2014年01月23日08:33
讓阻燃性鎂合金不斷反應
日本東北大學未來科學技術共同研究中心教授小濱泰昭打算採用與矢部不同的方法，解決傳統鎂燃料電池存在的問題。小濱發現，使用阻燃性鎂合金，可以抑制自我放電，並緩慢進行氧化反應。這樣發電就不會停止，從而可有效利用電極的鎂。
這種阻燃性鎂合金是日本產業技術綜合研究所設想用作構造材料而開發的，添加了百分之幾（重量比例）的鋁（Al）和鈣（Ca）。
小濱以前一直在開發利用地面效應（飛行在地面附近的飛行器會產生巨大升力的現象）的高速運輸系統。在此過程中為了減輕車身重量而使用了阻燃性鎂合金。小濱認為，阻燃性也就是不易與氧發生反應，這種特點十分適合鎂燃料電池，於是便著手進行開發。
小濱使用阻燃性鎂合金，與產業技術綜合研究所、古河電池、日本素材（總部：仙台市）等合作，試制出了高性能鎂燃料電池（圖2）。電池單元的電壓為1.5V，每個單元具備60Ah的發電能力。電極的能量密度也高達1.55Wh/g，因此小濱稱，“打算半年以內開始銷售”。
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圖2：日本東北大學的小濱等人試制的鎂燃料電池 （a）為電池內部。由五個電池單元排列而成。（b）為電池單元。在中間的網狀部分與電解液發生反應。（c）電極的阻燃性鎂合金。右為未使用的鎂合金，中間為發生一定程度反應后的鎂合金，左為使用完的鎂合金。發生反應的鎂合金會變成Mg（OH）2溶解到電解液中。 |
從發電成本的角度來看，鎂燃料電池要比使用汽油的發電機遜色。但是，如果目前2000日元/kg左右的阻燃性鎂合金價格能夠降至500日元/kg左右，便可在成本方面獲得競爭力，因此小濱非常希望鎂合金能夠降低價格。
利用太陽能來還原鎂
鎂燃料電池的開發並沒有僅僅停留在制造一次性電池上。有人提出了一個構想，那就是利用太陽能進行熱還原，回收已用完電極的鎂，以便循環再利用。
與電解液反應后用完的負極鎂會變成Mg（OH）2或氧化鎂（MgO）。上述構想是，將其回收並運送到沙漠中，然后利用沙漠的太陽能進行熱還原，再把生成的鎂重新運回日本使用。也就是說，利用沙漠中的豐富太陽能得到鎂，再把鎂運到日本（圖3）。通過電纜將電力輸送到日本雖然非常困難，但得到鎂之后，便可採用物理方法進行運輸。
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圖3：通過鎂來利用太陽能的構想 將用完的鎂運輸至沙漠地帶，利用豐富的太陽能進行熱還原，並再次運至日本重新使用。 |
提出這種“鎂循環社會”構想的人是東工大的矢部。矢部目前考慮使用半導體激光，但將來打算利用“太陽光激勵激光”*3作為熱源，對鎂進行熱還原。
*3 太陽光激勵激光 通過向作為介質的材料照射太陽光來激發的激光。
東北大學的小濱也描繪了類似的藍圖。其構想是，將用完的鎂運到名為陽光地帶的沙漠地區進行熱還原。不過，小濱設想使用凹鏡來進行熱還原。打算使用可通過聚集太陽光來獲得高溫的太陽爐。據其介紹，如果可以獲得1200℃左右的溫度，便可以進行熱還原。
小濱2011年實施了使用直徑1.5m左右的太陽爐將用過的Mg（OH）2以金屬鎂箔的形式回收的實驗。
目前，除了古河電池及尼康之外，其他商社及物流公司也參與進來，共同啟動了名為“Magnesium Soleil”的項目，現在正以形成業務為目標進行討論。
小濱說，“鎂不像核電那樣存在風險，也不會像化石燃料那樣會枯竭，而且完全不存在溫室氣體排放等環境問題，是一種清潔燃料”。而且，鎂在海水中的含量十分豐富。也可以利用太陽能從海水中提煉鎂。
經由鎂燃料電池，將太陽能有效地轉換成電力。小濱將這種體系稱為“燃料耕種”。與已經實用化的氫燃料電池相比，鎂燃料電池能以很少的使用量獲得同等的發電量，而且容易搬運，因此具有優勢。據小濱教授推算，28.4g鎂獲得的能量與60L氫氣獲得的能量相同。
不過，鎂燃料電池也存在課題。一個是空氣極的耐久性。這種電池使用的可以透過空氣的多孔質碳，還需要提高耐久性。另一個課題是，進行熱還原時使用的催化劑鐵硅（Fe-Si）需要耗費能源來制造。小濱表示，今后“必須探討使用太陽能制造鐵硅的方法”。 （作者：吉田勝、中山力，日經技術在線！供稿）
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