蓄電池の仕組みについて

蓄電池とは、乾電池など1回きりの使用で終わる電池とは異なり、充電して繰り返して使用できる電池のことで、身近なところでは、携帯電話の電池パックやノートパソコンのバッテリーパックなどに使われています。その蓄電池の仕組みについて、種類ごとに詳しく解説していきます。

蓄電池とは

蓄電池とは、充電して電気を貯めておくことができ、必要な時に電気機器に電気を供給することができる二次電池・バッテリーのことです。

充放電のしくみ

蓄電池の充放電は、乾電池と同様、プラス極とマイナス極の2つの金属と、内蔵された電解液の3つが関わり合って発生します。これら3つの化学反応によって生まれる電子エネルギーを利用して、充放電を行っています。マイナス極には内蔵された電解液に溶けやすい金属、プラス極には電解質に溶けにくい金属が使用されています。

そして電解液に溶けやすいマイナス極の金属が、電解液に溶けて電子を発生させ、その電子がプラス極に流れ込み、発生した電気が放電されるという仕組みです。充電の仕組みは、放電した流れと逆向きの反応を起こすことで発生させることができます。

すなわち、プラス極の金属を溶かして電子を発生させ、この電子がマイナス極へ流れ込んで固体化し、金属に戻ってはじめの状態に戻る、つまり充電されます。

電気を貯められる蓄電池

携帯電話の電池パックに代表される蓄電池は、充電して電気を貯めることができるという点が大きな特徴です。家庭用の蓄電池ともなると、大容量のものでは、停電時に10時間以上使用することができるタイプもあり、震災時など災害の際に非常用電源として使用できます。太陽光発電と合わせて使用すれば、電気料金を節約することもできます。

種類別の蓄電池の仕組み

蓄電池には様々な種類があり、その仕組みも蓄電池ごとに異なります。それぞれの蓄電池の仕組みについて説明していきます。

鉛蓄電池

鉛蓄電池のプラス極には二酸化鉛（PbO2）が、マイナス極には鉛（Pb）、電解液には希硫酸（PbSO4）が用いられています。放電すると両極とも酸化して、同じ物質であるPbSO4を発生させますが、二酸化鉛は既に酸化している状態であり、さらに酸化させることが困難なため、参加しやすいマイナス極の鉛が電子化してプラス極に流れ込んで電気が発生します。

ニッケル水素電池

ニッケル水素電池は、プラス極にオキシ水素化ニッケル（NiOOH）、マイナス極に水素吸蔵合金、電解液に水酸化カリウム水溶液が使用されています。ニッケル水素電池は、気体である水素を効率よく電池に使用できるようにしています。このことを可能にしたのは、金属の中に水素を閉じ込めることができる水素吸蔵合金の発明でした。

水素吸蔵合金は、自らの体積の1,000倍もの水素を蓄えることができるため、効率よく水素を蓄電池内に閉じ込めることができます。マイナス極の水素吸蔵合金に含まれる水素が水素イオンとなり、プラス極に流れ込んでオキシ水素化ニッケルと結合してニッケル水酸化物Ⅱ（Ni（OH）2）を生成して電気を発生させます。

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は、プラス極に二酸化コバルト（CoO2）、マイナス極にリチウムイオン（Li）、電解液には炭酸エチレン（C3H4O3）が主に使用されており、マイナス極のリチウムイオンがイオン化して電子を生み出し、それがプラス極に流れ込んで電気を発生させます。

このようにリチウムイオン電池は、イオン化による化学反応によって電気エネルギーを生み出しています。リチウムイオンの最大の特徴は、イオン化傾向が非常に高いという点で、これにより生み出される電気エネルギーが高く、3.6Vもの定格電力の放電を可能にしています。

NAS電池

NAS電池は、プラス極に硫黄（S）、マイナス極にナトリウム（Na）、電解液にはリチウムイオン電池と同様に、有機体であるファインセラミックスが用いられており、硫黄とナトリウムの化学反応によって充放電を繰り返します。

NAS電池のメリットは、メガワット級の電子貯蔵が可能なのに安価で、設置場所の制約が少ないという点です。一方、デメリットは、使用されている硫黄やナトリウムが危険物指定されていて、作業時には作業温度を300度に維持する必要があるため、取り扱い上での安全性が懸念されているという点です。

連結方法別蓄電池の仕組み

連結方法によって、蓄電池の仕組みは異なっています。それぞれの連結方法による違いについて説明していきます。

スタンドアローン型

スタンドアローン型の蓄電池は、太陽光発電とは連携しない蓄電池のことです。つまり、太陽光発電からは充電できず、電力会社から充電するタイプです。充電は最も簡単な方法で、コンセントからになります。

