JP2007087787A - 再生可能な電池及びそれを用いた発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸性又はアルカリ性電解液を用いた電池であって、メタノール直接燃焼型の燃料電池を用いた発電システムと比較して、安全、低価格で、エネルギ密度が高く、格段に寿命が長く、公害性が実質的に無い、さらに廃棄に際して環境に負担をかけない、再生可能な電池及びそれを用いた発電システムを提供する。
【解決手段】少なくとも正電極板１１と負電極板２１と電解液と、前記電解液を保持する吸水材板３１とを含み、前記正電極板及び負電極板が前記吸水材板を挟んでなる電池であって、さらに前記電解液を供給し排出するタンク５１及びポンプ５２を備え、好ましくは前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４の酸性電解液、又はｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸性及びアルカリ性電解液型電池に係り、特に、ｐＨ１〜４の酸性電解液を利用した酸性電解液型、及びｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液を利用したアルカリ性電解液型の、再生可能な電池及びそれを用いた発電システムに関するものである。

小型燃料電池は、ＰＣ等の、持ち運びができ、小型電気機器の電源として、特に屋外または非常用の臨時電源として切望されており、しかも使い捨てではなく燃料を供給することにより再生可能であることから、環境にやさしいことで注目されているが、軽い重量と小さい体積でなるべく大きい電力容量を安全に提供しなければならず、形状・サイズ上の制約が多い。

これらの制約を比較的良好にクリアするものとして、従来の小型燃料電池としては、メタノール直接燃焼型が主流となって開発が進められて来た。
メタノール直接燃焼型は、メタノールという有毒な有機溶剤を使用するので安全性に問題があり、これをクリアするためには例えば高価で嵩張るメタノールカートリッジを使わざるを得ないなど、イニシャルコスト上・ランニングコスト上・サイズ上数多くの問題がある。

特許文献１には、メタノール等の有機系燃料を包接化合物として固体状の分子化合物とし、取扱性を改善し、腐食、凍結、クロスオーバー等の問題を解決する技術が開示されているが、コスト上の問題が必ずしも解決されない。
特開２００５−２０３３３５号公報

上記のような再生可能な電池における諸問題を解決するためになされた本発明の目的は、メタノールなど有機燃料直接燃焼型の燃料電池、及びそれを用いた発電システムと比較して、安全、低価格で、エネルギ密度が高く、格段に寿命が長く、公害性が実質的に無い、さらに廃棄に際して環境に負担をかけない、再生可能な電池、及びそれを用いた発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による再生可能な電池は、少なくとも正電極板と負電極板と電解液と、前記電解液を保持する吸水材板とを含み、前記正電極板及び負電極板が前記吸水材板を挟んでなる電池であって、さらに前記電解液を供給し排出する機構を備えていることを特徴とする

また請求項２に示すとおり、請求項１において、前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４の酸性電解液を含むことを特徴とする。

また請求項３に示すとおり、請求項１において、前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液を含むことを特徴とする。

また請求項４に示すとおり、請求項１において、前記正電極板の材質は二酸化鉛、水酸化鉛、カーボン、及び／又は水酸化ニッケルからなり、負電極板の材質はマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、及び／又は鉄からなることを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明の請求項５による再生可能な電池を用いた発電システムは、請求項１〜４のいずれかに記載の再生可能な電池と、前記再生可能な電池の出力を受けるキャパシタと、前記キャパシタの出力を受ける２次電池と、を含むことを特徴とする。

また請求項６に示すとおり、請求項５において、前記２次電池の出力を受けて交流電圧を発生するＤＣ−ＡＣインバータをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明による酸性電解液型の再生可能な電池では、電解液を保持する吸水材板によって電池の正負の極板が電解液から隔離されており、正負の極板と電解液を層状に重ねることができ、しかも電解液として、海水から化学的手段を用いないで、物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４の電解液、以下「スーパーナチュラル電解液」、略して「ＳＮ電解液」と称される電解液を用いる場合には、通常の鉛電池に比べて重量的にも体積的にもエネルギ密度が格段に高く、公害性が低く、しかも電極板を損傷せずサルフレーション等がないので内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、再生可能な電池を提供することができる。

また、本発明によるアルカリ性電解液型の再生可能な電池では、電解液を保持する吸水材板によって電池の正負の極板が電解液から隔離されており、正負の極板と電解液を層状に重ねることができ、しかも電解液として、海水から化学的手段を用いないで、物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４の電解液、以下「スーパーナチュラル電解液」、略して「ＳＮ電解液」と称される電解液を用いる場合には、通常のアルカリ性電解液型電池に比べて重量的にも体積的にもエネルギ密度が格段に高く、公害性が低く、しかも電極板を損傷しないので内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、再生可能な電池を提供することができる。

