微生物燃料電池のDIYやってみた〜その17〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、作成した自動電圧測定システムを活用し、条件を一定にした状態で、お酢やピルクルを投入した場合の性能を測定した。お酢の投入では、性能向上の傾向がみられたが、時間の経過で元の性能に戻ってしまうことが確認された。一方、ピルクルの投入では、少量であれば一定の性能向上が見られたが、量によっては、逆に性能が低下してしまう事象も発生した。この性質が再現性のあるものなのかは、いづれまた見ていきたいと思う。

今回は、お酢もピルクルも投入しない状態を自動電圧測定システムを使って確認しておきたいと思う。お酢やピルクルの投入以外の要因で性能向上したのではないことを改めて確認しておきたいからだ。また、システムを少し改造し、1分毎に、24時間連続で電圧を測定する機能も持たせるようにして、電圧変化の様子も把握してみようと思う。

お酢もピルクルも投入しない状態

使用したのは、電池No.31とNo.32の2つ。

上の折れ線は、電池No.31の7日間のIV特性である。測定1日目のデータは少し低めではあるが、およそ、変化がない結果が得られた。

一方、上のフラフは、電池No.32の7日間のIV特性である。こちらは、1kΩや680Ω接続時の性能が、理由は不明だが、時間の経過とともにやや低下した。

どちらのグラフでも、性能の向上はみられず、やはり前回の結果では、お酢やピルクルの投入が要因で性能向上したと言えると思う。

24時間連続電圧監視

自動電圧システムを少し改造し、1分毎に、24時間連続で電圧を測定する機能も追加した。2つの電池を同時に測定できるように、これまで1チャンネルだけであったが、2チャンネル分の電圧が測定できるようにプログラムを変更した。

上のグラフは、電池No.31、No.32における、5月28日の0時から24時間電圧変化を示す。6時と7時には、それぞれ電池No.31とNo.32に対して、負荷抵抗を繋ぐ機能が同時に動いているため、その時の電圧変化の様子も視覚的に捉えることができた。

この結果を分析すると、負荷抵抗を繋ぎ終えた後、およそ10~11時間で負荷抵抗を繋ぐ前の開放電圧の状態に回復することがわかった。また、1時間で、負荷抵抗を繋ぐ前の平均値の90%以上回復し、2時間では、95%以上回復することも分かった。

No.31の電池に負荷抵抗を繋ぐ6時から3時間をクローズアップしてみよう。

グラフの不連続点は、負荷抵抗(2kΩ、1kΩ、680Ω)を繋ぐタイミングと負荷を開放するタイミングである。このグラフを眺めていて、今更ながら気づいてしまったが、抵抗を繋いで電圧が安定したときの電圧を測定するつもりであったが、全く安定していない状態でどうやら測定をしていたようだ。例えば2kΩの抵抗を繋いで10分の時点ではグラフは平衡状態(横ばい)にはなっておらず、描く曲線を予想すると、おそらく30~40分程の待ち時間が必要なのかもしれない。実は、なんとなく10分では安定していないかもと感じていたが、データでみるとハッキリと分かってしまった。自動電圧測定システムを作った甲斐があったということだろう。

まぁ、今更仕方ないというのもあるが、同じ条件で測定さえできていれば、相対的な変化は分かる訳なので、とりあえずこのままの条件でやってみようと思う。

さて、次は、この電池に対して、お酢を投入する実験を再度行ってみたいと思う。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その16〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、電圧の測定条件を一定にすること、そして測定の手間を大幅に減らすことを目的として、自動で電圧を測定し、測定結果をスマホのLineへ送信するシステムを構築した。次のステップとして、このシステムを使い、お酢や乳酸菌飲料の投入で電池性能がアップするかを再度確認していきたいと思う。

お酢・ピルクル投入実験(続き)

測定する電池は、以前の実験で使用したNo.33(写真左)とNo.34(写真右)。No.33にはお酢を、No.34にはピルクルを、小さじ一杯程度、電池の左上1ヶ所から投入したものだ。

この電池に対して、自動電圧測定システムによって電圧を測定した。結果を次に示す。

I-V特性 No.33 お酢投入(1ヶ所から)

上のグラフは、電池セルの右上1ヶ所からお酢を投入した場合のI-V特性である。グラフの見方であるが、折れ線が右上にいくほど性能が良いという意味となる。4月22日の折れ線は、お酢を投入する前のデータであり、比較のためグラフに載せた。測定システムを定時起動させる連続運転状態にまだなっていなかったため、測定日と測定時刻が揃っていないのだが、参考程度に結果を見ていきたい。

お酢投入後、およそ性能が向上したことが認められたが、単純にお酢投入の効果なのかは断定することはできない。電流を流すことによって、少しづつ性能が上がることもあるので、今後の実験で切り分けていきたいと思う。

