実施の形態１に係る微生物燃料電池の中空状電極を示す斜視図である。
【図３】浄化システムのブロック図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】本発明の実施の形態６に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は実施の形態６に係る微生物燃料電池の支持部を構成する上支持部と下支持部とを示す平面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は上支持部と下支持部の作製例を説明する図である。
【図１１】第１変形例に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図１２】第２変形例に係る微生物燃料電池の構成図である。
【図１３】第３変形例に係る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】
【００１５】
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。
【００１６】
（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、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。
【００１７】
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、電気産生微生物の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１１を貯留する反応容器２０と、反応容器２０内の有機性排水１１中に浸漬された中空状電極３０と、中空状電極３０の空洞部４２内に大気を供給する大気供給部１００とを備える。
【００１９】
反応容器２０は、例えば有底箱状の反応槽であり、供給ポンプ９０から供給される有機性排水１１を容器内（槽内）に一定量貯留するように構成されている。反応容器２０の底部２１には、供給ポンプ９０に接続された注水口２２を備える。反応容器２０の側壁上部には、反応容器２０における水量上限値を超えた分の有機性排水１１を排出するための排水口２３を備える。
【００２０】
有機性排水１１は、供給ポンプ９０により、注水口２２を介して反応容器２０に連続して供給される。このため、有機性排水１１は、反応容器２０の底部２１から上方に向けて流動する。
【００２１】
中空状電極３０は、反応容器２０内の有機性排水１１中に浸漬された状態で、その長手方向を上下方向に向けて配置されている。これにより、反応容器２０の底部２１の注水口２２から上方に向かう有機性排水１１が中空状電極３０の長手方向に沿って流れる。つまり、中空状電極３０に対して、有機性排水１１のクロスフローが生じる。なお、ここでいうクロスフローとは、中空状電極３０の表面に対して平行な流れを意味する。
【００２２】
中空状電極３０は、基材となる中空円筒状の筒体である中空糸膜４０と、中空糸膜４０の外周に形成されたカソード５０と、カソード５０の外周に形成された電気絶縁体６０と、電気絶縁体６０の外周に形成されたアノード７０とを有する。
【００２３】
中空糸膜４０は、図２に示すようにその内部に空洞部４２を備えた中空円筒形状であり、一般には、排水処理の固液分離用に使用されるものであるが、ここでは気体と液体とを分離する分離膜として使用している。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使用可能である。この実施の形態１の中空糸膜４０は、図１に示すように、その上端には後述する給気口４１が形成され、その下端が閉塞されたものである。
【００２４】
カソード５０は、図１に示す中空糸膜４０の上端及び下端を除く外周面に、例えばカーボンの表面上に白金を担持させた粒子をナフィオン（登録商標）溶液等のプロトンを透過可能なバインダーと混ぜて塗工したものである。つまり、カソード５０は、触媒としての白金を含む電極である。なお、白金は、酸素（Ｏ２）とプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）とを結合させて水（Ｈ２Ｏ）を生成する反応を促進させる触媒作用を有する。
【００２５】
電気絶縁体６０は、図１、図２に示すように、カソード５０とアノード７０との間を絶縁するために、カソード５０の外周面に、プロトンを透過しうる電気絶縁材を薄膜状に形成したものである。より詳しくは、電気絶縁体６０は次のようにして形成される。カソード５０が外周面に形成された中空糸膜４０を、その上端を除いて、例えばナフィオンを分散させた溶液中に浸した後に、引き上げ、乾燥させる。これにより、カソード５０の外周面に電気絶縁体６０が薄膜状に形成される。中空糸膜４０の上端を除いた理由は、空洞部４２内に溶液が入り込むことにより、空洞部４２の内壁に薄膜状の電気絶縁体６０が形成されることを防止するためである。また、カソード５０に対して、ナフィオン溶液を塗布するのでなく、ナフィオン膜を巻き付けて電気絶縁体６０を形成しても構わない。