また、本発明による再生可能な電池を用いた発電システムでは、電解液を保持する吸収材板によって電池の正負の極板が電解液から隔離されており、正負の極板と電解液を層状に重ねることができ、しかも電解液として、海水から化学的手段を用いないで、物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４又はｐＨ９〜１４の電解液、以下「スーパーナチュラル電解液」、略して「ＳＮ電解液」と称される電解液を用いる場合には、通常の、メタノール直接燃焼型燃料電池を用いた発電システムに比べて、重量的にも体積的にもエネルギ密度が格段に高く、公害性が低く、電極板の消耗が最小限に抑えられ、電極板を損傷しないので内部抵抗が増加せず放電寿命が長く、しかも環境に対して負担をかけない、再生可能な電池を用いた発電システムを提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態と効果を、図面を参照して具体的に説明する。

図１を参照すると、第１の実施例に係る酸性電解液型の再生可能な電池モジュール１であって、二酸化鉛からなる正電極板１１、不織繊維からなる吸水材板３１、及びマグネシウムからなる負電極板２１から構成される、６セットの単位電池が電池モジュールの容器１ａ内に積層して収容され、図示しない支持手段により容器１ａの内部に固定されている。
ただし本実施例では、正電極板のうち、中央に位置する１３、１４はカーボンからなり、それらを除く残りの４枚は二酸化鉛からなる。
吸水材板３１には、海水から化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４の酸性電解液３０が浸潤されている。

正負の電極板は各々並列に配線されて、各々正、負電極４１、４２に接続されている。
電極板及び吸水材板の個数と直列及び／又は並列接続の仕方は当然本実施例の場合に限定されず、所要の電流容量と出力電圧に応じて周知の方法で決定される。
特に並列接続の場合、例えば、正電極板―吸水材板―負電極板―吸水材板―正電極板―・・・と積層することにより、電極板の枚数を削減できる。

実際の使用にあたっては、上記ｐＨ１〜４の酸性「ＳＮ電解液」を用意しておき、給水弁５６を上記正電極板―吸水材板―負電極板系に注ぐと、「ＳＮ電解液」は吸水材板により保持される。
「ＳＮ電解液」は硫酸などのような劇薬ではなく、人体に無害で環境に優しい。

電池モジュール１には、「ＳＮ電解液」用のタンク５１とポンプ５２が切り離し可能に接続されていて、電池モジュールの使用開始又は再生に際して、「ＳＮ電解液」が給水弁５６を通じ図示しない分配機構を通じて吸水材板３１に供給され吸収されて「ＳＮ電解液」３０となる。
吸水材板３１に吸収されなかった「ＳＮ電解液」は排水弁５７を通じて排水してもよい。
使用終了後の保管、又は再生に際しては、排水弁５７を通じて使用済みの「ＳＮ電解液」を排水する。
「ＳＮ電解液」は、通常の電解液と異なり、市水、雨水と同じように環境を壊すことなく廃棄できる。

本実施例においては、電池モジュール１とその構成部材のサイズは各々、幅、高さ、奥行（厚さ）の順に（単位：ｍｍ）、正電極板１１：８０、７６、３．０； 負電極板２１：１４２、１０５、１．２； 吸水材板３１：８０、８０、２．０； 電池モジュール１：１４５、１４０、９１；である。

本電池モジュールを６個用意して直列に接続して、吸水材板にｐＨ＝２．５の「ＳＮ電解液」を吸水させ、５００Ｗ級の再生可能な電池としての連続試験を「ＳＮ電解液」のｐＨを監視しながら行い、次の結果を得た。

この結果から、連続使用３６時間で出力電圧は約１３Ｖまで降下し、「ＳＮ電解液」のｐＨは３．０まで増加することが分かる。
そこで、「ＳＮ電解液」の寿命をｐＨで判定し、ｐＨ＝３．０になった時点で新品の「ＳＮ電解液」（ｐＨ＝２．５）と交換することにした。
このように「ＳＮ電解液」を交換しながら連続試験を行い、次の結果を得た。

この場合の出力電圧の降下は、負電極板（マグネシウム）の消耗によるものであり、この結果から、出力電圧１２Ｖを確保するためには、負電極板の寿命は連続運転で約７５日であることが分かる。
消耗した負電極板を新品と交換すれば、残りの全体を廃棄することなく再生できる。

