JP2002165311A

JP2002165311A - デュアルモード車両及びその駆動電源装置

Info

Publication number: JP2002165311A
Application number: JP2000356860A
Authority: JP
Inventors: Koji Kadota; 浩次門田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】郊外・都心間などの専用軌道区間において
は高速で走行し、都心のオフィス街、郊外の団地内など
では通常の道路を走行することにより自由に路線が設定
でき、車両の高速性と乗客の利便性向上を両立させるこ
とが可能なデュアルモード車両及びその電動駆動装置に
おいて、搭載する電池の電気容量、電池寿命、リサイク
ル性および環境適性などを向上させる。【解決手段】受電用装置と、該受電用装置と電気的に
接続された駆動用主電源である三次元電池（活物質を粉
体にして一対のセル内の電解質溶液中に懸濁させて、前
記セルの複数組を積層したもの）を具備し、さらに太陽
電池、燃料電池あるいは三次元電池などの補助電源とを
組合せてなる駆動電源装置、そしてその駆動電源装置を
搭載したデュアルモード車両。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は三次元電池を搭載
したデュアルモード車両及びその駆動電源装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電池を搭載した車両としては、例
えば特開昭４７−２６８１２号公報の電気バスの運転方
式に示すように、車両運行中に搭載した蓄電池に補充電
を行い得るようにした電気バスが開示されており、また
特開平１０−１１７４０６号公報の電気自動車及びその
駆動電源装置に示すように、空調装置を具備し、リチウ
ム挿入可能な複合酸化物を負極活物質とする積層型リチ
ウムイオン二次電池からなる駆動用主電源と、非リチウ
ム系二次電池、太陽電池あるいは燃料電池などの補助電
源とを組合せてなる駆動電源装置、そしてその駆動電源
装置を搭載した回生制動が可能な電気自動車が開示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】蓄電池を搭載した電気
自動車において、屋根上に設置された受電用のパンタグ
ラフから走行中も該蓄電池に補充電を行う方法において
は、蓄電池そのものが従来の蓄電池を対象としたもので
あり電気容量、電池寿命、リサイクル性及び環境適性に
おいて必ずしも満足できるものではない。また、空調装
置を具備し、リチウム挿入可能な複合酸化物を負極活物
質とする積層型リチウムイオン二次電池からなる駆動用
主電源と、非リチウム系二次電池、太陽電池あるいは燃
料電池などの補助電源とを組合せてなる駆動電源装置、
そしてその駆動電源装置を搭載した回生制動が可能な電
気自動車においては、電池を最適な温度で使用するため
の保温又は空調装置が必要となり、重量増加につながっ
ていた。

【０００４】また、従来の蓄電池には次に示すような問
題点があるだけでなく、充電や交換等に多くの保守作業
がかかる等の欠点があった。（１）スケールアップが不可能である。蓄電池を流れる
電流は膜の面積に比例している。例えば、膜の面積が１
ｍ²で１Ｗの蓄電池があるとすると、これを１００万ｋ
ｗにするには１０億ｍ²の面積が必要となる。これは正
方形にすると約３２ｋｍ四方となり、フランジなどをつ
くることは現実的に不可能である。また、膜の枚数を増
やして対応しても、同様にスケールアップは不可能であ
る。（２）活物質・触媒の劣化に対応できない。従来の蓄電
池では、活物質・触媒などを蓄電池の構造材として兼用
しているので、劣化した場合は取り替えるしかないが、
現実的に取り替えは不可能で、劣化した蓄電池は廃却さ
れている。（３）充放電に伴う発熱・吸熱に対応する伝熱面が設置
できない。蓄電池の充放電に伴って発熱と吸熱があり、
温度が高くなると電力変換効率が低下し、逆に温度が低
くなると反応速度が遅くなるという電池特性から、蓄電
池の中に伝熱面を設ける必要がある。しかし、従来の蓄
電池は構造が複雑なため伝熱面は設置されていない。ま
た、蓄電池が小さく出力に対して電池表面積が小さいの
で、自然放冷、吸熱させている。また、温度ヒューズな
どを使って上限温度を設定しているが、温度制御装置は
設置されていない。（４）エネルギー密度が小さい。従来の蓄電池は、電流
が膜の面積に比例している。従って、例えば、膜の面積
が１ｍ²で１Ｗの蓄電池では、１０００ｋＷの蓄電池を
作る場合、膜の面積が１ｍ²で幅０．１ｍの膜状電池１
００万個が必要となって、１０００００ｍ³の大きさに
なりエネルギー密度を大きくすることはできない。

【０００５】本発明は、活物質を粉体にして容器の中に
粉体を入れた電池を構成することにより、容易にスケー
ルアップが可能で、劣化した活物質・触媒の再生や取り
替え等に対応でき、電池内に伝熱面を設置することがで
き、しかも、エネルギー密度を大きくすることができる
三次元電池を電源に用いるか、または主電源として用い
ることにより、これらの課題を解決することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の請求項１では、三次元電池を搭載したデュ
アルモード車両としている。請求項２では、受電用装置
と、該受電用装置と電気的に接続された三次元電池を搭
載したデュアルモード車両としている。請求項３では、
前記受電用装置がパンタグラフであることを特徴とし、
請求項４では、前記受電用装置が地面等に敷設された専
用軌道から集電することを特徴とするデュアルモード車
両としている。また、請求項５では、受電用装置と、該
受電用装置と電気的に接続された三次元電池を搭載し、
さらに補助電源を設けたことを特徴とするデュアルモー
ド車両としている。請求項６では、前記補助電源が燃料
電池であることを特徴とし、請求項７では、前記補助電
源が太陽電池であることを特徴とし、請求項８では前記
補助電源が三次元電池であることを特徴とするデュアル
モード車両としている。