I-V特性 No.34 ピルクル投入(1ヶ所から)

一方、上のグラフは、電池セルの右上1ヶ所からピルクルを投入した場合のI-V特性である。お酢の場合と同様に、ピルクルを投入する前のデータとして4月22日のデータを載せている。4月22日のデータは、性能が低い状態からのスタートになっていたが、ピルクル投入後、およそ性能が向上したことが認められた。しかし、5月13日のデータは、これまでの上昇トレンドから急に低めの性能を示した。測定した時間が他と違い5月13日は夕方(17時)であったという違いがあるのだが、原因を探るにはやはり、条件を揃えて不安要素を取り除いてやらないといけないだろう。

お酢・ピルクル投入実験(3ヶ所から追加)

さて今度は、お酢とピルクルを再度投入して、測定システムを毎朝定時に起動する実験を行った。使用する電池は、前回と同じ電池。

No.33にはお酢を、No.34にはピルクルを、小さじ一杯程度投入するが、投入する箇所は、電池の四隅のうち、別の3ヶ所から投入した。(投入量は1ヶ所で小さじ1/3程度)泥の中のアノード電極に、なるべく均一に投入する液が届くようにする狙いからだ。

I-V特性 No.33 お酢投入(3ヶ所から追加)

上のグラフにおける、5月14日以降の折れ線が、電池セルの四隅のうち別の3ヶ所からお酢を投入した場合のI-V特性である。4月22日の折れ線は、お酢を1か所から投入する前のデータであり、5月13日の折れ線は、お酢を3か所から投入する前のデータであり、比較のためグラフに載せた。測定システムは、毎朝6時に起動させているので、測定条件がより揃った状態にすることができた。結果、お酢を1ヶ所から投入した時(5月13日の折れ線)よりも、さらに性能の向上が認められた。

しかしながら、上のグラフのように、5月19日をピークに性能は徐々に下がり、お酢を3ヶ所から投入する前の状態(5月13日の折れ線)に戻っていった。このことから、お酢投入後による性能向上は、電流を流すことによる性能向上だけの話ではなく、やはりお酢の効果によるものもあると思われる。そして、その効果は、6日程度でピークに達し、10日程度で効果は消えてしまうようである。この考察が正しいとするなら、効果の持続はとても儚い。

I-V特性 No.34 ピルクル投入(3ヶ所から追加)

一方、上のグラフにおける、5月14日以降の折れ線が、電池セルの四隅のうち別の3ヶ所からピルクルを投入した場合のI-V特性である。4月22日の折れ線は、ピルクルを1か所から投入する前のデータであり、5月13日の折れ線は、ピルクルを3か所から投入する前のデータであり、比較のためグラフに載せた。測定システムは、毎朝7時に定時起動させている。

結果であるが、思ったようにならず、性能が徐々に低下してしまった。これは、米ぬかを投入したときの結果と同様な状態に陥ってしまったようだ。米ぬかは、乳酸菌といった有用微生物の餌になるので、畑に撒いて使用されるのだが、電池に関しては、乳酸菌が電池の性能向上には良い影響を与えていないような気がする。ただし、1回目のピルクルの投入では、特に性能低下は認められなかったので、乳酸菌は全くダメということにはならないが、投入量が多めになると、乳酸菌が優先し始め、電流発生菌達が劣勢になったということも考えられるだろう。

今回、お酢投入で性能向上の傾向がみられたので、お酢の成分である酢酸を餌とするGeobacter属の電流発生菌がそもそも優先していたという考え方もできる。この考えが正しいとすれば、どんな電流発生菌が優先しているかを調べる一つの指標として使えるのかもしれない。

続く。

 

 

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その15〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、電流発生菌の餌となりうるお酢や乳酸菌飲料を入れることで電池の性能が上がるか実験したが、思った結果が得られなかった。性能を測る上での測定条件がばらついていることや、測定データが少ないことが原因の可能性もあるので、この辺りの懸念を取り除くよう、自動で電圧を測定できる仕組みを構築しようと思う。

実現したいこと(要求仕様)

  • 電池のI-V特性を測るため、開放電圧及び、負荷電圧を自動で測定する。測定は、一定時刻(AM6:00)に開始し、以下4つの状態の電圧を測定する。
    1) 開放状態
    2) 2kΩ抵抗接続時
    3) 1kΩ抵抗接続時
    4) 680Ω抵抗接続時
  • 負荷抵抗を接続した後は、電圧が安定するまで一定時間待ち、その後、電圧を測定する。
  • 負荷電流は、接続する抵抗が既知であることからオームの法則で求める。I=V/R
  • 測定が完了したら、測定した電圧値及び求めた電流値をスマホへ通知する。

