(57)【要約】【課題】好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極、及び当該電極を用いた微生物燃料電池を提供する。【解決手段】電極（１０）は、導電体層（１）と、導電体層の一方の面に設けられ、厚さが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層（２）と、導電体層における多孔質体層側の面（１ａ）と反対側の面（１ｂ）に設けられた撥水層（３）とを備える。微生物燃料電池（１００）は、電極（１０）からなる正極（１０Ａ）と、微生物を保持する負極（２０）と、電解液（７０）とを備え、多孔質体層及び負極が電解液に浸漬され、撥水層の少なくとも一部が気相（９０）に露出している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体層と、
前記導電体層の一方の面に設けられ、厚さが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層と、
前記導電体層における前記多孔質体層側の面と反対側の面に設けられた撥水層と、
を備える電極。
【請求項２】
酸素還元触媒が前記導電体層に担持されている、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記導電体層における前記酸素還元触媒が担持された部分は、前記多孔質体層によって封止されている、請求項２に記載の電極。
【請求項４】
前記多孔質体層は合成樹脂によって形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５】
前記多孔質体層は電気絶縁体である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電極。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電極からなる正極と、
微生物を保持する負極と、
電解液と、
を備え、
前記多孔質体層及び前記負極が前記電解液に浸漬され、前記撥水層の少なくとも一部が気相に露出している、微生物燃料電池。
【請求項７】
前記正極と前記負極との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層をさらに備える、請求項６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、電極及び微生物燃料電池に関する。詳細には本発明は、廃水を浄化し、かつ、電気エネルギーを生成することが可能な電極、及びそれを用いた微生物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、生活廃水や工場廃水に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。ただ、微生物が発する電力が非常に小さく、出力される電流密度が低いため、更なる改良が必要である。
【０００３】
このような微生物燃料電池としては、次のような特許文献１に記載のものが開示されている。当該微生物燃料電池は、電解液を保持する電解槽と、電解槽の槽内部に配置されるアノードと、電解槽の槽体部に配置され、一面が槽外部の空気と接触し、他面が電解液と接触するカソードとを備えている。当該電解槽は、電解液の他に、微生物、及び当該微生物による酸化分解の基質を保持している。微生物としては、Geobacter属、Shewanella属等の嫌気性微生物が開示されている。そして、カソードは電子伝導性及びガス透過性を有する電極基材を含んでなり、電極基材における空気と接触する一面にはシリコーンを含有してなる止水層が形成され、電極基材の他面にはカソード触媒が担持された触媒層が形成されている。特許文献１の微生物燃料電池では、微生物が基質を酸化・分解して電子とプロトンを生成した後、アノードから外部回路を通じて供給される電子と、電解液中のプロトンと、電解槽の槽外部から供給される酸素とがカソードの触媒層で反応する。
【０００４】
ここで、微生物燃料電池の電解液には、上述のような嫌気性微生物に加え、増殖に酸素を必要とする好気性微生物も含まれていることが多い。そして、好気性微生物は酸素を必須とするため、酸素濃度が高い止水層と電極基材との界面近傍に存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−４６３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、特許文献１の微生物燃料電池では、止水層と電極基材との界面近傍に好気性微生物が存在しているため、当該界面の近傍で好気性微生物により酸素が消費されてしまう。その結果、電極基材よりも電解槽内部に配置されている触媒層に酸素が十分に到達しないため、酸素還元反応がなされなくなり、安定的に電気エネルギーが得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極、及び当該電極を用いた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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る電極は、導電体層と、導電体層の一方の面に設けられ、厚さが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層と、導電体層における多孔質体層側の面と反対側の面に設けられた撥水層とを備える。
【０００９】
本発明の第二の態様に係る微生物燃料電池は、上記電極からなる正極と、微生物を保持する負極と、電解液とを備え、多孔質体層及び負極が電解液に浸漬され、撥水層の少なくとも一部が気相に露出している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、好気性微生物による酸素消費を抑制し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能な電極及び微生物燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電極の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電極の他の例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電極の作用を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る微生物燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図５】図４中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図６】上記微生物燃料電池における燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係る微生物燃料電池の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電極の他の例を示す斜視図である。
