(57)【要約】【課題】単位体積当たりの発電効率を改善できる微生物燃料電池の電極部、電極部集合体、及び微生物燃料電池を提供する。【解決手段】当該電極部は、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用の電極部であって、内部に空洞部を有し、長手方向に一端と他端とを有する中空筒形状の電気絶縁体と、前記電気絶縁体の少なくとも内周に形成された、酸素還元触媒機能を有するカソードと、前記電気絶縁体の外周に形成されたアノードと、  前記長手方向の一端に形成され、前記空洞部が外部に開口した部位であり、気体が通気しうる第１の通気口と、を備える。【選択図】図１
2016115413.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用の電極部であって、
内部に空洞部を有し、長手方向に一端と他端とを有する中空筒形状の電気絶縁体と、
前記電気絶縁体の少なくとも内周に形成された、酸素還元触媒機能を有するカソードと、
前記電気絶縁体の外周に形成されたアノードと、
前記長手方向の一端に形成され、前記空洞部が外部に開口した部位であり、気体が通気しうる第１の通気口と、
を備えることを特徴とする電極部。
【請求項２】
前記中空筒形状の電気絶縁体は中空糸である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電極部。
【請求項３】
前記カソードは、酸素還元触媒機能を有する材料が添加された導電性材料で前記中空糸の内表面に形成された薄膜層である、
ことを特徴とする請求項２に記載の電極部。
【請求項４】
前記カソードは、前記中空糸の前記空洞部に充填された、酸素還元触媒機能を有する粉末状の導電性材料で形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の電極部。
【請求項５】
前記中空糸は、前記他端に形成された、前記空洞部が外部に開口した部位であり、気体が通気しうる第２の通気口を、更に備える、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電極部。
【請求項６】
前記中空糸の前記一端に取り付けられた第１の支持部と、
前記中空糸の前記他端に取り付けられた第２の支持部と、
前記第１の支持部と前記第２の支持部との間を接続する支持部接続部と、
を備え、
前記支持部接続部は、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間を、前記一端と前記他端との間の前記中空糸の長さ以下の間隔に固定するとともに、前記一端に対する前記他端の他の位置関係も規定するものである、
ことを特徴とする請求項２乃至５に記載の電極部。
【請求項７】
前記中空筒形状は、前記中空糸をその長手方向の中央部で折り曲げて形成されるU字形状であり、
前記第１の支持部と前記第２の支持部と、前記支持部接続部とは、一つの支持部で形成され、
前記U字形状に折り曲げた部位に挿入された折り曲げ位置規定部と、
前記支持部と、前記折り曲げ位置規定部とを接続し、前記支持部に対する前記折り曲げ位置を規定する折り曲げ位置規定接続部と、
を備えることを特徴とする請求項６に記載の電極部。
【請求項８】
長手方向に同一長さを有する複数の、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電極部と、
前記複数の電極部の前記一端の相互の位置を固定する第１の固定部と
前記複数の電極部の前記他端の相互の位置を固定する第２の固定部と
前記第１の固定部と前記第２の固定部との間を接続する固定部接続部と、
を備え、
前記固定部接続部は、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間を、前記一端と前記他端との間の前記電気絶縁体の長さ以下の間隔に固定するとともに、前記一端に対する前記他端の他の位置関係も規定するものである、
ことを特徴とする電極部集合体。
【請求項９】
前記複数の電極部の中空筒形状は、前記中空糸をその長手方向の中央部で折り曲げて形成されるU字形状であり、
前記第１の固定部と前記第２の固定部と、前記固定部接続部とは、一つの固定部で形成され、
前記複数の電極部を、前記複数の数を超えない数である他の複数の電極部で構成される１以上の電極部群に区分したとき、それぞれの前記電極部群に含まれる前記他の複数の電極部の前記U字形状に折り曲げた部位のそれぞれに挿入された折り曲げ位置規定部と、
前記固定部と、前記電極部群毎の前記折り曲げ位置規定部とを接続し、前記固定部に対する前記複数の電極部の前記折り曲げ位置を規定する折り曲げ位置規定接続部と、
を備えることを特徴とする請求項８に記載の電極部集合体。
【請求項１０】
請求項６又は７に記載の電極部と、
前記有機性排水を貯留液として貯留する貯留槽と、
前記通気口を介して酸素を含む第１の気体を、前記空洞部に供給する酸素供給部と、
前記空洞部の圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計による計測結果に基づき、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する圧力制御部と、
前記カソードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第１の引き出し線と、
前記アノードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第２の引き出し線と、
を備え、
前記電極部は、少なくともその一部が前記貯留液に浸漬され、
前記圧力制御部は、前記空洞部の内圧が、設定された上限圧以下で、前記貯留液により前記電気絶縁体が受ける外圧よりも高くなるように、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する、
ことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の電極部集合体と、
前記有機性排水を貯留液として貯留する貯留槽と、
酸素を含む第１の気体を、前記電極部集合体の各電極部を構成する前記電気絶縁体の前記空洞部に前記通気口を介して供給する酸素供給部と、
前記空洞部の圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計による計測結果に基づき、前記酸素供給部による気体の供給圧を制御する圧力制御部と、
を備え、
前記電極部集合体の各電極部は、
前記カソードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第１の引き出し線と、
前記アノードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第２の引き出し線と、
を備え、
前記電極部はそれぞれ少なくともその一部が前記貯留液に浸漬され、
前記圧力制御部は、前記空洞部の内圧が、設定された上限圧以下で、前記貯留液により前記電気絶縁体が受ける外圧よりも高くなるように、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する、
ことを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項１２】
前記空洞部内の酸素濃度を測定する酸素濃度計測部を備え、
前記酸素濃度の測定結果に基づき、前記上限圧以下の範囲内で、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する、