【００２６】
アノード７０は、図１、図２に示すように、電気絶縁体６０の外周面に、例えばカーボン粉末をナフィオン溶液等のプロトンを透過可能なバインダーと混ぜて塗工したものである。
【００２７】
また、中空状電極３０の基材となる中空糸膜４０は、柔軟性を有する。中空糸膜４０の外周には、カソード５０、電気絶縁体６０及びアノード７０がその順に各部の厚さ方向に積層して薄膜状に形成されている。このため、中空状電極３０は柔軟性を残している。反応容器２０内の有機性排水１１のクロスフローにより、中空状電極３０は、図１に示すように横方向（矢印ＹＡの方向）に揺れ及び／又は上下方向（矢印ＹＢの方向）に波打つ様に揺れる。
【００２８】
また、図１に示すように、カソード５０とアノード７０は、外部回路９５を介して接続されている。
【００２９】
大気供給部１００は、図１に示すように、送出ポンプ１１０と、開閉バルブ１２０と、圧力測定部である圧力計１３０と、これらが大気供給側から順に配設された気体導入管１５０と、圧力制御部１４０とを備える。
【００３０】
気体導入管１５０は、大気（酸素と窒素とを含む気体）を空洞部４２内に導入するための管である。気体導入管１５０の排気側は、中空状電極３０の上端に形成された給気口４１に接続されている。
【００３１】
送出ポンプ１１０は、大気を送出するポンプである。開閉バルブ１２０は、送出ポンプ１１０の大気吐出側に設置され、且つ気体導入管１５０を開閉するバルブである。圧力計１３０は、中空状電極３０の空洞部４２内の圧力を測定する計器である。
【００３２】
圧力制御部１４０は、圧力計１３０にて測定された圧力測定値に基づいて、中空状電極３０の空洞部４２の圧力値が、別途設定された圧力設定値となるように送出ポンプ１１０の動作及び開閉バルブ１２０の開閉を制御する。圧力設定値は、中空状電極３０の外部の圧力値よりも高い圧力値に設定されており、上限値と下限値とがある。
【００３３】
具体的には、圧力制御部１４０は、圧力計１３０により測定された圧力測定値が圧力設定値の下限値よりも低くなった場合に、開閉バルブ１２０を「開」状態とし、送出ポンプ１１０を駆動させる。そして、圧力制御部１４０は、圧力計１３０により測定された圧力測定値が圧力設定値の上限値を超えると、開閉バルブ１２０を「閉」状態とし、送出ポンプ１１０を停止させる。また、予め設定した圧力設定値の上下限値間の圧力測定値に応じ、開閉バルブの「開」の度合いを微調整できる制御方法でも構わない。これにより、空洞部４２内の圧力値が外部よりも高い圧力値に設定される。空洞部４２内の圧力が中空糸膜４０の外部よりも高い圧力となっているので、空洞部４２内には、有機性排水１１が入り込むことはない。
【００３４】
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。
【００３５】
図１に示すように、反応容器２０の有機性排水１１中を浮遊する嫌気性の電気産生微生物Ｂや、アノード７０上に付着する嫌気性の電気産生微生物Ｂは、有機性排水１１中の有機物質（ＣＨＯ）を分解し、その代謝過程で微生物の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７０に移され、さらに外部回路９５を伝ってカソード５０に送られる。
【００３６】
加えて、微生物の細胞から電子（ｅ−）の放出と併せて有機性排水１１中に排出されるプロトン（Ｈ＋）は、電気絶縁体６０を透過してカソード５０に移る。
【００３７】
開閉バルブ１２０を介して空洞部４２内に供給された大気中の酸素（Ｏ２）は、カソード５０において白金の触媒作用によってプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）と結合して水（Ｈ２Ｏ）となる。すなわち、電子はアノード７０から外部回路９５を経てカソード５０に流れてそこで消費される。これにより、アノード７０とカソード５０間の外部回路９５に連続した電子の流れが生じ、発電が継続する。
【００３８】
本実施の形態１の微生物燃料電池１０は、下水、産業排水、生活排水などの有機性排水の浄化を行う図３に示す浄化システム２００に適用することができる。
【００３９】
浄化システム２００は、図３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。
【００４０】
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を越流した水が供給され、これに空気が供給される。これにより、槽内の水に含まれる好気性の微生物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中の好気性の微生物の群集である汚泥を沈殿させる。消毒部２０５では、この最終沈殿池２０４の越流水を例えば塩素などの消毒剤を用いて消毒する。その後、消毒済みの水が河川などへ放流される。
【００４１】