【図９】実施例１〜４並びに比較例１及び２の電極を用いた微生物燃料電池における、定常出力と経過日数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態に係る電極、及び当該微生物燃料電池について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
［第一実施形態の電極］
本実施形態に係る電極は、図１に示すように、導電体層１と、導電体層１の一方の面１ａに設けられた多孔質体層２と、導電体層１における多孔質体層２側の面１ａと反対側の面１ｂに設けられた撥水層３とを備えている。
【００１４】
（導電体層）
電極１０における導電体層１は、導電性及び酸素透過性を有している。電極１０にこのような導電体層１を設けることで、後述する局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路１１０との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、導電体層１には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電極１０に導電体層１を設けることにより、電子が外部回路１１０から導電体層１を通じて触媒に移動し、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
【００１５】
電極１０では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層３及び導電体層１を効率よく透過して触媒に供給され、水素イオンが導電体層１を効率よく透過して触媒に供給されることが好ましい。そのため、導電体層１は、撥水層３と対向する面１ｂから反対側の面１ａにかけて、酸素及び水素イオンが透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、導電体層１の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、導電体層１に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
【００１６】
導電体層１を構成する導電性材料は、高い導電性が確保できるならば特に限定されない。ただ、導電性材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一つの導電性金属からなることが好ましい。これらの導電性金属は、高い耐食性及び導電性を備えているため、導電体層１を構成する材料として好適に用いることができる。
【００１７】
導電性材料は、炭素材料であってもよい。炭素材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。また、導電性材料は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる一つからなるものであってもよく、これらを複数積層してなる積層体でもよい。炭素繊維の不織布であるカーボンペーパー及びカーボンフェルト、炭素繊維の織布であるカーボンクロス、並びに黒鉛からなる黒鉛シートは、高い耐食性を有し、かつ、電気抵抗率が金属材料と同等であるため、耐久性と導電性を両立することが可能となる。
【００１８】
なお、上述の黒鉛シートは、次のようにして得ることができる。まず、天然黒鉛を酸によって化学処理を施し、黒鉛のグラフェン層の層間へ挿入物を形成する。次に、これを高温で急速加熱することで、層間挿入物の熱分解によるガス圧でグラフェン層間が押し広がった膨張黒鉛が得られる。そして、この膨張黒鉛を加圧し、ロール圧延することにより、黒鉛シートが得られる。このようにして得られた黒鉛シートを導電体層１として用いた場合、黒鉛におけるグラフェン層が積層方向Ｘに垂直な方向ＹＺに沿って配列している。そのため、導電体層１と外部回路１１０との間の導電性を高め、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
【００１９】
（触媒）
導電体層１には、触媒が担持されていることが好ましい。また、当該触媒は酸素還元触媒であることが好ましい。触媒が酸素還元触媒であることにより、撥水層３によって導電体層１へ移送された酸素と水素イオンとの反応速度をより高め、酸素の還元反応効率を向上させることができるので、より効率的な液体処理を実現することが可能となる。
【００２０】
触媒は、導電体層１の表面に担持されていることが好ましい。つまり、導電体層１における多孔質体層２側の面１ａに担持されていてもよく、また撥水層３側の面１ｂに担持されていてもよい。さらに触媒は、導電体層１の内部に担持されていてもよい。そして、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を促進する観点から、導電体層１と触媒は電気的に接続していることが好ましく、導電体層１と触媒とが接触していることが好ましい。
【００２１】
触媒は、結着剤を用いて導電体層１の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電体層１の表面及び細孔内部から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。このような結着剤としては、粒子同士を結着できれば特に限定されない。結着剤としては、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（ＰＶＤＦ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）及びナフィオンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。
【００２２】
酸素還元触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００２３】
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００２４】
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。
【００２５】
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料は、特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子が鉄のみであってもよい。
【００２６】
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料は特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。
【００２７】
酸素還元触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、８００℃以上１０００℃以下の温度で、４５秒以上６００秒未満加熱する。これにより、酸素還元触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。