ことを特徴とする請求項１０又は１１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、微生物燃料電池用の電極部、電極部集合体、及び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電極部を有している。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、酸素還元触媒として白金（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電極部を有している。カソードの表面には、酸素還元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部とは異なる形態として、筒状電極部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部を備え、筒状電極部のアノード側の空洞内に有機性排水が供給され、筒状電極部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電極部を有する。このような、平行平板型電極部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、又は／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有機性排水の流路の抵抗（流路抵抗）が増加し、有機性排水の流速が低下する。このため、有機性排水中の有機性固形物が電極部（特にアノード）に過剰に付着し、流路の一部が閉塞することにより、電極面に液流の無い箇所が生じる送液不良、さらには流路が完全に閉塞することにより、電極間の液流が完全になくなる状態などが生じ、発電能力が低下する。このような状態では、電池の単位体積当たりの発電効率を向上させ、維持す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、アノードが円筒形状の隔膜の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部を備える。この筒状電極部と平行平板型の電極部とをアノード電極面上での有機性排水の流路抵抗が同じになる条件下で、有機性排水を介した電極間体積を電極面積で除した、電極面積当たりの電極間体積（電極間体積/電極面積）を比較すると、筒状電極部の方が小さくなる。このことは、筒状電極部を複数備えた電極部集合体とし、その合計の電極面積が平行平板型電極部の電極面積と等しくなるようにした場合であっても同様である。従って、筒状電極部にすることにより、電池の単位体積当たりの発電効率が、平行平板型電極部の場合よりも高くなる。
【００１０】
特許文献２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さらに向上させるためには、筒状電極部を細くして増設した電極部集合体にすればよい。しかし、筒状電極部を細くしてアノード側の空洞径を小さくすると、有機性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、筒状電極部をあまり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、電極部集合体の筒状電極部をより細くして、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、単位体積当たりの発電効率を従来よりも向上させることができる微生物燃料電池の電極部、電極部集合体、及び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用の電極部は、
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用の電極部であって、
内部に空洞部を有し、長手方向に一端と他端とを有する中空筒形状の電気絶縁体と、
前記電気絶縁体の少なくとも内周に形成された、酸素還元触媒機能を有するカソードと、
前記電気絶縁体の外周に形成されたアノードと、
前記長手方向の一端に形成され、前記空洞部が外部に開口した部位であり、気体が通気しうる第１の通気口と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る電極部集合体は、
長手方向に同一長さを有する複数の、上記電極部と、
前記複数の電極部の前記一端の相互の位置を固定する第１の固定部と
前記複数の電極部の前記他端の相互の位置を固定する第２の固定部と
前記第１の固定部と前記第２の固定部との間を接続する固定部接続部と、
を備え、
前記固定部接続部は、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間を、前記一端と前記他端との間の前記電気絶縁体の長さ以下の間隔に固定するとともに、前記一端に対する前記他端の他の位置関係も規定するものである、
ことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る微生物燃料電池は、
上記電極部と、
前記有機性排水を貯留液として貯留する貯留槽と、
前記通気口を介して酸素を含む第１の気体を、前記空洞部に供給する酸素供給部と、
前記空洞部の圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計による計測結果に基づき、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する圧力制御部と、
前記カソードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第１の引き出し線と、
前記アノードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第２の引き出し線と、
を備え、
前記電極部は、少なくともその一部が前記貯留液に浸漬され、
前記圧力制御部は、前記空洞部の内圧が、設定された上限圧以下で、前記貯留液により前記電気絶縁体が受ける外圧よりも高くなるように、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する、
ことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る微生物燃料電池は、
上記電極部集合体と、
前記有機性排水を貯留液として貯留する貯留槽と、
酸素を含む第１の気体を、前記電極部集合体の各電極部を構成する前記電気絶縁体の前記空洞部に前記通気口を介して供給する酸素供給部と、
前記空洞部の圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計による計測結果に基づき、前記酸素供給部による気体の供給圧を制御する圧力制御部と、
を備え、
前記電極部集合体の各電極部は、
前記カソードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第１の引き出し線と、
前記アノードと電気的に接触する導体を含む材料で形成され、前記電極部の外部に引き出される第２の引き出し線と、
を備え、
前記電極部はそれぞれ少なくともその一部が前記貯留液に浸漬され、
前記圧力制御部は、前記空洞部の内圧が、設定された上限圧以下で、前記貯留液により前記電気絶縁体が受ける外圧よりも高くなるように、前記酸素供給部による前記第１の気体の供給圧を制御する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単位体積当たりの発電効率を従来よりも向上させることができる微生物燃料電池の電極部、電極部集合体、及び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】
【００１７】
【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例を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る微生物燃料電池の電極部のアノードの形成例を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る微生物燃料電池の（ａ）電極部拡大断面図、及び（ｂ）Ａ−Ａ’断面図である。
【図４】複数の電極部有する実施の形態１に係る微生物燃料電池の構成を示す図である。
【図５】図４に示す電極部集合体の（ａ）Ｃ−Ｃ’断面図、（ｂ）Ｄ−Ｄ’断面図である。
【図６】図４に示す電極部集合体のＥ−Ｅ’断面図である。
【図７】実施の形態１に係る微生物燃料電池の実験結果を示す図である。
【図８】浄化システムの構成を示すブロック図である。
【図９】実施の形態１に係る微生物燃料電池の第１の変形例の構成を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る微生物燃料電池の第２の変形例の構成を示す図である。
【図１１】実施の形態１に係る微生物燃料電池の第３の変形例の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態１に係る微生物燃料電池の第４の変形例の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池の一部を示す斜視図である。
【図１４】図１４に示す電極部集合体のＧ−Ｇ’断面図である。
【図１５】実施の形態３に係る微生物燃料電池の構成例を示す図である。
【図１６】複数の電極部を有する実施の形態３に係る微生物燃料電池の構成を示す図である。