※I-V特性のフラフは、上記1)~4)の状態の電圧・電流から手動でグラフを作る。将来的には、グラフの作成も自動化したいと思う。

システムの概要

上図は、要求仕様を満たすためのシステムの概要となる。小型コンピュータであるRaspberry Pi3に、AD変換モジュール(アナログ値をデジタル値へ変換するモジュール)を接続し電圧を測定する。AD変換モジュールは、4チャンネル/分解能16ビット/I2Cインターフェース対応のADS1115のチップを搭載したモジュールを使用。アナログ値からデジタル値へ変換された電圧データはI2Cインターフェースを経由してRaspberry Pi3で取得する。

また4つの状態の切り替えはリレーモジュールによって実現する。リレーとは電磁石を利用したスイッチである。スイッチなのでオンとオフの状態を切り替えられる。例えば下図で考えると、リレー1のスイッチをオン、リレー2のスイッチをオフとすると、電池には抵抗1がつながる。また、リレー1のスイッチをオフ、リレー2のスイッチをオンとすると、電池には抵抗2がつながる。リレー1とリレー2のスイッチを両方オフにすると、電池には抵抗がつながらない状態、つまり開放状態になる。

なので、3つのスイッチを使えば、1)抵抗を繋げない状態(開放状態)、2)2kΩ抵抗を繋いだ状態、3)1kΩ抵抗を繋いだ状態、4)680Ω抵抗を繋いだ状態を作り出すことができる。それぞれのリレースイッチの状態は、Raspberry Pi3の信号(GPIO)から制御できる。

リレースイッチをオン・オフするためのGPIOの制御、測定した電圧を得るためのI2Cインターフェースの制御、そして、電圧データをスマホへ送信するためのLine Notifyの制御は、Python3のプラグラムを作成し、そのプログラムを定時に起動する。

完成したシステム

上の写真は、自動で電圧を測定するシステム概観である。朝06:00にPython3のプログラムが起動し、4つの状態の電圧を測定したあと、計算で求めた負荷電流とともにLineへメッセージが送られるようになった。

これまで、電圧計を使って手動で測定していたが、私が寝ている間にも、自動で測定してくれるので、とても楽になった。

現状は1台の電池の測定しかできないが、リレーモジュールを増やせば同時に複数の電池の測定も可能となるだろう。しかし、実験している電池は2台であるので、電池を繋ぎ変えることで十分対応ができる。06:00と07:00にPython3プログラムを2回起動するようにしておけば、私がやることはたった2つだ。

  1. 1回目の測定が完了する06:30にLine Notifyからのプッシュ通知がスマホにくるので、この音で目覚める。
  2. そして、次の測定が始まる07:00までの間に、別の電池へ繋ぎ変える。

電池の繋ぎ変え作業があると思うと2度寝が絶対にできないので、軽い使命感のもと早起きができて、朝の時間を有効に使うことにも役立っているように思う。

作り方を知りたい人は、以降の記事も読み進めてほしいと思う。

使用した部材

  • Raspberry Pi 3 x1
    OS: Raspbian GNU/Linux 8.0 (jessie)
    Python: 3.6.9
  • AD変換モジュール(HiLetgo 2個セット ADS1115 4チャンネル 16ビット I2C ADC モジュール ゲインアンプ Arduino Rpiと互換) x1
  • リレーモジュール(SODIAL(R) 4チャンネル5Vリレーモジュール) x1
  • 抵抗 2kΩ x1、1kΩ x1、680Ω x1
  • 線材
  • みのむしクリップ x2

接続方法

I2Cのスレーブアドレスは、ADDRピンを繋ぐ場所によって4種類から設定できるが、今回はVDD(+3.3V)へ繋ぐことで0x49とした。

また、差動入力A0-A1を電池の+と-に接続して電圧を測定した。

Raspberry Pi3の初期設定

I2Cの有効化

以下コマンドを入力し、Raspberry Pi3の初期設定画面を起動する。Interfacing Options->I2CからI2Cを有効化する。

$ sudo raspi-config
ライブラリのインストール

以下コマンドを入力し、ライブラリをインストールする。

$ pip3 install adafruit-circuitpython-ads1x15
以下コマンドを入力すると、ライブラリがインストールされていることが確認できる。
$ pip3 list
Adafruit-Blinka
adafruit-circuitpython-ads1x15
adafruit-circuitpython-busdevice
Adafruit-PlatformDetect
Adafruit-PureIO
詳しくは、Python & CircuitPythonを参照。

Line Notifyの初期設定

Line Notifyを使ってRaspberry Pi3からスマホのLineへメッセージを送るには、次の設定が必要になる。

  1. スマホのLineアプリで、メッセージを受け取るためのトークルームを作る。
  2. 次に、LINE Notifyのホームページからログインした後、マイページの「アクセストークンを発行」によってアクセストークンを発行する。発行の際に、トークン名(通知の際に表示される文字)と通知を送信するトークルーム(1で用意したもの)を入力する。発行されたアクセストークンは、Python3のプログラムで使うので、メモ帳などにコピーしておく。
  3. LINE NotifyのLINEアカウントを、1で用意したトークルームに招待する。

