微生物燃料电池系统的制作方法

本发明涉及使用微生物燃料电池使电流产生菌的活动可视化的微生物燃料电池系统。

背景技术

近年来，iot(internetofthings；物联网)技术备受关注，分散型传感器或无线收发机的需求很高。在那样的分散型传感器、无线收发机之中，期望无电缆并稳定地供给电力。

此外，如专利文献1中公开的技术或者非专利文献1中公开的技术那样，关于将利用了电流产生菌的活动的微生物燃料电池不是作为电源而是作为传感器的使用进行了研究。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国公表专利公报“特表2013-513125号公报(2013年4月18日公表)

非专利文献

非专利文献1：http://www.aqua-ckc.jp/news/c-13_korbi_bod.pdf(2010年7月6日)

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题

但是，专利文献1中公开的技术以及非专利文献1中公开的技术均需要从装置外部接受电源供给。换言之，在专利文献1中公开的技术以及非专利文献1中公开的技术的任意一个中，都或产生如下问题：无法实现利用电流产生菌的活动确保电源的同时使电流产生菌的活动可视化的系统。

本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供一种利用由微生物燃料电池确保的电源来检测微生物燃料电池的电动势变化并对其进行可视化的微生物燃料电池系统。

解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的一个形态所涉及的微生物燃料电池系统，具备：微生物燃料电池、用于检测上述微生物燃料电池的电动势的检测部；以及用于输出上述检测部的检测结果的输出部，其特征在于，上述检测部以及上述输出部构成为以上述微生物燃料电池的电动势作为电源而进行动作。

发明效果

根据本发明的一个形态，起到了能够利用由微生物燃料电池确保的电源来检测微生物燃料电池的电动势变化并对其进行可视化的效果。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的第一实施方式的微生物燃料电池系统的剖视图。

图2是示意性地表示本发明的第二实施方式的微生物燃料电池系统的剖视图。

图3是示意性地表示本发明的第三实施方式的微生物燃料电池系统的剖视图。

图4是示意性地表示本发明的第四实施方式的微生物燃料电池系统的框图。

图5是示意性地表示本发明的第五实施方式的微生物燃料电池系统的框图。

图6是示意性地表示本发明的第六实施方式的微生物燃料电池系统的框图。

图7是示意性地表示本发明的第七实施方式的微生物燃料电池系统的框图。

图8是分别表示图4的微生物燃料电池系统的(a)微生物燃料电池的电压以及(b)控制部的消耗电流的随时间变化的一例的图表。

图9是分别表示图5的微生物燃料电池系统的(a)微生物燃料电池的电压以及(b)控制部的消耗电流的随时间变化的一例的图表。

具体实施方式

参照图1至图9，对用于实施本发明的方式进行说明。此外，为了说明上的方便，对于具有与在之前的实施方式中说明过的部件相同的功能的部件，标注相同的符号，并省略其说明。

(第一实施方式)

图1是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1000的剖视图。以下，参照图1，关于微生物燃料电池系统1000详细地进行说明。图1所示的微生物燃料电池系统1000具备：微生物燃料电池100、壳体1、控制部7、负极布线20、以及正极布线30。微生物燃料电池100具备：负极2、正极3、离子传导部4、微生物含有层5、以及空气层6。控制部7具备：检测部8、以及输出部9。

壳体1用于收纳负极2、正极3、离子传导部4、空气层6、控制部7、负极布线20、以及正极布线30。在壳体1上形成有开口，离子传导部4被设置为堵塞该开口。

负极2及正极3分别为电极，负极2与正极3以夹持离子传导部4的方式设置。负极2相对于离子传导部4设置在壳体1的外侧。正极3相对于离子传导部4设置在壳体1的中侧。此外，负极布线20是电连接负极2与控制部7的配线。正极布线30是电连接正极3与控制部7的配线。

这里，离子传导部4构成为位于负极2与正极3之间的离子能够移动。在微生物燃料电池系统1000中，离子传导部4是含有电解质的离子传导性膜，负极2与该离子传导性膜中的一个面接触，并且正极3与该离子传导性膜中的另一个面接触。此外，离子传导部4可以是电解质溶液，负极2和正极3可以与该电解质溶液接触。此外，离子传导部4可以是含有电解质的水凝胶，负极2和正极3可以与该水凝胶接触。此外，离子传导部4可以是离子传导性膜及电解质溶液，负极2和正极3可以与这些离子传导性膜及电解质溶液中的至少一方接触。此外，为了适当地调整离子传导性或透氧性，离子传导部4可以由多种物质构成，该情况下，负极2所接触的物质与正极3所接触的物质可以互不相同。进而，负极2与离子传导部4的接触并非必须，也可以在负极2与离子传导部4之间介入例如微生物含有层5这样的离子传导部4以外的离子能够移动的部件。

