客观日本

山口大学开发出植物微生物燃料电池,可以边种菜边发电

2022年04月27日 电子电气

利用周围的植物和微生物发电的技术正在受到关注。山口大学的Azizul Moqsud副教授开发出了利用芋头和茄子等植物与细菌的相互作用提取电力的“植物微生物燃料电池”。 这种植物微生物燃料电池可以提取出足够点亮小灯泡电力,对环境负荷也很小。如果能利用地球上大量存在的植物和微生物发电,到2050年前后,全球目前存在的16亿无电可用的人或许全部能过上有电的生活。

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山口大学的Moqsud副教授开发出了利用植物和微生物的相互作用提取电力的燃料电池(供图:山口大学)

“与随时都可以有电可用的日本不同,我的祖国经常停电,还有人生活在本来就没有供电网的地区。我想改变那些人的生活。”Moqsud副教授出生在孟加拉国,从小看着生活在贫困中的人们长大。他说孟加拉国目前仍有30~40%的人过着没有电的生活,希望有一天能利用自己开发的技术为他们带来电力。

Moqsud副教授开发的燃料电池通过植物光合作用产生的有机物和以此为食物的微生物(细菌)的相互作用来发电。植物会利用阳光从水和二氧化碳生成生长所需有机物,其中大部分储存在根部。这些有机物最多会有60%左右从根部流入土壤中,土壤中的特定细菌食用这些有机物并分解后会释放电子。利用这一原理,将电极插入土壤中即可提取电力。

然而,直到现在除了在水中生长的植物外很难提取电力。对此,Moqsud副教授改良了电极,能够从所有种类的植物中提取电力。利用芋头和茄子等蔬菜及水稻的话,可以种植食物的同时进行发电。发电不会影响植物的生长,也不会导致谷物减产。

另外这种方法还具有不容易受环境影响,可以稳定发电的优点。太阳能和风能等可再生能源容易受天气影响导致发电量不稳定。建设大规模发电设备还会造成环境破坏。利用植物和微生物的燃料电池即使没有阳光,有机物也不会立即消失,而且比较环保。

山口大学开发的燃料电池目前每平方米最多只能提取3瓦左右的电力。尽管如此,在发展中国家等,“也足够让孩子们晚上用小灯泡学习了”(Moqsud副教授)。据说它还适合作为测量气温和湿度等的环境监测器的电源使用。今后计划与企业合作提高输出功率等,在3~5年内实现实用化。

东京农工大学的卓越教授直井胜彦和冲田尚久助教等人也在开发使用观叶植物和细菌的发电技术。另外还在开发可利用这种技术发电的电力驱动的照明设备。正与企业推进联合开发,计划2022年度内供货样品。

植物微生物燃料电池普及的关键在于削减电极成本。因为设想让经济不富裕地区的人也能使用。山口大学的Moqsud副教授还在着手研究从竹子和杉树等身边的植物中提取碳材料制作电极的成本削减技术。

还能有效减少甲烷气体

植物微生物燃料电池相关的举措及前景展望
2011年 东京大学和东京药科大学利用数十株水稻和微生物成功生成电力
2020年 佐贺大学在水田中验证利用微生物发电的系统
2021年 山口大学开发出利用植物和干燥土壤中的细菌发电的系统
2022年 东京农工大学开发可利用观叶植物和细菌发电的电力驱动的照明设备
2030~2040年前后 提高植物微生物燃料电池的输出功率并降低成本,可以在超市和便利店轻松购买
2050年前后 全球所有人都过上有电可用的生活

植物微生物燃料电池在山口大学和东京农工大学等开发出可在干燥环境中发电的方法之前主要设想利用水田。虽然生产电力的细菌讨厌空气,但在水中会变得活跃,并能增加发电量。盛产水稻的日本有很多水田,植物始终生长在水中,很方便用来发电。微生物发电还具有抑制水田产生温室气体的派生效果。

东京药科大学的渡边一哉教授是研究利用微生物在水田中发电的人之一。他在千叶县等实施了验证实验,发现每平方米可以获得数十~100毫瓦左右的电力。利用一块水田即可驱动一个小型电子设备。

微生物发电还有助于抑制温室效应约为二氧化碳25倍的甲烷气体。发电细菌与生成甲烷的细菌食用的有机物相似。让发电细菌以这些有机物为食,甲烷生成菌的食物就会减少,从而抑制其活动。

据国际农林水产业研究中心等的数据,人类活动产生的甲烷约10%是水稻种植排放的。如果能利用微生物生成的电力驱动监测水田的传感器,还有望在推进农业IT化的同时减少温室气体排放。

日文:三隅勇气、《日经产业新闻》,2022/4/15
中文:JST客观日本编辑部