(57)【要約】【課題】燃料供給のためのポンプ等を必要とせず、かつ燃料極近傍を低酸素状態に保つことができ、安定的に発電を行うことが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（１Ａ）は、外部環境に対して遮断された閉空間を形成する筐体（２）と、閉空間を、微生物含有物質（１０）が配置される燃料室（３）と、酸素を含む空気室（４）と、に分割するイオン伝導層（５）とを備えている。筐体（２）の少なくとも一部に、外部環境と燃料室（３）とを連通する開口部（６）が形成されており、開口部（６）を開閉可能な開閉部（７）が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部環境に対して遮断された閉空間を形成する筐体と、
前記閉空間を、電流発生菌、好気性細菌、及び燃料物質を含む微生物含有物質が配置される燃料室と、酸素を含む空気室と、に分割するプロトン伝導性の電解質層と、
前記燃料室内に配置され、前記電流発生菌による前記燃料物質中の有機物の分解によって生じた電子を受け取る負極と、
前記電解質層に接して前記空気室内に配置され、酸素に電子を供与する正極と、を備える微生物燃料電池であって、
前記筐体の少なくとも一部に、前記外部環境と燃料室とを連通する開口部が形成されており、
前記開口部を開閉可能な開閉部を備えていることを特徴とする微生物燃料電池。
【請求項２】
発電時において、前記開閉部によって前記開口部が閉状態とな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】
前記微生物含有物質が、嫌気性細菌をさらに含み、
前記嫌気性細菌は、その代謝において、酸素を消費する、又は酸素以外の気体を生成する細菌であ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】
前記嫌気性細菌が、メタン発生菌であ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】
前記燃料室に補充燃料物質を時限的に放出する燃料時限放出機構、及び、前記空気室に酸素を時限的に放出する酸素時限放出機構、のうち少なくともいずれか一方を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項６】
前記筐体が、第１の開放部を有する第１の筐体と、第２の開放部を有する第２の筐体とからなっていると共に、前記第１の筐体の第１の開放部に、前記第２の筐体を第２の開放部側から挿入してなっており、
前記第１の筐体及び第２の筐体は、それぞれ内部に空間を有していると共に、それぞれ前記第１の開放部及び第２の開放部を除いて外部環境に対して内部の空間が遮断されており、
前記第１の筐体は、その内部の空間が前記燃料室となっており、
前記第２の筐体は、前記第２の開放部側から順に前記負極と、電解質層と、正極と、空気室とをその内部に備え、
前記第１の開放部において、前記第１の筐体と第２の筐体との間の空間が前記開口部となっており、
前記開閉部は、前記第２の筐体の外周表面に突出して設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項７】
前記空気室を形成する壁面の少なくとも一部に、該空気室と該空気室の外部環境とを連通する吸気口が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項８】
前記吸気口を開閉可能な吸気開閉部を備えていることを特徴とする請求項７に記載の微生物燃料電池。
【請求項９】
前記吸気口に接続された吸気管を備え、
前記吸気管に吸気開閉部が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の微生物燃料電池。
【請求項１０】
前記筐体は、前記微生物含有物質を撹拌する撹拌部を有する撹拌室をさらに備え、
前記撹拌室は、前記外部環境と燃料室との間に設けられ、
前記開口部が前記撹拌室に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１１】
前記電解質層の前記燃料室側に、該電解質層に隣接して配置された第２の層を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１２】
前記負極の前記開口部側に、該負極に隣接して配置された第３の層を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１３】
前記筐体が断熱部材で覆われていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１４】
前記微生物含有物質は水を含んでいると共に、水の凝固点を下げる不凍剤を含んでいることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１５】
前記開閉部は、前記開口部を開状態に保持する保持部材を備え、
前記保持部材は所定の外部環境に可溶な材料からなっており、
前記保持部材が溶解することによって前記開閉部が閉状態になることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１６】
前記筐体が、生分解性材料にてなっていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の微生物燃料電池。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の微生物燃料電池と、
前記微生物燃料電池の起電力によって駆動するセンサとを備え、
前記微生物燃料電池及びセンサは、前記微生物含有物質を含む燃料物質槽の中に配置されており、
前記センサが前記燃料物質槽の状態を検査している間、前記微生物燃料電池の開閉部が閉状態となることを特徴とする微生物燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料物質槽は、反応処理槽によって囲われた曝気槽となっていることを特徴とする請求項１７に記載の微生物燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の微生物燃料電池を複数備え、
前記微生物含有物質を搬送すると共に、前記複数の微生物燃料電池におけるそれぞれの前記開口部と接続された燃料配管を備え、
前記複数の微生物燃料電池が電気的に直列、並列、又は、直列及び並列に接続されていることを特徴とする微生物燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微生物燃料電池、及び微生物燃料電池を含むシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、嫌気性の電流発生菌の働きを利用した微生物燃料電池が知られている。微生物燃料電池は、電流発生菌が有機物を分解する過程で発生する電子を負極側で回収し、該電子が上記負極から外部回路を通じて正極へと移動し、上記電流発生菌が有機物を分解する過程で同時に発生するＨ＋イオン（プロトン）を正極側へと移動させ、正極側にてプロトンと酸素と電子とが反応し、これらにより発電するものである。
【０００３】
このような微生物燃料電池として、例えば、特許文献１には、ケーシング内にアノードとエアカソードとを設け、前記ケーシング内に燃料溶液を連続的に流入させる構成の微生物燃料電池が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ケーシング内に筒状の正極材を複数設け、それぞれの正極材をイオン伝導性膜で覆い、該イオン伝導性膜で覆われた筒状の正極材からなる複数の筒状体の間を埋めるように負極材がケーシング内に充填され、該負極材を燃料溶液が通液する構成の微生物燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−９５２７４号公報（２０１５年５月１８日公開）
【特許文献２】特開２０１１−６５８７５号公報（２０１１年３月３１日公開）
【特許文献３】特開２０１３−８４５４１号公報（２０１３年５月９日公開）
【特許文献４】特開２０１５−２１０９６８号公報（２０１５年１１月２４日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２に開示されている技術では、燃料溶液を連続的に供給する必要があり、燃料溶液を送液するためのポンプ機構が必要であった。そのため、ポンプを駆動させるためのエネルギーを使用するという問題があり、そして、使用条件が限られるというデメリットもあった。
【０００７】
また、嫌気性の電流発生菌を利用する負極（燃料極）近傍では、酸素濃度を低く保つ必要がある。それゆえ、燃料溶液の連続供給が行われる場合には、酸素濃度を低くした状態の燃料溶液を燃料極近傍に連続的に供給する必要があった。そのため、酸素濃度を低くした状態の燃料溶液を用意する工程も必要であった。
【０００８】
一方で、燃料溶液が定常的に供給されない微生物燃料電池も知られている。そのような微生物燃料電池では、ポンプ機構は不要であり得るが、長期的には燃料が枯渇し、発電が休止されることになる。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、燃料供給のためのポンプ等を必要とせず、かつ燃料極近傍を低酸素状態に保つことができ、安定的に発電を行うことができる微生物燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様における微生物燃料電池は、上記の課題を解決するために、外部環境に対して遮断された閉空間を形成する筐体と、前記閉空間を、電流発生菌、好気性細菌、及び燃料物質を含む微生物含有物質が配置される燃料室と、酸素を含む空気室と、に分割するプロトン伝導性の電解質層と、前記燃料室内に配置され、前記電流発生菌による前記燃料物質中の有機物の分解によって生じた電子を受け取る負極と、前記電解質層に接して前記空気室内に配置され、酸素に電子を供与する正極と、を備える微生物燃料電池であって、前記筐体の少なくとも一部に、前記外部環境と燃料室とを連通する開口部が形成されており、前記開口部を開閉可能な開閉部を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、燃料供給のためのポンプ等を必要とせず、かつ燃料極近傍を低酸素状態に保つことができ、安定的に発電を行うことができる微生物燃料電池を提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図２】上記微生物燃料電池の開閉部の例示的な構成を示す側面断面図である。
【図３】上記微生物燃料電池の開閉部の開閉状態と、燃料投入タイミングと、上記微生物燃料電池から負荷への給電の動作タイミングとを模式的に示すタイミングチャートである。
【図４】上記微生物燃料電池のアノード電極周辺における各種細菌の代謝を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態２における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図６】本発明の実施形態３における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図７】本発明の実施形態４における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図８】本発明の実施形態５における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図９】本発明の実施形態６における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１０】本発明の実施形態７における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１１】本発明の実施形態８における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１２】本発明の実施形態９における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１３】本発明の実施形態１０における微生物燃料電池システムの概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１４】本発明の実施形態１１における微生物燃料電池システムの概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１５】本発明の実施形態１２における微生物燃料電池の概略的な構成を示す側面断面図である。
【図１６】本発明の実施形態１２における微生物燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図１７】上記微生物燃料電池システムにおける各微生物燃料電池の動作タイミングによる出力電圧の変化を模式的に示すグラフである。
【図１８】上記微生物燃料電池システムにおける各微生物燃料電池の動作タイミングによる出力電圧の変化について別の一例を示すグラフである。
【図１９】本発明の実施形態１３における微生物燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２０】上記微生物燃料電池システムの微生物燃料電池ユニットの例示的な構成を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態１４における微生物燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２２】本発明の実施形態１５における微生物燃料電池システムの概略的な構成を示す側面断面図である。
【図２３】本発明の実施形態１６における微生物燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２４】上記微生物燃料電池システムの別の例を模式的に示す図である。
【図２５】上記微生物燃料電池システムの概略的な構成を示す側面断面図である。
【図２６】上記微生物燃料電池システムが発電モードの場合における微生物燃料電池及び太陽電池の動作タイミングによる出力電圧の変化を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書では、説明の便宜上、図面における紙面の上下方向を重力方向とし、以下の説明において「上」とは、重力方向における上方向を意味し、「横」は重力に対して水平な方向を意味するものとする。
【００１４】
〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について、図１〜図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００１５】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ａについて、図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１における微生物燃料電池１Ａの概略的な構成を示す側面断面図である。
【００１６】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ａは、図１に示すように、筐体２と、筐体２の内部空間を燃料室３及び空気室４に分割するイオン伝導層５と、燃料室３内に配置された微生物含有物質１０及びアノード電極２０と、空気室４に配置されたカソード電極３０と、を備えている。筐体２の上端の壁面には、開口部６が設けられており、該開口部６には開閉部７が設けられている。上記イオン伝導層５、アノード電極２０、及びカソード電極３０はそれぞれ、筐体２の対抗する２つの壁面の間にわたって略水平に設けられている。
