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 ニッケル水素電池の回路図 | |
| 比エネルギー | 55 ～75Wh / kg [1] [2] |
|---|---|
| エネルギー密度 | ~ 60 W·h / L [2] |
| 比出力 | ~ 220 W/kg [3] |
| 充放電効率 | 85% |
| サイクル耐久性 | >20,000サイクル[4] |
ニッケル水素電池（NiH 2または Ni–H 2 ）は、ニッケルと水素をベースにした充電式の電気化学電源です。[5]ニッケル水素電池（NiMH）とは異なり、気体の水素を使用し、最大 1200 psi（82.7 bar）の圧力で加圧セルに保存されます。 [6]ニッケル水素電池は、1971 年 2 月 25 日にソ連の Alexandr Ilich Kloss、Vyacheslav Mikhailovic Sergeev、Boris Ioselevich Tsenter によって米国で特許を取得しました。[7]
電解質として26%水酸化カリウム（KOH）を使用したNiH 2セルは、80%の放電深度（DOD）で15年以上の耐用年数を示しています[8]エネルギー密度は 75Wh / kg、60Wh / dm 3 [2]比出力220W / kgです。[3]開放電圧は1.55 V、放電中の平均電圧は1.25 Vです。[9]
エネルギー密度はリチウム電池の約3分の1に過ぎませんが、ニッケル水素電池の際立った長所はその長寿命です。セルは20,000回以上の充電サイクル[4]を処理し、エネルギー効率は85% 、ファラデー効率は100%です。
NiH 2 充電式電池は、人工衛星[10]や宇宙探査機における電気エネルギーの貯蔵に適した特性を持っています。例えば、ISS [11]、マーキュリーメッセンジャー[12]、マーズオデッセイ[13]、マーズグローバルサーベイヤー[14]にはニッケル水素電池が搭載されています。ハッブル宇宙望遠鏡は、打ち上げから19年以上経った2009年5月に最初の電池を交換したとき、低地球軌道上のNiH 2 [15]電池の中で最も多くの充放電サイクルを記録しました。[16]
歴史
ニッケル水素電池の開発は1970年にコムサットで始まり[17]、1977年にアメリカ海軍の航法技術衛星2号（NTS-2）に初めて搭載されました[18] 。現在、ニッケル水素電池の主要メーカーはイーグル・ピッチャー・テクノロジーズとジョンソン・コントロールズ社です。
特徴
ニッケル水素電池は、ニッケルカドミウム電池のニッケル正極と、燃料電池の触媒およびガス拡散要素を含む負極を組み合わせたものです。放電中、圧力容器に含まれる水素は水に酸化され、オキシ水酸化ニッケル電極は水酸化ニッケルに還元されます。水はニッケル電極で消費され、水素電極で生成されるため、水酸化カリウム電解質の濃度は変化しません。電池が放電すると水素圧力が低下し、信頼性の高い充電状態インジケーターを提供します。ある通信衛星用電池では、完全充電時の圧力が 500 ポンド/平方インチ (3.4 MPa) 以上でしたが、完全放電時には約 15 PSI (0.1 MPa) まで低下しました。
セルが過充電されると、ニッケル電極で生成された酸素がセル内に存在する水素と反応して水を形成します。その結果、発生した熱を放散できる限り、セルは過充電に耐えることができます。[疑わしい–議論する]
このセルには、自己放電率が比較的高いという欠点があります。つまり、カソード内で Ni(III) が Ni(II) に化学的に還元されるのです。
これはセル内の水素の圧力に比例します。設計によっては、数日の保管で容量の50%が失われることがあります。自己放電は温度が低いほど少なくなります。[1]
他の充電式電池と比較すると、ニッケル水素電池は、55～60ワット時/kgという優れた比エネルギーと、衛星用途での非常に長いサイクル寿命（40% DODで40,000サイクル）および動作寿命（15年以上）を提供します。セルは過充電や偶発的な極性反転に耐えることができ、セル内の水素圧力は充電状態の良い指標となります。しかし、水素は気体であるため、体積効率は比較的低く（IPV（個別圧力容器）セルの場合は60～100 Wh/L）、必要な高圧により圧力容器のコストが高くなります。[1]
正極は、水酸化ニッケルを含む乾式焼結[20]多孔質ニッケル板でできています。負極の水素電極には、7mg/cm2のテフロン結合白金黒触媒が使用され、セパレーターはニットジルコニア布（ZYK-15 Zircar）です。[21] [22]
