(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する保持体と、該保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する本体と、有機物及び嫌気性微生物を含むヘドロ層と、前記ヘドロ層の上に存在する水層とを備え、前記負極は、鉄／炭素の密着接合の鉄イオン溶出体（１．鉄粒に水溶性接着剤を使い炭素粉粒を接着した固形体、あるいは、２.鉄粒と炭素粉粒を配合混合して焼結した鉄Ｆｅ／炭素Ｃの密着接合体）であり、前記ヘドロ層中に配置され、前記正極は、前記水層中に配置されていることを特徴とする鉄炭密着ヘドロ電池。
【請求項２】
前記保持体は、筒形であり、前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄炭密着ヘドロ電池。
【請求項３】
前記電池本体は複数であり、前記負極と前記正極とが順次直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄炭密着ヘドロ電池。
【請求項４】
前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の外表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄炭密着ヘドロ電池。
【請求項５】
前記負極は、前記有機物中の前記嫌気性微生物や汚泥腐蝕物質に継続して二価鉄イオンを供給し，必須ミネラル二価鉄イオンを継続して供給することで微生物を活性し、汚泥腐蝕物質と反応し、堆積汚泥も改善解消することを特徴とする請求項１に記載の鉄炭密着ヘドロ電池。  
【請求項６】
前記負極は、鉄／炭素の密着接合の鉄イオン溶出体（鉄粒に水溶性接着剤を使い炭素粉粒を接着した固形体）の-接触集合体-を小分け分散されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄炭密着ヘドロ電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の鉄炭密着ヘドロ電池と、鉄炭密着ヘドロ電池と直列に接続された補助電池とを備えていることも可能とする電源装置。
【請求項８】
絶縁性を有する保持体と、保持体の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、前記電池本体に有機物及び嫌気性微生物を含むヘドロ層中に鉄／炭素の密着接合の鉄イオン溶出体（１．鉄粒に水溶性接着剤を使い炭素粉粒を接着した固形体、あるいは、２.鉄粒と炭素粉粒を配合混合して焼結した鉄Ｆｅ／炭素Ｃの密着接合体）である前記負極が埋まり、前記ヘドロ層の上に存在する水層中に前記正極が位置するように配置する工程とを備えていることを特徴とする鉄炭ヘドロ発電方法。
【請求項９】
前記保持体は、筒形であり、前記負極及び前記正極は、それぞれ前記保持体の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の鉄炭ヘドロ発電方法。
【請求項１０】
前記電池本体を複数準備し、複数の前記電池本体において前記負極と前記正極とを順次直列に接続することを特徴とする請求項８に記載の鉄炭ヘドロ発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄炭密着ヘドロ電池及び鉄炭ヘドロ発電方法に関し、特に嫌気性微生物（真正細菌、古細菌）ならびに嫌気性微生物により分解された有機化合物、無機化合物を含むヘドロを用いたヘドロ電池及びヘドロ発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘドロは，産業排水及び家庭排水等に含まれる有機物が川底及び海底に堆積し微生物によって分解されたものあるいは天然由来の腐蝕堆積物である。腐敗臭を放つヘドロは邪魔者のように扱われている。ヘドロを有効利用する方法についても検討され、コンクリート材料などがあるがコスト面や環境配慮で問題がある。
【０００３】
微生物燃料電池（例えば、特許文献１を参照）は、微生物に有機物を分解させ、電子及びプロトンを発生させる。発生した電子を負極により捕集し、回路を通じて正極に移動させ、プロトン及び酸素と反応させて水を生成する。このサイクルを回して、電力が取り出されると同時に、微生物による有機物の分解が進むため、ヘドロの浄化を行うこともできると言われている。
【０００４】
しかしながら、従来の微生物燃料電池は、補助電池を使用するもので完全なるヘドロによる発電ではない。
【０００５】
。
また、正極と負極との間に生じる電位差が小さく，電池セル同士の間隔を空ける必要がある。
【０００６】
ヘドロによる発電を実用化するためにヘドロの回収及び移送等の作業が不要とする微生物燃料電池が発明されたが，負極に炭素棒を使用し，正極はカルシウムを使用する必要がなくなる。また，そのままでは酸化皮膜が発生し経時的に起電力が落ちるという問題がある。また，広大な水域におけるヘドロ除去には課題が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第5828455号
【０００８】
解決しようとしている問題点は，広範な水域におけるヘドロ除去並びに発電ができないこと，ならびに発電量が少ないことである。
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は堆積したヘドロに負極として鉄炭密着接合体（二価鉄イオン生成体）を使用し、正極は水中とする発明であり，安価で埋設が容易な構成となっている。