作为负极2，可使用公知的电极材料来构成。特别地，负极2期望含有耐腐蚀性高的碳材料，例如期望由碳毡构成。此外，负极2可以通过对由金属构成的基材施行碳涂覆而得到。作为基材，期望使用例如材质为sus(不锈钢)且表面积较大的网眼式的基材。作为碳涂覆的方法，可适用利用熔融盐进行的碳镀覆、无纺布喷涂、含碳涂装(日语：炭素含有塗装)或溅射等。关于正极3，可与负极2相同地构成。

另外近年，已知将酶或微生物用作电极催化剂来提高效率的方法。根据该方法，负极2及/或正极3可以被含有酶或微生物的介质涂覆，这种情况下，期望经由该涂层与离子传导部4接触。

微生物含有层5是含有电流产生菌以及有机物的层。微生物含有层5以包围壳体1及负极2的方式设置，且与负极2接触。空气层6是含有氧的层。空气层6由壳体1内的空间形成，且与正极3接触。

在微生物燃料电池系统1000中，在负极2中的与微生物含有层5接触的面上，固定有电流产生菌。在微生物含有层5中含有且固定在负极2上的电流产生菌例如是厌氧性的电流产生菌。作为厌氧性的电流产生菌的具体示例，可列举出shewanella菌、geobacter属细菌、rhodoferaxferrireducens、desulfobulbuspropionicus等公知的适宜的菌。其中，在微生物含有层5中含有且固定在负极2上的电流产生菌丰富地包含在多种多样的土壤中，其与阳极电极的电子授受是容易的，优选为shewanella菌。

负极布线20以及正极布线30的材质优选为耐腐蚀性高的sus、钛、镍、碳等，且期望被绝缘性树脂等覆盖。

壳体1的材质优选为至少防止负极2与正极3之间的通电的绝缘体或者被施行了绝缘处理的材料。作为壳体1的材质的具体示例，可列举出一般的树脂(或者橡胶)材料、氟系树脂(或者橡胶)材料、具有绝缘覆膜的金属材料、以及陶瓷材料等。其中，基于低成本且高耐腐蚀性的理由，壳体1的材质优选为氟系树脂(或者橡胶)材料。

离子传导部4例如可通过在琼脂中混入氯化钾或氯化钠等盐来构成。此外，离子传导部4可使用杜邦公司制nafion(注册商标)等。

图1中示出了壳体1被埋入微生物含有层5的微生物燃料电池系统1000。微生物含有层5期望为丰富地含有厌氧性的电流产生菌的土壤，例如优选为腐叶土。此外，微生物含有层5也可以为含水率较高的所谓泥状态。微生物含有层5还可以为污水或者脏水。作为微生物含有层5中含有的厌氧性的电流产生菌，已知例如上述的shewanella菌等。

如图1所示，在负极2侧产生反应r1，该反应r1是由电流产生菌的代谢所导致的有机物的分解(电流产生菌所导致的有机物的分解)而引起的。作为微生物含有层5中含有的有机物，例如可列举出葡萄糖、醋酸以及乳酸等有机化合物。反应r1所产生的电子由负极2提取，反应r1所产生的质子从负极2离子传导部4内移动至正极3。反应r1所产生的电子通过负极布线20移动至正极3。此外，在正极3中，利用从负极2经由离子传导部4移动至正极3的质子、反应r1所产生的电子、以及空气层6中含有的氧，发生反应r2。反应r1及反应r2分别如下所示。

(微生物含有层5中含有的有机物)+2h2o→co2+h⁺+e^－……(反应r1)

o2+4h⁺+4e^－→2h2o……(反应r2)

通过反应r1及反应r2的循环，在负极布线20与正极布线30之间，产生微生物燃料电池100的电动势。该电动势的变化与微生物含有层5中所含有的有机物的量以及电流产生菌的数(活性度)的变化相关。

负极布线20中的与负极2相反侧的端部、以及正极布线30中的与正极3相反侧的端部均与控制部7连接。因此，构成控制部7的检测部8以及输出部9均可将上述微生物燃料电池100的电动势作为电源而进行动作。换言之，检测部8以及输出部9均构成为将上述微生物燃料电池100的电动势作为电源而进行动作。检测部8用于检测微生物燃料电池100的电动势。输出部9用于输出检测部8的检测结果，并将该检测结果通知给例如微生物燃料电池系统1000的外部。关于检测部8以及输出部9的具体示例将在下文进行描述。

