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2020年04月14日
微生物燃料電池(MFC)方式を応用したCO2変換セルによるメタン生成に成功 -発電微生物の利用により直接CO2からメタンを生成-

当社は、群馬大学大学院(理工学府 環境創生部門 渡邉教授・窪田助教)と共同で、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells、以下MFC)を応用したCO2変換セルによるメタン生成に成功しました。MFCは、例えば底質中の嫌気性発電細菌による有機物分(ヘドロ等)の分解(代謝)で生じた電子を底質中に設置したアノード(負極)を経由して、水中に設置したカソード(正極)上で溶存酸素と反応することで発電する技術としても利用されています。
今回、このMFC方式で構築した発電微生物菌相を応用したアノード槽と、電子を受け取ってCO2からメタンを生成する微生物群を植種したカソード槽を組み合わせたCO2変換セルを試作し、構築した発電微生物菌相によって効率的なCO2変換セルの稼働を可能とすることで、発生した電流の50%近くを利用し、外部から供給したCO2をメタンに変換できたことを確認しました。

■背景
温室効果ガスでもあるCO2は人間活動によって多量に排出されており、CO2の削減は脱炭素社会構築のためには必要不可欠です。近年、多量に排出されるCO2の有効利用に関する技術開発が進められており、化学触媒を利用してメタン、オレフィン類、メタノール等の有用化学物質に変換する方法が知られている一方で、その利用には多くのエネルギーや触媒コストが必要となることも課題となっています。そこで、より安価なCO2変換技術の開発も進められているものの、例えば人工光合成や微生物電解セル(以下MEC)を利用した技術は、太陽光の利用時間帯の制限や、MEC駆動に外部エネルギーの供給が別途必要などの課題もあります。つまり、上記課題を解決可能な低コストかつ利用時間帯や外部エネルギーの供給等の制限をより最小化できるCO2変換技術が望まれています。

■本技術の概要
本技術は、MFCを応用したCO2変換技術です。MFCは、例えば底質中に生息する発電微生物の作用を利用して、有機成分を多く含む底質(ヘドロ)を分解しながら発電する電池としても活用されており、創エネルギー型の浄化技術として注目されています。
今回、このMFCで構築した発電微生物菌相を用いた底質浄化型アノードとCO2をメタンに変換する微生物(メタン生成菌)を植種したカソードを統合し、CO2変換セルとしてラボ実験レベルで試作しました(図1)
現状で外部の印加電圧は必要であるものの、装置内に発生した電流のうち50%近くをCO2からのCH4変換に利用することが可能でした(図2)。また、CO2をCH4に変換するカソードの微生物にはメタン生成古細菌のほか、ジオバクターなどの発電微生物が寄与していることを明らかにしました。

■本技術の特長
①アノードとしてのMFC(有機物分解による発電)とカソードとしてのMEC(CO2からCH4への変換)を結合させた2槽式燃料電池(CO2変換セル)です。
②底質浄化で得られた電力で直接CO2をメタンに変換できるため、従来のCO2変換に必要であった外部エネルギーや光エネルギーを削減又は不要とすることが可能です。
③本技術は、底質浄化以外でも、例えば工場等で発生した有機性排水を浄化・発電しながらCO2をメタン等の有用物質へ転換を行うことができます。また、ここで生成したメタンガスを燃料として使用し、後に発生するCO2を再度変換して循環利用することで、カーボンリサイクル技術としても活用できます。

 


図1 底質浄化型CO2変換セル

 

 
図2 発電とカソードでのメタン生成量の経時変化

 


■今後の展開
本技術については、更なる発電効率及びCO2変換効率の向上を目指して研究開発を継続していきます。また、本技術の実用化により、再生可能エネルギーの利用促進、環境浄化、及びカーボンリサイクルを同時に達成することが可能であり、脱炭素社会の実現に向けて貢献して参ります。