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pHが微生物燃料電池の発電能力に与える影響を実験してみた

更新日:



今回はpHが微生物燃料電池の

発電能力にどの程度の影響を

与えるのかを調査してみました。



微生物燃料電池は電子生産菌の

代謝(有機物の分解)を利用しているため、

環境に左右されます。



例えばカソード極における

標準電極電位は以下のようになります。



確認ですが、電池の電圧(電位差)は、

アノード極とカソード極の

電極電位の差を意味します。

出典:Logan B.E, Jojn Whiley & Sons, "Microbial Fuel Cells" p31, 2008



これはカソード極反応を固定して、

その際の環境条件を変えたときの

カソード極電位がどのようになるか

を示した表になります。



ちなみにカソード極反応は、

上記以外の反応もありますが、

ややこしくなるので、

酸素の場合だけ抜粋しました。


この表から分かるように、

微生物燃料電池の発電能力は、

pHなどの影響を大きく受ける

ということが変わります。



微生物燃料電池のカソード極電位だけで、

1.0Vを超えることが出来ているので、

微生物燃料電池の最大出力電圧も

理論上は1.0Vを超えられる

ということです。



現実は、微生物燃料電池内の

内部抵抗が大きいので、

なかなかそうはいきません。



ということで今回は、

pHを変えたときにどの程度

発電能力に影響があるか、

追従実験してみました。


実験:pHが与える影響



ということでまずは、

自作した微生物燃料電池を

2台用意します。



条件を出来るだけ揃えるため、

同じ素材で同時に作成します。



自作方法はこちらにまとめました。
https://wireless-network.net/smfc-handmade/




私の場合は底泥型微生物燃料電池

という種類を使用しています。



本来は槽型微生物燃料電池を

使う方が結果が正確なのかもしれませんが、

作成が難しいので底泥型を使用しました。

あくまで今回の結果は参考までに。



そして肝心のpHの操作ですが、

1台は採取した土壌そのままのpHです。

もう一台は同じ場所から採取した土壌に

水酸化ナトリウムを加えました。



水酸化ナトリウ約30gを

土600mLに対して全体的に混ざるように

揉みこませながら作成していきます。



水酸化ナトリウムはホームセンター等で

簡単に入手できます。



微生物燃料電池の作成が完了したら、

24時間電圧測定装置にセットして

電圧推移の測定を開始します。



その結果がこちらになります。



1分毎に合計190時間の期間、

測定した結果になります。

190時間は約8日間です。



横軸は時間で単位は時間(hour)です。

縦軸はオープン電圧で単位はmVです。



オレンジ色グラフのpH=6.09が、

採取した素の土壌です。

青色グラフのpH=10.07の方は、

水酸化ナトリウムを加えた土壌です。



ここで注意ですが、土壌のpHは、

測定場所によって異なったりします。

ここでのpHは平均値になります。



結果を見るとやはり、

pHの影響を大きく受けている

ことが分かります。



どちらのグラフも共通して言えるのは、

微生物燃料電池の特徴ですが、

時間経過で電圧が上昇していきます。

電極付近の微生物が増殖するからです。



そして電圧推移は、pH6.09の方は、

初期電圧100mVから150mVにまで



pH10.07の方は、

初期電圧が50mVから、

最終的には70mVになりました。



開始時点でも終点でも、

両者には約2倍の電圧差がありますね。



次に、もう少し原因について

深堀をしてみます。


なぜ微生物燃料電池はpHの影響をうけるのか?


ここからは私なりの考えです。



そもそも微生物燃料電池が

pHの影響を受けるのは、

微生物の生命活動が

そこに関係しているからです。



微生物によって、生きていくために

適した環境は異なります。



最適生育値、酸性生育限界値、

アルカリ生育限界地という基準が

各微生物には存在します。



一般的に、pH=7~8の値が、

最適生育値とする微生物が

多いようです。そして最適な

pH環境から外れると、

微生物の増殖が抑えられます。



つまりそのことによって、

十分な電子が電極に渡らず、

最大出力電圧に違いが生じる

のだと考えられます。






以上が、pHの変化による

微生物燃料電池の発電能力調査でした。


最後まで読んでいただきありがとうございました。


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