2016 Fiscal Year Research-status Report
バイオガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池の性能評価
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16K06729
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
鮫島 宗一郎 鹿児島大学, 理工学域工学系, 准教授 (00274861)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平田 好洋 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (80145458)
下之薗 太郎 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (80586610)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 固体酸化物形燃料電池 / バイオガス / ドライリフォーミング / セリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
芋焼酎製造の副産物である焼酎滓のメタン発酵で製造されているバイオガスの主成分はメタンおよび二酸化炭素である。このバイオガスを燃料ガスとして、直接、固体酸化物形燃料電池へ導入して発電性能を評価する。実験に用いるバイオガスは脱硫処理をしたもので、下水汚泥由来のバイオガスに含まれるシリカケールの原因となるシロキサンはほとんど含まれていなかった。バイオガスの成分は、メタン 60.0%, 二酸化炭素 37.5%, 水素 <0.1%, 一酸化炭素 <0.1%, アンモニア <0.1%, 硫化水素 2.1ppm, 窒素 2.5%, 酸素 0.1% であった。
発電用セルは燃料極支持型で、燃料極はNi- GDC (ガドリニウム固溶セリア)、電解質はGDC、空気極はLa-Sr-Co-Fe-O 系ぺロブスカイト酸化物のものを作製した。
800℃で水素を燃料とした場合、開放起電力は0.44～0.54V、最大出力密度は106～161mW/cm2であった。バイオガスを直接導入した場合、開放起電力0.59V、最大出力密度90mW/cm2と水素燃料とほぼ同等の性能の場合(A)と開放起電力0.17V、3mW/cm2と著しく性能が低下した場合(B)があった。発電後の燃料ガスには、メタンの二酸化炭素による改質（ドライリフォーミング）による水素と一酸化炭素が(A)では13%、9%含まれていたが、(B)ではほとんど含まれておらずドライリフォーミングが進行していなかった。実験によってバイオガスのドライリフォーミングおよび発電性能に違いがみられた。
ドライリフォーミングが進行しなかった実験では、燃料ガス中の酸素濃度が燃料極ニッケルの酸化が起こる濃度に達していた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実施計画通りに、燃料極Ni- GDC (ガドリニウム固溶セリア) 、電解質GDC、空気極La-Sr-Co-Fe-O 系ぺロブスカイト酸化物からなる燃料極支持型固体酸化物形燃料電池を作製した。焼酎滓のメタン発酵で製造されているバイオガスを燃料として、直接燃料極に導入して、発電性能を評価した。水素燃料の場合と比較した。バイオガス中の二酸化炭素による改質反応（ドライリフォーミング）で生成する水素および一酸化炭素による発電を確認した。
発電実験により、水素燃料と同等の性能である場合と性能が著しく低い場合があった。この原因として、バイオガス中に含まれる酸素により燃料極中のNiが酸化され、ドライリフォーミングが進行しなかったことが考えられる。対策として、酸素の除去および予備改質が考えられる。
また、バイオガス中に微量に含まれる硫化水素およびメタンの熱分解により析出する炭素の影響を検討する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
GDC薄膜電解質を含む燃料極支持型セルでバイオガスを直接燃料とした場合、水素燃料とほぼ同等の性能を示す場合と著しく性能が低下する場合があった。両者では、ドライリフォーミングによる水素および二酸化炭素の生成量に差が見られた。実験温度800℃では、熱力学的に燃料極のNi-GDCでドライリフォーミング反応が進行すると予想されたが、進行しない場合があった。ドライリフォーミングの触媒であるNiがバイオガス中の酸素により、酸化されることが原因の一つと予想される。そのため、バイオガスを当研究室で開発した電気化学セルを用いて、予備改質して水素、一酸化炭素の生成を促進することを検討する。また、ドライリフォーミングに及ぼす酸素分圧の影響を検討する。酸素量の少ない市販のメタンおよび二酸化炭素を混合した模擬バイオを用いたドライリフォーミングおよび発電実験を行い、バイオガスの結果と比較する。今回使用する焼酎滓由来のバイオガスは、脱硫処理後のものであるが、硫化水素を2.1 ppmを含有している。そのため、硫化水素の影響を検討するため、発電実験後のセルの元素分析を行う。
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