作成したコード

プログラムの定時起動

プログラムを定時に起動するには、crontabファイルを編集する。以下のコマンドを入力するとエディタが開く。

$ crontab -u pi -e
一番下の行に次のコードを記述し、保存する。なお、私の環境では、Ppython3のパスが通ていなかったので、フルパスで指定した。(/usr/local/bin/python3)

以上で、毎朝6時と7時にプログラムが起動し、システムが電圧を測定することができる。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その14〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、米ぬか投入実験が思うようにいかなかったので、微生物の餌となる乳酸や酢酸を投入することで性能アップができるのかの実験をしたいと思う。

使用したのはこちらのお酢と乳酸菌飲料。それぞれ酢酸、乳酸が入っているはずである。これらをアノード電極の周辺に送り込んでやれば、電流発生菌の餌が増えて、電流発生菌がより多くの電流を発生すると期待している。

投入方法

アノード電極に酢酸や乳酸を送り込むには、アノード電極より上に被さっている泥を一度取り去ってやる必要がある。しかし、泥を取り外すと、アノード電極が空気に触れるため、嫌気状態になっていた環境が壊れることになる。壊れた環境が復活するまでには数日はかかるので、できれば環境を壊さずに酢酸や乳酸を送り込みたい。

そこでストローを使って直接アノード電極に送り込むことを試そうと思う。ストローは、タピオカドリンクを飲んだ時に使った太めのストローだ。細いストローよりは、液を送りやすいと思うからだ。懸念は、一か所から送り込んで、アノード電極にちゃんと広がっていくかだ。たぶん、ストローの周辺だけにしか広がらない気がする。なので、ダメな場合は複数個所からストローで液を送り込むことも考えたいと思う。

実験条件

2つの電池セルを使った。No.33(写真左)にはお酢を、No.34(写真右)にはピルクルを投入した。量はどちらも小さじ一杯程を電池セルの左上一か所から送り込んだ。

実験結果

4月22日の折れ線が投入前の結果で、4月28日の折れ線が投入して6日後の結果である。ピルクル投入では結果に大きな変化が見られなかったが、お酢投入では、投入後の結果が悪くなっていた。

気になっているのが、抵抗を繋いで電圧を測定するまでのの時間を10分以上とっていたが、待っている間に一時間経ってしまうこともあり、条件があまりそろっていないことがあったことだ。なので、測定までの時間が揃っていないことが、データにばらつきが発生している原因になっている可能性もある。

改めて条件を揃えたいと同時に、もう少し継続して経過を見たいと思うので、自動で測定できるシステムを作成して、今後の測定に臨みたいと思う。

次回、自動電圧測定システムの電子工作についてお伝えする予定。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その13〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

電池セルの性能アップを模索する中、電池セルのヘドロに米ぬかを投入することで、性能アップできるかを試すこととした。そこで前回は、現状の電池セルの性能測定した。今回は米ぬかを投入し、電池セルの性能測定する。

米ぬか投入方法

米ぬかの投入方法であるが、まずカソード電極を取り外し、アノード電極の上にあるヘドロを一度取り出し、米ぬかを5gをアノード電極の上に振り撒く。表面のヘドロと撒いた米ぬかをヘラで軽く混ぜる。その後、ヘドロを入れ戻し、カソード電極を取り付ける。

この方法により、電池セルNo.35およびNo.36の2つについて実施した。

結果

電池セルのそれぞれには10kΩの抵抗をつなぎ、日数経過による電ある[mV]を測定した。

日数 No.35 電圧 No.36 電圧
0 592 521
1 554 516
2 505 475
3 343 356
8 140 127

3日経過したところで、大幅に電圧が下がり始めたので、抵抗を外した状態で開放電圧を測定することとした。しかし、開放電圧は下がる一方で、8日目にいてはそれぞれ140mV、127mVと非常に小さい電圧となってしまった。

これでは、性能アップのどころの話ではない。失敗である。

なぜ失敗?

アノード電極やカソード電極の状態をリセットすべく、電極を水洗いした後開放電圧を測定してみたが、全く良くなる傾向がみられなかった。

その後、ネットである論文(*1)を見つけ内容を読んでみると、有機酸組成の変化が微生物燃料電池の性能に影響を与えるということが書かれていた。電流発生菌の餌となるのが乳酸や酢酸などの有機酸であって、例えば、電流発生菌である、Geobacter属は酢酸を餌に、そしてShewanella属は乳酸を餌にするとのことであった。つまり餌となる乳酸や酢酸の割合が変化すると電池の性能に影響を与えるということのようだ。飯が変わると人間も働きが悪くなるというのはとてもありそうな話だ。

米ぬかを投入したことによって、有機酸組成が変化し、これまで築かれていた電流発生菌の組成が変化、つまり、電流発生菌が大幅に減少してしまったということが起こっているのかもしれない。逆に、米ぬか投入で、電流発生菌よりも優先する微生物がいるのかもしれない。

さて、次の一手は?

