VRLAバッテリーとは何ですか？
VRLA（Valve Regulated Lead Acid）電池とは、簡単に言えば、水素と酸素を再結合させるために電解液を固定化した鉛蓄電池のことである。 ガスが漏れないように圧力解放弁を備えた密閉構造になっており、これが名前の由来となっています。
電解液は、シリカパウダーと混合されてゲル状になったり、微細なガラスマットに吸収されたりして流動性を失っているため、発生したガスが自由に気泡を形成して電解液の表面に浮上することはない。 その代わりに、固定化されたマトリックスに閉じ込められ、充電時に発生する圧力勾配によって反対側の極に移動させられます。 自由な液体では、これは不可能です。
VRLAバッテリーでは、正極で発生した酸素が負極に移動し、還元されて水になります。
- 正極板での過充電反応。H2O = 2H+ + 2e- + 1/2O2
- 正極板での再結合。1/2O2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
最初のVRLAバッテリー（シリカゲル）は、1930年代にElektrotechnische Fabrik Sonnenburg社が製造し、1950年代後半にSonnenschein社が改良して商品化したもので、やはりゲルタイプでした。
メンテナンスが不要なことに加えて、バッテリーを密閉できるため、可燃性の水素の放出を防ぐことができます。 また、電解液を固定化することで、腐食性のある酸がこぼれたり漏れたりしないため、取り扱いや輸送の安全性が高まるというメリットもあります。 これらの特性は、企業や消費者にとって明らかな利点であり、浸水型鉛蓄電池よりもはるかに使いやすい技術です。 商用運転では、ガス抽出装置を取り外すことでコスト削減が図れるほか、横置き運転が可能なため、収納スペースを有効活用でき、より柔軟な設置方法が可能です。
このような利点があるため、「VRLAバッテリーとは何か」という質問に対して、「鉛蓄電池の中でも最も汎用性が高く、使い勝手の良いバッテリー」と評価されるのは当然のことです。 これは、この技術が大きな市場シェアを持つオフグリッド市場のアプリケーションに反映されています。 このブログでは、そのようなアプリケーションを25個紹介します。
毎日、定格容量の80％まで放電して使用します。 このような商業運転では、VRLAバッテリーのメンテナンスコストの低さが有利に働きます。 また、サイクル寿命も重要な要素で、長ければ長いほどRTIは向上します。 多くの場合、2Vのチューブラー・ゲル・セルを使用することで、サイクル寿命と深層放電、耐損傷性が向上し、経済的にも大きな意味を持ちます。
キャンプやキャンピングカーでは、照明やテレビ・冷蔵庫などの小型家電の電源として電池を使用します。 使用頻度は不定期で断続的ですが、通常はディープサイクルの性質を持っています。 VRLAバッテリーは、メンテナンスや充電時のガス発生がなく、こぼれにくい設計で安全に扱えるため、このような状況に最適です。 バッテリーは常に12Vまたは24Vシステム用のモノブロックデザインで、容量は85～200Ahです。 これらのバッテリーは通常、日常的に使用されることはなく、特に冬場やオフシーズンに放電状態や半放電状態で長期間保管されることでダメージを受けるケースが多くあります。
マリンアプリケーションの項目では、電池を主な動力源とする電気船から、ナビゲーション装置などの補助機器、冷蔵庫やテレビ、キャビンの照明などの設備までをカバーしています。 主な動力源が推進力である場合、長時間の安定した出力が要求されますが、加速時や発進時には時折ピークバーストが発生します。
アンシラリーユースでは、通常、出力電力は低く、機器のオンオフに応じて変動します。 後者の場合、通常、バッテリーは運転中の推進モーターから充電されます。 また、トローリングモーターという比較的新しいマリン用品もあります。 漁船を水中で静かに走らせ、近くの魚群を怖がらせないようにするための電気モーターとプロペラユニットです。
マリンアプリケーションに必要なサイズ、容量、電圧は多岐にわたるため、使用パターンや動力源となる機器から特定する必要があります。 例えば、電気船は110Vで動作し、電気モーターと船内のすべての生活設備に電力を供給することができます。 多くの場合、電気システムに必要な電圧、大容量、サイクル寿命を得るためには、2Vのチューブラーゲルセルを直並列に配置する必要があります。
付帯設備を供給する場合は、モノブロック設計が最も一般的です。 12Vのモノブロックで、容量は80〜220Ahです。 しかし、トローリングモーターは、通常12V35Ahのバッテリーを使用します。
次に考えるのは、UPS（無停電電源装置）のカテゴリーです。 これは、電力や電圧の瞬間的な低下に対抗するために、バッテリーがごく短時間の大電流を供給しなければならないことを意味します。 一般的には、無線送信機やコンピュータなどの機器に使用され、通信の中断やプログラムやデータの消失を防ぐためのものです。 このカテゴリには、電話のバックアップ電源、通信タワー、小型通信機、PC端末、ICT、サーバールーム、データセンター、産業用変圧器ベースのネットワークなどが含まれます。 このような場合、必要な電力は、断続的で急速な大電流のバーストによって満たされます。
頻繁に行われるとはいえ、これは浅い放電であり、常に再充電する状態のため、バッテリーが深く放電することはありません。 非工業的な商業用途では、ガスや酸の煙が出ないため、人員や繊細な電子機器があるオフィスやハイテク環境でも電池を使用することができます。 浸水式バッテリーと比較して、メンテナンスコストが低いことも大きな魅力です。