【００２８】
炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩；酢酸塩などの有機金属塩；無機金属塩の水和物；及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄（III）を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が５〜３０質量％の範囲内となるように設定することが好ましく、更にこの割合が５〜２０質量％の範囲内となるように設定することがより好ましい。
【００２９】
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、１，２−ビス（ジエチルホスフィノエタン）、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、１：１〜１：２の範囲内となるように設定ことが好ましく、１：１．５〜１：１．８の範囲内となるように設定することがより好ましい。
【００３０】
酸素還元触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度（例えば６０℃）で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。
【００３１】
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は４５秒以上６００秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、５０℃／ｓ以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上させる。
【００３２】
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで３０分間分散させ、その後この炭素系材料を２Ｍ硫酸中に入れて、８０℃で３時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。
【００３３】
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。
【００３４】
（撥水層）
図１に示すように、電極１０は、導電体層１における多孔質体層２と接する面１ａと反対側の面１ｂに撥水層３を設けている。撥水層３は、撥水性を有しているため、電極１０を微生物燃料電池の正極として用いた場合、廃水槽８０の内部に保持された液相としての電解液７０と気相９０とを分離する。そして、撥水層３を設けることで、電解液７０が気相９０側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
【００３５】
撥水層３は、酸素を含む気相９０と接触しており、気相９０中の酸素を拡散する。そして、撥水層３は、導電体層１の面１ｂに対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層３は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、撥水層３が撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層３の内部に電解液７０が染み込み難いため、撥水層３における気相９０と接触する面３ｂから導電体層１と対向する面３ａにかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
【００３６】
撥水層３は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層３を構成する材料は、撥水性を有し、気相９０中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層３を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチルセルロース、ポリ−４−メチルペンテン−１、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、撥水層３は、撥水層３及び導電体層１の積層方向Ｘに複数の貫通孔を有することが好ましい。
【００３７】
撥水層３は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層３を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
【００３８】
図１に示す電極１０において、導電体層１の面１ｂに効率的に酸素を供給するために、撥水層３は、接着剤を介して導電体層１と接合していることが好ましい。つまり、撥水層３の面３ａは、対向する導電体層１の面１ｂと接着剤を介して接合していることが好ましい。これにより、導電体層１の面１ｂに対し、拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層３と導電体層１との間の接着性を確保する観点から、撥水層３と導電体層１との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層３と導電体層１との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素を導電体層１に供給する観点から、接着剤は撥水層３と導電体層１との間の全面に設けられていることがより好ましい。
【００３９】
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。
【００４０】
（多孔質体層）
本実施形態に係る電極１０は、図１に示すように、導電体層１の一方の面１ａに積層された多孔質体層２を備えている。図１において、導電体層１の面１ａと多孔質体層２の面２ｂとは互いに接触している。
【００４１】
電極１０において、多孔質体層２の厚さｔは１．０ｍｍ〜４０ｍｍである。つまり、導電体層１、多孔質体層２及び撥水層３の積層方向Ｘに沿った多孔質体層２の厚さｔは、１．０ｍｍ〜４０ｍｍである。多孔質体層２の厚さｔが１．０ｍｍ〜４０ｍｍであることにより、電解液７０に含まれる好気性微生物が多孔質体層２の内部に侵入し、導電体層１及び撥水層３の界面近傍に存在することを抑制することが可能となる。なお、多孔質体層２の厚さｔは１．５ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましい。多孔質体層２の厚さｔが１．５ｍｍ〜１０ｍｍであることにより、好気性微生物の多孔質体層２の内部への侵入を抑制しつつも水素イオンの透過率を高め、導電体層１へ水素イオンを効率的に到達させることが可能となる。
【００４２】
