アルカリ燃料電池

アルカリ燃料電池( AFC ) は、イギリスの発明者フランシス・トーマス・ベーコンにちなんでベーコン燃料電池とも呼ばれ、最も発達した燃料電池技術の 1 つです。アルカリ燃料電池は水素と純酸素を消費して、飲料水、熱、電気を生成します。最も効率的な燃料電池の 1 つで、70% に達する可能性があります。

NASAは1960年代半ばからアポロシリーズのミッションやスペースシャトルでアルカリ燃料電池を使用してきました。^[1]

燃料電池は、水素と酸素の酸化還元反応によって電力を生成します。陽極では、水素は次の反応に従って酸化されます。

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}+\mathrm {2OH} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}}$

水が生成され、電子が放出されます。電子は外部回路を通って陰極に戻り、反応中の酸素が還元されます。

${\displaystyle \mathrm {O} _{2}+\mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {4e} ^{-}\longrightarrow \mathrm {4OH} ^{-}}$

水酸化物イオンを生成します。この反応では、2 つの水分子を生成するために、酸素分子 1 個と水素分子 2 個が消費されます。この反応の副産物として、電気と熱が生成されます。

2 つの電極は、水酸化カリウム(KOH)などのアルカリ水溶液で飽和した多孔質マトリックスによって分離されています。アルカリ水溶液は二酸化炭素 (CO ₂ )を遮断しないため、KOH が炭酸カリウム(K ₂ CO ₃ )に変換されて燃料電池が「中毒」になる可能性があります。^[2]このため、アルカリ燃料電池は通常、純酸素、または少なくとも精製された空気で動作し、設計に「スクラバー」を組み込んで二酸化炭素を可能な限り除去します。^[1]酸素の生成と貯蔵の要件により純酸素 AFC は高価になるため、この技術の積極的な開発に取り組んでいる企業はほとんどありません。ただし、研究コミュニティでは、中毒が永久的なものか可逆的なものかについて議論があります。中毒の主なメカニズムは、K ₂ CO ₃によるカソードの細孔の閉塞(これは可逆的ではありません) と電解質のイオン伝導性の低下 (これは KOH を元の濃度に戻すことで可逆的になる可能性があります) です。別の方法としては、単に KOH を交換するだけで、セルを元の出力に戻すことができます。
二酸化炭素が電解質と反応すると炭酸塩が形成されます。炭酸塩は電極の細孔に沈殿し、最終的に電極を塞ぐ可能性があります。高温で動作する AFC では性能の低下は見られませんが、室温付近では性能が大幅に低下することが分かっています。常温での炭酸塩中毒は、室温付近でのK ₂ CO _{3の溶解度が低いことが原因であると考えられており、K 2} CO ₃が沈殿して電極の細孔を塞ぎます。また、これらの沈殿物は電極裏打ち層の疎水性を徐々に低下させ、構造劣化や電極の浸水を引き起こします。

${\displaystyle \mathrm {CO} _{2}+\mathrm {2KOH} \longrightarrow \mathrm {K} _{2}\mathrm {CO} _{3}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$
一方、電解質中の電荷を帯びた水酸化物イオンは、有機燃料の酸化（メタノール、ギ酸など）からの二酸化炭素または空気と反応して炭酸塩種を形成する可能性があります。

${\displaystyle \mathrm {2OH} ^{-}+\mathrm {CO} _{2}\longrightarrow \mathrm {CO} _{3}^{2-}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$
炭酸塩の形成により電解質から水酸化物イオンが枯渇し、電解質の伝導率が低下し、結果としてセルの性能が低下します。これらのバルク効果だけでなく、蒸気圧の変化や電解質の体積の変化による水管理への影響も有害となる可能性があります。

この毒性効果のため、AFC には主に 2 つの種類、静的電解質と流動電解質があります。アポロ宇宙船やスペース シャトルで使用されている静的または固定された電解質セルでは、通常、水酸化カリウムで飽和したアスベスト セパレーターを使用します。水の生成は、アノードからの蒸発によって制御され、他の用途に再利用できる純水が生成されます。これらの燃料電池では、通常、最大の体積効率と比効率を達成するためにプラチナ触媒を使用します。

流動電解質設計では、よりオープンなマトリックスを使用して、電解質が電極間（電極に平行）または電極を横方向に流れる（ASK タイプまたは EloFlux 燃料電池）ことを可能にします。 平行流電解質設計では、生成された水は電解質内に保持され、車のオイル交換に似た方法で、古い電解質を新しいものと交換することができます。 この流れを可能にするには、電極間に広いスペースが必要であり、これはセル抵抗の増加につながり、固定電解質設計と比較して出力が低下します。 この技術のさらなる課題は、K ₂ CO ₃によるカソードの永久ブロックの問題がどれほど深刻であるかです。公開されたレポートの中には、空気中で数千時間の動作を示したものもあります。 これらの設計では、白金触媒と非貴金属触媒の両方が使用されており、効率が向上し、コストが増加しています。

電解質が横方向に流れる EloFlux 設計は、構造コストが低く電解質を交換できるという利点がありますが、これまでのところ酸素を使用した場合のみ実証されています。

電極は、活性電気触媒層と疎水性層の二重構造で構成されています。活性層は有機混合物で構成されており、これを粉砕し、室温で圧延して架橋された自立型シートを形成します。疎水性構造により、電解質が反応ガス流路に漏れるのを防ぎ、ガスが反応部位に拡散することを保証します。次に、2 つの層を導電性金属メッシュに押し付け、焼結してプロセスを完了します。

アルカリ燃料電池のさらなるバリエーションとしては、金属水素化物燃料電池や直接水素化ホウ素燃料電池などがあります。

アルカリ燃料電池は、常温から90℃の間で作動し、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）、固体酸化物形燃料電池、リン酸燃料電池などの酸性電解質を使用する燃料電池よりも電気効率が高くなります。アルカリ化学反応のため、カソードでの酸素還元反応（ORR）速度論は酸性セルよりもはるかに容易であり、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、または炭素ベースのナノマテリアルなどの非貴金属をアノード（燃料が酸化される場所）で使用でき、高pHでの電気化学反応に関連する過電圧が低いため、カソードでは銀などの安価な触媒を使用できます^[2]。

アルカリ性媒体はメタノールなどの燃料の酸化も促進するため、より魅力的になります。その結果、酸性燃料電池に比べて汚染が少なくなります。

AFC は製造コストが最も安い燃料電池です。電極に必要な触媒は、他のタイプの燃料電池に必要な触媒に比べて安価なさまざまな化学物質のいずれかを使用できます。

AFC の商業的展望は、この技術の最近開発されたバイポーラ プレート バージョンに大きくかかっており、これは以前のモノ プレート バージョンよりもパフォーマンスが大幅に優れています。

世界初の燃料電池船「ハイドラ」は、純出力5kWのAFCシステムを採用しました。

最近のもう一つの開発は、液体電解質の代わりに固体の陰イオン交換膜を使用する固体アルカリ燃料電池です。これにより、中毒の問題が解決され、液体尿素溶液や金属アミン錯体などのより安全な水素を豊富に含むキャリアで動作できるアルカリ燃料電池の開発が可能になります。

• ガス拡散電極
• 燃料電池用語集
• ヒドラジン
• 水素技術

開発者

• AFCエナジー
• 独立系電力
• ジェンセル・エナジー