「液体電池」で600km走る車、給水が充電電気自動車(2/3 ページ)

» 2014年07月25日 07時00分 公開
[畑陽一郎スマートジャパン]

動力源はどうなっている

 QUANT e-Sportlimousineの最大の特徴は冒頭に紹介した通り、電池システムを中核としたパワートレインにある。どのように電力が流れるのか、図3に従って説明する。

 同車には200Lのタンクが2つ備えられており(1)、それぞれ異なる水溶液AとBを蓄える。タンクはそれぞれ1つずつ「給水口」を備えている。水溶液から電力を取り出す「電池」を社名と同じnanoFLOWCELLと呼ぶ(2)。出力電圧は600V、出力電流は50Aだ。電池が出力した電力(30kW)を大容量キャパシタ(スーパーキャパシタ、3)に一時的に蓄え、その後モーターに供給する(4)。

 大容量キャパシタは蓄電容量の大きな「コンデンサ」だ。一般的な蓄電池とは異なり、ほとんどロスなく電力を充放電できる。さらに1秒間当たりに放電、蓄電できる電力が大きい。スポーツカーに対応できる電池システムとして優れた構成なのだという。大容量キャパシタの用途はもう1つある。回生電力を蓄え、必要に応じて放出することだ。図3にあるVCUは電池システム全体の制御部だ。

図3 QUANT e-Sportlimousineのパワートレインの構成 出典:nanoFLOWCELL

液体電池とはそもそも何なのか

 nanoFLOWCELLは、全く新規な蓄電池技術ではない。同社は1976年にNASAが特許を取得したレドックス技術に源流があるとしている。この技術は日本ではレドックスフロー蓄電池として実用化されている(関連記事)。

 まずはリチウムイオン蓄電池とレドックスフロー蓄電池を比較することで、「液体電池」の特徴をあぶり出していこう。

 リチウムイオン蓄電池ではリチウムイオン(Li)が、セパレーターを挟んで向かい合う負極(グラファイト)と、正極(リチウム金属酸化物)の間を行き来することで充放電が起きる。図4では放電時の様子を示した。リチウムイオンが正極から「溶け出す」「元に戻る」という反応をくり返すため、何度も充放電を行うと正極の(分子)構造が乱れていき、容量が当初よりも減ってしまう。これが寿命につながる。

図4 リチウムイオン蓄電池が放電している様子(セパレーターなどは省略)

 レドックスフロー蓄電池では金属イオンを含む2種類の水溶液、これをイオン交換膜で分離して配置する。2つの水溶液の間を行き来するのは、一般には水素イオン(H)だけ。それぞれの水溶液は充放電時に別々の水溶液の状態を保ったまま金属イオンの酸化還元(レドックス)反応を起こす*3)。溶出や析出などの現象は起きない。このため、リチウムイオン蓄電池のような寿命の問題が起きにくい。1万回以上の寿命(充放電サイクル)をたやすく実現できる。

*3) 金属イオンとしてバナジウム(V)やクロム(Cr)、マンガン(Mn)などを使ったレドックスフロー蓄電池が多い。住友電気工業が開発した容量2万kWhの電池(関連記事)では、正極側負極側ともバナジウムを用いている。充電時は正極側のバナジウムを含む4価のイオン(VO2+)が5価(VO2)になって電子を放出、負極側は3価のバナジウムイオン(V3+)が電子を取り込んで、2価のイオン(V2+)となる反応が起きる。

 NASAのレドックスフロー蓄電池に関する特許(US3996064 A、1976年)に添付された図の一部を図5に示す。負極側の水溶液が流れる部分を赤色で示した。「18」が水溶液タンク、「10」が電池セル、「11」がイオン交換膜、「14」が負極、「28」が例えば走行用モーターに当たる。「20」と「21」は水溶液循環用のポンプとモーターだ。nanoFLOWCELLにも「20」と「21」に相当する部品が使われており、電池システムにおける唯一の機械的な可動部だという。

図5 レドックスフロー蓄電池の基本構成(NASA特許) 出典:米国特許商標庁

 レドックスフロー蓄電池の長所はもう1つある。水溶液にエネルギーが蓄えられているため、大容量の電池が必要なら単にタンクの容量を増やせばよい。リチウムイオン蓄電池ではこうはいかない。

 ただしこのような長所は、そのままレドックスフロー蓄電池の短所にもなる。大容量のタンクが必要なため、小型化できないのだ。レドックスフロー蓄電池の用途は、電池の寸法よりも大容量化や長い寿命などが重視される定置型電池、例えば太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの平準化などだとされている。

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