ハッブル交換用バッテリーは、結合剤と粉末金属材料を成形し、加熱して液体を蒸発させる湿式スラリー法で製造されています。[23]
デザイン
- 個別圧力容器（IPV）設計は、圧力容器内のNiH2セルの単一ユニットで構成されています。[ 24 ]
- 共通圧力容器 (CPV) 設計は、共通圧力容器内に直列に接続された2 つの NiH 2セル スタックで構成されています。CPV は IPV よりもわずかに高い比エネルギーを提供します。
- 単一圧力容器 (SPV) 設計では、最大 22 個のセルを単一の圧力容器に直列に組み合わせます。
- バイポーラ設計は厚い電極をベースにしており、SPV内に正極と負極が背中合わせに積み重ねられています。[25]
- 従属圧力容器（DPV）セル設計は、より高い比エネルギーと低コストを実現します。[26]
- 共通/従属圧力容器（C/DPV）は、共通圧力容器（CPV）と従属圧力容器（DPV）のハイブリッドであり、高い容積効率を誇ります。[27]
- 回路図
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参照
参考文献
- ^ abc David Linden、Thomas Reddy (編)電池ハンドブック第3版、McGraw-Hill、2002年ISBN 0-07-135978-8第32章「ニッケル水素電池」
- ^ abc 宇宙船パワー システム ページ 9
- ^ ab NASA/CR—2001-210563/PART2 -Pag.10 2008-12-19にWayback Machineでアーカイブ
- ^ ab 5年間の最新情報：ニッケル水素産業調査
- ^ 「ニッケル水素電池の簡素化された物理ベースモデル」(PDF) 。 2016年3月3日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2008年10月25日閲覧。
- ^ ニッケル水素宇宙船バッテリーの取り扱いと保管方法
- ^ 密閉型ニッケル水素蓄電池 米国特許 3669744
- ^ 「長期ニッケル水素静止ミッション用水酸化カリウム電解質」（PDF） 。 2009年3月18日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2008年10月25日閲覧。
- ^ 宇宙船の電力サブシステムの最適化 - ページ40
- ^ Intelsat プログラム向け Ni-H2 セル特性評価
- ^ 軌道上テレメトリによる国際宇宙ステーションの電気性能モデルの検証 2009-02-18ウェイバックマシンにアーカイブ
- ^ NASA.govより
- ^ 惑星間宇宙船用の軽量で信頼性の高い単一バッテリー電源システム
- ^マーズ・グローバル・サーベイヤー 2009-08-10 ウェイバックマシンにアーカイブ
- ^ ハッブル宇宙望遠鏡整備ミッション4バッテリー
- ^ ハッブル宇宙望遠鏡のバッテリー交換における NiH2 の信頼性への影響
- ^ 「ニッケル水素電池技術 - 開発と現状」(PDF) 。 2009年3月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2012年8月29日閲覧。
- ^ NTS-2 ニッケル水素電池の性能 31 2009-08-10 にアーカイブされたWayback Machine
- ^ ハッブル宇宙望遠鏡整備ミッション 4 バッテリー
- ^ NiH2乾式焼結セルとスラリー電極セルの性能比較
- ^ [1] 2008年8月17日にWayback Machineにアーカイブされました。
- ^ ニッケル水素電池
- ^ ハッブル宇宙望遠鏡整備ミッション4バッテリー
- ^ ニッケル水素電池の概要 2009-04-12ウェイバックマシンにアーカイブ
- ^ 大規模バイポーラNiH2電池の開発。
- ^ 1995年依存圧力容器（DPV）
- ^ 共通/従属圧力容器ニッケル水素電池
さらに読む
- Albert H. Zimmerman（編）、ニッケル水素電池の原理と実践、The Aerospace Press、カリフォルニア州エルセグンド。ISBN 1-884989-20-9。
外部リンク
- ニッケル水素電池の設計、開発、応用の概要
- バイオパワー用途の埋め込み型ニッケル水素電池
- NASA ニッケル水素電池ハンドブック
- 地上太陽光発電システム用ニッケル水素電池
- 厚膜印刷技術を用いた微細加工ニッケル水素電池