米ぬかはいったん横に置いておいて、乳酸や酢酸を投入することで性能アップができるのかの実験に切り替えてみようと思う。

乳酸といえば乳酸菌飲料、酢酸といえばお酢。どちらも我が家にあるものなので実験できそうである。

ちなみに我が家ではヤクルトは少々値が張るので、ピルクル派である。

続く。

*1: 有機酸組成の変化が微生物燃料電池の性能に及ぼす影響 土木学会論文集G(環境),Vol.72,No.8,III_145-III_152,2016

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その12〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、作成した微生物燃料電池32個すべてを使って、小型冷却ファンを約37秒間回すことができた。まずは一つの目標を達成することができたが、引き続き電池セルの性能アップについて実験をしてみようと思う。

性能アップのためにやろうとしていることは、米ぬか投入である。

なぜ、米ぬか?

それは自然農からヒントを得ている。米ぬかを畑の表土に撒くと、乳酸菌、酵母菌、納豆菌などの有用な微生物が米ぬかを餌に増え、草の発酵分解が促進されるという。ならば、発電に関わる微生物も米ぬかを餌に増殖し、結果、電流発生量が増えるのではないかと考えられるからだ。

現状の性能を測る

米ぬかを投入する前と後でどれほど性能が変化したかを見たいと思うので、まず米ぬか投入前の性能を測定しておこうと思う。

測定するのは、電池セル4つ(No.33からNo.36)。それぞれ、開放電圧および2kΩ、1kΩ、680Ω抵抗接続時の電圧の計4種類を測定した。電流については、接続抵抗が分かっていることから、オームの法則により算出した(電流=電圧÷抵抗)

上のグラフが、測定結果から作成したI-V特性となる。各折れ線の点が測定ポイントであり、左から開放時、2kΩ接続時、1kΩ接続時、680Ω接続時となる。以前測定した電池セルでは、2kΩ抵抗接続時の電圧が、高いもので540mV程度であったが、今回のものは4つのうち3つがそれより高い値を示していた。あくまでも推測であるが、時間が経過したことにより、アノード電極周辺の電流伝達ネットワーク構造(電極に直接接する微生物だけでなく、電極から離れた微生物も酸化鉄を通じて電極と接することができる構造)がより整ってきたということもあるかもしれない。

さて、どれくらいの時間をおけば効果がみられるだろうか。畑に撒いた米ぬかは、温かい時期であれば2週間程で分解されることを考えると、やはり1~2週間の期間をみなければいけないかもしれない。この間、微生物の繁殖を促進する意味を期待して、負荷を接続し、少量の電流を定常的に流しつつ、定期的な測定で様子を伺ってみようと思う。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その11〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、作成した微生物燃料電池32個すべてを使って、4個直列x8組の電池でLEDランプを点灯させ、そしてさらに、2個直列x16組の電池へ1kΩ抵抗をつないで電圧・電流を測定した。

今回は、本プロジェクトの目的でもある小型冷却ファンを回す実験をしたいと思う。

とその前に、2個直列x16組の電池へ1kΩ抵抗をつないだ時における、電池1組それぞれから出力される電流について測定してみる。

2個直列x16組の電池で1kΩ抵抗をつなぐ

構成

結果

1組の電池を構成するセル1、セル2の電圧、および1組の電池から出力される電流について、16組分の測定値を示す。

セル1とセル2の足し算はおよそ0.83Vになっており、抵抗端の電圧と一致する。セル1とセル2の電圧は0.3~0.5Vの間でばらつきがあることがわかった。

また、1組の電池から出力される電流についてであるが、均等に電流が流れていると予想したが、電流についても0~0.2mAとばらつきがみられた。組No.2とNo.3については0mAを示したが、電流計のレンジをμAのレンジで測定すると、2μA、15μAとわずかな電流が流れるのみであった。

組No. 電圧(セル1) [V] 電圧 (セル2)[V] 電流 [mA]
1 0.467 0.366 0.03
2 0.428 0.405 0.05
3 0.343 0.491 0
4 0.298 0.531 0
5 0.427 0.406 0.09
6 0.450 0.383 0.17
7 0.440 0.392 0.07
8 0.303 0.530 0.08
9 0.409 0.425 0.11
10 0.485 0.375 0.20
11 0.541 0.290 0.07
12 0.417 0.415 0.14
13 0.461 0.370 0.06
14 0.455 0.375 0.14
15 0.405 0.427 0.08
16 0.335 0.497 0.16

