JP3272351B2 - ピーク電力用の高電力密度バッテリー - Google Patents

ピーク電力用の高電力密度バッテリー

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JP3272351B2 JP17847990A JP17847990A JP3272351B2 JP 3272351 B2 JP3272351 B2 JP 3272351B2 JP 17847990 A JP17847990 A JP 17847990A JP 17847990 A JP17847990 A JP 17847990A JP 3272351 B2 JP3272351 B2 JP 3272351B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高電力を短期間供給し、従って都市交通の
電気車両用の定常出力発電機のバックアップとして特に
好適な低容量かつ高電力密度のバッテリーに関する。
（従来の技術） 電気式牽引は、大気汚染や騒音公害の問題に対し可能
性ある解決法と考えられる。これに関する開発は二方向
で追及されており、公共車両分野（郵便や牛乳の配達、
倉庫用フォークリフト等）で一部実際に適用されてお
り、その日の終りに再充電される電気バッテリーを備え
たものである。現在、20−30Wh/kgの比エネルギー密度
の鉛バッテリーが、100/200kmの動作範囲（自走距離）
を有するが、交通動力として必要な加速が電力をかなり
要する都市交通では、いわゆる「鉄−クラッド」型のも
のでも重量が特に深刻な欠点となっている。自走距離−
重量−電力の関係を最適化せんとして多数の解決案が試
みられたが、何れも有効な結果をもをもたらさなかっ
た。
軽量バッテリーの分野でも種々の試みがなされたが、
例えば亜鉛−空気バッテリーは、100Wh/kgまでの高エネ
ルギー密度に達するときでも、幾つかの技術的障壁を克
服しなかった。
もう一つの開発方向は、50年代の中期に推進されたも
ので、最近の実施態様は、空気（陽極）とH2−CO2混合
物（陰極）を備えた燃料電池をベースとするものであ
り、このようなH2−CO2混合物は燃料電池に組み込まれ
たメタノール供給改室器から得られる。
最近、高伝導性を与えるフッ素化イオン交換膜が導入
され（G.A.Eisman−Symposium on Diaphragms,Separato
rs and Ion Exchanger Membrane.−Electrochemical So
ciety Proceeding vol.86−13 p156）、目標に更に近ず
いたが、燃料電池プラス改室器からなる発電系（定常負
荷操作を要求するので柔軟でない）と、都市交通で加速
時にはピーク電力を必要とするが、残りの大部分の時間
（減速、停止等）では中乃至ゼロ電力しか必要としない
電気車両との組み合わせが不合理であると強く指摘され
た。
発電系（バッテリー又は燃料電池）と最終使用系（電
気車両）とを調和させるため、バッテリー／バッテリー
又は燃料電池／バッテリーのハイブリッド系が提案され
た。バックアップバッテリーは加速に必要なピーク電力
を短期間供給することを目的とし、定常出力発電機が正
常動作条件で十分なエネルギーを供給し、停止時更には
未利用過剰電力を有しながら動作している間にもバッテ
リーを再充電するものである。
この考えは、酸鉛−亜鉛空気ハブリッド−バッテリー
系に関する日本通産省プログラムで提案されたように、
膜電池／ニッケル−カドミウム電池又は／亜鉛−空気バ
ッテリーを組み合わせて既に開発されている。最近提案
された興味ある解決別法は、ニッケル−金属水素化物バ
ッテリーの開発であるが、発電機を電気車両のエネルギ
ー要求に調和させる問題の解決には満足な結果をもたら
していない（H.Ogata,M.Ikoma,H.Kawano,I.Matsumoto−
Preprint No.28of the 16th International Power Sour
ce Symposium−1988）。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の一目的は、高エネルギー出力を短期間供給
し、従って電気車両の代表的ピーク電力要求に合致する
電気バッテリーを提供することである。
本発明の更なる目的は、車両上及び一般に輸送手段上
