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微生物燃料電池のDIYやってみた〜その5〜

微生物燃料電池について、新たな実験を始めたのでリポートしたいと思う。新たな実験の目標は、微生物燃料電池で超小型の冷却ファンを回すことだ。もしファンが回れば、きっとエコな涼しい風に当たれるはずである。

ということで、前回までに作った微生物燃料電池の部品を一度ばらし、新しい微生物燃料電池を4つ作ることとした。電極の組み合わせは、安定して起電力が発生していた、炙ったステンレス網とグラファイトフェルトの組み合わせを採用した。

電池No. アノード カソード
5 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト
6 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト
7 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト
8 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト

 

電極作り6〜グラファイトフェルト(改)〜

これまでの実験で使用してきたグラファイトフェルトの電極であるが、1月以上経過し、遂に不具合が生じてきた。

グラファイトフェルトに挿していた銅線部分が腐食によって断線してしまったのだ。

さらには、電線は細い複数の銅線でできているため、毛細管現象によって電線が水を吸ってしまい、電線を通して、容器の外に水滴がポタっと滴れる事態も発生してしまった。

このタイプの電線では、長時間の運用には向いていなかったようだ。

そこで、今回使用したのは、ステンレスの針金だ。これも100円ショップで売っていたものだ。ステンレスなので、錆びないし、細い銅線の集まりではなく、一本の線なので、毛細管現象も起きないはずだ。半田付けの手間も掛からないし、ただグラファイトフェルトに針金を差し込むだけというところも良い点だ。

材料

グラファイトフェルト(3x100x100mm)
ステンレス針金(φ0.9 x130mm)

手順
  1. ステンレス針金をグラファイトフェルトへ差し込む。

使う土

前回までの実験では、使う土が実験によって違ってしまったこともあったので、条件を一定にするため、これまで使った土を混ぜて、均一化した土を用意した。プラ舟田んぼの土、田んぼの土、川底のヘドロのスペシャルブレンド土を使用した。

組み立て後の様子

組み立てに関しては、以前の記事が参考になる。注意点としては、グラファイトフェルトがアノード電極の電線に接近していたので、絶縁のために、電線付近(上写真の左下)に食品ラップを少しだけ間に挟んだ。

実験結果

各微生物燃料電池の解放電圧(mV)の日数変化を以下に示す。

日数 電池5 電池6 電池7 電池8
0 239 212 150 445
1 511 724 532 659
2 727 831 783 773
3 738 837 795 787

3日経過後の状態で、電池4つを直列につなぎ10kΩ抵抗を接続した。そのときの、抵抗両端の電圧は1.48V、電流は0.15mAであった。

その後、抵抗を外し、各電池の開放電圧(mV)の日数変化を計測した。途中、旅行で留守にしたこともあり、計測ができなかった時もあるが、気づいたら20日以上計測を続けることになった。21日目の各電池の開放電圧は800mVを超える値となり、合計で3.43Vとなった。なかなか良い出来に仕上がったと思う。

日数 電池5 電池6 電池7 電池8
0 583 627 612 594
1 739 794 772 770
2 759 804 779 785
3 738 837 795 787
21 872 846 834 876

超小型冷却ファン

微生物燃料電池の出力電力はとても小さいので、できるだけ消費電力の小さい、超小型冷却ファンを探した結果、秋月電子通商のDC超小型冷却ファンを購入した。

秋月電子通商 DC超小型冷却ファン 0.8~2V 17mm角型

  • 消費電流:25mA(@2V)、13mA(@0.8V)

0.8Vから動作し、0.8V時の消費電流が13mAなので、微生物燃料電池を複数用意すれば、なんとか動作できるのではと思っている。

ちなみに、電池5~電池8を並列につなぎ、このファンを接続したが、もちろん回らない。ファンにかかる電圧と電流は、分極現象により電圧が下がり、約340mV、約2.7mAであった。

今回作った同じセットを、もっとたくさん作らないといけないかもしれない。

こりゃぁ、大変だ。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その4〜

前回では、炙ったステンレス網とグラファイトフェルトを使った電極の組み合わせによって、それぞれどれ程の電圧が出るのかを試した。4つの微生物燃料電池を作り、1つは900mV、2つは700mV以上の電圧が発生し、まずまずの結果を得ることができた。