【図１７】実施の形態４に係る微生物燃料電池の（ａ）電極部拡大断面図、及び（ｂ）断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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内に貯留された有機性排水１１である貯留液１２と、貯留液１２中に少なくとも一部が浸漬された、内部に空洞部３１を備える中空状の電極である電極部３０と、電極部３０の空洞部３１内に酸素を供給する酸素供給部１００と、電極部３０を反応容器２０に支持する支持部５０とを備える。図１に示す電極部３０と反応容器２０とは、いずれも側面断面図を示したものである。図中に示すＸ、Ｙ、Ｚの各方向のうち矢印で示すＺ方向は垂直上方を示し、Ｘ−Ｙ面が水平面を示す。以下の各図に表示されるＸ、Ｙ、Ｚ方向も同様に定義されている。電極部３０は、基本的にはＺ方向に直線状の円筒形状を有しているが、図１ではＹ方向に湾曲した形状で描かれている。この図は、電極部３０がフレキシブルな材料で形成されているときの湾曲するような電極の振動運動を例示したものである。電極部３０のカソード３３とアノード３４からはそれぞれ引き出し線６１、６２が引き出され、電力供給の対象となる外部回路６０に接続される。
【００２２】
反応容器２０は、例えば有底箱状の反応槽であり、給水ポンプ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の底部には有機性排水１１を反応容器２０内に給水するための給水口２１を備える。反応容器２０の側壁上部には、反応容器２０の貯留水１２が貯留の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２２を備える。排水口２２からの排水は図１に示すような自然排水でもよいし動力源を使用した強制排水でもよい。なお、給水口２１は、貯留水１２が漏れないようにシール構造を有しているが、図１ではその図示は省略されている。
【００２３】
有機性排水１１は、給水ポンプ９０により、給水口２１を介して反応容器２０に連続して供給される。このため、貯留液１２内では、有機性排水１１の流れが発生する。
【００２４】
図１、図２及び図３（ａ）（ｂ）に電極部３０の構成の詳細を示す。図２は電極部３０の斜視図、図３（ａ）は図１の電極部３０の拡大断面図、図３（ｂ）は図１及び図３（ａ）に示すＡ−Ａ’での電極部３０の断面図である。電極部３０は、内部に空洞部３１を有する中空円筒形状の電気絶縁体３２と、電気絶縁体３２の中空円筒の内周面に形成されたカソード３３と、電気絶縁体３２の円筒外周面に形成されたアノード３４と、カソード３３からの引き出し線６１と、アノード３４からの引き出し線６２とを備える。この電気絶縁体３２は液体を透過させ、固体を遮断する機能、すなわち固液分離機能を備えたものである。以下では、このような機能を有する中空円筒形状の電気絶縁体３２として中空糸膜（又は中空糸）３２を使用する場合を例に説明する。
【００２５】
中空糸膜３２は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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で構成される。中空糸膜３２のサイズは、例えば、外径φ２ｍｍ、内径φ１ｍｍ、有効長７ｃｍ、膜厚０．５ｍｍで、膜の孔径は０．２μｍである。実施の形態１の電極部３０に使用される中空糸膜３２は、図１に示すように、その上端に開口部３５を有し、その下端は閉塞されている。開口部３５は後述するように通気口３５として使用される。中空糸膜３２は、排水処理の固液分離用に使用されるものであるが、ここでは固形物の中空内部への侵入を抑制するための分離膜として使用される。この分離膜は水を媒体としてプロトンも透過する。
【００２６】
カソード３３は、白金を担持させたカーボン粉末等の導電部材とナフィオン（登録商標）溶液等のプロトン透過可能なバインダーとを混ぜ合わせ、図１に示す中空糸膜３２の内周面及び下端底部に塗工し、これを乾燥させることにより形成される。つまり、カソード３３は、酸素還元触媒作用を有する白金を含む電極である。白金の酸素還元触媒作用とは、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のことである。なお、カソード３３に担持される白金は、他の同様の触媒作用を有する材料、例えば鉄フタロシアニン（ＦｅＰｃ）又はコバルトテトラメトキシフェニルポルフィリン（ＣｏＴＭＰＰ）等の水素燃料電池用に開発された触媒材料であってもよい。中空糸膜３２の下端底部にはカソード３３を形成しなくてもよい。尚、中空糸膜３２は、その孔径を、カーボン粉末等の導電部材の粒径より小さくすることによりカーボン粉末等の中空糸膜３２の透過を遮断でき、中空糸膜３２の内外電極間の電気的短絡を防ぐことができる。また、塗工の際に、中空糸膜３２の微細孔がバインダーにより被覆される度合いをコントロールしたい場合は、中空糸膜３２の空洞内を中空糸膜３２の外部に対して負圧（あるいは中空糸膜３２の外部を中空糸膜３２内に対し、正圧）にし、その圧力を制御することも可能である。
【００２７】
アノード３４は、図２に示すように、カーボンフェルト等の導電部材を中空糸膜３２の外周に巻き回して形成される。この場合の中空糸膜３２の外周面へのカーボンフェルト等の導電部材の固定には、アノード３４の一部であるアノード装着部３４１を合わせて連結部３４２で相互に固定するとよい。この方法であれば簡単な処理により塗工処理を省略することができる。実験などの場合には、連結部３４２は例えばホッチキスで止められた部位でもよい。他の方法としてアノード３４は、カソード３３と同様に、カーボン粉末等の導電部材とナフィオン溶液等のプロトンの透過が可能なバインダーと混ぜて、中空糸膜３２の外周面に塗工し、乾燥させたものでも代用できる。しかし、この場合は、中空糸膜３２の表面がプロトン透過膜で被覆されることにより、中空糸膜３２を透過するプロトンの透過抵抗が増大するため、その分発電効率の面では前述の方法より劣る。
【００２８】
中空糸膜３２の開口部３５には、中空糸膜３２と同様の電気絶縁体で形成された円筒形状の長さ数ｃｍ程度の通気管４０が、図１に例示するように装着される。通気管４０はPTFEチューブで作られる。通気管４０は、電極部３０の空洞部３１内に外部から酸素を含む気体を供給するための供給路の一部としての役割を担うとともに、カソード３３を中空糸膜３２の内周に塗工するときに開口部３５から塗工液が漏れて中空糸膜３２の外周に付着することを防止する役割を有する。即ちカソード３３とアノード３４とがショートすることを防止するためのバリヤーとしても機能する。
【００２９】
引き出し線６１は、カソード３３に電気的に接続された導電線であり、例えば直径０．１ｍｍのＴｉ線で構成される。図３に引き出し線６１とカソード３３との電気的接続の具体例を示す。図３に示す例では、引き出し線６１は、引き出し線接続部３６を介してカソード３３と電気的に接続されている。
【００３０】
引き出し線接続部３６は、白金をスパッタしたカーボン繊維である。装着した通気チューブ４０を介して、カソード３３を中空糸膜３２の内周に塗工した後、乾燥させる。次に、引き出し線接続部３６は、開口部３５及びを経由して、この塗工膜に接触するように挿入される。引き出し線６１は、引き出し線接続部３６のカーボン繊維内に挿入されることにより引き出し線接続部３６を介してカソード３３と電気的に接続される。なお、引き出し線の６１の他の設置方法として、カソード３３を中空糸膜３２の内周に塗工した後、その乾燥前に引き出し線接続部３６をカソード３３と密着するように挿入し、カソード３３を乾燥させてもよい。
【００３１】
図３は、カソード３３を乾燥させた後、３本の引き出し線接続部３６を中空糸膜３２内に挿入することにより引き出し線接続部３６とカソード３３との電気的接続を図っている例を模式的に示している。また、図３に示す例では、引き出し線６１の本数は引き出し線接続部３６の本数に合わせて３本としている。これにより、引き出し線６１とカソード３３との電気的接続の程度が改善され、更に引き出し線６１の一部に断線が生じた場合にも引き出し線６１とカソード３３との電気的接続が保たれる。引き出し線接続部３６に挿入された部分以外の引き出し線６１は被覆されていることが望ましい。なお、引き出し線接続部３６の数、引き出し線６１の数は３本に限定されない。引き出し線６１とカソード３３との電気的接続を図ることができればよく、本数は自由に設定できる。図１、図２に示す例では、引き出し線６１は１本で代表させた。
【００３２】
引き出し線６２は、アノード３４と電気的に接続された導電線であり、例えば直径０．１ｍｍのＴｉ線で構成される。引き出し線６２とアノード３４との電気的な接続は、引き出し線６１とカソード３３との間の電気的接続の場合と同様に、引き出し線接続部（図示省略）を介して実現することができる。図２に示すように、アノード３４が、カーボンフェルトを中空糸膜３２の外周に巻き回して形成されたものであれば、引き出し線６２をこのカーボンフェルトに挿入することにより、引き出し線６２とアノード３４とは容易に電気的に接続される。カーボンフェルトに挿入された部分以外の引き出し線６２は被覆されていることが望ましい。
【００３３】
支持部５０は、電極部３０の両端を反応容器２０に支持する。支持部５０は、第１の支持部５１と第２の支持部５２と支持部接続部５３と電極固定部５４とを備える。