【００１７】
また、微生物燃料電池１Ａは、アノード電極２０に電気的に接続されたアノード配線２１と、カソード電極３０に電気的に接続されたカソード配線３１とを備えており、該アノード配線２１及びカソード配線３１はそれぞれ、筐体２を貫通して外部に引き出されている。
【００１８】
筐体２の内部において、下から順に上記空気室４、カソード電極３０、イオン伝導層５、燃料室３、及び開口部６が設けられており、燃料室３の中ほどにアノード電極２０が設けられている。上記カソード電極３０とイオン伝導層５とは、互いに密着して設けられている。
【００１９】
尚、上記筐体２の内部における配置は、アノード電極２０とカソード電極３０との間にイオン伝導層５が存在する配置であればよく、特に制限されるものではない。例えば、アノード電極２０とイオン伝導層５とは互いに接触していてもよい。また、微生物燃料電池１Ａは、上から順に空気室４、カソード電極３０、イオン伝導層５、及びアノード電極２０が設けられている構成であってもよく、或いは、例えば左から右へと順にこれらが設けられている構成であってもよい。
【００２０】
微生物燃料電池１Ａは、概略的には、以下のような電池である。上記燃料室３内には、電流発生菌１１及び燃料物質１２を含む微生物含有物質１０が配置されており、該微生物含有物質１０とアノード電極２０とが互いに接触するようになっている。電流発生菌１１は、アノード電極２０に電子を供与することができる。また、空気室４は少なくとも酸素を含んでおり、該空気室４中の空気にカソード電極３０が暴露されている。また、イオン伝導層５は、アノード電極２０からカソード電極３０へのプロトンの移動を可能とする機能を有する層である。
【００２１】
このような微生物燃料電池１Ａによれば、アノード配線２１とカソード配線３１とが互いに電気的に接続されている状態において、後述する微生物燃料電池反応が生じて、微生物燃料電池１Ａの起電力が生じる、すなわち微生物燃料電池１Ａは発電する。
【００２２】
以下に、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａの各部材について説明する。
【００２３】
（筐体）
筐体２は、外部環境に対して遮断された閉空間を形成しており、横から見た側面断面が略正方形の形状となっている。本実施の形態の筐体２はこのような形状となっているが、筐体２は内部に空間を有していればよく、筐体２の形状は特に制限されない。例えば、筐体２は、直方体、円柱、又は球体の形状であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。
【００２４】
尚、上記外部環境としては、例えば、水、空気、又は土が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２５】
筐体２の材質は特に制限されないが、筐体２は、アノード電極２０とカソード電極３０との間での通電を防止するようになっていることが好ましく、絶縁体又は絶縁処理が施された材料であることが好ましい。
【００２６】
筐体２の材質の具体例として、一般的な樹脂（あるいはゴム）材料、フッ素系樹脂（あるいはゴム）材料、絶縁被膜付き金属材料、およびセラミック材料等を挙げることができる。中でも、低コストで耐腐食性が高いという理由から、筐体２の材質は、フッ素系樹脂（あるいはゴム）材料であることが望ましい。
【００２７】
また、筐体２は、セルロース系の高分子材料等、生分解性を有する材料からなっていても構わない。そのような生分解性材料とすることで、不要となった微生物燃料電池１Ａを回収する必要が無くなり、微生物燃料電池１Ａを使い捨て電池として使用することができる。
【００２８】
（燃料室）
燃料室３は、微生物含有物質１０が配置される空間となっている。また、燃料室３は、アノード電極２０を備えている。
【００２９】
燃料室３の上端の壁面をなす筐体２の一部には、筐体２の外部環境と燃料室３とを互いに連通する開口部６が設けられている。この開口部６を通じて、外部から燃料室３に微生物含有物質１０を供給することができる。また、該開口部６には、開口部６を開閉する開閉部７が設けられている。これら開口部６及び開閉部７について、詳しくは後述する。
【００３０】
また、燃料室３は、開口部６とは別に図示しない脱気機構が設けられていてもよい。例えば、微生物燃料電池１Ａを、微生物含有物質１０を含む燃料溶液中に沈めた場合に、上記脱気機構から燃料室３内の空気が抜けることによれば、開口部６を通じて微生物含有物質１０が燃料室３内に流入し易くすることができる。
【００３１】
本実施の形態の燃料室３は、微生物含有物質１０が隙間無く充填されている。尚、微生物燃料電池１Ａは、微生物含有物質１０が燃料室３に隙間を有して収容されていてもよい。微生物燃料電池１Ａが発電を行うためには、微生物含有物質１０とアノード電極２０とが互いに接触していればよい。
【００３２】
また、本発明の微生物燃料電池としては、燃料室３に微生物含有物質１０が収容されていない状態であって、微生物燃料電池反応が生じていない状態のものも含む。この状態では、微生物燃料電池１Ａの重量を比較的軽いものとすることができるため、輸送等を行う場合に都合が良い。
【００３３】
燃料室３に配置される微生物含有物質１０は、電流発生菌１１、及び細菌の代謝に使用される燃料物質１２を含んでいる。
【００３４】
微生物含有物質１０は、嫌気性の電流発生菌１１を豊富に含む土壌であることが望ましく、例えば腐葉土であることが望ましい。また、微生物含有物質１０は、含水率の高い、いわゆる泥状態であっても構わない。微生物含有物質１０は、汚水又は下水であっても構わない。
【００３５】
微生物含有物質１０に含まれる電流発生菌１１は、例えば、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ菌、Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ属細菌、Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘ  ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ、Ｄｅｓｕｌｆｏｂｕｌｂｕｓ  ｐｒｏｐｉｏｎｉｃｕｓ等、従来公知の嫌気性の電流発生菌から適宜選択することができる。その中でも、幅広い土壌中に豊富に含まれ、アノード電極２０へ電子を比較的容易に供与することができることから、電流発生菌１１としてはＳｈｅｗａｎｅｌｌａ菌が好適である。電流発生菌１１として、複数種の電流発生菌が微生物含有物質１０に含まれていてもよい。
【００３６】
また、微生物含有物質１０に、酸化または還元状態をもつと共に細胞膜透過性を有する電子伝達剤（メディエータ）が添加され、該メディエータが電流発生菌１１から電子を収奪してアノード電極２０へと電子を供給するようになっていてもよい。
【００３７】
上記燃料物質１２は、電流発生菌１１が代謝に使用する有機物ＯＭと水（Ｈ２Ｏ）とを少なくとも含んでいる。燃料物質１２は、微生物含有物質１０中に電流発生菌１１以外の各種微生物が含まれている場合には、それらの各種微生物が代謝に使用する物質も含んでいてもよい。有機物ＯＭとしては、例えば、グルコース、酢酸、及び乳酸等の炭化水素物、又はアミノ酸等が好ましい。有機物ＯＭは、複数種の有機物を含んでなっていてもよい。
【００３８】
上記微生物含有物質１０中において、電流発生菌１１は、代謝により有機物ＯＭを分解及び酸化すると共に、電子及びプロトンを発生させる。該電子は、アノード電極２０に供与される。上記プロトンは、微生物含有物質１０及びイオン伝導層５を通過してカソード電極３０へと移動する。
【００３９】
（アノード電極）
アノード電極２０における微生物含有物質１０と接触している部分には、上記電流発生菌１１が定着しており、該電流発生菌１１からアノード電極２０に電子が供与される。
【００４０】
このようなアノード電極２０としては、導電性を有し、かつ腐食性に優れる材料を用いればよい。このような材料として、例えば、ステンレス、白金、金、カーボン、ニッケル、チタン等の材料、又は、金属等の導電材料にステンレス、白金、金、カーボン、ニッケル、チタン等のコーティングを施したもの等を用いることができる。
【００４１】
或いは、アノード電極２０の材質として、カーボンフェルト、又はカーボンペーパー等を用いた場合には、電気抵抗を低くすることができ、微生物の吸着量も増やすことができる。また、このような材質によれば、貴金属材料を使用する場合よりもアノード電極２０の製造コストを低くすることができる。
【００４２】
また、アノード電極２０は、微細構造のもの、又はメッシュ状のもの等、投影面積よりも電極面積を大きなものとすることができる構造又は形状を有するものであることが好ましい。そのようなアノード電極２０によれば、アノード電極２０への微生物の吸着面積を増やすことができるため、大きな発電電流を得ることができる。本実施の形態のアノード電極２０は、筐体２の対抗する２つの壁面の間にわたって略水平に設けられている。
【００４３】
尚、アノード電極２０を構成する材質、及びアノード電極２０の形状等は、上記のものに限られない。
【００４４】
また、近年、酵素または微生物を電極触媒として使用して、微生物燃料電池の効率を向上させる方法が知られている。この方法に従って、アノード電極２０は、酵素または微生物を含む媒体によってコーティングされていてもよい。
【００４５】
また、アノード電極２０には、筐体２を貫通するアノード配線２１が電気的に接続されている。該アノード配線２１を通じて、微生物発電により発生した電気を外部に取り出すことができる。
【００４６】
アノード配線２１の材質は、耐腐食性の高いＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン、ニッケル、カーボン等であることが望ましく、また、絶縁性の樹脂等によって被覆されていることが望ましい。
【００４７】
（イオン伝導層）
微生物燃料電池１Ａは、上述のようにアノード電極２０とカソード電極３０との間に、電解質層としてのイオン伝導層５が存在する。
【００４８】
イオン伝導層５は、空気室４側から、アノード電極２０が配置されている燃料室３側への酸素の拡散を制限し、かつ燃料室３側から空気室４側へのイオンの移動を可能とする機能を有する層である。該イオンは、少なくともプロトンを含む。
【００４９】
また「イオン伝導層５」における「層」とは、微生物燃料電池１Ａの筐体２の上下方向に対し垂直な平面を含み、該平面において筐体２の内部空間の面積全域にわたって広がる層を指す。換言すれば、イオン伝導層５は、燃料室３と空気室４との間を仕切って、燃料室３と空気室４との間に隙間が形成されることが無いように設けられている。
【００５０】
イオン伝導層５は、燃料室３側から空気室４側へとプロトンを伝導することができ、かつ空気室４側から燃料室３側への酸素の拡散及び浸透を阻害できるものであればよく、特に限定されない。例えば、イオン伝導層５は、固体電解質であってもよく、電解質を含んだイオン伝導性膜であってもよい。また、イオン伝導層５は、電解質溶液をイオン伝導性膜で挟んでなっていてもよい。さらに、イオン伝導性や酸素透過性を適宜調整するために、イオン伝導層５は複数の物からなっていてもよく、この場合、燃料室３側のものと、空気室４側のものとが、互いに異なっていてもよい。
【００５１】
また、イオン伝導層５は、例えば、寒天に塩化カリウムまたは塩化ナトリウム等の塩を混入させることによって構成することができる。或いは、イオン伝導層５は、デュポン社製ナフィオン（登録商標）等を使用することができる。
【００５２】
イオン伝導層５としては、低コストである点、密に酸素を遮断できる点、塩分や密度の調整により材料の物性の調整が容易である点を考慮し、ハイドロゲル状のものが好ましい。
【００５３】
高分子材料を基材として、水分を多量に含むことにより形成されるハイドロゲルは、空気室４と燃料室３との間に配置することにより、空気室４側から侵入及び拡散する酸素のアノード電極２０への到達を物理的に遮断でき、かつプロトン伝導性に優れている。そのため、微生物燃料電池１Ａの内部抵抗を損なうことなく電池を構成できる。
【００５４】
また、ハイドロゲルの高分子構造、高分子材料、水分含有量、又はイオン強度等を調整することで、酸素透過度、イオン伝導性、及び柔軟性の調整が可能である。それゆえ、イオン伝導層５としてハイドロゲルを用いることで、微生物燃料電池１Ａの設計自由度を向上させることができる。
【００５５】
（空気室）
カソード電極３０が配置されている空気室４は、少なくとも酸素を含んでいる。空気室４には、大気が収容されていてもよいし、純酸素が収容されていてもよく、空気室４の酸素濃度は適宜調整されていてもよい。
【００５６】
空気室４は、筐体２及びイオン伝導層５によって周囲を囲まれて、外部環境から遮断されている。この場合、空気室４中の酸素は、カソード電極３０の反応により消費されるため、空気室４中の酸素濃度は、微生物燃料電池１Ａの発電に伴って経時的に減少する。
【００５７】
或いは、筐体２における空気室４の壁面部分には、外部環境と空気を交換することができる微細な吸気孔が設けられていてもよい。これによれば、空気室４内の酸素濃度を外部環境の酸素濃度レベルに維持することができる。
【００５８】
（カソード電極）
カソード電極３０は、カソード配線３１を通じて流入する電子と、イオン伝導層５を通じて供給されるプロトンとを用いて、空気室４中に含まれる酸素の還元を行うものである。このようなカソード電極３０としては、導電性を有しており、腐食性に優れると共に、電気化学的に酸素還元能を持つ材料が用いられる。このような材料として、例えば、ステンレス、白金、金、カーボン、ニッケル、チタン等の材料、又は、金属等の導電材料にステンレス、白金、金、カーボン、ニッケル、チタン等のコーティングを施したもの等を用いることができる。また、酸素還元能を有する酵素や微生物をコーティングした導電材料を電極に用いることもできる。
【００５９】
或いは、カソード電極３０の材質として、カーボンフェルト、又はカーボンペーパー等を用いた場合には、電気抵抗を低くすることができ、酸素還元可能な電極面積も増やすことができる。また、このような材質によれば、貴金属材料を使用する場合よりも低コストに抑えることができる。
【００６０】
さらには、微細構造、又はメッシュ状等、投影面積よりも電極面積を稼げる構造・形状を有するカソード電極３０を用いると、酸素との反応面積を増やすことができるため、大きな発電電流を得ることができる。
【００６１】
また、カソード電極３０には、フェロシアンイオン等の電子媒介物質（電子メディエーター）が、電極周辺に配置、又は電極に固定化されていてもよい。これによれば、電極における酸素の還元を円滑に行い、電流を向上させることもできるが、このような電子媒介物質は、必ずしも必要というわけではない。
【００６２】
尚、カソード電極３０を構成する材質、及びカソード電極３０の形状等は、上記のものに限られない。
【００６３】
また、カソード電極３０には、筐体２を貫通するカソード配線３１が電気的に接続されている。該カソード配線３１を通じて、筐体２の外部から電子をカソード電極３０に移動させることができる。
【００６４】
カソード配線３１の材質は、耐腐食性の高いＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン、ニッケル、カーボン等であることが望ましく、また、絶縁性の樹脂等によって被覆されていることが望ましい。
【００６５】
ここまで、微生物燃料電池１Ａの概略的な構成について説明してきた。以下に、一般的な微生物燃料電池の問題点、及び、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａの特徴的な構成について説明する。
【００６６】
