(57)【要約】  電極板に鉛を用いず、また電解液に硫酸を用いず、公害物質を含まない高性能且つ高容量の２次電池の提供を課題とする。また公害要因である鉛と硫酸を使用せず、鉛電池より高性能高容量の鉛フリーバッテリーを用い、高速充放電特性も鉛電池より優れていることを利用して、さらに１度の外部充電でより長距離の走行を可能とする走行中の補充充電機能を備えた車両システムの提供を課題とする。陽極にカルシウム、酸化銀、カーボンを配合した電極を設け、陰極に亜鉛、カーボンを配合した電極を設け、電解液をアルカリ水溶液として電池を構成する２次電池を提供すると共に、その鉛フリーバッテリーを用いて、第１、第２のバッテリパックと、車輪に取付けたインホイール発電機と、車両用の動力モータと、第１、第２のバッテリパックを自動的に切り替える制御部を有する放電・充電切替装置とから少なくとも構成される車両システムを提供する。
2007074703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極にカルシウムと酸化銀とカーボンを配合した電極と、陰極に亜鉛とカーボンを配合した電極と、陽極と陰極の中間部に水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータとを設け、それら電極間に配する電解質溶液にアルカリ水溶液を用いて、鉛を使用しないことを特徴とする鉛フリーバッテリー。
【請求項２】
前記陽極は、白銅メッシュ状の電極基材と、カルシウム、酸化銀、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陽極側ペースト材とからなり、前記陰極は、亜鉛板メッシュ状の電極基材と、亜鉛、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陰極側ペースト材とからなることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーバッテリー。
【請求項３】
前記陽極のカルシウムと酸化銀とカーボンの配合比は、カルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする請求項１又は２記載の鉛フリーバッテリー。
【請求項４】
前記陰極の亜鉛とカーボンの配合比は、亜鉛６０〜９０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする請求項１又は２記載の鉛フリーバッテリー。
【請求項５】
請求項１記載の鉛フリーバッテリーを用いる車両システムであって、
前記鉛フリーバッテリーの陽極と陰極を交互に複数枚重ねて配置し、それぞれ前記セパレータを介して各極の両面を対向させて構成して容量を増加可能な１単位セルと、
所定容量の前記セルを直列に接続して所定ＤＣ電圧を出力させる第１及び第２のバッテリパックと、
車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと、前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、該ロータ及びステータの少なくとも一部が、その車輪のリムとホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、
その車両を電力により走行させる動力モータと、
前記第１のバッテリパックの電極端子が前記動力モータの入力端子に電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、前記第２のバッテリパックの電極端子が前記インホイール発電機に電子制御ＯＮ信号により接続する第１バッテリー放電・第２バッテリー充電モードと、
前記第２のバッテリパックの電極端子が前記動力モータの入力端子に電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、第１のバッテリパックの電極端子が前記インホイール発電機に電子制御ＯＮ信号により接続する第２バッテリー放電・第１バッテリー充電モードと、の２モードの切替可能な放電・充電切替装置と、
前記各第１、第２のバッテリパックのそれぞれの電力消費量を計測しメモリに集積すると共に、一方のバッテリパックの残量がメモリに記憶された所定量以下になったときは、自動的に他方のバッテリパックへ切替えるために前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ電子制御信号を送るモード切替手段を備えたコンピュータからなる切替制御部と、を備えることを特徴とする車両システム。
【請求項６】
前記セルの陽極は、白銅メッシュ状の所定の容積寸法の電極基材と、所定配合比のカルシウム、酸化銀、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陽極側ペースト材とからなり、
前記セルの陰極は、亜鉛板メッシュ状の前記陽極の容積寸法と同一の電極基材と、所定配合比の亜鉛、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陰極側ペースト材とからなることを特徴とする請求項５記載の車両システム。