即ち、本実施例による酸性電解液型の再生可能な電池は電池モジュール６個直列の場合、１回の「ＳＮ電解液」更新で約５００Ｗ×３６ｈ＝１８ｋＷｈの電力容量を持つ。
しかも、ｐＨを監視するだけで「ＳＮ電解液」の更新タイミングが分かり、連続運転の場合約３６時間に１回ずつ「ＳＮ電解液」を更新供給するだけで、約５００Ｗ×７５×２４ｈ＝９００ｋＷｈというエネルギ供給能力を有し、占有体積は約１１リッタであるので、サイズ的にも高エネルギ密度の再生可能電池を実現できる。

本実施例による電池は、放電に伴いＳＮ電解液が劣化し発生電圧が低下するが、その場合にはＳＮ電解液を新品と交換すると再生できる。
また、放電・再生の繰返しと共に電極板、特に負電極板の減耗が避けられないが、適宜新品と交換すれば再生できる。
さらに、このようにして得られた再生可能な電池は廃棄に際して、電解液はそのまま廃棄しても人畜に無害であり、残る電極などは再利用が可能であるので、実質的に環境に負担をかけない。

次に、図２を参照すると、上記実施例１に説明した再生可能な電池、特に好ましくは「ＳＮ電解液」型の再生可能な電池を用いた発電システムである。
本発電システムにおいては、上記実施例１に説明した電池モジュール１を６個使い、その正、負電極４１、４２を順次直列に接続する。
適切な濃度に希釈された（例えばｐＨ＝２．５）酸性「ＳＮ電解液」が上記のようには各電池モジュール内の吸水材板３１に供給されて、正負の電極４１、４２間に直流電位が発生し、発電スイッチ６１がＯＮになると発電が開始される。
ＬＥＤ ６３に抵抗器６２を介して電流が流れてＬＥＤが発光し、発電スイッチのＯＮを報せる。

切替スイッチ６５は、最初は図示したように電池モジュール１側に接続されており、発電された電力は逆流防止ダイオード６４を介してキャパシタ６６に一時的に蓄積される。
キャパシタ６６は極性が一定であるので、大容量かつ高速充放電が可能な電機２重層型キャパシタが好ましい。
切替スイッチ６５は電圧検出機能を有し、キャパシタの電位が所定の値を越えると、自動的に電池モジュールと反対側に接続され、電池モジュール１は専ら再充電され、一方キャパシタ６６の放電により２次電池６７が充電される。
切替スイッチ６５は通常数１０秒単位で自動的に切り替わり、出力電圧の安定化に寄与する。
２次電池として、上記実施例１による第２の電池モジュールを用いることもできる。

次に出力スイッチ６８がＯＮされると、第２のＬＥＤ ７０が点灯して出力スイッチのＯＮを報せ、ＤＣ出力端子７１、７２に接続された負荷が駆動される。
ＤＣ出力の電力容量は、上記実施例１で示したように、「ＳＮ電解液」１回分当たり５００Ｗ×３６時間である。

次に、ＤＣ出力端子７１、７２にはさらにＤＣ−ＡＣインバータ７３が接続されており、ＡＣ出力端子７４、７５間には例えば１００ＶのＡＣ出力が得られる。
本実施例の発電システムは例えば、５００Ｗ級の仮設１００Ｖ電源として好適であり、軽便に持ち運び可能で屋外、非常用電源として使えることから「どこでもコンセント」と名付ける。

図３は、３ｋＷ級の仮設１００Ｖ電源として好適な、再生可能な電池を用いた発電システムを示す図である。
構成は基本的には上記実施例２と同じであるが、電池モジュール２及びその構成部材のサイズは上記実施例１における電池モジュール１の場合よりも、電力容量に相応して大きく、例えば正、負電極板、吸水材板の幅×高さは、少なくとも６倍必要である。
また、このクラスでは、切替スイッチは通常使われず、キャパシタ６６は電池モジュール１側と２次電池６７側に常に接続されている。
本実施例の発電システムは例えば、３ｋＷ級の仮設１００Ｖ電源として好適であり、軽便に持ち運び可能で屋外、非常用電源として使えることから上記実施例２と同じように「どこでもコンセント」と名付ける。

図４を参照すると、第４の実施例に係る酸性電解液型の再生可能な電池モジュール３であって、二酸化鉛からなる正電極板１１、不織繊維からなる吸水材板３１、及びマグネシウムからなる負電極板２１から構成される、単位電池が電池モジュールの容器３ａ内に収容され、図示しない支持手段により容器３ａの内部に固定されている。
本実施例では、上記実施例１の場合と異なり、単位電池が１セットだけ容器３ａ内に収容されて電池モジュール３を構成している。

さらに、図４（Ａ）に示すように、放電時には負電極板２１が吸水材板３１に接触しているのに対して、図４（Ｂ）に示すように、待機時には負電極板２１が吸水材板３１から離隔されている。
即ち、負電極板２１を移動させることにより、電池モジュールの発電をＯＮ／ＯＦＦできる。

