| 研究課題/領域番号 |
23K11495
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分64030:環境材料およびリサイクル技術関連
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| 研究機関 | 東京農業大学 |
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研究代表者 |
TOUCH NARONG 東京農業大学, 地域環境科学部, 准教授 (50707247)
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| 研究分担者 |
肖 霄 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (30707477)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
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| キーワード | 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 / 食品系廃棄物 / 微生物発電 / 発電システム / 肥料 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
日本ではバイオマス利用率が高くなりつつあるが，食品系廃棄物の利用率が30％程度であり，望ましくない現状にある．申請者は食品系廃棄物の利用拡大を目指し，焼却設備を必要としない食品系廃棄物を用いた発電システムを開発している．これまで高炉スラグを用いた堆積物微生物燃料電池の燃料として食品系廃棄物を用い，電力回収ができることを確認したが，実用化に向けて燃料電池構造を再考する必要がある．本研究では従来の構造を改良し，食品系廃棄物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．さらに副産物として肥料回収も検討する．これにより農村地域における食品系廃棄物の処理と新資源・エネルギーの生産に貢献する．
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| 研究実績の概要 |
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．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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．
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| 今後の研究の推進方策 |
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．
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