微生物燃料電池を電源とした環境センシング装置の開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K06355
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 横山 浩 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 畜産研究部門, 上級研究員 (40391370)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 微生物燃料電池 / 環境モニタリング / 発電細菌 / 半永久的発電

Outline of Annual Research Achievements

微生物燃料電池（MFC）とは、発電細菌が嫌気性条件下で有機物を分解する際に生じる余剰のエネルギーを電気として回収する新しいバイオ電池である。発電細菌は土壌や海底など様々な嫌気性環境に幅広く存在している。異常気象に対する懸念から、地球規模での環境モニタリングの重要性が高まっている。多くの地点に測定装置を設置する場合、電源確保が問題になる。太陽光と風力による発電は有用な技術であるが、曇りや夜間、無風では発電できない。一方、MFCは天候に依存せず24時間発電できる。本研究の目的は、池や川など水のある環境に設置できる低コストで耐久性のある実用的なMFCシステムを開発して、環境モニタリング装置の電源として利用することである。
我々はステンレス鋼の表面を炎で酸化させた電極をMFCの負極として使用すると、発電が増強されることを発見した。MFCの負極は池底の土に埋設して使用するが、池の深さが深い程、埋設作業は困難になる。本研究では、高深度の池でも容易に設置できるようにコンクリートブロックの底面にメッシュ状の炎酸化ステンレス鋼負極を張り付けた新しい電極を考案した。この負極は埋設せずに単に沈めるだけで池に設置できる。昨年度までに、農研機構畜産研究部門（つくば）の敷地内にある実際の池にMFCを設置して長期の運転を行い、1～3 mWの発電が得られることを明らかにした。本年度ではMFCを電源として、池の水温、気温、MFC起電力を測定するセンサーを駆動して、測定データを実験室内にある受信機にLoRa module(LR)で無線送信する実験を行った。その結果、装置トラブルによる中断はあったが6か月以上に渡ってセンシングとデータ送信を行うことができた。LRの駆動には大きな電力が必要である。従来、MFCではLRを１日に1回しか駆動できなかった。本研究では、1～3分に1回と、遥かに短い間隔でLRを駆動できた。