この電流のばらつきの原因は、電池の内部抵抗が関係していると思われるが、今後理由について考察してみたいと思う。

2個直列x16組の電池で小型冷却ファンを回す

さて、次はいよいよ小型冷却ファンを回す実験だ。

構成

まず、実験構成としては、前回に引き続き、2個直列x16組の電池を使いたいと思う。ファンを回すのに必要な電圧は、およそ0.8V、電流は10mAだ。0.8Vを得るために、電池2つを直列にしている。

総数32個の電池を使っても、間違いなく電流が不足すると思われるが、小型冷却ファンを接続して、最初の数秒間だけでも動く可能性があるので、試したいと思う。

結果

遂に回った。まずは動画で確認いただきたい。

負荷接続前の開放電圧は1.13V。

負荷接続直後、ファンが回転し、電圧計(右)と電流計(左)の値は、電圧0.8V、電流12mAを示したのが確認できた。その後、電圧と電流は下がり続けたが、ファンは約37秒ほど回転し、停止、活動限界を迎えた。

停止した時の電圧と電流は、0.58V/11mA。

遂にマイプロジェクトの目的をどうにか達成することができた。

しかし、回転したのはたったの約37秒。やはりずっと回り続けてほしいところだ。そのためには、電池セルを増やすことや電池セルの性能アップが必要である。

引き続き電池セルの性能アップについて実験していきたいと思う。

微生物燃料電池のDIYやってみた〜その10〜

微生物燃料電池で小型冷却ファンを回すマイプロジェクトを実行中である。

前回は、微生物燃料電池を8個(4個直列x2組)使って、ろうそく風のLEDランプを点灯することができた。しかし、数日経ってみると、電圧と電流は1.7V/0.1mAを切り、僅かな灯火となってしまった。やはり電流が不足しているようであった。そこで、現状ある電池全てを使って新たに実験をしたいと思う。

電池4個直列x8組にLEDランプをつなぐ

構成

結果

LEDランプ接続直後の様子

順調にLEDランプは点灯した。LEDランプに流れる電流は、接続直後、0.32mAが流れ、写真のような明るさを出していたが、徐々に電流は減っていき、2日目以降の計測値では、0.22mAで安定した。数日間の電圧と電流を測定結果を以下に示す。

日数 電圧 [V] 電流 [mA]
0 1.83 0.32
1 1.79 0.18
2 1.80 0.22
3 1.79 0.22

日数=0: 負荷接続直後

電池4個直列を並列に8組入れたので、電流不足はある程度改善されたようだ。過電圧(電池内部抵抗による電圧降下)が抑えられ、電流についても以前(4個直列x2組)より増えていることが確認できた。

ゆらめき輝くLEDランプが、お好きなお庭のライトアップに一役買うことができるかもしれない。

電池2個直列x16組に抵抗(1kΩ)をつなぐ

次は本プロジェクトの目的でもある、小型冷却ファンを回すための構成に近い形で実験したいと思う。ファンを回すのに必要な電圧は0.8V、電流は10mAだ。0.8Vを得るには、電池2つを直列にすれば良さそうである。そして、10mAの電流を得るにはまだ電池が足りないと思われるが、今ある全ての電池を使って、2個直列x16組の電池を構成した。この電池に抵抗をつないで電圧/電流の様子を一度確認しておこうと思う。つなぐ抵抗は、計算がしやすいように1kΩとした。

構成

結果

数日間の電圧と電流を測定結果を以下に示す。電圧で電流は少しづつ下がってきたが、3日目では、電圧0.826V、電流0.82mAとなった。

日数 電圧 [V] 電流 [mA]
0 1.018 1.01
1 0.917 0.91
2 0.855 0.85
3 0.826 0.82

日数=0: 負荷接続直後

負荷接続直後の電流が1.01mAであったことから、10mAの電流を流すには、抵抗を1kΩから10Ωにしないといけない計算になるが、間違いなく電流が不足して、電圧が急激に下がると思われる。しかし、小型冷却ファンを接続して、最初の数秒間だけでも動く可能性もあるので、次回試してみたいと思う。

一方で、負荷に流れる電流だけでなく、それぞれの電池1組から出力される電流についても測定し、全体の状態を把握することもやってみたいと思う。

定点撮影からみる石神井川の一年

石神井川の柳沢橋(西東京市柳沢)付近からの定点撮影を約1年間行ってきた。この場所で石神井川のごみ拾いを続けてきたのだが、およそ一か月毎の写真が集まったので振り返ってみたいと思う。

  • 2019/03/02
  • 2019/04/06
  • 2019/05/11
  • 2019/06/01
  • 2019/07/06
  • 2019/09/14
  • 2019/10/05
  • 2019/11/09
  • 2019/12/07
  • 2020/03/07