多孔質体層２は、電解液７０及び水素イオンを透過する細孔を多数有している。なお、多孔質体層２は、面２ａから反対側の面２ｂにかけて連続した細孔を有していることが好ましい。これにより、面２ａから細孔の内部に電解液７０が侵入し、電解液７０を通じて水素イオンが導電体層１に到達することが可能となる。なお、多孔質体層２における細孔の孔径は電解液７０及び水素イオンが透過できるならば特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上であることが好ましい。多孔質体層２における細孔の孔径が０．５μｍ以上であることにより、水素イオンを十分に透過し、発電効率を高めることが可能となる。なお、多孔質体層２における細孔の孔径の上限は特に限定されないが、例えば１．０ｍｍとすることができる。多孔質体層２における細孔の孔径は、例えば水銀圧入法により測定することができる。
【００４３】
多孔質体層２は、導電体であってもよく、電気絶縁体であってもよい。ただ、多孔質体層２は電気絶縁体であることが好ましい。多孔質体層２が電気絶縁体であることにより、後述するように、電極１０を微生物燃料電池に用いた場合、イオン移動層３０が不要となるため、微生物燃料電池の薄膜化及び電池構造の簡略化を図ることが可能となる。
【００４４】
多孔質体層２を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンなどの樹脂材料、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー及びカーボンフェルトなどの炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。なお、多孔質体層２は、合成樹脂によって形成されていることが好ましい。合成樹脂からなることにより、電気絶縁性を容易に確保することが可能となる。
【００４５】
多孔質体層２としては、織布構造のシート、不織布構造のシート、及び連続発泡体構造のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、多孔質体層２は複数のシートを積層した積層体でもよい。ただ、多孔質体層２は不織布からなることが好ましい。多孔質体層２として、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、水素イオンが導電体層１の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。
【００４６】
ここで、多孔質体層２は導電体層１とは別部材として構成されており、導電体層１のシートと多孔質体層２のシートとを接合することにより、電極１０を形成している。導電体層１の面１ａと多孔質体層２の面２ｂとは圧着することにより接合されていてもよく、また接着剤を介して接合されていてもよい。接着剤としては、上述の導電体層１と撥水層３とを接合するための接着剤を用いることができる。
【００４７】
導電体層１における酸素還元触媒が担持された部分は、多孔質体層２によって封止されていることが好ましい。具体的には、図２に示すように、導電体層１の一方の面１ａに多孔質体層２が積層され、導電体層１における他方の面１ｂに撥水層３が積層されている。図２では、撥水層３は導電体層１の面１ｂの全面に設けられているが、多孔質体層２は導電体層１の上部には設けられていない構成となっている。そして、多孔質体層２における面２ａの外周部２ｃ、上面２ｄ，側面２ｅ及び底面２ｆは、封止材料４を用いて封止されている。さらに、導電体層１における多孔質体層２との接合部位の外周部１ｃ、側面１ｅ及び底面１ｆも封止材料４により封止されている。このように、導電体層１における酸素還元触媒が担持された部分が、多孔質体層２及び封止材料４によって封止されていることにより、導電体層１の側面１ｅ及び底面１ｆから導電体層１の内部に好気性微生物が侵入することを抑制できる。その結果、好気性微生物が導電体層１及び撥水層３の界面近傍で増殖することを防ぐことが可能となる。
【００４８】
封止材料４は、少なくとも好気性微生物が通過しない材料からなることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。
【００４９】
上述のように、図２では、多孔質体層２は導電体層１の上部には設けられていないが、撥水層３と同様に、多孔質体層２は導電体層１の面１ａの全面に設けられていてもよい。ただ、電極１０を微生物燃料電池に使用する場合、導電体層１において電解液７０中に浸漬される部分のみが、多孔質体層２によって封止されていればよい。
【００５０】
多孔質体層２は、上述の触媒を担持していてもよい。ただ、多孔質体層２は電気絶縁体であることが好ましいこと、さらに後述するように、局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路１１０との間で導通させる必要があることから、多孔質体層２には触媒を担持しないことが好ましい。
【００５１】
本実施形態の電極１０における多孔質体層２の作用について説明する。電極１０を微生物燃料電池の正極に用いた場合、電極１０の導電体層１及び多孔質体層２が電解液７０に浸漬され、撥水層３の面３ｂの少なくとも一部が気相９０に露出する。そして、気相９０に露出した撥水層３を透過して導電体層１に酸素が到達するため、多孔質体層２が存在しない場合には、電解液７０中の好気性微生物は導電体層１を通過して、導電体層１と撥水層３との界面近傍で増殖してしまう。その結果、導電体層１と撥水層３との界面近傍で好気性微生物により酸素が消費されてしまうため、導電体層１に担持された触媒に酸素が十分に供給されず、酸素還元反応が生じ難くなってしまう。
【００５２】
これに対し、導電体層１に多孔質体層２を積層した場合、電解液７０中には好気性微生物の餌となる有機物が含まれるため、図３に示すように、多孔質体層２における電解液７０中に露出した面２ａには、微生物膜１１が形成される。つまり、好気性微生物が有機物を消費して繁殖し、多孔質体層２の面２ａに、好気性微生物が集合してなる微生物膜１１が形成される。好気性微生物は、酸素が供給される気相９０側へ進行しようするが、微生物膜１１中の好気性微生物によって有機物は消費され、多孔質体層２の内部に侵入する有機物は減少してしまう。さらに、多孔質体層２の厚さを大きくすることにより、有機物が導電体層１側へ移動し難くなり、導電体層１と多孔質体層２の界面よりも導電体層１側では好気性微生物が増殖できなくなる。その結果、導電体層１と撥水層３との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制され、導電体層１に担持された触媒に酸素を十分に供給し、効果的に酸素還元反応を行うことが可能となる。
【００５３】
このように、本実施形態に係る電極１０は、導電体層１と、導電体層１の一方の面１ａに設けられ、厚さｔが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層２と、導電体層１における多孔質体層２側の面１ａと反対側の面１ｂに設けられた撥水層３とを備える。さらに、酸素還元触媒が導電体層１に担持されていることが好ましい。このような構成により、導電体層１と撥水層３との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制される。そのため、電極１０を用いた微生物燃料電池は発電性能の低下が抑制され、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