【００３４】
第１の支持部５１と第２の支持部５２とは、それぞれ電極部３０の長手方向の一端部及び他端部に樹脂材などで形成された電気絶縁体である。
【００３５】
支持部接続部５３は、電極部３０が中空糸膜３２のように変形しうるような材質で形成されている場合に、第１の支持部５１と第２の支持部５２との間を接続する。支持部接続部５３の長さは、電極部３０に変形が生じていないときの第１の支持部５１の取り付け位置と第２の支持部５２の取り付け位置との間の距離と同じかわずかに小さい値に設定される。これにより電極部３０は、第１の支持部５１と第２の支持部５２との間の部位が揺動可能なように支持される。電極固定部５４は、電極部３０の、例えば 第１の支持部５１を反応容器２０に固定する。第１の支持部５１、第２の支持部５２、及び電極固定部５４の材料については、特に制約はない。第１の支持部５１と第２の支持部５２と支持部接続部５３と電極固定部５４とにより、電極部３０は反応容器２０に対してその配置が固定される。なお、図１では、電極固定部５４は第１の支持部５１を反応容器２０に固定しているが、これに限定されない。第２の支持部５２又は支持部接続部５３を反応容器２０に固定してもよい。
【００３６】
酸素供給部１００は、図１に示すように、酸素供給ポンプ１１０と、開閉バルブ１２０と、圧力計１３０と、これらを順に結び、電極部３０の開口部３５に酸素を供給する気体導入管１５０と、圧力制御部１４０とを備える。
【００３７】
気体導入管１５０は、電極部３０の開口部３５を通気口３５としてこれに接続され、空洞部３１内に酸素を含む気体、例えば大気、を導入するための管である。図１に示す例では気体導入管１５０は開口部３５に設置された通気管４０と接続される。
【００３８】
酸素供給ポンプ１１０は、酸素を含む気体、通常は大気（必要に応じて、酸素ガス発生装置や酸素ボンベを使用しても良い）、を送出するポンプである。開閉バルブ１２０は、酸素供給ポンプ１１０の気体吐出側に設置され、気体導入管１５０を開閉するバルブである。圧力計１３０は、電極部３０の空洞部３１内の圧力を測定する。
【００３９】
圧力制御部１４０は、圧力計１３０による測定で得られた圧力測定値に基づいて、電極部３０の空洞部３１の圧力値が、所定範囲の圧力値となるように酸素供給ポンプ１１０の動作及び開閉バルブ１２０の開閉を制御する。具体的には、圧力制御部１４０は、次のような制御を行う。圧力制御部１４０には、予め圧力下限値と、圧力下限値よりも大きい値である圧力上限値とが設定される。圧力制御部１４０は、圧力測定値が圧力下限値以下になると酸素供給ポンプ１１０を動作させるとともに開閉バルブ１２０を開状態にする制御を行い、圧力測定値が圧力上限値以上になると開閉バルブ１２０を閉状態にするとともに酸素供給ポンプ１１０の動作を停止する制御を行う。これにより、空洞部３１の圧力値は圧力下限値と、圧力上限値との間の値になるように制御される。圧力下限値は、電極部３０の外部の圧力値よりも高い圧力値に設定される。電極部３０の外部の圧力値とは、反応容器２０の設置されている環境の気圧と反応容器２０内に浸漬された電極部３０の最深部位にかかる水圧を加えた値を目安とする。圧力上限値は、空洞部３１の圧力が圧力上限値になったときに、電極部３０が、その圧力により機能不全を起こすことのない上限の圧力値に必要な裕度を取って設定された圧力値である。機能不全とは、例えば電極部３０の破損や、空洞部３１から貯留水１２側への気体の過度な漏出の発生などを言う。必要な裕度は、各種の考え方により選択して設定することができる。
【００４０】
微生物燃料電池１０は、以上のように構成されている。 微生物燃料電池１０を実際に使用する際には、微生物燃料電池１０の引き出し線６１及び６２との間に外部回路６０が接続される。外部回路６０は電力供給の対象となる少なくとも１つの機器及びその機器と微生物燃料電池１０とを結ぶ導線とで構成される。
【００４１】
次に、実施の形態１に係る微生物燃料電池１０の動作について説明する。有機性排水１１中には電気産生微生物Ｂが含まれている。従って、図１に示すように、反応容器２０の貯留水１２中にも電気産生微生物Ｂが含まれ、貯留水中で浮遊するとともに、時間の経過とともに貯留水１２と接触しているアノード３４上に付着する。ただし、有機性排水中に電気産生微生物Ｂが少ない、あるいは存在しない時は、アノード３４に電気産生微生物Ｂを固定化させる事前操作が必要である。この電気産生微生物Ｂは通常嫌気性の菌である。
【００４２】
これらの電気産生微生物Ｂは、貯留水１２中の有機物質（C,H,Oから成る有機化合物）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、導電性繊毛など）を介してアノード３４に移され、さらに外部回路６０を伝ってカソード３３に送られる。なお、カソード３３とアノード３４とは電気絶縁体である中空糸膜３２で互いに絶縁されている。
【００４３】
加えて、微生物の細胞から電子（ｅ−）の放出と併せて貯留水１２中に排出されるプロトン（Ｈ＋）は、電気絶縁体である中空糸膜３２を透過してカソード３３に移る。
【００４４】
開閉バルブ１２０を介して空洞部３１内の酸素（Ｏ２）は、カソード３３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３４から外部回路６０を経てカソード３３に流れてそこで消費される。これにより、アノード３４とカソード３３間の外部回路６０に連続した電子の流れが生じる。
【００４５】
空洞部３１内の酸素は上記の過程により消費されるため、空洞部３１の圧力は低下する。酸素供給部１００は、この圧力低下分を補う。これにより、酸素供給が継続され、電気産生微生物Ｂの代謝過程により発生するプロトンと電子が、供給される酸素と結合する反応も継続する。従って、微生物燃料電池１０は発電を継続することができる。
【００４６】
なお、微生物燃料電池１０の電極部３０の外周近傍には有機性排水１１の流れが生じる。実施の形態１に係る微生物燃料電池１０においては、有機性固形物は電極部３０の外周のアノード３４に付着する。有機固形物が過剰に付着すると、微生物燃料電池１０の発電能力は時間とともに低下する。しかし、電極部３０の外周近傍に生じる有機性排水１１の流れによりアノード３４に付着した過剰な有機性固形物はある程度除去される。
【００４７】
電極部３０が、中空糸膜３２を利用して形成されている場合は、電極部３０の剛性は低くなり、外力に対してその形状が変化しやすくなる。支持部５０で支持されている電極部３０の軸方向の上端、下端を除く部位は、その周りの貯留水１２内の有機性排水１１の流れにより外力を受ける。その結果、電極部３０は、支持されている上下端に対して、図１に示すＹ方向（矢印ＹＡで示す）及び／又はＸ方向に例えば湾曲するように揺動運動する。この揺動運動により、電極部３０を剛性の高い材料で構成した場合に比べて、電極部３０の外周に付着した有機性固形物に対する洗浄効果が大きくなる。
【００４８】
微生物燃料電池１０は、通常は、図１に示す電極部３０を複数集めて構成した電極部集合体を利用して構成されることが多い。図４、図５、図６に電極部集合体８０を利用して構成された微生物燃料電池１０の一部を示す。
【００４９】
図４は、図１に対応したもので、複数の電極部３０とそれぞれに対応する支持部５０とを電極部集合体８０としてまとめ、更に各通気管４０を１つの通気部７０でまとめたものである。酸素供給部１００と給水ポンプ９０とは図示を省略している。
【００５０】
電極部集合体８０は、図４に示すように、複数の電極部３０と、第１の固定部８１と、第２の固定部８２と、固定部接続部８３、８４とで構成される。第１の固定部８１は、電極部３０の開口部３５のある側の端部で、複数の電極部３０を支持し、反応容器２０に固定する。図４は第１の固定部８１が、反応容器２０の上面で固定されるように設計されている例を示す。第２の固定部８２は、電極部３０の開口部３５のある側とは反対側の端部で、複数の電極部３０を支持するとともに、固定部接続部８３及び８４により、第１の固定部８１に接続され固定される。従って、複数の電極部３０はそれぞれその開口部３５のある側の端部と、その反対側の端部とにおいて反応容器２０に対するそれらの位置が固定される。固定部接続部８３及び８４の長さは、同じに設定されるとともに、第１の固定部８１と第２の固定部８２との距離が、電極部３０の変形がないときの第１の固定部８１と第２の固定部８２との距離よりも小さい値になるように設定される。これにより各電極部３０は、第１の固定部８１と第２の固定部８２との間の部位が揺動可能なように固定される。図４においては、複数の電極部３０の貯留水中での変形は、全て同じ方向に湾曲しているように描かれているが、通常は各電極部３０毎に変形の形状は互いに独立したものとなる。なお、第２の固定部８２と固定部接続部８３及び８４とは、電気絶縁体３２が、中空糸膜３２のように変形しやすい剛性の低い材料であるときに使用され、剛性が高い材料で形成されているときは必要ではない。
