アルカリ形燃料電池(AFC)とは?原理と特徴について解説。アポロ11号に搭載。

「アルカリ形燃料電池(AFC)」とは、負極に水素(H2)、正極に酸素(O2)、電解質にアルカリ水溶液を用いた燃料電池です。スペースシャトル用に搭載された実績があります。 

 

燃料電池の種類は多数存在し、今回はアルカリ形燃料電池を紹介します。

 

本稿では、

「アルカリ形燃料電池とはどんな電池?」

「アルカリ形燃料電池の用途や反応について教えて」

という疑問にお答え致します。

 

 

アルカリ形燃料電池の概要

 

「アルカリ形燃料電池」とは、負極に水素(H2)、正極に酸素(O2)、電解質にアルカリ水溶液を用いた燃料電池です。英語ではAlkaline Fuel Cellと呼ばれ、AFCと略されます。様々な燃料電池の種類の中の1つです。

 

 

この燃料電池の特徴は、電解質にアルカリ電解液を使用していることです。このアルカリ電解液を使用していることで、アルカリ形燃料電池と呼ばれています。

 

原理は、各種燃料電池とほぼ同じです。酸素と水を反応させると水が生成し、電気が流れます。

 

固体酸化物形の動作温度800~100℃とは異なり、アルカリ形は20~150℃の比較的な低い温度域で動作します。

 

用途は、宇宙用や潜水用で、アポロ11号に搭載された実績があります。  

 

以下、アルカリ形燃料電池の特徴の特徴をまとめた表になります。

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用途

 

アルカリ形燃料電池の用途は、 宇宙用途や潜水艦です。既にスペースシャトルに搭載された実績があります。

 

人類初の月面着陸に成功したアポロ11号にも搭載されました。

 

歴史

 

アルカリ形燃料電池の歴史は、 1952年にイギリスのベーコンが開発されたことが始まりとされます。しかし、1932年から研究は進められていました。

 

1968年には、アポロ7号に採用されました。1969年には 人類初の月面着陸に成功したアポロ11号に採用されています。

 

高分子形燃料電池は1965年に宇宙用で実用化されているので、アルカリ形燃料電池の方が実用化が遅いです。しかし、高分子形は寿命が短い欠点があったため、その後アルカリ形が採用されました。

 

構成

 

アルカリ形燃料電池の構成は以下のとおりです。(燃料電池では酸素を供給する方を空気極、水素を供給する方を燃料極と呼びます。)

 

  • 正極(空気極) 酸素(O2)
  • 負極(燃料極) 水素(H2)
  • 電解液 水酸化カリウム(KOH)
  • セパレーター
  • 触媒 白金(Pt)、ニッケル合金(Ni)、銀(Ag)

 

触媒には、ニッケル合金や銀を使用できるため、低コストがメリットです。しかし、白金の方が性能は良いです。アポロ11号には、燃料極にニッケル、空気極に酸化ニッケルを採用しています。

 

燃料に二酸化炭素が含まれると、炭酸塩が生成されて性能が劣化するため、純度の高い燃料源が必要になります。

 

純度スリーナイン(純度99.9%)以上の純度が必要かもしれません。

スリーナインって銀河鉄道かと思いましたよ汗。ギャラクシーエクスプレスのあれです。宇宙用途に使われる理由もわかります。

 

反応

 

アルカリ形燃料電池の反応は以下のとおりです。

 

  • 負極 水素(H2)と水酸化物イオン(OH-)により、水(H2O)を生成し電子を放出します。
  • 正極 酸素(O2)が水(H2O)と電子を受け取り、水酸化物イオン(OH-)を生成します。

 

水酸化物イオン(OH-)が電荷を運ぶ役割をすることが特徴です。水が電解液に混入するため、水酸化カリウム水溶液(KOH)の濃度も大切です。

 

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起電力

 

アルカリ形燃料電池の理論起電力は1.23Vです。しかし、実際には分極によりこの理論起電力より低くなります。 

 

1セルあたりの起電力が非常に小さいため、電池を複数直列でつなぐ(実際には積層する)ことにより、高い起電力を実現しています。アポロ11号では31セル積層構造にして、27~31Vを実現しています。

 

特徴

 

アルカリ形燃料電池の特徴は以下のとおりです。 

 

メリット

  • 触媒がコストが安い
  • セル構成がシンプル
  • 低温動作

 

デメリット

  • 高い燃料純度を必要とするため高コストになる
  • 低い純度の燃料を使用すると劣化が起こる
  • 高温形より発電効率が低い
  • 高い燃料純度が必要であるため用途が宇宙など限られている

 

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