【００５４】
［微生物燃料電池］
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池について説明する。本実施形態の微生物燃料電池１００は、図４及び図５に示すように、微生物を保持する負極２０と、上述の電極１０からなる正極１０Ａとを備える。また、微生物燃料電池１００は、正極１０Ａと負極２０との間に設けられ、水素イオン透過性を有するイオン移動層３０をさらに備えている。
【００５５】
（負極）
本実施形態における負極２０は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液７０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、本実施形態の負極２０は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。
【００５６】
本実施形態の負極２０は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極２０の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがイオン移動層３０の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極２０の導電体シートは、正極１０Ａ、イオン移動層３０及び負極２０の積層方向Ｘ、つまり厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していることが好ましい。
【００５７】
当該導電体シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極２０の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
【００５８】
負極２０の導電体シートとして、正極１０Ａで使用する黒鉛シートを用いてもよい。また、負極２０は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、正極１０Ａ、イオン移動層３０及び負極２０の積層方向Ｘに垂直な方向ＹＺの面に沿って配列していることが好ましい。グラフェン層がこのように配列していることにより、積層方向Ｘの導電性よりも、積層方向Ｘに垂直な方向ＹＺの導電性が向上する。そのため、負極２０の局部電池反応により生成した電子を外部回路へ導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
【００５９】
負極２０に担持される微生物としては、電解液７０中の有機物、又は窒素を含む化合物を分解する微生物であれば特に限定されないが、例えば増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液７０中の有機物を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
【００６０】
負極２０に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
【００６１】
負極２０に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極２０に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質（extracellular polymeric substance、EPS）とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極２０に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極２０表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
【００６２】
（正極）
本実施形態の微生物燃料電池１００は、上述の電極１０からなる正極１０Ａを備えている。そして、正極１０Ａの多孔質体層２の面２ａ側にイオン移動層３０が設けられる。
【００６３】
（イオン移動層）
本実施形態の微生物燃料電池１００は、正極１０Ａと負極２０との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層３０をさらに備える。そして、図１及び図２に示すように、負極２０は、イオン移動層３０を介して正極１０Ａと隔てられている。イオン移動層３０は、負極２０で生成した水素イオンを透過し、正極１０Ａ側へ移動させる機能を有している。
【００６４】
イオン移動層３０としては、例えばイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン（登録商標）及びセレミオン（登録商標）を用いることができる。
【００６５】
また、イオン移動層３０として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層３０は、負極２０から正極１０Ａへ水素イオンが移動するための空間（空隙）を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層３０は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層３０は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、イオン移動層３０の細孔径は、負極２０から正極１０Ａに水素イオンが移動できれば特に限定されない。
【００６６】
上述のように、イオン移動層３０は、負極２０で生成した水素イオンを透過し、正極１０Ａ側へ移動させる機能を有する。そのため、例えば、負極２０と正極１０Ａとが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極２０から正極１０Ａへ移動することができる。そのため、本実施形態の微生物燃料電池１００において、イオン移動層３０は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層３０を設けることにより、負極２０から正極１０Ａへ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層３０を設けることが好ましい。
【００６７】
図４及び図５に示すように、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、正極１０Ａ、負極２０及びイオン移動層３０からなる複数の電極接合体４０を備えている。微生物燃料電池１００では、図５に示すように、イオン移動層３０の一方の面３０ａに負極２０が接触するように配置されており、イオン移動層３０の面３０ａと反対側の面３０ｂに正極１０Ａが接触するように配置されている。
【００６８】