【００１０】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ電池は、ヘドロとヘドロ体の上部に設けられた負極としての鉄イオン溶出体と上部の水中を正極とし、鉄イオン溶出によって，発電しながらヘドロを減らす。
【００１１】
本発明のヘドロ電池は、負極及び正極を有する電池本体の下部を堆積しているヘドロに埋め込むだけでヘドロ電池を実現することができる。このため、ヘドロの回収及び移送等の作業が不要であり、ヘドロ発電を容易に実現し，ヘドロを除去することが可能となる。
【００１２】
本発明の鉄炭密着ヘドロ電池において、ヘドロ電池は筒形で、電池BOXとして複数のヘドロ電池を並べ負極と正極とが順次直列に接続されていてもよい（図２）。
【００１３】
本発明の鉄炭密着ヘドロ電池において、負極及び正極は、それぞれ鉄炭密着ヘドロ電池の外枠に設けられていてもよい。このような構成とすることにより、低コストな鉄炭密着ヘドロ電池を実現することができる。
【００１４】
本発明の鉄炭密着ヘドロ電池は、泥層における負極が配置されている部分に鉄炭密着接合体を追加することができる。この場合、鉄炭密着接合体は鉄イオン溶出体（特許5258171号）であり，水中で常に鉄イオンを溶出する作用を持っている。
【００１５】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ電池は、負極は、電池枠内の鉄炭密着接合体からなり、電池枠は、鉄炭密着接合体を覆う網状の形状としてもよい。
【００１６】
本発明の鉄炭密着ヘドロ電池は、酸素消費物質吸収材、カルシウムや炭素等の極体を備える必要がなく、安価な材料を用いることが可能である。
【００１７】
本発明に係る電源装置は、本発明の鉄炭密着ヘドロ電池のみであり，乾電池等の補助電池は必要としない。
【００１８】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ電池方法は、鉄炭密着接合体保持体と、保持体における内壁面の下部に設けられた負極及び上部に設けられた正極とを有する電池本体を準備する工程と、電池本体を、有機物及び嫌気性微生物を含む泥層中に負極が埋まり、泥層の上に存在する水層中に正極が位置するように配置する工程とを備えている。
【００１９】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ発電方法によれば、ヘドロ電池本体を堆積したヘドロに敷設し、正極がヘドロの上に存在する水層中に位置し、負極が堆積したヘドロに埋まるようにするだけで発電を行うことができる。従って、ヘドロが堆積した場所において容易に鉄炭ヘドロ発電を行うことができる。
【００２０】
本発明の鉄炭密着ヘドロ発電方法において、保持体は筒形であり、負極及び正極は、それぞれ保持体の内壁面に設置でき、複数の鉄炭密着ヘドロ電池本体をヘドロに埋め込んだ場合にも、負極同士の通電を抑えることができるため、直列に接&#65533;アすることができ、必要とする電圧を得ることができる。
【００２１】
本発明の鉄炭密着ヘドロ発電方法において、複数の電池筒によって負極と正極とを順次直列に接続してもよい。
【００２２】
本発明の鉄炭密着ヘドロ発電方法において、負極及び正極は、それぞれ保持体の外表面に設けられていてもよい。
【００２３】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ電池方法によれば、容易に電力を効率的に取り出すことができるのみならず，有害物質である硫化水素等を除去し，微生物による有機物の分解を促進しヘドロを除去する作用をもたらす。
【００２４】
ヘドロ中に鉄炭密着接合体を添加した場合、水素が発生する場合がある。その場合には、図３に示すように水層１１４中に水素を吸収する回収装置（１５０）を鉄炭密着ヘドロ電池に覆い被せる。回収装置によって水素を適切に回収しバイオマス発電などの燃料とすることが可能となる。
【００２５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、鉄炭密着接合体投入によるリン（PO4 ）、硫化水素（Ｈ2Ｓ）の濃度を測定した結果を示している。実験にはヘドロを用い、ヘドロ30gに約3０ｍｍの鉄炭密着接合体を投入した。鉄炭密着接合体を水層中に投入した場合には、水層中のアンモニア、硫化水素及び硫化メチルの濃度は大きく低下させることができる。
【００２６】
また、図５はヘドロ層１１３の上に約１０ｍｍの厚さとなるように約30mmの鉄炭密着接合体を投入した前後の水層１１４中における溶存酸素濃度を測定した結果を示している。鉄炭密着接合体を投入して30日経過した後には溶存酸素濃度が大きく上昇した。
【００２７】
鉄炭密着接合体を水層中に投入することにより、ヘドロ１２１から発生する硫化水素等の酸素消費物質を吸収する。水層１１３中における溶存酸素の消費が抑制されると同時に，鉄イオンの作用によって細菌叢が変化し，光合成細菌が発生することで，水層１１３中における溶存酸素濃度を上昇させることができる。
【００２８】
