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【発明の名称】 デュアルモード車両及びその駆動電源装置
【発明者】 【氏名】門田 浩次
【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。
【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。
【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１ｍ2で１Ｗの蓄電池があるとすると、これを１００万ｋｗ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１００万個が必要となって、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１１、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３２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、３０００ｋＷ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、３０００００ｍ3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３００００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、Ｌａ0.3（Ｃｅ，Ｎｄ)0.15Ｚｒ0.05Ｎｉ3.8Ｃｏ0.8Ａｌ0.5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５６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１２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ＯＦＦ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４４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８２、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４２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、Ｌａ0.3（Ｃｅ，Ｎｄ）0.15Ｚｒ0.05Ｎｉ3.8Ｃｏ0.8Ａｌ0.5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。
【出願人】 【識別番号】００００００９７４
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
【出願日】 平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４）
【代理人】
【公開番号】 特開２００２−１６５３１１（Ｐ２００２−１６５３１１Ａ）
【公開日】 平成１４年６月７日（２００２．６．７）
【出願番号】 特願２０００−３５６８６０（Ｐ２０００−３５６８６０）