2014年05月30日09:34
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電池領域利用生物的事例也越來越多，例如利用昆虫的體液和微生物的燃料電池。大阪大學研究生院工學研究科機械工學專業教授森島圭祐領導的研發小組就試制了利用蟑螂體液的燃料電池……
用蟑螂的體液點亮LED
電池領域利用生物的事例也越來越多，例如利用昆虫的體液和微生物的燃料電池。大阪大學研究生院工學研究科機械工學專業教授森島圭祐領導的研發小組就試制了利用蟑螂體液的燃料電池（圖3）注3）。
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圖3：利用昆虫的體液發電 大阪大學的研發小組試制了以昆虫體液中所含的一種糖（海藻糖）為能源發電的燃料電池。用蟑螂的體液構成這種電池時，可獲得最大50.2μW的電力，點亮了LED燈。試制的電池用?（海藻糖?等）來分解海藻糖、生成葡萄糖，然后使葡萄糖在負極氧化。而正極一側採用的是生成水來發電的機制。（圖由《日經電子》根據大阪大學的資料制作） |
注3）這是與東京農工大學的共同研究成果，森島研究室的庄司觀在2014年1月舉行的國際學會“IEEE MEMS 2014”上發表了相關論文。
針對遇險者搜救和環境狀況監控等用途，在昆虫體內融合傳感器等的“賽博格昆虫”研究非常盛行。其課題在於電源供給，目前利用的是紐扣電池，但存在對於昆虫而言尺寸過大，以及更換麻煩等課題。為了解決這些問題，森島研究室開始研究如何利用昆虫自己的體液內的糖來發電，然后驅動傳感器等器件。
此次利用了蟑螂體液中所含的海藻糖注4）。用海藻糖?等?類將海藻糖分解為葡萄糖。然后利用其他?在負極一側使葡萄糖氧化，提取電子和質子。在正極一側利用電子和質子對氧氣進行還原反應從而發電。用連接器將帶正負極的反應室安裝到蟑螂背部。蟑螂的背部開孔，體液從這個孔通過連接器流向反應室。
注4）選擇蟑螂是因為其壽命長、食用的飼料少、環境適應性高，而且在昆虫中體積較大、體液多、體液中所含的糖的濃度高等。裝上電池后還能存活1∼2年也是選擇蟑螂的理由之一。
森島研究室利用這一機制，獲得了最大50.2μW的輸出電力。對獲得的電力進行升壓並存儲在電容器中，用其點亮了LED。3小時后仍能維持10μW的輸出。
微生物發電
東京藥科大學生命科學部生命能源工學研究室教授渡邊一哉領導的研究小組則是利用被稱做“發電菌”的微生物來研發燃料電池（微生物燃料電池）。如果將微生物燃料電池用於家中的污水和工廠的廢水處理，與污水處理常用的“活性污泥法”相比，不但能削減處理所需電力，還能利用廢水中的有機物發電。
活性污泥法是利用廢水中的“需氧型微生物”來分解廢水中含有的有機物，從而完成淨化。其特點在於效率較高，但存在的課題是，向微生物供氧需要大量電力，而且會大量產生含有過剩繁殖的微生物等的“剩余污泥”，形成工業廢棄物等注5）。污水處理所需的電力中，約40％用於供應空氣，20∼30％用於剩余污泥的運送等。
注5）據渡邊介紹，“關於活性污泥法中用於污水處理的電力，家庭污水和工廠廢水加在一起共佔日本總耗電量的約1.4％。產生的剩余污泥相當於日本工業廢物量的約20％，而工業廢物的處理也要消耗電力”。
微生物燃料電池利用的是微生物分解有機物時的化學反應。微生物分解有機物時會生成二氧化碳、質子和電子。“電子介體”將生成的電子轉移到負極（圖4）。正極一側利用質子、電子以及空氣中的氧氣生成水。由此作為電池工作。
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圖4：利用微生物制作燃料電池 東京藥科大學等的研發小組試制了利用微生物進行氧化反應的燃料電池（a）。為了提高發電效率，將多個實現了正負極等一體化的盒式電極像S樁那樣配置，提高了發電效率（b、c）。（圖由《日經電子》根據東京藥科大學的資料制作） |
微生物燃料電池無需活性污泥法必不可少的空氣供給。而且微生物繁殖較少，能減少污泥量，因此還能削減運送污泥所需的電力。發電量相當於利用活性污泥法進行污水處理時所需電力的20∼30％。將微生物燃料電池用於污水處理時，預計耗電量可較活性污泥法削減80％左右。
採用微生物燃料電池的污水處理設備設置成本比活性污泥法高，不過，估計維護等運行成本較低，原因是耗電量小，而且微生物繁殖少。
處理性能與活性污泥法差不多
夢幻般的微生物燃料電池此前存在的課題是，廢水處理性能比活性污泥法低。渡邊等人為解決該課題，採用了可促進反應的電池結構，使其性能接近實用化水平。渡邊研究室試制了體積約為一升的微生物燃料電池裝置，利用該裝置實施了廢水處理模擬實驗。實驗結果表明，這種電池實現了與活性污泥法同等的處理速度。每天可處理一升廢水中所含的約1g有機物注6）。
注6）這是NEDO的委托業務“綠色與可持續化學工藝基礎技術開發項目、採用微生物催化劑的發電型廢水處理基礎技術開發”的成果。除東京藥科大學外，東京大學、積水化學工業和鬆下也參加了研究。
渡邊研究室採用水田的土壤作為微生物源。水田土壤中含有“地杆菌（Geobacter）”等發電菌。渡邊等為試制品制作了在正負極之間設置質子交換膜、將正極與負極集為一體的“盒式電極”，為了讓負極接觸到含有微生物的水溶液，配置了多個這種盒式電極，形成了蛇形流路。通過該流路，使發電菌緊貼在負極，從而提高了處理性能。渡邊並沒有公布詳情，隻表示採用了發電菌容易緊貼在負極的電極材料和電極構造等。
今后的計劃是，以此次開發的微生物燃料電池為基礎向企業轉移技術，力爭在2020年之前實現實用化。計劃在2014年內在工廠旁邊設置採用微生物燃料電池的污水處理設備，開展驗証實驗。（作者：根津禎、中道理，日經技術在線！供稿）