【００５１】
通気部７０は、通気部外壁７１と、通気口７２と、通気部外壁７１に設置された端子部７３，７４とを備える。通気部外壁７１は、通気部外壁７１と第１の固定部８１とで囲まれる空洞部７５を形成するように、第１の固定部８１に対して気密に固定される。また、空洞部７５は、複数の電極部３０の開口部３５全てと連通するように作られ配置される。複数の電極部３０からの引き出し線６１、６２は、空洞部７５内で、用途に応じて相互に接続され、最終的には端子部７３と７４とに接続される。図４に示す例では外部回路６０は、複数の電極部３０を並列接続する回路と、端子部７３と７４とを介してこの回路に接続された負荷抵抗６３とで構成されている。通気口７２には気体導入管１５０が接続され、図示が省略されている酸素供給部１００から酸素を含む気体が空洞部７５に供給される。この気体は空洞部７５に対して開口している電極部３０の開口部３５を経由して各電極部３０の空洞部３１に供給される。尚、製作を簡略化するには、各電極部３０からの引き出し線６２を通気部７０内部ではなく、通気部７０の外部で連結するとともに、負荷抵抗６３に接続してもよい。
【００５２】
図５（ａ）は図４に示すＣ−Ｃ’位置での断面図であり、通気部７０を取り去ったときの電極部集合体８０の平面図に相当する。図示するように電極部３０はＸ方向とＹ方向にそれぞれ複数個配置され、第１の固定部８１に支持されている。第１の固定部８１の上面には電極部３０の開口部３５が開口している。図５（ｂ）は図４に示すＤ−Ｄ’位置での断面図である。複数の電極部３０は図５（ａ）の相互の配置を保って第２の固定部８２に支持されている。第２の固定部８２には、各電極部３０の周囲に、Ｚ方向の貫通口である通水口８２０が形成されている。この通水口８２０は、反応容器２０の下方から有機性排水１１が供給される際に、各電極部３０の外周近傍で有機性排水１１が下方から上方に向かってスムーズに流れるようにするために設けられている。この流れは電極部３０における電気産生微生物Ｂの代謝過程によって発生するプロトンや電子移動方向に直交するクロスフローであり、代謝過程の継続に有効であるとともに、電極部３０の外周に付着した有機性固形物の洗浄にも効果的である。なお、図５（ｂ）に示す通水口８２０の形状は一例であり、これに限定されない。図６は図４に示すＥ−Ｅ’位置での断面図である。図６に示すＦ−Ｆ’における断面図が図４に対応する。
【００５３】
図７に実施の形態１に係る微生物燃料電池１０の出力についての実験結果を示す。
【００５４】
図４の実験条件は、次の通りである。
（１）中空糸膜
中空糸膜３２の材料にはＰＴＦＥを使用した。中空糸膜３２の外径は約φ２ｍｍ、有効長は約７ｃｍであり、中空糸膜３２の孔径は約０．２μｍである。
（２）カソード
カソード３３は、中空糸膜３２の内壁に液状のカソード材を塗布し、これを乾燥させて形成した。液状のカソード材は、２０％Ｐｔ担持のバルカンと呼ばれるカーボン粒子を５％ナフィオン溶液と混合したものである。中空糸膜３２内壁上への液状のカソード材の塗布は、これを中空糸膜３２内に通過させることにより行った。
（３）アノード
アノード３４は、材料として厚さ約１．５ｍｍ、幅約１５ｍｍ、長さ約７０ｍｍのカーボンフェルトを使用して形成した。カーボンフェルトを中空糸膜３２の外周に被覆し、図２に示すようにカーボンフェルトの被覆後の余った部分を重ねてアノード装着部３４１とし、これをステンレス製のホッチキスで綴じて連結部３４２とした。連結部３４２を中空糸膜３２の長手方向に複数箇所設けて、カーボンフェルトを中空糸膜３２の外周に被覆した状態で固定することによりアノード３４を形成した。
（４）引き出し線
引き出し線６１、６２としてφ０．１ｍｍのＴｉ線を使用した。図３に示すように、引き出し線６１は、引き出し線接続部３６を介してカソード３３に電気的に接続させた。なお、図３には引き出し線６１を３本記載しているが、本実験では１本とした。引き出し線接続部３６にはＰｔスパッタを施したカーボン繊維（以下ではカーボン繊維３６とも呼ぶ）を使用した。液状のカソード材を内壁に塗布し、乾燥させてカソード３３を形成した後に、３本のカーボン繊維３６を、カソード３３と密に接触するように、それぞれ中空糸膜３２の長手方向に挿入した。これによりカーボン繊維３６はカソード３３と電気的に接触した状態に保持される。次に、１本のφ０．１ｍｍのＴｉ線を３本のカーボン繊維３６のいずれかに接触するようにその長手方向に挿入した。これにより引き出し線６１がカソード３３に電気的に接続される。引き出し線６２はφ０．１ｍｍのＴｉ線をカーボンフェルトの長手方向に挿入して形成した。これにより引き出し線６２がアノード３４に電気的に接続される。
（５）電極部集合体
電極部集合体８０として上記の電極部３０を２個使用した。２個の電極部３０は並列に接続して外部回路６０と接続した。外部回路６０の負荷抵抗６３は１０ｋΩ、１ｋΩ及び５００Ωと切り替えて実験した。
（６）反応容器
反応容器２０は塩化ビニール製の内径約４０ｍｍ、高さ約２００ｍｍの円柱形の容器（有効容量は約２３０ｍｌ）とした。
（７）貯留水
反応容器２０内の貯留水１２は次の通りとした。
下水処理場の返送汚泥を微生物燃料電池１０の運転初期に貯留水１２として充填した（ＳＳ（浮遊物質）＝約３５００ｍｇ／Ｌ）。運転開始後は下水処理場の初沈流入水（ＴＯＣ（全有機炭素）＝約６５ｍｇ／Ｌ、ＳＳ＝約８０ｍｇ／Ｌ、ＰＨ＝７．０、導電率＝０．４３ｍＳ／ｃｍ）を連続して反応容器２０内に供給した。初沈流入水に含まれる有機物質が微生物燃料電池１０の燃料となる。
その流量は０．１５ｍｌ／ｍｉｎとした。
反応容器２０全体を恒温槽に設置し、貯留水の水温を３０℃に維持した。
（８）酸素供給部
酸素供給部１００は酸素供給ポンプ１１０としてローラー式のチュービングポンプを使用し、大気を電極部３０の空洞部３１に供給した。
中空糸内の圧力を大気圧に対して１〜４ｋＰａに制御した。
【００５５】
図７に示すように、実施の形態１に係る試作した微生物燃料電池１０は電池として動作し、負荷抵抗値によって１００ｍＷ／ｍ２[中空糸表面積]を超える電力密度が得られることがわかった。
【００５６】
実施の形態１に係る微生物燃料電池１０の電極部３０は、上記のように構成されており、有機性排水１１は電極部３０の外周と接触し、特許文献２に記載されているように電極部３０の内側の空洞部３１に供給されるわけではない。空洞部３１には、酸素を含む気体が供給される。そのため、電極部３０の径を小さくしても有機性排水１１に接触している部位で生成される有機性固形物が電極部３０の内壁に付着して目詰まりを起こすということがない。従って電極部３０の径を小さくすることにより、電池の単位体積当たりの発電効率を従来よりも高くすることができる。更に、電極部３０の径を小さくすることにより、同じ容積中により多くの電極部３０を含む電極部集合体８０を配置することができる。そのため、電極部集合体８０の単位体積当たりの発電効率が従来よりも向上する。
【００５７】
カソード３３とアノード３４とは電極部３０の形状を規定する中空円筒形状の電気絶縁体３２の内周面と外周面に形成される。そのため中空円筒形状の電気絶縁体３２がカソード３３とアノード３４との間に通常配置される絶縁体を兼ねることができ、電極部３０の形成工程を簡略化することができる。
【００５８】
なお、電極部３０が中空糸膜３２を使用して形成されていない場合であっても実施の形態１に係る微生物燃料電池１０は同様の効果を奏することができる。
【００５９】
電極部３０が、中空糸膜３２を利用して形成されている場合は、電極部３０の剛性は低くなり、外力に対してその形状が変化しやすくなる。電極部３０は、その周りの貯留水１２内の有機性排水１１の流れにより外力を受ける。電極部３０は、揺動可能に支持されているので、有機性排水１１の流れにより図１に示すＹ方向（矢印ＹＡで示す）及び／又はＸ方向に例えば湾曲するように揺動運動する。そのため、電極部３０を剛性の高い材料で構成した場合に比べて、電極部３０の外周に対する洗浄効果が改善し、発電能力の時間変化が小さくなる。
【００６０】
また、電極部３０の空洞部３１内の圧力が外部の圧力よりも高いので、有機性排水１１が空洞部３１内へ浸入することを抑えながら、空洞部３１内に酸素を確保することができる。このため、カソード３３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。なお、中空糸膜３２の外部への気体の漏れがあれば、発電効率は低下するが、大量に漏れない限り、発電能力が完全に失われることはない。
【００６１】
なお、図４に示す構成を有する微生物燃料電池１０において、通気部７０の通気部外壁７１には通気口７２のみが気体の供給口として開口しているだけであり、気体の排出口は存在しない。しかし、通気部外壁７１に排出口を形成し、気体の排出経路に開閉バルブを備えてもよい。これにより、気体導入管１５０から供給された気体は通気部７０の空洞部７５内を流動して排出されるとともに、圧力制御部１４０の制御により空洞部７５内の圧力を一定に保つこともできる。すなわち、空洞部７５内には常に新しい気体即ち酸素が豊富な気体が補充されることになるため、微生物燃料電池１０の発電効率を高い状態で維持できる。