2019年3月から始め、8月、2020年1月、2月の写真が不足しているがなんとなく1年の移り変わりを感じていただけると思う。

3月、流れのない水たまりに、枯草の破片やペットボトルなどの軽いゴミが水面を埋め尽くしていた。

4月、水が完全に枯れる。中州には紫色の花(諸葛菜)が綺麗だ。

5月、水は枯れたまま。緑が濃くなる。

6月、未だ水は無い。5月の写真では左奥にヨシと思われる抽水植物がまっすぐ生えていたが、倒れていることから、増水による強い流れがあったのだろう。

7月、6月の梅雨でまとまった雨が降ったことにより、ようやく川に水が流れ、小川らしくなった。

9月、水の流れがあり、小川らしさが続く。背丈のある中州の植物は、軒並み倒されていた。関東各地に記録的な暴風雨をもたらした台風15号の爪痕ともいえる。

10月、降雨の影響により水は枯れることなく流れている。ここでは、魚の姿が見えなかったが、下流ではアブラハヤが見られ、生き物の多様性が感じられる時期であった。

関連コラム:魚影が濃い10月の石神井川

11月、水量、未だに豊富で、写真からも、水の流れを感じられる。各地で河川の氾濫をもたらした台風19号の影響であることは容易に想像できる。ちなみに西東京市に隣接する練馬区の観測データを見ると、10月12日の日降水量は、なんと282mmを観測し、1976年からの観測史上1位となっていた。30年ぶりに練馬区の日降水量の記録が塗り替えられるほど、石神井川上流域に大雨が降ったことがわかる。

関連コラム:水量が増えた11月の石神井川

12月、水量、未だ豊富。この場所から少し下流にある武蔵関公園の池を訪れたが、台風がもたらした大雨の影響により、池の水が透明になっていた。大雨により、池の水が全部入れ替わってしまたのだろう。9月頃に見たときは、池が緑色のアオコで覆われていたが、水深4050cmの池底までがはっきりと見える程であった。

関連コラム:自然の変化を味わう〜武蔵関公園の池

3月、既に水量は減っており、水の流れがほとんどなくなっていた。止水域のようになっていて、水の流れがあれば繁殖していないだろう藻が、幅を利かせていた。1年前の似たような風景が戻ってきた感じだ。

さて、この水はいつまでもつだろうか?今後もこの場所の定点撮影を続けてみたいと思う。

家庭でなんとか籾摺りをしたい〜その2〜

古代米を含めた少量の籾摺りが家庭で出来ないかと思い、アイディアを実践中である。前回は、ハンディフードプロセッサを使って籾摺りを試したが、回転する刃が鋭いためか、籾殻は外れるが、玄米が砕けるものが目立ってしまった。そこで3Dプリンタで鋭くないプラスチックの回転刃を作り、再度試すこととした。

今回制作したプラスチック回転刃

写真上が、ハンディフードプロセッサ付属の金属回転刃。写真下が、今回3Dプリンタで制作したプラスチック回転刃(ナイロン製)。(綺麗な状態で写真を撮り忘れました)

 

回転刃の取り付け

ハンディフードプロセッサのマニュアルに、回転刃の取り外し方が記載されているので、付属のツールを使い金属のパイプを回して外し、回転刃を交換した。精度が0.3mm程度と謳われていたが、穴寸に余裕を持たせなかったため、いまいち穴へのハマりが悪かったが、とりあえずは固定ができた。

籾摺り

籾から籾殻を取り除いて玄米にする工程が一般的に籾摺りと呼ばれているが、その工程は、さらに3つの工程に分けることができる。

  1. 籾から籾殻を外す(脱皮)
  2. 籾殻を取り除く
  3. 玄米の中に残る籾を取り除く

今回のそれぞれの工程の方式は、次のようになる。

  1. ハンディフードプロセッサの回転刃による衝撃で籾殻を外す方式
  2. 唐箕のように風で籾殻だけを吹き飛ばす方式
  3. 手動で取り除く方式。なお、玄米の中に残る籾を取り除く工程がなぜ必要かというと、一度の脱皮作業で籾から籾殻を100%外して玄米にすることは難しく、脱皮できない籾が残るためだ。なので、籾のない玄米を得るためには、玄米の中から籾を取り除き、再び工程1〜3を繰り返す必要がある。

籾から籾殻を外す

籾は前回同様に、赤米(紅吉兆・神丹穂がメイン)1合弱を使用。粒径が長く、芒(のぎ)も長い籾を容器に投入。

蓋を被せて、Lowボタン(低速回転モード)で約40秒(20秒x2回)運転する。ちなみにこのハンディフードプロセッサには、LowボタンとHighボタン(高速回転モード)がある。

籾殻が外れているのが確認できる。

籾殻を取り除く

籾殻を取り除くには、一般的に唐箕(とうみ)と呼ばれる、風を起こして籾殻を吹き飛ばす装置を使う。しかし、家庭には通常ないので、家庭にありそうなものでやりたい。そこで考えたのが、キッチンシンクで使うゴミネットを容器に被せて、ドライヤーの風で籾殻を吹き飛ばす方法だ。