【０００７】蓄電池として用いられる三次元電池におい
て、請求項９ではイオンは通過するが電気を通過させな
い部材を介して接続された一対のセルのうち、一方のセ
ルに電解質溶液を充填すると共に、該電解質溶液中に電
子を放出する活物質の粉体を懸濁させ、他方のセルに電
解質溶液を充填すると共に、該電解質溶液中に電子を吸
収する活物質の粉体を懸濁させてなる単位電池の複数組
を、前記セル間に隔壁を兼用し且つ前記粉体に接触する
導電性の集電部材を介在させて直列一体に連結し、両端
のセルに粉体と接触し且つ陽極電極及び陰極電極を兼用
した集電体を設けた三次元電池としている。

【０００８】活物質である粉体と接触する集電器につい
て、請求項１０では棒状、板状又は管状の何れかである
三次元電池としている。また、請求項１１では活物質で
ある粉体と接触する集電器が、容器内の活物質である粉
体を流動化させる液体又は気体による流動化流体分散手
段又は攪拌手段の少なくとも何れかの手段と兼用である
三次元電池としている。また、請求項１２では各セルに
電解質溶液中に懸濁された粉体を流動化させるための攪
拌手段を設けた三次元電池としている。さらに、請求項
１３では電池から送られる送電量を停止させるために、
前記粉体の流動化を停止させる機能を、前記攪拌手段に
付加した三次元電池としている。

【０００９】請求項１４では、一対の容器内に電池内の
反応温度を一定にするための伝熱体を設けた三次元電池
としている。また、請求項１５では伝熱体が活物質であ
る粉体と接触する管状の集電体又は板状の集電体の何れ
かである三次元電池としている。

【００１０】請求項１６では、一対の容器に、それぞれ
劣化した活物質である粉体を容器から抜き出すための手
段及び活物質である粉体を容器に供給するための供給手
段を接続した三次元電池としている。また、抜出手段と
して請求項１７では、抜き出した活物質である粉体を再
生する手段又は活物質である粉体の補充を行なうメーク
アップ手段の少なくとも何れかの手段を接続し、再生さ
れるか又は新しく取り替えられた活物質の粉体が供給手
段から各容器内に供給されるようにした三次元電池とし
ている。なお、請求項１８の抜出手段は、抜き出した活
物質である粉体を熱反応又は化学反応によって充電状態
の粉体に変化させる反応手段を接続し、充電状態となっ
た活物質の粉体が供給手段から容器内に供給されるよう
にした三次元電池としている。

【００１１】請求項１９では、陰極側の活物質である粉
体が水素吸蔵合金の粉体であり、陽極側の活物質である
粉体がニッケルの粉体である三次元電池としている。ま
た、請求項２０では陰極側の活物質である粉体が水素吸
蔵合金の粉体で、陰極側の流動化流体分散手段に導入さ
れる気体が水素であり、陽極側の活物質である粉体がニ
ッケルの粉体で、陽極側の流動化流体分散手段に導入さ
れる気体が酸素又は空気である三次元電池としている。

【００１２】駆動電源装置として、請求項２１では、受
電用装置と、該受電用装置と電気的に接続された三次元
電池を搭載したデュアルモード車両の駆動電源装置とし
ている。請求項２２では、前記受電用装置がパンタグラ
フであることを特徴とするデュアルモード車両の駆動電
源装置としている。請求項２３では、前記受電用装置が
地面等に敷設された専用軌道から集電することを特徴と
するデュアルモード車両の駆動電源装置としている。ま
た、請求項２４では、受電用装置と、該受電用装置と電
気的に接続された三次元電池を搭載し、さらに補助電源
を設けたことを特徴とするデュアルモード車両の駆動電
源装置としている。請求項２５では、前記補助電源が燃
料電池であることを特徴とするデュアルモード車両の駆
動電源装置としている。請求項２６では、前記補助電源
が太陽電池であることを特徴とするデュアルモード車両
の駆動電源装置としている。請求項２７では、前記補助
電源が三次元電池であることを特徴とするデュアルモー
ド車両の駆動電源装置としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面に基づき本発明の実施形
態を説明するが、本発明は以下の実施形態に何ら限定さ
れるものではなく、適宜変更して実施が可能である。図
１は請求項１に係る三次元電池を搭載したデュアルモー
ド車両の一実施形態を示す概要図である。三次元電池
（図示略）を搭載したデュアルモード車両１は、郊外・
都心間などの専用軌道区間２においては専用軌道（図示
略）上を高速で走行し、自由走行区間３、３ａ（郊外の
団地内、都心のオフィス街など）では通常の道路を走行
することにより自由に路線が設定でき、車両の高速性と
乗客の利便性向上を両立させることが可能としてある。

【００１４】図２は請求項２、請求項３、請求項２１、
請求項２２に係る受電用装置と、該受電用装置と電気的
に接続された三次元電池を搭載したデュアルモード車両
及びその駆動電源装置に関し、前記受電用装置がパンタ
グラフである場合の一実施形態を示す斜視図である。デ
ュアルモード車両１の屋根上に設置されたパンタグラフ
１１、１２（受電用装置）の端部は、前記デュアルモー
ド車両１内に設置された三次元電池１０と電気配線（図
示略）により電気的に接続され、変電所等の外部からの
電力を給用する架空線４、５より前記パンタグラフ１
１、１２（受電用装置）を経由して前記三次元電池１０
に充電が行われると同時に、主電動機１３が駆動され
る。主制御器１４は、前記主電動機１３の駆動（速度）
を制御するために設置されている。前記三次元電池１０
への充電は前述のように走行中に効率的に行われるが、
車両基地等において停車中でも可能である。