【請求項７】
前記陽極側ペースト材の所定配合比はカルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定配合比は亜鉛６０〜９０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする請求項６記載の車両システム。
【請求項８】
前記切替制御部は、接続されているバッテリパックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、そのバッテリパックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断（ＯＦＦ）信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする請求項５記載の車両システム。
【請求項９】
複数ｎ（整数）個の電気２重層コンデンサと、ｎ個の該電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、充電名されたｎ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部からなる第３の蓄電装置を、前記放電・充電切替装置に、前記第１及び第２のバッテリパックと並列に設け、
前記切替制御回路部は、車両が走行を開始する時を検知して、その時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な大電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段を備えることを特徴とする請求項５記載の車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極板に鉛を用いず、また電解液に硫酸を用いず、鉛・硫酸などの公害原因物質を使用しない高性能・高容量の２次電池である鉛フリーバッテリー並びに、バッテリー急速充放電特性が鉛電池より優れている前記鉛フリーバッテリーを２次電池として用いる車両用に適した車両システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極に鉛、電解液に硫酸を用いる鉛電池は長い間代表的な２次電池として普及し、材料及び構造が改良され、性能や寿命が向上してきた。すなわち、極板、セパレータ、電池ケースなどの改良により、メンテナンスフリー・シールドタイプ電池に至っていた。【０００３】
しかしながら、エネルギ容量が低い、重く嵩張るという問題に加えて、電解液として硫酸を用いることによって、一般に性能を高めるとサルフレーション（硫化）が起り易くなり電池の内部抵抗の増加が避けられなかった。【０００４】
さらにサルフレーションが進行すると、イオンの移動が困難になり動作不能となって廃棄に至るが、硫酸・電極の鉛の公害物質の廃棄処理が容易でなかった。【０００５】
また、鉛電池を重負荷で使用した場合、極板も電解液も共に減耗するが、特に前述のシールドタイプ電池の場合は、極板は勿論、電解液の補充も不可能である。【０００６】
そこで、電池内部の構造や電解液などの改良が多少行われているが、殆どの場合、電池の性能を悪化させており、材料固有の公害物質としての危険要因も回避できない。【０００７】
例えば、鉛電池内部構造の改良に関しては、特許文献１にあるように、電解液槽の蓋に触媒を配した制御弁を設け、電池内で発生するガスを効率よく触媒反応させて生成した水を還流すると共に負極のサルフレーションを防止する技術が開示されている。鉛電池は以上のような問題点があるので、用途及び使用方法が限定される。【０００８】
そこで、最近の携帯機器の普及に伴い、その２次電池としては、鉛電池の有する前述の問題をある程度回避できるリチウムイオン電池が普及している。すなわち、リチウムイオン電池は、エネルギ密度が高く、小型軽量で公害性が低いからである。【０００９】
しかしながらリチウムイオン電池は、製造コストが高価であり、さらにサイクル寿命が３００回程度であり、鉛電池の１０００回程度に比べてサイクル寿命が低いのでランニングコストがより高価になるという問題があった。【００１０】
また、リチウムイオン電池は、過放電と過充電に対して耐力がなく、とくに過充電を行うと電池が過熱し、約１３０℃を越えると電池が破裂し、電解液の吐出に至る。【００１１】
そこで、電池の内部が高温で破裂直前になると、封入部のガスケットの一部からガスを逃がす方法や、蓋部分（正極端子）が飛び出すことでガスを逃がす方法や、内部セパレータを破壊して短絡することで、ガスの発生を抑える方法などが開発されている。【００１２】
あるいは、特許文献２を参照すると、ゲル状の非水系電解液を用いることで、可燃性の有機溶媒を電解液の溶剤として用いた場合の火災の危険性を減少させる技術が開示されている。
一方、車両システムに使用されていた２次電池については、以下のような問題点があった。【００１３】
従来から車両用に鉛電池が使用されていたが、以下のような種々の問題があった。ひとつには、単位容積あたりのエネルギー容量が低く、車両用に使用するに当っては重く、大きな容積となるという問題があった。【００１４】