で有利に使用できるよう軽量にしたバッテリーを提供す
ることである。
本発明の尚更なる目的は、バックアップバッテリーと
定常出力発電機とから製作され、後者がバッテリー又は
メタノール供給改質器と一体になった燃料電池からな
る、都市交通に特に適した電気車両の発電系でバックア
ップ電池として有利に使用可能なバッテリーを提供する
ことである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、加速−経済速度走行−減速−停止の全サイ
クルの17％を占める約数十秒（代表的には30秒）におけ
るピーク電力消費（代表的には30−200kW）、全サイク
ルの66％を占め、約数分間（代表的には２分間）継続す
る経済速度走行期における全負荷の25％の電力消費及び
約30秒間の減速及び停止期におけるほとんどゼロの電力
消費（１分は全サイクルの平均17％である）に係わるよ
うな都市交通用電気車両の駆動に適したバックアップ／
定常状態出力発電系に関する。
定常出力発電期が定電流密度で動作すると仮定する
と、最大電力（Pmax）に対する公称電力Pnは下式のよう
になる。
Pn＝（Pmax x17＋0.25 Pmax x66）/100＝0.335xPmax 従ってバックアップバッテリーに必要な電力Ｐ（b.u.）
は、 Ｐ（b.u.）＝0.665 Pmax バックアップバッテリーが、定常出力発電機（例えば
燃料電池プラス改質器）の電力をピーク値の1/3まで低
下させることは明らかである。
更には、このバックアップバッテリーは、充電時にも
高電流密度を供給することが可能であり、かつ、減速エ
ネルギーを回収することもできる。
本発明系の構成要素は、低容量かつ高電流密度の電気
バッテリーであり、そこでは充電期に水が電気分解され
て水素と酸素とを生産し、それらがバッテリーの陰極室
及び陽極室に貯蔵されて、放電期の反応物として使用さ
れる。
このバッテリーは、プロトン伝導性のポリマー膜、膜
の両側上に埋置される電解触媒材料及び電解ガスが貯蔵
される二室（陰極室及び陽極室）からなる。
前述のように、このバッテリーは充電期に下記の反応
に係わる電解装置として機能する。
−陽極（2n＋１）H2O−2e1/2O2＋2H+.nH2O −陰極2H+.nH2O＋2eH2＋2nH2O 更に水和されたプロトンH+.nH2Oは、陽極から陰極に
向けて膜内を移動する。水和度ｎは、各プロトンに対し
３乃至４水分子のオーダーである。
同時に、水は（陰極から陽極に向かって）膜内を逆移
動し、膜が正しく水を保持できるようになっているなら
ば、膜内における水の正味移動は無視することができ、
これが水和プロトンの移動に必要な電気伝導性を保証し
ている。
下記スキームに従って前記反応が逆方向に起こる放電
期には、 −陽極 1/2O2＋2H+.nH2O＋2e（2n＋１）H2O −陰極 H2＋2n H2O−2e2H+.nH2O 水和プロトンは陰極から陽極に向かって移動し、水分
子は逆方向に拡散する。
固体ポリマー電解質と、液体電解質を必要としないよ
うに膜の両面に触媒粉が接合された形態の電極であるSP
E（Ｒ）ガス電極とを備えた電気化学的系では、反応水
を陽極室及び陰極室に供給並びにそれから除去し、か
つ、イオン性ポリマー膜の水和を正しくするような水管
理の問題が生じる。これは、種々の温度で必要に応じて
水の分圧をイオン膜の水蒸気圧よりも若干高目又は低目
にしたガスに膜を接触させておくことにより達成され
る。
以下で本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、
本発明の範囲から逸脱することなく、種々の実施態様が
可能なことは明らかである。
第１図は、水素−空気膜バッテリーの単一要素の断面
図である。
第２図は、従来技術による定常出力発電機プラス改質
器の概要図である。
第１図は、水素−酸素膜バッテリーの単一要素を含む
本発明の一実施態様を示すものであり、外冷フィン（図
に示していない）を備えた二個の剛性端板１及び２がイ
オン交換ポリマー膜３により分離されて、電解触媒材料
７の薄膜層を押す小開口メッシュ６を支持する剛性構造
物５を包含した陰極室と、陰極室の半分の容積を有し
て、例えば米国特許第4,340,452号に記載のように、弾
性マットレス９が配置されて、小開口メッシュ10により
電解触媒材料11の薄膜層を膜に、かつ、膜自身が陰極室