風を当てる角度をうまく調整し15秒から20秒も風を当てれば、ネットに籾殻が溜まっていく。ネットに溜った籾殻を適宜取り除きながら数回繰り返すことで、ほぼ籾殻は無くなった。ただ細かいゴミがネットを通り抜けて、周辺が粉だらけになるので、汚れても良い屋外でやるか、事前に水切りボウルなどでふるいをかけ、細かいゴミを取り除いてから風を当てた方が良さそうであった。

玄米の中に残る籾を取り除く

玄米の中に残る籾を取り除く工程では、万石(まんごく)式、回転式、揺動式といくつかの方式があるそうだが、今回は、手動で籾を選別した。

薄いトレーに適量移し籾をピックアップしていく。地味な作業で時間はかかるが確実な方式でもある。今後は自作の籾選別機を作って他の方式を試して行きたいと思う。

で、よく見てみると、やはり砕け米が混じっている事が判明した。ハンディフードプロセッサの運転時間が長かったのかもしれない。なので、次はハンディフードプロセッサの運転時間を変えてちょうど良い塩梅を探ることにした。

適切な運転時間を探る

では適切な運転時間を決めるに当たって、具体的な数値による評価基準を決めたいと思う。評価基準としては、籾摺り終了後における、取り除けなかった籾数(残籾数)と回転刃の衝撃による砕けた米の数(砕け米数)を計測することにした。砕け米のカウント方法としては、玄米を100%として、その大きさの40%以下のものを目視で確認してカウントした。籾の量は、1合弱(67g)とした。

実験No. 高速運転時間[s] 低速運転時間[s] 残籾数[個] 砕け米数[個]
1 35 289 241(2g)
2 40 98 330(3g)
3 45 40 407(4g)
4 15 25 47 509
5 20 15 39 537

実験No.1、2、3は、低速運転時間35秒、40秒、45秒で運転した場合の残籾数と砕け米数である。運転時間が多くなるにつれて、残籾数が減り、砕け米数が増えるという結果は、予想通りであった。で、45秒の運転で、残籾数は40、砕け米数は407となったが、残った籾を40個程度なら数分で手で取り除けることと、砕け米数も、400個程度であれば、あまり気にならないレベルであることから、この状態を一つの目安とすることにした。

その後さらに、ハンディーフードプロセッサの運転時間を短縮できないかと考え、ハンディーフードプロセッサの高速運転モードを併用することを検討した。回転刃による籾への衝撃回数が脱皮する籾数と相関があると考えられるので、高速回転によって衝撃回数が増えれば、短い時間でも、一定の脱皮する籾数が得られると考えられるからだ。

実験4、5は、高速運転モードも併用して運転した場合の、残籾数と砕け米数の結果である。実験3の砕け米数よりは、少し大きい値(500個台)を示したが、実験3の45秒に比べて、実験4及び5のトータル運転時間は短い時間(実験4=40秒、実験5=35秒)となり、その時間で、実験3と同程度の残籾数(40前後)を得ることができた。

プラスチック回転刃の効果確認

実験No. 高速運転時間[s] 低速運転時間[s] 残籾数[個] 砕け米数[個]
6 20(10×2回) 269 2665(13g)
7 30(15×2回) 29 7380(36g)

ちなみに、制作したプラスチック回転刃がどれ程の効果があるのか効果を確認するために、ハンディフードプロセッサ標準の金属刃でのデータも改めて収集した。残籾数が29個となった低速運転時間30秒における砕け米数は、7380及んだことから、実験5の537と比べて、砕け米数は約14分の1に減り、制作したプラスチック回転刃に、効果があることが確認できた。なお、砕け米数の選別はなんとかできたが、それをカウントするのはとても大変であったので、1gあたりの個数を205として算出した。

まとめ

古代米を含めた少量の籾摺りが家庭で出来ないかと思い、ハンディフードプロセッサ自作のプラスチック製回転刃を利用して、籾摺りある程度できることがわかった。

昨年、娘が小学校でバケツ稲作をやっていたが、籾摺りとして、すり鉢に籾を入れて軟式野球ボールでこするという時間のかかる作業をやっていたそうだ。自分でもやったことがあるが、労力と時間のかかる作業で結構大変な作業だ。

軟式野球ボールでこすっても、特別な籾摺り機を購入しても良いかと思うが、もしご家庭にハンディフードプロセッサがあるなら、今回行った方式で少量の籾摺りをするのはいかがであろうか。

今後は、制作したプラスチック回転刃の穴がいまいち合わなかった問題の修正、実用的な必要量を現実的な時間で籾摺りできるのかの検証、それから、残る籾の選別装置の自作・実験を行ってみたいと思う。

続く。