制御弁式鉛蓄電池 制御弁式鉛蓄電池の概要

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制御弁式鉛蓄電池

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/03/28 00:12 UTC 版)

12ボルト制御弁式鉛蓄電池。小型無停電電源装置や非常灯で使われる。

VRLA電池には吸収ガラスマット（AGM）型とゲル電池型の2つの主要な種類が存在する^[3]。

ゲル電池は、電解質にシリカ粉末を加えることで、粘度が高く、パテのようなゲルを形成させる。AGM電池は極板間にガラス繊維メッシュを挟み、これが電解質を吸収し、極板を隔離する役割を果たす。どちらも従来型の鉛蓄電池に対する長所と短所があり、AGM型とゲル型の比較でも同様である^[4]。

電解質がマットに吸収されているあるいはゲル化しているため、VRLAはどのような向きでも据え付けることができ、定期的なメンテナンスを必要としない。「メンテナンスフリー」という呼び方は誤った名称であり、VRLA電池は洗浄や定期的な機能検査を必要とする。VRLA電池は大型の持ち運び可能な電気機器、オフグリッド電力系統などで広く使われている。

歴史

最初の鉛酸ゲル電池は1934年にElektrotechnische Fabrik Sonneberg社によって発明された^[5]。現代的なゲル電池は1957年にSonnenschein（英語版）社のOtto Jacheによって発明された^[6][7]。最初のAGM電池は1972年にGates Rubber Corporationによって特許が取得されたサイクロン（cyclon）であり、現在はエナーシス（英語版）社によって生産されている^[8]。サイクロンは薄い鉛箔電極がらせん状に巻かれた構造をしている。数多くのメーカーがこの技術に飛び付いて、従来型の平らな極板を持つ電池に実装した。1980年代中頃、イギリスの2つの企業、ChlorideとTungstoneが同時に、容量最大400 Ahで寿命が10年のAGM電池を発売した。同時期、Gatesが航空機用ならびに軍用電池を専門とするイギリス企業Varleyを買収した。Varleyはサイクロンの鉛箔技術を改良して並外れて高い出力を持つ平板電池を生産した。Varleyの電池は当時標準であったニッケル・カドミウム蓄電池を代替する初めての電池として、ジェット旅客機BAe 125およびBAe 146、戦闘機ハリアーおよびハリアーII、一部のF-16など様々な航空機に採用された^[6]。

基本原理

詳細は「鉛蓄電池」を参照

1953年の自動車用電池の切り欠き図

鉛蓄電池は、希硫酸からなる電解液の中に吊された電極として機能する2枚の鉛の板（鉛と二酸化鉛）から構成される。VRLA電池の化学的原理は同じであるが、電解液が動かないようにされているのが違いである。AGMでは電解液をガラス繊維マットに染み込ませることでこれが達成されている。ゲル電池では電解液にシリカやその他のゲル化剤を添加することによって電解液をペースト状のゲル形状としている^[9]。

電池が放電する時、鉛および二酸化鉛と硫酸が化学反応を起こして、硫酸鉛と水を生成する。電池が充電される時は、硫酸鉛と水が反応して鉛、二酸化鉛、硫酸に戻る。全ての形式の鉛蓄電池において、充電電流は電池のエネルギー吸収能力と合致するよう調整されなければならない。もし充電電流が大き過ぎると、意図されている硫酸鉛と水の二酸化鉛、鉛、および硫酸への変換（放電過程の逆反応）に加えて電気分解が起こり、水が水素と酸素に分解される。もし従来型の液式電池のようにこれらの気体が容器から抜け出すことができるとすると、時々水（または電解液）を補充する必要がある。対照的に、VRLA電池は内圧が安全なレベルにある限り、生成した気体を電池内部に保持する。正常な作動条件下では、充電時に正極での水の電気分解

${\displaystyle {\ce {2H2O -> O2 + 4H^+ + 4e^-}}}$

によって生成した酸素は負極吸収反応

${\displaystyle {\ce {O2 + 2Pb -> 2PbO}}}$

${\displaystyle {\ce {2PbO + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {2PbSO4 + 4e^- + 4H^+ -> 2Pb + 2H2SO4}}}$

によって水に戻るため、水の損失と容器内圧の上昇が抑制される^[10]。しかしながら、圧力が安全限界を超過すると、安全弁が開き、過剰な気体（主に水素）を放出する^[11]。

構造

VRLA電池中の個々のセルには圧力解放弁がある^[11]。完全に密閉されていないが、メンテナンスフリーとなるように設計されている。通常の鉛蓄電池と異なり、どの向きにも配置することができる。通常の鉛蓄電池は、酸性電解液が溢れないように、そして極板の方向を垂直に保つように真っすぐに立てなければならない。VRLA電池では、極板が水平方向になるように置いて使うことができ、そのほうが寿命が延びる^[12]。