在微生物燃料电池系统1000中，由于负极2的与离子传导部4相反侧的面被暴露，所以负极2没有限制地与微生物含有层5面对。由于微生物含有层5中含有的、有助于发电的厌氧性的电流产生菌在自然生态系统中进行替换，所以厌氧性的电流产生菌可持续固定在负极2的表面。因此，在微生物燃料电池系统1000中，只要不存在负极2、正极3、负极布线20、或者正极布线30的劣化，能半永久性地进行发电。由此，与负极布线20以及正极布线30连接的、具备检测部8以及输出部9的控制部7可长期使用。

根据微生物燃料电池系统1000，检测部8以及输出部9将微生物燃料电池100的电动势作为电源而进行动作。因此，能够利用由微生物燃料电池100确保的电源，来检测微生物燃料电池100的电动势变化，实现可视化的微生物燃料电池系统1000。

(第二实施方式)

图2是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1001的剖视图。以下，参照图2，关于微生物燃料电池系统1001详细地进行说明。图2所示的微生物燃料电池系统1001与图1所示的微生物燃料电池系统1000的下述结构不同，而其他结构是相同的。

即，微生物燃料电池系统1001具备壳体11。壳体11设置在壳体1的外侧，用于收纳壳体1以及微生物含有层5。换言之，微生物含有层5设置在壳体1的外壁与壳体11的内壁之间的空间。也就是说，在微生物燃料电池系统1001中，微生物含有层5的配置区域被限定。

根据微生物燃料电池系统1001，通过控制部7能够知道限定的微生物含有层5的状态变化。例如，壳体11期望为生活垃圾或者污水等的处理槽、或者用于栽培植物的栽培箱。壳体11可以在其一部分上具有用于排水及养分添加的开口部。壳体11与壳体1之间可以由微生物含有层5填满，也可以具有例如与空气的边界(换言之，也可以不由微生物含有层5填满)。

壳体11具有上盖110，该上盖110可以是能装卸的。微生物燃料电池系统1001的制造方法，期望包括：将各部件收纳于壳体1中的工序；将微生物含有层5填入壳体11中的工序；以及将壳体1扎入微生物含有层5之后，通过上盖110密封壳体11的工序。该密封的主要目的在于微生物含有层5的保湿，期望至少在发电状态下，壳体11处于密封状态。

(第三实施方式)

图3是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1002的剖视图。以下，参照图3，关于微生物燃料电池系统1002详细地进行说明。图3所示的微生物燃料电池系统1002与图1所示的微生物燃料电池系统1000的下述结构不同，而其他结构是相同的。

即，微生物燃料电池系统1002具备壳体10以代替壳体1。在壳体10中，并未形成在壳体1中由离子传导部4堵塞的开口。此外，微生物含有层5并未以包围壳体10的方式设置。在负极2与壳体10的底部之间形成有空间，在该空间中设置有微生物含有层5。

根据微生物燃料电池系统1002，通过控制部7能够知道限定的微生物含有层5的状态变化。例如，通过将微生物燃料电池系统1002用作传感器，能够检测出壳体10周围的环境变化。通过适当地选择壳体10的材料以及结构，能够检测出与微生物燃料电池100(参照图1)的反应周期相关的参数，例如壳体10周围的温度、湿度、气压、有机成分浓度、或者发光强度等的变化。此外，例如壳体10可以具有使特定成分吸附的功能、或者选择性地使特定成分通过的功能。例如，壳体10可以由用于限定可通过的物质的尺寸的过滤器、吸附物质的多孔材料、能选择吸附分子的离子交换膜、或者它们的组合构成。

(第四实施方式)

图4是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1003的框图。以下，参照图4，关于微生物燃料电池系统1003详细地进行说明。此外，在微生物燃料电池系统1003中，为了使说明简洁，省略了与壳体相关的图示以及说明。

微生物燃料电池系统1003具备：微生物燃料电池100、负极布线20、正极布线30、以及控制部7。微生物燃料电池100通过负极布线20以及正极布线30与控制部7电连接。

控制部7具备检测部8以及无线发送部90。无线发送部90是输出部9(参照图1)的一个具体示例。

检测部8例如由用于检测连接在负极布线20与正极布线30之间的负载以及对该负载施加的电压及/或电流的公知的检测电路构成。检测部8的检测结果从无线发送部90被数据发送(无线通信)至微生物燃料电池系统1003的外部。