さらに加えて、前述したようなサルフレーションによる鉛電池の内部抵抗の増加と、その鉛電池の硫酸及び鉛の公害物質の廃棄が車両システムにとって問題となっていた。
とくに車両用鉛電池は重負荷で使用されるので、極板及び電解液も共に減耗するが、シールドタイプ電池の場合は、極板の取替え、電解液の補充はできないなどの欠点も車両システムにとっては都合が悪かった。【００１５】
特許文献１は、車両用の重負荷に耐えられるように鉛電池内部構造を改良したものであったが、いずれにしても、２次電池としての鉛電池は車両システムの向上を制限していた。【００１６】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５６号公報（第２、３頁、第１図）
【特許文献２】特開平０９−２７０２７１号公報（第２、３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、前述の２次電池における各種の問題を解決するためになされたものであり、公害要因である鉛と、硫酸を使用しない鉛フリーバッテリーの提供を課題とする。【００１８】
その為に、陽極にカルシウム（Ｃａ）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、カーボン等を配合した電極を設け、陰極に亜鉛（Ｚｎ）、カーボンを配合した電極を設け、電解質溶液はアルカリ水溶液として電池を構成し、鉛電池より高性能、高容量の２次電池を提供することを課題とする。【００１９】
さらに、その鉛フリーバッテリーを鉛電池より急速充放電特性の優れた２次電池として用いる車両システムを課題とし、詳しくは１回の外部充電により長距離走行を可能とする車両走行中の補充充電機能を備えると共に、車両公害要因の発生の少ない車両システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決するため、本発明の鉛フリーバッテリーは、陽極にカルシウムと酸化銀とカーボンを配合した電極と、陰極に亜鉛とカーボンを配合した電極と、陽極と陰極の中間部に水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータとを設け、それら電極間に配する電解質溶液にアルカリ水溶液を用いて、鉛を使用しないことを特徴とする。【００２１】
また、前記陽極は、白銅メッシュ状の電極基材と、カルシウム、酸化銀、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陽極側ペースト材とからなり、前記陰極は、亜鉛板メッシュ状の電極基材と、亜鉛、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陰極側ペースト材とからなることを特徴とする。【００２２】
また、前記陽極のカルシウムと酸化銀とカーボンの配合比は、カルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする。【００２３】
また、前記陰極の亜鉛とカーボンの配合比は、亜鉛６０〜９０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする。【００２４】
さらに、本発明の鉛フリーバッテリーを用いる車両システムは、請求項１記載の鉛フリーバッテリーを用いる車両システムであって、
前記鉛フリーバッテリーの陽極と陰極を交互に複数枚重ねて配置し、それぞれ前記セパレータを介して各極の両面を対抗させて構成して容量を増加可能な１単位セルと、
所定容量の前記セルを直列に接続して所定ＤＣ電圧を出力させる第１及び第２のバッテリパックと、
車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと、前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、該ロータ及びステータの少なくとも一部が、その車輪のリムとホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、
その車両を電力により走行させる動力モータと、
前記第１のバッテリパックの電極端子が前記動力モータの入力端子に電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、前記第２のバッテリパックの電極端子が前記インホイール発電機に電子制御ＯＮ信号により接続する第１バッテリー放電・第２バッテリー充電モードと、
前記第２のバッテリパックの電極端子が前記動力モータの入力端子に電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、第１のバッテリパックの電極端子が前記インホイール発電機に電子制御ＯＮ信号により接続する第２バッテリー放電・第１バッテリー充電モードと、の２モードの切替可能な放電・充電切替装置と、
前記各第１、第２のバッテリパックのそれぞれの電力消費量を計測しメモリに集積すると共に、一方のバッテリパックの残量がメモリに記憶された所定量以下になったときは、自動的に他方のバッテリパックへ切替えるために前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ電子制御信号を送るモード切替手段を備えたコンピュータからなる切替制御部と、を備えることを特徴とする。【００２５】
