2016 Fiscal Year Research-status Report
ガソリン直接導入で運転する固体酸化物燃料電池の、燃料極反応の解明と制御
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15K06691
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
佐々木 一哉 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (70631810)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉永 昌史 東海大学, 工学部, 講師 (70500875)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 固体酸化物燃料電池 / ガソリン発電 / 硫黄被毒 / 炭素析出 / アノード / 水蒸気改質 / 二酸化炭素混合ガス改質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガソリンを燃料とした内部改質法で固体酸化物燃料電池（SOFC）の有用性を検討した。SOFC／エンジン／蓄電池からなるハイブリッドシステムを考案し、乗用車を駆動するための仕様を想定したシステムについてマスバランスとエネルギーバランスを計算し、熱自立したシステムとして成立することと燃費向上が達成されることを示した。
実験研究では、水蒸気改質法でのSOFC運転について更に詳細に検討し、ラジカルが関与する燃料改質反応の解明を進めた。二酸化炭素改質法と二酸化炭素／水蒸気混合ガス改質法でのSOFC運転についても研究を行い、運転条件ごとの改質生成物組成や発電特性を明らかにした。同時に、これらの燃料改質方法や改質条件の系統的検討により炭素析出を大幅に減少させ得る最適な運転条件も明らかにした。
しかし、従来のアノード（Ni-YSZサーメット）では最適な運転条件においても炭素析出を完全に抑制することが困難であると判明したため、新たなアノードの開発に着手した。まず、硫黄被毒体制を有するペロブスカイト構造の酸化物であるSr2MgMoO3-d（SMM）を主体とするアノード開発のため、アノード条件下でのSMMの導電特性を検討し、アノード設計に必要な基礎的知見として、粒界密度や酸素分圧の輸率や活性化エネルギーへの影響を解明した。一方で、平成27年度の研究で確立した電極電位制御法によれば硫黄被毒対策が可能であることから、ニッケルを主体とする先進アノードの開発も実施した。機能分離三層アノードとしてNi-CeO2/Ni/Ni-YSZを考案し、水蒸気改質と二酸化炭素／水蒸気混合ガス改質の連続運転で本アノードの可能性を検討した。本アノードでは、水蒸気改質では実験を中止する360 hまで炭素析出が生じずに運転できた。二酸化炭素／水蒸気混合ガス改質においても炭素析出なく数十時間の連続発電が可能であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度の研究計画をすべて実施できた。
はじめに、代表的なアノード材料であるNi-YSZサーメットなどを用いて燃料改質方法や改質条件の炭素析出抑制への影響を系統的に検討した研究では、水蒸気改質法、二酸化炭素改質法あるいは二酸化炭素／水蒸気混合ガス改質法のいずれにおいても運転条件の最適化だけでは炭素析出を完全に抑制できないことと、新たなアノードの開発が必要なことや炭素析出の抑制のためにアノードに要求される特性や機能を明らかにした。
その後、この成果を受け、Ni-CeO2／Ni／Ni-YSZから成る機能分離三層アノードを考案し、数百時間ではあるが炭素析出のない運転ができることを明らかにした。これは、三年間に亘る本研究の最大の目的である「炭素析出の抑制を可能にする」に対する成果として重要である。
最終年度である平成29年度に運転条件と改質生成物組成との関係に着目した検討を詳細に実施することで、機能分離三層アノードによる固体酸化物燃料電池が炭素析出を抑制しながら安定に発電できる現象を十分に理解することができると考えられるため、本研究の目的・目標を達成できるという目処が立った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度までに、ガソリンを燃料として直接導入して固体酸化物燃料電池を運転する場合について、燃料改質方法や運転条件を系統的に変化させた検討により、これらの因子が炭素析出抑制へ与える影響を概ね明らかにすることができた。平成29年度は、必要な検討を追加実施しながらこれらの成果を理論的に整理して学術論文等にまとめる。
同時に、Ni-CeO2／Ni／Ni-YSZからなる機能分離三層アノードを用いて水蒸気改質法あるいは二酸化炭素／水蒸気混合ガス改質法で運転する際の改質条件の炭素析出抑制への影響を系統的に検討し、炭素析出を抑制しながら安定に発電できる現象の解明に努める。最後に、これらの成果を理論的に整理して学術論文等にまとめる。
以上の検討により良好な成果を得ることができれば、Ni-CeO2／Ni／Ni-YSZからなる機能分離三層アノードにも平成27年度の研究で確立したアノード電位制御による硫黄被毒対策を活用することができることも考慮すると、炭素析出や硫黄被毒による特性低下が生じずにガソリン直接燃料による発電が可能な固体酸化物燃料電池の確立のための本研究の目的は達成される。
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Research Products
(9 results)
