アルカリ電解質形燃料電池 (AFC, Alkaline Fuel Cell) は、アルカリ電解液をイオン伝導体とし、水酸化物イオンが移動する燃料電池である。 リンク=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Alkalinecell.svg|サムネイル|270x270ピクセル|アルカリ電解質形燃料電池のダイアグラム:1. 水素 2. 電子の流れ 3. 負荷4. 酸素 5. 陰極(カソード) 6. 電解質 7. 陽極(アノード) 8. 水9. 水酸化物イオン
AFCは数ある燃料電池の中で最も歴史があり、最も構造が単純で、アルカリ雰囲気での使用であることから、ニッケル酸化物等の安価な電極触媒を利用することができること、常温にて液体電解質を用いることからセル構成も単純にできるため、信頼性が高く、高効率なのでアポロ計画やスペースシャトルに活用されたが、空気中・燃料中の二酸化炭素で著しく劣化するため地上では普及には至っていないものの、それらの課題を克服すべく、従来のアルカリ水溶液の電解質の代わりに、水酸化物イオンのみ透過するアニオン交換膜を用いたAEMFC(アニオン交換膜形燃料電池)の開発が進められている。これにより液漏れリスクや二酸化炭素による電解質の劣化等の課題克服、さらには高価な白金等の貴金属触媒を使わずにニッケル等の安価な金属触媒で活性化できるため、実用化への研究・開発が続く。
長所 常温で動作可能 出力毎の設備費が最も低廉 効率が高い：固体高分子形燃料電池の2倍以上、70%にも達する。 触媒としてルテニウムや白金等の貴金属を使わず、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン等が使用可能 高pHでの電気化学反応に伴う過電圧が低いため、陰極に銀のような安価な触媒が使用可能 尿素、アンモニア、金属アミン錯体、ギ酸塩、水和ヒドラジン等のエネルギー密度の高い液体燃料も使用可能
短所 二酸化炭素で著しく劣化する メタンやメタノール等の炭化水素系燃料の使用は不可能ではないものの、難易度が高い。 ニッケル系触媒は配位性のある一酸化炭素、炭化水素、酸素および水蒸気等により活性が下がるので水素燃料の純度は重要で、これらを不純物として含む改質水素の使用は不適。 電解質が水溶液であるため、作動温度域は電解液が凍結・蒸発しない温度に制限される。 温度によりイオンの移動度(拡散係数)が変わり、発電力に影響するため、温度条件が厳しい。
反応 正極(アノード): H2 + 2OH^- -> 2H2O + 2e^- 負極(カソード): O2 + 2H2O + 4e^- -> 4OH^-
一般的な固体高分子形燃料電池が水素イオン を用いるのと異なり、水酸化物イオン が電解質中を移動するところが特徴。
電解質 電解質には水酸化カリウム (KOH) などのアルカリ溶液を用いる。これが二酸化炭素と反応してしまうことで劣化する。 CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
これを解決する方法として電解液を定期的に交換する方法がある(流動形電解質)。交換機能を持たないものを静止形電解質という。
しかし、電解液の流路を確保するため大きく複雑になる他、負極の孔を塞ぐ炭酸塩を取り除くことは出来ない。
また炭酸塩は電極の防水層を徐々に劣化させ、構造劣化、電極の漏水を引き起こす。
他には、二酸化炭素を吸収しない固体電解質(アニオン伝導性イオン交換膜)を用いる方法、事前に水酸化カリウムなどと空気を接触させることで二酸化炭素を除去する方法が研究されている。
派生系 同じくアルカリ電解質を用いた燃料電池に直接水素化ホウ素燃料電池、直接水素化金属燃料電池がある。
脚注
参考文献 Yu, Eileen Hao, et al. "Direct oxidation alkaline fuel cells: from materials to systems." Energy & Environmental Science 5.2 (2012): 5668-5680. Ferriday, Thomas Benjamin, and Peter Hugh Middleton. "Alkaline fuel cell technology-A review." International journal of hydrogen energy 46.35 (2021): 18489-18510. Kordesch, Karl, et al. "Alkaline fuel cells applications." Journal of Power Sources 86.1-2 (2000): 162-165. Hamada, Ahmed T., Mehmet Fatih Orhan, and Arunachala M. Kannan. "Alkaline fuel cells: Status and prospects." Energy Reports 9 (2023): 6396-6418. Azzam, Mohammed, Zabayyan Qaq, and Mehmet Orhan. "Design and analysis of an alkaline fuel cell." Journal of Thermal Engineering 9.1 (2023): 138-160.