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水素エネノレギーシステム Vo123No1(
1
9
9
8
)
研究論文
ニッケル・水素電池の試作とソーラー自動車への応用
星野博司、木村英樹、高本慶二、森井清史、内田裕久
東海大学工学部
〒2
59
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2
9
2 神奈川県平塚市北金目 1117
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1. 緒 言
2
. 実験方法
水素貯蔵合金を負極とするニッケノレ・水素電池別1-
2
.1合金基本特性測定方法
Ml却は、従来のニッケルーカドミウム例i
C
d
)電池に比
負極合金にはMm
N
i系水素吸蔵合金を使用した。合
べ、約 50%ほどの高容量を示す。近年、エレクトロニ
金はアーク溶解法で作製され、機械粉硝殺、焼鈍し、さ
クス機器用のd型蓄電池として商品イヒされたものの、大
らに水素を吸放出させ水素化粉砕したもの(粒径訪問n
型の N
i
品位I電池は商用の電気自動車に組み込まれて販
前後)を用いた。玉極材には水酸化ニッケノレを用いた。
売され始めたが、大型化された N
i
品田電池の特性に関
負極用に使用する合金の基本特性を以下の方法で測定
した。
する詳細な研究報告はなしも
本論文の著者の一人は、水素吸蔵合金を前もって
.
2
5
g
、銅粉末 0
.
7
5
gを混合する。
①制斗合金 0
KOH，NaOH，LiOH等の強アルカリ溺夜中で力闘処理
②混合体を電極成形金型に入れ、全圧 5
tで 1分間プレ
を行うと、水素分子や水分子の合金表面での解離が促進
スし成形する。
され、初期活t
生が容易になることを報告している[1，勾。
③成形したものにリード線(N
i
線)を接続する。
上記のか法で 2種類の電極を製作した。 1つは、合金
本研究では、従来得られている水素吸蔵合金に関する
品自の大型化を試み、試作し
基礎的知見に基づき、 Ni
粉体を 6N-KOH 8
0Cで 3時間力調L
処理したものと、
0
た雷也をソーラー自動車に搭載し、走行詰験により電池
他は処理をしないものとである。これらの電極に対し繰
特性を測定した。その結果について検討したので報告す
り返し充放電試験を行った 試験方法は、図・ 1に示す
る
。
ように基準になるもう一つの参照電極を含めた三電極式
1
9
9
8年 4月 初 日 受 理
量を有するの倍以上)水酸化ニッケルを使用した。電解
O
ヴ子った。対極の正極は、作用極に対して十分な電気容
由
。
白
。
液には、 6N-KOH瀦夜 5
仙 n
l使用した。
水素エネルギーシステム Vo123No1(
1
9
9
8
)
研究論文
で、セバレータは正負極聞の短絡防止とアルカリ蹴夜に
対する而摘虫と電解液の保持を考え、親水性のあるポリプ
口ビレン布を使用し、電解液には
6N
・
KOHを用いた。
1セルには、負極が 4枚、正極 3枚積層した。それぞれ
且 1， 7
.
2
Ahであり、それを 8層直列に
電極の容量は7.8
接続した。
3
. 結果及び考察
3
.
1 電極用合金の基本特性
図
・ 2は作製した負極の充電特性を、繰り返し充放電
回数 Nを
N
=
lから N4と増加させたときの初期活性
剛
化特性として示した。
図2では、充電を定電庄一 O
.
9
6
Vで行い、電気容量
を次式にしたがって水素吸蔵量として表示している。
図 1 三電極式開放型単槽セノレ
E
mAh/g二 三
3.6.M
2
.
2負極作製方法
ただし、 F =
96
4
8
4
.
