JPS5846833B2 - 金属↓−水素二次電池装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般に電力装置、さらに詳しくは金属−水素
二次電池を利用する装置に関するものである。

電力発生装置は一定の負荷（望ましくは定格または最も
効率的な負荷）においてできるだけ連続的に作動するこ
とが望ましい。

けれども、エネルギーの必要性はその日の時間によって
変わる。

ピークの電力負荷の要求は一般に昼間、特に午後であり
、一方最低の電力要求は一般に夜間、特に夜半以降であ
る。

代表的な電力装置の毎日のサイクルにおける電力要求は
２：１或いはそれ以上の比まで変わる。

電力要求が少ない時にエネルギーを貯えそしてピーク負
荷時に貯えたエネルギーを消費するには種々の機構を採
用することができる。

この目的の二次電池は極めて大型にしなげればならず、
さらに過充電、過放電或いは長いスタンバイのような偶
然の悪用に対して本質的に免疫的で、高エネルギー比（
例えば、８０％）を有し、かつ比較的低コストで所望の
機能を提供しなければンよらない。

そのためにこれまでに使用された二次電池は種々の型の
ものがあるが、低コストおよび長期間に渡って必要な高
性能を提供する点でいずれも不満足なものである。

従って、電力装置に対して効率的な負荷平均化装置を提
供することが望ましい。

前述の目的は本発明の金属−水素二次電池装置によって
達成される。

この装置は電力発生源からの電力要求の平均化に独特な
方法で使用されるのみならず、他の用途にも有用である
。

該装置は電力発生源の近く或いは離れた所に設置できる
直列に接続した複数の電力モジュールを含む。

各モジュールは、比較的大量の水素と並列に接続されて
取り外し自在のラックに積み重ねた複数個の二次電池を
含む密封圧力容器である。

各二次電池は直列に接続した金属−水素セルのパイルか
らなる。

水素は容器内にある水素流路に配置の送風装置によって
各セルの周囲を循環される。

容器の内側或いは外側に配置される冷却装置が流路の水
素を冷却する。

その流路は、セルの積み重ねパイル内の中心開口によっ
て形成される中心通路とラックの回りの周囲通路を含み
、前記２つの通路は各セルのアノード表面を水素にさら
し個々のセルの間の横通路によって相互に連結される。

各セルは円板状であって、適当なカソード、例えばその
隙間にニッケル水酸化物を含む多孔質の焼結ニッケル・
カソードと、例えば、多孔質のテトラフルオロエチレン
で被覆したスクリーンで作り上に白金黒微粉末の触媒の
膜を析出したアノード表面と、前記カソードとアノード
間の隔離板を含むことが望ましい。

その隔離板は、例えば電解液として水性の水酸化カリウ
ムを含む石綿や紙などからなる。

波形に成形した膨張金属格子は、１つのセルのアノード
表面と隣接セルのカソード間に配置されて、セルの直列
コネクタ並びに水素をアノード表面および中心通路へ送
る機構として使用される。