本実施例においては、電池モジュール３の構成部材のサイズは各々、幅、高さ、奥行（厚さ）の順に（単位：ｍｍ）、正電極板１１：４２、２７、２．５； 負電極板２１：４２、２７、１．２； 吸水材板３１：４２、２７、２．０；である。

本電池モジュール３を１０個用意して直列に接続して、吸水材板にｐＨ＝２．５の「ＳＮ電解液」を吸水させ、６５Ｗ級の再生可能な電池としての連続試験を「ＳＮ電解液」のｐＨを監視しながら行い、次の結果を得た。

この結果から、連続使用３．５時間で出力電圧は約１５Ｖまで降下し、「ＳＮ電解液」のｐＨは３．５まで増加することが分かる。
そこで、「ＳＮ電解液」の寿命をｐＨで判定し、ｐＨ＝３．５になった時点で新品の「ＳＮ電解液」（ｐＨ＝２．５）と交換するだけで電池モジュールが再生できる。

この交換は、例えばスポイトで数ｃｃの新品の「ＳＮ電解液」を給水弁５６を通じて吸水剤板３１に注入することで行われる。
このようにして運転すると、次に負電極板の消耗による寿命がくるが、上記実施例１の場合と同じように、消耗した負電極板を新品と交換すれば、残りの全体を廃棄することなく再生できる。

次に、図５を参照すると、上記実施例４に説明した再生可能な電池、特に好ましくは「ＳＮ電解液」型の再生可能な電池を用いた発電システムである。
本発電システムにおいては、上記実施例４に説明した電池モジュール３を１０個使い、その正、負電極４１、４２を順次直列に接続する。
発電システムの動作は基本的には上記実施例２の場合と同じであるが、３点において異なる。

即ち、単位電池１セットからなる、比較的小容量の電池モジュール３を１０個直列にして使っていること、電池モジュール３は、その内部にある負電極板の位置を移動することにより、ＯＮ／ＯＦＦスイッチできるので、発電スイッチ６１が不要であること、そして、本実施例の場合はＤＣ出力端子７１、７２の出力をシステム出力とするので、ＤＣ−ＡＣインバータ７３が不要であること、である。

本実施例の発電システムは例えば、６５Ｗ級の直流１５Ｖ電源として、軽便に持ち運び可能なので、例えばノートＰＣ用電源として好適である。

第１の実施例に係る再生可能な電池を示す図である。 第２の実施例に係る再生可能な電池を用いた発電システムを示す図である。 第３の実施例に係る再生可能な電池を用いた発電システムを示す図である。 第４の実施例に係る再生可能な電池を示す図であり、（Ａ）（Ｂ）は各々、電池ＯＮ、ＯＦＦ時の状態を示す。 第５の実施例に係る再生可能な電池を用いた発電システムを示す図である。

符号の説明

１ 電池モジュール
１ａ 容器
１１、１３、１４ 正電極板
２１ 負電極板
３０ 酸性電解液
３１ 吸水材板
４１ 正電極
４２ 負電極
５１ タンク
５２ ポンプ
５５、５７ 排水弁
５６ 給水弁
６１ 発電スイッチ
６２、６９ 抵抗器
６３、７０ ＬＥＤ
６４ 逆流防止ダイオード
６５ 切替スイッチ
６６ キャパシタ
６７ ２次電池
６８ 出力スイッチ
７１、７２ ＤＣ出力端子
７３ ＤＣ−ＡＣインバータ
７４、７５ ＡＣ出力端子

Claims (6)

1. 少なくとも正電極板と負電極板と電解液と、前記電解液を保持する吸水材板とを含み、前記正電極板及び負電極板が前記吸水材板を挟んでなる電池であって、さらに前記電解液を供給し排出する機構を備えていることを特徴とする再生可能な電池。
2. 前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ１〜４の酸性電解液を含むことを特徴とする請求項１に記載の再生可能な電池。
3. 前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液を含むことを特徴とする請求項１に記載の再生可能な電池。
4. 前記正電極板の材質は二酸化鉛、水酸化鉛、カーボン、及び／又は水酸化ニッケルからなり、負電極板の材質はマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、及び／又は鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の再生可能な電池。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の再生可能な電池と、前記再生可能な電池の出力を受けるキャパシタと、前記キャパシタの出力を受ける２次電池と、を含むことを特徴とする再生可能な電池を用いた発電システム。
6. 前記２次電池の出力を受けて交流電圧を発生するＤＣ−ＡＣインバータをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の再生可能な電池を用いた発電システム。

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