ここで、一般的に、微生物燃料電池においては、以下のような問題があった。すなわち、燃料極としてのアノード電極の周辺における酸素の存在は、性能の低下を引き起こすため、従来の特許文献１又は特許文献２に記載の技術では、予めバブリング等の脱気処理を施して予め酸素濃度を低くした有機物含有溶液を流す必要があった。それゆえ、酸素濃度を低くした有機物含有溶液を用意する工程が必要であると共に、該溶液を送液するためのポンプ機構が必要となり、エネルギーを生成するためにエネルギーを使用するものとなっていた。
【００６７】
また、このような微生物燃料電池を同一燃料溶液に配置し直列接続を行おうとする場合には、セル間が個別に分離されていないため、電極間での短絡が生じて、直列化が阻害される恐れがある。つまり、イオン導電性を有する同一溶液内に複数の電極が入る場合、各電極が短絡し得る。このことについて具体的に説明すれば、次である。
【００６８】
例えば、一般的な微生物燃料電池のセルを２つ、同一溶液内にて、セル間が個別に分離されていない状態で直列に接続する場合を考える。この場合、１つめのセルの正極、１つめのセルの負極、２つめのセルの正極、２つめのセルの負極を直列に接続する。このとき、中間にある、１つめのセルの負極と２つめのセルの正極とは、同一溶液内において短絡してしまい、電池として取り出すことができるのは、１つめのセルの正極と２つめのセルの負極とからなる１セル分の電圧のみとなってしまう。
【００６９】
そのため、２つのセルを同一溶液内において、直列化することができない。直列化するためには、１つめのセルと２つめのセルとの溶液を、少なくともイオン伝導的に分離する必要がある。
【００７０】
同様に、微生物燃料電池の近傍に、電気化学的手段によって燃料溶液等のセンシングを行うセンサを配置する場合、電極間の短絡がセンシング精度を低下させ得る。
【００７１】
その一方で、燃料溶液が定常的に供給されない微生物燃料電池においては、ポンプ機構は不要であって、充分な燃料溶液を燃料極部分に封入させることによって発電が可能であるが、長期的には燃料が枯渇し、発電が休止されることとなるという問題があった。また、この場合にも、供給する燃料溶液の酸素濃度は、予め低くしておく必要があった。
【００７２】
これに対して、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａは、以下のような主要な構成を備えている。すなわち、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａは、筐体２が開口部６を備え、開口部６には開閉部７が設けられていると共に、微生物含有物質１０は少なくとも好気性細菌１３をさらに含んでいる。
【００７３】
以下に、これらの構成について詳細に説明する。
【００７４】
（開口部及び開閉部）
本実施の形態の微生物燃料電池１Ａは、燃料室３の上端の壁面をなす筐体２の一部に、筐体２の外部環境と燃料室３とを互いに連通する開口部６を備えている。この開口部６は、燃料室３の壁面に設けられていればよく、開口部６の位置は特に限定されない。開口部６は筐体２の側面に設けられていてもよい。また、開口部６の大きさに限定はなく、例えば筐体２の上面自体が開口部６を構成していても構わない。
【００７５】
この開口部６を通じて、燃料室３内に微生物含有物質１０を充分に供給することができる。微生物燃料電池１Ａの発電により微生物含有物質１０が減少した場合には、開口部６を通じて微生物含有物質１０を補充することができる。また、開口部６を通じて、微生物含有物質１０を新しいものと交換することもできる。
【００７６】
そして、上記開口部６には、開口部６を開閉する開閉部７が設けられている。開閉部７は、閉状態において、筐体２の外部環境と燃料室３内との間で水分及び酸素の移動がないように密封する機構となっていればよく。該密閉する機構は特に限定されない。例えば、開閉部７は、着脱及び密封可能なパッキン材によるキャップにより実現できる。また、該パッキン材を開口部６に対して押し当てる機構としては、（ｉ）開口部６に螺旋状の溝を設けて、開閉部７を螺子とする機構、（ｉｉ）開口部６と開閉部７とをヒンジにして片側を回動可能に固定する機構、（ｉｉｉ）開口部６に対して開閉部７をスライド可能とする機構、等であっても構わない。また、開閉部７は、弁を回転させて開口部６の開閉を選択するコック機構であっても構わない。
【００７７】
或いは、開閉部７は、例えば微生物燃料電池１Ａを、微生物含有物質１０を含む燃料溶液中に沈めた場合に、燃料溶液中の圧力によって閉状態となるように構成されていてもよい。
【００７８】
また、開閉部７は、閉状態において、燃料室３内の内圧が所定値よりも高くなった場合に、一時的に開状態となって内部の気体を外部環境に放出するようになっていてもよい。
【００７９】
開閉部７の例示的な構成について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａの開閉部７の例示的な構成を模式的に示す側面断面図である。このような開閉部７は、主に外部環境が水中等の液体である場合に好適に用いることができる。
【００８０】
開閉部７は、図２に示すように、開口部６の周辺において、筐体２に連結するベース部４０と、キャップ材４１と、キャップ材４１を開口部６に向けて押しつける弾性体４２と、キャップ材４１及び開口部６の互いの間に挿入される保持部材としてのスペーサ４３と、によって構成される。ベース部４０は、筐体２から連結して突出して、ある程度の高さで直角に折れ曲がったＬ字型の形状にてなっている。
【００８１】
キャップ材４１が開口部６に密着することによって、開口部６が密封されるが、スペーサ４３が設けられている状態において、このキャップ材４１と開口部６との間には隙間が存在する。この場合、開閉部７は開状態であって、開口部６を通じて燃料室３内に外部環境から物質を取り込むことが可能である。すなわち、スペーサ４３は、開閉部７を開状態に保持している。
【００８２】
このスペーサ４３は、外部からの操作で引きぬけるもので構成しても構わない。スペーサ４３がなくなると、弾性体４２によってキャップ材４１が筐体２に押しつけられ、開口部６は密封される。
【００８３】
或いは、スペーサ４３は、外部環境によって分解もしくは溶解する材料で構成してもよい。例えば、スペーサ４３は水に可溶な材料で構成されており、水分を含む外部環境に筐体２を浸漬する場合には、燃料室３内に外部環境の物質を取り込んだ後に、スペーサ４３が時間差で溶解し、開口部６を密封するように構成されていてもよい。
【００８４】
（開閉部の動作）
上記開閉部７の動作について、図３を用いて説明すれば、以下のとおりである。図３は、微生物燃料電池１Ａの開閉部７の開閉状態と、燃料投入タイミングと、微生物燃料電池１Ａから負荷への給電の動作タイミングとを模式的に示すタイミングチャートである。この燃料とは、微生物含有物質１０を意味する。
【００８５】
開閉部７は、燃料投入時（時刻Ｔ１〜Ｔ２）に開の状態となり、発電時（時刻Ｔ２〜Ｔ３）には閉の状態となる。そして、開閉部７は、その後、再び燃料を投入する時（時刻Ｔ３〜Ｔ４）に開の状態となる。尚、開閉部７は、燃料投入時に一時的に閉になっていてもよく、また、発電時に一時的に開となっていてもよい。すなわち、開閉部７は、発電時に少なくとも一時は閉状態となる。
【００８６】
このように、開閉部７が燃料投入後に閉状態となることにより、微生物含有物質１０が配置される燃料槽としての燃料室３が密閉される。
【００８７】
以上のような開口部６及び開閉部７によれば、燃料室３に微生物含有物質１０を供給することができると共に、密閉することができ、外部環境からの酸素の混入を防止することができる。そのため、ポンプ機構は不要であると共に、燃料が枯渇することがなく長期的に発電を行うことができる。
【００８８】
尚、上記の構成に限らず、微生物燃料電池１Ａは開口部６を複数備えていてもよく、各開口部６に開閉部７が設けられていてもよい。
【００８９】
ここで、電流発生菌１１の働きを強め、微生物燃料電池１Ａの効率を高くするためには、上述のように燃料室３内の酸素濃度を低くする必要がある。そこで、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａの微生物含有物質１０は、電流発生菌１１及び燃料物質１２にさらに加えて、少なくとも好気性細菌１３を含んでいる。
【００９０】
また、微生物含有物質１０は、上記好気性細菌１３に加えて、さらに電流発生菌１１以外の嫌気性の細菌である嫌気性細菌１４を含んでいることが好ましい。尚、微生物含有物質１０がこれらの細菌を含む場合には、燃料物質１２は、好気性細菌１３又は嫌気性細菌１４の代謝に必要な物質を含んでいる。
【００９１】
（好気性細菌）
好気性細菌１３は、例えば、乳酸菌、酵母、又は納豆菌等であり、従来公知の適宜の好気性の細菌から適宜選択することができる。好気性細菌１３は、代謝により酸素を消費すると共に、二酸化炭素を生成して燃料室３内の二酸化炭素分圧を上げる。
【００９２】
これにより、微生物含有物質１０中の酸素濃度を低くすることができ、嫌気性の電流発生菌１１にとって好適な環境を作り出すことができる。したがって、電流発生菌１１が活性化し、微生物燃料電池１Ａの発電量を大きくすることができる。
【００９３】
尚、好気性細菌１３として、複数種の好気性の細菌が微生物含有物質１０に含まれていてもよい。
【００９４】
（嫌気性細菌）
嫌気性細菌１４は、代謝によって、酸素を消費する細菌、又は酸素以外の気体を生成する細菌であればよく、例えば、アルコール発酵、メタン発酵、水素発酵等を行う嫌気性の細菌を用いることができる。
【００９５】
嫌気性細菌１４として、例えばメタン発生菌を用いることができる。メタン発生菌は、例えば、水素、ギ酸、酢酸、２−プロパノール、２−ブタノール、メチルアミン類、メタノール、等を利用して代謝によりメタンと二酸化炭素とを生成する。
【００９６】
このようなメタン発生菌を含む場合には、メタン発生菌が利用可能なこれらの基質を燃料物質１２が含んでいればよい。これにより、メタン発生菌がメタン及び二酸化炭素を生成して、微生物含有物質１０中の酸素濃度をさらに低くすることができる。
【００９７】
或いは、メタン発生菌以外の種類の嫌気性細菌１４においても同様に、生成したガスによって、微生物含有物質１０中の酸素濃度を低くすることができる。
【００９８】
また、好気性細菌１３又は嫌気性細菌１４の代謝によって生成する物質が、電流発生菌１１が利用可能な有機物ＯＭであるような場合には、より効率のよい微生物燃料電池とすることができる。例えば、微生物含有物質１０が乳酸菌を含む場合には、乳酸菌が生成する乳酸を用いて電流発生菌１１は電子を生成することができる。
【００９９】
以上のような構成の微生物燃料電池１Ａにおいて、外部回路を通じてアノード配線２１とカソード配線３１とを互いに接続することにより、以下のような微生物燃料電池反応が生じて電力を取り出すことができる。
【０１００】
（微生物燃料電池反応）
本実施の形態の微生物燃料電池１Ａにおける、微生物燃料電池反応について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図４は、微生物燃料電池１Ａのアノード電極２０の周辺における各種細菌の代謝を模式的に示す図である。尚、本実施の形態の微生物含有物質１０は嫌気性細菌１４としてメタン発生菌を含んでいるが、嫌気性細菌１４は必須の構成ではない。
【０１０１】
微生物含有物質１０に含まれる、嫌気性の電流発生菌１１（例えば上述のＳｈｅｗａｎｅｌｌａ菌等）はアノード電極２０に吸着し、微生物含有物質１０内に含まれる炭化水素物（例えばグルコース又は酢酸等）、又はアミノ酸等の有機物ＯＭを代謝（酸化）する際に、電子伝達系から電子（ｅ−）がアノード電極２０へと放出される（反応Ｒ１）。尚、酸化後の有機物ＯＭは酸化体となる。この電子（ｅ−）が外部回路を通じてカソード電極３０へと到達することで発電が起こる。
【０１０２】
ここで、アノード電極２０の周辺には酸素Ｏｘが存在し得る。上記開口部６から燃料室３内に供給された微生物含有物質１０は、特に微生物含有物質１０に予めバブリング等の脱気処理を施していない場合には、微生物含有物質１０中の酸素Ｏｘ濃度は比較的高いものであり得る。また、空気室４に含まれる酸素Ｏｘのうち一部は、カソード電極３０で消費されずにイオン伝導層５を追加して、微生物含有物質１０を通過又は拡散して、アノード電極２０側へと向かって移動し得る。このようにアノード電極２０の周辺に酸素Ｏｘが存在する場合には、嫌気性の電流発生菌１１の活性が低くなってしまう。
【０１０３】
本実施の形態の微生物含有物質１０は、上述のように、少なくとも好気性細菌１３をさらに含んでいる。そのため、該好気性細菌１３の代謝によって微生物含有物質１０内の酸素を消費することができる（反応Ｒ２）。
【０１０４】
反応Ｒ２により、微生物含有物質１０内の酸素濃度を下げることにより、アノード電極２０の近傍では、酸素濃度を低く保つことができ、電極触媒として利用する嫌気性の電流発生菌１１の活性化を促すことができる。
【０１０５】
また、本実施の形態の微生物含有物質１０は、さらに嫌気性細菌１４としてメタン発生菌を含んでいることにより、該メタン発生菌の代謝によって微生物含有物質１０内の有機物ＯＭからメタンと二酸化炭素とを生成する（反応Ｒ３）。これにより、微生物含有物質１０中の酸素濃度をさらに低くすることができる。
【０１０６】
一方、電子（ｅ−）と同時に生成したプロトン（Ｈ＋）は微生物含有物質１０及びイオン伝導層５を通過し、カソード電極３０へと達する。電子（ｅ−）、プロトン（Ｈ＋）、並びに空気中および水中の酸素（Ｏ２）がカソード電極３０上で反応し、水（Ｈ２Ｏ）が生成される（反応Ｒ４）。反応Ｒ１〜反応Ｒ４をそれぞれ以下に示す。
【０１０７】
（有機物ＯＭ）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ＋＋ｅ−    ・・・（反応Ｒ１）
（有機物ＯＭ）＋Ｏ２→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ    ・・・（反応Ｒ２）
（有機物ＯＭ）→ＣＨ４＋ＣＯ２    ・・・（反応Ｒ３）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ    ・・・（反応Ｒ４）
このように、本実施の形態の微生物燃料電池１Ａによれば、上記好気性細菌１３の反応Ｒ２等によって微生物含有物質１０内の酸素が消費され、微生物含有物質１０中の酸素濃度を低くすることができる。また、開閉部７によって燃料室３を密閉することができる。
【０１０８】
そのため、微生物含有物質１０の酸素濃度を低くすることができ、嫌気性の電流発生菌１１にとって好適な環境を作り出すことができる。その結果、電流発生菌１１が活性化し、微生物燃料電池１Ａの発電量を大きくすることができる。
【０１０９】
それゆえ、微生物含有物質１０は予め低酸素状態のものを用意する必要がなく、設置が容易で場所を問わず電力を取り出すことのできる微生物燃料電池１Ａを提供することができる。
【０１１０】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ａ用いることによれば、電力供給が困難な場所においても、安価な施工費で自発電によるセンサなどを設置することが可能になる。また、ポンプ等の燃料送液機構を不要とできるため、低コストでかつ正味発電量の大きな微生物燃料電池とすることができる。
【０１１１】
また、燃料室３内に微生物含有物質１０を供給することができるため、燃料室３内の燃料が枯渇することを防止することができ、微生物燃料電池１Ａを長寿命なものとすることができる。そして、燃料室３内の燃料濃度を過剰なものとすることなく、微生物燃料電池１Ａは運転することができるため、燃料ロスが少ないものとすることができる。それゆえ、微生物燃料電池１Ａは、微生物含有物質１０内の微生物環境を乱すことなく、安定して発電を行うことができる。
