微生物発電を促進させる新しい合金負極の開発

• 研究課題/領域番号: 22K21336
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 1101:環境解析評価、環境保全対策およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
• 研究代表者: 山下 恭広 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 (60547719)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 微生物発電 / 合金系負極 / 生物膜 / Geobacter / アノード / 合金

研究開始時の研究の概要

微生物燃料電池（Microbial fuel cell; MFC）の出力を促進させる新しい合金負極を開発する。負極は発電細菌が付着し電子を伝達する重要な電極である。多くの発電細菌は酸化金属を還元する活性を持つことから、酸化金属は発電細菌と高い親和性を示し負極素材として有用であると推測できる。これまでの研究により、炎酸化ステンレス鋼が高い微生物発電性能を示すことを発見しているが、様々な種類の合金を網羅的に性能評価した研究はない。本研究は合金を網羅的に探索し、出力を増強させる新しい合金製の負極を開発する。

研究成果の概要

一般的に微生物燃料電池（MFC）の負極には炭素素材が使用されているが、金属系素材はほとんど利用されていない。これまでの研究により、炎酸化ステンレス鋼などの金属系素材が一般的に使用される炭素素材よりも出力が高いことを明らかにしている。本研究では、更なる出力向上を目指し、新規金属負極を開発するために、9種類の合金とそれらの炎酸化合金9個の計18個の負極について発電性能を評価した。その結果、炎酸化されたInvar 42が炎酸化ステンレス鋼よりも高出力であることが示され、最大出力密度は310 mW/m2であった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、ステンレス鋼を含む合金系負極に着目しMFC 出力の向上を目指した研究である。これまでの研究により、ステンレス鋼を炎で炙り電極表面にのみ酸化鉄を形成させて導電性と親和性を両立させることで、炎酸化ステンレス鋼負極は炭素系負極よりも高い出力を示すことを発見している。MFCの高出力化は、将来、有機性廃棄物から電気エネルギーを回収し利用されることで、化石燃料の使用低減などにつながりカーボンニュートラルの実現に貢献するものと考えられる。