2021 Fiscal Year Research-status Report
Systematization of direct-biogas fuel cell technology for creating a new trend of material and energy circulations
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20KK0248
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
白鳥 祐介 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00420597)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤崎 貴也 東北大学, 多元物質科学研究所, 特任研究員 (30846564)
立川 雄也 九州大学, 工学研究院, 助教 (70587857)
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| Project Period (FY) |
2020-10-27 – 2024-03-31
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| Keywords | 固体酸化物形燃料電池 / バイオマス廃棄物 / バイオガス / 資源循環 / メコンデルタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体酸化物形燃料電池（SOFC）に供給するバイオガスの精製を目的とし、バイオマスの炭化物（バイオチャー（BC））を脱硫剤として用いるための研究開発を行っている。籾殻を無酸素状態で熱処理して得たBCに対してH2S吸着試験を行ったところ、900oCにおけるNH3ガスによる処理により吸着容量が4倍増加したが、DFT計算による考察により、BC表面に導入されたピリジン型窒素が、BC表面上での酸素ラジカル（O*）の生成を促進し、このO*が固体上でのH2Sの化学吸着反応に寄与するためであると結論付けた。農村部での資源循環における有望な窒素ドープ法として、アンモニア水溶液から揮発したNH3でBCを処理することを試みた。水溶液から揮発したNH3で処理したBCは、NH3ガスで処理したBCの約2倍の吸着容量を示したが、これは、H2S吸着時の硫酸塩生成が抑制されるためであると明らかにした。
バイオガスを燃料とした直接内部改質型SOFCの実現に向けて、ペーパー触媒（PSC）の無機繊維ネットワーク内に分散させる高機能触媒担体の創出に取り組んでいる。花びら形状のセリアを得る水熱合成法を適用してCe1-xZrxO2を合成したところ、xとともに酸素吸蔵放出能（OSC）が単調に増加し、Ce0.5Zr0.5O2はCeO2の約1.8倍のOSCを示した。しかしながら、xが0.3以上の組成では、花びら形状の粒子が得られなかった。そこで、第一段階の水熱合成で花びら形状セリアの前駆体を形成させた後、当スラリーにZr4+水溶液を加えて第二段階の水熱合成を行うプロセスを開発し、x = 0.5でも花びら形状のCe1-xZrxO2固溶体を得ることに成功した。種々のPSCに対して750oCにおいてメタンドライリフォーミング試験を行ったところ、花びら形状Ce0.5Zr0.5O2を分散させたPSCが最も高い改質活性を示した。
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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
コロナの影響により依然としてベトナムに渡航できない状態が続いているものの、脱硫剤および改質触媒に関する研究のそれぞれついて、国際学会誌に論文が2報掲載され、今後、渡航可能となってからの本格的な国際交流の基盤を作ることができた。
以上、総合的に見ておおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
渡航可能になることを前提に、下記の計画でカウンターパート（INT）との国際共同研究を推進する。
小型電気炉を用いて、低酸素分圧下、700～900oCの範囲で、メコンデルタ産のバイオマスからBCのサンプルを得る。BCを高温でアンモニア（NH3）に暴露し、NH3源やNH3分圧を変えてBCへの窒素導入を行い、得られた窒素ドープBC（BC-N）とH2Sの相互作用が最大化される処理条件を探索する。BC-Nに金属（ニッケル（Ni））を担持したBC-N-Niに対してH2S吸着試験を行い破過容量と吸着容量を測定し、商用脱硫剤に匹敵する吸着性能の達成を目指す。
昨年度の研究において、花びら形状Ce0.5Zr0.5O2（CZ(F)0.5）を得ることに成功し、CZ(F)0.5を分散させたNi担持ペーパー触媒（Ni/CZ(F)0.5-PSC）が、750oCにおけるメタンドライリフォーミング（DRM）に対して高い改質活性および炭素析出耐性を示したが、これは、CZ(F)0.5が高いOSCを有することに加えて、CZ(F)0.5の花びらが形成するポアサイズがNiと担体の相互作用の向上とNiの凝集抑制に好適であったためである。しかしながら、花びらが形成する空隙内へのNi微粒子の導入には改善の余地があり、さらなる活性向上が期待される。本年度は、花びら形状粒子の前駆体スラリーの組成とプロセスの調整、さらにはNi担持の際の含浸溶液の調整と真空乾燥の適用により上記課題を解決し、完成度の高い花びら形状固溶体(Ce1-x-yZrxMy)O2を合成するとともに、DFT計算で予測された最適なxおよびyに対してDRM試験を行い、高活性触媒の創出につなげる。
さらに、改質一体型の階層的燃料極反応場を有するSOFCスタック・システムの実現に向けて、実験-計算の協働モデルの開発を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響により、ベトナムへの渡航ができなかっただけでなく、国内出張も制限され、研究打ち合わせや学会がオンラインとなったことに伴い、当初計画通りに経費を使用することが困難となり、経費の一部を次年度（2022年度）に繰り越しすることとなった。今後、2022年度中に渡航が再開されることが期待されるため、当繰越分は、ベトナムでの活動の促進および研究代表者（白鳥）の所属変更（2021年3月に九州大学を退職し、同年4月に工学院大学に着任）に伴う実験装置の構築に有効活用する。
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