【００１５】図３は請求項４、請求項２３に係る受電用
装置が地面等に敷設された専用軌道から集電することを
特徴とするデュアルモード車両及びその駆動電源装置に
関するもので、専用軌道と受電装置の一部断面概略図で
ある。この場合にはデュアルモード車両１内の三次元電
池（図示略）への電力の供給は、専用軌道２０に沿って
設けられた集電装置２１によって行われる。

【００１６】図４は請求項５、請求項６、請求項７、請
求項８、請求項２４、請求項２５、請求項２６、請求項
２７に係る受電用装置と、該受電用装置と電気的に接続
された三次元電池を搭載し、さらに補助電源を設けたこ
とを特徴とするデュアルモード車両及びその駆動電源装
置に関する電気系統を中心とした構成の例を示す回路図
である。同図において、変電所等の外部から供給される
電力は、架空線４、５より受電用装置であるパンタグラ
フ１１、１２によって受電し、整流器／充電器３０で制
御した後に主電源と電気的な脱着を行うコネクター３１
を経由して主電源である三次元電池１０に充電される。
また同時に、外部電力は前記コネクター３１を経由し
て、主電動機１３に送られ、デュアルモード車両を駆動
するために使用される。前記主電動機１３の駆動の制御
には主制御器１４が設置されており、デュアルモード車
両の走行区間に対応した適切な速度制御等がなされる。
さらに、補助電源系としては太陽電池、燃料電池等を用
いる補助電源３２が設置されており、三次元電池１０ａ
も補助電源として用いることができる。前記補助電源３
２で供給される電力は、入力制御装置３３により入出力
のスイッチング／整流／電圧制御などを受けた後、補助
電源の三次元電池１０ａの充電に用いられるか、もしく
は出力系制御装置３４へ出力され、照明やエアコンなど
低電圧の低圧系負荷３５に供給される。また、これら補
助電源系は、加速時あるいは登坂時などの高速回転時の
主電源の補助電源及び走行距離延長の予備電源としても
用いられる。

【００１７】従来の蓄電池に替えて三次元電池１０を用
いることによる改良点のポイントは下記の通りである。
なお、本発明でいう三次元電池１０とは、活物質を粉体
にして一対のセル内の電解質溶液中に懸濁させて、前記
セルの複数組を積層したものと定義する。（１）スケールアップが可能である。蓄電池を流れる電
流は反応物質の表面積に比例している。そこで、活物質
を粉体にして電池をつくると、容器の中に粉体を入れた
三次元電池が構成される。すなわち、活物質を粉体にし
て電池をつくると、電池構造は三次元的となり、例え
ば、1リットルで１Ｗの電池ならば、１ｍ立方にすれば
１ｋＷ，１０ｍ立方にすれば１０００ｋＷ，１００ｍ立
方にすれば１００万ｋＷの電池となり、スケールアップ
が可能とな。また、活物質を粉体にして三次元電池をつ
くると、スケールメリットが発揮される。例えば、従来
の蓄電池が１ｋＷで１０万円とすれば、１００万ｋＷと
するには１００万個が必要となり１０００億円になる
が、本発明の三次元電池では、スケ−ルメリット、すな
わち、スケールが大きくなると製作単価が減少する効果
が発揮され、１億円程度で作ることができる。

【００１８】（２）劣化した活物質・触媒の再生や取替
え等が可能である。活物質・触媒は粉体にして電解質溶
液（電解液）の中で流動化させる。そして、活物質・触
媒の粉体が劣化した場合は抜き出し、再生するか、新し
い活物質・触媒に取り替えるか、又は熱反応や化学反応
で充電状態に戻して再び供給する構造とする。例えば、
活物質・触媒の粉体を容器から管によって電解液ととも
にスラリーとして抜き出し、粉体を電解液と分離して、
再生又は新品の追加等を行っ再び電解液と混合し、スラ
リーにしてスラリーポンプで三次元電池に供給する。ま
た、従来の蓄電池は、小型で約５００回の放充電が可能
であり、大型では連続８０００時間程度の作動時間であ
ったが、活物質・触媒の循環再生やメークアップ等によ
って、常に活物質・触媒が最高の状態に保たれるので、
三次元電池の寿命は電池設備の寿命となって、従来の蓄
電池の寿命を約５０倍から約１００倍に延ばす効果があ
る。

【００１９】（３）三次元電池内に伝熱面が設置でき
る。活物質・触媒は粉体にして気体、液体又は撹絆装置
で流動化し、この中に伝熱面を設置する。三次元電池内
に設置した伝熱面の伝熱は、粉体の流動化によって伝熱
速度が速く伝熱面積は小さくて良い。したがって、三次
元電池内に設置した伝熱面によって電池内の反応温度を
一定にすることができるようになり、温度が高くなると
電力変換効率が低下し、逆に温度が低くなると反応速度
が遅くなるという電池特性に対応できるようになる。ま
た、回収した熱及び冷熱を冷暖房や発電に利用すること
ができることになり、エネルギー発電効率、エネルギー
利用率が増加するという効果がある。

