2017 Fiscal Year Research-status Report
Analyzing Electric Generation and Rising Electricity by Decreasing Internal Resistance of Soil Microbial Fuel Cell
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17K00605
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| Research Institution | Osaka Sangyo University |
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Principal Investigator |
藤長 愛一郎 大阪産業大学, 工学部, 教授 (40455150)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾崎 博明 大阪産業大学, 工学部, 教授 (40135520)
谷口 省吾 大阪産業大学, 工学部, 契約助手 (40425054)
高浪 龍平 大阪産業大学, デザイン工学部, 講師 (00440933)
岸本 直之 龍谷大学, 理工学部, 教授 (00293895)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 微生物燃料電池 / 土壌 / 内部抵抗 / たい肥 / 下水汚泥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，微生物燃料電池の発電量については，閉回路と開回路を短時間で繰り返すことにより増加する現象を見出したので，この現象を利用するために，モデル式によるシミュレーションで最大限の電力を得るための条件を見つけ，実験で立証するものである。
初年度の平成29年度に，土壌を用いたMFCの外部抵抗との閉回路(Close Circuit: CC) と開回路(Open Circuit: OC) を短い時間で切り替え，くり返すことにより，CCを同じ時間続けるよりも発電量が増加する現象に基づいた実験を行った。まず，たい肥を用いてMCFを作成し，CC-OCの時間を1秒～60秒に変えて，実験を行った。CC-OCの電力密度を直前の連続CCと比較すると，1.2～1.3倍の電力密度が発生することが分かった。しかし，その電力密度はどれも約26mW/m2で，CC-OCの繰り返し時間の長短による増加や低減は見られなかった。この理由として，電流で消費された酢酸などの低分子の有機酸が負極で消費され，その分，負極から離れたところに溶存している有機酸が拡散によって供給されるが，この拡散時間に依存すると考えられる。また，CC-OCの繰り返し時間で，CCの時間を15秒や30秒に固定し，OCの時間を短くしていく実験を行った。その結果，OCの時間は長い方が電力向上に寄与することが分かった。
次に，実験に基づいたモデル式を作成した。モデルの設定条件は，MFCの底に設置した負極で酢酸などの有機酸が消費され，負極表面の酢酸濃度がが最も低下し，濃度が低下する範囲（層）を「拡散層」として，負極表面からの距離(d)までの濃度が低下し，その範囲外では一定の酢酸濃度が維持される条件とした。このモデル式を用いた場合，実験では電池の容量が毎回減少するため，困難な条件を設定することが可能である。一例を示すと，CCの時間を30秒に固定して，OCの時間を短くする場合，OCが10秒程度のCCとOCの時間が3:1の条件であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度の実験は閉回路(CC)-開回路(OC)の時間を変化させた条件に加え，CCの時間を一定にしてOCの時間を短くしていく実験を実施した。また，研究計画に計上はしていなかったが，微生物燃料電池の違いによるデータのばらつきを把握する実験や，31年度に計画している連続反応器を用いた連続実験も先行して実施することを計画している。
モデル式の作成についても，予定通り進んでいる。まずは，電流による有機酸消費と拡散による有機酸の供給で有機酸濃度が上昇するモデル式を作成した．そして，その式が実際の実験結果に合う様に，数式（モデル式）から各パラメータをCC-OCの繰り返しによる電圧を試算した。現在は，限られた実験データと文献値に基づいて，モデル式のパラメーターを設置している。このモデル式を一般化するには，異なった条件（例えば，酢酸濃度を高濃度にした場合，また本実験は固形物が含まれるが，水溶液だけを用いた微生物燃料電池など理想に近い反応が生じるものを作製して，データを取得するなど）の実験に，今回作成したモデルが適用可能かを検証することで，一般化する際の信頼度が高まる。そして，最大電力が得られる様な設定条件を把握するための実験を計画している。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験については，有機物源として，たい肥以外にも実際の下水処理場で，活性汚泥，返送汚泥，嫌気消化汚泥など，様々な種類の汚泥を用いて微生物燃料電池による発電効率と下水汚泥処理の観点からの処理効率を把握する。
また，研究計画には計上していなかったが，参照電極を用いて，正極における酸素による酸化反応，負極における有機酸の還元反応に発電を分けて，どちらの極の効果が大きいかなどを把握する。
さらに，交流インピーダンス法については，微生物燃料電池に測定装置を接続して測定をする準備を進めており，測定可能であることは分かった。しかし，解析方法が，既存の測定結果を用いた解析方法ではうまく説明が付かなかったので，今後の検討課題である。
モデル式については，今後，最適な条件を検討するために，モデル式を用いて現象を把握する必要がある。そして，理論的に最適な条件を見つけて，それを実験的に確認する。具体的には，電流の時間変化の式を有機酸濃度と関係付けし，その上で電流と有機酸濃度の関係を示す式をつくり，その式の定数を実験値から求めて，一般的な式を作成する。そして，実験値を使用して，実際の微生物燃料電池に適合するか確認し，適合する様であれば，微生物燃料電池の最適条件として，確立できると思われる。
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| Causes of Carryover |
昨年度の使用額は予定通りで，次年度使用額はほぼない状態（31円）である。
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Research Products
(2 results)