检测部8可以是如下结构：具有预先设定的阈值，例如，当施加到负载的电压超过阈值电压vth或者成为阈值电压vth以下时，执行模数转换。也就是说，检测部8可以是如下结构：根据与微生物燃料电池100的电动势的大小对应的检测值是否超过规定的阈值使检测结果变化。

这里，参照图8(a)以及图8(b)关于由无线发送部90进行的外部输出的时刻进行说明。图8(a)是表示微生物燃料电池系统1003的微生物燃料电池100的电压(感应电压)v的随时间变化的一例的图表。图8(b)是表示微生物燃料电池系统1003的控制部7的消耗电流i的随时间变化的一例的图表。

在图8(a)中，电压v(与被施加于负载的电压对应)超过阈值电压vth或者成为阈值电压vth以下的时刻为时间t1(超过)、时间t2(变为以下)、以及时间t3(超过)。在时间t1至时间t3中的各个时间，检测部8检测被施加于载荷的电压的变化，无线发送部90对该检测的结果进行数据化并发送。

同时，根据图8(b)，在时间t1至时间t3中的各个时间，由于无线发送部90为了发送上述检测的结果而消耗了电流，所以在紧随时间t1至时间t3中的各个时间之后，控制部7的消耗电流i暂时增大。此外，电流值id表示为了使检测部8以及无线发送部90成为待机状态而时常需要的消耗电流的值。

根据图8(a)以及图8(b)，当因微生物燃料电池100的电动势而在电压v中发生了某些变化时，可将该状态通知给微生物燃料电池系统1003的外部。由于每当检测部8的检测值即电压v超过规定的阈值电压vth或者成为阈值电压vth以下时，都能使检测结果变化，所以能够得到精度充分高的检测结果。

(第五实施方式)

图5是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1004的框图。以下，参照图5，关于微生物燃料电池系统1004详细地进行说明。图5所示的微生物燃料电池系统1004与图4所示的微生物燃料电池系统1003的下述结构不同，而其他结构是相同的。

即，微生物燃料电池系统1004的控制部7具有定时器70。定时器70是决定控制部7的时间的内部钟表，用于使检测部8及/或无线发送部90在规定的时刻进行动作。换言之，微生物燃料电池系统1004具备用于使检测部8以及输出部9中的至少一个每隔规定的时间进行动作的至少一个定时器70。

这里，参照图9(a)以及图9(b)关于由无线发送部90进行的外部输出的时刻进行说明。图9(a)是表示微生物燃料电池系统1004的微生物燃料电池100的电压(感应电压)v的随时间变化的一例的图表。图9(b)是表示微生物燃料电池系统1004的控制部7的消耗电流i的随时间变化的一例的图表。

在图9(a)中，在由定时器70预先设定的检测时刻即时间ta至时间td中的各个时间，对电压v进行检测，并进行数据化。此外，时间ta与时间tb的间隔、时间tb与时间tc的间隔、以及时间tc与时间td的间隔是相同的。换言之，检测部8每隔一定的时间而进行动作。

同时，根据图9(b)，不使检测部8以及无线发送部90进行动作时，时常需要的消耗电流的值id′比图8(b)所示的电流值id小。

根据图9(a)以及图9(b)，微生物燃料电池系统1004的控制部7能将规定时刻的微生物燃料电场100的状态通知给外部。

此外，虽然在微生物燃料电池系统1004中，关于由检测部8进行的检测和由无线发送部90进行的外部输出，是在1对1对应的时刻进行，但也可以在互相不同的时刻进行。例如，也可以将检测部8的多次的检测结果存储到存储器(未图示)等之中，并将该多次的检测结果汇总之后，由无线发送部90进行数据发送。

此外，在微生物燃料电池系统1004中，检测部8以及无线发送部90无需时常处于待机状态，而仅在与时间ta至时间td中的各个时间对应的时刻进行动作即可。即，在控制部7中，通过区分对定时器70的电力供给和对检测部8以及无线发送部90的电力供给，从而能够在该时刻以外仅使定时器70进行动作，使控制部7处于休眠状态。因此，根据微生物燃料电池系统1004，能够使时常需要的电流从电流值id减小至电流值id′。

(第六实施方式)

图6是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1005的框图。以下，参照图6，关于微生物燃料电池系统1005详细地进行说明。图6所示的微生物燃料电池系统1005与图4所示的微生物燃料电池系统1003的下述结构不同，而其他结构是相同的。

即，微生物燃料电池系统1005的控制部7具备显示器91以代替无线发送部90。显示器91是输出部9(参照图1)的一个具体示例。显示器91通过视觉性地显示检测部8的检测结果，从而将该检测结果通知给微生物燃料电池系统1005的外部。