【００２０】（４）エネルギー密度を大きくすることが
できる。電池を流れる電流は反応物質の表面積に比例し
ている。そこで、活物質を粉体にして三次元電池を作
る。活物質を粉体にして三次元電池を作ると表面積が増
えて、例えば、１ｍ³の粉体で約３０００００ｍ²の表面
積になってエネルギー密度が大きくなる。また、例え
ば、従来の蓄電池が膜の面積１ｍ²で１Ｗであれば、３
０００ｋＷの蓄電池をつくる場合、面積１ｍ²で幅０．
１ｍの膜状電池３００万個が必要となって、３００００
０ｍ³の大きさになる。本発明の三次元電池では、これ
と同じ出力の蓄電池が粒子径１μｍの粉体を使用すれば
約１０ｍ³の大きさになり、エネルギー密度が３０００
０倍になって、エネルギー密度を大きくする効果があ
る。

【００２１】以下、三次元電池１０の実施形態について
説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定され
るものではなく、適宜変更して実施することが可能なも
のである。図５は、本発明の請求項９に係る三次元電池
１０の第１実施形態を示している。図において、フィル
ター４０を介して陰極セル４２、陽極セル４４が設けら
れ、陰極セル４２には陰極の粉体活物質及び電解質溶液
４６が装填され、陽極セル４４には陽極の粉体活物質及
び電解質溶液４８が装填されている。陰極、陽極の粉体
活物質としては、例えば、水素吸蔵合金とニッケル、カ
ドニウムとニッケル等を用いることができる。水素吸蔵
合金の具体例としては、一例として、Ｌａ_0. ₃（Ｃｅ，
Ｎｄ)_0.15Ｚｒ_0.05Ｎｉ_3.8Ｃｏ_0.8Ａｌ_0.5等が挙げられ
る。また、電解質溶液としては、例えば、ＫＯＨ水溶液
等が用いられる。なお、フィルター４０は、イオンを通
すためのフィルターで、粉体は通過しない膜であり、例
えば、素焼、イオン交換樹脂膜、金属繊維等が用いられ
る。

【００２２】また、陰極セル４２、陽極セル４４の中に
は、それぞれ導電体からなる陰極集電器５０、陽極集電
器５２が設けられており、前記集電器５０、５２が負荷
手段(放電の場合)又は発電手段(充電の場合)５６と接続
される。そして、粉体どうしの、あるいは粉体と集電器
５０、５２との接触効率を上げるために、気体又は液体
による流動化流体分散手段５４により各セル４２、４４
内の粉体を流動化（攪拌）させる。流動化流体分散手段
５４の代わりに、あるいは流動化流体分散手段５４とと
もに、各セル４２、４４内に羽状の撹絆機等の撹絆手段
を設けて粉体を流動化（攪拌）することもできる。

【００２３】なお、図５では図示を簡略化しているが、
流動化流体分散手段５４としては、気体又は液体をセル
内水平断面において均一に分散する分散板やスプレーノ
ズル等の装置を用いることができる。また、流動化流体
分散手段５４に導入される気体（又は液体）としては、
例えば、窒素、アルゴン等が用いられる。気体により粉
体を流動化させる場合、流動化流体分散手段５４に導入
された気体は、各セル４２、４４の上部から抜き出され
る。また、液体により粉体を流動化させる場合、流動化
流体分散手段５４に導入された液体は各セル４２、４４
の底部から抜き出される。なお、５８は電解液界面であ
る。

【００２４】つぎに本実施形態の三次元電池１０につい
て充電及び放電の詳細を説明する。（充電）三次元電池１０に電圧をかけ、陰極集電器５０
より電子を供給する。電子は陰極集電器５０より陰極の
粉体活物質に直接又は粉体を介して移動して反応する。
反応によって発生したイオンはフィルター４０を通過し
て陽極セル４４に入り、ここで陽極の粉体活物質と反応
して電子を放出する。この電子は粉体を介して、あるい
は直接、陽極集電器５２に移動して発電手段５６に送ら
れる。（放電）三次元電池１０に負荷をかけ、陰極集電器５０
より電子が供給される。電子は陰極セル４２内で陽イオ
ン化した活物質が放出し、陰極集電器５０に直接又は粉
体を介して移動する。反応によって発生したイオンはフ
ィルター４０を通過して陽極セル４４に入り、ここで陽
極の粉体活物質及び電子と反応する。電子は粉体を介し
てあるいは直接、陽極集電器５２に移動して負荷手段５
６に供給される。

【００２５】図６、図７は本発明の請求項１０による三
次元電池１０を示している。図６は、集電器と活物質の
粉体との接触効率を良くするために、陰極集電器及び陽
極集電器を、それぞれ、板状陰極集電器６０、板状陽極
集電器６２として接触面積を大きくしたものである。ま
た、図７は、集電器と活物質の粉体との接触効率を良く
するために、陰極集電器及び陽極集電器を、それぞれ、
管状陰極集電器６４、管状陽極集電器６６として接触面
積を大きくしたものである。なお、集電器の表面積が大
きくなる構成であれば、板状及び管状以外の形状を採用
することも可能である。なお、その他の構成及び作用は
前記第１の実施形態と同様である。

【００２６】図８、図９は、本発明の請求項１１及び１
２による三次元電池１０を示している。図８は陰極集電
器及び陽極集電器を、それぞれ、液体又は気体による流
動化流体分散器としたものである。また、図９は陰極集
電器及ぴ陽極集電器を、それぞれ、モータ等(図示略)に
より回転駆動される攪拌機としたものである。図８に示
すように、陰極集電器兼分散器６８、陽極集電器兼分散
器７０は、気体又は液体を各セル４２、４４内水平断面
において均一に分散する分散板やスプレーノズル等の装
置である。なお、各セル４２、４４内に羽根状の攪拌機
等の攪拌手段を設けることも可能である。