図６に示すように、２枚の電極接合体４０は、正極１０Ａ同士が対向するように、カセット基材５０を介して積層されている。カセット基材５０は、正極１０Ａにおける面１０ａの外周部に沿うＵ字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材５０は、２本の第一柱状部材５１の底面を第二柱状部材５２で連結した枠部材である。そして、カセット基材５０の側面５３は、正極１０Ａの面１０ａの外周部と接合されており、正極１０Ａの面１０ａの外周部からカセット基材５０の内部に電解液７０が漏出することを抑制できる。
【００６９】
そして、図５に示すように、２枚の電極接合体４０とカセット基材５０とを積層してなる燃料電池ユニット６０は、大気と連通した気相９０が形成されるように、廃水槽８０の内部に配置される。廃水槽８０の内部には被処理液である電解液７０が保持されており、正極１０Ａ、負極２０及びイオン移動層３０は電解液７０に浸漬されている。
【００７０】
上述のように、正極１０Ａの撥水層３は撥水性を有する。そのため、廃水槽８０の内部に保持された電解液７０とカセット基材５０の内部とは隔てられ、２枚の電極接合体４０とカセット基材５０とにより形成された内部空間は気相９０となっている。そして、図５に示すように、正極１０Ａ及び負極２０は、それぞれ外部回路１１０と電気的に接続されている。
【００７１】
次に、本実施形態の微生物燃料電池１００の作用について説明する。上述の電極１０、負極２０及びイオン移動層３０からなる電極接合体４０が電解液７０に浸漬された場合、正極１０Ａの多孔質体層２及び負極２０が電解液７０に浸漬され、撥水層３の少なくとも一部が気相９０に露出している。また、この際、正極１０Ａの導電体層１も電解液７０に浸漬される。
【００７２】
微生物燃料電池１００の動作時には、負極２０に、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液７０を供給し、正極１０Ａに空気を供給する。この際、空気は、カセット基材５０の上部に設けられた開口部を通じて連続的に供給される。
【００７３】
そして、正極１０Ａでは、撥水層３を透過して導電体層１に酸素が拡散する。負極２０では、微生物の触媒作用により、電解液７０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、イオン移動層３０を透過して正極１０Ａ側へ移動する。さらに水素イオンは、正極１０Ａ中の多孔質体層２を透過して、導電体層１に到達する。また、生成した電子は負極２０の導電体シートを通じて外部回路１１０へ移動し、さらに外部回路１１０から正極１０Ａの導電体層１に移動する。そして、水素イオン及び電子は、導電体層１中の触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路１１０によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
【００７４】
ここで、電解液７０には、上述の嫌気性微生物に加え、増殖に酸素を必要とする好気性微生物も含まれている。正極１０Ａは、導電体層１に多孔質体層２を積層していることから、図３に示すように、多孔質体層２の面２ａには微生物膜１１が形成される。好気性微生物は、酸素が供給される気相９０側へ進行しようするが、微生物膜１１中の好気性微生物によって有機物は消費され、多孔質体層２の内部に侵入する有機物は減少してしまう。さらに、多孔質体層２が所定の厚さを有しているため、有機物が導電体層１側へ移動し難くなり、導電体層１と多孔質体層２の界面よりも導電体層１側では好気性微生物が増殖できなくなる。その結果、導電体層１と撥水層３との界面近傍で好気性微生物が増殖されないことから、好気性微生物による酸素消費が抑制され、酸素還元反応を効率的に行うことが可能となる。
【００７５】
このように、本実施形態の微生物燃料電池１００は、電極１０からなる正極１０Ａと、微生物を保持する負極２０と、電解液７０とを備える。多孔質体層２及び負極２０が電解液７０に浸漬され、撥水層３の少なくとも一部が気相９０に露出している。このような構成により、正極１０Ａにおいて好気性微生物による酸素消費阻害が生じ難くなることから、正極１０Ａにおける酸素還元特性を高め、安定的に電気エネルギーを生産することが可能となる。
【００７６】
正極１０Ａにおいて、多孔質体層２が電気絶縁性である場合、図７に示すように、微生物燃料電池１００Ａはイオン移動層３０を設けなくてもよい。具体的には、微生物燃料電池１００Ａは、正極１０Ａ及び負極２０からなる複数の電極接合体４０Ａを備えている。微生物燃料電池１００Ａでは、負極２０の一方の面２０ａが、正極１０Ａにおける多孔質体層２の面２ａと接触するように配置されている。そして、２枚の電極接合体４０Ａは、正極１０Ａ同士が対向するように、カセット基材５０を介して積層されている。カセット基材５０の側面５３は、正極１０Ａの面１０ａの外周部と接合されている。また、２枚の電極接合体４０Ａとカセット基材５０とを積層してなる燃料電池ユニット６０Ａは、気相９０が形成されるように、廃水槽８０の内部に配置され、正極１０Ａ及び負極２０は電解液７０に浸漬されている。
【００７７】
正極１０Ａの多孔質体層２が電気絶縁性である場合、正極１０Ａの導電体層１と負極２０とは多孔質体層２により絶縁されているため、イオン移動層３０を介在させなくても、導電体層１と負極２０との間の短絡を防ぐことができる。また、上述のように、多孔質体層２は水素イオンを透過し、導電体層１に水素イオンを到達させることができる。このように、多孔質体層２がイオン移動層３０と同じ機能を果たすことができるため、イオン移動層３０を設けなくてもよい。なお、図７では、負極２０の一方の面２０ａが正極１０Ａにおける多孔質体層２の面２ａと接触するように配置されているが、負極２０の面２０ａと正極１０Ａの面２ａとの間には空隙が存在していてもよい。
【００７８】
本実施形態に係る負極２０には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、廃水槽８０内の電解液７０は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極２０への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
【００７９】
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液７０中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極２０へと受け渡す。この結果、電解液７０における有機物などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−２，６−ジスルホン酸（ＡＱＤＳ）、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
【００８０】
図６に示す燃料電池ユニット６０は、２枚の電極接合体４０とカセット基材５０とを積層する構成となっている。しかし、本実施形態はこの構成に限定されない。例えば、カセット基材５０の一方の側面５３のみに電極接合体４０を接合し、他方の側面は板部材で封止してもよい。また、図４乃至図６に示すカセット基材５０は、上部の全体が開口しているが、内部に空気を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