【００６２】
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浄化システム４００に適用することができる。
【００６３】
浄化システム４００は、図８に示すように、沈砂池４１０、最初沈殿池４２０、反応タンク４３０、最終沈殿池４４０、消毒部４５０を備える。
【００６４】
沈砂池４１０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４２０では、沈砂池４１０を通過した細かな砂や有機性固形物を沈殿させる。反応タンク４３０では、最初沈殿池４２０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４４０では、反応タンク４３０中から流出した微生物の群集である汚泥を沈殿させ、その一部を、返送汚泥として反応タンク４３０に戻す。消毒部４５０では、この最終沈殿池４４０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。
【００６５】
沈砂池４１０と最初沈澱池４２０の間、最初沈殿池４２０、最初沈殿池４２０と反応タンク４３０との間、反応タンク４３０、最終沈殿池４４０には、電気産生微生物Ｂによる分解の対象となる有機物質が存在する。従って、実施の形態１に係る微生物燃料電池１０は、沈砂池４１０と最初沈澱池４２０の間、最初沈殿池４２０、最初沈殿池４２０と反応タンク４３０との間、反応タンク４３０（反応タンク４３０内の全てのエリアが好気ゾーンで占められている場合には、別途嫌気ゾーンを設ける）、最終沈殿池４４０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。
【００６６】
＜第１の変形例＞
実施の形態１の微生物燃料電池１０の第１の変形例を図９に示す。図９に示す微生物燃料電池１０が図１に示す微生物燃料電池１０と異なる点は、酸素供給部１００が酸素濃度計１６０を含み、圧力制御部１４０は、圧力計１３０と酸素濃度計１６０の測定結果に基づき酸素供給ポンプ１１０の運転と開閉バルブ１２０の開閉の制御を行う点である。
【００６７】
酸素濃度計１６０は、酸素濃度センサーを開口部３５近傍に設置し、電極部３０の空洞部３１内の酸素濃度を計測し、酸素濃度測定結果を圧力制御部１４０に送信する。
【００６８】
圧力制御部１４０は次のようにして酸素供給ポンプ１１０の運転と開閉バルブ１２０の開閉の制御を行う。圧力制御部１４０は予め酸素濃度下限値を保有している。圧力制御部１４０は、圧力測定値による前記制御に加えて、酸素濃度測定結果が酸素濃度下限値以下のときは、圧力測定値が上限圧力値以下である場合に限り、酸素供給ポンプ１１０の運転を開始し、開閉バルブ１２０を開状態にする制御を行う。酸素濃度測定値が酸素濃度上限値を超えるか、又は圧力測定値が上限圧力値を超えれば、開閉バルブ１２０を閉状態にするとともに、酸素供給ポンプ１１０の運転を停止する制御を行う。圧力測定値が上限圧力値を超えるときは酸素供給ポンプ１１０の運転はせず、開閉バルブ１２０は閉状態にする制御を行う。従って、圧力制御部１４０は、酸素濃度の計測結果に基づき、気体の供給を制御することにより間接的に電極部３０の空洞部３１内の酸素濃度を制御する。
【００６９】
電極部３０を電極部集合体８０にした場合は、酸素濃度センサーを通気部７０に配置する。これにより、複数の電極部３０の各空洞部３１内の酸素濃度の平均値を監視することになり、この平均値に従って通気部７０への気体の供給を制御することにより間接的に各電極部３０の酸素濃度を制御する。
【００７０】
微生物燃料電池１０の動作には酸素の供給が不可欠である。従って、酸素濃度計１６０を導入して酸素供給部１００の動作に活用することにより、微生物燃料電池１０は、より適切に動作しうる。
【００７１】
なお、圧力制御部１４０は、圧力制御に、酸素濃度下限値だけでなく酸素濃度上限値を加えて利用してもよい。即ち上限圧力値を超えない範囲で、酸素濃度値を、酸素濃度下限値と酸素濃度上限値との間に設定された酸素濃度規定値になるように圧力制御を行う。
【００７２】
なお、酸素濃度規定値は、カソード３３への大気供給量のうちの酸素の供給量と、カソード３３での酸素の消費量とが一致又は近似した濃度値とすることが理想である。つまり、電極部３０内の酸素濃度規定値は、カソード３３にて、極力無駄なく、最大限に酸素が消費される濃度値に設定される。例えば酸素濃度規定値は、カソード３３における酸素の消費効率が最も高くなるよう、シミュレーション計算や実験データから求めることができる。
【００７３】
この場合には、電極部３０の空洞部３１内に供給された酸素の殆どがカソード３３で消費され、空洞部３１内の酸素が電極部３０の外周から貯留水１２中に浸透する量は少なくなる。従って、貯留水１２中に含まれる嫌気性の電気産生微生物Ｂに与える影響を無視できる。
【００７４】
＜第２の変形例＞
実施の形態１の微生物燃料電池１０の第２の変形例を図１０に示す。図１０に示す微生物燃料電池１０が図１に示す微生物燃料電池１０と異なる点は、攪拌部１８０を備える点である。攪拌部１８０は、攪拌機１８１と攪拌制御部１８２とタイマー１８３とを備える。図１０では攪拌機１８１は攪拌部と駆動部とを含むが図１０では攪拌部（プロペラ状のものとして描いてある）のみを示し、駆動部は図示を省略している。なお、駆動部は、通常、反応容器２０の外部に設置され、駆動部の駆動軸に攪拌機１８１の攪拌部が設置されるが、その詳細も図示を省略した。
【００７５】
攪拌機１８１は、その攪拌部が貯留水１２中に設置され、貯留水１２を攪拌する機能を有する。攪拌制御部１８２は攪拌機１８１の動作を制御する。タイマー１８３は予め設定された時間の経過毎に、又は予め設定された時刻毎に攪拌制御部１８２に信号を送信する。
【００７６】
攪拌制御部１８２はタイマー１８３からの信号に基づき攪拌機１８１の運転のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００７７】
攪拌機１８１が運転されると貯留水１２が攪拌され、電極部３０の外周近傍の有機性排水１１の流れが加速する。その結果、貯留水１２による電極部３０の外周部に付着した有機性固形物の洗浄効果が増強される。なお、有機性排水１１は反応容器２０の下方から反応容器２０に供給されるので、攪拌機１８１の攪拌部は電極部３０の下方に設置することが好ましい。
【００７８】
電極部３０が中空糸膜３２を利用して形成されている場合は、この攪拌により電極部３０にかかる外力が大きくなり、電極部３０の変形による揺動も大きくなる。従って、電極部３０の外周部に付着した有機性固形物の洗浄効果が更に増強される。そのため、第２の変形例に係る微生物燃料電池１０は、従来よりも長い期間にわたり安定して発電することができる。
【００７９】
複数の電極部３０で構成された電極部集合体８０を利用した微生物燃料電池１０に攪拌部１８０を装備しても同様の効果を奏することができる。この場合も攪拌機１８１の攪拌部は電極集合体８０の下方に設置するのが好ましい。更に、この場合は、電極部集合体８０の全域において貯留水１２を攪拌する必要があるため、攪拌部を複数配置してもよい。
【００８０】
攪拌制御部１８２は、攪拌機１８１の動作制御にタイマー１８３からの信号を使用せず、他の信号に依ってもよい。例えばマニュアル指示信号により攪拌機１８１の動作を開始し停止させてもよい。
【００８１】
＜第３の変形例＞
実施の形態１の微生物燃料電池１０の第３の変形例を図１１に示す。図１１に示す微生物燃料電池１０が図１に示す微生物燃料電池１０と異なる点は、気泡洗浄部１９０を備え、反応容器２０は、例えばその底部に給気口２３を備える点である。気泡洗浄部１９０は、気体供給ブロワ１９１とブロワ制御部１９２とタイマー１９３と気体供給管１９４と気泡発生部１９５とを備える。
【００８２】
気体供給ブロワ１９１は気体供給管１９４とこれに接続された給気口２３を介して反応容器２０内に設置された気泡発生部１９５に気体を供給する。ブロワ制御部１９２はタイマー１９３からの信号に基づき気体供給ブロワ１９１の運転を制御する。タイマー１９３の動作は第２の変形例におけるタイマー１８３と類似のものである。
【００８３】
気泡発生部１９５は、給気口２３を介して供給される気体から気泡を発生させて貯留水１２中の電極部３０の外周下部に供給する。供給された気泡は上昇し、貯留水１２内の有機性排水１１の流れとともに電極部３０の外周部に付着した有機性固形物を気泡のないときよりも更に強力に洗浄する。なお、気泡発生用に供給する気体は、酸素を含まない気体であることが好ましい。これは貯留水１２に含まれる電気産生微生物Ｂが嫌気性、即ち酸素を含まない環境を好むためである。