の剛性構造物を押している剛性構造物８を包含した陽極
室とを形成する。この剛性構造物８、金属マットレス
９、メッシュ10は、電極材料11と端板２との間に電流を
流し、端板２はバッテリーを形成する要素スタック内で
の電気接続に用いられる。
全充電時にバッテリーが高圧に達するまでのガスを貯
蔵しなければならない場合には、バッテリー全体を金属
パイプ又はガラス繊維強化プラスチックパイプ内に挿入
することができ、バッテリーとパイプとの空間は誘電性
の液体で満たされ、該液は各要素間を電気絶縁し、内圧
／外圧間のバランスをとり、かつ、熱を除去して端板１
及び２上の冷却フィンを通して放散する。
弾性金属マットレス９には、親水性の繊維又は類似物
が織り込まれている。充電ステップ時には、親水性繊維
が気相中にスプレーとして存在する水を吸収し、電解触
媒材料11に反応水（H2O−2e1/2O2＋2H+）を容易に供
給する。放電ステップ時には、この繊維は電解触媒材料
11の表面上に形成された反応水（1/2O2＋2H+＋2eH
2O）を毛管作用により吸収し、端板２の底部に向けて容
易に排出し、電解触媒材料11での溢流を防止する。端板
１の底部には溝12が設けられており、高周波スプレーヤ
ー13により水素ガスを湿らせるために使用される脱イオ
ン水を含有する。端板２の底部にも溝14が設けられてお
り、充電ステップで必要となる反応水を含有する。すな
わち、高周波スプレーヤー15は、充電ステップで小水滴
を上方に導き、マットレス９に織り込まれたしんすいせ
い繊維に吸収させる。この同じ溝14は、放電ステップで
形成される水を捕集し、次の充電ステップに備えて貯蔵
する。１及び２の各底部に配置された二本のパイプ16及
び17は、二重の目的を有する。第一の目的は、12及び14
の夫々に一次水を充填することである。第二の目的は、
大気窒素による水素と酸素の希釈を避けるため、第一充
電ステップ時に１及び２内に含まれる空気を除去するこ
とである。
全充電で107Paの圧力下５分間にわたり供給される20k
W/m2に対応するエネルギーを生産するには、陰極室は、
陽極室の酸素貯蔵に有用な４−５リットルの容積に対応
して、水素の貯蔵に有用な９リットルの容積を有なけれ
ばならない。その結果、バッテリーの全容積は40リット
ルとなり、重量は圧力操作のための付属品やパイプを含
めて100kgになる。これは、エネルギー密度17Wh/kg、容
量25Ah/kg及び電力密度0.2kW/kgに相当する。充電及び
放電の各々で702gの水が陽極室内で消費されれたり放出
されたりする。
陰極室及び特に陽極室内での水の散布は、高周波スプ
レーヤーの他に、エアレスノズルを用いて実施すること
ができる。エアレスノズルは、第１図に示していないパ
イプ系を通してバッテリー外からくる圧力水を散布す
る。溝12及び14に集められた水は、パイプ16及び17によ
り除去される。
陰極室の水素を湿らせるには高周波スプレーヤーの使
用が好ましく、陽極室への給水には圧力水のノズル散布
が好ましい。
第２図は、定常状態出力発電機が、80−90℃で動作す
る改質器と一体になった空気−水素燃料電池である際に
特に好適な本発明の別実施態様である。水素はバッテリ
ー外に貯蔵され、酸素は大気中に廃棄され、バッテリー
はそれが結合した燃料電池と同様に空気で作動する。
このバッテリーは、金属マットレス９が陰極室内にあ
ることのみを除いて、第１図のバッテリーと同じ構造で
ある（数字１から17まで）。陽極室は空気コンプレッサ
ー18に接続されている。圧縮空気はスプレーヤー19に供
給され、20を経由して陽極室に入り、21から陽極室を出
て、22で膨張させた後、23を介して大気中に排出され
る。陽極室に水が形成される放電ステップでは、コンプ
レッサー18から供給される乾燥熱風が反応水を蒸発さ
せ、22及び23を経由してそれを駆逐する。充電ステップ
では、スプレーヤー19にタンク24から水が供給され、タ
ンク24は25により１の底部を排出する。分与ポンプ26
は、バッテリーの操作条件に従って散布する水量を19に
供給する。電気エンジン27にて駆動されるコンプレッサ
ー及びタービンは、圧縮エネルギーを回収できるよう共
軸接続されている。
陰極室には、タンク30に貯蔵され、ポンプ31で循環さ
れる水素の入口及び出口として、端板２に開口部28及び