【０１１２】
したがって、燃料供給のためのポンプ等を必要とせず、かつ燃料極近傍を低酸素状態に保つことができ、安定的に発電を行うことができる微生物燃料電池１Ａを提供することができる。
【０１１３】
さらには、複数の微生物燃料電池１Ａを電気的に接続する場合、各微生物燃料電池１Ａが個別に分離されているため、電極間の短絡が生じ難く、複数の微生物燃料電池１Ａを電気的に直列化することができる。また、微生物燃料電池１Ａを燃料溶液内に沈めて使用する場合に、電気化学センサ等によって燃料溶液をセンシングする上で、電極間の短絡によるセンシング精度の低下が生じ難いものとすることができる。
【０１１４】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１５】
図５は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｂの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｂは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の筐体２に代えて、第１の筐体２ａと第２の筐体２ｂとを備えている。第１の筐体２ａ及び第２の筐体２ｂは、筐体２が有していた開口部６に代えて、２つの筐体間に開口部５０を有している。また、微生物燃料電池１Ｂは、微生物燃料電池１Ａの開閉部７に代えて、開閉部５１を備えている。
【０１１６】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ｂは、図５に示すように、第１の開放部５２を有する第１の筐体２ａと、第２の開放部５３を有する第２の筐体２ｂとを備えていると共に、第１の筐体２ａの第１の開放部５２に、第２の筐体２ｂを第２の開放部５３側から挿入してなっている。
【０１１７】
第１の筐体２ａは、内部に空間を有していると共に、第１の開放部５２を除いて外部環境に対して内部の空間を遮断している。この内部の空間は燃料室３となっている。燃料室３には、微生物含有物質１０が充填されている。
【０１１８】
第２の筐体２ｂは、内部に空間を有していると共に、第２の開放部５３を除いて外部環境に対して内部の空間を遮断している。第２の筐体２ｂは、この内部の空間に、第２の開放部５３側から順に、アノード電極２０、イオン伝導層５、カソード電極３０、及び空気室４を備えている。
【０１１９】
本実施の形態では、アノード電極２０、イオン伝導層５、及びカソード電極３０は互いに密着して設けられている。アノード電極２０とイオン伝導層５とは、互いに離間して設けられていてもよい。
【０１２０】
また、第２の筐体２ｂは、第２の筐体２ｂの外周表面の一部に突出して設けられた開閉部５１を備えている。
【０１２１】
微生物燃料電池１Ｂは、第１の筐体２ａに第２の筐体２ｂを挿入して、上記第１の開放部５２において、第１の筐体２ａと第２の筐体２ｂとの間に、開口部５０が形成されている。
【０１２２】
上記開閉部５１は、第１の筐体２ａ内に第２の筐体２ｂをある程度挿入した場合に、開口部５０と密着して密封することができるようになっている。これにより、第２の筐体２ｂを第１の筐体２ａに対して抜き差しすることにより、開閉部５１によって、開口部５０を開閉することができる。
【０１２３】
このような構成にすることにより、アノード電極２０、イオン伝導層５、及びカソード電極３０を一度に交換することができるため、メンテンナンス性のよい微生物燃料電池１Ｂとすることができる。
【０１２４】
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び実施の形態２と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１及び実施の形態２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１２５】
図６は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｃの概略的な構成を示す側面断面図である。
微生物燃料電池１Ｃは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、燃料室３内に燃料時限放出器６０を備えている点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１２６】
燃料時限放出器６０は、電流発生菌１１が代謝に使用可能な物質を少なくとも含む補充燃料物質を、燃料室３内に、徐放、又は、任意若しくは所定のタイミングで時限的に放出するものである。該補充燃料物質は、有機物ＯＭ及び水のうち少なくともどちらか一方を含んでいる。また、上記補充燃料物質は、微生物含有物質１０に含まれる各種微生物が代謝に利用できる物質を含んでいてもよい。
【０１２７】
上記の構成によれば、燃料室３内に微生物含有物質１０を充填した後に、開閉部７を動作させることなく持続的に燃料の補充を行うことができる。そのため、長期間メンテナンスフリーな微生物燃料電池を構成することができる。その結果、微生物燃料電池１Ｃを、長寿命なものとすることができる。ここで、燃料とは、微生物含有物質１０中の電流発生菌１１が使用することができる物質を少なくとも意味し、電流発生菌１１以外の微生物が代謝に使用する物質を含んでいてもよく、本明細書において以下同様である。
【０１２８】
燃料時限放出器６０は、燃料室３内に、補充燃料物質の徐放、又は、任意若しくは所定のタイミングでの補充燃料物質の放出を行えるものであれば、特に構成は限定されないが、例えば、燃料を分解性材料で燃料室３内に接着したもの、又は燃料を分解性材料で被覆したもの等を用いることができる。
【０１２９】
上記分解性材料は、例えば、加水によって分解する性質、光によって分解する性質、熱によって分解する性質、酸化によって分解する性質等を有する材料である。
【０１３０】
或いは、燃料時限放出器６０は、微生物燃料電池１Ｃの外部からの刺激によって、燃料室３内に燃料を放出するものであってもよい。 
【０１３１】
また、燃料時限放出器６０は、燃料室３内の微生物含有物質１０に接触する部分に燃料濃度検知部（図示せず）を設けておき、燃料室３内、又は微生物含有物質１０中の燃料濃度が所定の閾値よりも低下した場合に、燃料室３内に燃料を放出するようになっていてもよい。
【０１３２】
また、燃料時限放出器６０は、筐体２に連結して設けられていると共に燃料が貯蔵されている燃料貯蔵槽（図示せず）として構成されていてもよく、この場合には、上記燃料貯蔵槽から適宜移送された燃料が燃料室３内に供給される。
【０１３３】
また、燃料時限放出器６０を複数個配置してもよく、これによれば、該複数の燃料時限放出器６０から燃料室３内への燃料の放出タイミングを変えることで、より長期にわたって発電可能な微生物燃料電池１Ｃを提供することができる。
【０１３４】
このような各燃料時限放出器６０から燃料室３内への燃料の放出タイミングを変える方法としては、例えば、燃料を分解性材料で被覆もしくはキャップする際に、その分解性材料の組成や厚みを変えることが挙げられる。
【０１３５】
ここで、電流発生菌１１の増殖速度は、燃料の濃度が高いほど大きくなる。そのため、一度に燃料の濃度を大きく上げると、それに応じて電流発生菌１１の増殖速度も上昇してしまい、燃料消費速度も上昇する。この場合には、必ずしも微生物燃料電池１Ｃは長寿命なものとならない。したがって、燃料時限放出器６０は、所望量の燃料を長期又は複数回にわたって燃料室３内に放出する必要がある。
【０１３６】
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態３と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態３の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１３７】
図７は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｄの概略的な構成を示す側面断面図である。
【０１３８】
微生物燃料電池１Ｄは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、空気室４内に酸素時限放出器６１を備えている点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１３９】
酸素時限放出器６１は、空気室４内に、酸素の徐放、又は、任意若しくは所定のタイミングで時限的に酸素の放出を行えるものであれば、特に構成は限定されないが、例えば、過酸化マグネシウム等の材料を用いて酸素を徐放することにより構成することができる。
【０１４０】
このような酸素時限放出器６１により、空気室４が密閉状態にあっても、酸素の補充を行うことができ、長期間メンテナンスフリーな微生物燃料電池１Ｄを構成することができる。
【０１４１】
或いは、酸素時限放出器６１は、微生物燃料電池１Ｄの外部からの刺激によって空気室４内に酸素を放出するものであってもよい。 
【０１４２】
また、酸素時限放出器６１は、空気室４内に酸素濃度検知部（図示せず）を設けておき、空気室４内の酸素濃度が所定値よりも低下した場合に、空気室４内に酸素を放出するようになっていてもよい。
【０１４３】
また、酸素時限放出器６１は、筐体２に連結して設けられ酸素を放出することができる酸素槽（図示せず）として構成されていてもよく、この場合には、上記酸素槽から適宜移送された酸素が空気室４内に供給される。上記酸素槽は、酸素ボンベ又は酸素発生器等であってもよい。
【０１４４】
また、酸素時限放出器６１を複数個配置してもよく、これによれば、該複数の酸素時限放出器６１から空気室４内への酸素の放出タイミングを変えることで、より長期にわたって発電可能な微生物燃料電池１Ｄを提供することができる。
【０１４５】
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態４と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態４の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１４６】
図８は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｅの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｅは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の筐体２に代えて、筐体２ｃを備えており、該筐体２ｃは、粉砕撹拌室６２及び粉砕撹拌室６２内に設けられた撹拌部６２ａを備え、粉砕撹拌室６２の出口は燃料室３と連通している。
【０１４７】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ｅは、図８に示すように、筐体２ｃは、粉砕撹拌室６２を備えており、粉砕撹拌室６２の上面には開口部６及び開閉部７が設けられている。また、燃料室３を形成する壁面の少なくとも一部に燃料室開口部６３が設けられており、該燃料室開口部６３と粉砕撹拌室６２の出口とは、互いに接続している。
【０１４８】
粉砕撹拌室６２の中央部には、粉砕撹拌室６２内の物質を撹拌可能な撹拌部６２ａが設けられている。撹拌部６２ａは、例えばファンである。撹拌部６２ａは、粉砕撹拌室６２内の物質を撹拌可能であれば、既知の構成を適用して構成することができる。
【０１４９】
粉砕撹拌室６２は生ごみ等の材質を細かくできるようになっていればよいが、刃が回転することで対象物を切り刻むミキサー方式や、対向する溝同士で対象物をすり潰す臼方式であることが望ましい。
【０１５０】
また粉砕撹拌室６２は、燃料室３内を撹拌して養分を対流させる機能を兼ねる。微生物含有物質１０が対流することにより、電流発生菌１１の代謝効率が上がり、発電効率を向上させることができる。
【０１５１】
また撹拌部６２ａは図示しないハンドルによって手動運転されてもよいし、図示しないモーターによって電動運転されても構わない。電動運転の場合、駆動電源の一部に微生物燃料電池１Ｅの起電力が用いられても構わない。
【０１５２】
上記の構成によれば、粉砕撹拌室６２を備えることで、例えば生ごみ等の有機物を粉砕し、燃料として利用しやすい状態の燃料物質１２とすることができる。該燃料物質１２を微生物含有物質１０として燃料室３内に供給することができる。これにより、多種多様な有機物質を燃料として用いることができる。
【０１５３】
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態５と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態５の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１５４】
図９は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｆの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｆは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、フィルタ層６４を備えている点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１５５】
フィルタ層６４は、イオン伝導層５に隣接して燃料室３側に配置され、イオン伝導層５が微生物含有物質１０によって汚染されることを防止することができる。
【０１５６】
フィルタ層６４は多層構造であっても構わないが、薄いほうが好ましい。フィルタ層６４は、水分若しくはイオンを透過する材料であることが好ましい。また、フィルタ層６４は、メッシュ状の形状のイオン伝導体であることが好ましい。
【０１５７】
これにより、様々な物質を含む微生物含有物質１０を燃料溶液として用いた場合であっても、イオン伝導層５を長期間清浄に保つことができ、長期間安定して発電を行う微生物燃料電池１Ｆを構成することができる。
【０１５８】
〔実施形態７〕
本発明の他の実施形態について、図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態６と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態６の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１５９】
図１０は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｇの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｇは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、アノードフィルタ層６５を備えている点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１６０】
アノードフィルタ層６５は、アノード電極２０に隣接して開口部６側に配置され、アノード電極２０が微生物含有物質１０によって目詰まりすることを防止することができる。
【０１６１】
アノードフィルタ層６５は多層構造であっても構わないが、薄いほうが好ましい。アノードフィルタ層６５は、水分若しくはイオンを透過する材料であることが好ましい。また、アノードフィルタ層６５は、メッシュ状の形状のイオン伝導体であることが好ましい。
【０１６２】
これにより、様々な物質を含む微生物含有物質１０を燃料溶液として用いた場合であっても、アノード電極２０の目詰まりを防止することができ、長期間安定して発電を行う微生物燃料電池１Ｇを構成することができる。