【００８４】
電極部３０が中空糸膜３２を利用して形成されている場合は、この気泡の上昇により電極部３０にかかる外力が大きくなり、電極部３０の変形による振動も大きくなる。従って、電極部３０の外周部に付着した有機性固形物の洗浄効果が更に増強される。そのため、第３の変形例に係る微生物燃料電池１０は、従来よりも長い期間にわたり安定して発電することができる。
【００８５】
複数の電極部３０で構成された電極部集合体８０を利用した微生物燃料電池１０に気泡発生部１９０を装備しても同様の効果を奏することができる。この場合は、気泡発生部１９５は電極部集合体８０のＸ−Ｙ面の広がりをカバーして気泡を発生させることができる大きさを有するものとする。
【００８６】
＜第４の変形例＞
実施の形態１の微生物燃料電池１０の第４の変形例を図１２に示す。図１２に示す微生物燃料電池１０が図１に示す微生物燃料電池１０と異なる点は、揺動部２００を備え、電極固定部５４を省いたことである。揺動部２００は、揺動機構２１０と揺動制御部２２０とタイマー２３０と揺動アーム２４０とを備える。
【００８７】
揺動機構２１０は反応容器２０の外部に設置され、揺動アーム２４０に対して、その軸に沿った往復振動運動を生じさせる。揺動制御部２２０はタイマー２３０からの信号に基づき揺動機構２１０の動作を制御する。揺動アーム２４０は、反応容器２０に設置された貫通シール部２４を介して反応容器２０の側壁を貫通し、その一端は揺動機構２１０に接続され、他端は反応容器２０内に設置されている電極部３０に接続される。図１２では電極部３０が中空糸膜３２を利用して形成されているので、揺動アーム２４０の他端は支持棒接続部５３に接続されている。これにより揺動アーム２４０の他端は電極部３０に接続されている。
【００８８】
揺動機構２１０の動作により揺動アーム２４０を介して電極部３０はＹ方向に往復する振動運動をする。貯留水１２中に生じる有機性排水１１の流れに加えて、この運動により電極部３０に作用する外力により電極部３０の外周部に付着した有機性固形物の洗浄効果が増強される。そのため、第４の変形例に係る微生物燃料電池１０は、従来よりも長い期間にわたり安定して発電することができる。
【００８９】
電極部３０が中空糸膜３２を利用して形成されている場合は、この揺動による振動運動により電極部３０にかかる外力が大きくなり、電極部３０の変形による振動も大きくなる。従って、電極部３０の外周部に付着した有機性固形物の洗浄効果が更に増強される。そのため、第４の変形例に係る微生物燃料電池１０は、従来よりも長い期間にわたり安定して発電することができる。
【００９０】
複数の電極部３０で構成された電極部集合体８０を利用した微生物燃料電池１０に揺動機構２１０を装備しても同様の効果を奏することができる。この場合は、電極部集合体８０が振動運動できなければならない。このときの電極部集合体８０の運動には２通りのやり方がある。１つめは電極部集合体８０の第１の固定部８１を反応容器２０に固定したまま、この部分よりも下の部分を振動させるという方法である。そのためには揺動アームの他端は第２固定部８２、又は固定部接続部８３又は８４に接続する。２つめは、第１の固定部８１を往復運動が可能なように反応容器２０に設置するという方法である。いずれの場合も複数の電極部３０は往復振動運動をする。
【００９１】
揺動制御部２２０は、揺動機構２１０の動作制御にタイマー２３０からの信号を使用せず、他の信号に依ってもよい。例えばマニュアル指示信号により揺動機構２１０の動作を開始し停止させてもよい。更に、連続して揺動させてもよい。
【００９２】
揺動機構２１０は、電極部３０又は電極部集合体８０を横方向ではなく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。
【００９３】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る微生物燃料電池１０は、Ｕ字形状の電極部３０を備えていることを特徴とするものである。以下ではＵ字形状の電極部３０を複数備えた電極部集合体８０を例に実施の形態２に係る微生物燃料電池１０について説明する。
【００９４】
図１３に本発明の実施の形態２に係る微生物燃料電池１０の電極部集合体８０を示す。また、図１４に、このような電極集合体８０を備えた微生物燃料電池１０の一部を示す。図１４は、電極部集合体８０について言えば、図１３のＧ−Ｇ’断面図に相当する。なお、電極部３０は中空糸膜３２で形成されたものとして説明する。
【００９５】
実施の形態２に係る微生物燃料電池１０の電極部集合体８０は第１支持部８１と複数のＵ字型電極部３０と通し棒８５と通し棒固定部８６、８７とを備える。
【００９６】
図１４に示す電極部集合体８０が図４に示す電極部集合体８０と異なる点は、まず、電極部３０がＵ字形状をしていることと、電極部３０の一端の開口部３５とは反対側の他端にも開口部３７を有することと、Ｕ字形の電極部３０は、開口部３５と３７の近傍を除き貯留水１２に浸漬されていることである。また、電極部３０の形状の違いにより図１４では図４の第２の固定部８２に替えて通し棒８５を備え、図４の固定部接続部８３、８４に替えて通し棒固定部８６、８７を備える。これにより、各電極部３０のＵ字形状に湾曲する部位の第１の固定部からの距離を相互に揃えることができる。
【００９７】
図１４に示すように、各電極部３０の開口部３５、３７はともに通気部７０の空洞部７５連通する。その他については図１４と同様である。
【００９８】
電極部３０の両端にそれぞれ開口部３５、３７を設け、通気部７０の空洞部７５に連通させるので、両端から酸素を含む気体が電極部３０の空洞部３１内に流入しやすくなる。従って、電極部３０の一端にのみ開口部３５を有している場合に比べてカソード３３への酸素の補充がスムーズになり、実施の形態２に係る微生物燃料電池１０は長い期間にわたり実施の形態１に係る微生物燃料電池１０よりも安定して発電することができる。電極部３０が１つであっても同様の効果が得られる。
【００９９】
なお、電極部３０が剛性の高い材質で形成されている場合は、通し棒８５、通し棒固定部８６、８７は必ずしも必要ではなく省略してもよい。そのような場合であっても通気口が２箇所存在することにより同様の効果を奏することができる。なお、実施の形態１の各種の変形例も実施の形態２に係る微生物燃料電池１０に適用することができ、それぞれにおいて説明した効果と同様の効果を奏することができる。
【０１００】
（実施の形態３）
図１５に本発明の実施の形態３に係る微生物燃料電池１０の構成を示す。実施の形態１に係る微生物燃料電池１０と異なる点は、電極部３０はその両端に開口部３５、３７を備えていること、開口部３７には通気管４１が接続されていること、通気管４１は反応容器２０の壁に設けられた通気シール部２５を介して気体導出管１５５に接続されていること、気体導出管１５５には開閉バルブ１７０が設置されていることである。
【０１０１】
開口部３５は酸素を含む気体の供給口とし、開口部３７は開口部３５から供給された気体の排出口とする。圧力制御部１４０は、圧力計１３０の測定結果に基づき、酸素供給ポンプ１１０の運転と開閉バルブ１２０、１７０の開閉を制御することにより電極部３０の空洞部３１の圧力を制御する。
【０１０２】
電極部３０がこのように構成されているため、電極部３０の空洞部３１には酸素の豊富な新しい気体が入りやすくなる。従って、電極部３０の一端にのみ開口部３５を有している場合に比べてカソード３３への酸素の補充がスムーズになり、実施の形態３に係る微生物燃料電池１０は長い期間にわたり実施の形態１に係る微生物燃料電池１０よりも更に安定して発電することができる。
【０１０３】
微生物燃料電池１０では実施の形態１で説明したように、カソード３３において水が生成される。この生成された水が蒸発分を超える場合、電極部３０の空洞部３１内に水が貯まることがある。水が貯まるとカソード３３が酸素と触れる面積が減少するので発電効率が低下する。実施の形態３に係る微生物燃料電池１０では、電極部３０の下方に形成された開口部３７を介して生成された水も外部に排出されるので、水が貯まることが避けられ、発電効率の低下を防止することができる。
【０１０４】
図１６は、複数の上記電極部３０で構成された電極部集合体８０を備えた微生物燃料電池１０の一部を示す。図１６は図４に対応したものであり、異なる点は各電極部３０が開口部３５とは異なる端部に開口部３７を有すること、通気部７０として、通気部外壁７６で構成された空洞部７８を更に有し、空洞部７８が各開口部３７と連通していること、及び通気部外壁７６には通気口７７が設置され、通気口７７は反応容器２０の壁に設置された通気シール部２５と通気管４１で接続され、通気シール部２５を介して気体導出管１５５に接続されていることである。
【０１０５】