5C，M:合金の式量 水素濃度(原
大容量韻亙の製作を容易にするために、上記調査した
y
合金五t
f
m
N
iの粉末を KOH処理したものを使用してベ
子比)
放電は毎回、電流密度 5
白n
A
l
gで行ったO この結果
ースト式電極を製作した。製作方法は次の通りであるの
KOHで前
①結着剤となるポリビニールアルコール(P
VA)を熱湯で
より、未処理の合金で作製した電極に比べ
I (銅粉体)を
溶かし、その中に合金粉体と電気伝導助斉J
処理した合金で作製した電極の方が優れた初期活性化特
入れJ
晶練させる。
性を示すことがわかる O 同様に作製した謡亜の放電特性
②C
Dのものを電極支持体となる発砲ニッケルに塗り込
を図・ 3 (充電電流密度 5
伽W g
，放電電流 5
臼nAl
g
)お
む
。
よび図 4 (充電電流密度 5
伽凶/宮ぅ放電電流 3
仙 nA
l
g
)
KOHによる前処理が、放電
③乾燥させロールプレス機で、プレスし電気導電性を高
に示す。いずれの場合も、
める
反応も促進していることがわかる
η
④リード線
(
N
i線)をスッポト溶接により接続する。
h
以上の結果より、強アルカリによる水素吸蔵合金の前
さらにこの謝亙に対して、いくつかのパラメータの違
処理は、初期の充電反応のみならず放電車度も高めるこ
う電極を製作したc すなわち、合金と銅粉体の重量比が
とがわかった。充電車度の向上は、走行中に常に太陽エ
1
:1でそれに対する PVA重量を lwt% :
3
w
t
% 5wt%
ネノレギーを充電するソーラー自動車にとって、きわめて
う
ヲ
(lwt%は合金と銅粉体重量に対する PAV重量 1%の意
重要な効果である。
味)のもの、また、 PVA重量が lwt%に対して合金と
3
.2負4
重特性
:
，
12
:1としたもの 6個である(電
銅粉体の重量比1:2，1
図5は
、 2
.
2項に従って作製した負極電極の充放電サ
)
1慎番に P
VAlwt% PVA3wt%，PVA5wt%，
極をそれぞれ.
フ
Cu1
l
2，Cul，Cu2，と呼ぶことにする)。
イクル数に対する放電容量特性である。実験装置は図
2
1に示したものを使用した。 PVAの影響が C
u
l
/
2を除
2
.
3 Ni柑 t電池の作製方法
く Cul，Cu2
，PVAlwt%
電極に高い放電容量が得られて
正極は市販されてし喝ニッケルー暗合電池のものを利
いる。 Cul と PVAlwt%の比較で、は、飽和放電容量は
用した。負極は上記検討してきたペースト式電極で、電
同じであるが、それまでに音「る放電容量に差があるこ
極試料 PVAlwt%のもので、ある O 電極の大きさは 6X7cm
とがわかる O
向
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9白
水素エネノレギーシステム Vo123No1(1998)
研究論文
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図2
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i系合金の KOH処理および未処理の水素吸増量の変化
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放電電荒 5
加山/における放電曲線
図 4MmN
i系合金の KOH処理および未処理の
白
。
図3
Mm
N
i系合金の KOH処理および未処理の
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150
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l
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1hour
O
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K
O
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paste ty'pe
図5合金、 Cu、PVAの混合重量のちがし、による
図6合金、
電極のサイクル容量特性
c
u、PVAの混合重量のちがし、による電極の
放電電流に対する放電容量特性
電気伝潮欄の影響についてみてみると、 Cul/2，
の1
)
債に放電容量が大きく、放電電流が大きいほど早く
Cul，Cu2の比較で Cu1
l
2だけが低い放電容量の値を
終了電圧に達し、見かけ上の雷也容量が低くなる様子
示しており、電気伝導助剤の量が少ないと電気伝導の
がうかがえる。また、 50C，
25C，
OOCの1
)
頂に電折d
勧日
ネットワークが形成されないと考えられる。図・6 は
による電圧降下並びに電池容量低下が大きくなってい
0
0
6個の電極のサイク;l-号え験終了後に高率誤験を行った
るが、これは温度が低いほど、電池内部抵抗が著しく
結果である。横軸に合金単位 g 当たりの放電電流、
高くなることを意味し、電池内部での反応速度が温度
縦軸にそのときの放電容量を示す。放電電流を増すご
に大きく依存することを意味している。
図
・8 は製作した電池の放電電流と放電容量グラフ
とに放電容量が減少していくが、図・5の最大放電容
量の低いものほど減少が顕著である。
である。、比較のために市販の代表的な電池ニッケル
3
.