【００８１】
廃水槽８０は内部に電解液７０を保持しているが、電解液７０が流通するような構成であってもよい。例えば、図４及び図５に示すように、廃水槽８０には、電解液７０を廃水槽８０に供給するための廃水供給口８１と、処理後の電解液７０を廃水槽８０から排出するための廃水排出口８２とが設けられていてもよい。そして、電解液７０は、廃水供給口８１及び廃水排出口８２を通じて連続的に供給されることが好ましい。
【００８２】
廃水槽８０内は、例えば分子状酸素が存在しない、又は分子状酸素が存在してもその濃度が極めて小さい嫌気性条件に保たれていることが好ましい。これにより、廃水槽８０内で、電解液７０を酸素と殆ど接触しないように保持することが可能となる。
【００８３】
［第二実施形態の電極］
次に、第二実施形態に係る電極について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態の電極と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８４】
本実施形態の電極１０Ｂは、図８に示すように、導電体層１と、導電体層１の一方の面１ａに設けられ、厚さｔが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層２と、導電体層１における多孔質体層２側の面１ａと反対側の面１ｂに設けられた撥水層３とを備える。そして、電極１０Ｂでは、撥水層３の面３ｂにカセット基材５０が配置されている。そして、カセット基材５０の側面５３は、撥水層３の面３ｂの外周部と接合されており、面３ｂの外周部からカセット基材５０の内部に電解液７０が漏出することを抑制している。なお、電極１０Ｂでは、カセット基材５０の一方の側面５３のみに撥水層３を接合し、他方の側面は板部材５４で封止している。
【００８５】
図２に示す電極では、導電体層１における酸素還元触媒が担持された部分が多孔質体層２及び封止材料４によって封止されているため、導電体層１の側面１ｅ及び底面１ｆから導電体層１の内部に好気性微生物が侵入することを抑制している。これに対し、本実施形態の電極１０Ｂは封止材料４を用いず、導電体層１における酸素還元触媒が担持された部分が多孔質体層２で覆われている。つまり、導電体層１の面１ａだけでなく、導電体層１、撥水層３及びカセット基材５０における側面及び底面も多孔質体層２で覆われている。
【００８６】
このように、導電体層１及び撥水層３が、内部に空間を有する箱状の多孔質体層２で覆われることによって、導電体層１の面１ａ、側面１ｅ及び底面１ｆから導電体層１の内部に好気性微生物が侵入することを抑制できる。その結果、好気性微生物が導電体層１及び撥水層３の界面近傍で増殖することを防ぐことが可能となる。また、導電体層１及び撥水層３を多孔質体層２で覆ったとしても、カセット基材５０により撥水層３の面３ｂには空気が十分に供給されるため、酸素還元反応を効率的に行うことが可能となる。
【００８７】
電極１０Ｂを微生物燃料電池として使用することを想定した場合、導電体層１における電解液７０中に浸漬される部分のみが、多孔質体層２によって封止されていればよい。そのため、電解液７０の液面が多孔質体層２の上面２ｄよりも下であるならば、箱状の多孔質体層２の上面２ｄは開口した状態であってもよい。なお、多孔質体層２の上面２ｄと導電体層１、撥水層３及びカセット基材５０との境界部を封止材料で封止する必要はないが、当該境界部を封止材料で封止してもよい。
【実施例】
【００８８】
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８９】
［実施例１］
本例の正極を次のように作製した。まず、導電体層としての黒鉛シートと撥水層としての撥水シートとをシリコーン接着剤で接合することにより、黒鉛シート／シリコーン接着剤／撥水シートからなる積層シートを作製した。黒鉛シートとしては、日立化成株式会社製カーボフィット（登録商標）を使用した。シリコーン接着剤としては、信越化学工業株式会社製の一液型ＲＴＶシリコーンゴムＫＥ−３４７５を使用した。撥水シートとしては、積水化学工業株式会社製セルポア（登録商標）を使用した。
【００９０】
この積層シートの黒鉛シート上に酸素還元触媒の分散液を滴下し、乾燥させた。そして、酸素還元触媒を滴下した部分に、厚みが０．１８ｍｍ、密度が１５ｇ／ｍ２であるポリエチレン及びポリプロピレンからなる混紡の不織布を１０枚積層し、膜厚が１．８ｍｍの多孔質体層を形成した。なお、当該不織布としては、パシフィック技研株式会社のポリオレフィン不織布♯２１０を使用した。なお、不織布の周囲は、エポキシ樹脂を用いて図２に示すように封止した。このようにして本例の正極を得た。
【００９１】
なお、酸素還元触媒は次のように調製した。まず、容器内に、３ｇのカーボンブラック、０．１Ｍの塩化鉄（III）水溶液、及び０．１５Ｍのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤを使用した。０．１Ｍ塩化鉄（III）水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が１０質量％になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで全量を９ｍＬに調製した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で６０℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄（III）、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。
【００９２】
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を、９００℃の炉に入れてから４５秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に３秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を３００℃／ｓに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却させた。これにより、酸素還元触媒を得た。また、酸素還元触媒の分散液は、粉末状の酸素還元触媒０．３５ｇ、ＰＴＦＥ分散液０．３５ｍＬ、イオン交換水２ｍＬを混合することにより調製した。
【００９３】
次に、上述のようにして得られた正極を用いて微生物燃料電池を作製した。まず、上述のようにして得られた正極と、嫌気性微生物を保持したカーボンフェルトからなる負極とを使用して、電極接合体を作製した。
【００９４】
そして、得られた電極接合体を用いて、図７に示す微生物燃料電池を作製した。なお、廃水槽の容量は３００ｃｃとした。また、電解液は全有機炭素（ＴＯＣ）が８００ｍｇ／Ｌのモデル廃液を使用し、電解液の液温は３０℃とした。さらに、電解液の水理学的滞留時間が２４時間となるように、廃水槽への流入量を調整した。
