発電細菌を使った微生物燃料電池システムを共同開発――電源として、CO2センサーの駆動に成功

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微生物燃料電池システムの概要図

農研機構と旭化成エレクトロニクスは2019年9月24日、微生物燃料電池(MFC:Microbial Fuel Cell)と、MFCが発電した電力を効率的に回収するエナジーハーベスタを組み合わせたMFCシステムを共同開発したと発表した。水田や池などの水がある環境に設置してCO2濃度などを測定する自立駆動型センサーに利用できると見込んでいる。

MFCは、酸素がない環境で有機物を分解すると電流を発生させる細菌を使って発電する。従来型のMFCは白金触媒や水素イオン交換膜などの高価な部材を使うので作製コストが高く、電極などが劣化しやすいという課題があった。

そこで農研機構は、ステンレス鋼の表面を炎で酸化したものをMFCの負極に使用。従来のカーボン電極よりも出力を増強し、物理的な強度も向上させた。MFCを作製するコストも10分の1以下に削減し、長期運転に耐えられるようになったという。

さらにMFCには、出力電圧が0.2~0.6V程度にとどまるという欠点もある。一般的なセンサーモジュールを駆動するには、出力電圧を3.3Vに上げられるエナジーハーベスタが必要。しかし、既存のエナジーハーベスタはMFCの出力特性に合致しておらず、回収効率が低く効率的に昇圧できない状況だった。

エナジーハーベスタのブロック図(左)と写真(右)

その課題に対しては、旭化成エレクトロニクスが超低消費電力型のエナジーハーベスタを開発。100~5000μWはないと電力を回収できなかった従来型に対して、わずか2μWのMFCからでもエネルギーを回収できることを実証した。

センサー駆動時のキャパシタとMFCの電圧変化(上)。駆動したセンサーにより測定されたCO2濃度データ(下)

研究グループは今後、今回開発したMFCシステムを使い、水田にセンサーを設置して気温や水温などを測定することで、施肥量・収穫量・作物病害の発生を予想するモデル構築に役立てたい考え。また、地球上のさまざまな地点の河川や湖沼にセンサーを設置してCO2濃度を測定し、地球温暖化の動態解析や異常気象の発生を予想するなど、気象学の用途にも活用したいと展望を示している。

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