3電池糊生
粋)とともにその特性をまとめたものである。比較に
野合制i
Zn)、鉛蓄電池(メーカーカタログから抜
図7に製作した N
i
l¥居王電池の放電特性をまとめ
用いた電也の電圧はそれぞれ異なるが容量は同じもの
た。電池の充電は、電流1Aで 8時間行い、放電にお
を選んである。図・8中の C(D
i
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a
胞)は充放電
a
)，
3A(
図 7・
b
)，
5A(
図 7・
c
)，
7A(
図
いては電流を l
A
(
図 7・
電流の大きさを表し、電池窓量を放電終了させる時間
7
・
d
)で、それぞれの電流に対して 0，25，50C温度につ
(HourRa
t
e
) の逆数である。
いて測定した。
各雷也とも放電電流の増加とともに、容量の低下を
0
見せるが Ni
品 1 は放電電流に対して容量の低下が少
グラフは電流1Aで数回充放電を繰り返した後の特
性で、 lA放電グラフを見てみると 7時間で終了電圧
ない。鉛蓄電池は、早期に容量低下を起こし、大電流
に達していることから、この電池の放電容量は 7品 1
放電には向かないと言える。本研究で試作した富也は、
l C放 電 で も 仰6
近くの容量を示し、鉛蓄電池に比
と仮定した。
電車を放電させると、電也内自抵抗により電圧降下
して劣らない放電特性を示す。しかし QOCでは容量
が起きる。電池起電力から内面耳丘抗による電圧降下を
の減少が著しく、側昆環境下での大電流放電には向か
)，
b
)，
c
)，
d
)
引いたものが電池電圧となる。図・7では、 a
ないと考えられる。
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水素エネノレギーシステム Vo
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図 7試作した雷也の各放電電流における放電曲線
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図 8各電池の放電電流と放電容量の関係
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0 1
0
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2
0 1
4
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6
01
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図 9試作した電池のサイクル寿命特性
-26-
8
研究論文
水素エネルギーシステム V
o
1
2
3No1(
1
9
9
8
)
表 1 各電也のエネルギー密度
Ni-Zn叫
Ni-MH
エネノレギー密度
(Wh/kg)
130
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*メーカーカタログ値:
ュアサ電池製
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(YNZ 7-13.6) 、 lead-acid
Ni-Zn:ュアサ電池製
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Current / A
図1
1太陽電也と Ni-ZN智也の併用による走行
図1
0太陽電也と Ni
・閲1雷也の併用による走行
テスト時の電流-電圧特性
テスト時の電流電圧特性
4. まとめ
図.
9に試作電池のサイクル寿命特性を示す。電池
活性化と同じ条件でサイクル 1
7
0回まで繰り返した
水素吸蔵合金表面に KOH閣夜を用し、て強アルカリ
生である。容量のばらつきは、電池が開放
サイクル特f
型のため過充電伏態の時に電解液量カ功定かするためで
処理を行うと、合金表面及び表面直下には K 原子が
ある。サイクル 1
7
0回後の放電容量はサイクノレ初期
進入し、電気化学的水素吸収反応速度は加速される事
の 75%
の容量を維持した。
実 [
1，
2
J に着目し、水素吸蔵合金同様のアルカリ処
uこ試作した Ni品田電也と上記 Ni-Zn電池、
理を行った負極を用いて大型ニッケ/レ・水素電池の試
表
鉛蓄電池のエネルギー密度を示した。 Ni
・阻I電也は
作を行い、ソーラー自動車に搭載し、走行テストを行
Ni
・
Zn電池の0.7倍であったが、鉛蓄電也の1.5倍を
っ
た
コ
作製された電池は、未処理の負極で作製された電池
得ることができた。
2
.
3項で示した電池を 10個製作し、ソーラー自動
よりも即、放電特性を示し、太f
あ包エネルギーで常に
車で実装試験を行ったO その結果を図・ 1
0、図・ 1
1に
充電可能なソーラー自動車にとって、有利となること
示ホ図聞 1
1は、市販の同容量の Ni
・
白1を実装したと
が明らかとなったっ
きのグラフある。両者を比較すると、ニッケル亜鉛電
今回作製されたニッケル・水素電池の内部抵抗は高
池と比較して製作した N
i
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¥
柾I電池は、電池自身の内
めであり、改良が必要である。今後、伝導助剤と結着
部抵抗が大きいことがわかる O 電池の内部抵抗は、そ
材の選択、負梅作製方法と構造の改良を行い、さらに
れぞれ、。o
cで 0.184Q，25Cで0.156Q，50Cで0.116
特性を改善することで国内外のソーラー自動車競技に
Q で、あった。
も十分使用可能なニッケル・水素電池の作製が可能で、
0
0
あると考えられる。
-27-
水素エネルギーシステム Vo123No1(
1
9
9
8
)
研究論文
謝幸
本研究は学校法人東海大学総合研究梯糟「ソーラー
カープロジェクト」及び「エネルギー材料プロジェク
ト」として行われたものである。また、合金表面処理
に関する研究の一部は、(財)エネルギー総合研究所
「新水素エネルギー霜正研究フ。ロジェクト」として行
われた。
参考文献
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. H且 Uchida
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e
ta
l
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