【０１６３】
〔実施形態８〕
本発明の他の実施形態について、図１１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態７と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態７の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１６４】
図１１は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｈの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｈは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、筐体２の周囲を覆う断熱部材としてのカバー６６を備えている点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１６５】
カバー６６は、筐体２を外部環境から保護するように覆っている。カバー６６により、外気候から筐体２内部の空間を守ることができる。カバー６６の材質は、防水性及び保温性の高い材料が好ましく、例えば樹脂、ゴム、発泡剤などを用いることができる。なお、複数の微生物燃料電池１Ｈを電気的に接続する場合には、カバー６６は微生物燃料電池１Ｈをそれぞれ覆っていてもよいし、複数の微生物燃料電池１Ｈの全てを１つのカバー６６がまとめて覆っていてもよい。
【０１６６】
また、本実施の形態のカバー６６は、筐体２と密着して設けられているが、カバー６６と筐体２とは互いに離間して設けられていてもよい。
【０１６７】
ここで、外気候が微生物含有物質１０に及ぼす影響としては、以下のようなものがある。すなわち、微生物含有物質１０は、水分を含み、流動性やイオン伝導性を有することが望ましいが、外気候の影響により水分が凍結すると、電池性能に影響を及ぼす場合がある。
【０１６８】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ｈは、カバー６６を備え、断熱構造としている。そのため、そのような影響をなくすことができる。
【０１６９】
また、上記の観点からすれば、微生物含有物質１０は水分と別に凝固点降下剤６７を含有していることが好ましい。凝固点降下剤６７を備えることにより、水が凍結する環境下においても微生物含有物質１０中の水分の凍結を防止し、流動性やイオン伝導性を確保することが可能になる。凝固点降下剤６７は、水に対する溶質であってもよく、例えば塩等であり得る。或いは、凝固点降下剤６７は、アルコール類などの有機溶媒であっても構わない。
【０１７０】
〔実施形態９〕
本発明の他の実施形態について、図１２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態８と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態８の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１７１】
図１２は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｉの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｉは、微生物燃料電池１Ａ（図１参照）の構成に加え、空気室４の壁面の一部に、空気室４と空気室４の外部環境とを連通する吸気口７０が設けられており、吸気口７０が吸気管７１と接続している点で、微生物燃料電池１Ａと相違する。
【０１７２】
本実施の形態の微生物燃料電池１Ｉは、図１２に示すように、微生物混合含有槽７３内に設置されている。また、図１２において、微生物燃料電池１Ｉは、図１に示す微生物燃料電池１Ａとは上下が逆に示されている。
【０１７３】
吸気口７０は、空気室４の壁面の少なくとも一部に設けられている。本実施の形態の微生物燃料電池１Ｉでは、吸気口７０は吸気管７１と接続されている。吸気管７１は中空状の配管やチューブのようなものであればよいが、防水性に優れた金属やプラスチック材料が好ましい。また吸気管７１内を、図示しないアノード配線及びカソード配線が通っていてもよい。
【０１７４】
この吸気管７１の先端を、例えば大気に露出させることによって、微生物燃料電池１Ｉが微生物混合含有槽７３内に設置されている状態において、空気室４に酸素を供給することができる。吸気管７１の長さは、使用する条件に応じて適宜設計すればよい。
【０１７５】
尚、吸気管７１が設けられていなくともよい。この場合には、吸気口７０が大気に直接露出するようにすればよい。
【０１７６】
吸気管７１は、吸気開閉部７２を備えていても構わない。吸気開閉部７２は、任意または所定のタイミングにおいて開状態とすることができ、空気室４に酸素を供給することができる。吸気開閉部７２は、吸気管７１の先端が微生物混合含有槽７３内にあるときには閉状態となっていればよい。
【０１７７】
尚、吸気管７１が設けられておらず、吸気口７０に吸気開閉部７２が設けられている構成であってもよい。
【０１７８】
微生物混合含有槽７３は、燃料室３内にて微生物含有物質１０とすることができる。
【０１７９】
開閉部７を開状態にすることにより、微生物混合含有槽７３から燃料室３内に微生物含有物質１０を供給することができる、又は、燃料室３内の微生物含有物質１０を交換することができる。
【０１８０】
このように、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｉは，吸気管７１を備えることで、微生物混合含有槽７３内に設置した場合でも、空気室４に酸素の供給を行うことができるため、カソード電極３０周辺の酸素の欠乏を防ぐことができ、長期にわたって使用可能な微生物燃料電池とすることができる。
【０１８１】
〔実施形態１０〕
本発明の他の実施形態について、図１３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態９と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態９の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８２】
図１３は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ａの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池システム１００Ａは、図１３に示すように、微生物燃料電池１Ｉと、微生物燃料電池１Ｉの発電によって駆動されるセンサ８０とを備えており、微生物燃料電池１Ｉ及びセンサ８０が微生物混合含有槽７３内に配置されている。
【０１８３】
尚、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｉは、前記実施の形態９に示した微生物燃料電池１Ｉ（図１２参照）と同様の構成である。
【０１８４】
微生物混合含有槽７３は有機物と、嫌気性細菌及び好気性細菌とを豊富に含む土壌や泥である。つまり、微生物混合含有槽７３は、微生物含有物質１０を含んでいる。
【０１８５】
開閉部７を開状態にすることにより、周囲の微生物混合含有槽７３を、微生物含有物質１０として燃料室３内に取り込むことができる。
【０１８６】
センサ８０は微生物混合含有槽７３の状態をセンシングするデバイスであり、センサ８０への給電時には開閉部７を閉の状態にすることで、微生物混合含有槽７３と微生物含有物質１０との間を電気化学的にショートすることなく、センサ８０を駆動することが可能になる。センサ８０の検知結果は、図示しない通知手段によって外部に通知されても構わない。またその通知手段も微生物燃料電池による起電力で駆動されるのが望ましい。センサ８０は、例えばＰＨや特定物質の濃度を検出するセンサデバイスであって、通知手段は、例えば無線送信機である。
【０１８７】
また、図１３において、微生物混合含有槽７３は反応処理槽８２に囲われていても構わない。筐体２は反応処理槽８２に対して重りやアンカー８１によって設置されている。ここで、反応処理槽８２は特に好気性細菌を活性化させるために酸素Ｏｘを供給する機構を備えていても構わない。これは一般的に水処理場における曝気槽といわれる。
【０１８８】
この場合において、上述の通り、開閉部７が閉状態であれば、燃料室３内の微生物含有物質１０は、微生物混合含有槽７３とは異なり、電流発生菌１１の活性を高い状態にすることができ、反応処理槽８２が曝気槽であっても発電可能にすることができる。
【０１８９】
このように、微生物燃料電池システム１００Ａは、微生物混合含有槽７３を燃料室３内に供給して、微生物含有物質１０とした場合であっても、センサ８０への給電時に開閉部７を閉状態にすることにより、微生物混合含有槽７３と微生物含有物質１０との間を電気化学的にショートすることなくセンサ８０を駆動することが可能になる。
【０１９０】
〔実施形態１１〕
本発明の他の実施形態について、図１４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１０と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１０の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１９１】
図１４は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｂの概略的な構成を示す側面断面図である。
【０１９２】
微生物燃料電池システム１００Ｂは、図１４に示すように、複数の微生物燃料電池１Ｊが並列に電気的に接続されている。この微生物燃料電池１Ｊは、前記微生物燃料電池１Ａ〜１Ｉのいずれの構成であってもよい。
【０１９３】
尚、微生物燃料電池１Ｊが、直列、又は、直列及び並列に接続されている構成であってもよい。
【０１９４】
それぞれの微生物燃料電池１Ｊの開口部６は、燃料供給管９１によって、それぞれ燃料配管９３に接続されている。
【０１９５】
燃料配管９３は、微生物含有物質１０を搬送する。それぞれの微生物燃料電池１Ｊの燃料室３内に、燃料配管９３から微生物含有物質１０を供給することができる。
【０１９６】
それぞれの微生物燃料電池１Ｊの開口部６は開閉部９２により開閉することができる。燃料供給管９１は燃料配管９３に対して接点９３ａで着脱可能であっても構わない。
【０１９７】
複数の微生物燃料電池１Ｊのアノード配線２１は、アノード接点２２によって共通アノード配線２３にそれぞれ接続される。また、同様に複数の微生物燃料電池１Ｊのカソード配線３１は、カソード接点３２によって共通カソード配線３３にそれぞれ接続される。
【０１９８】
また、アノード接点２２、カソード接点３２をコネクタ接続とすることにより任意の配線変更、又は微生物燃料電池１Ｊの交換などのメンテンナンス作業が容易になる。
【０１９９】
複数の微生物燃料電池１Ｊが電気的に接続されることにより、微生物燃料電池システム１００Ｂは大きな出力を発生させることができる。また、燃料配管９３を設けることで、燃料液を各々の微生物燃料電池１Ｊの燃料室３に一度に充填することができる。さらに、開閉部９２により、各微生物燃料電池１Ｊの燃料室３を密閉させることができるため、燃料室３への酸素の流入を防ぐことができ、また各々の燃料室３がショートすることを回避することもでき、直列化を可能とする。
【０２００】
〔実施形態１２〕
本発明の他の実施形態について、図１５〜図１８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１１と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２０１】
従来、クリーンエネルギーやエネルギーハーベストとしての微生物燃料電池の開発が進められている。例えば、特許文献３のように、微生物燃料電池によって泥からの発電を行うと共に、微生物燃料電池を乾電池と直列に接続することで、長寿命化を図っているものが開示されている。
【０２０２】
また、特許文献４のように、微生物燃料電池の出力を所定の電圧に調節する定電圧回路を備えているものが開示されている。
【０２０３】
しかしながら、上述した特許文献３及び特許文献４に開示されている技術では、微生物燃料電池の出力電力は、時間の経過に伴って右肩下がりとなり、一定時間経過後には電力供給対象の必要電力を下回ることになる。
【０２０４】
具体的には、特許文献３に開示された微生物燃料電池では、微生物燃料電池を乾電池に直列につなぐことで長寿命化を図っているが、乾電池には容量があるため、その容量を使用した後には発電量が下がり、微生物燃料電池の長期安定化を行うことができない。
【０２０５】
また、燃料の常時供給（強制対流）を特に行わない微生物燃料電池においては、発電は燃料の拡散律速となり、発電量は右肩下がりにならざるを得ない。
【０２０６】
微生物燃料電池の出力性能を向上させることが、出力安定化の一般的な方法であるが、出力電力は物理的な限界も有しているため、そのことのみによる解決は困難である。
【０２０７】
本実施の形態は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、負荷に対して常に一定以上の電力を供給することのできる、長期間安定な微生物燃料電池システムを提供することにある。
【０２０８】
図１５は、本実施の形態の微生物燃料電池１Ｋの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池１Ｋは、開口部６及び開閉部７を有していない点で微生物燃料電池１Ａ（図１参照）と異なっている。微生物燃料電池１Ｋの燃料室３内に微生物含有物質１０を挿入する方法は特に限定されないが、例えば、引用文献１に示す発明の様にポンプにて微生物含有物質１０が搬送される構成であってもよい。
【０２０９】
図１６は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｃを模式的に示す図である。微生物燃料電池システム１００Ｃは、図１６に示すように、３個の微生物燃料電池１Ｋ‐１、微生物燃料電池１Ｋ‐２、及び微生物燃料電池１Ｋ‐３が互いに並列に配置されており、それぞれのアノード配線２１同士が互いに接続されている。
【０２１０】
また、微生物燃料電池１Ｋ‐１、微生物燃料電池１Ｋ‐２、及び微生物燃料電池１Ｋ‐３のそれぞれのカソード配線３１の接点ａ１、ａ２、及びａ３は、切替えスイッチ１１０と選択的に接続されている。つまり、接点ａ１、ａ２、及びａ３のうち選択された１つの接点と、切替えスイッチ１１０とが互いに接続されるようになっている。図１６においては、微生物燃料電池１Ｋ‐１のカソード配線３１の接点ａ１と、切替えスイッチ１１０とが互いに接続されている。
【０２１１】
尚、上記接点ａ１、ａ２、及びａ３は、アノード配線２１側に配置しても構わない。
【０２１２】
アノード配線２１及び選択されたカソード配線３１には、負荷１２０と、出力検知部１２１とが接続されている。また、出力検知部１２１及び上記切替えスイッチ１１０には制御部１３０が接続されている。
【０２１３】
ここで、図１６の状態において、切替えスイッチ１１０に選択的に接続されている微生物燃料電池１Ｋ‐１は、負荷１２０に接続され放電を行う。一方、切替えスイッチ１１０に接続されていない微生物燃料電池１Ｋ‐２及び微生物燃料電池１Ｋ‐３は、放電を行わず、充電状態にある。
【０２１４】
