アマルガム燃料電池

アマルガム燃料電池(アマルガムねんりょうでんち)とはアマルガムを電極兼燃料の溶媒として使用する燃料電池。

概要 事実上空気電池の一種で金属と空気の結合(酸化反応)を利用して電気化学的に発電する。 燃料となる金属はイオン化傾向が大きく、水銀とアマルガムを形成するアルカリ金属やアルカリ土類金属や亜鉛等が候補になるが、実用上は海水から無尽蔵に入手可能なナトリウムが使用される。 貴金属触媒が不要ではあるものの、水銀を使用するため、環境への影響が懸念される。 1960年代から1970年代にかけて一時期、潜水艦の非大気依存推進用や当時、水銀法を使用していたソーダ工業における電解工程でのアマルガムから電力を回収する目的で研究が進められたものの、実用化には至らなかった。

原理 原理的には1960年代当時、ソーダ工業において主流だった水銀法を応用したもので、燃料極(陽極)側にアマルガムを使用する。酸化剤極(陰極)側はガス透過性で疎水性の多孔質の炭素等で、電解質としては酸化剤が空気の場合には水酸化物イオン(OH⁻)を透過する水酸化ナトリウム、酸化剤が塩素の場合には塩素イオン(Cl⁻)を透過する塩化ナトリウムの水溶液を使用する。電池の動作中、空気や塩素などが酸化剤として陰極に供給され、液体のナトリウムアマルガムが陽極に供給される。アマルガムに溶解したナトリウムと水酸化物イオン、或いは塩素イオンの電気化学的反応により、発電、反応生成物を生成する。この反応生成物は、酸化剤として酸素を用いた場合には水酸化ナトリウム、塩素を用いた場合には塩化ナトリウムになる。ナトリウムが減少したナトリウムアマルガムに金属ナトリウムを反応させることにより補給することで連続運転が可能になる。

特徴 比較的、技術的な難易度が低いと考えられる。開発が盛んだった1960年代当時はソーダ工業で水銀法が使用されており、それらの部材やノウハウも活用可能だったという背景もある。 電解質がアルカリ性なので燃料極、酸化剤極共に高価な貴金属触媒を使用しない。 水銀によるアマルガム化により、「水素過電圧」が高くなり、電解液中でイオン化傾向が大きい金属燃料の溶出により水素ガスを発生させる自己放電(腐食)を抑制できる。 エネルギー密度が比較的高い 常温、常圧で保存可能な金属を燃料として使用する。

実用化への課題 水銀や有毒なアマルガムを使用するため毒性と環境負荷の問題点や取り扱いや廃棄、水素ガスへの微量混入リスクなどの安全面・環境面の課題がある。水銀の重量が極めて重く、装置が巨大化するので用途によっては適さない。 現在では、環境規制の強化や他のクリーンな水素生成技術・燃料電池(PEMFCやSOFCなど)の発展に伴い需要が消滅したため、開発は事実上行われていないが、直接ギ酸燃料電池(DFAFC)の高性能化に向けて、貴金属粒子を中/高エントロピーアマルガム化(合金化)した「コア/シェルナノプレート触媒」といった、まったく新しい高性能電極触媒の開発も進められる。

脚注

文献 E.Yeager，U.S. Office of Naval Research (ONR), Contract Nonr 2391(00) tech rept：10，p21(1958) Yeager, Ernest. "A review of the state of the art and future trends in fuel cell systems." (1958). E.Yeager“Electrochem．Soc，Meeting” Extended Abstr．Battery Div．No。114，(May1961)Indianapolis 高橋武彦. "燃料電池―開発研究の意義と動向." 電気化学および工業物理化学 30.10 (1962): 713-719. 吉澤四郎, 竹原善一郎, 伊藤靖彦. "ナトリウムアマルガム-酸素燃料電池の基礎研究." 電気化学および工業物理化学 32.8 (1964): 593-599. LeDuc, J. Adrien, John G. Kourilo, and Charles Lurie. "The Sodium Amalgam‐Oxygen Fuel Cell Application to the Chloro‐Alkali Industry." Journal of The Electrochemical Society 116.4 (1969): 546-549.

関連項目 直接メタノール燃料電池 固体高分子形燃料電池 貴金属フリー燃料電池 ナトリウム・空気電池