今回は、いよいよ、これらを直列につないで、LEDを点灯しようと思う。

一般的な赤色のLEDでは、順電圧が2V程度で、LEDが点灯できるので、既に十分な電圧ではないかと予想している。

LEDの点灯

これまで作った微生物燃料電池4つを直列に繋ぎ、その電圧を測ったところ約2.7Vが確認できた。その後、10kΩの抵抗、LEDを直列に繋ぎ回路を組んだところ、めでたくLEDを点灯することができた。

構想から約二ヶ月もかかっただけに、このLEDの光は、どんなクリスマスのライトアップよりも感慨深い。

さて、この時の電池電圧は、2155mV。負荷を繋ぐ事で、解放電圧から500mV以上下がった。この状態で一晩(8時間)経った後は、2092mV。少しづつ電圧が落ちているがまだまだ点灯している。

10kΩ抵抗の両端の電圧は、404mVが測定できたので、この回路に流れる電流は、計算上約40μAになる。

2日ほど連続運転させたが、電圧約2Vを保ちLEDは点灯を続けている。しばらくの間は、このまま点灯を続けそうだ。

壁掛け時計を動かす

さて次は、壁掛け時計を動かしてみたいと思う。

と、その前に、それぞれの微生物燃料電池の解放電圧(mV)を計っておこう。

電池1(実験1) 電池2(実験2) 電池3(実験3) 電池4(実験4)
509 740 421 793

電池1はこれまで900mVの電圧があったが、LEDの点灯で状態が変わってしまったようで、電圧が509mVにまで下がってしまった。しかしそれでも直列につないだ合計は約2.4Vある。通常は1.5Vで動作する時計に2.4Vを入れて大丈夫?と思うが、負荷を繋ぐと電圧が下がるので、この電圧でまずやってみた。

洗面所に、単三電池一本で動作する壁掛け時計があったので、これを拝借した。(無印良品のもの)。その結果、見事、時計が動くのが確認できた。

負荷接続時の電池電圧は1406mVであった。約2時間後、1362mVにまで下がったので、時計が止まるのも時間の問題か?と思ったが、約12時間後の電圧は1448mVで、時計も順調に動いていた。

その後も連続運転を続けたかったが、「洗面所の時計が消えた」という我が家の事件を解決すべく、この実験はここで終了とした。

さて、ここまでで来たので、次の目標を考えたいと思う。同じものを量産して、スマホが充電できるようにするとか、よりコンパクトになる構造を試すとか、いくつか考えられる。

何か報告できるようになったらまたお伝えしたいと思う。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その3〜

前回は、ステンレス網を炙って表面を酸化鉄に変化させた電極を作って実験を行なった。今回は、教育用に市販されている微生物燃料電池キット(MudWatt)でも、電極として使われているグラファイトフェルトを試してみたいと思う。グラファイトとは鉛筆の芯に使われている黒鉛のことで、炭素原子「C」の結晶の一つ。つまり、グラファイトフェルトは、黒鉛化した炭素繊維で作ったフェルトのことだ。

グラファイトフェルト選びで注意したポイントは電気抵抗率。フェルトの抵抗が高いとその分、電圧降下が発生するので、取り出せる電力のロストなるからだ。

ネットで購入できそうなところは、それほど多くはなかったが、購入したのがこちら。PANCF3100100 (Hi-Tech Carbon Co.,Limited)

スペック上は、電気抵抗率は 0.18-0.22 ohm・cmであり、十分小さいと思われる。

炭素含有量については、Carbon content: 97%と記載されていた。似たような他の商品では、炭素含有量が99%とより高いものもあるのだが、その違いによる影響が見えなかったので、まずはこれでやってみようと思う。

ちなみに、商品は、AliExpressで購入し、送料無料でリーズナブルなのは良かったが、中国からの輸入になるので、商品の注文から到着まで三週間以上かかりずいぶん待たされた印象だった。ここで買うときは時間と心のゆとりが必要かもしれない。

では、レッツDIY!