显示器91期望为，例如液晶画面。此外，也可以使用电场的变化作为履历而保留的电子纸(微胶囊)，该情况下，通过仅在通知的时刻通知微生物燃料电池系统1005的状态，能够实现低消耗电力化。

在微生物燃料电池系统1005中，通过视觉性的显示将微生物燃料电池100的电动势的变化通知给外部。关于通知等的时刻，例如遵照图8(a)及图8(b)、图9(a)及图9(b)所示的时刻即可。

显示器91除了显示表示微生物燃料电池100或外部环境的状态的显示之外，还显示微生物燃料电池100的电动势变化(通知)的次数等。

(第七实施方式)

图7是示意性地表示本实施方式的微生物燃料电池系统1006的框图。以下，参照图7，关于微生物燃料电池系统1006详细地进行说明。图7所示的微生物燃料电池系统1006与图4所示的微生物燃料电池系统1003的下述结构不同，而其他结构是相同的。

即，微生物燃料电池系统1006的控制部7具备led部92以代替无线发送部90。led部92是输出部9(参照图1)的一个具体示例。led部92通过视觉性地显示检测部8的检测结果，从而将该检测结果通知给微生物燃料电池系统1006的外部

led部92由单个或多个led构成。led部92可以是根据微生物燃料电池系统1006的状态而使亮灯图案变化的结构。此外，也可以是使led部92闪烁，通过闪烁的周期将微生物燃料电池系统1006的状态或其变化通知给外部的结构。

在微生物燃料电池系统1006中，通过视觉性的显示将微生物燃料电池100的电动势的变化通知给外部。关于通知等的时刻，例如遵照图8(a)及图8(b)、图9(a)及图9(b)所示的时刻即可。

在微生物燃料电池系统1006中，检测部8可以是例如存在规定以上的输入电压时使其电压升压后进行输出的升压电路。该情况下，可以是如下的结构：当检测部8即升压电路的输入电压超过阈值vth时，升压至led部92能亮灯的电压，通过led部92的亮灯来通知该主旨。

(总结)

本发明的第一形态所涉及的微生物燃料电池系统，具备微生物燃料电池、用于检测上述微生物燃料电池的电动势的检测部；以及用于输出上述检测部的检测结果的输出部，上述检测部以及上述输出部构成为以上述微生物燃料电池的电动势作为电源而进行动作。

根据上述结构，检测部以及输出部以微生物燃料电池的电动势作为电源而进行动作。因此，能够利用由微生物燃料电池确保的电源，来检测微生物燃料电池的电动势变化，实现可视化的微生物燃料电池系统。

关于本发明的第二形态所涉及的微生物燃料电池系统，在上述第一形态中，上述检测部根据与上述微生物燃料电池的电动势的大小对应的检测值是否超过规定的阈值使检测结果变化。

根据上述结构，由于每当检测值超过规定的阈值或者成为阈值以下时，都能使检测结果变化，所以能够得到精度充分高的检测结果。

关于本发明的第三形态所涉及的微生物燃料电池系统，在上述第一或第二形态中，具备用于使上述检测部以及上述输出部中的至少一个每隔规定的时间进行动作的至少一个定时器。

根据上述结构，在不使检测部及/或输出部进行动作的期间，能够使它们处于休眠状态。因此，能够减小时常需要的消耗电流的值。

关于本发明的第四形态所涉及的微生物燃料电池系统，在上述第一至第三形态中的任一形态中，上述输出部通过视觉性地显示上述检测部的检测结果，从而将该检测结果通知给上述微生物燃料电池系统的外部。

关于本发明的第五形态所涉及的微生物燃料电池系统，在上述第一至第三形态中的任一形态中，上述输出部通过无线通信将上述检测部的检测结果通知给上述微生物燃料电池系统的外部。

根据上述结构，能够将检测部的检测结果通知给微生物燃料电池系统的外部。

本发明并不局限于上述各实施方式，在权利要求所示的范围内可以有各种变更，关于适当地组合不同的实施方式中分别公开的技术手段而得到的实施方式，也包含在本发明的技术范围内。进而，通过组合各实施方式中分别公开的技术手段，能够形成新的技术特征。

符号说明

2负极

3正极

4离子传导部

5微生物含有层

6空气层

8检测部

9输出部

70定时器

90无线发送部(输出部)

91显示器(输出部)

92led部(输出部)

100微生物燃料电池

1000-1006微生物燃料电池系统