ヘドロ層１２１中に鉄炭密着接合体を混入することにより、磁性細菌等の微生物が鉄イオンを硫化物とともに硫化鉄として体内に取り込むことが予想される。同時に，プロトンはヘドロ層１２１から水層１１３へ移動する。一方，鉄イオンが溶出することによって生じた電子は炭素によって保持され，プロトンは電子を受け取り水素ガスとして放出される。図６に大気中に放出される水素濃度の変化を示した。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本開示において、ヘドロとは、有機物及び古細菌、真正細菌などの微生物を含み、還元状態となっている泥をいう。河川、沼、池、湖及び海等の底に堆積していることが一般的であるが、堆積場所は問わない。また、含まれる微生物，有機物、無機物の種類等も問わない。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る鉄炭密着ヘドロ電池１００は、ヘドロ電池本体１００と，それを満たすヘドロ層１２１及び水層１１３とを有している。電池本体１００は、絶縁性の材料からなる底辺が編状の保持体１１４と，ヘドロ層１２１，内壁下部の負極としての鉄炭密着接合体１２２及び上部の正極１２３とを有している。負極１２２は、ヘドロ層１２１上に配置されており、正極１２３は水層１１４中に配置されている。負極１２２及び正極１２３にはそれぞれ導線１２５（図9）が接続されている。導線１２５は、ニッケル線、銅線とすればよい。鉄炭密着ヘドロ電池１００により発生させた電力は導線１２５と接続された負荷１０１において利用することができる。
【００３１】
電極である負極１２２鉄炭密着接合体であり，及び正極１２３は導電性の材料により形成すればよい。
【００３２】
保持体１２１は、塩化ビニール、アクリル、ポリエチレン又はポリプロピレン絶縁性の材料であればよい。
【００３３】
本実施形態の電池本体１００は、下端部が網状であることから，図２に示すように河岸又は海岸等に堆積した堆積ヘドロ１０３に鉄炭密着接合体の負極１２２がヘドロに埋まるように電池本体１００を埋設し、正極１２３が浸かるように電池本体１１１の上部に水を満たすだけで鉄炭密着ヘドロ電池１００となる。電池本体１００の上部に満たす水は、海水、汽水，真水は問わない。
【００３４】
鉄炭密着ヘドロ電池１００では、鉄炭密着接合体から常に鉄イオンが効率的に溶出し続け，ヘドロ中の硫化水素等鉄イオンと結合しやすい物質と反応し，炭素に電子を受け渡すために効率的に発電が可能となっている。
【００３５】
１台の鉄炭密着ヘドロ電池１００により発生させることができる起電圧は、ヘドロの酸化還元電位からみて0.6Ｖ程度となる（図７）。しかし、図２に示すように電池本体１１１を複数配置し、負極１２２と正極１２３とを順次接続すれば、必要な電圧を得ることができる。
【００３６】
保持体１１４は，特別な間隔を空けることなく鉄炭密着ヘドロ電池１１１を直列に接続するだけで電圧を加算することが可能となることを明らかにしたことは従来の発電方法と大きく異なるところである。
【００３７】
図８は、同様の条件により作成した鉄炭密着ヘドロ電池１００を所定の台数直列接続した場合の電流密度と電圧との関係を示している。鉄炭密着ヘドロ電池１００を直列接続することにより、電圧を加算することができ電流の取り出しもできる。
【００３８】
ヘドロが堆積している場所に鉄炭密着接合体を直接敷設することができる。
【００３９】
また、負極１２２と接するように、負極１２２の周囲のヘドロ層１１３中に鉄炭密着接合体を投入することによって、負極１２２の面積を増大させることができる。また、鉄炭密着接合体を粉砕して使用することも可能である。
【００４０】
本実施形態の鉄炭密着ヘドロ電池１００は、単純な構造でヘドロが堆積している場所において簡単に発電を行うことができ、複数の鉄炭密着ヘドロ電池１００を直列接続し、電圧を高めることができる。さらに、発電を行うことによりヘドロ中の硫化水素を分解することができ硫化物が減少したヘドロを栄養源として微生物に供給できる。例えば、ヘドロが堆積した場所に本実施形態の鉄炭密着ヘドロ電池１００を設ければ街灯として発光ダイオードを点灯させながら浄化を行うことができる。（図9）
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る鉄炭密着ヘドロ電池は、ヘドロ（有機腐植物含む有機腐蝕物質の汚泥等）が堆積している場所に容易に設置することができ、ヘドロ等を有効利用する方法として有用である。
【００４２】
本実施例を説明してきたが，本発明は上述の実施例に限るものではなく，本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても，本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】鉄炭密着ヘドロ電池を示す。
【図２】鉄炭密着ヘドロ電池の設置例を示す。
【図３】水素回収膜である。
【図４】鉄炭密着接合体添加による（ａ）は硫化水素、他揮発性硫黄化合物の濃度を示す表であり、（ｂ）はリン酸塩の濃度を示す表である。
【図５】鉄炭密着ヘドロ電池による溶存酸素濃度を示すグラフである。
【図６】鉄炭密着ヘドロ電池による大気中に放出された水素濃度を示すグラフである。
【図７】鉄炭密着ヘドロ電池単体の電流と電圧の経日的変化を示すグラフである。
【図８】鉄炭密着ヘドロ電池を直列接続した場合の電流と電圧の経日的変化を示すグラフである。
【図９】鉄炭密着ヘドロ電池を用いたＬＥＤランプを示す概略図である。
【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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