また、前記セルの陽極は、白銅メッシュ状の所定の容積寸法の電極基材と、所定配合比のカルシウム、酸化銀、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陽極側ペースト材とからなり、
前記セルの陰極は、亜鉛板メッシュ状の前記陽極の容積寸法と同一の電極基材と、所定配合比の亜鉛、カーボンにバインダーを入れて混合し、前記電極基材に塗付・乾燥させた陰極側ペースト材とからなることを特徴とする。【００２６】
また、前記陽極側ペースト材の所定配合比はカルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定配合比は亜鉛６０〜９０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする。【００２７】
また、前記切替制御部は、接続されているバッテリパックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、そのバッテリパックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断（ＯＦＦ）信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする。【００２８】
また、複数ｎ（整数）個の電気２重層コンデンサと、ｎ個の該電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、充電名されたｎ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部からなる第３の蓄電装置を、前記放電・充電切替装置に、前記第１及び第２のバッテリパックと並列に設け、
前記切替制御回路部は、車両が走行を開始する時を検知して、その時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な大電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の鉛フリーバッテリーは以下の効果を奏する。すなわち、電極に鉛（Ｐｂ）を使用せず、電解液に硫酸を使用しないので、公害物質を含まず廃棄処理が容易となる。【００３０】
また、前述した鉛電池に係る各種問題点も解決され、さらに以下に述べる特性も加わる。【００３１】
１）急速充電が可能である。すなわち鉛電池の約１／３の時間で満充電が可能となる。さらに、陽極、陰極はカーボンが配合されているため、一部キャパシタの特性を持っている。【００３２】
２）メモリ効果がないので、継ぎ足し充電が可能である。この継ぎ足し充電ができることにより電池の保守機構を簡単にすることができる。尚、メモリ効果はＮｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−ＭＨ電池特有のもので、特に陽極にニッケル（Ｎｉ）を使用した際に発生する。【００３３】
３）急速放電ができ、スーパーキャパの特性もある。【００３４】
４）小型軽量であり、重量は鉛電池の約１／５、サイズ（容積）は鉛電池の１／３とすることができる。【００３５】
１セル当たりの電圧は約２．５Ｖあるため、鉛電池（１セル２．０Ｖ）より高く、所定電圧を求める場合、セル数が少なくて済むため小型軽量化ができる。【００３６】
５）電極、電解液とも再生が可能であり環境負荷がない。電解液を含め陽極、陰極とも有機添剤等を使用する必要がないので再生可能である。【００３７】
６）電池内部構造は、鉛電池と同様にシンプルなためと、材料費が安価であるため、低コストでの製造ができる。さらに重量が鉛電池より少なく、外囲器も小重量構造でよく、材料費が安価となる。【００３８】
また、本発明の車両システムは以下の効果を奏する。すなわち、２次電池として用いる鉛フリーバッテリーは鉛、硫酸を使用していないので、公害物質を含まず車両廃棄処理が容易となる。【００３９】
また、前述した鉛電池に係る各種問題、例えば重量が重く、容積が大きいなどの問題点も解決され、サルフレーションもなくなり保守が容易となる。【００４０】
また、車両の発進時には、バッテリーは短時間に急速放電が必要となるが、従来の鉛バッテリーより急速放電に耐える性能を有し、又、急速放電によるバッテリー故障が従来より少なくなる。さらに、複数の電気２重層からなるコンデンサ部を並列して加えることにより、急速放電に対する故障をさらに少なくすることができる。【００４１】
急速充電が可能であるため、鉛電池の約１／３の時間で満充電が可能となる。バッテリパックが空となり充電する場合は勿論、本発明のシステムでは、車両の走行中に２組のバッテリパックに交互に充電する場合も、短時間で充分に充電させることができる。【００４２】
さらに、鉛フリーバッテリはメモリ効果がないので、継ぎ足し充電が可能であることにより、本システムにおける２組のバッテリパックの切替を任意に行い、走行中に片方ずつ補充充電することにより、走行距離が格段に増加する。又、外部電源による満充電を受ける時間間隔を従来より長くすることができる。【００４３】
