高性能で耐久性の高い直接メタンの固体酸化物燃料電池に対する,現場で溶解したニール・ル二金属触媒の相乗効果

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• カタリシス

背景:

• 直接的なメタン酸化物燃料電池 (CH4-SOFC) は,天然ガスの利用のための有望な経路を提供します.
• 現在のCH4-SOFCは,特に低蒸気-炭素比で,低アノド活動とコクシングの問題により,中間温度 (600~650°C) で劣った性能と耐久性を表しています.
• ニッケル基のアノードは,これらの条件下で特に無効化されやすい.

研究 の 目的:

• CH4-SOFCアノドの蒸気メタンリフォーミング (SMR) の高度に活性でコクシング耐性のある触媒を開発する.
• 触媒活性と耐久性を高めるため,Ni-RuとSm-ドーピングのCeO2に対するシネージ効果を調査する.
• メタンで動作するCH4-SOFCの電力密度と長期的な安定性を向上させる.

主な方法:

• 密度関数理論 (DFT) による触媒設計
• Sm-doped CeO2-サポートされたNi-Ru (SCNR) 触媒の合成
• 活性とコクシング抵抗を含む触媒の特性.
• アノドリフォーム層としてSCNR触媒を用いたCH4-SOFCの製造と試験.
• パワー密度測定と低蒸気条件下での長期耐久性試験を含む性能評価

主要な成果:

• SCNR触媒は,NiとRuの間の相乗効果が強化され,メタンの分解の活性化エネルギーを低下させました.
• CeO2のドーピングは酸素空隙の濃度を増やし,水吸収と解離を容易にした.
• SCNRアノードはメタンと水の同時活性化を可能にし,酸化とコークス耐性を改善しました.
• SCNRアノドを搭載したCH4-SOFCは650°Cでピーク電力密度733mWcm-2を達成し,原始電池 (473mWcm-2) よりも55%の改善を達成した.
• ほぼ乾燥したメタン (5% H2O) の条件下で2000時間以上の継続的な動作で,例外的な長期的な耐久性が観察されました.

結論:

• 開発されたSCNR触媒はCH4-SOFCの性能と耐久性を大幅に高めています.
• Ni-RuとSm-ドーピングされたCeO2の相乗効果は,効率的な蒸気メタンのリフォームとコクシング抵抗のために不可欠です.
• これらの発見は,SOFC技術における天然ガスの高効率で耐久性の高い利用への道を開きます.