客觀日本

山口大學開發出植物微生物燃料電池,可以邊種菜邊發電

2022年04月27日 電子電氣

利用周圍的植物和微生物發電的技術正在受到關注。山口大學的Azizul Moqsud副教授開發出了利用芋頭和茄子等植物與細菌的相輔作用提取電力的「植物微生物燃料電池」。 這種植物微生物燃料電池可以提取出足夠點亮小燈泡電力,對環境負荷也很小。如果能利用地球上大量存在的植物和微生物發電,到2050年前後,全球目前存在的16億無電可用的人或許全部能過上有電的生活。

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山口大學的Moqsud副教授開發出了利用植物和微生物的相輔作用提取電力的燃料電池(供圖:山口大學)

「與隨時都可以有電可用的日本不同,我的祖國經常停電,還有人生活在本來就沒有供電網的地區。我想改變那些人的生活。」Moqsud副教授出生在孟加拉國,從小看着生活在貧困中的人們長大。他說孟加拉國目前仍有30~40%的人過着沒有電的生活,希望有一天能利用自己開發的技術爲他們帶來電力。

Moqsud副教授開發的燃料電池透過植物光合作用產生的有機物質和以此爲食物的微生物(細菌)的相輔作用來發電。植物會利用陽光從水和二氧化碳生成成長所需有機物質,其中大部分儲存在根部。這些有機物質最多會有60%左右從根部流入土壤中,土壤中的特定細菌食用這些有機物質並分解後會釋放電子。利用這一原理,將電極插入土壤中即可提取電力。

然而,直到現在除了在水中成長的植物外很難提取電力。對此,Moqsud副教授改良了電極,能夠從所有種類的植物中提取電力。利用芋頭和茄子等蔬菜及水稻的話,可以種植食物的同時進行發電。發電不會影響植物的成長,也不會導致穀物減產。

另外這種方法還具有不容易受環境衝擊,可以穩定發電的優點。太陽能和風能等再生能源容易受天氣影響導致發電量不穩定。建設大規模發電設備還會造成環境破壞。利用植物和微生物的燃料電池即使沒有陽光,有機物質也不會立即消失,而且比較環保。

山口大學開發的燃料電池目前每平方公尺最多隻能提取3瓦左右的電力。儘管如此,在發展中國家等,「也足夠讓孩子們晚上用小燈泡學習了」(Moqsud副教授)。據說它還適合作爲測量大氣溫度和溼度等的環境觀測器的電流源使用。今後計劃與企業合作提高輸出功率等,在3~5年内實施實用化。

東京農工大學的卓越教授直井勝彥和沖田尚久助教等人也在開發使用觀葉植物和細菌的發電技術。另外還在開發可利用這種技術發電的電力驅動的照明設備。正與企業推進聯合開發,計劃2022年度内供貨樣品。

植物微生物燃料電池普及的關鍵在於削減電極成本。因爲設想讓經濟不富裕地區的人也能使用。山口大學的Moqsud副教授還在着手研究從竹子和杉樹等身邊的植物中提取碳材料製作電極的成本削減技術。

還能有效減量甲烷氣體

植物微生物燃料電池相關的舉措及前景展望
2011年 東京大學和東京藥科大學利用數十株水稻和微生物成功生成電力
2020年 佐賀大學在水田中驗證利用微生物發電的系統
2021年 山口大學開發出利用植物和乾燥土壤中的細菌發電的系統
2022年 東京農工大學開發可利用觀葉植物和細菌發電的電力驅動的照明設備
2030~2040年前後 提高植物微生物燃料電池的輸出功率並降低成本,可以在超級市場和便利店輕鬆購買
2050年前後 全球所有人都過上有電可用的生活

植物微生物燃料電池在山口大學和東京農工大學等開發出可在乾燥環境中發電的方法之前主要設想利用水田。雖然生產電力的細菌討厭空氣,但在水中會變得活躍,並能增加發電量。盛產水稻的日本有很多水田,植物始終成長在水中,很方便用來發電。微生物發電還具有抑制水田產生溫室氣體的派生效果。

東京藥科大學的渡邊一哉教授是研究利用微生物在水田中發電的人之一。他在千葉縣等實施了驗證實驗,發現每平方公尺可以獲得數十~100毫瓦左右的電力。利用一塊水田即可驅動一個小型電子設備。

微生物發電還有助於抑制温室效應約爲二氧化碳25倍的甲烷氣體。發電細菌與生成甲烷的細菌食用的有機物質相似。讓發電細菌以這些有機物質爲食,甲烷生成菌的食物就會減量,從而抑制其活動。

據國際農林水產養殖業研究中心等的資料,人類活動產生的甲烷約10%是水稻種植排放的。如果能利用微生物生成的電力驅動監測水田的感測器,還有望在推進農業IT化的同時減量溫室氣體排放。

日文:三隅勇氣、《日經產業新聞》,2022/4/15
中文:JST客觀日本編輯部