また、１セル当たりの電圧は鉛電池（１セル２．０Ｖ）より高く、約２．５Ｖあるため、所定電圧を求める場合、セル数が少なくて済み、小型軽量化ができる。【００４４】
また、電池内部構造は、鉛電池と同様にシンプルで、低重量で材料費が安価であるため、製造コストが低い。さらに、外囲器も小重量構造であるため材料費が安価である。【００４５】
また、車両システムの放電・充電を交互に行う１対のバッテリパックに並列させて燃料電池を配設し、充電するバッテリパックに接続すれば、さらに、外部電源による満充電を受ける時間間隔を相当に長くすることができるので、空気中に放出する有害物質が極めて少ない車両となる。
さらに、その車両の外側に、光触媒（例えば二酸化チタンなどの超微粒子液体など）をスプレー或いは塗装すれば、光（紫外線）により車両は電子が抜けて正孔が生成し、結果として大気中の有機物を分解する。以上を総合すれば、従来になく環境問題を解決した車両システムとなる効果が生じることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の鉛フリーバッテリーの各セルの内部構造図である。
【図２】本発明の鉛フリーバッテリーの陽極・陰極の構造を示し、（ａ）は陽極板の製造の流れ図、（ｂ）は陰極板の製造の流れ図である。
【図３】本発明の鉛フリーバッテリーの実施の形態を示し、（ａ）は電動車いす（ＤＣ２４Ｖ仕様）の実施例、（ｂ）は電動ドリル（ＤＣ１２Ｖ仕様）の実施例である。
【図４】本発明の鉛フリーバッテリーと鉛電池の比較図である。
【図５】充電特性の比較図である。
【図６】放電特性の比較図である。
【図７】本発明の車両システムの第１実施例の構成図である。
【図８】本発明の車両システムの第２実施例の構成図である。
【図９】車輪に取付けたインホイール発電機の構造図である。
【図１０】インホイール発電機のロータとステータの詳細構造を示す図であり、車軸を通り地面に垂直な断面図である。
【図１１】放電・充電切替装置４１の一実施例を示す模式図である。
【図１２】コンデンサ部６０の構成を示す図である。
【図１３】車両用鉛フリーバッテリーのセル構造とそのバッテリパックを示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
ａ    陽極端子
ｂ    陰極端子
ｃ    陰極板
ｄ    陽極板
ｅ    アルカリ水溶液
ｆ    セパレータ
ｇ    外囲器
ｈ１〜ｈ８  シリコン制御整流素子のゲート端子
１０    セル
１１    第１のバッテリパック
１２    第２のバッテリパック
２０    動力モータ
３０    インホイール発電機
３０ａ  マルチプレクサ
３１    前輪
３２    後輪
３３    車軸
３３ａ  ベアリング
３４    ホイールディスク
３４ａ  突起固着部
３４ｂ  リム
３５    ロータ
３５ａ  コイル
３６    ステータ
３７    軸受
３７ａ  ベアリング
３７ｂ  支持体
３７ｃ  延伸部
３９    出力ケーブル  
４１、４２    放電・充電切替装置
５１、５２    切替制御部
５３    記憶装置
５４    制御出力Ｉ／Ｆ回路
５５    入力Ｉ／Ｆ回路
６０    コンデンサ部
６１    電気２重層コンデンサ
６２    充電切替制御回路
６３    放電切替制御回路
６４    充電側端子
６５    放電側端子
９０    車両
９０ａ  車台
９０ｂ  タイヤ
９０ｃ  懸架装置
９０ｄ  バネ
１００、２００    車両システム
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明の鉛フリーバッテリーの実施例について図面を参照して具体的に説明する。【００４９】
図１は、各セル毎の鉛フリーバッテリーの内部構造図である。ここでａ、ｂはそれぞれ陽極端子、陰極端子を示す。ｃ、ｄはそれぞれ陰極板、陽極板を示し、ｅはアルカリ水溶液を示す。ｆは水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータ、ｇはそれらの外囲器を示す。【００５０】
図２は図１における鉛フリーバッテリーの陰極板ｃ、陽極板ｄの構造を示し、（ａ）は陽極板ｄの製造の流れ図、（ｂ）は陰極板ｃの製造の流れ図である。【００５１】
陽極板ｄは、最初に電極基材として白銅板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め＋端子ａを設ける。【００５２】
次に、カルシウム（Ｃａ）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、粒状のカーボンにバインダーを入れて混合し、ペースト状にしたものを前記白銅板メッシュ状の電極基板に塗布する。【００５３】
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陽極板ｄの製作が完成する。【００５４】
一方、陰極板ｃは、最初に電極基材として亜鉛板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め−端子を設ける。【００５５】