単機能型

単機能型の蓄電池は、太陽光パネル用のPCS（パワーコンディショナー）と蓄電池用のPCSとが別々になっているものです。既に太陽光発電システムを設置しており、消費用に蓄電池を購入する場合、ハイブリッド型の蓄電池だと太陽光発電用のPCSを撤去しなければなりませんが、単機能型の場合は、太陽光発電用のPCSはそのままで、蓄電池用のPCSを新たに設置するだけで済みます。

単機能型は、ハイブリッド型に比べてキロワットあたりの単価が安いです。また、ハイブリッド型と同じ金額の単機能型蓄電池は、単機能型蓄電池の方が容量が大きいです。一方、単機能型蓄電池は、新たなPCSの場所を設置する場所を確保しなければなりません。

ハイブリッド型

従来の蓄電池では、太陽光発電システムと蓄電池のそれぞれにPCSが必要でしたが、この2台のPCSを1台にまとめたものがハイブリッド型蓄電池です。太陽光発電システムで作られる電気および蓄電池に貯められる電気は直流ですが、家庭で使われる電気は交流なので、PCSで交流に変換する必要があります。

電力というものは、直流から交流に変換する際に、ロスが発生するという特徴があるため、単機能型のように2台のPCSを使用すると、無駄になる電力が多いですが、ハイブリッド型はPCSを1台にしているため、変換効率を向上させることができます。

蓄電池を選ぶポイント

蓄電池を選ぶ際、どんな点に注目すれば良いでしょうか。そのポイントについて説明していきます。

家庭用蓄電池に求められる効果・性能

家庭用蓄電池は、電気代の節約ができ、また非常時のバックアップとして役立てることもできます。このことから得られる効果は、まず、電気代の節約という観点からですが、蓄電池への充電を、電気代が安い夜間などの時間帯にすることで、電気代の節約のみならず、社会全体として電気の供給に余裕がある時に充電して、電力の需要が高い時間帯に放電することで、電力会社が供給する電力量の分散が図れます。

次に、非常時のバックアップとして役立てるという観点についてですが、家庭用蓄電池に貯めた電気は、災害などにより停電になった時にも使うことができます。災害などによる停電で、携帯電話の充電ができないと、家族や友人と連絡を取り合うことができず、また冷暖房が使えないと、体調を崩すリスクも高くなります。こうした非常時に、家庭用蓄電池はバックアップとして役立てることができます。

使用方法による使い方

家庭用蓄電池を使用する際、太陽光発電と併用すると、電力会社から電気を買うことなく充電することもできるので、電気代の節約になります。また、災害などによる停電で、家庭用蓄電池に貯めた電気を使うことができますが、使い切ってしまえばもう電気を使えません。

その点、太陽光発電と併用すれば、日中は太陽光により電気を作ることができるので、もし蓄電池の電気がなくなっても、また充電することができ、電気を使える時間が長くなります。

太陽光発電との併用について

家庭用蓄電池と太陽光発電を併用することによって、どんな効果があるのでしょうか。そのメリットおよびデメリットについて説明していきます。

メリット

蓄電池だけでは、充電するには電力会社から電気を買わなければなりませんが、太陽光発電システムと併用すれば、太陽が出ている昼間は、太陽光発電でできた電気を充電したり、余った電気を売電することもでき、電気代の節約になります。

夜間は太陽光発電は使えないものの、昼間の間に太陽光発電から充電した電気を使えば電気を買う必要はありませんし、もし充電した電気がなくなって電気を買うことになっても、夜間の料金は昼間よりも安いので、いずれにしても電気代を節約することができます。

また、蓄電池には、「経済性モード」や「グリーンモード」といったいくつかの運転モードが搭載されており、太陽光発電システムの設備容量やライフスタイルに合わせて使用することができます。

デメリット

太陽光発電は、天気に左右されやすく、曇りの日など太陽が出ていない時は発電量が確保できなかったり、また日が沈んだ後も発電ができないので、安定した電気の供給という点では、やや難しい部分があります。また、太陽光発電と蓄電池両方を導入すると、費用は安くありません。

それに、双方の設備を設置するスペースを確保する必要があります。太陽光発電は屋根全体を占め、蓄電池はエアコンの室外機ほどの大きさがあるので、設置前にあらかじめスペースが空いているか確認が必要です。