出力検知部１２１は負荷１２０に直列もしくは並列に接続され、放電中の微生物燃料電池の出力（電流もしくは電圧）を観測する。そして、制御部１３０は、出力検知部１２１が観測する出力が所定の閾値を下回った際に、切替えスイッチ１１０の接続先を他の微生物燃料電池に切り替える。或いは、出力検知部１２１が観測する出力が所定の閾値を下回る前に、制御部１３０は、出力検知部１２１により検知された出力が所定値以上である微生物燃料電池を選択して、切替えスイッチ１１０を接続させてもよい。これにより、一定以上の電力を安定して出力することができる微生物燃料電池システム１００Ｃを構築することができる。以下に、このことについてさらに詳しく説明する。
【０２１５】
図１７は本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｃにおける各微生物燃料電池の動作タイミングによる出力電圧の変化を模式的に示すグラフである。図１７において、横軸は時間、縦軸は微生物燃料電池１Ｋ‐１〜微生物燃料電池１Ｋ‐３の電圧Ｖ１〜Ｖ３、及び微生物燃料電池システム１００Ｃの出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
【０２１６】
図１７において、時刻Ｔ１０では切替えスイッチ１１０が接点ａ１を選択しており、微生物燃料電池１Ｋ‐１が放電を行っている。このとき、Ｖ１およびＶｏｕｔは時間の経過に伴って徐々に低下する。この間、微生物燃料電池１Ｋ‐２及び微生物燃料電池１Ｋ‐３は回路につながっておらず、休止状態にある。
【０２１７】
そして、出力検知部１２１が観測している微生物燃料電池１Ｋ‐１の電圧Ｖ１が閾値Ｖｔｈまで低下したことを検知すると（Ｔ１１）、制御部１３０は、切替えスイッチ１１０の接続先を微生物燃料電池１Ｋ‐２に切り替える。これにより、休止状態にあった微生物燃料電池１Ｋ‐２の放電が開始され、微生物燃料電池システム１００Ｃの出力（Ｖｏｕｔ）が上昇する。
【０２１８】
ここで、微生物燃料電池はキャパシタのような性質を有している。つまり、アノード電極２０とカソード電極３０とが開放された（アノード配線２１とカソード配線３１とが電気的に接続されていない）状態において、微生物発電サイクルによって充電動作すること、すなわち電荷を溜めて電極間の電圧を上げることが可能である。そのため、回路から切り離された微生物燃料電池１Ｋ‐１は、微生物発電サイクルによって充電を開始し、Ｖ１は上昇を始める。
【０２１９】
同様にして、出力検知部１２１が観測している微生物燃料電池１Ｋ‐２の電圧Ｖ２が閾値Ｖｔｈまで低下したことを検知すると（Ｔ１２）、制御部１３０は、切替えスイッチ１１０の接続先を微生物燃料電池１Ｋ‐３に切り替える。これにより、休止状態にあった微生物燃料電池１Ｋ‐３の放電が開始され、微生物燃料電池システム１００Ｃの出力（Ｖｏｕｔ）が上昇する。回路から切り離された微生物燃料電池１Ｋ‐２は微生物発電サイクルによって充電を開始し、Ｖ２は上昇を始める。
【０２２０】
同様にして、出力検知部１２１が観測している微生物燃料電池１Ｋ‐３の電圧Ｖ３が閾値Ｖｔｈまで低下したことを検知すると（Ｔ１３）、制御部１３０は、切替えスイッチ１１０の接続先を微生物燃料電池１Ｋ‐１に切り替える。これにより、充電状態にあった微生物燃料電池１Ｋ‐１の放電が開始され、微生物燃料電池システム１００Ｃの出力（Ｖｏｕｔ）が上昇する。回路から切り離された微生物燃料電池１Ｋ‐３は微生物発電サイクルによって充電を開始し、Ｖ３は上昇を始める。尚、この時点（Ｔ１３）でＶ１が初期状態にまで回復しているようにＶｔｈを設定することが望ましい。
【０２２１】
また、図１８は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｃにおける各微生物燃料電池の動作タイミングによる出力電圧の変化について別の一例を示すグラフである。図１８において、縦軸は微生物燃料電池１Ｋ‐１〜微生物燃料電池１Ｋ‐３の電圧Ｖ１〜Ｖ３、及び微生物燃料電池システム１００Ｃの出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
【０２２２】
図１８において、制御部１３０は、閾値Ｖｔｈではなく、予め設定したタイマーによって切替えスイッチ１１０を切り替える点で図１７とは異なる。すなわち、制御部１３０は、Ｔ２０〜Ｔ２１は微生物燃料電池１Ｋ‐１、Ｔ２１〜Ｔ２２は微生物燃料電池１Ｋ‐２、Ｔ２２〜Ｔ２３は微生物燃料電池１Ｋ‐３、そしてＴ２３〜Ｔ２４は再び微生物燃料電池１Ｋ‐１に接続されるように切替えスイッチ１１０を切り替える。この場合においても、時刻Ｔ２３の時点でＶ１が初期状態にまで回復しているようにタイマーを設定するのが望ましい。
【０２２３】
以上のように、各微生物燃料電池の発電状態と充電状態とを切り替え、この発電サイクルを続けることで、負荷に対して常に一定以上の電力を供給することのできる、長期間安定な微生物燃料電池システム１００Ｃを提供することができる。
【０２２４】
また、個々の出力が低い微生物燃料電池を用いる場合であっても、放電する微生物燃料電池を次々に切り替えることで、微生物燃料電池システム１００Ｃとして安定した電力を供給することができる。
【０２２５】
尚、ここでは微生物燃料電池システム１００Ｃを構成する微生物燃料電池１Ｋが３個のものを示したが、微生物燃料電池システム１００Ｃを構成する微生物燃料電池１Ｋは３個に限るものではなく、２個以上であればよい。
【０２２６】
また、出力検知部１２１及び切替えスイッチ１１０の駆動電力は、微生物燃料電池１Ｋによって供給されることが望ましい。
【０２２７】
また、制御部１３０による切替えスイッチ１１０の切替えの瞬間において電力がロストすることを防ぐために、切替えスイッチ１１０が選択する端子が２個以上となっていてもよい。すなわち、図１６において、切替えスイッチ１１０は接点ａ１及び接点ａ２の２つを選択して並列に接続されていてもよく、例えば接点ａ２との接続をそのままに、接点ａ１との接続を接点ａ３との接続へ切り替えることで共通の接点ａ２が接続されているため、切り替えの瞬間の電力ロストをなくすことが可能になる。
【０２２８】
尚、微生物燃料電池システム１００Ｃは、微生物燃料電池１Ｋの代わりに、上述した微生物燃料電池１Ａ〜１Ｉを備えていてもよい。
【０２２９】
〔実施形態１３〕
本発明の他の実施形態について、図１９及び図２０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１２と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２３０】
図１９は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｄを模式的に示す図である。微生物燃料電池システム１００Ｄは、図１９に示すように、微生物燃料電池１Ｋ‐１〜微生物燃料電池１Ｋ‐３が、微生物燃料電池ユニットＵ１〜微生物燃料電池ユニットＵ３となっている点において、図１８に示した例の微生物燃料電池システム１００Ｃと相違する。
【０２３１】
図２０は、微生物燃料電池システム１００Ｄの微生物燃料電池ユニットＵ１〜微生物燃料電池ユニットＵ３の例示的な構成を示す図である。微生物燃料電池ユニットＵ１〜微生物燃料電池ユニットＵ３はそれぞれ、例えば、微生物燃料電池１Ｋ‐１〜微生物燃料電池１Ｋ‐３が、図２０の（ａ）のように直列接続されてなっていてもよく、図２０の（ｂ）のように並列接続されてなっていてもよい。或いは、微生物燃料電池ユニットＵ１〜微生物燃料電池ユニットＵ３はそれぞれ、例えば、６個の微生物燃料電池として微生物燃料電池１Ｋ‐１〜微生物燃料電池１Ｋ‐６が、図２０の（ｃ）のように直列および並列接続されてなっていてもよい。
【０２３２】
尚、ここでは微生物燃料電池システム１００Ｄを構成する微生物燃料電池ユニットが３つのものを示したが、微生物燃料電池システム１００Ｄを構成する微生物燃料電池ユニットは３つに限るものではなく、２つ以上であればよい。
【０２３３】
このように、微生物燃料電池ユニットＵ１〜微生物燃料電池ユニットＵ３を備えることにより、制御を複雑にすることなく、高い出力（高い電圧もしくは電流）の微生物燃料電池システム１００Ｄを構成することができる。
【０２３４】
尚、微生物燃料電池システム１００Ｄは、微生物燃料電池ユニットが含む微生物燃料電池として、微生物燃料電池１Ｋの代わりに、上述した微生物燃料電池１Ａ〜１Ｉを備えていてもよい。
【０２３５】
〔実施形態１４〕
本発明の他の実施形態について、図２１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１３と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１３の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２３６】
従来、太陽光発電等の環境を利用した環境発電では、環境の変化によって（太陽光発電であれば、光が当たらなくなったら）発電が休止されてしまう。つまり、太陽光発電では、夜間などの日照量のない場合には、発電が行われないため、電力の常時供給が困難であった。
【０２３７】
本実施の形態は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、微生物燃料電池と太陽光発電（太陽電池）とを組み合わせて、常時安定して電力の供給を行うことができる微生物燃料電池システムを提供することにある。
【０２３８】
図２１は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｅを模式的に示す図である。微生物燃料電池システム１００Ｅは、図２１に示すように、微生物燃料電池１Ｋ‐１及び微生物燃料電池１Ｋ‐２に対して並列的に、太陽電池２００が接続されている点において、図１６に示した微生物燃料電池システム１００Ｃと相違する。
【０２３９】
制御部１３０は、切替えスイッチ１１０を、日中など光の強い条件下では太陽電池２００に優先的に接続させ、夜間など光の弱い条件下では微生物燃料電池１Ｋ‐１・１Ｋ‐２に優先的に接続させる。ここで、出力検知部１２１は、太陽電池２００の端子間起電力を検知してもよいし、周囲の照度を検知してもよい。
【０２４０】
これにより、太陽電池２００が発電不可能な条件下においては、微生物燃料電池１Ｋ‐１・１Ｋ‐２が給電を行うことが可能であり、また太陽電池２００が発電可能な条件下では微生物燃料電池１Ｋ‐１・１Ｋ‐２を充電することが可能な微生物燃料電池システム１００Ｅとすることができる。微生物燃料電池システム１００Ｅによれば、昼夜や天候に左右されることなく安定した給電を行うことができる。
【０２４１】
尚、微生物燃料電池システム１００Ｅは、微生物燃料電池１Ｋの代わりに、上述した微生物燃料電池１Ａ〜１Ｉを備えていてもよい。
【０２４２】
〔実施形態１５〕
本発明の他の実施形態について、図２２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１４と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１４の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２４３】
従来、架台に設置された太陽光発電システムの下方の土地は活用されず、また、場合によっては除草などのメンテナンスをも要する無駄なスペースであった。
【０２４４】
本実施の形態は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、土地を有効に活用して、設置面積当たりの発電量が大きな微生物燃料電池システムを提供することにある。
【０２４５】
図２２は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｆの概略的な構成を示す側面断面図である。微生物燃料電池システム１００Ｆは、図２２に示すように、微生物燃料電池システム１００Ｆを構成する給電部として、微生物燃料電池１Ｋと太陽電池２００とを備え、それらのうち、太陽電池２００が最も上方に位置し、下方に微生物燃料電池１Ｋが配置されていることを特徴としている。
【０２４６】
具体的には、例えば、太陽電池２００は、架台１４０の上に設置されており、架台１４０は平面的に見て、２つの壁と、２つの壁によって支えられる斜めの屋根とを備えている。つまり、この斜めに設けられた屋根の上に、太陽電池２００が設置されている。
【０２４７】
そして、上記２つの壁と斜めの屋根とによって囲まれた、太陽電池２００の下方の空間に微生物燃料電池１Ｋが設置されている。太陽電池２００と、微生物燃料電池１Ｋのアノード配線２１及びカソード配線３１とは、電気的に接続されている。
【０２４８】
微生物燃料電池１Ｋが屋根の下に配置されることで、直射日光、雨、風などの天候の影響を受けにくく、より安定して発電を行うことが可能となる。また、従来利用できていなかった太陽電池２００の直下を微生物燃料電池１Ｋの発電スペースとして利用することが可能になる。図２２において、微生物燃料電池１Ｋは地中に埋めても構わない。
【０２４９】
これにより、土地を有効に活用して、設置面積当たりの発電量が大きな微生物燃料電池システム１００Ｆを提供することができる。
【０２５０】
或いは、架台１４０に屋根が設けられておらず、太陽電池２００が屋根を兼ねていてもよい。この場合には、地面に投影される太陽電池２００の面積よりも小さいエリアに、微生物燃料電池１Ｋを備える構成となっていることが好ましい。
【０２５１】
また、微生物燃料電池１Ｋは、図２２における図面の奥行方向にわたって複数設けられていてもよいし、太陽電池２００と微生物燃料電池１Ｋとのセットが複数設けられて、それらが電気的に接続されている構成であってもよい。
【０２５２】
本実施形態において、アノード配線２１およびカソード配線３１は、例えば図２１に示した微生物燃料電池システム１００Ｅのように接続される。
【０２５３】
尚、微生物燃料電池システム１００Ｆは、微生物燃料電池１Ｋの代わりに、上述した微生物燃料電池１Ａ〜１Ｉを備えていてもよい。
【０２５４】
〔実施形態１６〕
本発明の他の実施形態について、図２３〜図２６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態１５と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態１〜実施の形態１５の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２５５】
従来、微生物燃料電池に用いられる微生物は、電極に印加する電圧によって、活動を制御できることが知られているが、このような微生物の活動制御を、外部から電力を供給する電源等を設置することなく、自然環境中で自然エネルギーを用いて実現するシステムは実現されていない。
【０２５６】
本実施の形態は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、自然環境中で自然エネルギーを用いて微生物の活動制御を行うことができる微生物燃料電池システムを提供することにある。
【０２５７】
図２３は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｇを模式的に示す図である。微生物燃料電池システム１００Ｇは、図２３に示すように、太陽電池２００に光が照射されて光起電力を確認できる状態において、太陽電池２００の正極２００Ｐ側と微生物燃料電池１Ｋのアノード配線２１側とを互いに電気的に接続し、太陽電池２００の負極２００Ｎ側と微生物燃料電池１Ｋのカソード配線３１側とを互いに電気的に接続する点において、図２１に示した微生物燃料電池システム１００Ｅと相違する。
【０２５８】
微生物燃料電池システム１００Ｇは、太陽電池２００及び微生物燃料電池１Ｋの接続並びに印加する負荷Ｒの抵抗を調整する可変抵抗切替えスイッチ１５０と、太陽電池２００の端子間電圧検知部１６０と、微生物燃料電池１Ｋの端子間電圧検知部１６１とを備えている。
【０２５９】
