チューブラーゲルバッテリーとは何ですか？
鉛蓄電池の技術は、リチウムイオン電池や他の電気化学システムと比較して、明確な利点があります。 アプリケーションに適したバッテリーを選択する際には、価格、信頼性、リサイクル性、安全性が重要なポイントとなりますが、鉛蓄電池はこれらの項目で高い評価を得ています。 しかし、従来の浸水型鉛蓄電池をディープサイクル用途に使用するには難点があります。 これは、ガスによる水分損失のためにバッテリーを補充する際に必要なメンテナンスです。 トラクションバッテリーのように、限られた時間内に完全に充電する必要があるアプリケーションも多い。
そのためには、より高い電圧が必要となり、その結果、ガスが発生して電解質から水分が失われてしまう。 このような浸水型鉛蓄電池は、水を補充する必要があり、不便さとコストがかかります。また、大規模な設備では、高価な抽出装置が必要になります。 また、特に輸送、保管、廃棄などのデメリットもあります。 鉛蓄電池の液酸は、輸送時の危険物に分類されています。 これは、安全で実績のある手順で運営されている業界では問題視されていませんが、酸がこぼれないように固定する方がはるかに優れています。
ゲル電池とチューブラー電池の違い
ゲルバッテリーと通常のバッテリーの違いは何ですか？ これはよく聞かれる質問です。 浸水したチューブラーバッテリーでは、セル内で酸が自由に流れている。 上部には通気口があり、そこから水を入れてガスによる通常の損失を補います。 浸水したバッテリーや通気性のあるバッテリーは、垂直に置いて使用しなければなりません。
筒型プレート電池 – ゲル電池とAGM電池の酸の固定化の仕組み
酸を固定化することで、充電時に電池内の水分が分解されて発生する水素ガスと酸素ガスを再結合させることができるようになったのは幸いでした。 酸の固定化には主に2つの方法があります。
- AGM VRLAバッテリーと呼ばれる酸を固定する吸収性ガラスマットの使用。
- もう一つは、シリカの微粉末を加えてチューブラーゲル鉛蓄電池のようにゲル化させるもの。
どちらの方法も、全く異なる方法ではありますが、ゲル電池やAGM電池の固定化という目的を達成しています。
また、充電時に放出されるガスを再結合して水を改質するため、前述の水没型鉛蓄電池のような加水メンテナンスが不要になるというメリットもあります。 この2つの方法のうち、シリカゲル化した電解液を使用する方法は、深放電用のチューブラーゲル鉛蓄電池の設計に最適なソリューションとして広く認められています。 これには2つの大きな理由があります。1つ目は、ゲル化した電解液を使用することで、鉛蓄電池のディープサイクル特性が最も優れているとされているチューブ状の正極板を使用することができるからです。 2つ目の理由は、チューブラーゲルバッテリーでは、ガスを発生させずに深放電や限定電圧での再充電を行った場合に生じる酸の成層化を避けることができるからです。
これらは、太陽電池のようにディープサイクルを必要とする場合には大きな利点となります。 管状の鉛板電池を使用することで、最も堅牢な鉛酸管状ゲル電池の設計が可能になり、すべての鉛酸設計の中で最も高いディープサイクル能力を備えています。 チューブラーゲル電池の成層抵抗は、待機電力、UPS、太陽エネルギーのクリーンな環境市場など、部分的な充電状態（PSoC）で動作する多くのアプリケーションで大きなメリットがあります。
チューブラーゲルバッテリー技術
チューブラーゲルバッテリーの主な利点は、バッテリーの補充電が必要ないことです。 では、なぜ上乗せがないことがこれほどまでに有利なのか。 アクセスが困難な遠隔地で鉛蓄電池を維持するには、その問題を考慮しなければなりません。 浸水型電池では、水の補給を忘れると乾燥して故障することがあります。 このような浸水型バッテリーを毎月、あるいは四半期ごとに定期的に訪問してメンテナンスを行うと、非常に高いコストがかかります。 企業にとっては、これでは導入が不経済になってしまいます。
チューブラーバッテリーのデメリットは？ なし!
