成果報告書詳細
管理番号20100000001444
タイトル平成18年度-平成21年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(先導技術開発) 廃棄物系バイオマスを原料とする微生物燃料電池の研究開発
公開日2010/9/9
報告書年度2006 - 2009
委託先名鹿島建設株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約微生物燃料電池(以下MFC)は、燃料電池の触媒として微生物を用いることにより、微生物の発酵代謝により、多様な有機物から直接電力を取り出す技術である。我々は,将来のバイオマスエネルギー転換におけるキーテクノロジーとなると考え、廃水処理と同様に、自然の微生物系(ミクロフローラ)を用いて電気エネルギーを回収する研究開発を本事業として実施した。 独自のMFCリアクターを構築し、廃棄物系バイオマスのモデルとなる複合高分子有機物(人工廃水)を基質として、世界最高レベルの出力で安定して運転することを目標に、リアクターの改良検討を行った。その結果、自然の微生物の複合系である嫌気性ミクロフローラを用いて、メディエータ物質を系内に添加することなく、リアクター単位体積あたりの電力約130 W m-3、バイオマス分解速度6 kg-COD m-3 d-1を達成した。また、小型リアクターを用いた条件検討を実施し、スケールアップに必要なエンジニアリングデータ、および研究開発を進める上で必要な要素技術についての検討を行った。さらに微生物による電流産生反応をより理解するために、ミクロフローラ系における電気産生微生物の解析を行った。 報告書本書に記載される具体的な研究開発実施項目は下記のとおりである。「1,ベンチスケールリアクターの製作と評価」 実用型プロセスの原型となるベンチスケールリアクターを設計・製作した。エアカソードに近接した位置にアノードを一体化させたカセット電極を開発し,プロジェクトの当初数値目標である 50 W m-3 を大きく超える 130 W m-3 の容積出力を実現した。「2,小型リアクターにおける運転条件の最適化」 MFC運転条件の最適化,およびスケールアップに向けた基礎的エンジニアリングデータの取得を目的に,市販されている実験用ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)を用いて連続運転実験を行った。種汚泥にメタン発酵汚泥を用いても電気産生が認められることから,混合微生物系(ミクロフローラ)を用いた廃水処理プロセスと同様に,特別な微生物を準備することもメディエータの添加を行うことも必要ないものと考えられた。「3,電気産生の効率化」 膜・電極複合体(MEA)を参考に,エアカソードの検討を行った。その結果,一般のMEAは微生物燃料電池に最適化されておらず,水分の蒸散と酸素拡散のバランス,攪拌効率,固形分対策などについて検討が必要であることが示された。また,カセット電極の隔膜の種類,隔膜の設置方法,正極の触媒使用量についても詳細検討を行った。「4,対象廃水種の選定と実廃水での連続運転性能評価」 MFCを利用した発電,および廃水処理に適した廃水種の検討を行った。また,実廃水として焼酎醸造廃液を原料とした連続実験を行い,実用化に向けた問題点の洗い出しを行った。「5,電気産生微生物の同定と素反応解析」 高い処理性能を実証したベンチスケールカセット電極微生物燃料電池リアクター内に集積された微生物の群集構造を解析した。その結果,浮遊微生物が電気生成において重要な役割を果たしている可能性が考えられた。
英文要約Title: Development of a Microbial Fuel Cell Generating Electricity from Waste Biomass (FY2006-2009) Final Report
Recovery of bio-energy from waste biomass attracts much attention in promoting utilization of biomass. Microbial fuel cell (MFC) has been expected as a next-generation technology to efficiently generate a convenient energy, “electricity”, from waste biomass. The primary objective of this project is to collect fundamental know-how in order to develop a highly efficient MFC that recovers electricity from organic wastes. Basic studies were conducted in order to realize the primary objective by focusing on the following major subjects. [I. Design, Construction and Evaluation of Bench-scale MFC Reactor] A new MFC reactor that is equipped with cassette-type electrode was developed based on the latest technologies on both MFCs and high-performance anaerobic digestion process. The reactor has been operated using artificial organic wastes in order to collect fundamental engineering data. By installing the cassette electrode system in the anode chamber, high performance electricity generation was obtained (Power density; 130 W m-3 , Organic digesting rate; 6 kg-COD m-3 d-1). [II. Optimization of Operational Conditions of MFC] Operational parameters in continuous operation were examined using small-scale reactors. Internal resistance (IR) of the reactor and electricity generation was evaluated. Several natural microflora were also investigated as seed culture for electricity generation at temperature between 25 and 65 centi-grade. It was suggested that various natural microflora could be used to MFC as seed culture. [III. Enhancement of Electricity Generation by Improvement of the System] Membrane electrode assembly (MEA), which is used in conventional fuel cell system, was investigated with respect to the application for MFC process. Separator material, installation method of separator and the amount of platinum as cathode catalysis were examined in order to optimize the performance of cassette-electrode. [IV. Evaluation of Wastewater Suitable for Electricity Generation by MFC] Electricity generation from wastewater of shochu factory, which contains high concentration of solid materials, was investigated small-scale reactors. During continuous operation at 6 to 3 d of HRT for 4 months, 16 mW m-3 of maximum power density was obtained while unidentified suspended solids were accumulated in the experimental system. Characteristics of some industrial wastewater were also investigated in the literature survey. [V. Identification of Electrogens and Analyses of Electricity-generating Reactions] By molecular ecological analysis of microflora in the bench-scale MFC reactor, it was found that microorganisms in the planktonic phase play important role in electricity-generating reactions.
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