【００２７】また、図９に示すように、陰極集電器兼攪
拌機７２、陽極集電器兼攪拌機７４は、活物質の粉体を
攪拌（流動化）するとともに粉体と直流的に接触する機
能を兼ねている。陰極集電器兼攪拌機７２、陽極集電器
兼攪拌機７４としては、モータ等（図示略）により回転
駆動される羽根状の攪拌機等が用いられるが、攪拌手段
の構成は限定されるものではない。なお、図９では、液
体又は気体による流動化流体分散器７６も併用している
が、流動化流体分散器７６を設けない構成とすることも
可能である。なお、その他の構成及び作用は前記第１の
実施形態と同様である。

【００２８】本発明の請求項１３に係る三次元電池１０
では、該電池１０から送られる送電量を停止させるため
の機能を有している。例えば、モータ（図示せず）によ
り回転駆動される攪拌機においては、モータ電源をＯＦ
Ｆとすることにより停止させることができる。

【００２９】図１０、図１１は、本発明の請求項１４及
び１５に係る三次元電池１０を示したものである。本実
施形態は三次元電池１０内に伝熱面を設置するととも
に、伝熱面が集電器の機能を兼ねるようにしたものであ
る。なお、伝熱面と集電器とを別個に設ける構成とする
ことも可能である。図１０に示すように、陰極セル４２
内には陰極集電器兼伝熱管８２が設けられ、陽極セル４
４内には陽極集電器兼伝熱管８４が設けられる。また、
図１１に示すように、陰極セル４２内には陰極集電器兼
伝熱板８６が設けられ、陽極セル４４内には陽極集電器
兼伝熱板８８が設けられる。図１０を参照しながら、本
実施形態の三次元電池１０について充電及び放電の詳細
を説明する。（充電）三次元電池１０に電圧をかけ、陰極集電器（兼
伝熱管）８２より電子を供給すると、電子は陰極集電器
８２より陰極の粉体活物質に直接又は粉体を介して移動
して反応する。反応によって発生したイオンはフィルタ
ー４０を通過して陽極セル４４に入り、ここで陽極の粉
体活物質と反応して電子を放出する。この電子は粉体を
介して、或いは直接、陽極集電器（兼伝熱管）８４に移
動して発電手段５６に送られる。上述のとおり、集電器
は陰極、陽極とも伝熱管と兼用であり、粉体の接触によ
って電子と熱を同時に伝達する。陰極集電器兼伝熱管８
２、陽極集電器兼伝熱管８４には水や空気等の熱媒体が
流され、熱回収、熱供給が行われる。

【００３０】（放電）三次元電池１０に負荷をかけ、陰
極集電器８２より電子が供給される。電子は陰極セル４
２内で陽イオン化した活物質が放出し、陰極集電器８２
に直接又は粉体を介して移動する。反応によって発生し
たイオンはフィルター４０を通過して陽極セル４４に入
り、ここで陽極の粉体活物質及び電子と反応する。電子
は粉体を介して、或いは直接、陽極集電器８４に移動し
て負荷手段５６に供給される。

【００３１】図１１の場合は、集電器が陰極、陽極とも
空洞になった伝熱板と兼用であり、粉体の接触によって
電子と熱を同時に伝達する。陰極集電器兼伝熱板８６，
陽極集電器兼伝熱板８８には水や空気等の熱媒体が流さ
れ、熱回収、熱供給が行われる。また、充電及び放電の
詳細は図１０と同様である。なお、伝熱面の形状は管状
及び板状に限定されるものではなく、他の形状を採用し
てもよい。その他の構成及び作用は、前記第１実施形態
と同様である。なお、本実施形態の構成を、前記各実施
形態及び後述する実施形態の構成と組み合わせることも
可能である。

【００３２】図１２、図１３は、本発明の請求項１６か
ら１８に係る三次元電池１０を示すものである。本実施
形態は活物質である粉体を容器から抜き出す抜出装置及
び活物質である粉体を容器に供給する供給装置を設け、
さらに、抜き出した粉体を再生する装置、粉体のメーク
アップ（補充）を行う装置、抜き出した粉体を熱反応又
は化学反応によって充電状態の粉体に変化させる装置等
を設けたものである。まず、本実施形態の電池について
充電及び放電の詳細を説明する。（充電）三次元電池１０に電圧をかけ、陰極集電器５０
より電子を供給する。電子は陰極集電器５０より陰極の
粉体活物質に直接又は粉体を介して移動して反応する。
反応によって発生したイオンはフィルター４０を通過し
て陽極セル４４に入り、ここで陽極の粉体活物質と反応
して電子を放出する。この電子は粉体を介して、あるい
は直接、陽極集電器５２に移動して発電手段５６に送ら
れる。（放電）三次元電池１０に負荷をかけ、陰極集電器５０
より電子が供給される。電子は陰極セル４２内で陽イオ
ン化した活物質が放出し、陰極集電器４０に直接又は粉
体を介して移動する。反応によって発生したイオンはフ
ィルター４０を通過して陽極セル４４に入り、ここで陽
極の粉体活物質及び電子と反応する。電子は粉体を介し
て、又は直接、陽極集電器５２に移動して負荷手段５６
に供給される。その他の構成及び作用は、前記第１実施
形態と同様である。