また、微生物燃料電池システム１００Ｇは、制御部１７０を備え、制御部１７０は、太陽電池２００の端子間電圧検知部１６０、もしくは微生物燃料電池１Ｋの端子間電圧検知部１６１の結果に応じて、微生物燃料電池１Ｋの端子間電圧が所望の値になるように、可変抵抗切替えスイッチ１５０が接続する負荷Ｒの抵抗を調整する。
【０２６０】
太陽電池２００の光起電力を確認できる状態において、太陽電池２００で生成した電圧の一部を、正極２００Ｐがアノード配線２１側、負極２００Ｎがカソード配線３１側になるように微生物燃料電池１Ｋの電極間に印加することによって、微生物燃料電池のアノード電極２０近傍の微生物の代謝サイクルを活性化することができる。
【０２６１】
これによって、例えば燃料室３内に生ごみや汚泥などの分解処理対象物を挿入した場合、微生物燃料電池１Ｋはゴミ処理器、汚泥処理器として機能することができる。本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｇの構成では、太陽電池２００の起電力によってアノード電極２０近傍の微生物を活性化することで、その処理速度を向上することができる。本実施の形態の目的はアノード電極２０近傍の微生物活性化であり、微生物燃料電池１Ｋの起電力は必ずしも取出す必要はなく、例えば接続された負荷Ｒでジュール熱として消費されるように接続してもよい。
【０２６２】
また、アノード電極２０に所望の微生物を選択的に集めるために好適な電圧帯があることが知られており、可変抵抗切替えスイッチ１５０によって、微生物燃料電池１Ｋの端子間に印加する電圧を、当該好適な電圧帯に含まれる所望の値に調整することが可能になる。例えば生ごみや汚泥などの分解に好適な微生物を活性化させるための電圧を設定することが可能になる。また、太陽電池２００を用いることによってメンテナンスフリーでこの活性化システムを稼働させることが可能になる。
【０２６３】
これにより、自然環境中で太陽光のエネルギーを用いて微生物の活動制御を行うことができる微生物燃料電池システム１００Ｇを提供することができる。
【０２６４】
本実施の形態における太陽電池２００および微生物燃料電池１Ｋは、図２２に示したような位置関係に配置されていても構わない。
【０２６５】
また、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｇは、以下のような構成であってもよく、図２４及び図２５を用いて説明する。図２４は、本実施の形態の微生物燃料電池システム１００Ｇの別の例を模式的に示す図である。図２５は、上記微生物燃料電池システム１００Ｇの概略的な構成を示す側面断面図である。
【０２６６】
すなわち、図２４に示すように、微生物燃料電池システム１００Ｇは、微生物燃料電池１Ｋの代わりに微生物燃料電池１Ｌを備えており、微生物燃料電池１Ｌから参照極配線１８１が引き出されている。端子間電圧検知部１６１は、参照極配線１８１及びカソード配線３１に接続されている。
【０２６７】
制御部１７０は、この端子間電圧検知部１６１の結果に応じて、微生物燃料電池１Ｌの参照極配線１８１及びカソード配線３１の間の端子間電圧が所望の値になるように、可変抵抗切替えスイッチ１５０が接続する負荷Ｒの抵抗を調整する。
【０２６８】
上記微生物燃料電池１Ｌは、図２５に示すように、燃料室３内に参照極１８０が設けられている。参照極１８０と電気的に接続された参照極配線１８１が、筐体２を貫通して外部に引き出されている。
【０２６９】
これにより、アノード電極２０に所望の微生物を選択的に集めるために好適な電圧を、参照極１８０を基準として印加することができる。
【０２７０】
また、本実施形態における太陽電池２００および微生物燃料電池１Ｋは、図２１に示したような並列的な接続と切り替え可能に設けられたモードであっても構わない。つまり、太陽電池２００の正極２００Ｐ及び負極２００Ｎが図２３に示すような向き（正極２００Ｐがアノード配線２１側）に配置されている状態を活性化モードとし、太陽電池２００の正極２００Ｐ及び負極２００Ｎが図２１に示すような向き（負極２００Ｎがアノード配線２１側）に配置されている状態を発電モードとすれば、微生物燃料電池システム１００Ｇは、活性化モードと発電モードとを切替可能となっていてもよい。これは、例えば、太陽電池２００の接続されている向きを反対に切り替えることのできる機構を備えていればよい。
【０２７１】
これにより、活性化モードによってアノード電極２０近傍の微生物を太陽電池２００で活性化させた後（発電効率を向上させた後）は、発電モードに切り替えて太陽電池２００及び微生物燃料電池１Ｋの起電力を外部に供給することができる微生物燃料電池システム１００Ｇが実現する。
【０２７２】
微生物燃料電池システム１００Ｇが発電モードの場合の発電出力について、図２６に基づいて説明する。図２６は、微生物燃料電池システム１００Ｇが発電モードの場合における微生物燃料電池１Ｋ及び太陽電池２００の動作タイミングによる出力電圧の変化を模式的に示すグラフである。
【０２７３】
図２６（ａ）に示すように、微生物燃料電池１Ｋと太陽電池２００と互いに電気的に並列に接続した場合、これらを組み合わせて大きな全体出力を得ることができるが、全体の出力電圧は時間の経過に伴って減少する。
【０２７４】
一方、微生物燃料電池システム１００Ｇは、図２１に示したように、発電モードにおいて、切替えスイッチ１１０を備え、微生物燃料電池１Ｋが負荷１２０に給電する状態と、太陽電池２００が負荷１２０に給電する状態とを切り替えられるように構成されていてもよい。
【０２７５】
この場合、図２６（ｂ）に示すように、微生物燃料電池１Ｋと太陽電池２００とを切り替えながら発電を行うことにより、長期的に安定した発電を行うことができる。
【０２７６】
例えば、時刻Ｔ３０〜Ｔ３１までは太陽電池２００のみが出力するように接続し、太陽電池２００の出力が或る程度低下した時刻Ｔ３１において、太陽電池２００から微生物燃料電池１Ｋに切り替え、微生物燃料電池１Ｋの出力が或る程度低下した時刻Ｔ３２において、微生物燃料電池１Ｋから太陽電池２００に切り替えるようにすることができる。
【０２７７】
これによれば、微生物燃料電池システム１００Ｇは、自然環境中で太陽光のエネルギーを用いて微生物の活動制御を行うことができるとともに、電力を安定して供給することができる。
【０２７８】
〔まとめ〕
本発明の態様１における微生物燃料電池１Ａは、外部環境に対して遮断された閉空間を形成する筐体２と、前記閉空間を、電流発生菌１１、好気性細菌１３、及び燃料物質１２を含む微生物含有物質１０が配置される燃料室３と、酸素を含む空気室４と、に分割するプロトン伝導性の電解質層（イオン伝導層５）と、前記燃料室３内に配置され、前記電流発生菌１１による前記燃料物質１２中の有機物の分解によって生じた電子を受け取る負極（アノード電極２０）と、前記電解質層（イオン伝導層５）に接して前記空気室４内に配置され、酸素に電子を供与する正極（カソード電極３０）と、を備える微生物燃料電池であって、前記筐体２の少なくとも一部に、前記外部環境と燃料室３とを連通する開口部６が形成されており、前記開口部６を開閉可能な開閉部７を備えていることを特徴としている。
【０２７９】
上記の構成によれば、開閉部が開状態において、開口部を通じて燃料室内に微生物含有物質を供給することができる。また、開閉部によって、燃料室を密閉することができる。また、燃料室内の酸素を好気性細菌が消費し、かつ好気性細菌は酸素以外の気体を放出する。そのため、微生物含有物質の酸素濃度を低くすることができる。
【０２８０】
その結果、嫌気性の電流発生菌にとって好適な環境を作り出すことができ、電流発生菌が活性化して、発電効率の高い微生物燃料電池を形成することができる。
【０２８１】
また、ポンプ等の燃料送液機構が不要であり、低コストかつ正味発電量の大きい微生物燃料電池とすることができ、設置場所等の使用条件の限定が比較的少ないものとすることができる。そして、予め低酸素状態の微生物含有物質を用意する必要がない。そのため、電力供給が困難な場所においても、微生物燃料電池から供給される電力で駆動するセンサ等を、安価な施工費で設置することができる。
【０２８２】
したがって、燃料供給のためのポンプ等を必要とせず、かつ燃料極近傍を低酸素状態に保つことができ、安定的に発電を行うことができる微生物燃料電池を提供することができる。
【０２８３】
本発明の態様２における微生物燃料電池１Ａは、態様１において、発電時において、前記開閉部７によって前記開口部６が閉状態となることが好ましい。
【０２８４】
上記の構成によれば、発電時において、燃料室３内に外部環境から酸素が混入することを防止することができる。
【０２８５】
本発明の態様３における微生物燃料電池１Ａは、態様１又は態様２において、前記微生物含有物質１０が、嫌気性細菌１４をさらに含み、前記嫌気性細菌１４は、その代謝において、酸素を消費する、又は酸素以外の気体を生成する細菌であるとすることができる。
【０２８６】
上記の構成によれば、嫌気性細菌が、微生物含有物質中の酸素を消費する、又は酸素以外の気体を生成する。そのため、微生物含有物質中の酸素濃度をより低くすることができる。
【０２８７】
本発明の態様４における微生物燃料電池１Ａは、態様３において、前記嫌気性細菌１４が、メタン発生菌であってもよい。
【０２８８】
上記の構成によれば、メタン発生菌が、微生物含有物質中の有機物からメタン及び二酸化炭素を生成する。そのため、微生物含有物質中の酸素濃度をより低くすることができる。
【０２８９】
本発明の態様５における微生物燃料電池１Ｃ・１Ｄは、態様１〜４において、前記燃料室３に補充燃料物質を時限的に放出する燃料時限放出機構（燃料時限放出器６０）、及び、前記空気室４に酸素を時限的に放出する酸素時限放出機構（酸素時限放出器６１）、のうち少なくともいずれか一方を備えていることが好ましい。
【０２９０】
上記の構成によれば、燃料室中に燃料を補充すること、又は、空気室中に酸素を補充すること、のうち少なくともいずれか一方を行うことができる。そのため、長期間メンテナンスフリーな微生物燃料電池を構成することができる。その結果、微生物燃料電池を長寿命なものとすることができる。
【０２９１】
本発明の態様６における微生物燃料電池１Ｂは、態様１〜５において、前記筐体２が、第１の開放部５２を有する第１の筐体２ａと、第２の開放部５３を有する第２の筐体２ｂとからなっていると共に、前記第１の筐体２ａの第１の開放部５２に、前記第２の筐体２ｂを第２の開放部５３側から挿入してなっており、前記第１の筐体２ａ及び第２の筐体２ｂは、それぞれ内部に空間を有していると共に、それぞれ前記第１の開放部５２及び第２の開放部５３を除いて外部環境に対して内部の空間が遮断されており、前記第１の筐体２ａは、その内部の空間が前記燃料室３となっており、前記第２の筐体２ｂは、前記第２の開放部５３側から順に前記負極（アノード電極２０）と、電解質層（イオン伝導層５）と、正極（カソード電極３０）と、空気室４とをその内部に備え、前記第１の開放部５２において、前記第１の筐体２ａと第２の筐体２ｂとの間の空間が前記開口部５０となっており、前記開閉部５１は、前記第２の筐体２ｂの外周表面に突出して設けられているとすることができる。
【０２９２】
上記の構成によれば、第２の筐体を交換することによって、負極、電解質層、及び正極を一度に交換することができる。そのため、メンテンナンス性のよい微生物燃料電池とすることができる。
【０２９３】
本発明の態様７における微生物燃料電池１Ａ・１Ｉは、態様１〜６において、前記空気室４を形成する壁面の少なくとも一部に、該空気室４と該空気室４の外部環境とを連通する吸気口７０が設けられていることが好ましい。
【０２９４】
上記の構成によれば、吸気口を通じて、空気室の外部環境から空気室に酸素を供給することができる。そのため、空気室の酸素が欠乏することを防止することができ、長期間メンテナンスフリーな微生物燃料電池を構成することができる。その結果、微生物燃料電池を長寿命なものとすることができる。
【０２９５】
本発明の態様８における微生物燃料電池１Ｉは、態様７において、前記吸気口７０を開閉可能な吸気開閉部７２を備えていることが好ましい。
【０２９６】
上記の構成によれば、例えば、外部環境が液体であるように微生物燃料電池を配置して使用する場合に、吸気開閉部を閉状態とすることにより、吸気口を通じて外部環境から空気室内に上記液体が侵入することを防止することができる。
【０２９７】
また、空気室の外部環境を大気とした状態で吸気開閉部を開状態とすることにより、空気室に酸素を供給することができる。
【０２９８】
そのため、使用条件の限定が比較的少ない、長期にわたって使用可能な微生物燃料電池とすることができる。
【０２９９】
本発明の態様９における微生物燃料電池１Ｉは、態様８において、前記吸気口７０に接続された吸気管７１を備え、前記吸気管７１に吸気開閉部７２が設けられていることが好ましい。
【０３００】
上記の構成によれば、例えば、外部環境が液体であるように微生物燃料電池を配置する際には吸気開閉部を閉状態とすることで、空気室内を密閉することができる。そして、微生物燃料電池の外部環境が液体である状態においては、吸気管の先端を大気に露出させ、吸気開閉部を開状態とすることで、空気室内に酸素を供給することができる。
【０３０１】
そのため、微生物燃料電池を、微生物含有物質を含む燃料溶液中に配置して使用することが容易なものとすることができ、使用条件の限定がさらに少ない、長期にわたって使用可能な微生物燃料電池とすることができる。
【０３０２】
本発明の態様１０における微生物燃料電池１Ｅは、態様１〜９において、前記筐体２は、前記微生物含有物質１０を撹拌する撹拌部６２ａを有する撹拌室（粉砕撹拌室６２）をさらに備え、前記撹拌室（粉砕撹拌室６２）は、前記外部環境と燃料室３との間に設けられ、前記開口部６が前記撹拌室（粉砕撹拌室６２）に設けられていることが好ましい。
【０３０３】
上記の構成によれば、撹拌室の撹拌部によって、例えば生ごみ等の有機物を粉砕し、燃料として利用しやすい状態の燃料物質とすることができ、この燃料物質を微生物含有物質として燃料室に供給することができる。そのため、多種多様な有機物質を燃料として用いることができる。
【０３０４】
また、粉砕撹拌室は、燃料室内を撹拌して養分を対流させる機能を兼ねる。微生物含有物質が対流することにより、電流発生菌の代謝効率が上がり、発電効率を向上させることができる。
【０３０５】
本発明の態様１１における微生物燃料電池１Ｆは、態様１〜１０において、前記電解質層（イオン伝導層５）の前記燃料室３側に、該電解質層（イオン伝導層５）に隣接して配置された第２の層（フィルタ層６４）を備えていることが好ましい。
【０３０６】
上記の構成によれば、第２の層が、電解質層が微生物含有物質によって汚染されることを防止することができる。そのため、様々な物質を含む微生物含有物質を燃料溶液として用いた場合であっても、電解質層を長期間清浄に保つことができ、長期間安定して発電を行う微生物燃料電池を構成することができる。
【０３０７】
本発明の態様１２における微生物燃料電池１Ｇは、態様１〜１１において、前記負極（アノード電極２０）の前記開口部６側に、該負極（アノード電極２０）に隣接して配置された第３の層（アノードフィルタ層６５）を備えることが好ましい。
【０３０８】
上記の構成によれば、第３の層が、負極が微生物含有物質によって目詰まりすることを防止することができる。そのため、様々な物質を含む微生物含有物質を燃料溶液として用いた場合であっても、負極の目詰まりを防止することができ、長期間安定して発電を行う微生物燃料電池を構成することができる。
【０３０９】
本発明の態様１３における微生物燃料電池１Ｈは、態様１〜１２において、前記筐体２が断熱部材で覆われていてもよい。
【０３１０】
上記の構成によれば、微生物燃料電池の外部環境の気候の影響により、微生物含有物質中の水分が凍結することを防止することができる。
【０３１１】