本実施の形態１の微生物燃料電池１０は、沈砂池２０１と最初沈澱池２０２の間、最初沈殿池２０２、最初沈殿池２０２と曝気反応槽２０３との間、曝気反応槽２０３（この場合は曝気反応槽２０３内に別途嫌気ゾーンを設ける）、最終沈殿池２０４などに設置することが可能である。微生物燃料電池１０は、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。
【００４２】
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によれば、中空状電極３０は、その外周に形成されたアノード７０に有機性排水１１が接触し、カソード５０には空洞部４２内から酸素を含む気体（大気）が供給される構成である。空洞部４２内は基本的には、酸素が供給できるスペースが確保されさえすればよい。従って、中空状電極３０を細くすることができる。これにより、単位体積当たりの中空状電極３０の配置数を増加させることができ、単位体積当たりの電極の表面積を増加させることができる。このため、電池の単位体積当たりの発電効率を向上させることができる。
【００４３】
また、カソード５０の空洞部４２内の圧力が外部の圧力よりも高いので、有機性排水１１の空洞部４２内への浸入を抑えながら、空洞部４２内に酸素を確保することができる。このため、カソード５０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継続され、発電が継続できる。
【００４４】
中空状電極３０は、外周に、カソード５０、電気絶縁体６０、及びアノード７０を順次に形成して構成されているので、簡易に作製できる。
【００４５】
嫌気性の電気産生微生物による嫌気処理の汚泥収率は、好気性の電気産生微生物による好気処理に比べて、１／１０程度である。本実施の形態では、反応容器２０の有機性排水１１中における電気産生微生物として、嫌気性の電気産生微生物を用いるので、好気処理に比べて汚泥発生率を減らすことができる。
【００４６】
また、反応容器２０への有機性排水１１の供給については、次のようにしてもよい。供給ポンプ９０により所定量の有機性排水１１をまとめて供給し、所定時間の処理を行った後、反応容器２０内の排水を排除し、再度反応容器２０内に有機性排水１１を補充する間欠的な供給方法でも良い。
【００４７】
（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。
【００４８】
実施の形態２の微生物燃料電池１０は、図４に示すように、反応容器２０内において中空状電極３０を揺動可能に支持する支持部８０を備える。より詳しくは、支持部８０は、反応容器２０内において中空状電極３０を緩んだ状態で支持する。
【００４９】
具体的には、支持部８０は、図４に示すように、中空状電極３０の上端部を支持する上支持部８１と、中空状電極３０の下端部を支持する下支持部８２と、上支持部８１と下支持部８２とを中空状電極３０の長さよりも短い距離に保持するコの字形状のアーム８３とを備える。
【００５０】
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、支持部８０は、反応容器２０内において中空状電極３０を揺動可能に支持する。このため、中空状電極３０の周囲の液流により、中空状電極３０を揺らすことができ、中空状電極３０のアノード７０に付着した有機性固形物を落とすことができる。従って、アノード７０への有機性固形物の過剰付着を抑制することができ、長期間に亘って発電性能と水処理性能とを維持できる。つまり、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。
【００５１】
（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。
【００５２】
実施の形態３の微生物燃料電池１０は、図５に示すように、気体導入管１５０に配設された酸素濃度計１６０と、大気供給制御部１７０とを備える。
【００５３】
酸素濃度計１６０は、中空状電極３０の空洞部４２の酸素濃度を測定する。大気供給制御部１７０は、酸素濃度計１６０の濃度測定値に基づいて、空洞部４２内の酸素濃度が、予め設定した規定値となるように送出ポンプ１１０の動作及び開閉バルブ１２０の開閉を制御する。
【００５４】
具体的には、大気供給制御部１７０は、酸素濃度計１６０により測定された濃度測定値が規定値の下限値よりも低くなった場合に、開閉バルブ１２０を「開」状態とし、送出ポンプ１１０を駆動させる。そして、大気供給制御部１７０は、酸素濃度計１６０により測定された濃度測定値が規定値の上限値を超えると、開閉バルブ１２０を「閉」状態とし、送出ポンプ１１０を停止させる。また、予め設定した酸素濃度の上下限値間の値に応じ、開閉バルブの「開」の度合いを微調整できる制御方法でも構わない。これにより、空洞部４２内の酸素の濃度測定値が規定値に維持される。なお、空洞部４２内の圧力は、外部よりも高い圧力となっているので、空洞部４２内には、有機性排水１１が入り込むことはない。