インドの管状ゲル電池メーカー
チューブラーゲルバッテリーの価格
この高価なコインの裏側には、メンテナンスがあります。特に商業環境では、機器の信頼性が鍵となり、信頼性の高い定期的なサービスを提供する必要があります。 重要な機器を動かすバッテリーがメンテナンスを怠って故障すると、信用や評判に大きな影響を与えることになります。 個人ユーザーにとっても、同じような不満を感じることがあります。 例えば、設置されているバッテリーにアクセスしたり、蒸留水を入手したりすることはそう簡単ではありませんし、保証請求のためにログや記録を残しておくことも必要です。 もちろん、私たちは非常に忙しく、バッテリーへのアクセスやメンテナンスに時間を取られることもあります。
また、クリーンな環境であっても、バッテリーを充電すると有害なガスや爆発性のガスが発生する場合があり、特に限られたスペースでは注意が必要です。 これは、コンピュータのバックアップや医療機器に使用される電池で、電池がキャビネットや複雑で繊細な機器の内部に保管されている場合に有効です。 バッテリーを充電する際に発生するガスを除去するためには、キャビネットや機器内の限られたスペースに爆発性の水素ガスや腐食性の酸のガスを除去するための高価な抽出装置を設置する必要がある場合があります。
チューブラーゲルVRLAバッテリーの液漏れなし
また、病院や食品貯蔵庫のようなクリーンな環境での用途もあります。 このような環境では、匂いや腐食性ガスによって食品が汚染されたり、人の健康が損なわれたりする可能性があります。 コンシューマー向けのアプリケーションに目を向けると、家やガレージ、ソーラーパワーバンクに設置されたバッテリーが、充電中に爆発性のガスや腐食性のガスを発生させることは、最も避けたいことです。
ゲル電池は密閉型の電池です。 漏れない。 酸が漏れる心配もありません。 メンテナンスフリーです。 これは、鉄道や航空での輸送において、非危険物に分類されるものです。 端子には腐食がありません。
チューブラーゲルバッテリーは非常に長持ちします。
チューブラーゲルバッテリーは、電解液がゲル状になっているため、液漏れの心配がありません。 チューブラーゲルバッテリーは液漏れしないので、どのような向きでも使用できます。 万が一、チューブラーゲルバッテリーが落下・破損しても、酸がこぼれることはありません。 浸水したバッテリーのように、誤って酸が流出して環境に悪影響を及ぼすこともありません。 チューブラーゲルバッテリーは、振動や衝撃に強いバッテリーです。 大規模なバッテリーバンクに設置された浸水型バッテリーのように、爆発性のガスを放出することもありません。
深い放電からの回復が早い
深い放電や長時間放置された場合の回復が早い。 寿命が長く、メンテナンスフリーなのも魅力です。
チューブラーゲルバッテリーの唯一の欠点は、水没バッテリーやAGMバッテリーに比べて初期費用がかかることです。 チューブラーゲルバッテリーは、通常のバッテリーに比べて30～40％ほどコストがかかります。 このコストは一見高く見えますが、上記で説明したように投資収益率で簡単に相殺されます。 コスト以外にはメリットしかありません。
チューブラーゲルバッテリー - 重要な設計上の特徴
では、チューブ状の鉛板とGEL電解質の組み合わせは、どのような仕組みになっているのでしょうか。 これを理解するためには、バッテリーの特性を構成するいくつかの要素に注目する必要があります。
GELとして固定化された電解質は、流出しないようにするとともに、充電時に放出された水素と酸素の輸送（電池内に圧力をかけて保持）を可能にし、再結合して水を生成することができます。 固定化のメリットはさらに大きく、細胞内に密度の異なる酸の層ができるのを防ぐことができます（Acid Stratification）。