次に、亜鉛（Ｚｎ）、粒子のカーボンにバインダーを入れて混合し、ペースト状にしたものを前記亜鉛板メッシュ状の電極基板に塗布する。【００５６】
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陰極板ｃの製作が完成する。【００５７】
ここで、陽極板ｄのカルシウム（Ｃａ）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、カーボンの配合及び陰極板ｃの亜鉛（Ｚｎ）、カーボンの配合はそれぞれ以下の範囲に入るようにする。
陽極  カルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、カーボン１０〜４０％
陰極  亜鉛６０〜９０％、カーボン１０〜４０％【００５８】
次に、以上の構成におけるバッテリーとしての動作を説明する。【００５９】
電極の反応式は次のようになって負極から２ｅが正極へ流れる。
正極  Ａｇ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−――＞２Ａｇ＋２ＯＨ−
負極  Ｚｎ＋２ＯＨ−――＞ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−【００６０】
正極で生成された２ＯＨ−はセパレータを通り負極へ移動する。【００６１】
上記の反応式は銀を基準に記載したが、カルシウムイオンの反応は、充電時にはＣａ＋が放出され、負極材（板）の主にカーボンに吸着される。又、放電時にはこのカルシウムイオンＣａ＋がカーボンより離脱され陽極材（板）に戻る。【００６２】
Ｃａイオンは、イオン半径が（０．９９）と大きく、充電時にそのイオンを格納する負極材が性能に大きく依存する。【００６３】
しかし、Ｃａイオンは２価の陽イオンを持っているため、高電圧（１セル当たり１．８Ｖ〜３．０Ｖ）、高容量とエネルギ密度が高い。【００６４】
本発明の鉛フリーバッテリーは、Ｃａイオンの持っている特性と、従来ある銀亜鉛電池の複合電池である。【００６５】
エネルギ密度を比較すると、銀亜鉛電池は鉛電池の約３倍あるため、小型・軽量化が実現できる。【００６６】
次に、以上のような鉛フリーバッテリーのセルを１０個直列に接続した電動車いす等にしようできるＤＣ２４Ｖ仕様の一実施例を図３（ａ）に示す。【００６７】
図３（ａ）の右側に１セルの内容構造を示す。１セル２．５Ｖを５セル組合せて１モジュールとし、このモジュールを２ユニット使用したものである。すなわち、１ユニット２５Ｖとなり、容量は６０Ａｈ×２が得られる。【００６８】
図３（ｂ）は、（ａ）に比較して少ない容量でよい場合の電動ドリル（ＤＣ１２Ｖ程度）の一実施例を示し、右側にその１セルの内容構造を示す。１セル２．５Ｖ、４０００ｍＡｈ〜５０００ｍＡｈの容量が得られる。５セルで１２．５Ｖである。【００６９】
次に、図４に本発明の鉛フリーバッテリーと鉛電池との比較図を示す。【００７０】
図４は、容量６０Ａｈ程度の性能で、それを得るための容量、重量、電解液を比較したものである。容量、重量が本発明の鉛フリーバッテリーがより少なくてよいことが明らかである。【００７１】
図５は、本発明の鉛フリーバッテリーと鉛電池の充電特性を比較した図である。鉛フリーバッテリーは４０Ａｈ相当として比較してある。１０．８０Ｖでスタートして１２．５Ｖになるまでの時間の差は１．０Ｈと３．８Ｈの時間差があることを示す。【００７２】
図６は、それぞれ４０Ａｈ容量性能の本発明の鉛フリーバッテリーと鉛電池の放電特性を比較した図である。【００７３】
１２．５Ｖから１０Ａ定電流放電により終始電圧１０．８Ｖになる時間がそ、れぞれ３．５Ｈ、２．２Ｈであることを示す。【００７４】
なお、本発明の鉛フリーバッテリーは終始電圧が約８．０Ｖと、より低く長時間の放電が可能であるが、一般の鉛電池は終始電圧が１０．８Ｖであるので、図６では測定条件を鉛電池の１０．８Ｖに合わせてある。【００７５】
以下、本発明の車両システムの実施例について図面を参照して具体的に説明する。
図７は車両システムの第１実施例の構成図である。車両システム１００において、１０は鉛フリーバッテリーの１単位のセルを示す。この実施例ではセル５単位を直列に接続し、第１及び第２のバッテリパック１１、１２それぞれが構成されている。尚、セル１０に関しては後述する。【００７６】
２０は、車両９０（図９参照）の走行用の動力モータを示し、３０は車両９０の前輪３１、後輪３２（図９参照）のホイールディスク３４（図９参照）に取り付けた４台のインホイール発電機を示す。尚、インホイール発電機３０のホイールディスク３４への取付け及び内部構造の詳細については図９、図１０を参照して後述する。【００７７】
４台のインホイール発電機３０の出力ケーブル３９はマルチプレクサ３０ａを介して放電・充電切替装置４１へ接続する。【００７８】
充電・放電切替装置４１は、以下に示す「第１バッテリー放電・第２バッテリー充電モード」と「第２バッテリー放電・第１バッテリー充電モード」の２モードを有する。以後、前者のモードをＡモード、後者をＢモードと呼ぶ。【００７９】
