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Jun 03, 2023

管状微生物燃料電池の性能に対する炭素源の影響のモデル化と実験的研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11070 (2023) この記事を引用 462 アクセス メトリクスの詳細 微生物燃料電池 (MFC) は、クリーン エネルギーの生産と廃水という 2 つの主な目的に役立ちます。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11070 (2023) この記事を引用

462 アクセス

メトリクスの詳細

微生物燃料電池 (MFC) は、クリーン エネルギーの生成と廃水処理という 2 つの主な目的に役立ちます。 この研究では、さまざまな炭素源が MFC のパフォーマンスに及ぼす影響を調査し、分極曲線を再現する数学モデルを開発します。 この生物反応器では、単純な供給物としてグルコース、微結晶セルロース (MCC)、複合供給物として都市固形廃棄物 (SOMSW) の有機成分のスラリーの 3 種類の炭素源を使用しました。 MFC は開回路モードと閉回路モードの両方で動作しました。 達成された最大開回路電圧は、基質としてグルコースについては 695 mV、MCC については 550 mV、および SOMSW については 520 mV でした。 閉回路モードでの基板の影響も調査され、基板としてのグルコース、MCC、および SOMSW の最大出力密度はそれぞれ 172 mW/m2、55.5 mW/m2、および 47.9 mW/m2 となりました。 2 番目のセクションでは、電圧損失、つまり活性化損失、抵抗損失、および濃度損失を考慮しながら、平均相対誤差 (ARE) 10% 未満で分極曲線を描く数学的モデルが開発されました。 数学的モデルは、電圧の活性化損失が基板の複雑さとともに増加し、SOMSW が基板として使用されたときにそのピーク値に達することを実証しました。

ここ数十年、主に人口増加と産業の進歩により、世界のエネルギー需要が大幅に増加しました。 現在、エネルギー需要の大部分は、ガス、石油、石炭などの有限な化石燃料資源に大きく依存することで満たされています。 エネルギー消費が増大し続ける中、再生可能で環境に優しく、信頼できる代替エネルギーを発見するための科学者間の競争が激化しています。 化石燃料源は有限であるだけでなく、環境的に持続不可能であるため、これらの懸念に対処することが不可欠です。 エネルギー関連の課題に加えて、温室効果ガス、特に CO2 の排出に関する懸念が高まっており、厳しい監視が集まっています1。 したがって、世界の化石燃料への依存を軽減するために、原子力や再生可能エネルギーなどの代替燃料の探索に広範な研究努力が向けられてきました。 再生可能資源に依存した環境に優しいエネルギーの選択肢を特定することに重点が置かれています2、3、4。 原子力エネルギーは代替手段として検討されてきましたが、その資源利用には限界があり、効果的な廃棄物の処理は依然として顕著な課題です5。 その結果、廃棄物の排出を最小限またはゼロにする再生可能エネルギー源が科学界で大きな注目を集めています。

微生物燃料電池 (MFC) は、微生物を生体触媒として利用し、電子とプロトンの移動を促進することで有機物を電気に変換する、独特のタイプの燃料電池です。 高価な触媒に依存する従来の燃料電池とは異なり、MFC はアノード室内で微生物を利用します。 これらの微生物によって生成された電子は、外部回路を介してカソード表面に転送される前に、メディエーターを介して、またはナノワイヤやバイオフィルムを使用した直接変換を介してアノード電極に到達します。 メンブレンレスシングルチャンバー MFC (SCMFC) の場合、プロトンは陽極液を透過してカソード電極に到達します。 カソードでは酸素分子が還元を受け、その結果水が生成されます1。 ただし、MFC には潜在的な利点があるにもかかわらず、いくつかの重大な課題が現実世界のシナリオへの広範な適用を妨げています。 これらの課題には、発電効率、電極とセパレーターに関連する材料コスト、設計と操作における簡素性と実現可能性の必要性、さらにはメンテナンスコストと全体的な実行可能性が含まれます。 これらの障壁を克服するために、MFC の採用は、従来の化石燃料ベースのエネルギー生産に代わる有望な代替手段と考えられてきました。 その結果、これらの課題の 1 つ以上に対処し、MFC の実際の適用可能性を高めるために、過去 20 年間にわたって多大な努力が払われてきました。 高エネルギー生産を達成するために、異なる動作条件6、7、8、および別々のアノード材料とカソード材料9、10、修飾されたアノードまたはカソード電極11、フロープロセス（バッチおよび連続）2、および微生物の種類12、13、14、15、16が研究されています。 MFCで。 MFC の初期コストを削減するために、低コストのアノード電極材料 (例: ステンレス鋼メッシュ 17)、セパレーター (例: キャンバス布 18)、およびバイオカソード (金属触媒を含まないカソード電極 19) が使用されました。 シンプルな構造でメンテナンスが容易な MFC を設計するために、さまざまな MFC 構造 20,21 が研究されました。 これまで、上流（垂直）22 と水平 20 の 2 種類の管状 MFC が使用されてきました。 管状 MFC は、メンテナンスが容易で構造的特徴 (連続モードで行き止まりがないなど) のため、実際の発電および廃水処理用途に使用できます。 管状タイプであっても、発電コストは依然として高く不当であるため、これまでのところその用途は限られています。