空調服で電源として使われる二次電池

電池とは

 空調服こと、ファン付き作業着のファンを回す電源には、エネループ2000mAという単3電池、もしくは、リチウムイオンバッテリが用いられています。ここで、電池に関して概観してみましょう。

 定義としては、電池は、化学反応や物理反応によって放出さえるエネルギーを直流の電流に変換する装置のことです。

 さて、電池にはさまざまな種類が存在しますが、化学ポテンシャルによって内部で起こる化学反応によって創出された電気エネルギーから直流電流を起こす化学電池、および、熱や光などの物理的なエネルギーを電気エネルギーに変換する物理電池に大別されます。その他には、バイオ電池があります。
 化学電池には乾電池、充電式電池、燃料電池があります。物理電池には、光電池、太陽電池があります。
また、形状として、円筒形(R)、直方体の9V形(006P形)、コイン形(R)、ボタン形(R)、ピン形(R)、ガム形・角形(F)があります。形状記号として、Rは円形、Fは角形や平型を示しています。

一次電池

 一次電池とは、使い切りの電池で、外部回路への放電のみが不可逆的に行われるものです。

 歴史的には、1800年にボルタが作ったものが最初で、亜鉛板と銅板を希硫酸に浸したものから電力を生み出しました。
 具体的なものとして、マンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム一次電池、酸化銀電池、アルカリボタン電池、空気亜鉛電池などがあります。

二次電池

 二次電池とは、外部回路への放電後や自然放電後に充電することで電気を蓄えて繰り返し使うことができるものです。そのため、充電式電池、蓄電池とも呼ばれます。
 そして、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウム二次電池に分類されます。更に、鉛蓄電池は、産業用鉛蓄電池、小型制御弁式鉛蓄電池、自動車用バッテリーに分けられ、アルカリ蓄電池は、産業用アルカリ蓄電池、ニカド電池、ニッケル水素電池に分かられ、最後に、リチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、コイン形リチウム二次電池に分けられます。
 使い捨てではなく、充電することで何度も使うことができるので、資源が有効に利用されるため、エコロジーとして二次電池はとても有用な電源なのです。

 空調服で使われているエネループ2000mAという単3電池、もしくは、リチウムイオンバッテリは二次電池になります。それから、エネループは、ニッケル水素電池の商品名です。

燃料電池

 燃料電池とは蓄えられた電気を放電するのではなく、水素分子と酸素分子を電気化学的に反応させて電気を自ら生み出す装置のことです。2H2 + O2 → 2H2O + 4e-、という化学反応式で表され、水の電気分解と逆の反応であることが理解されます。反応式からも分かるように、原料は気体である水素と酸素であり、また、生成物は、電気の他には水だけですので、環境負荷のない電池となります。更に、発電効率も極めて良く、40-60%に及びます。

 燃料電池が実際に発電する部分をスタックと呼び、セパレーターという仕切りと、2枚のセパレーターで挟まれた、負極である燃料極、電解質、正極である空気極からなるセルで構成されます。1 kWの電気を作るのに、重ねられたセルが50枚程度必要になります。
 水素源としては、文字通りの水素に加えて、メタノール、天然ガス、ガソリンなどがあります。家庭用燃料電池は、都市ガスやLPGが水素源として使われ、その際生じた熱も湯を沸かすのに用いられています。

 電解質の種類によって方式が異なり、発電効率や運転温度が違ってきます。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質として固体高分子膜が使われ、作動温度常温が70-90 ºCになります。次に、りん酸形燃料電池(PAFC)は、電解質としてりん酸が使われ、作動温度常温が180-210 ºCになります。そして、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)は、電解質として溶融炭酸塩が使われ、作動温度常温が600-700 ºCになります。更に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質としてジルコニア系セラミックスが使われ、作動温度常温が700-1,000 ºCになります。家庭用燃料電池には、固体高分子形と固体酸化物形が使われ、燃料電池自動車には、固体高分子形が使われています。

物理電池

 物理電池とは、化学反応ではなく、光や熱などのエネルギーを電気に変える装置のことで、太陽電池、熱電池、原子力電池の種類があります。
 太陽電池は、光電池の一種であり、半導体の光起電力を利用して発電します。一般的に、p型とn型の半導体を合わせたpn接合型が用いられ、光が半導体に当たるとpn接合部付近に電子‐正孔対が形成された後、電子はn領域へ、また正孔はp領域へ移動してpからnへ向かう電流が生じることになります。
 現在使われている太陽電池は、結晶シリコン太陽電池で、単結晶、多結晶、アモルファスの結晶形態があります。

 熱電池とは、熱エネルギーを電気エネルギーに変える装置のことです。

 原子力電池とは、放射性元素が原子核崩壊によって放出される崩壊エネルギーを電気エネルギーに変える装置のことです。太陽光の届かない宇宙空間では、原子力電池では重要な電源となっています。

バイオ電池

 バイオ電池とは、糖やアルコールを燃料として電気エネルギーを発生させる装置のことで、生体内で起きている巧みなエネルギー変換反応が参考となっています。
 次世代の電池としておおいに期待を集めています。


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