【００９５】
得られた微生物燃料電池を４０日間運転させ、出力特性の変化を調べた。評価結果を図９に示す。図９に示すように、微生物燃料電池の立ち上げには１週間程度を要し、徐々に出力が向上した。そして、本例の燃料電池の最大出力は１５２ｍＷ／ｍ２であった。なお、正極、負極及びカセット基材からなる燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は、３１７ｍＷ／ｃｍ３であった。また、燃料電池ユニットにおける多孔質体層を除いたものの厚さは３ｍｍであった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は１．３７ｍＷ／ｍ２となり、良好な出力特性を得た。
【００９６】
［実施例２］
不織布の積層枚数を２０枚とし、膜厚が３．６ｍｍの多孔質体層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
【００９７】
得られた微生物燃料電池を実施例１と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図９に示すように、本例の燃料電池の最大出力は１３１ｍＷ／ｍ２であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は１９８ｍＷ／ｃｍ３であった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は０．９３ｍＷ／ｍ２となり、良好な出力特性を得た。
【００９８】
［実施例３］
不織布の積層枚数を５０枚とし、膜厚が９．０ｍｍの多孔質体層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
【００９９】
得られた微生物燃料電池を実施例１と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図９に示すように、本例の燃料電池の最大出力は９３ｍＷ／ｍ２であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は７７．５ｍＷ／ｃｍ３であった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は０．７１ｍＷ／ｍ２となり、良好な出力特性を得た。
【０１００】
［実施例４］
不織布の積層枚数を２００枚とし、膜厚が３６ｍｍの多孔質体層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
【０１０１】
得られた微生物燃料電池を実施例１と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図９に示すように、本例の燃料電池の最大出力は３５ｍＷ／ｍ２であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は８．９７ｍＷ／ｃｍ３であった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は０．２３ｍＷ／ｍ２となり、良好な出力特性を得た。
【０１０２】
［比較例１］
不織布の積層枚数を１枚とし、膜厚が０．１８ｍｍの多孔質体層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
【０１０３】
得られた微生物燃料電池を実施例１と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図９に示すように、本例の燃料電池の最大出力は２５１ｍＷ／ｍ２であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は７８９ｍＷ／ｃｍ３であった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は７．３６ｍＷ／ｍ２となった。このことから、本例の微生物燃料電池は、最大出力は高いものの、経時的な出力低下量は大きく増加した。
【０１０４】
［比較例２］
不織布の積層枚数を５枚とし、膜厚が０．９ｍｍの多孔質体層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、本例の微生物燃料電池を得た。
【０１０５】
得られた微生物燃料電池を実施例１と同等の条件で運転し、出力特性の変化を調べた。図９に示すように、本例の燃料電池の最大出力は１９８ｍＷ／ｍ２であり、燃料電池ユニットの体積当たりの最大出力は５０８ｍＷ／ｃｍ３であった。そして、立ち上げ完了時点から４０日経過後時点での１日あたりの出力低下量は４．５７ｍＷ／ｍ２となった。このことから、本例の微生物燃料電池は、最大出力は高いものの、経時的な出力低下量は大きく増加した。
【０１０６】
実施例１乃至４より、厚さが１．０ｍｍ〜４０ｍｍである多孔質体層を設けることにより、好気性微生物によって正極の酸素還元能が阻害されることなく、高出力を実現する微生物燃料電池が得られることが分かる。なお、燃料電池ユニットの体積当たりの出力を鑑みると、多孔質体層の厚さが４０ｍｍを超えると、体積当たりの最大出力は限りなくゼロに漸近していくため、多孔質体層の厚さは４０ｍｍ以下であることが好ましい。また、好気性微生物による正極の酸素還元能の阻害を防ぎつつも、燃料電池ユニットの体積当たりの出力を高める観点から、多孔質体層の厚さは１．５ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましい。
【０１０７】
一般的に、微生物燃料電池は、正極と負極との間の距離が増大することで出力低下するため、従来は、いかに正極と負極との間の距離を縮小するかが重要であった。しかしながら、従来の技術常識に反して、多孔質体層を用いて正極と負極との間の距離をある程度増大させたほうが、長期的には出力が低下せず、高出力が維持できることが分かり、本実施形態の発明を完成するに至った。
【０１０８】
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、導電体層１、多孔質体層２及び撥水層３を備えた電極１０並びに負極２０、イオン移動層３０は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、燃料電池の大きさ、並びに所望の発電性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば任意に変更することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１  導電体層
２  多孔質体層
３  撥水層
４  封止材料
１０，１０Ｂ  電極
１０Ａ  正極
２０  負極
３０  イオン移動層
７０  電解液
９０  気相
１００，１００Ａ  微生物燃料電池
【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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