【００５５】
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、大気供給制御部１７０は、酸素濃度計１６０の濃度測定値に基づいて、中空状電極３０の空洞部４２内の酸素濃度が規定値となるように送出ポンプ１１０の動作及び開閉バルブ１２０の開閉を制御する。つまり、中空状電極３０の空洞部４２内の酸素濃度が規定値に維持される。このため、カソード５０側における酸素濃度を規定値に保つことができる。このため、カソード５０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継続され、発電の安定化を図ることができる。
【００５６】
なお、酸素濃度の規定値としては、カソード５０への大気供給量のうちの酸素の供給量と、カソード５０での酸素の消費量とが一致又は近似した濃度値としてもよい。つまり、中空状電極３０内の酸素濃度の規定値は、カソード５０にて消費される酸素に見合った濃度値とする。例えば、酸素の消費効率を、シミュレーション計算や実験データから求める。この求めた酸素の消費効率に見合った濃度値を規定値とすることができる。
【００５７】
この場合には、中空状電極３０の空洞部４２内に供給された酸素の殆どがカソード５０で消費され、空洞部４２内の酸素が中空状電極３０の筒膜部分を透過する量は少ないことから、嫌気性の電気産生微生物に与える影響は無視できる。
【００５８】
（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１〜３と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
【００５９】
実施の形態４の微生物燃料電池１０は、図６に示すように、中空状電極３０の外周表面上にクロスフローを発生させる攪拌機１８０（クロスフロー発生部）と、タイマー１８４を用いて定期的に攪拌機１８０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クロスフロー制御部である攪拌制御部１８５とを備える。
【００６０】
タイマー１８４は、中空状電極３０の予め設定された単数若しくは複数の使用経過時間、又は、予め設定された単数若しくは複数の時刻若しくは日時などになると、動作開始を指示する信号を攪拌制御部１８５に出力する。攪拌制御部１８５は、タイマー１８４からの信号に基づいて、攪拌機１８０を駆動制御する。なお、タイマー１８４は攪拌制御部１８５の内部に配設されたものであってもよい。
【００６１】
攪拌機１８０は、反応容器２０の底部２１側に配設され、反応容器２０の内部の有機性排水１１を攪拌するものである。攪拌機１８０の攪拌動作により、攪拌機１８０の上方に向けて有機性排水１１が流れる。詳しくは、中空状電極３０の外周表面に沿って上方向に流動する有機性排水１１のクロスフローが発生する。
【００６２】
攪拌制御部１８５は、タイマー１８４により定期的に、攪拌機１８０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。攪拌制御部１８５は、クロスフローの発生を所定の短期間（例えば、数十秒、数分など）１回又は複数回行うように攪拌機１８０を制御する。その後、攪拌制御部１８５は、攪拌機１８０を停止させる。
【００６３】
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、定期的に中空状電極を揺動させる。中空状電極３０のアノード７０などへの有機性固形物の付着が経時的に進むので、攪拌制御部１８５は、タイマー１８４により定期的にアノード７０の外周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攪拌機１８０を制御する。これにより、アノード７０の外周表面に付着した有機性固形物を除去できる。従って、アノード７０などへの有機性固形物の付着を抑えることができ、発電性能を長期間に亘り維持することができる。
【００６４】
また、実施の形態４では、クロスフロー発生部として攪拌機１８０を用いているが、これに限定されない。クロスフロー発生部として、例えば反応容器２０内の有機性排水１１を循環させる循環ポンプを用いてもよい。循環ポンプの駆動により、反応容器２０の内部に、中空状電極３０の外周表面に沿って流動する有機性排水１１のクロスフローが発生する。また、クロスフロー発生部として、例えばガス供給ポンプを用いて、酸素を含まないガスを反応容器２０の内部に供給してもよい。酸素を含まないガスの曝気により、中空状電極３０の外周表面へのクロスフローを発生させてもよい。
【００６５】
（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。
【００６６】
実施の形態５の微生物燃料電池１０は、図７に示すように、実施の形態４の攪拌機１８０に替えて揺動機構１９０を用いる。
【００６７】