浸水式バッテリーや、場合によってはAGM VRLAの設計では、充電時にリードプレートで生成された比重の大きい硫酸が重力によってセルの下部に落ち、比重の小さい酸が上部に残ることがあります。 このような状態のバッテリーは、バッテリーのサルフェーション、早期容量低下（PCL）、グリッドの腐食などにより早期に故障してしまいます。 チューブラーゲルバッテリーは、酸の「ゲル化」によってこの問題を解決し、酸の成層化に悩まされることはありませ ん。これは、垂直に保つ必要のある非常に背の高いセルの深刻な故障モードです。 Microtex社はドイツから輸入したチューブラーゲル電池の製造工場を持っており、チューブラーゲル電池に妥協のない寿命と性能を与えるために、高品質の輸入ヒュームドシリカを使用しています。
吸水性ガラスマット（AGM）電池は、ガラスマットをスポンジのように使用して硫酸を電池内に保持する。 フリーの硫酸がないので、一般的には飢餓状態の電解質を持つ電池と呼ばれています。 AGMタイプのバッテリーは、正極と負極に平板の鉛を使用しており、筒状の正極板とは異なり、腐食しやすい。 AGMバッテリーは、チューブラーゲルタイプのバッテリーに比べて寿命が短いです。
チューブラーゲルバッテリーは、バッテリーのリードプレートが筒状になっているタイプのバッテリーです。
これは基本的に、重力鋳造されたグリッドの代わりに圧力鋳造された鉛合金製の背骨を、布製のガントレットで覆い、その中にPAM（ポジティブ・アクティブ・マテリアル）を充填したものです。 これには乾燥した酸化鉛の粉末と、湿った酸化鉛のスラリーがあります。 まず、硫酸と接触する表面積が大きくなるため、材料の利用率が高くなる（60％程度）。 (上の写真のように）。 2つ目の理由は、チューブラーゲルタイプのバッテリーと2Vセルは、鉛蓄電池の中で最もサイクル寿命が長いことです。
チューブラーとゲル電池
鉛蓄電池の技術は、リチウムイオン電池や他の電気化学システムと比較して、明確な利点があります。 アプリケーションに適したバッテリーを選択する際には、価格、信頼性、リサイクル性、安全性が重要なポイントとなりますが、鉛蓄電池はこれらの項目で高い評価を得ています。 しかし、従来の浸水型鉛蓄電池をディープサイクル用途に使用するには難点があります。 これは、ガスによる水分損失のためにバッテリーを補充する際に必要なメンテナンスです。 トラクションバッテリーのように、限られた時間内に完全に充電する必要があるアプリケーションも多い。
そのためには、より高い電圧が必要となり、その結果、ガスが発生して電解質から水分が失われてしまう。 このような浸水型鉛蓄電池は、水を補充する必要があるため、不便でコストがかかり、大規模な設備では高価な取り出し装置が必要になることもあります。 また、特に輸送、保管、廃棄などのデメリットもあります。 鉛蓄電池の液酸は、輸送時の危険物に分類されています。 これは、安全で実績のある手順で運営されている業界では問題視されていませんが、酸がこぼれないように固定する方がはるかに優れています。
ゲル・AGM電池の酸の固定化について
酸を固定化することで、充電時に電池内の水分が分解されて発生する水素ガスと酸素ガスを再結合させることができるようになるという幸運な効果があります。 酸の固定化には主に2つの方法があります。
- AGM VRLAバッテリーと呼ばれる酸を固定する吸収性ガラスマットの使用。
- もう一つは、シリカの微粉末を加えてチューブラーゲル鉛蓄電池のようにゲル化させるもの。
どちらの方法も、全く異なる方法ではありますが、ゲル電池やアグム電池の固定化という目的を達成しています。
また、充電時に発生するガスを再結合させて水を改質するため、前述の水没型鉛蓄電池のような加水メンテナンスが不要になるというメリットもあります。 これらの2つの方法のうち、シリカゲル化した電解液を使用する方法は、深放電用のチューブラーゲル鉛蓄電池の設計に最適なソリューションであると誰もが認めています。 これには2つの大きな理由があります。1つ目は、ゲル化した電解液を使用することで、鉛蓄電池のディープサイクル特性が最も優れているとされているチューブ状の正極板を使用することができるからです。 2つ目の理由は、チューブラーゲルバッテリーでは、ガスを発生させずに深放電や限定電圧での再充電を行った場合に生じる酸の成層化を避けることができるからです。