Ａモードは、第１のバッテリパック１１の電極端子が動力モータ２０の入力端子に切替制御部５１が発信する電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、第２のバッテリパック１２の電極端子がインホイール発電機３０に電子制御ＯＮ信号により接続する。【００８０】
一方、Ｂモードは、第２のバッテリパック１２の電極端子が動力モータ２０の入力端子に切替制御部５１が発信する電子制御ＯＮ信号により接続すると共に、第１のバッテリパック１１の電極端子がインホイール発電機３０に電子制御ＯＮ信号により接続する。この具体例に関しては図１１を用いて後述する。【００８１】
図１１に示すように、コンピュータ構成の切替制御部５１は、ＣＰＵ（コンピュータ中央制御部）、記憶装置５３、入力及び表示装置５６，５７、放電・充電切替装置４１への制御端子を含む制御出力Ｉ／Ｆ回路５４、放電・充電切替装置４１に接続される第１、第２のバッテリパック１１、１２及び／又はインホイール発電機３０の電圧・電流などの情報を入力する入力Ｉ／Ｆ回路５５からなる。【００８２】
切替制御部５１は、前記ＡモードとＢモードを切替えるモード切替手段を有する。以下その動作を説明する。【００８３】
モード切替手段において、ＣＰＵは、第１、第２のバッテリパック１１、１２のそれぞれの電力消費量（電流と使用時間）を所定時間毎に計測して記憶装置５３（又はメモリ）に記録し、それぞれの電力消費量を集計して、一方のバッテリパックの残量が記憶装置５３（又はメモリ）に記憶された所定量以下になったとき、自動的に他方のバッテリパックへ切替えるために、切替制御部５１の制御出力Ｉ／Ｆ回路５４を介してＣＰＵが放電・充電切替装置４１の電子制御スイッチ群に対してそれぞれＡモード或いはＢモードに切替える電子制御信号を送る。【００８４】
なお、この動作は、入力Ｉ／Ｆ回路５５から第１、第２のバッテリパック１１、１２、インホイール発電機３０などから電流或いは電圧センサーを用いて情報を取得し、切替の判定をしてもよい。【００８５】
以下、第１の実施例についてさらに詳細に説明する。図１３は容量を増加させるため、陽陰電極を交互に重ね各電極の両面を使用して対向面積を増した鉛フリーバッテリーの１単位セルの構造と、車両用ＤＣ１２Ｖに使用するバッテリパックを示し、  図１３に示すように車両用鉛フリーバッテリーの１単位セルは、前述したように陽極端子ａ、陰極端子ｂ、陰極板ｃ、陽極板ｄ、と、水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータｆ、アルカリ水溶液ｅを満たした外囲器ｇから構成されている。【００８６】
図７の第１、第２のバッテリパック１１、１２は、以上の鉛フリーバッテリーのセル１０を５個直列に接続してＤＣ１２Ｖ仕様の車両用鉛フリーバッテリーとしたものである。【００８７】
また、図１３左側のセルの構造は、図２に示した電極板の製造に際して陽極板ｄと陰極板ｃの面積を大きくして極板の対向する面積を増やし、それぞれの両面を使うようにすると共に、さらに、複数の極板を重ねた構造で、容量を６０Ａｈ程度に増加させたものである。【００８８】
図１３右側の斜視図は、５セルを直列に接続した１２．５Ｖパックを示す。【００８９】
以上の車両用のバッテリパックと従来の鉛電池とを同一容量６０Ａｈで比較したとき、その容積が約１／３〜１／４程度、重量が約１／８程度に格段に減少することが図４から解かる。【００９０】
また、同一容量４０Ａｈで比較した急速充電特性を図５に示したが、鉛フリーバッテリーは鉛電池の約１／３の時間（３．８時間から１．０時間に減少）で満充電が可能であり、すなわち、急速充電特性が優れていることが解かる。【００９１】
さらに、同一１０Ａ定電流放電により比較した放電特性を図６に示したが、鉛フリーバッテリーは鉛電池に対して１．５〜１．６倍程度（２．２時間から３．５時間に増加）長くなり、すなわち、急速放電特性も優れていることが解かる。【００９２】
鉛フリーバッテリーは急速放電を行って容易に電圧降下しないことが示されている。これは鉛フリーバッテリーは内部抵抗が少なく、いわゆる、スーパーキャパの特性が少しであるといってよい。【００９３】
次に車輪に取付けたインホイール発電機の詳細構造を説明する。図９は車輪に取付けたインホイール発電機の構造図である。【００９４】
車両９０の各車軸３３の前輪３１及び後輪３２のホイールディスク３４にはロータ３５がそれぞれ固着されている。【００９５】
車両９０の動力モータ２０により車軸３３が回転すると、ロータ３５がステータ３６（図１０参照）に対して回転し、発電された電力がケーブル３９を通じてマルチプレクサ３０ａを介して前記放電・充電切替装置４１へ出力される。【００９６】
図１０は、インホイール発電機のロータとステータの詳細構造を示す図である。【００９７】
図１０は、車軸３３を通り地面に垂直な面の断面を示し、９０ａは車両の車台を示し、９０ｂはタイヤ、９０ｃは懸架装置、９０ｄはバネを示す。【００９８】
車軸３３はベアリング３３ａを介して軸受３７により軸支され、軸受３７は懸架装置９０ｃ及びバネ９０ｄを介して車台９０ａを支持しており、ホイールディスク３４はその中心部分において車軸３３の端部に固着され、その外周部分においてリム３４ｂを備え、タイヤ９０ｂを支持している。【００９９】