また、実施の形態５の微生物燃料電池１０は、支持部８０を横方向（矢印ＹＡの方向）に揺動させる揺動機構１９０と、タイマー１８４を用いて定期的に揺動機構１９０をOn-Off制御する揺動制御部１９５とを備える。なお、タイマー１８４は揺動制御部１９５の内部に配設されたものであってもよい。
【００６８】
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、定期的に揺動機構１９０をOn-Off制御して、中空状電極３０を揺動させる。これにより、アノード７０の外周表面に付着した有機性固形物を除去できる。従って、アノード７０などへの有機性固形物の付着を抑えることができ、発電性能を長期間に亘り維持することができる。
【００６９】
なお、揺動機構１９０は、支持部８０を横方向に揺動させているが、これに限定されない。揺動機構１９０は、例えば、支持部８０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。また、揺動機構１９０は、タイマー制御ではなく連続的に揺動させてもよい。
【００７０】
（実施の形態６）
続いて、本発明の実施の形態６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１〜５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６の微生物燃料電池１０では、支持部８０は、図８に示すように、複数本（本実施の形態では４本）の中空状電極３０を揺動可能に支持するものである。なお、図８では、中央の中空状電極３０の裏側（図８の紙面奥側）に、中空状電極３０がもう１本存在しているが、その中空状電極３０が隠れて見えないため、図示を省略している。
【００７２】
支持部８０は、４本の中空状電極３０の上端部を支持する上支持部８１と、４本の中空状電極３０の下端部を支持する下支持部８２と、上支持部８１と下支持部８２とを中空状電極３０の長さよりも短い距離に保持するコの字形状のアーム８３とを備える。
【００７３】
上支持部８１は、図９（ａ）に示すように平板状に形成される。下支持部８２は、図９（ｂ）に示すように平板状に形成され、図１０（ｂ）に示すように、４本の中空状電極３０に囲まれた箇所に円形の貫通穴８５を備える。
【００７４】
ここで、上支持部８１及び下支持部８２の作製方法について説明する。４本の中空状電極３０の上端部が、図示しない枡状の金型内に充填された溶解した熱可塑性樹脂材料中につけられ、その樹脂材料を硬化させる。これにより、４本の中空状電極３０の上端部には、図９（ａ）に示すように、樹脂固定部８４が形成される。
【００７５】
樹脂固定部８４が形成された４本の中空状電極３０の下端部が、枡状の金型内に充填された溶解した熱可塑性樹脂材料中につけられ、その樹脂材料を硬化させる。これにより、４本の中空状電極３０の下端部に、図９（ａ）に示すように、下支持部８２が形成される。
【００７６】
そして、４本の中空状電極３０の上端部側の樹脂固定部８４は、図１０（ａ）に一点鎖線で示す切断線ＣＬにて切断され、図１０（ｂ）に示すように上支持部８１が形成される。これにより、上支持部８１には、４本の中空状電極３０にそれぞれ連通する各給気口４１が形成される。上支持部８１及び下支持部８２により、４本の中空状電極３０が纏められている。そして、図１０（ｂ）に示すように、下支持部８２における４本の中空状電極３０に囲まれた箇所に円形の貫通穴８５を形成する。なお、下支持部８２を形成するための枡状の金型の底面中央箇所に上方に突出した棒部を形成しておき、下支持部８２の硬化形成と同時に、その棒部が抜けた孔である貫通穴８５を形成するようにしてもよい。
【００７７】
攪拌機１８０からの有機性排水１１のクロスフローが、下支持部８２の貫通穴８５を通るため、４本の中空状電極３０に囲まれる内側部分にもクロスフローが供給される。つまり、４本の中空状電極３０において外部から隠れる各本の中空状電極３０の対向する外周表面上にもクロスフローが供給される。よって、４本束ねた状態の中空状電極３０の外側に露出する表面部分のみならず、４本の中空状電極３０において外部から隠れる内側の表面部分への有機性固形物の過剰付着を抑制できる。
【００７８】
以上説明したように、本発明の実施の形態６に係る微生物燃料電池１０によれば、中空状電極３０を複数本（ここでは４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及び水処理効率をさらに向上させることができる。また、反応容器２０の内部において複数本の中空状電極３０が揺動可能に支持されているので、複数本の中空状電極３０をその周囲の液流により揺らすことができ、アノード７０への有機性固形物の過剰付着を抑えることができ、発電性能を長期間に亘り維持することができる。
【００７９】
なお、貫通穴８５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であってもよい。また、複数個の貫通穴を形成しても構わない。
【００８０】