これらは、太陽電池のようにディープサイクルを必要とする場合には大きな利点となります。 管状の鉛板電池を使用することで、最も堅牢な鉛酸管状ゲル電池の設計が可能になり、すべての鉛酸設計の中で最も高いディープサイクル能力を備えています。 チューブラーゲル電池の成層抵抗は、待機電力、UPS、太陽エネルギーのクリーンな環境市場など、部分的な充電状態（PSoC）で動作する多くのアプリケーションで大きなメリットがあります。
チューブラーゲルバッテリー - 長寿命
チューブラーゲルバッテリーは、電解液がゲル状になっているため、液漏れの心配がありません。 チューブラーゲルバッテリーは液漏れしないので、どのような向きでも使用できます。 万が一、チューブラーゲルバッテリーが落下・破損しても、酸がこぼれることはありません。 浸水したバッテリーのように、誤って酸が流出して環境に悪影響を及ぼすこともありません。 チューブラーゲルバッテリーは、振動や衝撃に強いバッテリーです。 大規模なバッテリーバンクに設置された浸水型バッテリーのように、爆発性のガスを放出することもありません。
チューブラーゲルバッテリー（深放電からの復帰が早い
深い放電や長時間放置された場合の回復が早い。 寿命が長く、メンテナンスフリーなのも魅力です。
チューブラーゲルバッテリーの唯一の欠点は、水没バッテリーやAGMバッテリーに比べて初期費用がかかることです。 チューブラーゲルバッテリーは、通常のバッテリーに比べて30～40％ほどコストがかかります。 このコストは一見高く見えますが、上記で説明したように投資収益率で簡単に相殺されます。 コスト面以外はメリットしかありません。
チューブラーゲルバッテリー – キーデザイン
では、チューブ状の鉛板とGEL電解質の組み合わせは、どのような仕組みになっているのでしょうか。 これを理解するためには、バッテリーの特性を構成するいくつかの要素に注目する必要があります。
GELとして固定化された電解質は、流出しないようにするとともに、充電時に放出された水素と酸素の輸送（電池内に圧力をかけて保持）を可能にし、再結合して水を生成することができます。 固定化のメリットはさらに大きく、細胞内に密度の異なる酸の層ができるのを防ぐことができます（Acid Stratification）。
浸水式バッテリーや、場合によってはAGM VRLAの設計では、充電時にリードプレートで生成された比重の大きい硫酸が重力によってセルの下部に落ち、比重の小さい酸が上部に残ることがあります。 このような状態のバッテリーは、バッテリーのサルフェーション、早期容量低下（PCL）、グリッドの腐食などにより早期に故障してしまいます。 チューブラーゲルバッテリーは、酸の「ゲル化」によってこの問題を解決し、酸の成層化に悩まされることはありませ ん。これは、垂直に保つ必要のある非常に背の高いセルの深刻な故障モードです。 Microtex社はドイツから輸入したチューブラーゲル電池の製造工場を持っており、チューブラーゲル電池に妥協のない寿命と性能を与えるために、高品質の輸入ヒュームドシリカを使用しています。
吸水性ガラスマット（AGM）電池は、ガラスマットをスポンジのように使用して硫酸を電池内に保持する。 フリーの硫酸がないので、一般的には飢餓状態の電解質を持つ電池と呼ばれています。 AGMタイプのバッテリーは、正極と負極に平板の鉛を使用しており、筒状の正極板とは異なり、腐食しやすい。 AGMバッテリーは、チューブラーゲルタイプのバッテリーに比べて寿命が短いです。
チューブラーゲルバッテリーは、バッテリーのリードプレートが筒状になっているタイプのバッテリーです。
これは基本的に、重力鋳造されたグリッドの代わりに圧力鋳造された鉛合金のスパインを、布製のガントレットで覆い、その中にPAM（ポジティブ・アクティブ・マテリアル）を充填したものです。 これには乾燥した酸化鉛の粉末と、湿った酸化鉛のスラリーがあります。 まず、硫酸と接触する表面積が大きくなるため、材料の利用率が高くなる（60％程度）。 (上の写真のように）。 2つ目の理由は、チューブラーゲルタイプのバッテリーと2Vセルは、鉛蓄電池の中で最もサイクル寿命が長いことです。