ホイールディスク３４は、その中間部分に突起固着部３４ａを備え、一方、軸受３７は延伸部３７ｃとその外周に設けられた支持体３７ｂを備え、突起固着部３４ａは延伸部３７ｃと支持体３７ｂの間に設けられた同心円状の開口部を貫通するように配置されている。【０１００】
その支持体３７ｂの内部に複数のコイル３５ａを周方向に配列させたロータ３５は突起固着部３４ａに固着され、さらにベアリング３７ａを介して軸受３７により軸支されている。【０１０１】
他方、永久磁石からなるステータ３６は、軸受３７から延伸された支持体３７ｂに固着されている。【０１０２】
以上の構成により、ステータ３６の内側でロータ３５が車軸３３と共に回転すると、コイル３５ａの両端に接続された配線を通じて発電出力が取り出される。【０１０３】
次に、放電・充電切替装置４１の実施例を説明する。図１１は放電・充電切替装置４１の一実施例を示す模式図である。【０１０４】
この実施例では、シリコン制御整流素子を８個利用した実施例で、アノード、カソード、ゲートからなるシリコン制御整流素子のゲート電極端子をｈ１〜ｈ８で示す。【０１０５】
このゲート電極端子ｈ１〜ｈ８は前述したコンピュータ構成の切替制御部５１の制御出力Ｉ／Ｆ回路５４の出力端子群とそれぞれ接続されている。尚、入力Ｉ／Ｆ回路５５の入力端子群は、充電を必要とする第１、第２のバッテリパック１１、１２の所定経過時間毎の放電電流値を含む各種情報値をセンサーを使用して入力し、記憶装置５３に集積し、その集積値を計算し、予め定めた放電値を超えれば各ゲート電極ｈ１〜ｈ８へ制御信号ＯＮ或いはＯＦＦを送信し、モードを切替える【０１０６】
図１１の図中の表には切替制御部５１のＣＰＵがＡ、Ｂモード切替手段を有し、入力Ｉ／Ｆ回路５５を介して入力した少なくとも第１、第２のバッテリパック１１、１２の各時刻毎の放電量と、記憶装置５３に記憶されたバッテリーの所定全放電量とから残量を計算し、予め定めた残量に到達したとき自動的に他のモードに切替える。その際、制御出力Ｉ／Ｆ回路５４を介して放電・充電切替装置４１のゲート端子ｈ１〜ｈ８に送るＯＮ、ＯＦＦ信号を示してある。【０１０７】
表に示すように、ＡモードではＣＰＵからｈ１、ｈ２、ｈ７、ｈ８へＯＮ信号、ｈ３、ｈ４、ｈ５、ｈ６へＯＦＦ信号が送られ、それらの制御信号により放電・充電切替装置４１が第１のバッテリパック１１と動力モータ２０を接続し、第２のバッテリパック１２とインホイール発電機３０を接続する。【０１０８】
一方、ＢモードではＣＰＵからｈ１、ｈ２、ｈ７、ｈ８へＯＦＦ信号、ｈ３、ｈ４、ｈ５、ｈ６へＯＮ信号が送られ、それらの制御信号により放電・充電切替装置４１が第１のバッテリパック１１とインホイール発電機３０を接続し、第２のバッテリパック１２と動力モータ２０を接続する。【０１０９】
次に、本発明の車両システムの第２の実施例を説明する。図８は、本発明の車両システムの第２の実施例を示す構成図である。図７の符号と同一の符号は同じ機能であり説明を省略する。【０１１０】
６０は、第１及び第２のバッテリパック１１、１２に並列に設けられたコンデンサ部である。図１２はコンデンサ部６０の構成を示す図である。【０１１１】
図１２に示すように、コンデンサ部６０は、複数ｎ（整数）個の電気２重層コンデンサ６１と、ｎ個の電気２重層コンデンサ６１に対して入力される電力を所定時間Ｔづつ順次充電する充電切替制御回路６２と、充電されたｎ個の２重層コンデンサ６１からその各電気２重層コンデンサ６１毎に順次放電させる放電切替制御回路６３とから構成される。【０１１２】
以上の構成のコンデンサ部６０は、放電・充電切替装置４２に第３の蓄電装置として接続される。但し、充電側端子６４と放電側端子６５とに２対にわけて放電・充電切替装置４１に接続する。【０１１３】
尚、コンデンサ部６０内部に充電・放電切替回路を設けて、切替制御部５２がその切替を制御するようにすれば、充電側端子６４と放電側端子６５は１対になる。【０１１４】
いずれにしても、切替制御部５２のＣＰＵはＡ、Ｂモード切替手段に加えて以下のようなコンデンサ放電手段を追加する。【０１１５】
すなわち、切替制御部５２のＣＰＵは、停止している車両が走行を開始する時を検知して、その時点よりコンデンサ部６０の放電側端子６５を車両の動力モータ２０に接続するＯＮ信号と共に、第１及び第２のバッテリパック１１、１２はＯＦＦとなる信号を送り、発進時に必要な大電流を所定時間（ｎ個の２重層コンデンサ６１が全部放電する時間）動力モータ２０を稼動させ、通常のモード切替手段に戻す。【０１１６】
尚、充電切替制御回路６２は、インホイール発電機３０からの充電電力を受けて、図１２の破線右側に示すデマルチ部でデマルチし、ｎ個の電気２重層コンデンサ６１に時分割信号で供給する。【０１１７】
他方、放電切替制御回路６３は、ｎ個の電気２重層コンデンサ６１にストアされた電力を時分割信号で放電するように制御する。これらの放電電力を図１２に示す破線右側のマルチプレクサ部でマルチプレックスし、車両の動力モータ２０へその放電電力を供給する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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