動作電圧は、家庭用PC1台分の電源から、440Vの産業用三相交流電源まで、大きく異なります。 多くの施設では、アプリケーションの電圧と自律性の要件を満たすために、12Vモノブロックを直列/並列構成で使用していますが、大規模な産業施設では、2Vチューブラーゲルのオプションを使用することがよくあります。 容量は、小規模オフィスや家庭用の25Ahから、産業用UPSの250Ahまで様々です。 待機電力の運用には、UPSとは異なる要件があります。
これらは、断続的または定期的に深い放電を行い、完全に再充電することで、非常用照明のような不測の事態、環境モニタリングなどに使用されるポータブル試験装置の操作、または軍事用のトランシーバーのようなポータブル通信機器をカバーすることができます。 セキュリティアラームやシステム、オフィスや電話のバックアップ電源は、容量の80％まで断続的に深く放電するという、同じような使用プロファイルになります。
- 機器が定期的に循環する用途としては、一時的な交通信号、移動式照明、計画的に停電する家庭や産業分野、ディーゼルハイブリッドや太陽光発電設備などが挙げられます。 これらはいずれも稼働時間が定められており、通常は日常的に行われます。
消費電力や動作電圧に大きな違いがあるため、理想的なバッテリーのサイズや構成はありません。 大規模な設備には、深い放電に耐え、優れたサイクル寿命を持つ2Vのチューブラーゲルバッテリーが最適です。 小規模な作業や負担の少ない作業では、特にスペースに制限がある場合は、一般的にモノブロックバッテリーが好まれます。 バッテリーの設置サイズは、動作電圧、負荷、機器の稼働時間によって異なります。
すべての市場セクターが1つのカテゴリーにきれいに収まるわけではありません。 多くの携帯電話の通信塔やその他の無線通信システムでは、地域の電源の質や利用可能性に応じて、待機用または常用の電源としてバッテリーバックアップが使用されています（もしあれば）。 いずれにしても、バッテリーにはディープサイクルが必要であることがほとんどです。 最も一般的なバッテリータイプは、高出力密度、コンパクトなサイズ、装着のしやすさから12Vモノブロックです。 大型のハイパワータワーユニットでは、2VのVRLAセルを側面に取り付けたものが最適な場合があります。 VRLAバッテリーは、メンテナンスやガスの発生がないため、遠隔地、特に狭い場所にバッテリーを設置する場合に最適です。
もう1つの大きなカテゴリーは、いくつかの市場にまたがっているトラクション・バッテリーです。 これは、フォークリフトから電動アシスト自転車まで、産業用・個人用を問わず、さまざまなカテゴリーの車両に適用されます。 いずれの場合も、バッテリーを深く放電する必要があります。 フォークリフトの場合は、メンテナンスコストがかからないことが大きなメリットです。 しかし、再充電に時間がかかり、価格も高くなり、また、浸水型電池のように深い放電ができないという欠点があります。 しかし、これは、ヒューム抽出装置を含む浸水セルのコストとのバランスをとる必要があります。
また、充電時に酸欠の煙やガスが出ないことも大きなメリットです。 密閉された食品倉庫では、空気抽出装置を使用しても、充電時の酸の煙がフラッドバッテリー内に残り、フォークリフトの運転中にそれが漏れて、保管している食品を汚染する可能性があります。 電動パレットトラックをはじめとするこの市場に最適なバッテリーは、2Vのチューブラーセルで、通常12～80Vの直列構成となっています。 容量は、パレットトラック用の25Ahから、高トン数の大型フォークリフト用の1,000Ahまで様々です。
非工業用は、医療用のモビリティスクーターや車いすなどの市場を対象としています。 非レジャー用とされるe-bikeや人力車、小型EV用に鉛蓄電池を使用する小さなセクターがあります。 これらの用途には、小型でエネルギー密度の高い電池が必要です。 これを実現するのは、主にモノブロックシリーズのバッテリーです。
VRLAバッテリーの一般的な用途としては、エンジンの始動があります。 しかし、最近の自動車では、AGMタイプをその目的のために使用しているものも少なくありません。 電解質が固定化されているため、浸水式のデザインに比べて、電解質の成層化やサルフェーションによる故障が少ないのが特徴です。 水没したバッテリーの寿命が6ヶ月とも言われているストップ・スタート車には特に適しています。 高圧縮ガラスマットで活物質を固定しているため、衝撃や振動で浸水した電池のプレートが損傷しやすいオフロード車や四輪車に非常に適しています。
浸水式バッテリーよりもコストがかかるため、ほとんどの量産車では標準装備されていない。 しかし、高いクランキングパワーと長い寿命、優れたコールドスタート性能は、多少の出費に見合うだけの価値があると考えられるため、高級車市場では当然の選択と言えるでしょう。
潜水艦は、水中ではエンジンに必要な酸素が供給されないため、完全にバッテリーに依存しています。 潜水艦の大きさは、レジャー用や研究用の小型船から、長さ約70メートル、重さ2,000トン以上の軍用水中艦までさまざまです。 軍用潜水艦では従来、1セルあたり約2,000Wh、最大で175セルを直列に接続した、非常に大きなフラッドチューブ型の設計が採用されてきました。 当然のことながら、爆発性ガスを発生させないバッテリーを密閉式の船に搭載することは、非常に望ましいことです。 軍用機では通常、水面に出ているときにディーゼルエンジンからバッテリーを充電し、適切な換気を行います。
しかし、非常に窮屈で困難な状況でのバッテリーメンテナンスの仕事がなくなるのであれば、それは大きな利点となります。 この用途は深放電を伴うため、サイクル寿命が長くなればバッテリー交換によるダウンタイムが少なくなるため、2Vのチューブラーゲルセルはこの用途では当然であり、ほぼ必須の選択です。 一方、小型の研究・レジャー船では、省スペースのためにモノブロックバッテリーを使用することがあります。 様々なデザインがあるため、動作電圧や容量は非常に大きく異なります。
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