モジュールは直列に接続され、そして噴霧水塔のような
共通の冷却機構を利用するラックなどの中に配置できる
。

各容器の外板（シェル）に噴霧された水は、外板に隣接
する各容器内を循環する水素から熱を効果的に除去でき
る。

一実施態様において、各容器は熱交換チューブ、冷却剤
およびポンプ装置を利用したそれ自体の冷却システムを
含む。

各モジュールは密封した底部と取り外し自在のカバーを
有する細長の同筒形であることが望ましく、それにたな
の中に配置される二次電池を含むラックが固定される。

そのラックはカバーを持ち上げることによって引き出す
ことができるので、個々の二次電池は検査、交換、修理
、等ができる。

本発明の装置は、例えば各モジュールから６２．５ボル
トで約１０００アンペアを発生することができる。

該モジュールを１６個直列に接続すると１０時間で１０
００ボルトで１０００アンペアを放電することができる
。

本装置は５０００〜１００００と多数の充電−放電サイ
クルに渡って電気的および物理的機能を周期的に監視す
ることなく作動できる。

そのセル（または単位電池）は極めて耐久性がありかつ
効率がよい。

維持費は極めて少ない或いは全くいらない。

従って、本装置は電力要求の平均化に理想的なものであ
る。

本発明の他の特徴は以下の詳細な記載および図面に示す
。

第１図には、本発明の二次電池装置モジュールの１つの
望ましい実施態様の正面概略図を示す。

モジュール１０は密封圧力容器１２（一般に円筒形が望
ましい）からなって、底壁１４、側壁１６および取り外
し自在のトップ・カバー１８を有する。

容器１２は中空で水素ガスを導入する導管２０を備える
。

作動状態の容器には水素ガスが充てんされる。

容器１２の内部には複数のたな２４を含む細長の垂直ラ
ック２２が配置されている。

ラック２２の中心部下端には板２６を貫通の突起２５が
ある。

一方ラツク２２の上端はトップ・カバー１８へ連結の絶
縁支持ブラケット３０ヘリンク２８によって固定される
。

第４図に詳しく示すように各たな２４はその内部に圧縮
性の中空ベロー３４を備えた中心開口３２を有する、前
記ベローはたな２４内の積層されているセル（または単
位電池）３６のパイル３５を圧縮して前記たなの電池３
８を形成する。

ベロー３４の下端＆転紙縁材４４と電気端子板４６のそ
れぞれの整列中心開口４０と４２内でセル３６の積層パ
イル３５の整り１沖心開口４８上に配置される。

従って、ベロー３４は種々のたな２４の開口３２，４０
，４２および４８と共に板２６からラック２２の上端５
２へ伸得る連続中心通路５０を形成する。

前記上端５２で、送風機５６の吸気端５４が通路５０へ
連結される。

送風機５６はファン６２へ連結の電動機５８と回転軸６
０を含みそしてトップ・カバー１８を貫通する電線管６
４を介して電気的に作動される。

送風機５６は板６５などを介してトップ・カバー１８へ
固定される。

第４図において、セル３６のパイルはラック２２のたな
２４内でベロー３４により共に圧縮されている。

セル３６のパイル上には絶縁板４４、例えばプラスチッ
ク板などが配置される。

板４４の下にはニッケル、銅、などの電気端子板４６が
ある。

般に、セル３６および板４４，４６は円形が望ましい。

・さらに、第１図に示すように、ラック２２と側壁１６
の間に周囲通路を提供するためにラック２２は容器１２
の側壁１６から内側方向に一定間隔をもつ。

たな２４のパイル３５内の各セル３６は、周囲通路６６
と中心通路５０間の一連の横通路７０を提供する格子６
８によって次の隣接セル３６から離れている。

各格子６８は、水素が自由に流通し各セル３６のアノー
ド表面７２と十分に接触し、同時に冷却剤として作用で
きるように配置される。

格子６８はパイル３５内の全てのセル３６を電気的に直
列に接続する付加的機能を有する。

各セル（または単位電池）３６は効率的な金属水素電池
を提供する適当な材料で成形される。

例えば、各セル３６のカッ−ドア４は、多孔質の自立状
態に圧縮、焼結してすき間に活性な水酸化ニッケルを含
むニッケル粉末製の板にすることができる。

各セル３６のカソード７４は、石綿或いは紙のような適
当な非伝導性材料或いは他のセルロース繊維材料或いは
水性の水酸化カリウムや他の適当な金属−水素電解液を
含浸するシートなどからなる隔離板によってセルのアノ
ード表面７２から隔離される。

各セルのアノード部分７２は、多孔質状態を残すために
テトラフルオロエチレンで被覆されかつ微細な白金黒粉
末触媒のような適当な触媒を膜などの状態に析出した金
属（例えば、ニッケル）または非金属（例えば、ナイロ
ン）スクリーンからなる。

金属−水素セルにおける水素自身は真のアノードである
が、アノード部分７２は反応用の触媒となる。

隣接セル３６間に配置される格子６８は、適当な導電材
料、例えば波形に加工或いはエキスバンドしたニッケル
などの金属（耐食性のものが望ましい）からなる。

前述の如くニッケルー水素セル３６が望ましいが、周知
の他の金属と水素のセル、例えばＣｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｈ
ｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、およびｐｂ の酸化物およびそれら酸
化物の混合体も電池３８に使用できる。

各たな２４内にあって１つの二次電池３８を構成するセ
ル３６のパイル３５は、２つ、即ち中心の端子板７８の
上の上半分と下半分に分割することが望ましい。

パイル３５の下端は絶縁板８２上の電気端子板８０にも
接する。

端子板４６と８０は同じ極性を有し中心端子板７８の極
性と逆である。

各たな２４のパイル３５の上半分におけるセルの積層順
序は第４図に示す如（パイル３５の下半分におけるセル
の積層順序と逆になっている。

従って１つの中心端子板７８でパイル３５０両側に働く
ことができる。

各モジュール１０内の二次電池３８は電気的に並列に接
続することが望ましい。

従って、中心端子板７８の各々は、容器１２内のラック
２２の外側を長手方向に走って取付具８６を貫通して容
器１２の外側へ伸びる電線管８４と接続する。

全ての端子板４６および８０は、ラック２２の外側を長
手方向に走って取付具９０を貫通して容器１２の外側へ
押びる電線管８８と接続する。

第２図と第３図には、本発明の二次電池装置９２を形成
するために複数のモジュール１０を組み立てて示しであ
る。

モジュールは直列に接続することが望ましい。

モジュール１０は、ポンプ９８、吸引管路１００および
ラック９４内の各容器１２の外側へ噴霧冷却水をかげる
ための水噴霧導管を備えた冷却水用タンク９６上に載る
ラック９４内に配置される。

