2023 Fiscal Year Research-status Report

Development of practical type of sediment microbial fuel cell with food waste as a substrate

Research Project

Project/Area Number	23K11495
Research Institution	Tokyo University of Agriculture
Principal Investigator	TOUCH NARONG 東京農業大学, 地域環境科学部, 准教授 (50707247)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	肖霄東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (30707477)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	堆積物微生物燃料電池 / 高炉スラグ / 食品廃棄物 / アノード層の構造 / 粒子の浮上 / イオン拡散 / 電流密度
Outline of Annual Research Achievements	本研究では高炉スラグー堆積物微生物燃料電池（SS-SMFC）の従来構造を改良し，食品系廃棄物（FW）の処理と電力供給を同時に可能にする発電システムを開発することを目的としている．2023年度の目的はSS-SMFCのアノード層からのFW粒子の浮上や有機酸拡散を低減できるアノード層の構造を新たに提案することである．また，各構造で得られた長期通電データを統計的手法で評価し，発電性能予測モデルを開発する． SS-SMFCのアノード層構造は室内実験より検討した．本研究の構造①では，容器の底にFW層を作成した．FW層上に電極を設置し，電極上にSS層を作成した．構造②では構造①と同様な手順で作成したが，電極はSS層の中央に設置した．構造③では，構造②と同様な手順で作成したが，SS層上に定量濾紙（3μm）を設置し，濾紙上に1cmの土層（農地土壌）を作成した．カソード層には脱イオン水が用いられた．SS-SMFCを作成した後，定期的に発電性能を評価すると同時に，カソード層水の電気伝導度（EC）を測定し，アノード層からの物質拡散を評価した．発電性能を測定した後，1週間程度の連続通電を行った．本研究の実験結果により，物質拡散を低減させる目的とすれば，構造③が望ましい．土粒子の吸着によりカソード層水へのイオン拡散が低減できた．6日間の連続通電時の電流密度の変化から，平均電流密度は構造①で190 mA/m2，構造②で110 mA/m2，構造③で112 mA/m2であった．構造①に比べて拡散を低減できる構造③では電流密度が低くかった．これはカソード層水にECが小さい（抵抗が大きくなった）ためである．この結果により，実用性を考える際にはアノード層の構造①が望ましいと考えられる．また，提案した構造①を基にして，長期発電性能の推測モデルを構築するための長期通電データを取得しており，モデルを構築している．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の2023年度の目的であるSS-SMFCのアノード層からのFW粒子の浮上や有機酸拡散を低減できるアノード層構造を新たに提案することが達成できた．また，長期発電性能の推測モデルを予定通り構築しており，研究は順序に進展している．
Strategy for Future Research Activity	2023年度ではアノード層の構造を確立できたが，時間経過とともにカソード層水の水質が悪化し，本実験のスケールでは6日以降に発電性能が低下した．今後，発電性能を維持できるカソード層の構造や水質改善できる工夫を考える必要がある．また，発電性能の推測モデルの構築ができたが，モデル精度の確認ができなかった． 2024年度では，構築している推測モデルの精度を評価するとともに，カソード層の構造を確立することを目的としている．また，これまでの実験結果からカソード層水には肥料成分が含まれていることを確認した．従いまして，カソード層水の肥料としての利活用可能性について明らかにしていく．
Causes of Carryover	当初の予定していた物品の値下げがあったためである．次年度の水質分析に必要な試薬や電極資材などの物品購入に使用予定している．