直線距離a～cに含まれるプレートの面積は、プレートの長さLに依存します。
プレートの長さLが両方とも同じであると仮定すると、平板と管状プレートの両方の設計において、1つのプレート表面に対する硫酸の接触面積は、それぞれ次のように定義されます。
a〜c（AC）の長さにLをかけたものと、円弧ab、bcの長さにLをかけたもの
平板片面接触面積＝ca×L
チューブラープレート片面接触面積＝（アークab＋アークbc）×L×（チューブ数-1）
平板の片面の酸の接触面積＝L×ca
筒状プレートの片面の酸の接触面積＝（L×Π×ca）／2
筒状プレート面積と平板面積の比＝（L×Π×ca）／2（L×ca）
チューブラー/フラットプレートの理論上の面積増加の目安＝Π/2=1.6
平板のエッジとグリッドフレームを無視しています。
標準的なディープサイクルテスト条件（放電深度80％）では、チューブラーデザインの2Vセルの中には、容量が元の値の80％に低下するまでに2,000回以上のサイクルを達成できるものもあります。 ポジティブスパインに使用されている耐腐食性合金は、市販されている2V VRLAチューブラーゲルバッテリーの中で、達成可能な最長の寿命を実現しています。 マイクロテックス社では、2Vバッテリーの最高の品質と仕様を確保するために、独自の鉛合金を製造しています。 錫を多く含む最適な鉛-カルシウム合金を使用することで、ポジティブグリッド成長やスパイン腐食によるバッテリーの早期故障を効果的に防止することができます。
これは、最も安価な材料ではなく、自己製造は鉛酸チューブラーゲルバッテリーの部品を入手する最も便利な方法ではありませんが、Microtexチューブラーゲルバッテリーが有名である厳しい品質基準を満たすために、最も良い形で管理されています。 筒状の正極板と平板状の負極板に使用されている鉛カルシウム錫合金は、充電時に発生する水素や酸素のガスをほとんど発生させません。 発生するガスの量は過大ではないため（従来の水浸しのバッテリーデザインのように）、SMFバッテリーの動作圧力内で再結合して水を形成することができます。 マイクロテックス合金は、ガスの発生が少ないため、水分損失による早期故障を防ぐことができます。
充電中に水が分解されると、マイナスとプラスの電極でそれぞれ水素と酸素のガスが発生します。 水を電気分解したときに発生するマイナスの酸素イオンとプラスの水素イオンを含む鉛蓄電池の反応を簡略化したものです。
– 充電で水が分解される。H2O = 2H+ + O-
– 正極板でのガス発生反応：2O- – 2e = O2 ガス
– 負のプレートでのガス発生反応：2H+ + 2e = H2ガス
これらの簡略化された式から、水の分解によって生成された電荷を帯びた酸素イオンと水素イオンは、イオン種として溶液中に存在することがわかります。
そして、反対に帯電した電極に引き寄せられ、（充電プロセスの電気化学的性質により）水素は電子を得て還元され、酸素は電子を失って酸化されます。 そして、ガスが閉じ込められてしまうため、電解質から水分が失われてしまいます。 しかし、チューブラーゲル電池では、固定化された電解液の中にできた空隙が小さなガスポケットとなり、その中にガスを効率よく封じ込めることができます。 このポケットはガスを効果的に貯蔵し、その後の再結合で水になるための貯留層となる。
チューブラーゲルバッテリーには、高品質な素材が求められます。特に、プレートに使用されているマルチチューブガントレット（PTバッグ）とPVCセパレータは、鉛蓄電池業界で最も厳しい仕様でMicrotex社が製造しています。 これにより、PTバッグのガントレット内の高い破裂圧力が確保され、活物質の周期的な体積変化に耐えることができます。 この容量変化は、破裂強度の低いPTバッグのような低グレードの素材を使用した場合、ペーストの抜けや容量の低下につながります。
同様に、Microtex社のTime TestedPVCセパレータは、最適な空隙率、低収縮率、硫酸に対する高い安定性を持っています。 これにより、チューブラーゲルバッテリーは、過酷な条件下でも内部抵抗を最小限に抑えて設計基準を満たし、寿命を保証することができます。
