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

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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でいるが、2022年度は、密度汎関数理論を用いて、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た。その結果、pyridinic-Nが H2Sを選択的に酸化除去することを明らかにし、当成果が国際学会誌Royal Society of Chemistryに掲載された。バイオガスを燃料とした直接内部改質型（DIR-）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。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（CZ(F)0.5）を分散させたPSCが最も高い改質活性を示した。電解質支持型セルの多孔質燃料極上にNi/CZ(F)0.5-PSCを配置した場合と配置しなかった場合に対して、模擬バイオガス（CH4/CO2 = 1）を供給し、750oC、0.1 A cm-2において、100時間の定電流試験を行ったところ、Ni/CZ(F)0.5-PSCの適用により開回路電圧が100 mV以上高まったことによりセル電圧が上昇し、炭素析出も大幅に抑制され、安定したDIR発電が可能となった。この結果は、Ni/CZ(F)0.5-PSCがDIR-SOFCを実現する構造体触媒として有望であることを示すものであり、現在論文を執筆中である。