【００３３】つぎに、図１２を参照しながら、活物質
（触媒）の再生、メークアップの詳細を説明する。な
お、図１２では、陰極側の構成のみを図示しているが、
同様の装置等が陽極側にも設置されている。図１２に示
すように、充放電によって劣化した活物質である粉体
は、電解質溶液（電解液）とともにスラリーとして陰極
セル４２から抜き出され、セパレーター９０で、必要な
場合は一部又は全部が廃棄される。電解液が分離され、
セパレーター９０から再生機９２に供給された粉体は、
再生機９２で塩酸による洗浄等の酸処理などが行われ
る。再生機９２で再生処理された粉体は、混合機９４に
供給されて、ここでセパレーター９０から廃棄された粉
体分に相当する量の新しい粉体がメークアップ用粉体ホ
ッパー９６から供給される。再生・メークアップされた
粉体は、混合機９４で再び電解液と混合され、スラリー
としてスラリーポンプ（図示略）から陰極セル４２に供
給される。なお、電解液を分離・混合する構成は図示を
省略している。なお、その他の構成及び作用は前記第１
の実施形態と同様である。

【００３４】また、図１３を参照しながら、反応による
再生、メークアップの詳細を説明する。なお、図１３で
は、陰極側の構成のみを図示しているが、同様の装置等
が陽極側にも設置されている。図１３に示すように、充
放電によって生成された粉体は電解液とともにスラリー
として陰極セル４２から抜き出され、セパレーター９０
で、必要な場合は一部又は全部が廃棄される。電解液が
分離され、セパレーター９０から反応器９８に供給され
た粉体は、反応器９８で、燃料供給管９９から供給され
た燃料と反応して、再び放電できる活物質となる。反応
器９８で充電状態となった粉体は、混合機９４に供給さ
れて、ここでセパレーター９０から廃棄された粉体分に
相当する量の新しい粉体がメークアップ用粉体ホッパー
９６から供給される。再生・メークアップされた粉体は
混合機９４で再び電解液と混合され、スラリーとしてス
ラリーポンプ（図示略）から陰極セル４２に供給され
る。なお、電解液を分離・混合する構成は、図示を省略
している。

【００３５】反応器９８では、例えば、ニッケル水素型
電池の場合、次の反応が行われる。Ｍ＋ｘ／２Ｈ₂→ＭＨｘこれによって充電時に行われる以下の反応で生成される
ＭＨｘと同じ活物質が生成される。Ｍ＋ｘＨ₂Ｏ＋ｘｅ^-→ＭＨｘ＋ｘＯＨ^- 陽極の反応器では、ニッケル水素型電池の場合、酸素又
は空気により次の反応が行われる。Ｎｉ（ＯＨ）₂＋１／４Ｏ₂→ＮｉＯＯＨ＋１／２Ｈ₂Ｏこれによって充電時に行われる以下の反応で生成される
ＮｉＯＯＨと同じ活物質が生成される。Ｎｉ（ＯＨ）₂＋ＯＨ^-→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- また、本実施形態の構成を、前記各実施形態の構成と適
宜組み合わせることも可能である。なお、その他の構成
及び作用は前記第１の実施形態と同様である。

【００３６】図１４は、本発明の請求項１９及び２０に
係る三次元電池１０を示している。本実施形態は、陰極
の活物質である粉体を水素吸蔵合金とし、陰極の攪拌
（流動化）用気体を水素とし、陽極の活物質である粉体
をニッケルとし、陽極の攪拌（流動化）用気体を酸素又
は空気としたものである。図１４に示すように、陰極セ
ル４２には水素吸蔵合金粉及び電解質溶液７８が装填さ
れ、陽極セル４４にはニッケル粉及び電解質溶液８０が
装填されている。また、流動化流体分散手段５４によ
り、陰極セル４２には水素が供給され、陽極セル４４に
は酸素又は空気が供給されている。なお、水素吸蔵合金
としては、例えば、Ｌａ_0.3（Ｃｅ，Ｎｄ）₀ _.15Ｚｒ
_0.05Ｎｉ_3.8Ｃｏ_0.8Ａｌ_0.5等が用いられる。また、電
解質溶液としては、例えば、ＫＯＨ水溶液等が用いられ
る。

【００３７】陰極セル４２では、水素吸蔵合金粉及び電
解質溶液７８の中に水素が供給されて次の反応が起こ
る。Ｍ＋ｘ／２Ｈ₂→ＭＨｘ負荷手段５６の負荷をかけると、水素吸蔵合金に吸蔵さ
れている水素は、電解質溶液中の水酸基と反応して電子
と水を放出する。ＭＨｘ＋ｘＯＨ^-→Ｍ＋ｘＨ₂Ｏ＋ｘｅ^- 放出された電子は、陰極集電器５０に直接又は水素吸蔵
合金粉を介して移動する。電子は陰極集電器５０より負
荷手段５６を通り陽極集電器５２に移動する。電子は、
陽極集電器５２からニッケル粉に移動し、ニッケル粉を
介して、又は直接移動して水と反応し、水酸化ニッケル
と水酸基が生成される。水酸基はフィルター４０を通過
して陰極セル４２に導かれ、水素化金属と反応する。ＮｉＯＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^-→Ｎｉ（ＯＨ）₂＋ＯＨ^- 陽極セル４４では、ニッケル水素型電池の場合、酸素又
は空気により次の反応が行われる。Ｎｉ（ＯＨ）₂＋１／４Ｏ₂→ＮｉＯＯＨ＋１／２Ｈ₂Ｏこれによって充電時に行われる以下の反応で生成される
ＮｉＯＯＨと同じ活物質が生成される。Ｎｉ（ＯＨ）₂＋ＯＨ^-→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- 他の構成及び作用は、前記第１形態と同様である。な
お、本実施形態の三次元電池１０は、前記各実施形態の
構成で実施することも勿論可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。請求項１から４記載に
係る発明及び請求項２１から２３記載に係る発明におい
ては、従来の電気バスのように充電を長時間の駐車によ
って行う必要がないばかりでなく、蓄電池を使用した場
合に比べ三次元電池を使用することによって、より大き
な容量の電力が容易に得られ、デュアルモード車両の走
行距離を飛躍的に向上できるとともに、搭載荷重が軽減
されより軽量になる。