っと、その前に。実は前回までに電極に使っていた細い電線であるが、やはり細すぎて、ちょっと引っ張っただけで切れてしまった。電圧測定の際に、測定値が不安定であったため接触不良を疑い、電線を触っていたら、あっけなく切れてしまったのだ。なので、より太くしっかりとした電線を使用することとした。

また今回、新たにグラファイトフェルトを入手したので、炙ったステンレス網の電極とも比べてみたいと思う。

実験について

アノード(負極)とカソード(正極)に使う電極の組み合わせによって次の3つを比較する。ただ、比較と言っても、あまり計画的に事を進めてこなかったので、実験で使う土を同じ条件にそろえて比較することができなかった。実験をするたびに、土が足りずに、別の土を使ってしまった。なので、今回は、電極によってざっくりどんな実力があるのかを確認したいと思う。

実験No. アノード カソード
1 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト プラ船の田んぼの土
2 グラファイトフェルト グラファイトフェルト 川底のヘドロ
3 炙ったステンレス網 炙ったステンレス網 田んぼの土

アノードにグラファイトフェルト、カソードに炙ったステンレス網という組み合わせもあるが、炙ったステンレス網は電流発生菌を集めやすいというアノード電極向けの意味合いが強いので実験では割愛した。その代り、一番期待をしているNo.1の電極での結果に再現性があるのか見たかったので、No.4の実験として、No.1と同じ電極の組み合わせをもう一つ作ってみることにした。

実験No. アノード カソード
4 炙ったステンレス網 グラファイトフェルト 川底のヘドロ

 

ちなみに川底のヘドロは、さいたま市の深作川という小川から採取したものだ。上の写真の場所では、農業排水が注ぎ込んでおり、ヘドロが程よく堆積していた。臭いは、はっきり言って臭い。

ゆくゆくは、こうした場所で微生物燃料電池を利用して、ヘドロの分解を促進し、水質浄化に繋げていきたいと思う。

電極作り3〜炙ったステンレス網(改1)〜

材料
  • ステンレスの網(アク取り)
  • 電線(φ3 x250mm)
  • 針金
手順

1. 前回の電極作り2で行った手順と同じだが、電線だけより太い電線に変更する。

2. 針金によって電線をステンレス網に固定する。

以上

電極作り4〜グラファイトフェルト〜

材料
  • グラファイトフェルト(3x100x100mm)
  • 電線(φ3 x250mm)
手順

1. 導線の被覆を約9cm剥き、中の銅線を半分に分ける。(一辺が10cmのフェルトに刺すので、それより短かめとした)

2. それぞれの銅線を縒って、銅線にはんだを馴染ませる。

3. はんだを付けた部分をフェルトに差し込む。(線がフェルトから出ないように慎重に差し込む。)

以上

電極作り5〜炙りステンレス網(改2)〜

新たにステンレス網(アク取り)を購入するために、別の100円ショップに行ったら、取っ手の棒がメッシュを囲うように繋がっているものを発見した。これであれば、取っ手が電線の替わりなりそうである。電線をメッシュ部分に取り付ける手間や、接続箇所の接触不良の心配が減るので、これも使ってみることにした。

材料
  • ステンレスの網(アク取り)
手順

1. 容器の中にステンレス網が収まった状態の時に、取っ手の棒が端子として容器の外へ取り出せるように、取っ手の棒をカットして、先端部分は曲げる。

2.メッシュ部分とその枠をガスコンロの火で炙る。全体的に飴色になれば良い。

棒の部分が剥き出しだと、ショートしたりして良くないので、容器の外に出る部分は、端子となる先端を除いてビニールテープ等を巻いた方が良いだろう。

念のため、電極作り3で作った電極と今回作った電極についての電線を含めた内部抵抗を測ってみた。どちらも1Ωより十分小さい値を示していたので、電気的特性にほとんど差はないとみている。

以上

実験結果

次の表は、各実験で測定した解放電圧(mV)が日数の経過でどう変化したかを示す。(日数0は作った直後を示す。)

日数 実験1 実験2 実験3 実験4
0 279 46 309 444
1 441 504 369 376
2 795 718 335 425
3 878 740 200 680
4 894 773 416 727
5 905 796 188 762

実験1での結果は、5日目で905mVに達し、かなりいい感じになってきた。電極作りの参考にした動画の結果では、830mVであったので、電圧ではそれを上回る結果がでた。