セルの内圧をコントロールするためのプレッシャーリリーフバルブなど、買い付け部品の材料仕様には妥協しない。 圧力リリーフバルブの開弁圧が正確に同じでないと、ガスが抜けて一部のセルから水が失われる可能性があります。 これにより、チューブラーゲルバッテリーの各セル間のバランスが崩れ、初期不良の原因となります。 最高品質の部品を使用することで、チューブラーゲルバッテリーの動作中のセル間の内部抵抗の変動を最小限に抑えることができます。
同様に、コネクタや容器にも最適な素材が使用されており、Microtex社の厳しい仕様に合わせて認定メーカーから供給されています。 マイクロテックスの設計、構造材料、購入部品の仕様は、何十年にもわたる経験と、サプライヤーや顧客と密接に協力し、サポートしてきた結果です。 このように、お客様に満足していただくために妥協しない姿勢が、マイクロテックスを他社とは一線を画すものにしています。
チューブラーゲル電池内の活物質のバランスが良い。
鉛蓄電池の性能と寿命は、正極活物質（PAM）、負極活物質（NAM）、酸の3つの活物質の量に大きく依存します。 満充電の鉛蓄電池では、PAMは二酸化鉛、NAMはスポンジ状の純鉛です。 これが硫酸電解液と反応して、硫酸鉛と水になるのが次の電池反応です。
– PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
– (PAM) (NAM) (ACID) (放電板) (水)
これは「ダブルサルフェート理論」と呼ばれ、電池の定格容量を得るために必要な活物質の最小量を予測するものです。
しかし、これは理論の世界ではなく現実の世界です。 実際には、物理的な特性、材料の品質、製造プロセスの品質も、どれだけの材料が必要か、電池がどれだけ長く使用できるかに影響します。 PAMはNAMに比べて効率が悪く、ネガティブな材料と同じ容量を提供するためには、最大で20％の追加が必要になることがあります。 これに加えて、材料の使用率があり、使用率が高いほど寿命は短くなります。 問題を複雑にしているのは、組み換え式のチューブラーゲルバッテリーを考慮すると、最適化されたバランスが変化することです。
マイクロテックス社は、ドイツとイギリスの国際的な専門家と協力して、材料と製造工程を最適化し、チューブ型ゲル電池のプレート材料と硫酸含有量の最適なバランスを実現しました。 チューブラーゲルバッテリーの性能と寿命は、おそらく他の鉛蓄電池業界の羨望の的であると言っても過言ではありません。
チューブラーゲルバッテリーの有用性については、他にもレンジやサイズが重要なポイントとなります。 多くのアプリケーションがあり、そのほとんどが異なる容量、電圧、および性能要件を持っています。 それに加えて、電池を取り付けるための容器やスペースがあり、その場合には取り付ける人の技術も重要なポイントになります。 マイクロテックス社はこの点において、すべてのベースをカバーしています。マイクロテックス社のチューブラーゲルバッテリーは、12Vのモノブロックおよび2Vのチューブラーゲルバッテリーセルの広範なラインナップで、原子力発電所の厳しい要件を満たすさまざまなサイズと容量があります。
チューブラーゲルバッテリーバンクは、完全に絶縁されており、時々または頻繁な高率放電に必要な高負荷に耐えるように設計されています。 2v OPzVチューブラーゲル電池の完全な範囲は、テレコム、太陽電池、スタンバイ、スイッチギアと制御、発電所と変電所、原子力と火力発電所、送電変電所のようなアプリケーションに、信頼性と耐久性のあるバックアップ電源とエネルギー貯蔵を提供します。
マイクロテックスの技術・製造チームにとっては、絶縁されたスチールコンテナに入ったオーダーメイドのバッテリーや標準サイズのバッテリーも問題ありません。 お客様のご要望に応じて、最適でコスト効率の良い設置方法をご提案するために、追加料金なしでハイレベルな技術サポートを提供しています。 これには、ゾーン4の耐震ラックやエンクロージャーの設計とお客様の敷地内への設置も含まれます。