【００３９】請求項５から８記載に係る発明および請求
項２４から２７記載に係る発明においては、主電源に加
えて補助電源を搭載しており、該補助電源を駆動電源の
予備に用いることによってデュアルモードバスの走行距
離はさらに延長される。特に加速時あるいは登坂時など
の三次元電池の負荷が大きい時の補助電源として大きな
効果を発揮する。また、照明やエヤコンなどの電源とし
て利用できるメリットも大きい。さらに前記補助電源に
燃料電池あるいは太陽電池を用いた場合には環境適性に
も優れているばかりでなく、前記補助電源に三次元電池
を用いると充電も可能となり、電気容量をさらに増加さ
せることができ、太陽電池等のエネルギーを効率的かつ
有効に利用できる。

【００４０】また、請求項９から２０記載に係る発明に
おいては、三次元電池を用いることにより以下に示すよ
うな効果がある。（１）活物質を粉体にして容器の中に粉体を入れた電池
を構成することにより、電池構造は三次元的となり、ス
ケールアップが可能となる。また、活物質を粉体にして
電池を構成することにより、スケールが大きくなると製
作単価が減少することになり、スケールメリットが発揮
される。（２）活物質・触媒の粉体が劣化した場合は抜き出し、
再生するか、新しい活物質・触媒に取り替えるか、又は
熱反応や化学反応で充電状態に戻して、再び供給する構
成とすることにより、常に活物質・触媒が最高の状態に
保たれるので、三次元電池の寿命は電池設備の寿命とな
って、電池寿命を大幅に延ばすことができる。（３）三次元電池内に伝熱面を設置することができ、三
次元電池内に設置した伝熱面によって電池内の反応温度
を一定にすることができるようになり、温度が高くなる
と電力変換効率が低下し、逆に温度が低くなると反応速
度が遅くなるという電池特性に対応できるようになる。
また、回収した熱及び冷熱を冷暖房や発電に利用するこ
とができることになり、エネルギー発電効率、エネルギ
ー利用率が増加する。（４）活物質を粉体にして三次元電池を構成することに
より、反応物質の表面積が増えてエネルギー密度が大き
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１に係る三次元電池を搭載した
デュアルモード車両の一実施形態を示す概要図である。

【図２】本発明の請求項２〜３及び請求項２１〜２２に
係る三次元電池を搭載したデュアルモード車両及びその
駆動電源装置に関する一実施形態を示す斜視図である。

【図３】本発明の請求項４、請求項２３に係る受電用装
置が地面等に敷設された専用軌道から集電することを特
徴とするデュアルモード車両及びその駆動電源装置に関
する一部断面概略図である。

【図４】本発明の請求項５〜８及び請求項２４〜２７に
係る三次元電池を搭載し、さらに補助電源を設けたこと
を特徴とするデュアルモード車両及びその駆動電源装置
に関する電気系統を中心とした一構成例を示す回路図で
ある。