また、第２図は、カバー１８を有するモジュールのトッ
プ部からカバー１８上のフック１０６に連結される線１
０４によって持ち上げられるモジュール１０のラック２
２を示す。

従って、ラック２２内の二次電池３８は取り出し、検査
、修理、交換、などが容易にできる。

モジュール１０の作動中、送風機５６は水素を容器１２
内の所望経路に沿って連続的に循環する。

そのような経路は周囲通路６６、横通路７０および中心
通路５０によって画定される。

この連続的水素循環は水素とセル３６を冷却すべくセル
３６と水素、および水素と外板（壁１４，１６および１
８）との間の熱伝達をもたらす。

また、それは水素を連続的に流してアノード表面に接触
させてセル３６の作動を最高にする。

容器１２の外板は熱を大気中へ消散することによって水
素に対する唯一の冷却手段として作用することができる
。

しかし、この冷却効果は、ポンプ９８および導管１００
．１０２（第２図）の操作によって行なう如く各容器１
２の外板上に水を噴霧することにより増幅されることが
望ましい。

また、それは必要ならば各モジュール１０内に内部冷却
装置を設けることができる。

そのような装置は、例えばポンプなどによって熱伝達媒
質を循環する冷却コイルを内蔵することができる。

本発明の二次電池装置は、金属−水素電池、特にニッケ
ルー水素電池の有効な性質を利用するために最適の設計
および配置を提供する。

この配置で、各セル３６はその性能に最も望ましい環境
に置かれる。

その上、本発明のモジュール装置は、広範囲のエネルギ
ー要求に適合すべくモジュールの無限の拡大およびモジ
ュール数の増大ができる。

セル３６の活性材料は無限に再使用できる。

各容器は密封されて完全充てんの水素を含むのに十分な
容積を有する。

水素は熱伝達および冷却媒質として酸素より優れる。

このことはセル３６の高効率と共に内部熱交換器の代り
に容器外板全体を冷却する。

水素の温度は、望ましくは各容器外側への冷却水の噴霧
によって大気の温度である約１５．５℃（６０″Ｆ）以
内に維持される。

セル３６は過充電や過放電によって過熱されたり損傷を
受けることはない。

その上、各容器１２内の水素圧が充電状態の信頼できる
目安となる。

高圧および低圧の限度を測定して各容器の充電および放
電を制御するためのセットができる。

各セル３６は化学的に安定で有害な反応を起すことはな
い。

各容器１２の水素は悪影響を与えることな（湿れたニッ
ケル・カソードの周囲を自由に循環できる。

各セルは低率で放電され、そして各二次電池は大気の状
態に比較的安定である。

二次電池に対する唯一の低温カットオフ点は電解液の氷
点〔普通、約−４０℃（−４０’Ｆ））である。

通常、各セルは７１℃（１６０″Ｆ）のようにかなり高
温で作動される。

モジュール１０は一般に風化に対する保護を要しない。

比較的高電圧、例えば１００ＯＶが必要な場合には、火
花放電の危険および過剰な短絡漏れ損失のために１個の
２次電池を利用することは不可能である。

その代りに、本発明におけるような多段の直列接続モジ
ュールがその問題を解決する。

従って、本発明の装置では希望の電圧が安全かつ効率的
な方法で得られる。

本発明の二次電池装置を利用した典型的な設備では、１
６個の鋼製円筒形モジュールが使用され、各モジュール
はそのカバーに連結された鋼製の垂直ラックを有し、そ
して１６個の二次電池が前記ラックのたな内で並列に接
続されている。

各モジュール・タンクは密封して約３５〜７ｋｇ／Ｃ／
Ｌ（５００〜１００ｐＳｉａ）の圧力で水素を充てんす
る、その最大圧力は完全充電状態を、そして最低圧力は
完全放電状態を表わす。