29が設けられている。スプレーヤー32は、タンク33から
分与ポンプ34を経由して水を受け取る。パイプ35は、陰
極室の底部に集められた水を排出し、タンク33に運搬す
る。
バックアップバッテリーが空気と水素で操作される定
常状態出力の燃料電池と組み合わされている時は何時で
も、バッテリーの空気回路と燃料電池の空気回路は共通
であり、バッテリー及び燃料電池は同一温度に維持され
る。定常状態出力の燃料電池は、散水によるガス流の湿
潤並びに共通コンプレッサー及び空気タービン、スプレ
ーヤー用高周波発生器及び圧力水ポンプに関してバック
アップバッテリーのものと類似の装置を包含する。
定常状態出力バッテリーとバックアップバッテリーと
の電気的調和は、バックアップバッテリーを幾つかのセ
クションに分け、充電時及び放電時に直列又は並列に接
続することにより行われる。電気車両がACモータを備え
ている場合には、モータにACエネルギーを供給する同じ
インバータを用いて調和させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、水素−空気膜バッテリーの単一要素の断面図
である。 第２図は、定常出力発電機プラス改質器の概要図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/04 H01M 8/10

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二枚の端板（1,2）により形成され、イオ
    ン交換膜（３）により陽極室と陰極室に分離された一以
    上の電極室、前記陽極室は充電期に発生した酸素を貯蔵
    し、前記陰極室は充電期に発生した水素を貯蔵し、放電
    期に酸素と水素は再結合して水を生成する、 前記イオン交換膜（３）の一方の側と接触する陽極（1
    1）及び前記イオン交換膜（３）の他方の側に接触して
    いる陰極（７）、 前記陽極室及び陰極室に水を供給し、かつ、前記陽極室
    及び陰極室から水を排出する手段、及び 前記陽極室及び陰極室から酸素及び水素を排出する手
    段、 を包含する低容量かつ高電力密度の車両用電気バッテリ
    ー。
  2. 【請求項２】陽極室及び陰極室が107Paまでの圧力に耐
    えうることを特徴とする請求項１記載のバッテリー。
  3. 【請求項３】前記バッテリーが耐圧容器内に収納され、
    前記バッテリーと前記容器の壁との間の空間が誘電性液
    体で満たされていることを特徴とする請求項１記載のバ
    ッテリー。
  4. 【請求項４】各電極（7,11）が粉末化された電解触媒材
    料の薄層であることを特徴とする請求項１記載のバッテ
    リー。
  5. 【請求項５】電極（7,11）を膜（３）に接合又はその中
    に埋置することを特徴とする請求項４記載のバッテリ
    ー。
  6. 【請求項６】支持手段により電極（7,11）を膜（３）に
    押し付けることを特徴とする請求項１又は４記載のバッ
    テリー。
  7. 【請求項７】陰極（７）を支持する手段が小開口メッシ
    ュ（６）を担持した剛性構造物（５）であり、陽極（1
    1）を支持する支持手段が弾性マット（９）を担持した
    剛性構造物（８）であることを特徴とする請求項６記載
    のバッテリー。
  8. 【請求項８】弾性マット（９）が親水性材料とくに親水
    性繊維を含むことを特徴とする請求項５記載のバッテリ
    ー。
  9. 【請求項９】前記室に水を供給する手段が散布手段（1
    3,15）であることを特徴とする請求項１乃至８記載のバ
    ッテリー。
  10. 【請求項１０】陰極室の散布手段（13）が高周波スプレ
    ーヤーであり、陽極室の散布手段（15）がエアレスノズ
    ルであることを特徴とする請求項９記載のバッテリー。
  11. 【請求項１１】請求項１乃至８記載の電気バッテリー及
    び定常電力発電機を包含する電気車両を駆動するための
    発電機システム。
  12. 【請求項１２】定常電力発電機がバッテリー又はメタノ
    ール供給改質器を備えた燃料電池であることを特徴とす
    る請求項11記載の発電システム。
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