【図５】本発明の請求項９に係る三次元電池の第１実施
形態を示す概略断面構成図である。

【図６】本発明の請求項１０係る三次元電池の実施形態
を示す概略断面構成図である。

【図７】本発明の請求項１０に係る三次元電池の実施形
態を示す概略断面構成図である。

【図８】本発明の請求項１１に係る三次元電池の実施形
態を示す概略断面構成図である。

【図９】本発明の請求項１２に係る、三次元電池の実施
形態を示す概略断面構成図である。

【図１０】本発明の請求項１４に係る、三次元電池の実
施形態を示す概略断面構成図である。

【図１１】本発明の請求項１５に係る、三次元電池の実
施形態を示す概略断面構成図である。

【図１２】本発明の請求項１６〜１８に係る、三次元電
池の実施形態を示す概略断面構成図である。

【図１３】本発明の請求項１６〜１８に係る、三次元電
池の実施形態を示す概略断面構成図である。

【図１４】本発明の請求項１９〜２０に係る、三次元電
池の実施形態を示す概略断面構成図である。

【符号の説明】

１デュアルモード車両２専用軌道区間３、３ａ自由走行区間４、５架空線１０、１０ａ三次元電池１１、１２パンタグラフ（受電用装置）１３主電動機１４主制御器２０専用軌道２１集電装置３０整流器と充電器３１コネクター３２補助電源（太陽電池、燃料電池など）３３入力制御装置３４制御装置３５低圧系負荷（照明、エアコンなど）４０フイルター４２陰極セル４４陽極セル４６陰極の粉体活物質及ぴ電解質溶液４８陽極の粉体活物質及ぴ電解質溶液５０陰極集電器５２陽極集電器５４流動化流体分散手段５６負荷手段又は発電手段５８電解液界面６０板状陰極集電器６２板状陽極集電器６４管状陰極集電器６６管状陽極集電器６８陰極集電器兼分散器７０陽極集電器兼分散器７２陰極集電器兼撹幹機７４陽極集電器兼撹幹機７６流動化流体分散器７８水素吸蔵合金粉及ぴ電解質溶液８０ニッケル粉及ぴ電解質溶液８２陰極集電器兼伝熱管８４陽極集電器兼伝熱管８６陰極集電器兼伝熱板８８陽極集電器兼伝熱板９０セパレーター９２再生機９４混合機９６メークアップ用粉体ホッパー９８反応器９９燃料供給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 10/30 Ｈ０１Ｍ 14/00 Ｚ 14/00 Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元電池を搭載したデュアルモード車
両。
【請求項２】受電用装置と、該受電用装置と電気的に
接続された三次元電池を搭載したデュアルモード車両。
【請求項３】受電用装置がパンタグラフであることを
特徴とする請求項２記載のデュアルモード車両。
【請求項４】受電用装置が地面等に敷設された専用軌
道から集電することを特徴とする請求項２記載のデュア
ルモード車両。
【請求項５】補助電源を設けたことを特徴とする請求
項２記載のデュアルモード車両。
【請求項６】補助電源が燃料電池であることを特徴と
する請求項５記載のデュアルモード車両。
【請求項７】補助電源が太陽電池であることを特徴と
する請求項５記載のデュアルモード車両。
【請求項８】補助電源が三次元電池であることを特徴
とする請求項５記載のデュアルモード車両。
【請求項９】三次元電池が、イオンは通過するが電気
を通過させない部材を介して接続された一対のセルのう
ち、一方のセルに電解質溶液を充填すると共に、該電解
質溶液中に電子を放出する活物質の粉体を懸濁させ、他
方のセルに電解質溶液を充填すると共に、該電解質溶液
中に電子を吸収する活物質の粉体を懸濁させてなる単位
電池の複数組を、前記セル間の隔壁を兼用し且つ前記粉
体に接触する導電性の集電部材を介在させて直列一体に
連結し、両端のセルに粉体と接触し且つ陽極電極及び陰
極電極を兼用した集電体を設けた三次元電池である請求
項１〜８のいずれかに記載のデュアルモード車両。
【請求項１０】活物質である粉体と接触する集電装置
が棒状、板状又は管状の何れかである三次元電池を用い
たことを特徴とする請求項９記載のデュアルモード車
両。
【請求項１１】活物質である粉体と接触する集電装置
が、容器内の活物質である粉体を流動化させる液体又は
気体による流動化流体分散手段又は攪拌手段の少なくと
も何れかの手段と兼用である三次元電池を用いたことを
特徴とする請求項９記載のデュアルモード車両。
【請求項１２】各セルに電解質溶液中に懸濁された粉
体を流動化させるための攪拌手段を設けた三次元電池を
用いたことを特徴とする請求項９記載のデュアルモード
車両。
【請求項１３】電池から送られる送電量を停止させる
ために、前記粉体の流動化を停止させる機能を、前記攪
拌手段に付加した三次元電池を用いたことを特徴とする
請求項１２記載のデュアルモード車両。
【請求項１４】一対の容器内に、電池内の反応温度を
一定にするための伝熱体を設けた三次元電池を用いたこ
とを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載のデュ
アルモード車両。
【請求項１５】伝熱体が活物質である粉体と接触する
管状の集電体又は板状の集電体の何れかである三次元電
池を用いたことを特徴とする請求項１４記載のデュアル
モード車両。
【請求項１６】一対の容器に、それぞれ劣化した活物
質である粉体を容器から抜き出すための手段及び活物質
である粉体を容器に供給するための供給手段を接続した
三次元電池を用いたことを特徴とする請求項９〜１５の
いずれかに記載のデュアルモード車両。
【請求項１７】抜出手段に、抜き出した活物質である
粉体を再生する再生手段又は活物質である粉体の補充を
行なうメークアップ手段の少なくとも何れかを接続し、
再生されるか又は新しく取り替えられた活物質の粉体が
供給手段から各容器内に供給されるようにした三次元電
池を用いたことを特徴とする請求項１６記載のデュアル
モード車両。
【請求項１８】抜出手段に、抜き出した活物質である
粉体を熱反応又は化学反応によって充電状態の粉体に変
化させる反応手段を接続し、充電状態となった活物質の
粉体が供給手段から容器内に供給されるようにした三次
元電池を用いたことを特徴とする請求項１６又は１７記
載のデュアルモード車両。
【請求項１９】陰極側の活物質である粉体が水素吸蔵
合金の粉体であり、陽極側の活物質である粉体がニッケ
ルの粉体である三次元電池を用いたことを特徴とする請
求項９〜１８のいずれかに記載のデュアルモード車両。
【請求項２０】陰極側の活物質である粉体が水素吸蔵
合金の粉体で、陰極側の流動化流体分散手段に導入され
る気体が水素であり、陽極側の活物質である粉体がニッ
ケルの粉体で、陽極側の流動化流体分散手段に導入され
る気体が酸素又は空気である三次元電池を用いたことを
特徴とする請求項９〜１９のいずれかに記載のデュアル
モード車両。
【請求項２１】受電用装置と、該受電用装置と電気的
に接続された三次元電池を搭載したデュアルモード車両
の駆動電源装置。
【請求項２２】受電用装置がパンタグラフであること
を特徴とする請求項２１記載のデュアルモード車両の駆
動電源装置。
【請求項２３】受電用装置が地面等に敷設された専用
軌道から集電することを特徴とする請求項２１記載のデ
ュアルモード車両の駆動電源装置。
【請求項２４】補助電源を設けたことを特徴とする請
求項２１記載のデュアルモード車両の駆動電源装置。
【請求項２５】補助電源が燃料電池であることを特徴
とする請求項２４記載のデュアルモード車両の駆動電源
装置。
【請求項２６】補助電源が太陽電池であることを特徴
とする請求項２４記載のデュアルモード車両の駆動電源
装置。
【請求項２７】補助電源が三次元電池であることを特
徴とする請求項２４記載のデュアルモード車両の駆動電
源装置。