Systematization of direct-biogas fuel cell technology for creating a new trend of material and energy circulations

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20KK0248
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 白鳥 祐介 工学院大学, 先進工学部, 教授 (00420597)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤崎 貴也 島根大学, 学術研究院機能強化推進学系, 助教 (30846564) ; 立川 雄也 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70587857)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2024-03-31
• 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

Outline of Annual Research Achievements

固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、バイオガスを極めて高い効率で電力に変換できる発電デバイスであるが、バイオガス中に含まれる微量の硫化水素（H2S）により改質触媒や燃料極が被毒されて発電効率が大きく低下することが報告されている。そこで本研究では、脱硫剤として利用できるバイオチャーの開発に取り組んだ。2022年度は、密度汎関数理論（DFT）を用いて、グラフェン中に窒素原子が置換したpyridinic-Nとoxidized-Nと呼ばれるサイトを有するシートに対してH2S吸着時の解離反応の活性化障壁を評価し、pyridinic-NがH2Sを選択的に酸化除去することを明らかにした。2023年度は、DFTにより、Ni担持CeO2上でのメタン乖離の反応機構を解析し、活性化エネルギーを評価したところ、メタンドライリフォーミング（DRM）試験により実験的に得た活性化エネルギー（0.69 eV）と同等の値（0.80 eV）が得られ、Niナノ粒子を正に帯電させることが活性化エネルギーを下げる戦略として有望であることを示した。
ペーパー触媒（PSC）のDRM反応に対する活性向上を目指し、CeO2にZrO2を固溶させて酸素吸蔵放出能（OSC）を高めた花びら形状Ce0.5Zr0.5O2を無機繊維ネットワーク内に分散させたNi担持PSCを開発した。当PSCは、DRM反応に対して高い改質活性および炭素析出耐性を示し、これをSOFCの燃料極上に配置することで、模擬バイオガス直接供給時のSOFCの出力向上と安定作動に成功し、当成果をまとめた学術論文が国際学会誌Fuel Cells誌に掲載された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Vietnam National Univ.-Ho Chi Minh City(ベトナム)
  • Country Name: VIET NAM
  • Counterpart Institution: Vietnam National Univ.-Ho Chi Minh City
• [Journal Article] Paper-structured catalyst with a dispersion of ceria-based oxide support for improving the performance of an SOFC fed with simulated biogas (2024)
  • Author(s): P.H. Tu, M. Sakamoto, D.M.T. Dinh, T.C.D. Doan, M.C. Dang, Y. Shiratori
  • Journal Title: Fuel Cells Volume: 24(1) Pages: 56-66
  • DOI: 10.1002/fuce.202300133
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Activities for realizing next-generation shrimp farming with biogas-fueled SOFC and IOT (2023)
  • Author(s): Y. Shiratori, T.H. Phuc, T.C.D. Doan, A. Kurihara, T. Yamakawa, L.Q. Viet, T.S. Nam, K. Shibagaki, M. Sakurai, R. Nakayama, T. Sugawara
  • Organizer: 8th International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Density functional theory analysis of H2S adsorption on nitrogen-doped graphene (2023)
  • Author(s): T. Fujisaki, K. Ikeda, A.T. Staykov, H. Setiawan, Y. Shiratori
  • Organizer: 8th International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of novel anode with Ni-loaded flowerlike ceria for solid oxide fuel cell operated with liquor (2023)
  • Author(s): D.M.T. Dinh, P.H. Tu, Y. Shiratori
  • Organizer: 8th International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nitrogen-doped biochar for efficient removal of H2S from biogas (2023)
  • Author(s): P.H. Tu, Y. Horii, Y. Honda, Y. Hamasaki, Y. Shiratori
  • Organizer: 8th International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density functional theory analysis for hydrogen sulfide removers with graphene structure for solid oxide fuel cells (2023)
  • Author(s): T. Fujisaki, K. Ikeda, A.T. Staykov, H. Setiawan, Y. Shiratori
  • Organizer: 10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
  • Int'l Joint Research / Invited