実験2、実験4では、実験1の結果には及んでいないが、700mVを越え、こちらもいい感じだ。ただ、実験4に関して、実験1の結果の再現ができていないので、もうしばらく電圧測定を続け、様子をみようと思う。

そして、実験3であるが、明らかに何かがおかしい。3日目まで、値がどんどん下がってしまったのだ。カソード電極は、お玉の形状をしているので、土と接触している部分が少ないから?と原因を推測し、電極が平らになるように、網目に十字の切れ込みを入れてみた。

9時間後、電圧を計測したが、結果は思わしくなかった。うーんと、原因について悩んでいたのだが、ふと気づくとアノード電極とカソード電極が接触していたのに気づいてしまった。電極作り5で作った電極を使っていたが、取っ手の棒が被覆されていないので、カソード電極をいじっているうちに、接触してしまったようだ。

痛恨のミスをしてしまったが、これも良い勉強である。

電極の接触が無いことを確認し、しばらく様子をみていると、電圧はいい感じで回復した。416mVを観察した。この値を4日目の値とした。

しかし5日目、またもや188mVに下がってしまった。電極の接触はない。電極の不具合だと思うが、原因究明するのも難しそうなので、ここまでを一区切りとした。次回、カソード電極を新しいものに交換して様子をみたいと思う。

続く。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その2〜

前回は、電極としてステンレス網に活性炭を接着し、押しつぶすことでナノポーラス構造のカーボン電極を作ることを期待していたが、プレスする道具がなかったので、上手くいかなかった。今回は、特殊な道具なしで簡単に作れる方法を調査し、試すこととする。

電極作り2〜炙ったステンレス網〜

WEBで情報を集めていると、農研機構が実施した炙ったステンレス網をアノード電極に使う方法が良さそうという事がわかった。

これは、ステンレスを炎で炙ると、表面が酸化鉄に変化し、発電細菌であるGeobactoer属細菌が酸化鉄に集まりやすくなるからだそうだ。これにより、出力密度が高くなるという事だ。

では、レッツDIY!

材料
  • ステンレス網(アク取り)
  • 電線
手順

1. ステンレス網の取っ手を外す。

2. ステンレス網をキッチンのガスコンロで焼く。

ペンチでステンレス網を持ちながら、ガスコンロの火で炙ると、色が変わっていくのは確認できたが、この焼き加減で良いのか、いまいち正解がわからない状態であった。(焼きが甘いような気が…)

3. ステンレス網の枠の接合部を開き、電線を入れ閉じる。

4. 接合部を圧着工具で圧着する。(ちょっと強引な方法のため、見た目が悪い)

この方法であれば、活性炭を網につける方法よりは、格段に手間が減った。とりあえずこの電極をアノードとして使い、再度実験してみる。組み立てについては、前回と同じ方法で行なった。

実験2結果

アノード電極: ステンレス網を炙ったもの

カソード電極: ステンレス網に活性炭をつけたもの

を電極にして、電圧を測定した。

作りたての電圧測定をすっぽかしてしまったのだが、作ってから15時間後の結果としては404mVの電圧が確認できた。

この状態でしばらく様子を見ることにした。

4/7 5:30; 404mV

4/8 6:30; 400mV

4/18 21:30; 571mV

4/19 20:30; 666mV

4/22 20:30 700mV

少しづつ電圧が上がっていき、2019/5/14現在 700mV前後で安定している。

電流については、デジタルマルチメーターを購入した後に計測してみようと思う。

試しに、100Ωの抵抗を繋いでみたが、抵抗両端の電圧は、下がりに下がって4mV程になってしまった。ん?そうするとオームの法則で計算すると、電流は0.04mAってことか?何だか色々と見直さないといけない事がありそうだ。

100円ショップで材料を揃えるこだわりは一旦横に置き、MudWattの電極にも使われているグラファイトフェルトを購入して試してみたいと思う。

続く。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その1〜

背景

先日、微生物燃料電池というものを、たまたま知った。WEBでいろいろ調べていると、海外でも日本でも研究がすすめられていて、実用化に向けた動きもある。

東京大学の橋本和仁教授の記事を勉強させてもらったが、微生物燃料電池とは、有機物を分解してエネルギーを獲得する際に電流を発生させる「電流発生菌」を利用した燃料電池のことだ。電流発生菌に有機物をエサとして与えると発電するのだ。