本発明の態様１４における微生物燃料電池１Ｈは、態様１〜１３において、前記微生物含有物質は水を含んでいると共に、水の凝固点を下げる不凍剤（凝固点降下剤６７）を含んでいてもよい。
【０３１２】
上記の構成によれば、外気候の影響により水分が凍結することをより一層防止することができる。
【０３１３】
本発明の態様１５における微生物燃料電池１Ａは、態様１〜１４において、前記開閉部７は、前記開口部６を開状態に保持する保持部材（スペーサ４３）を備え、前記保持部材（スペーサ４３）は所定の外部環境に可溶な材料からなっており、前記保持部材（スペーサ４３）が溶解することによって前記開閉部７が閉状態になるようにすることができる。
【０３１４】
上記の構成によれば、所定の外部環境に微生物燃料電池を浸漬する場合には、燃料室内に外部環境の物質を取り込んだ後に、保持部材が時間差で溶解し、開口部を密封するようにすることができる。そのため、所定の外部環境に微生物燃料電池を浸漬して、燃料室内に燃料を供給した後に、自動的に燃料室を密閉することができる。その結果、使用者が開閉部を操作する必要がなく、利便性が向上する。
【０３１５】
本発明の態様１６における微生物燃料電池１Ａは、態様１〜１５において、前記筐体２が、生分解性材料にてなっているとすることができる。
【０３１６】
上記の構成によれば、不要となった微生物燃料電池を回収する必要が無くなり、微生物燃料電池を使い捨て電池として使用することができる。
【０３１７】
本発明の態様１７における微生物燃料電池システム１００Ａは、態様１〜１６における微生物燃料電池１Ｉと、前記微生物燃料電池１Ｉの起電力によって駆動するセンサ８０とを備え、前記微生物燃料電池１Ｉ及びセンサ８０は、前記微生物含有物質１０を含む燃料物質槽（微生物混合含有槽７３）の中に配置されており、前記センサ８０が前記燃料物質槽（微生物混合含有槽７３）の状態を検査している間、前記微生物燃料電池１Ｉの開閉部７が閉状態となることを特徴としている。
【０３１８】
上記の構成によれば、センサへの給電時には開閉部を閉の状態にすることで、燃料物質槽と微生物含有物質との間を電気化学的にショートすることなく、センサを駆動することができる。そのため、
本発明の態様１８における微生物燃料電池システム１００Ａは、態様１７において、前記燃料物質槽は、反応処理槽によって囲われた曝気槽となっていてもよい。
【０３１９】
上記の構成によれば、曝気槽は、好気性細菌を活性化させるために酸素を供給する機構を備えている。しかし、微生物燃料電池１Ｉは、燃料室内の酸素濃度を低くすることができるため、外部環境が曝気槽であっても、発電可能とすることができる。
【０３２０】
本発明の態様１９における微生物燃料電池システム１００Ｂは、態様１〜１６における微生物燃料電池１Ｊを複数備え、前記微生物含有物質１０を搬送すると共に、前記複数の微生物燃料電池１Ｊにおけるそれぞれの前記開口部６と接続された燃料配管９３を備え、前記複数の微生物燃料電池１Ｊが電気的に直列、並列、又は、直列及び並列に接続されていることを特徴としている。
【０３２１】
上記の構成によれば、燃料配管を設けることで、微生物含有物質を各々の微生物燃料電池の燃料室に一度に充填することができる。さらに、開閉部により、各微生物燃料電池の燃料室を密閉させることができる。そのため、燃料室への酸素の流入を防ぐことができ、また各々の燃料室がショートすることを回避することもできる。
【０３２２】
したがって、複数の微生物燃料電池が電気的に接続されることにより、微生物燃料電池システムは大きな出力を発生させることができる。
【０３２３】
本発明の態様２０における微生物燃料電池システム１００Ｃ・１００Ｄは、微生物燃料電池ユニットＵ１〜Ｕ３を含む、複数の独立した給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と、前記複数の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）のそれぞれの出力を検知する出力検知部１２１と、前記複数の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）から選択した給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と、出力回路とを接続させる出力切替部（制御部１３０）とを備え、前記出力切替部（切替えスイッチ１１０）は、前記出力検知部１２１により検知された出力が所定値以上である給電部を選択して、前記出力回路と接続させることを特徴としている。
【０３２４】
上記の構成によれば、出力が所定値以上である給電部を出力切替部によって選択して、前記出力回路と接続させることができる。ここで、微生物燃料電池は、キャパシタのような性質を有しており、回路と接続されていない状態において、微生物発電サイクルによって充電動作をすることができる。そのため、回路に接続する給電部を切り替えることによって、各給電部は、放電状態と充電状態とを繰り返すことになる。その結果、この発電サイクルを続けることで、負荷に対して常に一定以上の電力を供給することのできる、長期間安定な微生物燃料電池システムを提供することができる。
【０３２５】
本発明の態様２１における微生物燃料電池システム１００Ｃ・１００Ｄは、態様２０において、前記出力切替部（制御部１３０）は、前記出力回路に接続されている給電部（微生物燃料電池１Ｋ）の出力が前記所定値未満となった場合、当該給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路とを非接続とし、前記出力検知部１２１により検知された出力が所定値以上である別の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）を選択して、前記出力回路と接続させるとすることができる。
【０３２６】
上記の構成によれば、微生物燃料電池システムの出力が所定値を下回ることがないと共に、そのとき接続されている給電部以外の給電部について、或る程度の時間充電状態とすることができる。そのため、微生物燃料電池を充分に充電し易くすることができる。
【０３２７】
本発明の態様２２における微生物燃料電池システム１００Ｃ・１００Ｄは、態様２０又は態様２１において、前記出力切替部（制御部１３０）は、選択した給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路との接続期間が所定期間に到達すると、当該給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路とを非接続とし、前記出力検知部１２１により検知された出力が所定値以上である別の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）を選択して、前記出力回路と接続させるとすることができる。
【０３２８】
上記の構成によれば、出力検知部により検知された出力が所定値未満となる前に、給電部を切り替えることができるため、微生物燃料電池システムの平均出力を高くすることができる。
【０３２９】
本発明の態様２３における微生物燃料電池システム１００Ｃ・１００Ｄは、態様２０〜態様２２において、前記出力切替部（制御部１３０）は、前記複数の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）の中から２以上の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）を選択し、選択した２以上の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路とを接続し、当該２以上の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）のうちの一部の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路との接続を切断し、別の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）と前記出力回路とを接続させる際、当該２以上の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）のうちの残りの給電部（微生物燃料電池１Ｋ）を前記出力回路と接続させたままとすることができる。
【０３３０】
上記の構成によれば、給電部の接続を切り替える際に、一部の給電部は出力回路と接続したままであるため、切り替えの瞬間の電力ロストをなくすことできる。そのため、微生物燃料電池システムを安定に動作させることができる。
【０３３１】
本発明の態様２４における微生物燃料電池システム１００Ｄは、態様２０〜態様２３において、前記微生物燃料電池ユニットＵ１〜Ｕ３は直列および／もしくは並列接続された複数の微生物燃料電池セル（微生物燃料電池１Ｋ）であり得る。
【０３３２】
上記の構成によれば、制御を複雑にすることなく、高い出力（高い電圧もしくは電流）の微生物燃料電池システムとすることができる。
【０３３３】
本発明の態様２５における微生物燃料電池システム１００Ｅは、態様２０〜態様２３において、前記複数の給電部（微生物燃料電池１Ｋ）の少なくとも一つは、光電変換素子（太陽電池２００）を含んでいるとすることができる。
【０３３４】
上記の構成によれば、光電変換素子が発電不可能な条件下においては、光電変換素子以外の給電部が給電を行うことが可能であり、また光電変換素子が発電可能な条件下では光電変換素子以外の給電部を充電することが可能な微生物燃料電池システムとすることができる。そのため、昼夜や天候に左右されることなく安定した給電を行うことができる。
【０３３５】
本発明の態様２６における微生物燃料電池システム１００Ｆは、態様２５において、前記光電変換素子（太陽電池２００）を含む給電部の下方に、残りの給電部が配置されることが好ましい。
【０３３６】
上記の構成によれば、給電部が屋根の下に配置されることで、直射日光、雨、風などの天候の影響を受けにくく、より安定して発電を行うことが可能となる。また、従来利用できていなかった光電変換素子の直下を残りの給電部の発電スペースとして利用することが可能になる。
【０３３７】
これにより、土地を有効に活用して、設置面積当たりの発電量が大きな微生物燃料電池システムを提供することができる。
【０３３８】
本発明の態様２７における微生物燃料電池システム１００Ｇは、微生物燃料電池１Ｋと光電変換素子（太陽電池２００）とを備えた微生物燃料電池システムであって、前記光電変換素子（太陽電池２００）の光起電力を確認できる状態において、前記光電変換素子（太陽電池２００）の正極側と前記微生物燃料電池１Ｋの負極側とを互いに電気的に接続すると共に、前記光電変換素子（太陽電池２００）の負極側と微生物燃料電池１Ｋの正極側とを互いに電気的に接続することを特徴としている。
【０３３９】
上記の構成によれば、光電変換素子で生成した電圧の一部を微生物燃料電池の電極間に印加することによって、微生物燃料電池のアノード電極近傍の微生物の代謝サイクルを活性化することができる。
【０３４０】
そのため、自然環境中で太陽光のエネルギーを用いて微生物の活動制御を行うことができる微生物燃料電池システムを提供することができる。
【０３４１】
本発明の態様２８における微生物燃料電池システム１００Ｇは、態様２７において、前記光電変換素子（太陽電池２００）の正極と前記微生物燃料電池１Ｋの負極との間、もしくは、前記光電変換素子（太陽電池２００）の負極と微生物燃料電池１Ｋの正極との間に接続された可変抵抗（負荷Ｒ）と、前記微生物燃料電池１Ｋの負極と正極との間の電圧が所定範囲になるように前記可変抵抗（負荷Ｒ）の値を制御する制御部１７０とを備えているとすることができる。
【０３４２】
アノード電極に所望の微生物を選択的に集めるために好適な電圧帯があることが知られており、上記の構成によれば、制御部１７０によって、微生物燃料電池の端子間に印加する電圧を、当該好適な電圧帯に含まれる所望の値に調整することが可能になる。そのため、例えば生ごみや汚泥などの分解に好適な微生物を活性化させるための電圧を設定することが可能になる。
【０３４３】
本発明の態様２９における微生物燃料電池システム１００Ｇは、態様２７において、前記微生物燃料電池１Ｌは、電流発生菌１１及び燃料物質１２を含む燃料室３に配置された参照極１８０を備え、前記微生物燃料電池システムは、前記光電変換素子の正極と前記微生物燃料電池の負極との間、もしくは、前記光電変換素子の負極と微生物燃料電池の正極との間に接続された可変抵抗（負荷Ｒ）と、前記微生物燃料電池１Ｋの正極と前記参照極１８０との間の電圧が所定範囲になるように前記可変抵抗（負荷Ｒ）の値を制御する制御部１７０とを備えているとすることができる。
【０３４４】
上記の構成によれば、制御部は、アノード電極に所望の微生物を選択的に集めるために好適な電圧を印加するように、参照極を基準として可変抵抗の値を制御することができる。
【０３４５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０３４６】
１Ａ〜１Ｌ        微生物燃料電池（給電部）
２                筐体
２ａ              第１の筐体
２ｂ              第２の筐体
３                燃料室
４                空気室
５                イオン伝導層（電解質層）
６・５０          開口部
７・５１・９２    開閉部
１０                微生物含有物質
１１                電流発生菌
１２                燃料物質
１３                好気性細菌
１４                嫌気性細菌
２０                アノード電極（負極）
３０                カソード電極（正極）
４３                スペーサ（保持部材）
５２                第１の開放部
５３                第２の開放部
６０                燃料時限放出器（燃料時限放出機構）
６１                酸素時限放出器（酸素時限放出機構）
６２                粉砕撹拌室（撹拌室）
６２ａ              撹拌部
６４                フィルタ層（第２の層）
６５                アノードフィルタ層（第３の層）
６６                カバー（断熱部材）
６７                凝固点降下剤（不凍剤）
７０                吸気口
７１                吸気管
７２                吸気開閉部
７３                微生物混合含有槽（燃料物質槽）
８０                センサ
９３                燃料配管
１００Ａ〜１００Ｇ    微生物燃料電池システム
１２１                出力検知部
１３０                制御部（出力切替部）
１７０                制御部
２００                太陽電池（光電変換素子）
Ｒ                負荷（可変抵抗）
Ｕ１〜Ｕ３          微生物燃料電池ユニット（給電部）
【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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【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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