この実施の形態６では、支持部８０は、４本の中空状電極３０を支持しているが、４本に限定されない。支持部８０は、中空状電極３０を、４本以外の複数本支持するようにしてもよく、数十本、数百本など多数支持してもよい。このように多数の中空状電極３０を支持する場合でも、隣接する中空状電極３０間の下支持部８２の箇所に貫通穴８５を形成してもよい。
【００８１】
この実施の形態６では、外部回路９５に対して各中空状電極３０を並列に接続しているが、直列に接続してもよい。
【００８２】
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。
【００８３】
前述した各実施の形態の反応容器２０は、中空状電極３０を有機性排水１１中に浸漬可能な容器であればよく、その名称には捕らわれない。また、反応容器２０は、有機性排水１１が流れる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であってもよい。
【００８４】
前述した各実施の形態の微生物燃料電池１０は、反応容器２０と中空状電極３０と大気供給部１００とを備える構成としているが、反応容器２０を具備しない構成であってもよい。つまり、反応容器２０に替えて既存の沈殿池又は貯留槽などに中空状電極３０を浸漬させて微生物燃料電池１０を使用することができる。
【００８５】
前述した各実施の形態では、中空糸膜４０が中空円筒形状であるとした。これに限らず、中空糸膜４０は、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であってもよい。また、中空糸膜４０は、その途中が端部と異なる形状や大きさであってもよい。
【００８６】
前述した各実施の形態では、筒体が中空糸膜４０であるとしたが、これに限定されない。例えば、筒体は、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノ膜（ＮＦ膜）などであってもよい。また、筒体は、フッ素樹脂チューブ、シリコンチューブなど、少なくとも酸素透過能を持つ材料であれば良い。
【００８７】
前述した各実施の形態では、注水口２２は反応容器２０の底部２１に配置されているが、反応容器２０の側部、天部などに配置されてもよい。
【００８８】
前述した各実施の形態では、中空状電極３０は、その長手方向を上下方向にして反応容器２０内に配置されているが、横向きや斜め向きに配置してもよい。
【００８９】
（第１変形例）
第１変形例に係る微生物燃料電池１０は、図１１に示すように、支持部８０により、中空状電極３０がＵ字状に曲げた状態で反応容器２０の有機性排水１１中に浸漬して支持される構成としている。支持部８０は、Ｕ字状に曲げた状態の中空状電極３０の両端を保持し、この両端が、有機性排水１１の液面よりも上方に位置するようにして中空状電極３０を支持する。また、微生物燃料電池１０は、反応容器２０の側壁に攪拌機１８０Ａを備える。攪拌機１８０Ａは、中空状電極３０のＵ字状間の空間に有機性排水１１の流動を発生させる。つまり、図１１の紙面前後方向（矢印ＹＣの方向）に有機性排水１１の流動を発生させる。これにより、Ｕ字状の中空状電極３０の対向する表面部分への有機性固形物の過剰付着を抑制できる。
【００９０】
（第２変形例）
第２変形例に係る微生物燃料電池１０は、図１２に示すように、中空状電極３０が、導電性高分子材料により中空状に形成されたカソード５０Ａを用いて構成される。具体的には、図１２に示すように、中空状電極３０は、導電性高分子材料により中空状に形成されたカソード５０Ａと、カソード５０Ａの外周に形成された電気絶縁体６０と、電気絶縁体６０の外周に形成されたアノード７０との３層構造に形成される。導電性高分子材料により形成されたカソード５０Ａは、分離膜としての機能と電極としての機能の両方を具備する。このため、筒厚部分を酸素が透過可能な正極を実現でき、中空糸膜４０を用いずに済む。従って、構成の簡素化を図ることができる。
【００９１】
また、カーボンブラック等の導電性材料を混ぜた導電性能を有するシリコンチューブなどもこれと同じ概念で使用できる。
【００９２】
（第３変形例）
第３変形例に係る微生物燃料電池１０は、図１３示すように、中空状電極３０の給気口４１を有する一端側とは反対の他端側に連通された気体導出管１５５と、気体導出管１５５に配設された開閉バルブ１６２とを備える。送出ポンプ１１０は常時動作しており、大気の送出が継続される。
【００９３】
気体導出管１５５は、中空状電極３０の空洞部４２内の大気を導出するための管であり、中空状電極３０の下端に接続されている。開閉バルブ１６２は、気体導出管１５５の開度を調整可能なバルブである。圧力制御部１４０が開閉バルブ１６２の開度を調整することにより、中空状電極３０の空洞部４２に大気を流通させつつ、空洞部４２の圧力を外部よりも高くした状態を維持できる。
【００９４】