実際の圧力はこれらの限度内にある。各モジュール内の
各二次電流は４８個のセルを有し、その各セルは、例え
ば１．３０４Ｖの電圧を生じる、全体で６２．５Ｖとな
る。

各セルの寸法は、例えば外径７１ｃＩｒＬ×内径２２ｃ
ｒｆＬ（２８” Ｘ ８．５” ）である。

各二次電池内のセルが直列に配置されて１６個のモジュ
ールが直列に接続されると全体で１０００Ｖで１００
ＯＡを生じる。

各二次電池の電流出力は６２．５Ａである。

従って、各モジュールの出力は６２．５Ｖで１００ＯＡ
となる。

本発明の二次電池装置は種々の目的に適することは明ら
かである。

本装置の他の利点は前述した通りである。

本願の特許請求の範囲内で、本発明装置、その部品およ
びパラメーターにおいて種々の改良、変化および付加が
可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の二次電池装置の１つの電力モジュール
の実施態様の部分破断正面図；第２図は第１図の複数モ
ジュールの部分破断、部分断面、側面図で、複数のモジ
ュールはラック内に配置され、噴霧塔で冷却され、また
二次電池を含むラックからモジュールの１つを持ち上げ
ている状態を示す；第３図はラック内に組み込んだ第２
図のモジュールの平面略図；および第４図は第１図に示
すモジュールのラック内のたなに１つの二次電池を構成
する金属−水素セルのパイルの上下部分を示す部分横断
、側面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （（４）端壁と側壁を有して水素を入れた密封圧力
   容器と、 （ロ）一定間隔で直列に接続の金属−水素セルのパイル
   からなる二次電池を前記の各容器内で並列に接続しかつ
   実質的に同一に積み重ねた複数個の二次電池と、 （ノウ 前記容器から容易に引き出すことができるよ
   うに前記容器内に前記積み重ねた二次電池を保持する機
   構と、 に）前記セルの間および周囲に水素を循環し、かつ前記
   水素を冷却および再循環する機構、からなる電力モジュ
   ールを電気的に相互に接続した複数の電力モジュールか
   らなる、金属−水素二次電池装置。 ２Ｍのモジュールを利用して電圧Ｅボルトで電流■アン
   ペアを供給するために、各々が電圧Ｅ／Ｎボルトで電流
   Ｉ／Ｎアンペアを供給するようになっている二次電池を
   Ｎ個有する各モジュールを直列に接続するところの特許
   請求の範囲第１項の装置。 ３ 前記積み重ねた二次電池が前記容器壁から内側方向
   に離れて配置されて両者で周囲通路を画定し、前記のセ
   ルおよび二次電池が前記周囲通路と相互に連結の中心通
   路を画定し、そして前記水素循環機構が送・風機を含む
   ところの特許請求の範囲第１項の装置。 ４ 前記容器が円筒形であって、前記二次電池が前記保
   持機構を形成する垂直ラック内の横たな上に配置される
   ところの特許請求の範囲第１項の装置。 ５ 前記容器が取り外し自在のカバーを備え、そして前
   記ラックが前記カバーで支えられるところの特許請求の
   範囲第４項の装置。 ６ 前記セルが円板状で前記中心通路の一部分を形成す
   る中心開口を備え、前記中心通路が垂直で前記送風機の
   吸引端部で終るところの特許請求の範囲第５項の装置。 ７ 隣接する前記セルが定間隔を有して、前記容器内の
   水素流路を形成するために前記の周囲通路と中心通路と
   を連結する通路を形成する開放金属格子によって直列に
   接続されるところの特許請求の範囲第６項の装置。 ８ 前記各二次電池内のセルのパイルが上半分と下半分
   に分割されて、これら上下半分の隣接端部が所定の極性
   の中心端子に接続され、前記隣接端部の反対側の端部が
   前記極性と逆の極性の端子に接続されるところの特許請
   求の範囲第７項の装置。 ９ 前記冷却機構の熱吸収部が前記容器の水素流路に配
   置されるところの特許請求の範囲第８項の装置。 １０ 前記容器壁を介して前記水素流路内の水素との
   間接的な熱交換のために前記冷却機構が前記容器の外側
   に配置されるところの特許請求の範囲第８項の装置。 １１ 前記各パイルが前記各たな内で取り外し自在の
   ベローによって解放自在に圧縮され、そして前記各セル
   が水酸化ニッケルを含有し水性水酸化カリウムを含む隔
   離板によって白金触媒を有するアノード表面から隔離さ
   れたニッケル・カソードからなるところの特許請求の範
   囲第８項の装置。 １２ 前記モジュールが共通の前記外部冷却機構の１
   つに連結されるところの特許請求の範囲第１０項の装置
   。