このような構成を有することにより、気体導入管１５０を介して空洞部７５に供給された気体は各電極部３０の開口部３５を通って空洞部３１に達し、開口部３７を通って空洞部７８に移動する。空洞部７８内の気体は通気口７７、通気管４１、及び気体導出管１５５を通り外部に排出される。
【０１０６】
従って、このように構成された微生物燃料電池１０も、電極部３０が１つの場合について上述した効果と同様の効果を奏することができる。この効果は電極部３０の剛性とは無関係である。
【０１０７】
また、実施の形態１の各種変形例に係る微生物燃料電池１０に組み合わせてもよく、当該微生物燃料電池１０は、それぞれにおいて説明した効果と同様の効果を奏することができる。実施の形態３を、実施の形態２の図１３、１４に示すＵ字形状の電極部３０を備えた電極部集合体８０に適用するためには、第１の固定部８１と通期部外壁７１とで形成される空洞部７５には、開口部３５のみを連通させ、第２の固定部８２と通期部外壁７６とで形成される空洞部７８には、開口部３７のみを連通させるようにする必要がある。電極部３０がＵ字形状をなしているので第１の固定部８１と第２の固定部８２とはともに電極部３０の上方に、互いに干渉しないように配置しなければならない。このように配置することにより実施の形態３で説明した効果と同様の効果を奏することができる。しかし、電極部３０の空洞部３１内に貯まった水を排出することはできない。その場合は、圧力制御機能を解除して、中空糸膜３２の一端より他端に向けて強風を送り込むことで水を排除する等の定期的なメンテナンスが必要になる。
【０１０８】
（実施の形態４）
図１７に実施の形態４に係る微生物燃料電池１０の電極部３０の構成例を示す。図１７（ａ）（ｂ）は、それぞれ実施の形態１の図３に対応したものである。図３と異なる点はカソード３３の構成である。図１７に示す電極部３０は空洞部３１を粉末活性炭素で充填し、それをカソード３３としている。他は図３の構成と同じである。
【０１０９】
カソード３３は粉末活性炭で構成されているため粉末活性炭の各粒子間には空隙が存在する。従って、電極部３０の開口部３５を介して供給された酸素を含む気体はこの空隙に入り込む。そのためこのように構成された微生物燃料電池１０では、電気産生微生物Ｂは実施の形態１で説明した通りに機能し、電力を生成するとともに、同様の効果を奏することができる。
【０１１０】
なお、充填する粉末活性炭は酸素還元触媒作用を有する白金等で担持されたものであってもよいが、必ずしも酸素還元触媒作用を有する材料で担持されたものでなくてもよい。実施の形態１の実験と同じ条件で、カソード３３のみ、白金を担持していない粉末活性炭（粒径：２００−３００μm程度）を充填して形成した場合でも、電極部３０の中空糸膜３２の単位面積当たりの出力密度として２０ｍＷ／ｍ２[中空糸表面積]という値を確認することができた。このように空隙のある状態で粉末活性炭素を充填したときは触媒作用を有する材料で担持されていなくてもそのカソード３３は有意な程度の触媒機能を有していると考えられる。
【０１１１】
電極部３０では、カソード３３は、空洞部３１内に粉末活性炭を、例えば、水のような液体に混ぜたものを送液ポンプにて流し込むなどの方法を用いて充填するだけで形成されるので、その分電極部３０を簡易に作製できるという効果がある。
【０１１２】
実施の形態４に係る微生物燃料電池１０については、これまで説明した各種の変形例及び実施の形態２の態様を組み合わせることが可能で、そのときの効果も各変形例及び実施の形態２で説明した効果と同様の効果を奏することができる。
【０１１３】
電極部３０は、反応容器２０内の貯留液１２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、その状態で支持部５０で反応容器２０に支持されているとして説明したが、実施の形態１〜４のいずれにおいても、開口部３５からの浸水を防止し、引き出し線６１と６２とを被覆し、カソード３３とアノード３４とが相互に短絡しないように手当をすれば、電極部３０の設置の方向は必ずしも制限されない。
【０１１４】
嫌気性の電気産生微生物Ｂを含むいわゆる嫌気処理における汚泥収率は、一般的には好気性の微生物を利用した好気処理に比べて低いと言われている。本発明の各実施の形態では、反応容器２０の有機性排水１１中における電気産生微生物Ｂとして、嫌気性の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。
【０１１５】
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。給水ポンプ９０により所定量の有機性排水１１をまとめて反応容器２０に供給し、所定時間の処理を行った後、反応容器２０内の貯留水１２の一部又は全部を排水し、再度反応容器２０内に有機性排水１１を充填する間欠的な供給方法でも良い。
【０１１６】
前述した各実施の形態の反応容器２０は、電極部３０を貯留水１２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。
なお、着脱可能な構造にした場合には、反応容器２０の底面や側面のシール部での配管や揺動駆動軸等の接続が困難となるため、配管・駆動軸等を迂回させる構造にする方が望ましい。
また、反応容器２０は、既存の沈殿池、反応タンク、貯留槽、あるいはそれらを繋ぐ管渠などで構成されてもよい。
【０１１７】
前述した各実施の形態では、電極部３０は中空円筒形状であるとした。しかし、電極部３０の形状は中空形状であればよく、その断面が円形以外の、例えば矩形状、楕円状、長円状など種々の形状であってもよい。また、電極部３０は、その長さ方向に沿った形状が同一でなくてもよい。
【０１１８】
前述した各実施の形態では、電極部３０を形成する中空形状の電気絶縁体３２として中空糸膜３２を例示したが、これに限定されない。例えば、電気絶縁体３２は、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノ膜（ＮＦ膜）など、少なくともプロトン透過能を持つ材料で形成されたものあれば良い。
【０１１９】
前述した各実施の形態では、電極部３０の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。
【０１２０】
前述した各実施の形態では、カソード３３及びアノード３４は、カーボンの塗工にて形成されている例を示したが、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、発泡処理にてカーボン等の導電体粒子間に空隙を設け、カソード３３の場合は酸素が、アノード３４の場合はプロトン又はプロトンを含む液が、それぞれ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、気液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。
【符号の説明】
【０１２１】
１０  微生物燃料電池
１１  有機性排水
１２  貯留水
２０  反応容器
２１  給水口
２２  排水口
２３  給気口
２４  貫通シール部
２５、７７  通気シール部  
３０  電極部
３１  空洞部
３２  電気絶縁体（中空糸膜、中空糸）
３３  カソード
３４  アノード
３５、３７  開口部（通気口）
３６  引き出し線接続部（カーボン繊維）
４０、４１  通気管
５０  支持部
５１  第１の支持部
５２  第２の支持部
５３  支持部接続部
５４  電極固定部
６０  外部回路
６１、６２  引き出し線
６３  負荷抵抗
７０  通気部
７１、７６  通気部外壁
７２、７７  通気口
７３、７４  端子部
７５、７８  空洞部
８０  電極部集合体
８１  第１の固定部
８２  第２の固定部
８３、８４  固定部接続部
８５  通し棒
８６、８７  通し棒固定部
９０  給水ポンプ
１００  酸素供給部
１１０  酸素供給ポンプ
１２０、１７０  開閉バルブ
１３０  圧力計
１４０  圧力制御部
１５０  気体導入管
１５５  気体導出管
１６０  酸素濃度計
１８０  攪拌部
１８１  攪拌機
１８２  攪拌制御部
１８３  タイマー
１９０  気泡洗浄部
１９１  気体供給ブロワ
１９２  ブロワ制御部
１９３  タイマー
１９４  気体供給管
１９５  気泡発生部
２００  揺動部
２１０  揺動機構
２２０  揺動制御部
２３０  タイマー
２４０  揺動アーム
３４１  アノード装着部
３４２  連結部
４００  浄化システム
４１０  沈砂池
４２０  最初沈殿池
４３０  反応タンク
４４０  最終沈殿池
４５０  消毒部
８２０  通水孔
Ｂ  電気産生微生物
ＣＬ  切断線
Ｍ  電子伝達体
【図１】
2016115413.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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