人は、有機物の持っている電子エネルギーを代謝過程の中で取り込んだ後、エネルギーを失った電子を、呼吸によって取り込んだ酸素に渡し、体外に捨てている。一方、電流発生菌は、電子を電極へ渡して、捨てることができるので、電極から電流がとりだせるという。

電流発生菌は、汚水の浄化にも利用できるということで、小川の水の浄化をしながら発電もできたら、すごいことなので、ぜひ、自分でもやってみたくなった。

参考にしたサイト

海外では既に微生物燃料電池の商品化がされている。

MudWatt:アメリカのMagical Microbesが販売。教育用の微生物燃料電池キット

BioPass:スペインのBiooが販売。植物ポットの中で発電し、LEDライトが点灯する。スマホとWifi接続できる

Sprout ‘n Spark:オランダのPlant-eが販売。植物ポットの中で発電し、デジタル時計が動く。

今回、DIYのために参考にさせて頂いたのが海外のこのサイトだ。

作って二ヶ月後、容器1つで835mV、13mAが計測されていた。なんか凄そうだ。そして、100円ショップで材料が揃えられそうというのもとても良かった。

電極作り1〜ステンレス網+活性炭〜

上記動画では、ステンレス網に活性炭を接着し、押しつぶすことをしていた。これにより、ナノポーラス構造のカーボンを形成するらしい。ナノポーラス構造とは、スポンジのような多孔質の構造で、孔のサイズがナノメートル級のものだ。微生物から電子をうけとるための表面積を稼ぐのに都合が良いと言う事だろう。詳細はわからないが、MudWattで使用されているグラファイトフェルトより良い結果を出しているそうだ。

では、レッツDIY!

材料

電線と平型端子以外は、100円ショップで材料を揃えた。

  • ステンレスの網(アク取り)
  • 活性炭素(脱臭剤)
  • エポキシ接着剤
  • 電線
  • 平型端子
手順

1. アク取りのステンレス網を取り外す。

2. ステンレス網の両面にエポキシ接着剤をつける。手袋をつけて指で丁寧に塗る。

3. 活性炭をステンレス網に振りかける。

4. 裏面も同じように活性炭を振りかける。

5. 4で作った電極を金属版などを使って上下で挟み、圧力をかけて押しつぶす。参考にした動画では、油圧式の装置で圧力をかけていたが、そんな高価な装置はないので、木の板と、C型クランプを2個使って試してみたが、これでは、圧力が弱く、ナノポーラス構造にはきっとなっていない。(おそらく失敗)

5. 電線をステンレス網と接続する。今回はちょうど家にあった平型端子を使って、網と電線をまとめて圧着して接続した。

期待通りではないが、一先ず完成。

組み立て

電極ができてしまえば、組み立ては簡単だ。

材料
  • 容器 x1
  • 作った電極 x2
手順

1. 容器の側面上部に導線を通すための穴を二つ空ける。

2. 田んぼの土を用意する。今回は庭に作ったプラ舟の田んぼがあるので、その土を使った。

3. 土を容器に入れる。量は1~2cm程。

4. アノードとなる電極(マイナス極)を配置する。容器の横の穴から導線を通す。

5. アノード電極の上にさらに4~5cm程、土をのせる。

6. カソード電極(プラス極)を土の上にのせる。容器の横の穴から導線を通す。

これで組み立て完成だ。

実験結果1

では、テスターで電圧を測定してみる。

243mVの電圧(起電力)が発生しているのが確認できた。

んっ?参考にした動画では、800mV以上発生していたのにだいぶ電圧が低い。動画では二ヶ月後の値だからある程度待たないといけないのかもしれない。

今回、前述したように、活性炭を金属板で挟み、油圧でプレスする装置がないため、プレスがいい加減な状態になっている。恐らく、期待していたナノポーラス構造にはなっていないと思う。なので、この方法での電極作りは一旦諦め、特殊な道具なしで簡単に作れる方法を調査し、試すこととする。

続く。