圧力制御部１４０は、圧力計１３０にて測定された中空状電極３０の空洞部４２の圧力値が圧力設定値となるように開閉バルブ１６２の開度を制御する。具体的には、送出ポンプ１１０が常時動作する状態において、圧力測定値が圧力設定値の下限値よりも低くなった場合に、開閉バルブ１６２の開度を小さくし、圧力測定値が圧力設定値の上限値を超えると、開閉バルブ１６２の開度を大きくする。これにより、空洞部４２内の圧力値が外部よりも高い圧力値に維持される。
【００９５】
第３変形例に係る微生物燃料電池１０によれば、中空状電極３０の空洞部４２の圧力を外部よりも高くした状態を維持しつつ、大気を常時、空洞部４２を通過させることができる。つまり、中空状電極３０の空洞部４２に、大気に含まれる酸素を常時供給することができる。このため、カソード５０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継続され、発電の安定化を図ることができる。
【００９６】
また、使用する中空状電極３０の材料によっては、カソード５０での反応により生成した水が空洞部４２に蓄積する場合が考えられるが、第３変形例であれば下方からその水を排除することも可能であり、有効である。
【００９７】
前述した各実施の形態では、中空状電極３０は、上端から大気が供給されているが、下端から大気が供給される構成であってもよい。
【００９８】
前述した各実施の形態では、中空糸膜４０は、外周面にカソード５０と電気絶縁体６０とアノード７０とを積層し、上端及び下端にそれらを積層しない構成としているが、この形態に限定されない。例えば、中空糸膜４０は、その上端及び下端の少なくとも一方に、カソード５０と電気絶縁体６０とアノード７０とを積層した構成であってもよい。
【００９９】
前述した各実施の形態では、カソード５０及びアノード７０は、カーボンの塗工にて形成されているが、塗工の際にナフィオン溶液等の高価なバインダーを使わずに、発泡処理にて導電体粒子間に空隙を設け、プロトン又はプロトンを含む液が透過可能な物理的構造を確保しても良い。また塗工以外にも、真空蒸着法などのスパッタ法以外の方法により形成してもよい。また、カソード５０及びアノード７０として、気体透過性及び導電性を有するカーボン材料（例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフエルト、カーボンブレードホース、カーボンブレードテープなど）を用いてもよい。
【０１００】
電気絶縁体６０は、粉末ろ紙とバインダー材料（ナフィオン溶液等のプロトン透過可能な材料）とを混ぜたものをカソード５０の外周面に塗工して形成したものであってもよい。また、塗工の際に、ナフィオン溶液等の高価なバインダーを使わずに安価な樹脂に発泡処理を施して、プロトン又はプロトンを含む液が透過可能な物理的構造を確保しても良い。また、電気絶縁体６０は、ガラス繊維製ブレードホース、アラミド繊維製ブレードホース、ろ紙などの空隙のある材料を用いてもよい。また、電気絶縁体６０は、スパッタ法により、プロトンを透過しうる電気絶縁材をカソード５０の外周面に蒸着して形成されたものであってもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  微生物燃料電池
１１  有機性排水
２０  反応容器
２１  底部
２２  注水口
２３  排水口
３０  中空状電極
４０  中空糸膜（筒体）
４１  給気口
４２  空洞部
５０  カソード
５０Ａ  カソード
６０  電気絶縁体
７０  アノード
８０  支持部
８１  上支持部
８２  下支持部
８３  アーム
８４  樹脂固定部
８５  貫通穴
９０  供給ポンプ
９５  外部回路
１００  大気供給部
１１０  送出ポンプ
１２０  開閉バルブ
１３０  圧力計（圧力測定部）
１４０  圧力制御部
１５０  気体導入管
１５５  気体導出管
１６０  酸素濃度計（濃度測定部）
１６２  開閉バルブ
１７０  大気供給制御部
１８０  攪拌機（クロスフロー発生部）
１８４  タイマー
１８５  攪拌制御部（クロスフロー制御部）
１９０  揺動機構
１９５  揺動制御部
２００  浄化システム
２０１  沈砂池
２０２  最初沈殿池
２０３  曝気反応槽
２０４  最終沈殿池
２０５  消毒部
Ｂ  電気産生微生物
ＣＬ  切断線
Ｍ  電子伝達体
【図１】
2015159076.tif 000003
【図２】
2015159076.tif 000004
【図３】
2015159076.tif 000005
【図４】
2015159076.tif 000006
【図５】
2015159076.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015159076.tif 000009
【図８】
2015159076.tif 000010
【図９】
2015159076.tif 000011
【図１０】
2015159076.tif 000012
【図１１】
2015159076.tif 000013
【図１２】
2015159076.tif 000014
【図１３】
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